Spin Coater V1 (почти аналогов): 9 стъпки (със снимки)

2025 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2025-01-23 12:57

Не цялото оборудване е създадено да издържи, аз съм студент/изследовател, изучавам тънкослойни материали за слънчеви технологии. След като част от оборудването, от което разчитам, се нарича центрофуга. Това е инструмент, използван за направата на тънки филми от материал от течен разтвор или прекурсор. Тези тънки филми могат да бъдат наслоени на устройства като клетка от слънчев панел или светодиоди.

В моя университет имахме много проблеми с по -достъпните търговски продукти, които се предлагат за еквивалент на няколко хиляди долара. Тези търговски въртящи се нагреватели използват вакуумен патронник за задържане на проби и проблемите, с които се сблъскват, включват задържани двигатели, запушени вакуумни патронници, кондензатори за пушене и други, които засягат обратната връзка, на която разчита контролът на скоростта. Не съм запознат с проблемите, които всяка изследователска група е имала с тях, но знам, че по принцип поне една е била ремонтирана или чакаща да бъде поправена във всеки един момент.

Дизайнът, който споделям, е прост, първоначално се използваше двустранна лента вместо вакуумен патронник за задържане на проби, по -късно това беше актуализирано до по -лесен за използване дизайн (вижте Стъпка 6). Работи повече от година при леко използване. Нямаше проблеми освен износване на реле (това не беше ново реле, когато е инсталирано).

Проектът е направен предимно от намерени части като двигател с текуща оценка от 1 "leer" (500 mA), бетон, строителен дървен материал и някои спасени електронни компоненти.

Консумативи

Очаквам всеки, който се опитва в този проект да направи вариации, така че това е неизчерпателен списък на това, което е необходимо за проекта.

Ядро:

Мотор с постоянен ток, способен на не по -малко от 4000 оборота в минута

Патрон за избрания двигател (обсъдено по -късно)

Камера:

Кръгла пластмасова вана (използвах вана с кисело мляко)

Дебела пластмаса или алтернатива на дъното на ваната

Хартиени кърпи за ръце

Лента

Монтаж:

отрязан от бор 38x228 мм (обикновено се използва за греди в покриви)

Панта с дължина 30 мм

Каучук или твърда пяна (монтаж на двигателя)

Болт M6 с подходяща глава за отвертка

Гайка М6

6 мм шайба

Основа и окачване:

Тежка основа (използвах бетонен блок, изрязан по размер)

M6 резба

9x M6 гайки за резбована шина

3x дълги пружини с диаметър 8 mm

Шайби 12х6 мм

Основи на контрола:

Кутия за проект (използвах вана за сладолед, това е добро извинение да ядете сладолед)

12V захранване (използвах 2, за да може моторът да е на отделен източник)

1x токоизправителни диоди за двигателя

2 етапен таймер:

2x n-канал MOSFET (като IRF540)

2x 47 uF капачка алуминий 35V

2x двоен слайд B500k

200K резистор

10K резистор

2x токоизправителни диоди за релетата

Моментален контакт с бутон

Реле SPST (таймер старт/стоп)

Реле DPDT (скорост на таймера 1/скорост 2 преход)

ШИМ верига:

1x таймер NE555

1x 1k резистор

2x 10nC кондензатори

1x n-канал MOSFET (като IRF540)

1x радиатор за MOSFET

1x изолираща силиконова шайба за радиатора

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

2x 10k саксии (работен цикъл)

1x токоизправителни диоди за релетата

Тестване на скоростта на двигателя:

Идеално:

оптичен тахометър.

Алтернатива:

Лента

Тънка тел като твърд предмет (напр. Тел, клечка за зъби, кламер)

Компютър с инсталиран „Audacity“https://www.audacityteam.org/

Стъпка 1: Имате ли подходящ двигател?

Повечето центробежни покрития трябва да работят в диапазон от 500 до 6000 об / мин. Работата ми се нуждае от 2000 и 4000 оборота в минута като най -бързите скорости на внос, така че можех да се справя с постоянен двигател, който работех в диапазона от 1100 до 4500 об / мин, моторът ми може да работи по -бавно, въпреки че по -бавните скорости са по -малко надеждни поради съпротивлението в двигателя.

Намерете подходящ двигател и захранване, ако имате 12 V мотор. Съответствайте на напрежението, което се изисква от вашия двигател, а токът на захранването в идеалния случай трябва да бъде с 20% по -голям от изисквания за двигателя. Ако имате 24 V мотор, ще ви е необходим понижаващ преобразувател или отделно захранване, за да осигурите 12 V за електрониката.

След това ще искаме да тестваме минималните и максималните скорости, които вашият двигател може да побере. Ако имате захранване с избираемо/регулируемо напрежение, използвайте това, ако не, изградете ШИМ веригата, показана по -нататък в управляващата верига (или пълната верига за управление).

Стъпка 2: Тест за скорост

Оптичният тахометър е чудесен инструмент за тестване на скоростта на двигателя, ако можете да се докоснете до него, тук представям алтернативен метод.

Част А.

1. Подгответе компютър за запис на аудио с "Audacity", който е безплатен аудио редактор.

2. Увийте лента около вала на вашия двигател (електрическата или маскиращата лента ще работят добре).

3. Настройте двигателя на най -ниската скорост, която може да управлява.

4. Започнете запис на аудио.

5. Съгласно видеоклипа за този раздел, поставете метален щифт, пирон или кламер леко в контакт с лентата за няколко секунди.

6. Спрете записа.

7. Повторете за максимална скорост.

8. Прегледайте аудиото и разработете оборотите.

Когато се свържем с лентата с металния щифт, искаме тя едва да докосва. Колкото по -близо доближавате щифта към вала на двигателя, толкова повече лентата трябва да се огъва, за да я премине, и колкото повече забавяме или вземаме инерция от двигателя. Ако контактът между лентата и металния щифт е твърде светъл, може да не получим достатъчно сила на звука в записа, за да ни каже кога се осъществява контакт. За да изчислите оборотите в минута от аудиото в Audacity (вижте снимката в горната част)

Част Б

1. Увеличете аудиото, докато не видите отделни върхове на мястото, където щифтът осъществява контакт.

2. Щракнете с левия бутон върху пик и задръжте, като преместите мишката така, че избраната област да покрива поне 5 пика.

3. Пребройте броя на пиковете.

4. Използвайте дисплея за време „Начало и Край на раздел“в долната част на прозореца, за да получите времето, необходимо за тези пикове/завъртания.

5. (брой пикове)/(време в секунди) = обороти в секунда

6. Обороти в минута = (обороти в секунда)*60

Важно е да се уверите, че вашият двигател може да работи с необходимите ви скорости, преди да изградите корпуса за този двигател. Ще повторим теста за скорост в края за калибриране, като по -късно пропуснем стъпка 7 от част А и ще заменим стъпка 3 с каквато и скорост да тестваме.

Стъпка 3: Примерен патронник

Най -важната част от тази конструкция е патронният патронник. За алуминиевия патронник, един мой приятел (Гери) го завъртя на струг, след което беше нарязана нишка, за да се побере в моя специфичен двигател (имперска резба в моя случай). За двигател с винтова резба на вала, монтирането на патронника е просто завинтване, след като е направено (връзка). Намирам това за по -лесно, въпреки че има по -голяма вероятност да има прецесия, когато патронникът е монтиран. Ако използвате двигател с гладък вал, няма да имате никакви проблеми с "свиренето" в резбата. Предизвикателството тук е, че валът или ще трябва да бъде залепен, или дори по -добре да има винт за затягане, за да го затегне върху вала.

Ако имате достъп до струг за метал и някой квалифициран да го използва, тогава е най -добре да завъртите патронника. Ако вашият двигател има резба, докоснете нишка в центъра на патронника. За двигател с гладък вал ще трябва да използвате нещо като винт за притискане към страната на вала и да го задържите на място.

Алтернатива, показана на снимките по -горе, е да вземете циркуляр и да изрежете диск с помощта на бормашина. След това използвайте докосване, за да докоснете нишка в центъра. Ако имате мек материал, можете да го премахнете с нож, за по -твърд материал би била подходяща пила. След това горната част на отвора може да бъде запълнена с епоксидна смола или изрязана от метална ламарина да се епоксидира върху повърхността.

БЕЗОПАСНОСТ: Не се препоръчва използването на лепило/епоксидна смола върху патронника, тъй като ако лепилото се провали … къде отива патронникът. Патронът ще се върти с висока скорост по време на употреба, което прави патронника от тънка метална плоча потенциално да го превърне в режещ диск. Препоръчвам да използвате материал с дебелина не по -малка от 5 мм.

Стъпка 4: Изградете опората на двигателя - основа и пружини

Стойката на двигателя трябва да служи за 2 цели, да поддържа двигателя на място и да потиска вибрациите. Монтажът, който правите, ще бъде специфичен за вашия двигател. Ще опиша какво съм направил, за да ви дам представа как да направите своя собствена. Някои двигатели имат вентилация отстрани, така че имайте предвид къде се намира това и я дръжте чиста за охлаждане.

База и пружини Намерете достатъчно голяма база за проекта. Открих участък от бетон с подходяща дебелина и го нарязах по размер с помощта на диамантен ъглов шлифовъчен нож. Бетонните павета или дебела метална плоча трябва да работят също толкова добре. Ако можете, опитайте се да намерите нещо, което не трябва да се реже.

Камъните в бетона затрудняват пробиването и понякога означават, че дупките ще се отклонят отстрани. Така че пробих отвори в основата за резбована шина, преди да маркирам отворите на корпуса на двигателя (ако имате по -подходящ материал, редът няма да има значение).

1. Пробийте отворите за пръта с резба с помощта на свредло за зидария с диаметър на резбата.

2. Използвайте много по -голяма бормашина за зидария, за да противодействате на потъването на края на резбата, шайбата и гайката, които ще бъдат под основата.

3. Маркирайте дупките на дървения корпус на блока за резба или върху лист хартия, който да използвате по -късно като шаблон.

4. Нарежете резбовата лента на дължина, подпилете изрязания ръб и проверете дали нишката все още е добра. Поставяне на гайка върху шината преди рязане. Когато това се отстрани, може да се поправи/подравни нишката, ако след това не е твърде повредена.

5. Поставете прътите през бетона, последвани от шайба и гайка от всяка страна.

6а. Ако сте успели да намерите пружини, достатъчно дълги и твърди, за да поддържат двигателя и корпуса, можете да ги поставите, последвани от дебела шайба. Необходима е дебела шайба, тъй като тънка шайба може да се хване в конеца. Можете да направите свои собствени шайби, като пробиете дупка през подходящо парче метал и завършите дупката с пила.

6б. Ако предпочитате да не използвате пружини, вместо тях може да се използва гайка и шайба, недостатъкът е, че това няма да служи за намаляване на вибрациите на двигателя.

Стъпка 5: Изградете стойката на двигателя - корпус на двигателя

Корпусът на двигателя беше направен като скоба, парчета бор бяха свързани на шарнири заедно с кухина в центъра и гайка и болт, за да го закрепят здраво. Дървесината, използвана за моето жилище, беше отрязана от греди с напречно сечение 38x228 mm.

1. Определете размера на дървото, от което се нуждаете за вашия двигател, и го маркирайте като парчето, както е в (а) на снимката по -горе.

2. Отбележете отвор не по -малък от диаметъра на вашия двигател, имаме нужда от малко място за гумената лента, която ще бъде между двигателя и корпуса. Монтажът прощава размера на отвора поради закрепването като скоба (панта и болт).

3. Пробийте пилотен отвор, след което го пробийте с помощта на трион. Трионът, който използвах, беше само с разфасовки с дълбочина около 22 мм, така че пробих наполовина от всяка страна.

4. Маркирайте и пробийте отворите за шината с резба, които ще поддържат корпуса на двигателя. Те трябва да са поне 1 мм по -дебели от резбата, за да позволят свободно движение.

5. Завийте пантите съгласно (б) на горната снимка, след което я извадете. Това е, за да се направят дупките.

6. Изрежете формата, както е в (б) на горната снимка, използвах задна резачка.

7. Формата ни позволява да имаме болт срещу пантите. Пробийте отвора за болта, както е показано в (в) на горната снимка. Отворът трябва да бъде с около 2 мм по -голям от болта, за да позволи лесно отваряне и затваряне на монтажа.

8. Изрежете парчето по дължината, както е в (d) на горната снимка, след което завийте пантите обратно.

9. Увийте двигателя с гумена лента и поставете в корпуса, вложката и затегнете гайка, болт и шайба, за да държите корпуса затворен, направете това здраво, но не прекалено стегнато. Ако вашият двигател има вентилация отстрани, уверете се, че не блокирате въздушния му поток.

10. Поставете корпуса на двигателя върху основата. Уверете се, че пружините са на място с шайба отгоре. Поставете шайба и гайка на 3 -те резби, за да задържите двигателя. Между корпуса на двигателя и шайбата отгоре може да се постави допълнителна гумена подложка за по -добро намаляване на вибрациите.

11. Затегнете 3 гайки с помощта на нивелир за насочване.

Стъпка 6: Изградете опората на двигателя - камера

За направата на камерата използвах прозрачна вана за кисело мляко и дебел пластмасов лист.

1. Използвайте нож, за да изрежете форма в основата на контейнера, през която можете да прокарате патронника (за патронник, който няма да бъде отстранен за почистване). Нарязах диагонал в основата на контейнера, позволявайки повече пространство за маневриране на контейнера, за да се побере над патронника, без да увеличавам отвора в центъра.

2. Закрепете контейнера на място с малко лента от външната страна на контейнера. Предпочитам това пред постоянен монтаж за по -лесно почистване.

3. Поставете хартиена кърпа на дъното на контейнера, за да абсорбира течността по време на центрофугиране, след което покрийте камерата с алуминиево фолио. Използвайте малко лента, където е необходимо, за да предотвратите докосването на вала или патронника. Тази "превръзка" трябва да се сменя периодично. Фолиото улавя по -голямата част от течността, а хартиената кърпа поема по -голямата част от това, което минава през фолиото.

Бонус: След като използвах метода на двустранната лента за прикрепяне на проби, взех намек от Ossila (Те разполагат с качествено лабораторно оборудване) и изрязах стара кредитна карта, за да направя без вакуум/лента без монтиране на моите проби.

Стъпка 7: Изграждане на верига за управление

Гледайки снимки по -горе, ще видите чисти схеми и изпълнение на дъска. Използвах отделни 12V 500mA захранвания за двигателя и веригата за управление, тъй като двигателят е предназначен за 500mA, като правило е по -добре да имате 20% допълнителен капацитет на вашето захранване. Ако имате захранване, което може да достави достатъчен ток и за двете, чудесно.

Вместо стъпка по стъпка как, нека разгледаме какво прави всяка секция.

Схемата за управление на времето включва и изключва центрофугиращото устройство и контролира кое от 2 -те етапа/състояния на PWM веригата е включено и кога да се превключи.

Това става чрез захранване на 2 релета през MOSFET транзистори. Релето SPST контролира включването и изключването, а релето DPDT контролира кой от двата пота задава работния цикъл на ШИМ веригата.

PWM веригата е просто таймер NE555 в стабилна работа. Работният цикъл в контролиран от саксии, където съотношението на зададеното съпротивление към стойността на пота е работният цикъл (вижте "блок за избор на скорост" в схемата).

Зареждане:

Използват се MOSFETS, тъй като те позволяват превключване на захранване с незначителен ток през терминала на портата. Това ни позволява да съхраняваме заряд в кондензатори за захранване на MOSFETS, които от своя страна задвижват релетата. За зареждане на кондензаторите се използва бутон за моментна връзка. Между моментния контакт и кондензаторите се използват диоди, за да се предотврати протичането на ток от единия кондензатор към другия.

Разряд:

Принципът за управление на времето на 2 -те етапа е разреждането на кондензатори чрез съпротивление. Това съпротивление се задава от саксии, колкото по -голямо е съпротивлението, толкова по -бавно е разреждането. Това в идеалния случай следва τ = RC, където τ е период или време, R е съпротивление, а C е капацитет.

В използваната времева верига има 2 x 500K двойни пота, това означава, че за всеки пот има 2 комплекта терминали. Ние се възползваме от това, като свързваме втория пореден пот последователно със себе си и последователно с един от първите терминални комплекти за саксии. По този начин, когато зададем съпротива на първия пот, той ще добави еквивалентно съпротивление към втория. Първият пот е ограничен до 500K, докато начинът, по който е свързан вторият, ще има съпротивление до 1000K плюс стойността на първия пот. За да включа минимално съпротивление, допълнително добавих резистор с фиксирана стойност към всяка линия, съгласно електрическата схема.

Стъпка 8: Калибриране и тестване

След като приключих с центрофугата, пристъпих да я тествам. Снимката на пробите по-горе има проба (хибридно-перовскит), направена на скъп спин-покривател вляво и спин-покритието, описано в тази инструкция отдясно. Тези въртящи се покрития бяха настроени на същата скорост.

Спин -лакът може да се калибрира или срещу напрежение, или спрямо позицията на вашите скоростни саксии. Първоначално калибрирах с помощта на напрежение, последвано от маркиране на скоростите/позициите, които използвам най -често върху саксиите.

Когато калибрирам с напрежение, не съм сигурен дали различните мултицети ще прочетат ШИМ сигнала като едно и също напрежение, поради това винаги използвам същия мултицет, с който съм калибрирал, ако трябва да настроя въртящото устройство за нагряване на скорост, която няма свързано маркиране. Напрежението се отчита на изхода, подаван към двигателя. Мултицетът не беше свързан, докато се измерва скоростта, за да се избегне възможността мултицетът да намали тока, подаван към двигателя.

1. В раздела за тестване на скоростта процесът за проверка на скоростта беше подробно описан. Повторете този процес на различни позиции в саксиите за контрол на скоростта, опитайте да включите скоростите, при които възнамерявате да използвате въртящото се покритие, и минималните и максималните скорости. Около 5 измервания трябва да са достатъчни. За всяка скорост запишете позицията и/или напрежението.

2. Поставете скоростите и напреженията за калибриране в Microsoft Excel, след това начертайте графика

3. Добавете тенденция към данните си. Използвайте най -простото напасване, което ще обясни тенденцията на данните, в идеалния случай линеен или полином от втори ред.

3а. За да направите това в Excel, изберете начертаната графика, отидете в раздела оформление в лентата с опции

3б. Кликнете върху иконата "Trendline".

3в. Изберете „още опции за тенденция“

3d. Изберете вашата опция и поставете отметка в „Показване на уравнение на диаграмата“и „Показване на R-квадратна стойност на диаграмата“

Надяваме се, че сте се вписали добре, сега можете да използвате уравнението за изчисляване на оборотите от напрежението, подадено към двигателя.

Тъй като и читателят вероятно е учен …

Техника на пипета: Във видеото използвах микропипетата под ъгъл, това ми помогна да държа ръката си извън видеото. В идеалния случай пипетата трябва да бъде вертикална и възможно най -близо до пробата/субстрата, без да я докосвате, колкото можете надеждно да повторите.

Качество на филма: Някои от характеристиките на отложените тънки филми на картината могат да бъдат избегнати чрез филтриране на разтворите на прекурсори преди употреба (като например използване на 33 um PTFE филтър). По -светлият цвят на филма, наблюдаван от "фантастичния" въртящ се накрайник, може да е резултат от скоростта на нарастване и атмосферата. "Fancy" спин покритието е произведено да работи само с висок поток от инертен газ, тъй като такива филми се спинират с азот върху "fancy" спин покритието и въздух в DIY спин покритието.

Стъпка 9: Признания

Този кратък раздел, за да даде контекст на това къде уча и групите, които подкрепят моето изследване, което е фокусирано около хибридно-перовскитни фотоволтаици.

• Университет на Витватерсранд, Южна Африка
• Национална изследователска фондация (NRF), Южна Африка
• GCRF-СТАРТ. Великобритания
• Гери (който обработва алуминиевия патронник за центрофугиране)