Spin Coater V1 (aproape analogic): 9 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:42

Nu toate echipamentele sunt fabricate pentru a rezista, eu sunt un student / cercetător care studiază materiale cu filme subțiri pentru tehnologia solară. O dată dintre piesele de echipament de care depind este numit spin coater. Acesta este un instrument folosit pentru a realiza pelicule subțiri dintr-un material dintr-o soluție lichidă sau precursor. Aceste filme subțiri pot fi stratificate în dispozitive cum ar fi celulele panourilor solare sau LED-urile.

La universitatea mea am avut multe probleme cu produsele comerciale mai accesibile, care sunt disponibile pentru echivalentul a câteva mii de dolari. Acești rotitori comerciali folosesc un mandrin de vid pentru a menține probele și problemele pe care le-au întâmpinat includ motoare confiscate, mandrine de vid înfundate, condensatori de fumat, printre altele, care au afectat feedback-ul pe care se baza controlul de viteză. Nu sunt conștient de problemele pe care le-a avut fiecare grup de cercetare cu ele, dar știu că în general au existat cel puțin unul care a fost reparat sau aștepta să fie reparat la un moment dat.

Designul pe care îl împărtășesc este simplu, inițial folosea bandă dublă față în loc de mandrina de vid pentru a păstra probe, aceasta a fost ulterior actualizată la un design mai ușor de utilizat (vezi Pasul 6). Funcționează de peste un an sub lumină. Nu au existat probleme în afară de uzarea unui releu (acesta nu era un releu nou când a fost instalat).

Proiectul este realizat în principal din piese găsite, cum ar fi un motor cu o putere nominală actuală de 1 "leer" (500 mA), beton, cherestea de construcție și unele componente electronice recuperate.

Provizii

Mă aștept ca oricine încearcă acest proiect să facă variații, deci aceasta este o listă neexhaustivă a ceea ce este necesar pentru proiect.

Nucleu:

Motor DC capabil de cel puțin 4000 rpm

Chuck realizat pentru motorul ales (discutat mai târziu)

Cameră:

Cadă rotundă din plastic (am folosit o cadă cu iaurt)

Plastic gros sau alternativă pentru a căptuși fundul căzii

Prosop de hârtie

Bandă

Montură:

tăiat din pin de 38x228 mm (utilizat de obicei pentru căpriori în acoperișuri)

Balama lungă de 30 mm

Cauciuc sau spumă dură (montare motor)

Șurub M6 cu cap adecvat pentru șurubelniță

Piuliță M6

Șaibă de 6 mm

Baza și suspensia:

Baza grea (am folosit un bloc de beton tăiat la dimensiune)

Bara filetata M6

9x piulițe M6 pentru bara filetată

3x arcuri lungi cu diametrul de 8 mm

12x șaibe de 6 mm

Elementele de bază ale controalelor:

Cutie de proiect (am folosit o cadă de înghețată, aceasta este o scuză bună pentru a mânca înghețată)

Alimentare de 12V (am folosit 2 astfel încât motorul să poată fi pe o sursă separată)

1x diode redresoare pentru motor

Cronometru în 2 etape:

2x MOSFET cu canal n (cum ar fi IRF540)

2x 47 uF capac aluminiu 35V

2x B500k pot dual slide

Rezistor 200K

Rezistor de 10K

2x diode redresoare pentru relee

Buton de contact momentan

Releu SPST (pornire / oprire temporizator)

Releu DPDT (temporizare viteză 1 / viteză 2 tranziție)

Circuitul PWM:

1x temporizator NE555

1x rezistor 1k

2x condensatori 10nC

1x MOSFET cu canal n (cum ar fi IRF540)

1x radiator pentru MOSFET

1x șaibă izolatoare din siliciu pentru radiator

www.mantech.co.za/ProductInfo.aspx?Item=14…

2x oale de 10k (ciclu de funcționare)

1x diode redresoare pentru relee

Testarea vitezei motorului:

Ideal:

tahometru optic.

Alternativă:

Bandă

Sârmă subțire ca un obiect dur (de ex. Sârmă, scobitoare, agrafă)

Computer cu „Audacity” instalat

Pasul 1: Aveți un motor adecvat?

Majoritatea filtoarelor trebuie să funcționeze într-un interval de viteză de la 500 la 6000 rpm. Munca mea are nevoie de 2000 și 4000 rpm ca fiind cele mai importante viteze de import, așa că m-aș putea conforma cu un motor DC pe care îl aveam în jur, care funcționa în intervalul 1100 - 4500 rpm, motorul meu poate funcționa mai lent, deși turațiile mai mici sunt mai puțin fiabile datorită rezistența în motor.

Găsiți un motor și o sursă de alimentare adecvată dacă aveți un motor de 12 V. Potriviți tensiunea necesară motorului dvs. și curentul sursei de alimentare ar trebui, în mod ideal, să fie cu 20% mai mare decât este necesar motorului. Dacă aveți un motor de 24 V, veți avea nevoie de un convertor descendent sau de o sursă de alimentare separată pentru a furniza 12 V pentru electronică.

În continuare, vom dori să testăm viteza minimă și maximă pe care motorul dvs. o poate adapta. Dacă aveți o sursă de alimentare cu tensiune selectabilă / reglabilă, utilizați-o, dacă nu construiți circuitul PWM prezentat în circuitul de control mai departe (sau circuitul de control complet).

Pasul 2: Test de viteză

Un tahometru optic este un instrument excelent pentru a testa viteza unui motor dacă puteți pune mâna pe unul, aici vă prezint o metodă alternativă.

Partea A

1. Pregătiți un computer pentru a înregistra audio cu „Audacity”, care este un editor audio gratuit.

2. Înfășurați banda în jurul arborelui motorului (banda electrică sau de mascare va funcționa bine).

3. Setați motorul la cea mai mică viteză pe care o poate gestiona.

4. Începeți înregistrarea audio.

5. Conform videoclipului pentru această secțiune, aduceți un știft metalic, cui sau agrafă ușor în contact cu banda timp de câteva secunde.

6. Opriți înregistrarea.

7. Repetați pentru viteza maximă.

8. Vizualizați sunetul și calculați RPM.

Când contactăm banda cu știftul metalic, dorim ca abia să se atingă. Cu cât apropiați știftul de arborele motorului, cu atât banda trebuie să se îndoaie pentru a o trece și cu atât încetinim sau luăm impuls de la motor. Dacă contactul dintre bandă și știftul metalic este prea luminos, este posibil să nu obținem suficient volum în înregistrare pentru a ne spune când se face contactul. Pentru a calcula RPM din audio în Audacity (vezi imaginea din partea de sus)

Partea B

1. Măriți sunetul până când puteți vedea vârfuri distincte ale locului în care pinul intră în contact.

2. Faceți clic stânga pe un vârf și țineți apăsat, mișcând mouse-ul astfel încât zona selectată să acopere cel puțin 5 vârfuri.

3. Numărați numărul de vârfuri.

4. Utilizați afișajul de timp „Start și sfârșit de secțiune” din partea de jos a ferestrei pentru a obține timpul necesar pentru apariția acelor vârfuri / rotații.

5. (numărul de vârfuri) / (timpul în secunde) = rotații pe secundă

6. RPM = (rotații pe secundă) * 60

Este important să vă asigurați că motorul dvs. poate funcționa la viteza de care aveți nevoie înainte de a construi carcasa pentru acel motor. Vom repeta testul de viteză la sfârșit pentru calibrare, ulterior omitând pasul 7 al părții A și înlocuind pasul 3 cu orice viteză testăm.

Pasul 3: Exemplu de mandrină

Cea mai importantă parte a acestei construcții este mandrina de probă. Pentru mandrina de aluminiu, un prieten de-al meu (Gerry) l-a întors pe un strung, apoi s-a băgat un fir pentru a se încadra în motorul meu specific (filetul imperial în cazul meu). Pentru un motor cu filet cu șurub pe arbore, montarea mandrinei este pur și simplu înșurubarea acestuia odată realizată (legătura). Mi se pare mai ușor, deși este mai probabil să existe o precesiune pe care este montat mandrina. Dacă utilizați un motor cu un arbore neted, nu veți avea probleme cu „jocul” în filet. Provocarea aici este că arborele va trebui fie lipit sau chiar mai bine să aibă un șurub pentru a-l strânge pe arbore.

Dacă aveți acces la un strung pentru prelucrarea metalelor și cineva priceput să-l folosească, atunci este bine să întoarceți mandrina. Dacă motorul dvs. are un filet, atingeți un fir în centrul mandrinei. Pentru un motor cu un arbore neted, va trebui să folosiți ceva de genul unui șurub de prindere pentru a apăsa pe partea laterală a arborelui și a-l menține în poziție.

O alternativă prezentată în imaginile de mai sus este să luați un ferăstrău și să tăiați un disc cu ajutorul unei burghie. După aceea, folosiți o atingere pentru a atinge un fir în centru. Dacă aveți un material moale, îl puteți îndepărta cu ajutorul unui cuțit, pentru un material mai dur ar fi adecvat un fișier. Partea superioară a găurii poate fi apoi umplută cu epoxidic sau o tăietură dintr-o foaie de metal poate fi epoxidată la suprafață.

SIGURANȚĂ: Utilizarea lipiciului / epoxidului pe mandrina nu este recomandată, deoarece dacă lipiciul eșuează … unde merge mandrina. Mandrina va învârti la o viteză mare în timpul utilizării, făcând ca mandrina dintr-o placă subțire de metal să o transforme într-un disc de tăiere. Vă recomand să folosiți un material cu grosimea de cel puțin 5 mm.

Pasul 4: Construiți suportul motorului - baza și arcurile

Suportul motorului trebuie să servească 2 scopuri, să mențină motorul în poziție și să amortizeze vibrațiile. Suportul pe care îl faceți va fi specific motorului dvs. Voi descrie ceea ce am făcut pentru a vă face o idee despre cum să vă faceți propriile. Unele motoare au ventilație laterală, deci fiți conștienți de locul în care se află și păstrați-l liber pentru răcire.

Găsiți o bază grea suficient de mare pentru proiect. Am găsit o secțiune de beton cu o grosime adecvată și am tăiat-o la dimensiune folosind o lamă de polizor unghiular cu diamant. Pavelele din beton sau o placă metalică groasă ar trebui să funcționeze la fel de bine. Dacă puteți, încercați să găsiți ceva care nu trebuie tăiat.

Pietrele din beton îngreunează forarea și uneori înseamnă că găurile se vor deplasa în lateral. Așa că am făcut găuri în bază pentru bara filetată înainte de a marca găurile de pe carcasa motorului (dacă aveți un material mai confortabil, comanda nu va conta).

1. Găuriți găurile pentru bara filetată cu un burghiu de zidărie cu diametrul barei filetate.

2. Folosiți un burghiu de zidărie mult mai mare pentru a controla scufundarea capătului barei filetate, a șaibei și a piuliței care vor fi sub bază.

3. Marcați găurile de pe carcasa motorului din lemn pentru bara filetată sau pe o bucată de hârtie pentru a fi utilizate ulterior ca șablon.

4. Tăiați bara filetată la lungime, filați marginea tăiată și verificați dacă firul este încă bun. Așezați o piuliță pe bară înainte de tăiere. Când acest lucru este eliminat, se poate repara / alinia firul, dacă nu este prea deteriorat după aceea.

5. Așezați barele prin beton urmate de o șaibă și piuliță pe fiecare parte.

6a. Dacă ați reușit să găsiți arcuri suficient de lungi și rigide pentru a susține motorul și carcasa, le puteți plasa urmate de o șaibă groasă. Este necesară o șaibă groasă, deoarece o șaibă subțire poate fi prinsă în fir. Puteți face propriile dvs. șaibe prin găurirea unei găuri printr-o bucată de metal adecvată și finisarea găurii cu o pila.

6b. Dacă preferați să nu folosiți arcuri, se poate folosi în schimb o piuliță și o șaibă, dezavantajul este că aceasta nu va servi la diminuarea vibrațiilor motorului.

Pasul 5: Construiți suportul motorului - carcasa motorului

Carcasa motorului a fost făcută ca o clemă, bucăți de pin au fost articulate împreună cu o cavitate în centru și o piuliță și un șurub pentru a-l fixa solid. Lemnul folosit pentru locuința mea a fost tăiat dintr-un căprior cu o secțiune transversală de 38x228 mm.

1. Aflați dimensiunea lemnului de care aveți nevoie pentru motorul dvs. și marcați-o piesa ca în (a) din fotografia de mai sus.

2. Marcați o gaură nu mai mică decât diametrul motorului dvs. avem nevoie de puțin spațiu pentru banda de cauciuc care va fi între motor și carcasă. Ansamblul este iertător cu privire la dimensiunea orificiului din cauza clemei ca montarea (balama și șurub).

3. Găuriți o gaură pilot, apoi gaura folosind un ferăstrău. Ferăstrăul cu găuri pe care l-am folosit doar cu tăieturi de aproximativ 22 mm adâncime, așa că am forat la jumătatea drumului de fiecare parte.

4. Marcați și găuriți găurile pentru bara filetată care vor susține carcasa motorului. Acestea ar trebui să fie cu cel puțin 1 mm mai groase decât bara filetată pentru a permite libera mișcare.

5. Înșurubați balamaua conform (b) din fotografia de mai sus, apoi scoateți-o. Aceasta este pentru a face găurile.

6. Tăiați forma ca în (b) din fotografia de mai sus, am folosit un ferăstrău.

7. Forma ne permite să avem un șurub opus balamalei. Găuriți gaura șurubului așa cum se arată în (c) din fotografia de mai sus. Gaura trebuie să fie cu aproximativ 2 mm mai mare decât șurubul pentru a permite deschiderea și închiderea ușoară a ansamblului.

8. Tăiați lungimea piesei ca în (d) din fotografia de mai sus, apoi înșurubați balamaua înapoi.

9. Înfășurați motorul cu o bandă de cauciuc și puneți-l în carcasă, insert și strângeți o piuliță, șurubul și șaiba pentru a ține carcasa închisă, faceți acest lucru ferm, dar nu prea strâns. Dacă motorul dvs. are ventilație laterală, asigurați-vă că nu blocați fluxul de aer.

10. Așezați carcasa motorului pe bază. Asigurați-vă că arcurile sunt la locul lor cu o șaibă deasupra. Așezați o șaibă și piuliță pe cele 3 bare filetate pentru a ține apăsat motorul. Un tampon de cauciuc suplimentar poate fi plasat între carcasa motorului și șaibă deasupra pentru a reduce mai bine vibrațiile.

11. Strângeți cele 3 piulițe folosind un nivel cu duh pentru ghidare.

Pasul 6: Construiți suportul motorului - camera

Pentru a face camera am folosit o cadă de iaurt transparentă și o foaie groasă de plastic.

1. Folosiți un cuțit pentru a tăia o formă în baza recipientului prin care puteți trece mandrina (pentru un mandrin care nu va fi îndepărtat pentru curățare). Am tăiat o diagonală pe baza containerului, permițând mai mult spațiu pentru manevrarea containerului pentru a se potrivi peste mandrină fără a mări gaura din centru.

2. Fixați recipientul în poziție cu un pic de bandă pe exteriorul recipientului. Prefer asta decât o montare permanentă pentru o curățare mai ușoară.

3. Așezați un șervețel de hârtie în partea inferioară a recipientului pentru a absorbi lichidul în timpul acoperirii prin centrifugare, apoi acoperiți camera în folie de aluminiu. Folosiți un pic de bandă acolo unde este necesar pentru a împiedica atingerea arborelui sau a mandrinei. Acest „pansament” ar trebui schimbat periodic. Folia captează cea mai mare parte a lichidului, iar prosopul de hârtie absoarbe cea mai mare parte din ceea ce trece de folie.

Bonus: După ce am folosit metoda cu bandă dublă pentru atașarea probelor, am luat un indiciu de la Ossila (au niște echipamente de laborator de calitate) și am tăiat un vechi card de credit pentru a face o montare fără vid / fără bandă pentru probele mele.

Pasul 7: Construirea circuitului de control

Privind o imagine de mai sus, veți vedea o schemă de circuite îngrijită și o punere în aplicare a plăcii. Am folosit surse de alimentare separate de 12V 500mA pentru motor și circuitul de control, deoarece motorul este evaluat la 500mA, de regulă este mai bine să aveți o capacitate suplimentară de 20% la sursa de alimentare. Dacă aveți o sursă de alimentare care poate furniza suficient curent pentru ambele, grozav.

Mai degrabă decât un mod pas cu pas, să vedem ce face fiecare secțiune.

Circuitul de control al timpului pornește și oprește spin coater-ul și controlează în care dintre cele 2 trepte / stări se află circuitul PWM și când trebuie să comutați.

Acest lucru se face prin alimentarea a 2 relee prin tranzistoare MOSFET. Un releu SPST controlează pornirea și oprirea și un releu DPDT controlează care dintre cele două poturi setează ciclul de funcționare al circuitului PWM.

Circuitul PWM este pur și simplu un temporizator NE555 în funcțiune durabilă. Ciclul de funcționare este controlat de oale, unde raportul dintre rezistența setată și valoarea potului este ciclul de funcționare (a se vedea „blocul selectorului de viteză” din schemă).

Încărca:

MOSFET-urile sunt utilizate, deoarece permit comutarea curentului de curent neglijabil prin puterea terminalului lor. Acest lucru ne permite să stocăm încărcarea în condensatoare pentru a alimenta MOSFET-urile care, la rândul lor, acționează releele. Un buton de contact momentan este utilizat pentru a încărca condensatorii. Diodele sunt utilizate între contactul momentan și condensatoarele pentru a preveni fluxul de curent de la un condensator la altul.

Descărcare:

Principiul pentru controlul timpului celor 2 etape este descărcarea condensatoarelor printr-o rezistență. Această rezistență este stabilită de vase, cu cât rezistența este mai mare, cu atât descărcarea este mai lentă. Acest lucru urmează în mod ideal τ = RC, unde τ este perioadă sau timp, R este rezistență și C este capacitate.

În circuitul de timp utilizat există 2 poturi duble de 500K, aceasta înseamnă că pentru fiecare pot există 2 seturi de terminale. Profităm de acest lucru conectând al doilea pot din serie cu el însuși și în serie cu unul dintre primele seturi de terminale ale potului. În acest fel, atunci când stabilim rezistență pe primul vas, acesta va adăuga rezistența echivalentă celei de-a doua. Primul pot este limitat la 500K, în timp ce modul în care este conectat al doilea, va avea o rezistență de până la 1000K plus valoarea primului pot. Pentru a include o rezistență minimă, am adăugat în plus o rezistență cu valoare fixă la fiecare linie, conform schemei de circuit.

Pasul 8: Calibrare și testare

După ce am terminat spin coaterul, am continuat să-l testez. Imaginea eșantioanelor de mai sus are un eșantion (hibrid-perovskit) realizat pe un spin coater scump în stânga și pe spin coater descris în acest instructable în dreapta. Acestea au fost setate la aceeași viteză.

Spin coaterul poate fi calibrat fie împotriva tensiunii, fie împotriva poziției poturilor dvs. de viteză. Am calibrat inițial folosind tensiunea urmată de marcarea vitezei / pozițiilor pe care le folosesc cel mai des pe ghivece.

Când calibrez cu tensiune, nu sunt sigur dacă diferiți multimetri vor citi semnalul PWM ca fiind aceeași tensiune, din această cauză, folosesc întotdeauna același multimetru cu care am calibrat, dacă trebuie să setez spin coater la o viteză care nu are o asociere marcare. Tensiunea a fost citită la ieșirea alimentată la motor. Multimetrul nu a fost conectat în timp ce viteza era măsurată pentru a evita posibilitatea ca multimetrul să reducă curentul furnizat motorului.

1. În secțiunea despre testarea vitezei a fost detaliat procesul de testare a vitezei. Repetați acest proces în diferite poziții pe ghivecele de control al vitezei, încercați să includeți viteza la care intenționați să utilizați spin coaterul și vitezele minime și maxime. Aproximativ 5 măsurători ar trebui să fie suficiente. Pentru fiecare viteză înregistrați poziția și / sau tensiunea.

2. Puneți vitezele și tensiunile de calibrare în Microsoft Excel, apoi trasați un grafic

3. Adăugați o linie de tendință la datele dvs. Folosiți cea mai simplă potrivire care va explica tendința datelor, în mod ideal un polinom liniar sau de ordinul 2.

3a. Pentru a face acest lucru în Excel, selectați graficul grafic, accesați fila de aspect din panglica de opțiuni

3b. Faceți clic pe pictograma „Trendline”.

3c. Selectați „mai multe opțiuni pentru linia de tendință”

3d. Alegeți opțiunea și bifați „Afișați ecuația pe diagramă” și „Afișați valoarea pătrată R pe diagramă”

Sperăm că aveți o potrivire bună, acum puteți folosi ecuația pentru a calcula RPM de la tensiunea furnizată motorului.

Deoarece și cititorul este probabil un om de știință …

Tehnica pipetei: În videoclip am folosit micro-pipeta într-un unghi, acest lucru m-a ajutat să-mi țin brațul în afara videoclipului. În mod ideal, pipeta ar trebui să fie verticală și cât mai aproape de eșantion / substrat fără a o atinge, astfel încât să puteți repeta în mod fiabil.

Calitatea filmului: Unele dintre caracteristicile filmelor subțiri depuse în imagine pot fi evitate prin filtrarea soluțiilor precursoare înainte de utilizare (cum ar fi utilizarea unui filtru PTFE de 33 um). Culoarea mai deschisă a filmului, văzută de la stropitorul „fantezist”, poate fi rezultatul ritmului și al atmosferei. Stratul de acoperire „fantezist” a fost fabricat pentru a funcționa doar cu un flux mare de gaz inert, astfel încât filmele au fost acoperite cu rotire în azot pe stratul de acoperire „fantezist” și aer în stratul de spălat DIY.

Pasul 9: Recunoaștere

Această scurtă secțiune oferă contextul în care studiez și grupurile care îmi susțin cercetarea, care se concentrează în jurul fotovoltaicii hibrid-perovskite.

• Universitatea din Witwatersrand, Africa de Sud
• Fundația Națională de Cercetare (NRF), Africa de Sud
• GCRF-START. Regatul Unit
• Gerry (care a prelucrat mandrina din aluminiu)