FLOW DEM

FLOW-3D DEM Module 개요

FLOW DEM 은 FLOW-3D 의 기체 및 액체 유동 해석에 DEM(Discrete Element Method : 개별 요소법)공법인 입자의 거동을 분석해주는 모듈입니다.

dem9

dem10
주요 기능 : 고체 요소의 충돌, 스프링(Spring) / 대시 포트(Dash Pot) 모델 적용 Void, 1 fluid, 2 fluid(자유 계면 포함) 각각의 모드에 대응 가변 밀도 / 가변 직경 입자 크기조절로 입자 특성을 유지하면서 입자 수를 감소 독립적인 DEM의 Sub Time Step 이용

Discrete Element Method : 개별 요소법

다수의 고체 요소의 충돌 운동을 분석하는 데 유용합니다. 유동 해석과 함께 사용하면 광범위한 용도에 응용을 할 수 있습니다.

dem1

입자 간의 충돌

Voigt model은 스프링(Spring) 및 대시 포트(Dash pot)의 조합에 의해 입자 충돌 시의 힘을 평가합니다. 탄성력 부분은 스프링 모델에서,
비탄성 충돌의 에너지 소산부분은 대시 포트 모델에서 시뮬레이션되고 있으며, 중량 및 항력은 작용하는 외력으로 고려 될 수 있습니다.

분석 모드

기본적으로 이용하는 운동 방정식은 FLOW-3D 에 사용되는 질량 입자의 운동 방정식과 같은 것이지만, 여기에 DEM으로
평가되는 항목이 추가되기 형태로되어 있으며, 실제 시뮬레이션으로는 ‘void + DEM’, ‘1 Fluid + DEM’ , ‘ 1 Fluid 자유계면 + DEM ‘을 기본 유동 모드로 취급이 가능합니다.

dem4

입자 유형

입자 타입도 표준 기능의 질량 입자 모델처럼 입자 크기 (반경)와 밀도가 동일한 것 외, 크기는 같지만 밀도가 다른 것이나 밀도는 같지만 크기가 다른 것 등도 취급 가능합니다. 이로 인해 표준 질량 입자 모델에서는 입자 간의 상호 작용이 고려되어 있지 않기 때문에 모든 아래에 가라 앉아 버리고 있었지만, FLOW DEM을 이용하여 기하학적 관계를 평가하는 것이 가능합니다.

dem7

응용 분야

1. Mechanical Engineering 분야

수지 충전, 스쿠류 이송, 분말 이송 / Resin filling, screw conveyance, powder conveyance

2. Civil Engineering분야

3. Civil Engineering 분야

파편, 자갈, 낙 성/ Debris flow, gravel, falling rock

dem11

3. Chemical Engineering, Pharmaceutics 분야

유동층, 사이클론, 교반기 / Fluidized bed, cyclone, stirrer

dem12

4. MEMS, Electrical Engineering 분야

하전 입자를 포함한 전기장 해석 등

dem15

입자 그룹 가시화

그룹 가시화

DEM은 일반적으로 다수의 입자를 필요로하는 분석을 상정하고 있습니다. 
다만 이 경우, 계산 부하가 높아 지므로 현실적인 계산자원을 고려하면, 입자 수가 너무 많아 현실적으로 취급 할 수 없는 경우 입자의 특성은 유지하고 숫자를 줄여 가시화할 필요가 있습니다 .
일반적인 유동해석 계산의 메쉬 해상도에 해당합니다.
메쉬 수 많음 (계산 부하 큼) → 소 (계산 부하 적음)
입자 수 다 (계산 부하 큼) → 소 (계산 부하 적음)

원래 입자수

입자 사이즈를 키운경우

그룹 가시화

  • 입자 수를 줄이기 위해 그대로 입경을 크게했을 경우와 그룹 가시화 한 경우의 비교.
  • 입자 크기를 크게하면 개별 입자 특성이 달라지기 때문에 거동이 달라진다. (본 사례에서는 부력이 커진다.)
  • 그룹 가시화의 경우 개별 특성은 동일 원래의 거동과 대체로 일치한다.

주조 시뮬레이션에 DEM 적용

그룹 가시화 비교 예

그룹 가시화한 경우와 입경을 크게하여 수를 줄인 경우, 입경을 크게하면
개별 입자 특성이 변화하여 거동이 바뀌어 버리기 때문에 실제 계산으로는 사용할 수 어렵습니다.

중자 모래 분사 분석

DEM에서의 계산부하를 생각할 때는 입자모델에 의한 안정제한을 고려해야 하지만 서브타임스텝이라는 개념을 도입함으로써 입자의 경우와 유체의 경우의 타임스텝을 바꾸고 필요이상으로 계산시간을 들이지 않고 효율적으로 계산하는 것을 가능하게 하고 있습니다.

이를 통해 예를 들어 중자사 분사 시뮬레이션 실험에서는 이러한 문제로 자주 이용되는 빙엄 유체에서는 실험과의 정합성이 별로 좋지 않기 때문에 당사에서는 이전부터 입상류 모델이라는 모델을 개발하고 연속체로부터의 접근에서도 실험과의 높은 정합성을 실현할 수 있는 모델화를 해왔는데, 이번에 DEM을 사용해도 그것과 거의 같은 결과를 얻습니다. 할 수 있음을 확인할 수 있었다.

Reference :

  • Lefebvre D., Mackenbrock A., Vidal V., Pavan V. and Haigh PM, 2004,
  • Development and use of simulation in the Design of Blown Cores and Moulds

FLOW-3D AM

flow3d AM-product
FLOW-3D AM-product

와이어 파우더 기반 DED | Wire Powder Based DED

일부 연구자들은 부품을 만들기 위해 더 넓은 범위의 처리 조건을 사용하여 하이브리드 와이어 분말 기반 DED 시스템을 찾고 있습니다. 예를 들어, 이 시뮬레이션은 다양한 분말 및 와이어 이송 속도를 가진 하이브리드 시스템을 살펴봅니다.

와이어 기반 DED | Wire Based DED

와이어 기반 DED는 분말 기반 DED보다 처리량이 높고 낭비가 적지만 재료 구성 및 증착 방향 측면에서 유연성이 떨어집니다. FLOW-3D AM 은 와이어 기반 DED의 처리 결과를 이해하는데 유용하며 최적화 연구를 통해 빌드에 대한 와이어 이송 속도 및 직경과 같은 최상의 처리 매개 변수를 찾을 수 있습니다.

FLOW-3D AM은 레이저 파우더 베드 융합 (L-PBF), 바인더 제트 및 DED (Directed Energy Deposition)와 같은 적층 제조 공정 ( additive manufacturing )을 시뮬레이션하고 분석하는 CFD 소프트웨어입니다. FLOW-3D AM 의 다중 물리 기능은 공정 매개 변수의 분석 및 최적화를 위해 분말 확산 및 압축, 용융 풀 역학, L-PBF 및 DED에 대한 다공성 형성, 바인더 분사 공정을 위한 수지 침투 및 확산에 대해 매우 정확한 시뮬레이션을 제공합니다.

3D 프린팅이라고도하는 적층 제조(additive manufacturing)는 일반적으로 층별 접근 방식을 사용하여, 분말 또는 와이어로 부품을 제조하는 방법입니다. 금속 기반 적층 제조 공정에 대한 관심은 지난 몇 년 동안 시작되었습니다. 오늘날 사용되는 3 대 금속 적층 제조 공정은 PBF (Powder Bed Fusion), DED (Directed Energy Deposition) 및 바인더 제트 ( Binder jetting ) 공정입니다.  FLOW-3D  AM  은 이러한 각 프로세스에 대한 고유 한 시뮬레이션 통찰력을 제공합니다.

파우더 베드 융합 및 직접 에너지 증착 공정에서 레이저 또는 전자 빔을 열원으로 사용할 수 있습니다. 두 경우 모두 PBF용 분말 형태와 DED 공정용 분말 또는 와이어 형태의 금속을 완전히 녹여 융합하여 층별로 부품을 형성합니다. 그러나 바인더 젯팅(Binder jetting)에서는 결합제 역할을 하는 수지가 금속 분말에 선택적으로 증착되어 층별로 부품을 형성합니다. 이러한 부품은 더 나은 치밀화를 달성하기 위해 소결됩니다.

FLOW-3D AM 의 자유 표면 추적 알고리즘과 다중 물리 모델은 이러한 각 프로세스를 높은 정확도로 시뮬레이션 할 수 있습니다. 레이저 파우더 베드 융합 (L-PBF) 공정 모델링 단계는 여기에서 자세히 설명합니다. DED 및 바인더 분사 공정에 대한 몇 가지 개념 증명 시뮬레이션도 표시됩니다.

레이저 파우더 베드 퓨전 (L-PBF)

LPBF 공정에는 유체 흐름, 열 전달, 표면 장력, 상 변화 및 응고와 같은 복잡한 다중 물리학 현상이 포함되어 공정 및 궁극적으로 빌드 품질에 상당한 영향을 미칩니다. FLOW-3D AM 의 물리적 모델은 질량, 운동량 및 에너지 보존 방정식을 동시에 해결하는 동시에 입자 크기 분포 및 패킹 비율을 고려하여 중규모에서 용융 풀 현상을 시뮬레이션합니다.

FLOW-3D DEM FLOW-3D WELD 는 전체 파우더 베드 융합 공정을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. L-PBF 공정의 다양한 단계는 분말 베드 놓기, 분말 용융 및 응고,이어서 이전에 응고 된 층에 신선한 분말을 놓는 것, 그리고 다시 한번 새 층을 이전 층에 녹이고 융합시키는 것입니다. FLOW-3D AM  은 이러한 각 단계를 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있습니다.

파우더 베드 부설 공정

FLOW-3D DEM을 통해 분말 크기 분포, 재료 특성, 응집 효과는 물론 롤러 또는 블레이드 움직임 및 상호 작용과 같은 기하학적 효과와 관련된 분말 확산 및 압축을 이해할 수 있습니다. 이러한 시뮬레이션은 공정 매개 변수가 후속 인쇄 공정에서 용융 풀 역학에 직접적인 영향을 미치는 패킹 밀도와 같은 분말 베드 특성에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 정확한 이해를 제공합니다.

다양한 파우더 베드 압축을 달성하는 한 가지 방법은 베드를 놓는 동안 다양한 입자 크기 분포를 선택하는 것입니다. 아래에서 볼 수 있듯이 세 가지 크기의 입자 크기 분포가 있으며, 이는 가장 높은 압축을 제공하는 Case 2와 함께 다양한 분말 베드 압축을 초래합니다.

파우더 베드 분포 다양한 입자 크기 분포
세 가지 다른 입자 크기 분포를 사용하여 파우더 베드 배치
파우더 베드 압축 결과
세 가지 다른 입자 크기 분포를 사용한 분말 베드 압축

입자-입자 상호 작용, 유체-입자 결합 및 입자 이동 물체 상호 작용은 FLOW-3D DEM을 사용하여 자세히 분석 할 수도 있습니다 . 또한 입자간 힘을 지정하여 분말 살포 응용 분야를 보다 정확하게 연구 할 수도 있습니다.

FLOW-3D AM  시뮬레이션은 이산 요소 방법 (DEM)을 사용하여 역 회전하는 원통형 롤러로 인한 분말 확산을 연구합니다. 비디오 시작 부분에서 빌드 플랫폼이 위로 이동하는 동안 분말 저장소가 아래로 이동합니다. 그 직후, 롤러는 분말 입자 (초기 위치에 따라 색상이 지정됨)를 다음 층이 녹고 구축 될 준비를 위해 구축 플랫폼으로 펼칩니다. 이러한 시뮬레이션은 저장소에서 빌드 플랫폼으로 전송되는 분말 입자의 선호 크기에 대한 추가 통찰력을 제공 할 수 있습니다.

Melting | 파우더 베드 용해

DEM 시뮬레이션에서 파우더 베드가 생성되면 STL 파일로 추출됩니다. 다음 단계는 CFD를 사용하여 레이저 용융 공정을 시뮬레이션하는 것입니다. 여기서는 레이저 빔과 파우더 베드의 상호 작용을 모델링 합니다. 이 프로세스를 정확하게 포착하기 위해 물리학에는 점성 흐름, 용융 풀 내의 레이저 반사 (광선 추적을 통해), 열 전달, 응고, 상 변화 및 기화, 반동 압력, 차폐 가스 압력 및 표면 장력이 포함됩니다. 이 모든 물리학은 이 복잡한 프로세스를 정확하게 시뮬레이션하기 위해 TruVOF 방법을 기반으로 개발되었습니다.

레이저 출력 200W, 스캔 속도 3.0m / s, 스폿 반경 100μm에서 파우더 베드의 용융 풀 분석.

용융 풀이 응고되면 FLOW-3D AM  압력 및 온도 데이터를 Abaqus 또는 MSC Nastran과 같은 FEA 도구로 가져와 응력 윤곽 및 변위 프로파일을 분석 할 수도 있습니다.

Multilayer | 다층 적층 제조

용융 풀 트랙이 응고되면 DEM을 사용하여 이전에 응고된 층에 새로운 분말 층의 확산을 시뮬레이션 할 수 있습니다. 유사하게, 레이저 용융은 새로운 분말 층에서 수행되어 후속 층 간의 융합 조건을 분석 할 수 있습니다.

해석 진행 절차는 첫 번째 용융층이 응고되면 입자의 두 번째 층이 응고 층에 증착됩니다. 새로운 분말 입자 층에 레이저 공정 매개 변수를 지정하여 용융 풀 시뮬레이션을 다시 수행합니다. 이 프로세스를 여러 번 반복하여 연속적으로 응고된 층 간의 융합, 빌드 내 온도 구배를 평가하는 동시에 다공성 또는 기타 결함의 형성을 모니터링 할 수 있습니다.

다층 적층 적층 제조 시뮬레이션

LPBF의 키홀 링 | Keyholing in LPBF

키홀링 중 다공성은 어떻게 형성됩니까? 이것은 TU Denmark의 연구원들이 FLOW-3D AM을 사용하여 답변한 질문이었습니다. 레이저 빔의 적용으로 기판이 녹으면 기화 및 상 변화로 인한 반동 압력이 용융 풀을 압박합니다. 반동 압력으로 인한 하향 흐름과 레이저 반사로 인한 추가 레이저 에너지 흡수가 공존하면 폭주 효과가 발생하여 용융 풀이 Keyholing으로 전환됩니다. 결국, 키홀 벽을 따라 온도가 변하기 때문에 표면 장력으로 인해 벽이 뭉쳐져서 진행되는 응고 전선에 의해 갇힐 수 있는 공극이 생겨 다공성이 발생합니다. FLOW-3D AM 레이저 파우더 베드 융합 공정 모듈은 키홀링 및 다공성 형성을 시뮬레이션 하는데 필요한 모든 물리 모델을 보유하고 있습니다.

바인더 분사 (Binder jetting)

Binder jetting 시뮬레이션은 모세관 힘의 영향을받는 파우더 베드에서 바인더의 확산 및 침투에 대한 통찰력을 제공합니다. 공정 매개 변수와 재료 특성은 증착 및 확산 공정에 직접적인 영향을 미칩니다.

Scan Strategy | 스캔 전략

스캔 전략은 온도 구배 및 냉각 속도에 영향을 미치기 때문에 미세 구조에 직접적인 영향을 미칩니다. 연구원들은 FLOW-3D AM 을 사용하여 결함 형성과 응고된 금속의 미세 구조에 영향을 줄 수 있는 트랙 사이에서 발생하는 재 용융을 이해하기 위한 최적의 스캔 전략을 탐색하고 있습니다. FLOW-3D AM 은 하나 또는 여러 레이저에 대해 시간에 따른 방향 속도를 구현할 때 완전한 유연성을 제공합니다.

Beam Shaping | 빔 형성

레이저 출력 및 스캔 전략 외에도 레이저 빔 모양과 열유속 분포는 LPBF 공정에서 용융 풀 역학에 큰 영향을 미칩니다. AM 기계 제조업체는 공정 안정성 및 처리량에 대해 다중 코어 및 임의 모양의 레이저 빔 사용을 모색하고 있습니다. FLOW-3D AM을 사용하면 멀티 코어 및 임의 모양의 빔 프로파일을 구현할 수 있으므로 생산량을 늘리고 부품 품질을 개선하기 위한 최상의 구성에 대한 통찰력을 제공 할 수 있습니다.

이 영역에서 수행 된 일부 작업에 대해 자세히 알아 보려면 “The Next Frontier of Metal AM”웨비나를 시청하십시오.

Multi-material Powder Bed Fusion | 다중 재료 분말 베드 융합

이 시뮬레이션에서 스테인리스 강 및 알루미늄 분말은 FLOW-3D AM 이 용융 풀 역학을 정확하게 포착하기 위해 추적하는 독립적으로 정의 된 온도 의존 재료 특성을 가지고 있습니다. 시뮬레이션은 용융 풀에서 재료 혼합을 이해하는 데 도움이됩니다.

다중 재료 용접 사례 연구

이종 금속의 레이저 키홀 용접에서 금속 혼합 조사

GM과 University of Utah의 연구원들은 FLOW-3D WELD 를 사용 하여 레이저 키홀 용접을 통한 이종 금속의 혼합을 이해했습니다. 그들은 반동 압력 및 Marangoni 대류와 관련하여 구리와 알루미늄의 혼합 농도에 대한 레이저 출력 및 스캔 속도의 영향을 조사했습니다. 그들은 시뮬레이션을 실험 결과와 비교했으며 샘플 내의 절단 단면에서 재료 농도 사이에 좋은 일치를 발견했습니다.

이종 금속의 레이저 키홀 용접에서 금속 혼합 조사
이종 금속의 레이저 키홀 용접에서 금속 혼합 조사
참조 : Wenkang Huang, Hongliang Wang, Teresa Rinker, Wenda Tan, 이종 금속의 레이저 키홀 용접에서 금속 혼합 조사 , Materials & Design, Volume 195, (2020). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109056
참조 : Wenkang Huang, Hongliang Wang, Teresa Rinker, Wenda Tan, 이종 금속의 레이저 키홀 용접에서 금속 혼합 조사 , Materials & Design, Volume 195, (2020). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109056

방향성 에너지 증착

FLOW-3D AM 의 내장 입자 모델 을 사용하여 직접 에너지 증착 프로세스를 시뮬레이션 할 수 있습니다. 분말 주입 속도와 고체 기질에 입사되는 열유속을 지정함으로써 고체 입자는 용융 풀에 질량, 운동량 및 에너지를 추가 할 수 있습니다. 다음 비디오에서 고체 금속 입자가 용융 풀에 주입되고 기판에서 용융 풀의 후속 응고가 관찰됩니다.

Fig.1 Schematic diagram of the novel cytometric device

Fabrication and Experimental Investigation of a Novel 3D Hydrodynamic Focusing Micro Cytometric Device

Yongquan Wang*a , Jingyuan Wangb, Hualing Chenc

School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, Shaanxi, 710049, P. R. China
a yqwang@mail.xjtu.edu.cn,, bwjy2006@stu.xjtu.edu.cn,, c hlchen@mail.xjtu.edu.cn,

Abstract:

This paper presents the fabrication of a novel micro-machined cytometric device, and the experimental investigations for its 3D hydrodynamic focusing performance. The proposed device is simple in structure, with the uniqueness that the depth of its microchannels is non-uniform. Using the SU-8 soft lithography containing two exposures, as well as micro-molding techniques, the PDMS device is successfully fabricated. Two kinds of experiments, i.e., the red ink fluidity observation experiments and the fluorescent optical experiments, are then performed for the device prototypes with different step heights, or channel depth differences, to explore the influence laws of the feature parameter on the devices hydrodynamic focusing behaviors. The experimental results show that the introducing of the steps can efficiently enhance the vertical focusing performance of the device. At appropriate geometry and operating conditions, good 3D hydrodynamic focusing can be obtained.

Korea Abstract

이 논문은 새로운 마이크로 머신 세포 측정 장치의 제조와 3D 유체 역학적 초점 성능에 대한 실험적 조사를 제시합니다. 제안 된 장치는 구조가 단순하며, 마이크로 채널의 깊이가 균일하지 않다는 독특함이 있습니다. 두 가지 노출이 포함 된 SU-8 소프트 리소그래피와 마이크로 몰딩 기술을 사용하여 PDMS 장치가 성공적으로 제작되었습니다. 그런 다음 두 종류의 실험, 즉 적색 잉크 유동성 관찰 실험과 형광 광학 실험을 단계 높이 또는 채널 깊이 차이가 다른 장치 프로토 타입에 대해 수행하여 장치 유체 역학적 초점에 대한 기능 매개 변수의 영향 법칙을 탐색합니다. 행동. 실험 결과는 단계의 도입이 장치의 수직 초점 성능을 효율적으로 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. 적절한 형상과 작동 조건에서 우수한 3D 유체 역학적 초점을 얻을 수 있습니다.

Keywords

Flow cytometer, Hydrodynamic focusing, Three-dimensional (3D), Micro-machined

Fig.1 Schematic diagram of the novel cytometric device
Fig.1 Schematic diagram of the novel cytometric device
Fig.2 Overview of the cytometric device fabrication process
Fig.2 Overview of the cytometric device fabrication process
Fig.3 The fabricated micro cytometric device Fig.4 Experiment setup for focusing performance
Fig.3 The fabricated micro cytometric device Fig. 4 Experiment setup for focusing performance
Fig.5 Horizontal focusing images of two devices with and without steps
Fig.5 Horizontal focusing images of two devices with and without steps
Fig.6 Channel cross-section fluorescence images for different step heights
Fig.6 Channel cross-section fluorescence images for different step heights

References 

Fig.7 Effect of the step height on the 3D focusing at different velocity ratios
Fig.7 Effect of the step height on the 3D focusing at different velocity ratios

Conclusions

In this paper, we presented a novel micro-machined cytometric device and its fabrication process,
emphasizing on the experimental investigations for its 3D hydrodynamic focusing performance. The
proposed device is simple in structure, low cost, and easy to be batch produced. Besides this, as a
device based on standard micro-fabrication methodology, it can be conveniently integrated with other
micro-fluidic and/or micro-optical units to form a complete detection and analysis system.
The experimental tests for the prototype devices not only verified the design conception, but also
gave us a comprehensive understanding of the device hydro-focusing performance. The experimental
results show that, as the uniqueness of this design, the introducing of the feature steps can
significantly enhance the vertical focusing performance of the devices, which is crucial for the
achievement of 3D focusing. In summary, for the proposed novel device, good 3D hydrodynamic
focusing can be attained at appropriate geometry and operating conditions.
In addition, an improved design can be obtained by replacing the flat cover with an identical
device unit, in other words, the same two device units are bonded together (The channels are inward
and aligned) to form a new device. Then the sample stream can focused to the center of the assembly
outlet channel due to the hydrodynamic forces equally in both horizontal and vertical directions, and
thus avoiding the adsorption or friction issues of cells/particles to the top channel wall.

References

[1] Mandy FF, Bergeron M, Minkus T, Principles of flow cytometry. Transfusion Science Transfusion Science, 16 (1995) 303.

DOI: 10.1016/0955-3886(95)00041-0

[2] Rieseberg M, Kasper C, Reardon KF, and Scheper T, Flow cytometry in biotechnology, Appl. Microbiol. Biotechnol. 56 (2001) 350.

[3] Chung TD, Kim HC, Recent advances in miniaturized microfluidic flow cytometry for clinical use. Electrophoresis, Electrophoresis. 28(2007) 4511.

DOI: 10.1002/elps.200700620

[4] Xuan X, Zhu J, Church C, Particle focusing in microfluidic devices, Microfluid Nanofluid. 9(2010) 1-16.

DOI: 10.1007/s10404-010-0602-7

[5] Stone H A, Stroock A D and Ajdari A, Engineering flows in small devices: Microfluidics toward a lab-on-a-chip, Annu. Rev. Fluid Mech. 36 (2004) 381-411.

[6] Fu LM, Yang RJ, Lin CH, Pan YJ, and Lee GB, Electrokinetically-driven microflow cytometers with integrated fiber optics for on-line cell/particle collection, Analytica Chimica Acta. 507(2004) 163-169.

DOI: 10.1016/j.aca.2003.10.028

[7] Applegate Jr RW, Schafer DN, Amir W, Squier J, Vestad T, Oakey J and Marr DWM, Optically integrated microfluidic systems for cellular characterization and manipulation, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 9(2007) 122-128.

DOI: 10.1088/1464-4258/9/8/s03

[8] Chang CM, Hsiung SK, Lee GB, Micro flow cytometer chip integrated with micro-pumps/micro-valves for multi-wavelength cell counting and sorting, Jpn. J. Appl. Phys. 46 (2007): 3126-3134.

DOI: 10.1143/jjap.46.3126

[9] Lee GB, Hung CI, Ke BJ, Huang GR, Hwei BH, and Lai Hui-Fang, Hydrodynamic focusing for a micromachined flow cytometer, J Fluids Engineering 123(2001) 672-679.

DOI: 10.1115/1.1385514

[10] Weigl BH, Bardell R, Schulte T, Battrell F and Hayenga J, Design and rapid prototyping of thin-film laminate-based microfluidic devices, Biomed Microdevices. 3(2001) 267-274.

DOI: 10.1023/a:1012448412811

[11] Yang AS, Hsieh WH, Hydrodynamic focusing investigation in a micro-flow cytometer, Biomed Microdevices, 9(2007) 113-122.

DOI: 10.1007/s10544-006-9003-9

[12] Ateya DA, Erickson JS, Howell PB Jr, Hilliard LR, Golden JP, Ligler FS, The good, the bad, and the tiny: a review of microflow cytometry, Anal Bioanal Chem. 391(2008) 1485-1498.

DOI: 10.1007/s00216-007-1827-5

[13] Goranovic G, Perch-Nielsen I, Larsen UD, Wolff A, Kutter J and Telleman P, Three-Dimensional Single Step Flow Sheathing in Micro Cell Sorters, Proceedings of MSM Conference. (2001) pp.242-245.

[14] Lin CH, Lee GB, Fu LM, and Hwey BH, Vertical focusing device utilizing dielectrophoretic force and its application on mocroflow cytometer, J. Microelectromech. Syst. 13 (2004) 923-932.

DOI: 10.1109/jmems.2004.838352

[15] Yang R, Feeback DL, Wang W, Microfabrication and test of a three-dimensional polymer hydro-focusing unit for flow cytometry applications, Sens. Actuat. A. 118(2005) 259-267.

DOI: 10.1016/j.sna.2004.09.001

[16] Hairer G, Pärr GS, Svasek P, Jachimowicz A, and Vellekoop MJ, Investigations of micrometer sample stream profiles in a three-dimensional hydrodynamic focusing device, Sens. Actuat. B. 132 (2008) 518-524.

DOI: 10.1016/j.snb.2007.11.018

[17] Mao X, Lin SC, Dong C, and Huang TJ, Single-layer planar on-chip flow cytometer using microfluidic drifting based three-dimensional (3D) hydrodynamic focusing, Lab Chip. 9 (2009) 1583-1589.

DOI: 10.1039/b820138b

[18] Wang Y, Wang J, Chen H, Zhu Z, and Wang B, Prototype of a novel micro-machined cytometer and its 3D hydrodynamic focusing properties, Microsyst. Technol. 18(2012) 1991-(1997).

DOI: 10.1007/s00542-012-1525-x

Figure 1. (a) Top view of the microfluidic-magnetophoretic device, (b) Schematic representation of the channel cross-sections studied in this work, and (c) the magnet position relative to the channel location (Sepy and Sepz are the magnet separation distances in y and z, respectively).

Continuous-Flow Separation of Magnetic Particles from Biofluids: How Does the Microdevice Geometry Determine the Separation Performance?

1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, ETSIIT, University of Cantabria, Avda. Los Castros s/n, 39005 Santander, Spain
2William G. Lowrie Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The Ohio State University, 151 W. Woodruff Ave., Columbus, OH 43210, USA
*Author to whom correspondence should be addressed.
Sensors 202020(11), 3030; https://doi.org/10.3390/s20113030
Received: 16 April 2020 / Revised: 21 May 2020 / Accepted: 25 May 2020 / Published: 27 May 2020
(This article belongs to the Special Issue Lab-on-a-Chip and Microfluidic Sensors)

Abstract

The use of functionalized magnetic particles for the detection or separation of multiple chemicals and biomolecules from biofluids continues to attract significant attention. After their incubation with the targeted substances, the beads can be magnetically recovered to perform analysis or diagnostic tests. Particle recovery with permanent magnets in continuous-flow microdevices has gathered great attention in the last decade due to the multiple advantages of microfluidics. As such, great efforts have been made to determine the magnetic and fluidic conditions for achieving complete particle capture; however, less attention has been paid to the effect of the channel geometry on the system performance, although it is key for designing systems that simultaneously provide high particle recovery and flow rates. Herein, we address the optimization of Y-Y-shaped microchannels, where magnetic beads are separated from blood and collected into a buffer stream by applying an external magnetic field. The influence of several geometrical features (namely cross section shape, thickness, length, and volume) on both bead recovery and system throughput is studied. For that purpose, we employ an experimentally validated Computational Fluid Dynamics (CFD) numerical model that considers the dominant forces acting on the beads during separation. Our results indicate that rectangular, long devices display the best performance as they deliver high particle recovery and high throughput. Thus, this methodology could be applied to the rational design of lab-on-a-chip devices for any magnetically driven purification, enrichment or isolation.

Keywords: particle magnetophoresisCFDcross sectionchip fabrication

Korea Abstract

생체 유체에서 여러 화학 물질과 생체 분자의 검출 또는 분리를위한 기능화 된 자성 입자의 사용은 계속해서 상당한 관심을 받고 있습니다. 표적 물질과 함께 배양 한 후 비드를 자기 적으로 회수하여 분석 또는 진단 테스트를 수행 할 수 있습니다. 연속 흐름 마이크로 장치에서 영구 자석을 사용한 입자 회수는 마이크로 유체의 여러 장점으로 인해 지난 10 년 동안 큰 관심을 모았습니다. 

따라서 완전한 입자 포획을 달성하기 위한 자기 및 유체 조건을 결정하기 위해 많은 노력을 기울였습니다. 그러나 높은 입자 회수율과 유속을 동시에 제공하는 시스템을 설계하는 데있어 핵심이기는 하지만 시스템 성능에 대한 채널 형상의 영향에 대해서는 덜주의를 기울였습니다. 

여기에서 우리는 자기 비드가 혈액에서 분리되고 외부 자기장을 적용하여 버퍼 스트림으로 수집되는 YY 모양의 마이크로 채널의 최적화를 다룹니다. 비드 회수 및 시스템 처리량에 대한 여러 기하학적 특징 (즉, 단면 형상, 두께, 길이 및 부피)의 영향을 연구합니다. 

이를 위해 분리 중에 비드에 작용하는 지배적인 힘을 고려하는 실험적으로 검증 된 CFD (Computational Fluid Dynamics) 수치 모델을 사용합니다. 우리의 결과는 직사각형의 긴 장치가 높은 입자 회수율과 높은 처리량을 제공하기 때문에 최고의 성능을 보여줍니다. 

따라서 이 방법론은 자기 구동 정제, 농축 또는 분리를 위한 랩온어 칩 장치의 합리적인 설계에 적용될 수 있습니다.

Figure 1. (a) Top view of the microfluidic-magnetophoretic device, (b) Schematic representation of the channel cross-sections studied in this work, and (c) the magnet position relative to the channel location (Sepy and Sepz are the magnet separation distances in y and z, respectively).
Figure 1. (a) Top view of the microfluidic-magnetophoretic device, (b) Schematic representation of the channel cross-sections studied in this work, and (c) the magnet position relative to the channel location (Sepy and Sepz are the magnet separation distances in y and z, respectively).
Figure 2. (a) Channel-magnet configuration and (b–d) magnetic force distribution in the channel midplane for 2 mm, 5 mm and 10 mm long rectangular (left) and U-shaped (right) devices.
Figure 2. (a) Channel-magnet configuration and (b–d) magnetic force distribution in the channel midplane for 2 mm, 5 mm and 10 mm long rectangular (left) and U-shaped (right) devices.
Figure 3. (a) Velocity distribution in a section perpendicular to the flow for rectangular (left) and U-shaped (right) cross section channels, and (b) particle location in these cross sections.
Figure 3. (a) Velocity distribution in a section perpendicular to the flow for rectangular (left) and U-shaped (right) cross section channels, and (b) particle location in these cross sections.
Figure 4. Influence of fluid flow rate on particle recovery when the applied magnetic force is (a) different and (b) equal in U-shaped and rectangular cross section microdevices.
Figure 4. Influence of fluid flow rate on particle recovery when the applied magnetic force is (a) different and (b) equal in U-shaped and rectangular cross section microdevices.
Figure 5. Magnetic bead capture as a function of fluid flow rate for all of the studied geometries.
Figure 5. Magnetic bead capture as a function of fluid flow rate for all of the studied geometries.
Figure 6. Influence of (a) magnetic and fluidic forces (J parameter) and (b) channel geometry (θ parameter) on particle recovery. Note that U-2mm does not accurately fit a line.
Figure 6. Influence of (a) magnetic and fluidic forces (J parameter) and (b) channel geometry (θ parameter) on particle recovery. Note that U-2mm does not accurately fit a line.
Figure 7. Dependence of bead capture on the (a) functional channel volume and (b) particle residence time (tres). Note that in the curve fitting expressions V represents the functional channel volume and that U-2mm does not accurately fit a line.
Figure 7. Dependence of bead capture on the (a) functional channel volume and (b) particle residence time (tres). Note that in the curve fitting expressions V represents the functional channel volume and that U-2mm does not accurately fit a line.

References

  1. Gómez-Pastora, J.; Xue, X.; Karampelas, I.H.; Bringas, E.; Furlani, E.P.; Ortiz, I. Analysis of separators for magnetic beads recovery: From large systems to multifunctional microdevices. Sep. Purif. Technol. 2017172, 16–31. [Google Scholar] [CrossRef]
  2. Wise, N.; Grob, T.; Morten, K.; Thompson, I.; Sheard, S. Magnetophoretic velocities of superparamagnetic particles, agglomerates and complexes. J. Magn. Magn. Mater. 2015384, 328–334. [Google Scholar] [CrossRef]
  3. Khashan, S.A.; Elnajjar, E.; Haik, Y. CFD simulation of the magnetophoretic separation in a microchannel. J. Magn. Magn. Mater. 2011323, 2960–2967. [Google Scholar] [CrossRef]
  4. Khashan, S.A.; Furlani, E.P. Scalability analysis of magnetic bead separation in a microchannel with an array of soft magnetic elements in a uniform magnetic field. Sep. Purif. Technol. 2014125, 311–318. [Google Scholar] [CrossRef]
  5. Furlani, E.P. Magnetic biotransport: Analysis and applications. Materials 20103, 2412–2446. [Google Scholar] [CrossRef]
  6. Gómez-Pastora, J.; Bringas, E.; Ortiz, I. Design of novel adsorption processes for the removal of arsenic from polluted groundwater employing functionalized magnetic nanoparticles. Chem. Eng. Trans. 201647, 241–246. [Google Scholar]
  7. Gómez-Pastora, J.; Bringas, E.; Lázaro-Díez, M.; Ramos-Vivas, J.; Ortiz, I. The reverse of controlled release: Controlled sequestration of species and biotoxins into nanoparticles (NPs). In Drug Delivery Systems; Stroeve, P., Mahmoudi, M., Eds.; World Scientific: Hackensack, NJ, USA, 2017; pp. 207–244. ISBN 9789813201057. [Google Scholar]
  8. Ruffert, C. Magnetic bead-magic bullet. Micromachines 20167, 21. [Google Scholar] [CrossRef]
  9. Yáñez-Sedeño, P.; Campuzano, S.; Pingarrón, J.M. Magnetic particles coupled to disposable screen printed transducers for electrochemical biosensing. Sensors 201616, 1585. [Google Scholar] [CrossRef]
  10. Schrittwieser, S.; Pelaz, B.; Parak, W.J.; Lentijo-Mozo, S.; Soulantica, K.; Dieckhoff, J.; Ludwig, F.; Guenther, A.; Tschöpe, A.; Schotter, J. Homogeneous biosensing based on magnetic particle labels. Sensors 201616, 828. [Google Scholar] [CrossRef]
  11. He, J.; Huang, M.; Wang, D.; Zhang, Z.; Li, G. Magnetic separation techniques in sample preparation for biological analysis: A review. J. Pharm. Biomed. Anal. 2014101, 84–101. [Google Scholar] [CrossRef]
  12. Ha, Y.; Ko, S.; Kim, I.; Huang, Y.; Mohanty, K.; Huh, C.; Maynard, J.A. Recent advances incorporating superparamagnetic nanoparticles into immunoassays. ACS Appl. Nano Mater. 20181, 512–521. [Google Scholar] [CrossRef]
  13. Gómez-Pastora, J.; González-Fernández, C.; Fallanza, M.; Bringas, E.; Ortiz, I. Flow patterns and mass transfer performance of miscible liquid-liquid flows in various microchannels: Numerical and experimental studies. Chem. Eng. J. 2018344, 487–497. [Google Scholar] [CrossRef]
  14. Gale, B.K.; Jafek, A.R.; Lambert, C.J.; Goenner, B.L.; Moghimifam, H.; Nze, U.C.; Kamarapu, S.K. A review of current methods in microfluidic device fabrication and future commercialization prospects. Inventions 20183, 60. [Google Scholar] [CrossRef]
  15. Nanobiotechnology; Concepts, Applications and Perspectives; Niemeyer, C.M.; Mirkin, C.A. (Eds.) Wiley-VCH: Weinheim, Germany, 2004; ISBN 3527305068. [Google Scholar]
  16. Khashan, S.A.; Dagher, S.; Alazzam, A.; Mathew, B.; Hilal-Alnaqbi, A. Microdevice for continuous flow magnetic separation for bioengineering applications. J. Micromech. Microeng. 201727, 055016. [Google Scholar] [CrossRef]
  17. Basauri, A.; Gomez-Pastora, J.; Fallanza, M.; Bringas, E.; Ortiz, I. Predictive model for the design of reactive micro-separations. Sep. Purif. Technol. 2019209, 900–907. [Google Scholar] [CrossRef]
  18. Abdollahi, P.; Karimi-Sabet, J.; Moosavian, M.A.; Amini, Y. Microfluidic solvent extraction of calcium: Modeling and optimization of the process variables. Sep. Purif. Technol. 2020231, 115875. [Google Scholar] [CrossRef]
  19. Khashan, S.A.; Alazzam, A.; Furlani, E. A novel design for a microfluidic magnetophoresis system: Computational study. In Proceedings of the 12th International Symposium on Fluid Control, Measurement and Visualization (FLUCOME2013), Nara, Japan, 18–23 November 2013. [Google Scholar]
  20. Pamme, N. Magnetism and microfluidics. Lab Chip 20066, 24–38. [Google Scholar] [CrossRef]
  21. Gómez-Pastora, J.; Amiri Roodan, V.; Karampelas, I.H.; Alorabi, A.Q.; Tarn, M.D.; Iles, A.; Bringas, E.; Paunov, V.N.; Pamme, N.; Furlani, E.P.; et al. Two-step numerical approach to predict ferrofluid droplet generation and manipulation inside multilaminar flow chambers. J. Phys. Chem. C 2019123, 10065–10080. [Google Scholar] [CrossRef]
  22. Gómez-Pastora, J.; Karampelas, I.H.; Bringas, E.; Furlani, E.P.; Ortiz, I. Numerical analysis of bead magnetophoresis from flowing blood in a continuous-flow microchannel: Implications to the bead-fluid interactions. Sci. Rep. 20199, 7265. [Google Scholar] [CrossRef]
  23. Tarn, M.D.; Pamme, N. On-Chip Magnetic Particle-Based Immunoassays Using Multilaminar Flow for Clinical Diagnostics. In Microchip Diagnostics Methods and Protocols; Taly, V., Viovy, J.L., Descroix, S., Eds.; Humana Press: New York, NY, USA, 2017; pp. 69–83. [Google Scholar]
  24. Phurimsak, C.; Tarn, M.D.; Peyman, S.A.; Greenman, J.; Pamme, N. On-chip determination of c-reactive protein using magnetic particles in continuous flow. Anal. Chem. 201486, 10552–10559. [Google Scholar] [CrossRef]
  25. Wu, X.; Wu, H.; Hu, Y. Enhancement of separation efficiency on continuous magnetophoresis by utilizing L/T-shaped microchannels. Microfluid. Nanofluid. 201111, 11–24. [Google Scholar] [CrossRef]
  26. Vojtíšek, M.; Tarn, M.D.; Hirota, N.; Pamme, N. Microfluidic devices in superconducting magnets: On-chip free-flow diamagnetophoresis of polymer particles and bubbles. Microfluid. Nanofluid. 201213, 625–635. [Google Scholar] [CrossRef]
  27. Gómez-Pastora, J.; González-Fernández, C.; Real, E.; Iles, A.; Bringas, E.; Furlani, E.P.; Ortiz, I. Computational modeling and fluorescence microscopy characterization of a two-phase magnetophoretic microsystem for continuous-flow blood detoxification. Lab Chip 201818, 1593–1606. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  28. Forbes, T.P.; Forry, S.P. Microfluidic magnetophoretic separations of immunomagnetically labeled rare mammalian cells. Lab Chip 201212, 1471–1479. [Google Scholar] [CrossRef]
  29. Nandy, K.; Chaudhuri, S.; Ganguly, R.; Puri, I.K. Analytical model for the magnetophoretic capture of magnetic microspheres in microfluidic devices. J. Magn. Magn. Mater. 2008320, 1398–1405. [Google Scholar] [CrossRef]
  30. Plouffe, B.D.; Lewis, L.H.; Murthy, S.K. Computational design optimization for microfluidic magnetophoresis. Biomicrofluidics 20115, 013413. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  31. Hale, C.; Darabi, J. Magnetophoretic-based microfluidic device for DNA isolation. Biomicrofluidics 20148, 044118. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  32. Becker, H.; Gärtner, C. Polymer microfabrication methods for microfluidic analytical applications. Electrophoresis 200021, 12–26. [Google Scholar] [CrossRef]
  33. Pekas, N.; Zhang, Q.; Nannini, M.; Juncker, D. Wet-etching of structures with straight facets and adjustable taper into glass substrates. Lab Chip 201010, 494–498. [Google Scholar] [CrossRef]
  34. Wang, T.; Chen, J.; Zhou, T.; Song, L. Fabricating microstructures on glass for microfluidic chips by glass molding process. Micromachines 20189, 269. [Google Scholar] [CrossRef]
  35. Castaño-Álvarez, M.; Pozo Ayuso, D.F.; García Granda, M.; Fernández-Abedul, M.T.; Rodríguez García, J.; Costa-García, A. Critical points in the fabrication of microfluidic devices on glass substrates. Sens. Actuators B Chem. 2008130, 436–448. [Google Scholar] [CrossRef]
  36. Prakash, S.; Kumar, S. Fabrication of microchannels: A review. Proc. Inst. Mech. Eng. Part B J. Eng. Manuf. 2015229, 1273–1288. [Google Scholar] [CrossRef]
  37. Leester-Schädel, M.; Lorenz, T.; Jürgens, F.; Ritcher, C. Fabrication of Microfluidic Devices. In Microsystems for Pharmatechnology: Manipulation of Fluids, Particles, Droplets, and Cells; Dietzel, A., Ed.; Springer: Basel, Switzerland, 2016; pp. 23–57. ISBN 9783319269207. [Google Scholar]
  38. Bartlett, N.W.; Wood, R.J. Comparative analysis of fabrication methods for achieving rounded microchannels in PDMS. J. Micromech. Microeng. 201626, 115013. [Google Scholar] [CrossRef]
  39. Ng, P.F.; Lee, K.I.; Yang, M.; Fei, B. Fabrication of 3D PDMS microchannels of adjustable cross-sections via versatile gel templates. Polymers 201911, 64. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  40. Furlani, E.P.; Sahoo, Y.; Ng, K.C.; Wortman, J.C.; Monk, T.E. A model for predicting magnetic particle capture in a microfluidic bioseparator. Biomed. Microdevices 20079, 451–463. [Google Scholar] [CrossRef]
  41. Tarn, M.D.; Peyman, S.A.; Robert, D.; Iles, A.; Wilhelm, C.; Pamme, N. The importance of particle type selection and temperature control for on-chip free-flow magnetophoresis. J. Magn. Magn. Mater. 2009321, 4115–4122. [Google Scholar] [CrossRef]
  42. Furlani, E.P. Permanent Magnet and Electromechanical Devices; Materials, Analysis and Applications; Academic Press: Waltham, MA, USA, 2001. [Google Scholar]
  43. White, F.M. Viscous Fluid Flow; McGraw-Hill: New York, NY, USA, 1974. [Google Scholar]
  44. Mathew, B.; Alazzam, A.; El-Khasawneh, B.; Maalouf, M.; Destgeer, G.; Sung, H.J. Model for tracing the path of microparticles in continuous flow microfluidic devices for 2D focusing via standing acoustic waves. Sep. Purif. Technol. 2015153, 99–107. [Google Scholar] [CrossRef]
  45. Furlani, E.J.; Furlani, E.P. A model for predicting magnetic targeting of multifunctional particles in the microvasculature. J. Magn. Magn. Mater. 2007312, 187–193. [Google Scholar] [CrossRef]
  46. Furlani, E.P.; Ng, K.C. Analytical model of magnetic nanoparticle transport and capture in the microvasculature. Phys. Rev. E 200673, 061919. [Google Scholar] [CrossRef]
  47. Eibl, R.; Eibl, D.; Pörtner, R.; Catapano, G.; Czermak, P. Cell and Tissue Reaction Engineering; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2009. [Google Scholar]
  48. Pamme, N.; Eijkel, J.C.T.; Manz, A. On-chip free-flow magnetophoresis: Separation and detection of mixtures of magnetic particles in continuous flow. J. Magn. Magn. Mater. 2006307, 237–244. [Google Scholar] [CrossRef]
  49. Alorabi, A.Q.; Tarn, M.D.; Gómez-Pastora, J.; Bringas, E.; Ortiz, I.; Paunov, V.N.; Pamme, N. On-chip polyelectrolyte coating onto magnetic droplets-Towards continuous flow assembly of drug delivery capsules. Lab Chip 201717, 3785–3795. [Google Scholar] [CrossRef]
  50. Zhang, H.; Guo, H.; Chen, Z.; Zhang, G.; Li, Z. Application of PECVD SiC in glass micromachining. J. Micromech. Microeng. 200717, 775–780. [Google Scholar] [CrossRef]
  51. Mourzina, Y.; Steffen, A.; Offenhäusser, A. The evaporated metal masks for chemical glass etching for BioMEMS. Microsyst. Technol. 200511, 135–140. [Google Scholar] [CrossRef]
  52. Mata, A.; Fleischman, A.J.; Roy, S. Fabrication of multi-layer SU-8 microstructures. J. Micromech. Microeng. 200616, 276–284. [Google Scholar] [CrossRef]
  53. Su, N. 8 2000 Negative Tone Photoresist Formulations 2002–2025; MicroChem Corporation: Newton, MA, USA, 2002. [Google Scholar]
  54. Su, N. 8 2000 Negative Tone Photoresist Formulations 2035–2100; MicroChem Corporation: Newton, MA, USA, 2002. [Google Scholar]
  55. Fu, C.; Hung, C.; Huang, H. A novel and simple fabrication method of embedded SU-8 micro channels by direct UV lithography. J. Phys. Conf. Ser. 200634, 330–335. [Google Scholar] [CrossRef]
  56. Kazoe, Y.; Yamashiro, I.; Mawatari, K.; Kitamori, T. High-pressure acceleration of nanoliter droplets in the gas phase in a microchannel. Micromachines 20167, 142. [Google Scholar] [CrossRef]
  57. Sharp, K.V.; Adrian, R.J.; Santiago, J.G.; Molho, J.I. Liquid flows in microchannels. In MEMS: Introduction and Fundamentals; Gad-el-Hak, M., Ed.; CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 2006; pp. 10-1–10-46. ISBN 9781420036572. [Google Scholar]
  58. Oh, K.W.; Lee, K.; Ahn, B.; Furlani, E.P. Design of pressure-driven microfluidic networks using electric circuit analogy. Lab Chip 201212, 515–545. [Google Scholar] [CrossRef]
  59. Bruus, H. Theoretical Microfluidics; Oxford University Press: New York, NY, USA, 2008; ISBN 9788578110796. [Google Scholar]
  60. Beebe, D.J.; Mensing, G.A.; Walker, G.M. Physics and applications of microfluidics in biology. Annu. Rev. Biomed. Eng. 20024, 261–286. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  61. Yalikun, Y.; Tanaka, Y. Large-scale integration of all-glass valves on a microfluidic device. Micromachines 20167, 83. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  62. Van Heeren, H.; Verhoeven, D.; Atkins, T.; Tzannis, A.; Becker, H.; Beusink, W.; Chen, P. Design Guideline for Microfluidic Device and Component Interfaces (Part 2), Version 3; Available online: http://www.makefluidics.com/en/design-guideline?id=7 (accessed on 9 March 2020).
  63. Scheuble, N.; Iles, A.; Wootton, R.C.R.; Windhab, E.J.; Fischer, P.; Elvira, K.S. Microfluidic technique for the simultaneous quantification of emulsion instabilities and lipid digestion kinetics. Anal. Chem. 201789, 9116–9123. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  64. Lynch, E.C. Red blood cell damage by shear stress. Biophys. J. 197212, 257–273. [Google Scholar]
  65. Paul, R.; Apel, J.; Klaus, S.; Schügner, F.; Schwindke, P.; Reul, H. Shear stress related blood damage in laminar Couette flow. Artif. Organs 200327, 517–529. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  66. Gómez-Pastora, J.; Karampelas, I.H.; Xue, X.; Bringas, E.; Furlani, E.P.; Ortiz, I. Magnetic bead separation from flowing blood in a two-phase continuous-flow magnetophoretic microdevice: Theoretical analysis through computational fluid dynamics simulation. J. Phys. Chem. C 2017121, 7466–7477. [Google Scholar] [CrossRef]
  67. Lim, J.; Yeap, S.P.; Leow, C.H.; Toh, P.Y.; Low, S.C. Magnetophoresis of iron oxide nanoparticles at low field gradient: The role of shape anisotropy. J. Colloid Interface Sci. 2014421, 170–177. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  68. Culbertson, C.T.; Sibbitts, J.; Sellens, K.; Jia, S. Fabrication of Glass Microfluidic Devices. In Microfluidic Electrophoresis: Methods and Protocols; Dutta, D., Ed.; Humana Press: New York, NY, USA, 2019; pp. 1–12. ISBN 978-1-4939-8963-8. [Google Scholar]
Modeling of contactless bubble–bubble interactions in microchannels with integrated inertial pumps

Modeling of contactless bubble–bubble interactions in microchannels with integrated inertial pumps

통합 관성 펌프를 사용하여 마이크로 채널에서 비접촉식 기포-기포 상호 작용 모델링

Physics of Fluids 33, 042002 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0041924 B. Hayesa) G. L. Whitingb), and  R. MacCurdyc)

ABSTRACT

In this study, the nonlinear effect of contactless bubble–bubble interactions in inertial micropumps is characterized via reduced parameter one-dimensional and three-dimensional computational fluid dynamics (3D CFD) modeling. A one-dimensional pump model is developed to account for contactless bubble-bubble interactions, and the accuracy of the developed one-dimensional model is assessed via the commercial volume of fluid CFD software, FLOW-3D. The FLOW-3D CFD model is validated against experimental bubble dynamics images as well as experimental pump data. Precollapse and postcollapse bubble and flow dynamics for two resistors in a channel have been successfully explained by the modified one-dimensional model. The net pumping effect design space is characterized as a function of resistor placement and firing time delay. The one-dimensional model accurately predicts cumulative flow for simultaneous resistor firing with inner-channel resistor placements (0.2L < x < 0.8L where L is the channel length) as well as delayed resistor firing with inner-channel resistor placements when the time delay is greater than the time required for the vapor bubble to fill the channel cross section. In general, one-dimensional model accuracy suffers at near-reservoir resistor placements and short time delays which we propose is a result of 3D bubble-reservoir interactions and transverse bubble growth interactions, respectively, that are not captured by the one-dimensional model. We find that the one-dimensional model accuracy improves for smaller channel heights. We envision the developed one-dimensional model as a first-order rapid design tool for inertial pump-based microfluidic systems operating in the contactless bubble–bubble interaction nonlinear regime

이 연구에서 관성 마이크로 펌프에서 비접촉 기포-기포 상호 작용의 비선형 효과는 감소 된 매개 변수 1 차원 및 3 차원 전산 유체 역학 (3D CFD) 모델링을 통해 특성화됩니다. 비접촉식 기포-버블 상호 작용을 설명하기 위해 1 차원 펌프 모델이 개발되었으며, 개발 된 1 차원 모델의 정확도는 유체 CFD 소프트웨어 인 FLOW-3D의 상용 볼륨을 통해 평가됩니다.

FLOW-3D CFD 모델은 실험적인 거품 역학 이미지와 실험적인 펌프 데이터에 대해 검증되었습니다. 채널에 있는 두 저항기의 붕괴 전 및 붕괴 후 기포 및 유동 역학은 수정 된 1 차원 모델에 의해 성공적으로 설명되었습니다. 순 펌핑 효과 설계 공간은 저항 배치 및 발사 시간 지연의 기능으로 특징 지어집니다.

1 차원 모델은 내부 채널 저항 배치 (0.2L <x <0.8L, 여기서 L은 채널 길이)로 동시 저항 발생에 대한 누적 흐름과 시간 지연시 내부 채널 저항 배치로 지연된 저항 발생을 정확하게 예측합니다. 증기 방울이 채널 단면을 채우는 데 필요한 시간보다 큽니다.

일반적으로 1 차원 모델 정확도는 저수지 근처의 저항 배치와 1 차원 모델에 의해 포착되지 않는 3D 기포-저수지 상호 작용 및 가로 기포 성장 상호 작용의 결과 인 짧은 시간 지연에서 어려움을 겪습니다. 채널 높이가 작을수록 1 차원 모델 정확도가 향상됩니다. 우리는 개발 된 1 차원 모델을 비접촉 기포-기포 상호 작용 비선형 영역에서 작동하는 관성 펌프 기반 미세 유체 시스템을 위한 1 차 빠른 설계 도구로 생각합니다.

REFERENCES

1.S. Hassan and X. Zhang, “ Design and fabrication of capillary-driven flow device for point-of-care diagnostics,” Biosensors 10, 39 (2020). https://doi.org/10.3390/bios10040039, Google ScholarCrossref
2.Q. Shizhi and H. Bau, “ Magneto-hydrodynamics based microfluidics,” Mech. Res. Commun. 36, 10 (2009). https://doi.org/10.1016/j.mechrescom.2008.06.013, Google ScholarCrossref
3.N. Mishchuk, T. Heldal, T. Volden, J. Auerswald, and H. Knapp, “ Micropump based on electroosmosis of the second kind,” Electrophoresis 30, 3499 (2009). https://doi.org/10.1002/elps.200900271, Google ScholarCrossref
4.J. Snyder, J. Getpreecharsawas, D. Fang, T. Gaborski, C. Striemer, P. Fauchet, D. Borkholder, and J. McGrath, “ High-performance, low-voltage electroosmotic pumps with molecularly thin silicon nanomembranes,” Proc. Nat. Acad. Sci. U. S. A. 110, 18425–18430 (2013). https://doi.org/10.1073/pnas.1308109110, Google ScholarCrossref
5.K. Vinayakumar, G. Nadiger, V. Shetty, S. Dinesh, M. Nayak, and K. Rajanna, “ Packaged peristaltic micropump for controlled drug delivery application,” Rev. Sci. Instrum. 88, 015102 (2017). https://doi.org/10.1063/1.4973513, Google ScholarScitation, ISI
6.D. Duffy, H. Gillis, J. Lin, N. Sheppard, and G. Kellogg, “ Microfabricated centrifugal microfluidic systems: Characterization and multiple enzymatic assays,” Anal. Chem. 71, 4669 (1999). https://doi.org/10.1021/ac990682c, Google ScholarCrossref
7.V. Gnyawali, M. Saremi, M. Kolios, and S. Tsai, “ Stable microfluidic flow focusing using hydrostatics,” Biomicrofluidics 11, 034104 (2017). https://doi.org/10.1063/1.4983147, Google ScholarScitation, ISI
8.J. Lake, K. Heyde, and W. Ruder, “ Low-cost feedback-controlled syringe pressure pumps for microfluidics applications,” PLoS One 12, e0175089 (2017). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0175089, Google ScholarCrossref
9.M. I. Mohammed, S. Haswell, and I. Gibson, “ Lab-on-a-chip or chip-in-a-lab: Challenges of commercialization lost in translation,” Procedia Technology 20, 54–59 (2015), proceedings of The 1st International Design Technology Conference, DESTECH2015, Geelong. Google ScholarCrossref
10.E. Torniainen, A. Govyadinov, D. Markel, and P. Kornilovitch, “ Bubble-driven inertial micropump,” Phys. Fluids 24, 122003 (2012). https://doi.org/10.1063/1.4769755, Google ScholarScitation, ISI
11.H. Hoefemann, S. Wadle, N. Bakhtina, V. Kondrashov, N. Wangler, and R. Zengerle, “ Sorting and lysis of single cells by bubblejet technology,” Sens. Actuators, B 168, 442–445 (2012). https://doi.org/10.1016/j.snb.2012.04.005, Google ScholarCrossref
12.B. Hayes, A. Hayes, M. Rolleston, A. Ferreira, and J. Kirsher, “ Pulsatory mixing of laminar flow using bubble-driven micro-pumps,” in Proceedings of the ASME 2018 International Mechanical Engineering Congress and Exposition (2018), Vol. 7. Google ScholarCrossref
13.E. Ory, H. Yuan, A. Prosperetti, S. Popinet, and S. Zaleski, “ Growth and collapse of a vapor bubble in a narrow tube,” Phys. Fluids 12, 1268 (2000). https://doi.org/10.1063/1.870381, Google ScholarScitation, ISI
14.Z. Yin and A. Prosperetti, “‘ Blinking bubble’ micropump with microfabricated heaters,” J. Micromech. Microeng. 15, 1683 (2005). https://doi.org/10.1088/0960-1317/15/9/010, Google ScholarCrossref
15.M. Einat and M. Grajower, “ Microboiling measurements of thermal-inkjet heaters,” J. Microelectromech. Syst. 19, 391 (2010). https://doi.org/10.1109/JMEMS.2010.2040946, Google ScholarCrossref
16.A. Govyadinov, P. Kornilovitch, D. Markel, and E. Torniainen, “ Single-pulse dynamics and flow rates of inertial micropumps,” Microfluid. Nanofluid. 20, 73 (2016). https://doi.org/10.1007/s10404-016-1738-x, Google ScholarCrossref
17.E. Sourtiji and Y. Peles, “ A micro-synthetic jet in a microchannel using bubble growth and collapse,” Appl. Therm. Eng. 160, 114084 (2019). https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114084, Google ScholarCrossref
18.B. Hayes, A. Govyadinov, and P. Kornilovitch, “ Microfluidic switchboards with integrated inertial pumps,” Microfluid. Nanofluid. 22, 15 (2018). https://doi.org/10.1007/s10404-017-2032-2, Google ScholarCrossref
19.P. Kornilovitch, A. Govyadinov, D. Markel, and E. Torniainen, “ One-dimensional model of inertial pumping,” Phys. Rev. E 87, 023012 (2013). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.87.023012, Google ScholarCrossref
20.H. Yuan and A. Prosperetti, “ The pumping effect of growing and collapsing bubbles in a tube,” J. Micromech. Microeng. 9, 402–413 (1999). https://doi.org/10.1088/0960-1317/9/4/318, Google ScholarCrossref
21.J. Zou, B. Li, and C. Ji, “ Interactions between two oscillating bubbles in a rigid tube,” Exp. Therm. Fluid Sci. 61, 105 (2015). https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2014.10.021, Google ScholarCrossref
22.C. Hirt and B. Nichols, “ Volume of fluid (vof) method for the dynamics of free boundaries,” J. Comput. Phys. 39, 201–225 (1981). https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5, Google ScholarCrossref
23.C. Borgnakke and R. E. Sonntag, Fundamentals of Thermodynamics, 8th ed. ( Wiley, 1999). Google Scholar
24.O. E. Ruiz, “ CFD model of the thermal inkjet droplet ejection process,” in Proceeding of Heat Transfer Summer Conference (2007), Vol. 3. Google ScholarCrossref
25.T. Theofanous, L. Biasi, H. Isbin, and H. Fauske, “ A theoretical study on bubble growth in constant and time-dependent pressure fields,” Chem. Eng. Sci. 24, 885–897 (1969). https://doi.org/10.1016/0009-2509(69)85008-6, Google ScholarCrossref
26.S. Timoshenko and J. Goodier, Theory of Elasticity, 3rd ed. ( McGaw-Hill, Inc., 1970). Google Scholar

Figure 4. Calculate and simulate the injection of water in a single-channel injection chamber with a nozzle diameter of 60 μm and a thickness of 50 μm, at an operating frequency of 5 KHz, in the X-Y two-dimensional cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40 and 200 μs.

DNA Printing Integrated Multiplexer Driver Microelectronic Mechanical System Head (IDMH) and Microfluidic Flow Estimation

DNA 프린팅 통합 멀티플렉서 드라이버 Microelectronic Mechanical System Head (IDMH) 및 Microfluidic Flow Estimation

by Jian-Chiun Liou 1,*,Chih-Wei Peng 1,Philippe Basset 2 andZhen-Xi Chen 11School of Biomedical Engineering, Taipei Medical University, Taipei 11031, Taiwan2ESYCOM, Université Gustave Eiffel, CNRS, CNAM, ESIEE Paris, F-77454 Marne-la-Vallée, France*Author to whom correspondence should be addressed.

Abstract

The system designed in this study involves a three-dimensional (3D) microelectronic mechanical system chip structure using DNA printing technology. We employed diverse diameters and cavity thickness for the heater. DNA beads were placed in this rapid array, and the spray flow rate was assessed. Because DNA cannot be obtained easily, rapidly deploying DNA while estimating the total amount of DNA being sprayed is imperative. DNA printings were collected in a multiplexer driver microelectronic mechanical system head, and microflow estimation was conducted. Flow-3D was used to simulate the internal flow field and flow distribution of the 3D spray room. The simulation was used to calculate the time and pressure required to generate heat bubbles as well as the corresponding mean outlet speed of the fluid. The “outlet speed status” function in Flow-3D was used as a power source for simulating the ejection of fluid by the chip nozzle. The actual chip generation process was measured, and the starting voltage curve was analyzed. Finally, experiments on flow rate were conducted, and the results were discussed. The density of the injection nozzle was 50, the size of the heater was 105 μm × 105 μm, and the size of the injection nozzle hole was 80 μm. The maximum flow rate was limited to approximately 3.5 cc. The maximum flow rate per minute required a power between 3.5 W and 4.5 W. The number of injection nozzles was multiplied by 100. On chips with enlarged injection nozzle density, experiments were conducted under a fixed driving voltage of 25 V. The flow curve obtained from various pulse widths and operating frequencies was observed. The operating frequency was 2 KHz, and the pulse width was 4 μs. At a pulse width of 5 μs and within the power range of 4.3–5.7 W, the monomer was injected at a flow rate of 5.5 cc/min. The results of this study may be applied to estimate the flow rate and the total amount of the ejection liquid of a DNA liquid.

이 연구에서 설계된 시스템은 DNA 프린팅 기술을 사용하는 3 차원 (3D) 마이크로 전자 기계 시스템 칩 구조를 포함합니다. 히터에는 다양한 직경과 캐비티 두께를 사용했습니다. DNA 비드를 빠른 어레이에 배치하고 스프레이 유속을 평가했습니다.

DNA를 쉽게 얻을 수 없기 때문에 DNA를 빠르게 배치하면서 스프레이 되는 총 DNA 양을 추정하는 것이 필수적입니다. DNA 프린팅은 멀티플렉서 드라이버 마이크로 전자 기계 시스템 헤드에 수집되었고 마이크로 플로우 추정이 수행되었습니다.

Flow-3D는 3D 스프레이 룸의 내부 유동장과 유동 분포를 시뮬레이션 하는데 사용되었습니다. 시뮬레이션은 열 거품을 생성하는데 필요한 시간과 압력뿐만 아니라 유체의 해당 평균 출구 속도를 계산하는데 사용되었습니다.

Flow-3D의 “출구 속도 상태”기능은 칩 노즐에 의한 유체 배출 시뮬레이션을 위한 전원으로 사용되었습니다. 실제 칩 생성 프로세스를 측정하고 시작 전압 곡선을 분석했습니다. 마지막으로 유속 실험을 하고 그 결과를 논의했습니다. 분사 노즐의 밀도는 50, 히터의 크기는 105μm × 105μm, 분사 노즐 구멍의 크기는 80μm였다. 최대 유량은 약 3.5cc로 제한되었습니다. 분당 최대 유량은 3.5W에서 4.5W 사이의 전력이 필요했습니다. 분사 노즐의 수에 100을 곱했습니다. 분사 노즐 밀도가 확대 된 칩에 대해 25V의 고정 구동 전압에서 실험을 수행했습니다. 얻은 유동 곡선 다양한 펄스 폭과 작동 주파수에서 관찰되었습니다. 작동 주파수는 2KHz이고 펄스 폭은 4μs입니다. 5μs의 펄스 폭과 4.3–5.7W의 전력 범위 내에서 단량체는 5.5cc / min의 유속으로 주입되었습니다. 이 연구의 결과는 DNA 액체의 토 출액의 유량과 총량을 추정하는 데 적용될 수 있습니다.

Keywords: DNA printingflow estimationMEMS

Introduction

잉크젯 프린트 헤드 기술은 매우 중요하며, 잉크젯 기술의 거대한 발전은 주로 잉크젯 프린트 헤드 기술의 원리 개발에서 시작되었습니다. 잉크젯 인쇄 연구를 위한 대규모 액적 생성기 포함 [ 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8]. 연속 식 잉크젯 시스템은 고주파 응답과 고속 인쇄의 장점이 있습니다. 그러나이 방법의 잉크젯 프린트 헤드의 구조는 더 복잡하고 양산이 어려운 가압 장치, 대전 전극, 편향 전계가 필요하다. 주문형 잉크젯 시스템의 잉크젯 프린트 헤드는 구조가 간단하고 잉크젯 헤드의 다중 노즐을 쉽게 구현할 수 있으며 디지털화 및 색상 지정이 쉽고 이미지 품질은 비교적 좋지만 일반적인 잉크 방울 토출 속도는 낮음 [ 9 , 10 , 11 ].

핫 버블 잉크젯 헤드의 총 노즐 수는 수백 또는 수천에 달할 수 있습니다. 노즐은 매우 미세하여 풍부한 조화 색상과 부드러운 메쉬 톤을 생성할 수 있습니다. 잉크 카트리지와 노즐이 일체형 구조를 이루고 있으며, 잉크 카트리지 교체시 잉크젯 헤드가 동시에 업데이트되므로 노즐 막힘에 대한 걱정은 없지만 소모품 낭비가 발생하고 상대적으로 높음 비용. 주문형 잉크젯 기술은 배출해야 하는 그래픽 및 텍스트 부분에만 잉크 방울을 배출하고 빈 영역에는 잉크 방울이 배출되지 않습니다. 이 분사 방법은 잉크 방울을 충전할 필요가 없으며 전극 및 편향 전기장을 충전할 필요도 없습니다. 노즐 구조가 간단하고 노즐의 멀티 노즐 구현이 용이하며, 출력 품질이 더욱 개선되었습니다. 펄스 제어를 통해 디지털화가 쉽습니다. 그러나 잉크 방울의 토출 속도는 일반적으로 낮습니다. 열 거품 잉크젯, 압전 잉크젯 및 정전기 잉크젯의 세 가지 일반적인 유형이 있습니다. 물론 다른 유형이 있습니다.

압전 잉크젯 기술의 실현 원리는 인쇄 헤드의 노즐 근처에 많은 소형 압전 세라믹을 배치하면 압전 크리스탈이 전기장의 작용으로 변형됩니다. 잉크 캐비티에서 돌출되어 노즐에서 분사되는 패턴 데이터 신호는 압전 크리스탈의 변형을 제어한 다음 잉크 분사량을 제어합니다. 압전 MEMS 프린트 헤드를 사용한 주문형 드롭 하이브리드 인쇄 [ 12]. 열 거품 잉크젯 기술의 실현 원리는 가열 펄스 (기록 신호)의 작용으로 노즐의 발열체 온도가 상승하여 근처의 잉크 용매가 증발하여 많은 수의 핵 형성 작은 거품을 생성하는 것입니다. 내부 거품의 부피는 계속 증가합니다. 일정 수준에 도달하면 생성된 압력으로 인해 잉크가 노즐에서 분사되고 최종적으로 기판 표면에 도달하여 패턴 정보가 재생됩니다 [ 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 ].

“3D 제품 프린팅”및 “증분 빠른 제조”의 의미는 진화했으며 모든 증분 제품 제조 기술을 나타냅니다. 이는 이전 제작과는 다른 의미를 가지고 있지만, 자동 제어 하에 소재를 쌓아 올리는 3D 작업 제작 과정의 공통적 인 특징을 여전히 반영하고 있습니다 [ 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 ].

이 개발 시스템은 열 거품 분사 기술입니다. 이 빠른 어레이에 DNA 비드를 배치하고 스프레이 유속을 평가하기 위해 다른 히터 직경과 캐비티 두께를 설계하는 것입니다. DNA 제트 칩의 부스트 회로 시스템은 큰 흐름을 구동하기위한 신호 소스입니다. 목적은 분사되는 DNA 용액의 양과 출력을 조정하는 것입니다. 입력 전압을 더 높은 출력 전압으로 변환해야 하는 경우 부스트 컨버터가 유일한 선택입니다. 부스트 컨버터는 내부 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 (MOSFET)를 통해 전압을 충전하여 부스트 출력의 목적을 달성하고, MOSFET이 꺼지면 인덕터는 부하 정류를 통해 방전됩니다.

인덕터의 충전과 방전 사이의 변환 프로세스는 인덕터를 통한 전압의 방향을 반대로 한 다음 점차적으로 입력 작동 전압보다 높은 전압을 증가시킵니다. MOSFET의 스위칭 듀티 사이클은 확실히 부스트 비율을 결정합니다. MOSFET의 정격 전류와 부스트 컨버터의 부스트 비율은 부스트 ​​컨버터의 부하 전류의 상한을 결정합니다. MOSFET의 정격 전압은 출력 전압의 상한을 결정합니다. 일부 부스트 컨버터는 정류기와 MOSFET을 통합하여 동기식 정류를 제공합니다. 통합 MOSFET은 정확한 제로 전류 턴 오프를 달성하여 부스트 변압기를 보다 효율적으로 만듭니다. 최대 전력 점 추적 장치를 통해 입력 전력을 실시간으로 모니터링합니다. 입력 전압이 최대 입력 전력 지점에 도달하면 부스트 컨버터가 작동하기 시작하여 부스트 컨버터가 최대 전력 출력 지점으로 유리 기판에 DNA 인쇄를 하는 데 적합합니다. 일정한 온 타임 생성 회로를 통해 온 타임이 온도 및 칩의 코너 각도에 영향을 받지 않아 시스템의 안정성이 향상됩니다.

잉크젯 프린트 헤드에 사용되는 기술은 매우 중요합니다. 잉크젯 기술의 엄청난 발전은 주로 잉크젯 프린팅에 사용되는 대형 액적 이젝터 [ 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 ]를 포함하여 잉크젯 프린트 헤드 기술의 이론 개발에서 시작되었습니다 . 연속 잉크젯 시스템은 고주파 응답과 고속 인쇄의 장점을 가지고 있습니다. 잉크젯 헤드의 총 노즐 수는 수백 또는 수천에 달할 수 있으며 이러한 노즐은 매우 복잡합니다. 노즐은 풍부하고 조화로운 색상과 부드러운 메쉬 톤을 생성할 수 있습니다 [ 9 , 10 ,11 ]. 잉크젯은 열 거품 잉크젯, 압전 잉크젯 및 정전 식 잉크젯의 세 가지 주요 유형으로 분류할 수 있습니다. 다른 유형도 사용 중입니다. 압전 잉크젯의 기능은 다음과 같습니다. 많은 소형 압전 세라믹이 잉크젯 헤드 노즐 근처에 배치됩니다. 압전 결정은 전기장 아래에서 변형됩니다. 그 후, 잉크는 잉크 캐비티에서 압착되어 노즐에서 배출됩니다. 패턴의 데이터 신호는 압전 결정의 변형을 제어한 다음 분사되는 잉크의 양을 제어합니다. 압전 마이크로 전자 기계 시스템 (MEMS) 잉크젯 헤드는 하이브리드 인쇄에 사용됩니다. [ 12]. 열 버블 잉크젯 기술은 다음과 같이 작동합니다. 가열 펄스 (즉, 기록 신호) 하에서 노즐의 가열 구성 요소의 온도가 상승하여 근처의 잉크 용매를 증발시켜 많은 양의 작은 핵 기포를 생성합니다. 내부 기포의 부피가 지속적으로 증가합니다. 압력이 일정 수준에 도달하면 노즐에서 잉크가 분출되고 잉크가 기판 표면에 도달하여 패턴과 메시지가 표시됩니다 [ 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 ].

3 차원 (3D) 제품 프린팅 및 빠른 프로토 타입 기술의 발전에는 모든 빠른 프로토 타입의 생산 기술이 포함됩니다. 래피드 프로토 타입 기술은 기존 생산 방식과는 다르지만 3D 제품 프린팅 생산 과정의 일부 특성을 공유합니다. 구체적으로 자동 제어 [ 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 ] 하에서 자재를 쌓아 올립니다 .

이 연구에서 개발된 시스템은 열 기포 방출 기술을 사용했습니다. 이 빠른 어레이에 DNA 비드를 배치하기 위해 히터에 대해 다른 직경과 다른 공동 두께가 사용되었습니다. 그 후, 스프레이 유속을 평가했다. DNA 제트 칩의 부스트 회로 시스템은 큰 흐름을 구동하기위한 신호 소스입니다. 목표는 분사되는 DNA 액체의 양과 출력을 조정하는 것입니다. 입력 전압을 더 높은 출력 전압으로 수정해야하는 경우 승압 컨버터가 유일한 옵션입니다. 승압 컨버터는 내부 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 (MOSFET)를 충전하여 출력 전압을 증가시킵니다. MOSFET이 꺼지면 부하 정류를 통해 인덕턴스가 방전됩니다. 충전과 방전 사이에서 인덕터를 변경하는 과정은 인덕터를 통과하는 전압의 방향을 변경합니다. 전압은 입력 작동 전압을 초과하는 지점까지 점차적으로 증가합니다. MOSFET 스위치의 듀티 사이클은 부스트 ​​비율을 결정합니다. MOSFET의 승압 컨버터의 정격 전류와 부스트 비율은 승압 컨버터의 부하 전류의 상한을 결정합니다. MOSFET의 정격 전류는 출력 전압의 상한을 결정합니다. 일부 승압 컨버터는 정류기와 MOSFET을 통합하여 동기식 정류를 제공합니다. 통합 MOSFET은 정밀한 제로 전류 셧다운을 실현할 수 있으므로 셋업 컨버터의 효율성을 높일 수 있습니다. 최대 전력 점 추적 장치는 입력 전력을 실시간으로 모니터링하는 데 사용되었습니다. 입력 전압이 최대 입력 전력 지점에 도달하면 승압 컨버터가 작동을 시작합니다. 스텝 업 컨버터는 DNA 프린팅을 위한 최대 전력 출력 포인트가 있는 유리 기판에 사용됩니다.

MEMS Chip Design for Bubble Jet

이 연구는 히터 크기, 히터 번호 및 루프 저항과 같은 특정 매개 변수를 조작하여 5 가지 유형의 액체 배출 챔버 구조를 설계했습니다. 표 1 은 측정 결과를 나열합니다. 이 시스템은 다양한 히터의 루프 저항을 분석했습니다. 100 개 히터 설계를 완료하기 위해 2 세트의 히터를 사용하여 각 단일 회로 시리즈를 통과하기 때문에 100 개의 히터를 설계할 때 총 루프 저항은 히터 50 개의 총 루프 저항보다 하나 더 커야 합니다. 이 연구에서 MEMS 칩에서 기포를 배출하는 과정에서 저항 층의 면저항은 29 Ω / m 2입니다. 따라서 모델 A의 총 루프 저항이 가장 컸습니다. 일반 사이즈 모델 (모델 B1, C, D, E)의 두 배였습니다. 모델 B1, C, D 및 E의 총 루프 저항은 약 29 Ω / m 2 입니다. 표 1 에 따르면 오류 범위는 허용된 설계 값 이내였습니다. 따라서야 연구에서 설계된 각 유형의 단일 칩은 동일한 생산 절차 결과를 가지며 후속 유량 측정에 사용되었습니다.

Table 1. List of resistance measurement of single circuit resistance.
Table 1. List of resistance measurement of single circuit resistance.

DNA를 뿌린 칩의 파워가 정상으로 확인되면 히터 버블의 성장 특성을 테스트하고 검증했습니다. DNA 스프레이 칩의 필름 두께와 필름 품질은 히터의 작동 조건과 스프레이 품질에 영향을 줍니다. 따라서 기포 성장 현상과 그 성장 특성을 이해하면 본 연구에서 DNA 스프레이 칩의 특성과 작동 조건을 명확히 하는 데 도움이 됩니다.

설계된 시스템은 기포 성장 조건을 관찰하기 위해 개방형 액체 공급 방법을 채택했습니다. 이미지 관찰을 위해 발광 다이오드 (LED, Nichia NSPW500GS-K1, 3.1V 백색 LED 5mm)를 사용하는 동기식 플래시 방식을 사용하여 동기식 지연 광원을 생성했습니다. 이 시스템은 또한 전하 결합 장치 (CCD, Flir Grasshopper3 GigE GS3-PGE-50S5C-C)를 사용하여 이미지를 캡처했습니다. 그림 1핵 형성, 성장, 거품 생성에서 소산에 이르는 거품의 과정을 보여줍니다. 이 시스템은 기포의 성장 및 소산 과정을 확인하여 시작 전압을 관찰하는 데 사용할 수 있습니다. 마이크로 채널의 액체 공급 방법은 LED가 깜빡이는 시간을 가장 큰 기포 발생에 필요한 시간 (15μs)으로 설정했습니다. 이 디자인은 부적합한 깜박임 시간으로 인한 잘못된 판단과 거품 이미지 캡처 불가능을 방지합니다.

Figure 1. The system uses CCD to capture images.
Figure 1. The system uses CCD to capture images.

<내용 중략>…….

Table 2. Open pool test starting voltage results.
Table 2. Open pool test starting voltage results.
Figure 2. Serial input parallel output shift registers forms of connection.
Figure 2. Serial input parallel output shift registers forms of connection.
Figure 3. The geometry of the jet cavity. (a) The actual DNA liquid chamber, (b) the three-dimensional view of the microfluidic single channel. A single-channel jet cavity with 60 μm diameter and 50 μm thickness, with an operating frequency of 5 KHz, in (a) three-dimensional side view (b) X-Z two-dimensional cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40 and 200 μs injection conditions.
Figure 3. The geometry of the jet cavity. (a) The actual DNA liquid chamber, (b) the three-dimensional view of the microfluidic single channel. A single-channel jet cavity with 60 μm diameter and 50 μm thickness, with an operating frequency of 5 KHz, in (a) three-dimensional side view (b) X-Z two-dimensional cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40 and 200 μs injection conditions.
Figure 4. Calculate and simulate the injection of water in a single-channel injection chamber with a nozzle diameter of 60 μm and a thickness of 50 μm, at an operating frequency of 5 KHz, in the X-Y two-dimensional cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40 and 200 μs.
Figure 4. Calculate and simulate the injection of water in a single-channel injection chamber with a nozzle diameter of 60 μm and a thickness of 50 μm, at an operating frequency of 5 KHz, in the X-Y two-dimensional cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40 and 200 μs.
Figure 5 depicts the calculation results of the 2D X-Z cross section. At 100 μs and 200 μs, the fluid injection orifice did not completely fill the chamber. This may be because the size of the single-channel injection cavity was unsuitable for the highest operating frequency of 10 KHz. Thus, subsequent calculation simulations employed 5 KHz as the reference operating frequency. The calculation simulation results were calculated according to the operating frequency of the impact. Figure 6 illustrates the injection cavity height as 60 μm and 30 μm and reveals the 2D X-Y cross section. At 100 μs and 200 μs, the fluid injection orifice did not completely fill the chamber. In those stages, the fluid was still filling the chamber, and the flow field was not yet stable.
Figure 5 depicts the calculation results of the 2D X-Z cross section. At 100 μs and 200 μs, the fluid injection orifice did not completely fill the chamber. This may be because the size of the single-channel injection cavity was unsuitable for the highest operating frequency of 10 KHz. Thus, subsequent calculation simulations employed 5 KHz as the reference operating frequency. The calculation simulation results were calculated according to the operating frequency of the impact. Figure 6 illustrates the injection cavity height as 60 μm and 30 μm and reveals the 2D X-Y cross section. At 100 μs and 200 μs, the fluid injection orifice did not completely fill the chamber. In those stages, the fluid was still filling the chamber, and the flow field was not yet stable.
Figure 6. Calculate and simulate water in a single-channel spray chamber with a spray hole diameter of 60 μm and a thickness of 50 μm, with an operating frequency of 10 KHz, in an XY cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40, 100, 110, 120, 130, 140 and 200 μs injection situation.
Figure 6. Calculate and simulate water in a single-channel spray chamber with a spray hole diameter of 60 μm and a thickness of 50 μm, with an operating frequency of 10 KHz, in an XY cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40, 100, 110, 120, 130, 140 and 200 μs injection situation.
Figure 7. The DNA printing integrated multiplexer driver MEMS head (IDMH).
Figure 7. The DNA printing integrated multiplexer driver MEMS head (IDMH).
Figure 8. The initial voltage diagrams of chip number A,B,C,D,E type.
Figure 8. The initial voltage diagrams of chip number A,B,C,D,E type.
Figure 9. The initial energy diagrams of chip number A,B,C,D,E type.
Figure 9. The initial energy diagrams of chip number A,B,C,D,E type.
Figure 10. A Type-Sample01 flow test.
Figure 10. A Type-Sample01 flow test.
Figure 11. A Type-Sample01 drop volume.
Figure 11. A Type-Sample01 drop volume.
Figure 12. A Type-Sample01 flow rate.
Figure 12. A Type-Sample01 flow rate.
Figure 13. B1-00 flow test.
Figure 13. B1-00 flow test.
Figure 14. C Type-01 flow test.
Figure 14. C Type-01 flow test.
Figure 15. D Type-02 flow test.
Figure 15. D Type-02 flow test.
Figure 16. E1 type flow test.
Figure 16. E1 type flow test.
Figure 17. E1 type ejection rate relationship.
Figure 17. E1 type ejection rate relationship.

Conclusions

이 연구는 DNA 프린팅 IDMH를 제공하고 미세 유체 흐름 추정을 수행했습니다. 설계된 DNA 스프레이 캐비티와 20V의 구동 전압에서 다양한 펄스 폭의 유동 성능이 펄스 폭에 따라 증가하는 것으로 밝혀졌습니다.

E1 유형 유량 테스트는 해당 유량이 3.1cc / min으로 증가함에 따라 유량이 전력 변화에 영향을 받는 것으로 나타났습니다. 동력이 증가함에 따라 유량은 0.75cc / min에서 3.5cc / min으로 최대 6.5W까지 증가했습니다. 동력이 더 증가하면 유량은 에너지와 함께 증가하지 않습니다. 이것은 이 테이블 디자인이 가장 크다는 것을 보여줍니다. 유속은 3.5cc / 분이었다.
작동 주파수가 2KHz이고 펄스 폭이 4μs 및 5μs 인 특수 설계된 DNA 스프레이 룸 구조에서 다양한 전력 조건 하에서 유량 변화를 관찰했습니다. 4.3–5.87 W의 출력 범위 내에서 주입 된 모노머의 유속은 5.5cc / 분이었습니다. 이것은 힘이 증가해도 변하지 않았습니다. DNA는 귀중하고 쉽게 얻을 수 없습니다. 이 실험을 통해 우리는 DNA가 뿌려진 마이크로 어레이 바이오칩의 수천 개의 지점에 필요한 총 DNA 양을 정확하게 추정 할 수 있습니다.

<내용 중략>…….

References

  1. Pydar, O.; Paredes, C.; Hwang, Y.; Paz, J.; Shah, N.; Candler, R. Characterization of 3D-printed microfluidic chip interconnects with integrated O-rings. Sens. Actuators Phys. 2014205, 199–203. [Google Scholar] [CrossRef]
  2. Ohtani, K.; Tsuchiya, M.; Sugiyama, H.; Katakura, T.; Hayakawa, M.; Kanai, T. Surface treatment of flow channels in microfluidic devices fabricated by stereolitography. J. Oleo Sci. 201463, 93–96. [Google Scholar] [CrossRef]
  3. Castrejn-Pita, J.R.; Martin, G.D.; Hoath, S.D.; Hutchings, I.M. A simple large-scale droplet generator for studies of inkjet printing. Rev. Sci. Instrum. 200879, 075108. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  4. Asai, A. Application of the nucleation theory to the design of bubble jet printers. Jpn. J. Appl. Phys. Regul. Rap. Short Notes 198928, 909–915. [Google Scholar] [CrossRef]
  5. Aoyama, R.; Seki, M.; Hong, J.W.; Fujii, T.; Endo, I. Novel Liquid Injection Method with Wedge-shaped Microchannel on a PDMS Microchip System for Diagnostic Analyses. In Transducers’ 01 Eurosensors XV; Springer: Berlin, Germany, 2001; pp. 1204–1207. [Google Scholar]
  6. Xu, B.; Zhang, Y.; Xia, H.; Dong, W.; Ding, H.; Sun, H. Fabrication and multifunction integration of microfluidic chips by femtosecond laser direct writing. Lab Chip 201313, 1677–1690. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  7. Nayve, R.; Fujii, M.; Fukugawa, A.; Takeuchi, T.; Murata, M.; Yamada, Y. High-Resolution long-array thermal ink jet printhead fabricated by anisotropic wet etching and deep Si RIE. J. Microelectromech. Syst. 200413, 814–821. [Google Scholar] [CrossRef]
  8. O’Connor, J.; Punch, J.; Jeffers, N.; Stafford, J. A dimensional comparison between embedded 3D: Printed and silicon microchannesl. J. Phys. Conf. Ser. 2014525, 012009. [Google Scholar] [CrossRef]
  9. Fang, Y.J.; Lee, J.I.; Wang, C.H.; Chung, C.K.; Ting, J. Modification of heater and bubble clamping behavior in off-shooting inkjet ejector. In Proceedings of the IEEE Sensors, Irvine, CA, USA, 30 October–3 November 2005; pp. 97–100. [Google Scholar]
  10. Lee, W.; Kwon, D.; Choi, W.; Jung, G.; Jeon, S. 3D-Printed microfluidic device for the detection of pathogenic bacteria using size-based separation in helical channel with trapezoid cross-section. Sci. Rep. 20155, 7717. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  11. Shin, D.Y.; Smith, P.J. Theoretical investigation of the influence of nozzle diameter variation on the fabrication of thin film transistor liquid crystal display color filters. J. Appl. Phys. 2008103, 114905-1–114905-11. [Google Scholar] [CrossRef]
  12. Kim, Y.; Kim, S.; Hwang, J.; Kim, Y. Drop-on-Demand hybrid printing using piezoelectric MEMS printhead at various waveforms, high voltages and jetting frequencies. J. Micromech. Microeng. 201323, 8. [Google Scholar] [CrossRef]
  13. Shin, S.J.; Kuka, K.; Shin, J.W.; Lee, C.S.; Oha, Y.S.; Park, S.O. Thermal design modifications to improve firing frequency of back shooting inkjet printhead. Sens. Actuators Phys. 2004114, 387–391. [Google Scholar] [CrossRef]
  14. Rose, D. Microfluidic Technologies and Instrumentation for Printing DNA Microarrays. In Microarray Biochip Technology; Eaton Publishing: Norwalk, CT, USA, 2000; p. 35. [Google Scholar]
  15. Wu, D.; Wu, S.; Xu, J.; Niu, L.; Midorikawa, K.; Sugioka, K. Hybrid femtosecond laser microfabrication to achieve true 3D glass/polymer composite biochips with multiscale features and high performance: The concept of ship-in-abottle biochip. Laser Photon. Rev. 20148, 458–467. [Google Scholar] [CrossRef]
  16. McIlroy, C.; Harlen, O.; Morrison, N. Modelling the jetting of dilute polymer solutions in drop-on-demand inkjet printing. J. Non Newton. Fluid Mech. 2013201, 17–28. [Google Scholar] [CrossRef]
  17. Anderson, K.; Lockwood, S.; Martin, R.; Spence, D. A 3D printed fluidic device that enables integrated features. Anal. Chem. 201385, 5622–5626. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  18. Avedisian, C.T.; Osborne, W.S.; McLeod, F.D.; Curley, C.M. Measuring bubble nucleation temperature on the surface of a rapidly heated thermal ink-jet heater immersed in a pool of water. Proc. R. Soc. A Lond. Math. Phys. Sci. 1999455, 3875–3899. [Google Scholar] [CrossRef]
  19. Lim, J.H.; Kuk, K.; Shin, S.J.; Baek, S.S.; Kim, Y.J.; Shin, J.W.; Oh, Y.S. Failure mechanisms in thermal inkjet printhead analyzed by experiments and numerical simulation. Microelectron. Reliab. 200545, 473–478. [Google Scholar] [CrossRef]
  20. Shallan, A.; Semjkal, P.; Corban, M.; Gujit, R.; Breadmore, M. Cost-Effective 3D printing of visibly transparent microchips within minutes. Anal. Chem. 201486, 3124–3130. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  21. Cavicchi, R.E.; Avedisian, C.T. Bubble nucleation and growth anomaly for a hydrophilic microheater attributed to metastable nanobubbles. Phys. Rev. Lett. 200798, 124501. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  22. Kamei, K.; Mashimo, Y.; Koyama, Y.; Fockenberg, C.; Nakashima, M.; Nakajima, M.; Li, J.; Chen, Y. 3D printing of soft lithography mold for rapid production of polydimethylsiloxane-based microfluidic devices for cell stimulation with concentration gradients. Biomed. Microdevices 201517, 36. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  23. Shin, S.J.; Kuka, K.; Shin, J.W.; Lee, C.S.; Oha, Y.S.; Park, S.O. Firing frequency improvement of back shooting inkjet printhead by thermal management. In Proceedings of the TRANSDUCERS’03. 12th International Conference on Solid-State Sensors.Actuators and Microsystems. Digest of Technical Papers (Cat. No.03TH8664), Boston, MA, USA, 8–12 June 2003; Volume 1, pp. 380–383. [Google Scholar]
  24. Laio, X.; Song, J.; Li, E.; Luo, Y.; Shen, Y.; Chen, D.; Chen, Y.; Xu, Z.; Sugoioka, K.; Midorikawa, K. Rapid prototyping of 3D microfluidic mixers in glass by femtosecond laser direct writing. Lab Chip 201212, 746–749. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
Figure 3. (a) Velocity distribution in a section perpendicular to the flow for rectangular (left) and Ushaped (right) cross section channels, and (b) particle location in these cross sections.

Continuous-Flow Separation of Magnetic Particles from Biofluids: How Does the Microdevice Geometry Determine the Separation Performance?

Cristina González Fernández,1 Jenifer Gómez Pastora,2 Arantza Basauri,1 Marcos Fallanza,1 Eugenio Bringas,1 Jeffrey J. Chalmers,2 and Inmaculada Ortiz1,*
Author information Article notes Copyright and License information Disclaimer

생체 유체에서 자성 입자의 연속 흐름 분리 : 마이크로 장치 형상이 분리 성능을 어떻게 결정합니까?

Abstract

The use of functionalized magnetic particles for the detection or separation of multiple chemicals and biomolecules from biofluids continues to attract significant attention. After their incubation with the targeted substances, the beads can be magnetically recovered to perform analysis or diagnostic tests. Particle recovery with permanent magnets in continuous-flow microdevices has gathered great attention in the last decade due to the multiple advantages of microfluidics. As such, great efforts have been made to determine the magnetic and fluidic conditions for achieving complete particle capture; however, less attention has been paid to the effect of the channel geometry on the system performance, although it is key for designing systems that simultaneously provide high particle recovery and flow rates. Herein, we address the optimization of Y-Y-shaped microchannels, where magnetic beads are separated from blood and collected into a buffer stream by applying an external magnetic field. The influence of several geometrical features (namely cross section shape, thickness, length, and volume) on both bead recovery and system throughput is studied. For that purpose, we employ an experimentally validated Computational Fluid Dynamics (CFD) numerical model that considers the dominant forces acting on the beads during separation. Our results indicate that rectangular, long devices display the best performance as they deliver high particle recovery and high throughput. Thus, this methodology could be applied to the rational design of lab-on-a-chip devices for any magnetically driven purification, enrichment or isolation.

생체 유체에서 여러 화학 물질과 생체 분자의 검출 또는 분리를 위한 기능화된 자성 입자의 사용은 계속해서 상당한 관심을 받고 있습니다. 표적 물질과 함께 배양 한 후 비드는 자기적으로 회수되어 분석 또는 진단 테스트를 수행 할 수 있습니다.

연속 흐름 마이크로 장치에서 영구 자석을 사용한 입자 회수는 마이크로 유체의 여러 장점으로 인해 지난 10 년 동안 큰 관심을 모았습니다. 따라서 완전한 입자 포획을 달성하기 위한 자기 및 유체 조건을 결정하기 위해 많은 노력을 기울였습니다.

그러나 높은 입자 회수율과 유속을 동시에 제공하는 시스템을 설계하는데 있어 핵심이기는 하지만 시스템 성능에 대한 채널 형상의 영향에 대해서는 덜 주의를 기울였습니다.

여기에서 우리는 자기 비드가 혈액에서 분리되어 외부 자기장을 적용하여 버퍼 스트림으로 수집되는 Y-Y 모양의 마이크로 채널의 최적화를 다룹니다. 비드 회수 및 시스템 처리량에 대한 여러 기하학적 특징 (즉, 단면 형상, 두께, 길이 및 부피)의 영향을 연구합니다.

이를 위해 분리 중에 비드에 작용하는 지배적인 힘을 고려하는 실험적으로 검증된 CFD (Computational Fluid Dynamics) 수치 모델을 사용합니다.

우리의 결과는 직사각형의 긴 장치가 높은 입자 회수율과 높은 처리량을 제공하기 때문에 최고의 성능을 보여줍니다. 따라서 이 방법론은 자기 구동 정제, 농축 또는 분리를 위한 랩 온어 칩 장치의 합리적인 설계에 적용될 수 있습니다.

Keywords: particle magnetophoresis, CFD, cross section, chip fabrication

Figure 1 (a) Top view of the microfluidic-magnetophoretic device, (b) Schematic representation of the channel cross-sections studied in this work, and (c) the magnet position relative to the channel location (Sepy and Sepz are the magnet separation distances in y and z, respectively).
Figure 1 (a) Top view of the microfluidic-magnetophoretic device, (b) Schematic representation of the channel cross-sections studied in this work, and (c) the magnet position relative to the channel location (Sepy and Sepz are the magnet separation distances in y and z, respectively).
Figure 2. (a) Channel-magnet configuration and (b–d) magnetic force distribution in the channel midplane for 2 mm, 5 mm and 10 mm long rectangular (left) and U-shaped (right) devices.
Figure 2. (a) Channel-magnet configuration and (b–d) magnetic force distribution in the channel midplane for 2 mm, 5 mm and 10 mm long rectangular (left) and U-shaped (right) devices.
Figure 3. (a) Velocity distribution in a section perpendicular to the flow for rectangular (left) and Ushaped (right) cross section channels, and (b) particle location in these cross sections.
Figure 3. (a) Velocity distribution in a section perpendicular to the flow for rectangular (left) and Ushaped (right) cross section channels, and (b) particle location in these cross sections.
Figure 4. Influence of fluid flow rate on particle recovery when the applied magnetic force is (a) different and (b) equal in U-shaped and rectangular cross section microdevices.
Figure 4. Influence of fluid flow rate on particle recovery when the applied magnetic force is (a) different and (b) equal in U-shaped and rectangular cross section microdevices.
Figure 5. Magnetic bead capture as a function of fluid flow rate for all of the studied geometries.
Figure 5. Magnetic bead capture as a function of fluid flow rate for all of the studied geometries.
Figure 6. Influence of (a) magnetic and fluidic forces (J parameter) and (b) channel geometry (θ parameter) on particle recovery. Note that U-2mm does not accurately fit a line.
Figure 6. Influence of (a) magnetic and fluidic forces (J parameter) and (b) channel geometry (θ parameter) on particle recovery. Note that U-2mm does not accurately fit a line.
Figure 7. Dependence of bead capture on the (a) functional channel volume, and (b) particle residence time (tres). Note that in the curve fitting expressions V represents the functional channel volume and that U-2mm does not accurately fit a line.
Figure 7. Dependence of bead capture on the (a) functional channel volume, and (b) particle residence time (tres). Note that in the curve fitting expressions V represents the functional channel volume and that U-2mm does not accurately fit a line.

References

  1. Gómez-Pastora J., Xue X., Karampelas I.H., Bringas E., Furlani E.P., Ortiz I. Analysis of separators for magnetic beads recovery: From large systems to multifunctional microdevices. Sep. Purif. Technol. 2017;172:16–31. doi: 10.1016/j.seppur.2016.07.050. [CrossRef] [Google Scholar]
  2. Wise N., Grob T., Morten K., Thompson I., Sheard S. Magnetophoretic velocities of superparamagnetic particles, agglomerates and complexes. J. Magn. Magn. Mater. 2015;384:328–334. doi: 10.1016/j.jmmm.2015.02.031. [CrossRef] [Google Scholar]
  3. Khashan S.A., Elnajjar E., Haik Y. CFD simulation of the magnetophoretic separation in a microchannel. J. Magn. Magn. Mater. 2011;323:2960–2967. doi: 10.1016/j.jmmm.2011.06.001. [CrossRef] [Google Scholar]
  4. Khashan S.A., Furlani E.P. Scalability analysis of magnetic bead separation in a microchannel with an array of soft magnetic elements in a uniform magnetic field. Sep. Purif. Technol. 2014;125:311–318. doi: 10.1016/j.seppur.2014.02.007. [CrossRef] [Google Scholar]
  5. Furlani E.P. Magnetic biotransport: Analysis and applications. Materials. 2010;3:2412–2446. doi: 10.3390/ma3042412. [CrossRef] [Google Scholar]
  6. Gómez-Pastora J., Bringas E., Ortiz I. Design of novel adsorption processes for the removal of arsenic from polluted groundwater employing functionalized magnetic nanoparticles. Chem. Eng. Trans. 2016;47:241–246. [Google Scholar]
  7. Gómez-Pastora J., Bringas E., Lázaro-Díez M., Ramos-Vivas J., Ortiz I. The reverse of controlled release: Controlled sequestration of species and biotoxins into nanoparticles (NPs) In: Stroeve P., Mahmoudi M., editors. Drug Delivery Systems. World Scientific; Hackensack, NJ, USA: 2017. pp. 207–244. [Google Scholar]
  8. Ruffert C. Magnetic bead-magic bullet. Micromachines. 2016;7:21. doi: 10.3390/mi7020021. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  9. Yáñez-Sedeño P., Campuzano S., Pingarrón J.M. Magnetic particles coupled to disposable screen printed transducers for electrochemical biosensing. Sensors. 2016;16:1585. doi: 10.3390/s16101585. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  10. Schrittwieser S., Pelaz B., Parak W.J., Lentijo-Mozo S., Soulantica K., Dieckhoff J., Ludwig F., Guenther A., Tschöpe A., Schotter J. Homogeneous biosensing based on magnetic particle labels. Sensors. 2016;16:828. doi: 10.3390/s16060828. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  11. He J., Huang M., Wang D., Zhang Z., Li G. Magnetic separation techniques in sample preparation for biological analysis: A review. J. Pharm. Biomed. Anal. 2014;101:84–101. doi: 10.1016/j.jpba.2014.04.017. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  12. Ha Y., Ko S., Kim I., Huang Y., Mohanty K., Huh C., Maynard J.A. Recent advances incorporating superparamagnetic nanoparticles into immunoassays. ACS Appl. Nano Mater. 2018;1:512–521. doi: 10.1021/acsanm.7b00025. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  13. Gómez-Pastora J., González-Fernández C., Fallanza M., Bringas E., Ortiz I. Flow patterns and mass transfer performance of miscible liquid-liquid flows in various microchannels: Numerical and experimental studies. Chem. Eng. J. 2018;344:487–497. doi: 10.1016/j.cej.2018.03.110. [CrossRef] [Google Scholar]
  14. Gale B.K., Jafek A.R., Lambert C.J., Goenner B.L., Moghimifam H., Nze U.C., Kamarapu S.K. A review of current methods in microfluidic device fabrication and future commercialization prospects. Inventions. 2018;3:60. doi: 10.3390/inventions3030060. [CrossRef] [Google Scholar]
  15. Niemeyer C.M., Mirkin C.A., editors. Nanobiotechnology; Concepts, Applications and Perspectives. Wiley-VCH; Weinheim, Germany: 2004. [Google Scholar]
  16. Khashan S.A., Dagher S., Alazzam A., Mathew B., Hilal-Alnaqbi A. Microdevice for continuous flow magnetic separation for bioengineering applications. J. Micromech. Microeng. 2017;27:055016. doi: 10.1088/1361-6439/aa666d. [CrossRef] [Google Scholar]
  17. Basauri A., Gomez-Pastora J., Fallanza M., Bringas E., Ortiz I. Predictive model for the design of reactive micro-separations. Sep. Purif. Technol. 2019;209:900–907. doi: 10.1016/j.seppur.2018.09.028. [CrossRef] [Google Scholar]
  18. Abdollahi P., Karimi-Sabet J., Moosavian M.A., Amini Y. Microfluidic solvent extraction of calcium: Modeling and optimization of the process variables. Sep. Purif. Technol. 2020;231:115875. doi: 10.1016/j.seppur.2019.115875. [CrossRef] [Google Scholar]
  19. Khashan S.A., Alazzam A., Furlani E. A novel design for a microfluidic magnetophoresis system: Computational study; Proceedings of the 12th International Symposium on Fluid Control, Measurement and Visualization (FLUCOME2013); Nara, Japan. 18–23 November 2013. [Google Scholar]
  20. Pamme N. Magnetism and microfluidics. Lab Chip. 2006;6:24–38. doi: 10.1039/B513005K. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  21. Gómez-Pastora J., Amiri Roodan V., Karampelas I.H., Alorabi A.Q., Tarn M.D., Iles A., Bringas E., Paunov V.N., Pamme N., Furlani E.P., et al. Two-step numerical approach to predict ferrofluid droplet generation and manipulation inside multilaminar flow chambers. J. Phys. Chem. C. 2019;123:10065–10080. doi: 10.1021/acs.jpcc.9b01393. [CrossRef] [Google Scholar]
  22. Gómez-Pastora J., Karampelas I.H., Bringas E., Furlani E.P., Ortiz I. Numerical analysis of bead magnetophoresis from flowing blood in a continuous-flow microchannel: Implications to the bead-fluid interactions. Sci. Rep. 2019;9:7265. doi: 10.1038/s41598-019-43827-x. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  23. Tarn M.D., Pamme N. On-Chip Magnetic Particle-Based Immunoassays Using Multilaminar Flow for Clinical Diagnostics. In: Taly V., Viovy J.L., Descroix S., editors. Microchip Diagnostics Methods and Protocols. Humana Press; New York, NY, USA: 2017. pp. 69–83. [Google Scholar]
  24. Phurimsak C., Tarn M.D., Peyman S.A., Greenman J., Pamme N. On-chip determination of c-reactive protein using magnetic particles in continuous flow. Anal. Chem. 2014;86:10552–10559. doi: 10.1021/ac5023265. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  25. Wu X., Wu H., Hu Y. Enhancement of separation efficiency on continuous magnetophoresis by utilizing L/T-shaped microchannels. Microfluid. Nanofluid. 2011;11:11–24. doi: 10.1007/s10404-011-0768-7. [CrossRef] [Google Scholar]
  26. Vojtíšek M., Tarn M.D., Hirota N., Pamme N. Microfluidic devices in superconducting magnets: On-chip free-flow diamagnetophoresis of polymer particles and bubbles. Microfluid. Nanofluid. 2012;13:625–635. doi: 10.1007/s10404-012-0979-6. [CrossRef] [Google Scholar]
  27. Gómez-Pastora J., González-Fernández C., Real E., Iles A., Bringas E., Furlani E.P., Ortiz I. Computational modeling and fluorescence microscopy characterization of a two-phase magnetophoretic microsystem for continuous-flow blood detoxification. Lab Chip. 2018;18:1593–1606. doi: 10.1039/C8LC00396C. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  28. Forbes T.P., Forry S.P. Microfluidic magnetophoretic separations of immunomagnetically labeled rare mammalian cells. Lab Chip. 2012;12:1471–1479. doi: 10.1039/c2lc40113d. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  29. Nandy K., Chaudhuri S., Ganguly R., Puri I.K. Analytical model for the magnetophoretic capture of magnetic microspheres in microfluidic devices. J. Magn. Magn. Mater. 2008;320:1398–1405. doi: 10.1016/j.jmmm.2007.11.024. [CrossRef] [Google Scholar]
  30. Plouffe B.D., Lewis L.H., Murthy S.K. Computational design optimization for microfluidic magnetophoresis. Biomicrofluidics. 2011;5:013413. doi: 10.1063/1.3553239. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  31. Hale C., Darabi J. Magnetophoretic-based microfluidic device for DNA isolation. Biomicrofluidics. 2014;8:044118. doi: 10.1063/1.4893772. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  32. Becker H., Gärtner C. Polymer microfabrication methods for microfluidic analytical applications. Electrophoresis. 2000;21:12–26. doi: 10.1002/(SICI)1522-2683(20000101)21:1<12::AID-ELPS12>3.0.CO;2-7. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  33. Pekas N., Zhang Q., Nannini M., Juncker D. Wet-etching of structures with straight facets and adjustable taper into glass substrates. Lab Chip. 2010;10:494–498. doi: 10.1039/B912770D. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  34. Wang T., Chen J., Zhou T., Song L. Fabricating microstructures on glass for microfluidic chips by glass molding process. Micromachines. 2018;9:269. doi: 10.3390/mi9060269. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  35. Castaño-Álvarez M., Pozo Ayuso D.F., García Granda M., Fernández-Abedul M.T., Rodríguez García J., Costa-García A. Critical points in the fabrication of microfluidic devices on glass substrates. Sens. Actuators B Chem. 2008;130:436–448. doi: 10.1016/j.snb.2007.09.043. [CrossRef] [Google Scholar]
  36. Prakash S., Kumar S. Fabrication of microchannels: A review. Proc. Inst. Mech. Eng. Part B J. Eng. Manuf. 2015;229:1273–1288. doi: 10.1177/0954405414535581. [CrossRef] [Google Scholar]
  37. Leester-Schädel M., Lorenz T., Jürgens F., Ritcher C. Fabrication of Microfluidic Devices. In: Dietzel A., editor. Microsystems for Pharmatechnology: Manipulation of Fluids, Particles, Droplets, and Cells. Springer; Basel, Switzerland: 2016. pp. 23–57. [Google Scholar]
  38. Bartlett N.W., Wood R.J. Comparative analysis of fabrication methods for achieving rounded microchannels in PDMS. J. Micromech. Microeng. 2016;26:115013. doi: 10.1088/0960-1317/26/11/115013. [CrossRef] [Google Scholar]
  39. Ng P.F., Lee K.I., Yang M., Fei B. Fabrication of 3D PDMS microchannels of adjustable cross-sections via versatile gel templates. Polymers. 2019;11:64. doi: 10.3390/polym11010064. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  40. Furlani E.P., Sahoo Y., Ng K.C., Wortman J.C., Monk T.E. A model for predicting magnetic particle capture in a microfluidic bioseparator. Biomed. Microdevices. 2007;9:451–463. doi: 10.1007/s10544-007-9050-x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  41. Tarn M.D., Peyman S.A., Robert D., Iles A., Wilhelm C., Pamme N. The importance of particle type selection and temperature control for on-chip free-flow magnetophoresis. J. Magn. Magn. Mater. 2009;321:4115–4122. doi: 10.1016/j.jmmm.2009.08.016. [CrossRef] [Google Scholar]
  42. Furlani E.P. Permanent Magnet and Electromechanical Devices; Materials, Analysis and Applications. Academic Press; Waltham, MA, USA: 2001. [Google Scholar]
  43. White F.M. Viscous Fluid Flow. McGraw-Hill; New York, NY, USA: 1974. [Google Scholar]
  44. Mathew B., Alazzam A., El-Khasawneh B., Maalouf M., Destgeer G., Sung H.J. Model for tracing the path of microparticles in continuous flow microfluidic devices for 2D focusing via standing acoustic waves. Sep. Purif. Technol. 2015;153:99–107. doi: 10.1016/j.seppur.2015.08.026. [CrossRef] [Google Scholar]
  45. Furlani E.J., Furlani E.P. A model for predicting magnetic targeting of multifunctional particles in the microvasculature. J. Magn. Magn. Mater. 2007;312:187–193. doi: 10.1016/j.jmmm.2006.09.026. [CrossRef] [Google Scholar]
  46. Furlani E.P., Ng K.C. Analytical model of magnetic nanoparticle transport and capture in the microvasculature. Phys. Rev. E. 2006;73:061919. doi: 10.1103/PhysRevE.73.061919. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  47. Eibl R., Eibl D., Pörtner R., Catapano G., Czermak P. Cell and Tissue Reaction Engineering. Springer; Berlin/Heidelberg, Germany: 2009. [Google Scholar]
  48. Pamme N., Eijkel J.C.T., Manz A. On-chip free-flow magnetophoresis: Separation and detection of mixtures of magnetic particles in continuous flow. J. Magn. Magn. Mater. 2006;307:237–244. doi: 10.1016/j.jmmm.2006.04.008. [CrossRef] [Google Scholar]
  49. Alorabi A.Q., Tarn M.D., Gómez-Pastora J., Bringas E., Ortiz I., Paunov V.N., Pamme N. On-chip polyelectrolyte coating onto magnetic droplets-Towards continuous flow assembly of drug delivery capsules. Lab Chip. 2017;17:3785–3795. doi: 10.1039/C7LC00918F. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  50. Zhang H., Guo H., Chen Z., Zhang G., Li Z. Application of PECVD SiC in glass micromachining. J. Micromech. Microeng. 2007;17:775–780. doi: 10.1088/0960-1317/17/4/014. [CrossRef] [Google Scholar]
  51. Mourzina Y., Steffen A., Offenhäusser A. The evaporated metal masks for chemical glass etching for BioMEMS. Microsyst. Technol. 2005;11:135–140. doi: 10.1007/s00542-004-0430-3. [CrossRef] [Google Scholar]
  52. Mata A., Fleischman A.J., Roy S. Fabrication of multi-layer SU-8 microstructures. J. Micromech. Microeng. 2006;16:276–284. doi: 10.1088/0960-1317/16/2/012. [CrossRef] [Google Scholar]
  53. Su N. 8 2000 Negative Tone Photoresist Formulations 2002–2025. MicroChem Corporation; Newton, MA, USA: 2002. [Google Scholar]
  54. Su N. 8 2000 Negative Tone Photoresist Formulations 2035–2100. MicroChem Corporation; Newton, MA, USA: 2002. [Google Scholar]
  55. Fu C., Hung C., Huang H. A novel and simple fabrication method of embedded SU-8 micro channels by direct UV lithography. J. Phys. Conf. Ser. 2006;34:330–335. doi: 10.1088/1742-6596/34/1/054. [CrossRef] [Google Scholar]
  56. Kazoe Y., Yamashiro I., Mawatari K., Kitamori T. High-pressure acceleration of nanoliter droplets in the gas phase in a microchannel. Micromachines. 2016;7:142. doi: 10.3390/mi7080142. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  57. Sharp K.V., Adrian R.J., Santiago J.G., Molho J.I. Liquid flows in microchannels. In: Gad-el-Hak M., editor. MEMS: Introduction and Fundamentals. CRC Press; Boca Raton, FL, USA: 2006. pp. 10-1–10-46. [Google Scholar]
  58. Oh K.W., Lee K., Ahn B., Furlani E.P. Design of pressure-driven microfluidic networks using electric circuit analogy. Lab Chip. 2012;12:515–545. doi: 10.1039/C2LC20799K. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  59. Bruus H. Theoretical Microfluidics. Oxford University Press; New York, NY, USA: 2008. [Google Scholar]
  60. Beebe D.J., Mensing G.A., Walker G.M. Physics and applications of microfluidics in biology. Annu. Rev. Biomed. Eng. 2002;4:261–286. doi: 10.1146/annurev.bioeng.4.112601.125916. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  61. Yalikun Y., Tanaka Y. Large-scale integration of all-glass valves on a microfluidic device. Micromachines. 2016;7:83. doi: 10.3390/mi7050083. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  62. Van Heeren H., Verhoeven D., Atkins T., Tzannis A., Becker H., Beusink W., Chen P. [(accessed on 9 March 2020)];Design Guideline for Microfluidic Device and Component Interfaces (Part 2) Version 3. Available online: http://www.makefluidics.com/en/design-guideline?id=7.
  63. Scheuble N., Iles A., Wootton R.C.R., Windhab E.J., Fischer P., Elvira K.S. Microfluidic technique for the simultaneous quantification of emulsion instabilities and lipid digestion kinetics. Anal. Chem. 2017;89:9116–9123. doi: 10.1021/acs.analchem.7b01853. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  64. Lynch E.C. Red blood cell damage by shear stress. Biophys. J. 1972;12:257–273. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  65. Paul R., Apel J., Klaus S., Schügner F., Schwindke P., Reul H. Shear stress related blood damage in laminar Couette flow. Artif. Organs. 2003;27:517–529. doi: 10.1046/j.1525-1594.2003.07103.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  66. Gómez-Pastora J., Karampelas I.H., Xue X., Bringas E., Furlani E.P., Ortiz I. Magnetic bead separation from flowing blood in a two-phase continuous-flow magnetophoretic microdevice: Theoretical analysis through computational fluid dynamics simulation. J. Phys. Chem. C. 2017;121:7466–7477. doi: 10.1021/acs.jpcc.6b12835. [CrossRef] [Google Scholar]
  67. Lim J., Yeap S.P., Leow C.H., Toh P.Y., Low S.C. Magnetophoresis of iron oxide nanoparticles at low field gradient: The role of shape anisotropy. J. Colloid Interface Sci. 2014;421:170–177. doi: 10.1016/j.jcis.2014.01.044. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  68. Culbertson C.T., Sibbitts J., Sellens K., Jia S. Fabrication of Glass Microfluidic Devices. In: Dutta D., editor. Microfluidic Electrophoresis: Methods and Protocols. Humana Press; New York, NY, USA: 2019. pp. 1–12. [Google Scholar]
Figure 20. Top: image of electrospray, bottom: cone-jet profile using the CF emitter. Distance between the carbon fiber tip and the counter electrode is 4.0 mm, potential difference is 3500 V, flow rate is 300 nL min−1 .

Modeling and characterization of a carbon fiber emitter for electrospray ionization

A K Sen1, J Darabi1, D R Knapp2 and J Liu2
1 MEMS and Microsystems Laboratory, Department of Mechanical Engineering,
University of South Carolina, 300 Main Street, Columbia, SC 29208, USA
2 Department of Pharmacology, Medical University of South Carolina, 173 Ashley Avenue,
Charleston, SC 29425, USA
E-mail: darabi@engr.sc.edu

뾰족한 탄소 섬유(CF)를 사용하는 새로운 마이크로 스케일 이미터는 질량 분석 (MS) 분석에서 전기 분무에 사용할 수 있습니다. 탄소 섬유는 360 µm OD 및 75 µm ID의 용융 실리카 모세관과 동축에 위치하며 날카로운 팁은 튜브 말단에서 30 µm 연장됩니다.

Abstract

전기 분무 이온화 (ESI) 프로세스는 전기 유체 역학을 해결하기 위한 Taylor–Melcher 누설 유전체 유체 모델 및 액체-가스 인터페이스 추적을 위한 유체 부피 (VOF) 접근 방식을 기반으로 하는 전산 유체 역학 (CFD) 코드를 사용하여 시뮬레이션 됩니다. CFD 코드는 먼저 기존 지오메트리에 대해 검증한 다음 CF 이미터 기반 ESI 모델을 시뮬레이션하는데 사용됩니다.

시뮬레이션된 전류 흐름 및 전류 전압 결과는 CF 이미터의 실험 결과와 잘 일치합니다. 이미터 형상, 전위차, 유속 및 액체의 물리적 특성이 CF 이미터의 전기 분무 거동에 미치는 영향을 철저히 조사합니다.

스프레이 전류와 제트 직경은 액체의 유속, 전위차 및 물리적 특성과 상관 관계가 있으며 상관 결과는 문헌에 보고된 결과와 정량적으로 비교됩니다. (이 기사의 일부 그림은 전자 버전에서만 색상입니다)

Introduction

1980 년대 후반부터 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화 (MALDI)와 전기 분무 이온화 (ESI)의 두 가지 이온화 기술을 구현하여 감도, 속도 및 구조 정보 수준 측면에서 MS 분석이 엄청나게 성장했습니다. 1980 년대 초까지 전자 충격 (EI) 또는 화학 이온화 (CI) 방법은 가스 크로마토 그래피에 적합한 작은 생체 분자를 이온화 하는 데 사용되었습니다.

그러나 크고 열에 민감한 비 휘발성 샘플은 적절한 사전 처리 없이 EI 또는 CI-MS 기술로 분석 할 수 없습니다 [1]. ESI 기술을 사용하면 액체상에서 직접 이러한 큰 분자를 분석 할 수 있습니다 [2]. Zeleny [3, 4]는 출구에 높은 전위를 적용하여 모세관에서 액체 용액을 분사 할 수 있음을 보여주었습니다.

Dole [5, 6] 및 Fenn [7]의 선구적인 연구는 ESI를 고분자 및 생체 분자와 같은 대형 화합물의 이온화 방법으로 표시했습니다. 이에 이어이 기술에 의한 기상 이온 발생에 관련된 과정과 메커니즘이 널리 조사되고 있습니다.

ESI 방법에서 기체 이온화 된 분자는 강한 전계가 있는 상태에서 미세한 물방울을 생성하여 액체 용액에서 생성됩니다. ESI 프로세스의 이러한 능력은 단백질 및 기타 생체 분자 연구에 자연적으로 적용됨을 발견했습니다. ESI 방법과 관련된 다양한 프로세스가 그림 1에 나와 있습니다.

Figure 1. Schematic of an ESI process.
Figure 1. Schematic of an ESI process.

ESI 전위는 일반적으로 전도성 물질로 코팅 된 이미 터 튜브를 통해 외부에서 샘플 액체에 적용되지만 액체 샘플 내부에 적용될 수도 있습니다. Herring과 Qin [8]은 이미 터 팁에 삽입된 팔라듐 와이어를 통해 전기 분무 전위가 적용되는 모세관 전기 영동 (CE)을위한 ESI 인터페이스를 보여주었습니다.

Chiou의 설계 [9]에서는 작은 PDMS 칩에 있는 샘플 저장소, 마이크로 채널 및 실리카 모세관 노즐과 통합 된 내장 전극을 통해 전기 분무를 위한 고전압이 적용되었습니다.

Cao and Moini [10]는 ESI 전압이 모세관 내부에 위치한 전극을 통해인가되고 전기적 접촉이 출구 근처 모세관 벽의 작은 구멍을 통해 유지되는 전기 분무 방출기를 설계했습니다. 작은 모세관 직경 (~ 10 µm)을 가진 이미 터를 사용하여 낮은 전압에서 전기 분무가 가능하지만, 더 작은 구멍은 과도한 배압으로 인해 쉽게 막힐 수 있습니다.

직경이 더 큰 (> 50µm) 이미 터를 처리하는 것이 더 쉽습니다. 그러나 그들은 더 작은 직경의 이미 터만큼 효율적이지 않습니다 [11]. 일반적으로 ESI 전압을 적용하기 위해 유리 또는 용융 실리카와 같은 절연 재료로 제작 된 저 유량 이미 터의 외주에 전도성 코팅이 적용됩니다.

용융 실리카 모세관의 끝 부분에있는 스퍼터 코팅 된 귀금속 층은 내구성에 빠르게 영향을 미치는 것으로 관찰되었습니다. 코팅의 빠른 열화는 방전, 전기 화학적 반응 및 층과 용융 실리카 표면 사이의 불량한 기계적 결합으로 인해 발생할 수 있습니다.

이러한 에미 터의 수명은 스퍼터 코팅 후에 금을 전기 도금하거나 [12] 스퍼터 코팅 된 금 위에 SiOx를 코팅하여 증가시킬 수 있습니다 [13]. 크롬 또는 니켈 합금의 접착층 위에 금으로 코팅 된 이미 터는 우수한 결합력을 제공 할 수 있으며 음극으로 작동 할 때 내구성이 있습니다.

그러나 양극으로 작동하는 동안 접착층은 금 막을 통해 화학적으로 용해됩니다. 이미 터의 안정성과 내구성을 향상시키기 위해 대체 전도성 코팅이 평가되었습니다.

안정적인 ESI 작동을 위해 콜로이드 흑연 코팅 이미 터가 사용되었으며 수명이 길었습니다 [14]. 폴리아닐린 (PANI) 코팅 이미 터는 두꺼운 코팅으로 인해 높은 내구성을 보여주고 방전에 강합니다. PANIcoated와 gold-coated nanospray emitter의 electrospray ionization 거동을 비교 한 결과 PANIcoated emitter는 goldcoated emitter와 비슷한 향상된 감도를 제공합니다 [15].

그라파이트-폴리이 미드 혼합물은 또한 무 접착 전기 분무 방출기의 경우 전도성 코팅으로 사용되었습니다. 전도성 코팅의 안정성은 산화 스트레스 동안 좋은 성능을 나타내는 전기 화학적 방법에 의해 조사되었습니다 [16].

탄소 코팅 이미 터의 기능은 마이크로 스프레이 및 시스리스 CE 및 ESI 응용 분야에서 입증되었습니다. 이 이미 터는 견고하지는 않지만 방수가 되지 않는 CE 또는 ESI 애플리케이션에 충분히 내구성이있었습니다 [17].

우리는 막힘 문제를 제거하고 시료 액체와 금층 사이의 접촉 문제를 피할 수있는 뾰족한 탄소 섬유 기반의 새로운 ESI 방출기를 도입하여 ESI 시스템의 적용 성, 신뢰성 및 내구성을 향상 시켰습니다 [18]. 이 작업에서 탄소 섬유 기반 ESI 이미 터는 전산 유체 역학 (CFD) 소프트웨어 패키지 FLOW-3D [19]를 사용하여 시뮬레이션됩니다.

실험은 새로운 CF 이미 터를 사용하여 수행됩니다. 모델 예측은 실험 결과와 비교됩니다. 새로운 이미 터의 ESI 성능은 이미 터의 기하학적 구조, 유속, 액체의 물리적 특성과 같은 다양한 매개 변수에 대한 반응을 연구하여 평가됩니다.

스프레이 전류 및 제트 직경은 유량 및 액체의 특성과 상관 관계가 있으며 상관 결과는 문헌에보고 된 결과와 정량적으로 비교됩니다. 다음 섹션에서 ESI 공정을 지배하는 전기 유체 역학 이론은 Taylor–Melcher 누설 유전체 모델 [20]을 참조하여 설명됩니다.

그런 다음 Hartman 등이 사용하는 ESI 구성을 고려하여 CFD 코드의 유효성을 확인합니다 [21]. 또한 CF 기반 ESI 모델에 대한 시뮬레이션 및 실험 결과가 제시되고 논의됩니다. 마지막으로 모수 연구 결과와 상관 관계를 제시하고 논의합니다.

Figure 2. Forces in the liquid cone.
Figure 2. Forces in the liquid cone.
Figure 3. Schematic of the ESI model studied by Hartman et al [21].
Figure 3. Schematic of the ESI model studied by Hartman et al [21].
Figure 6. Cone-Jet profile and the electric potential contours at 19 kV; cone length is 4.3 mm.
Figure 6. Cone-Jet profile and the electric potential contours at 19 kV; cone length is 4.3 mm.
Figure 7. A photograph of the experimental cone shape; cone length is 4.2 ± 0.2 mm [21].
Figure 7. A photograph of the experimental cone shape; cone length is 4.2 ± 0.2 mm [21].
Figure 15. Electric field contours at various time steps
Figure 15. Electric field contours at various time steps
Figure 20. Top: image of electrospray, bottom: cone-jet profile using the CF emitter. Distance between the carbon fiber tip and the counter electrode is 4.0 mm, potential difference is 3500 V, flow rate is 300 nL min−1 .
Figure 20. Top: image of electrospray, bottom: cone-jet profile using the CF emitter. Distance between the carbon fiber tip and the counter electrode is 4.0 mm, potential difference is 3500 V, flow rate is 300 nL min−1 .

References

[1] Siuzdak M 1996 Mass Spectrometry for Biotechnology (New York: Academic)
[2] Cole R B (ed) 1997 Electrospray Ionization Mass Spectrometry (New York: Wiley-Interscience)
[3] Zeleny J 1914 Phys. Rev. 3 69–91
[4] Zeleny J 1917 Phys. Rev. 10 1–6
[5] Dole M, Mack L L, Hines R L, Mobley R C, Ferguson L D and Alice M B 1968 Molecular beams of macroions
J. Chem. Phys. 49 2240–9
[6] Clegg G A and Dole M 1971 Molecular beams of macroions: III. Zein and polyvinylpyrrolidone Biopolymers
10 821–6
[7] Fenn J B, Mann M, Meng C K, Wong S F and Whitehouse C M 1989 Electrospray ionization for mass
spectrometry of large biomolecules Science 246 64–71
[8] Herring C J and Qin J 1999 An on-line preconcentrator and the evaluation of electrospray interfaces for the capillary
electrophoresis/mass spectrometry of peptides Rapid Commun. Mass Spectr. 13 1–7
[9] Chiou C H, Lee G B, Hsu H T, Chen P W and Liao P C B 2002 Microscale Tools for Sample Preparation, Separation
and Detection of Neuropeptides Sensors Actuators B 86 280–6
[10] Cao P and Moini M 1997 A novel sheathless interface for capillary electrophoresis/electrospray ionization mass
spectrometry using an in-capillary electrode J. Am. Soc. Mass Spectrom 8 561–4
[11] Janini G M, Conards T P, Wilkens K L, Issaq H J and Veenstra T D 2003 A sheathless nanoflow electrospray
interface for on-line capillary electrophoresis mass spectrometry Anal. Chem 75 1615–9
[12] Barroso M B de Jong and Ad P 1999 Sheathless preconcentration-capillary zone electrophoresis-mass
spectrometry applied to peptide analysis J. Am. Soc. Mass Spectrom 10 1271–8
[13] Valaskovic G A and McLafferty F W 1996 Long-lived metallized tips for nanoliter electrospray mass spectrometry
J. Am. Soc. Mass Spectrom. 7 1270–2
[14] Zhu X, Thiam S, Valle B C and Warner I M 2002 A colloidal graphite coated emitter for seathless capillary
electrophoresis/nanoelectrospray ionization mass spectrometry Anal. Chem 74 5405–9
[15] Maziarz E P I II, Lorenz S A, White T P and Wood T D 2000 Polyaniline: a conductive polymer coating for durable
nanospray emitters J. Am. Soc. Mass. Spectrom 11 659–63
[16] Nilsson S, Wetterhall M, Bergquist J, Nyholm L and Markides K E 2001 A simple and robust conductive
graphite coating for sheathless electrospray emitters used in capillary electrophoresis/mass spectrometry Rapid
Commun. Mass Spectr. 15 1997–2000
[17] Chang Y Z and Her G R 2000 Sheathless capillary electrophoresis/electospray mass spectrometry using a
carbon-coated tapered fused silica capillary with a beveled edge Anal. Chem. 72 626–30
[18] Liu J, Ro K W, Busman M and Knapp D R 2004 Electrospray ionization with a pointed carbon fiber emitter Anal. Chem. 76 3599–606
[19] Hirt C W 2004 Electro-hydrodynamics of semi–conductive fluids: with application to electro–spraying Flow Science
Technical Note 70 FSI–04–TN70 1–7
[20] Saville D A 1997 Electrohydrodynamcis: the Taylor–Melcher leaky dielectric model Annu. Rev. Fluid Mech. 29 27–64
[21] Hartman R P A, Brunner D J, Camelot D M A, Marijnissen J C M and Scarlett B 1999
Electrohydrodynamic atomization in the cone-jet mode physical modeling of the liquid cone and jet J. Aerosol Sci.
30 823–49
[22] Castellanos A 1998 Basic Concepts and Equations in Electrohydrodynamics Electrohydrodynamics
ed A Castellanos (Berlin: Springer)
[23] Melcher J R 1981 Continuum Electromechanics (Cambridge, MA: MIT Press)
[24] Hirt C W and Nichols B D 1981 Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries J. Comp. Phys.
39 201–25
[25] De la Mora F J and Loscertales I G 1994 The current emitted by highly conducting Taylor cones J. Fluid Mech. 260
155–84
[26] Ganan-Calvo A M 1997 Cone–jet analytical extension of Taylor’s electrostatic solution and the asymptotic universal
scaling laws in electrospraying Phys. Rev. Lett. 79 217–20
[27] Higuera F J 2004 Current/flow–rate characteristic of an electrospray with a small meniscus J. Fluid Mech.
513 239–46
[28] Zeng J, Sobek D and Korsmeyer T Electro-hydrodynamic modeling of electrospray ionization: cad for a microfluidic
device-mass spectrometer interface Transducers ’03: 12th Int. Conf. on Solid State Sensors, Actuators and
Microsystems 2 1275–8
[29] Ganan–Calvo A M, Davila J and Barrero A 1997 Current and droplet size in the electrospraying of liquids. Scaling laws J. Aerosol Sci. 28 249–75
[30] Cloupeau M and Prunet-Foch B 1989 Electrostatic spraying of liquids in cone–jet mode J. Electrost. 22 135–59

Fig. 7. Simulation results of temperature distribution between Ni stamps and PBO-SAM/PMMA substrate in NIL process: (A) stamp cross-sectional, (B) PMMA substrate cross-sectional, (C) 3-dimensional and (D) intrinsic 3-dimensional views, respectively. The study of computed condition in nanoimprint process is at 150 o C and 50 bar during 10 min. Note that for NIL experimental parameters, the simulated results have already decided before doing nanoimprint experiment.

A non-fluorine mold release agent for Ni stamp in nanoimprint process

Tien-Li Chang a,*, Jung-Chang Wang b
, Chun-Chi Chen c
, Ya-Wei Lee d
, Ta-Hsin Chou a
a Mechanical and Systems Research Laboratories, Industrial Technology Research Institute, Rm. 125, Building 22, 195 Section 4, Chung Hsing Road, Chutung, Hsinchu 310, Taiwan, ROC bDepartment of Manufacturing Research and Development, ADDA Corporation, Taiwan
cNational Nano Device Laboratories, Taiwan
d Research and Development Division, Ordnance Readiness Development Center, Taiwan

Abstract

이 연구는 나노 임프린트 공정에서 Ni 몰드 스탬프와 PMMA (폴리 메틸 메타 크릴 레이트) 기판 사이의 접착 방지 층으로서 새로운 재료를 제시합니다. 폴리 벤족 사진 ((6,6′-bis (2,3-dihydro3-methyl-4H-1,3-benzoxazinyl))) 분자 자기 조립 단층 (PBO-SAM)은 점착 방지 코팅제로 간주되어 불소 함유 화합물은 Ni / PMMA 기판의 나노 임프린트 공정을 개선 할 수 있습니다. 이 작업에서 나노 구조 기반 Ni 스탬프와 각인 된 PMMA 몰드는 각각 전자빔 석판화 (EBL)와 수제 나노 임프린트 장비에 의해 수행됩니다. 제작 된 나노 패턴의 형성을 제어하기 위해 시뮬레이션은 HEL (hot embossing lithography) 공정 동안 PBO-SAM / PMMA 기판의 변형에 대한 온도 분포의 영향을 분석 할 수 있습니다. 여기서 기둥 패턴의 직경은 Ni 스탬프 표면에 200nm 및 400nm 피치입니다. 이 적합성 조건에서 소수성 PBO-SAM 표면을 기반으로하여 Ni 몰드 스탬프의 결과는 품질 및 수량 제어에서 90 % 이상의 개선을 추론합니다.

Introduction

나노 임프린트 리소그래피 (NIL)는 초 미세 패터닝 기판 기술을 대량 생산할 수있는 가장 큰 잠재력입니다 [1,2]. 최근에는 광전자 장치 [3], 양자 컴퓨팅 장치 [4], 바이오 센서 [5] 및 전자 장치 [6]에 요구 될 수있는 NEMS / MEMS 기술의 빠른 개발이 이루어지고 있습니다.

따라서 기존의 포토 리소 그래프는 할당에 적합한 방법이 아닐 수 있습니다 [7]. X 선, 이온빔, 전자빔 리소그래피의 경우 LCD의 도광판 초박막 판과 같은 대 면적 패턴 제작에 적합하지 않습니다. 제어하기 어렵습니다. 일부 제작된 문제를 기반으로 NIL 프로세스는 재료, 패턴 크기, 구조 및 기판 지형면에서 유연성을 제공합니다 [8].

오늘날 NIL 제조 방법은 낮은 비용과 높은 처리량의 높은 패터닝 해상도의 조합으로 학제 간 나노 스케일 연구 및 상용 제품의 새로운 문을 열 수 있는 큰 관심을 받고 있습니다. 그러나 이 나노 임프린트 기술이 산업 규모 공정을 위해 충분히 성숙하기 전에 몇 가지 응용 문제를 해결해야 합니다.

각인된 몰드 공정은 종종 고온 (폴리머의 유리 전이 온도에 대해> 100oC)과 고압 (> 100bar)에서 수행되기 때문에 분명히 바람직하지 않습니다. 가열 및 냉각 공정의 열주기는 금형 및 각인 된 기판의 왜곡을 유발할 수 있습니다. 한 가지 특별한 문제는 스탬프와 폴리머 사이의 접착 방지 층 처리를 제어하여 기계적 결함이 임프린트 품질과 스탬프 수명에 영향을 미칠 수있는 중요한 패턴 결함이되는 것을 방지하는 것입니다.

Schift et al. 플루오르화 트리클로로 실란을 마이크로 미터 체제에서 실리콘에 대한 접착 방지 코팅으로 사용하는 것으로 입증되었습니다 [9]. 또한 Park et al. Ni 몰드 스탬프에 더 나은 접착 방지 코팅 공정을 달성하기 위해 불소화 실란제를 사용했습니다 [10].

그러나 지금까지 Ni 스탬프에 대한 접착 방지 코팅 처리의 NIL 공정에서 비 불소 물질에 대한 시도는 거의 이루어지지 않았습니다. 우리의 생활 환경은 그것을 유지하기 위해 불소가 아닌 물질이 필요합니다. 또한 Ni 계 소재의 부드러운 특성을 바탕으로 가장 중요한 롤러 나노 임프린트 기술을 개발할 수 있습니다.

본 연구의 목적은 Ni 스탬프와 PMMA 기판 사이의 점착 방지 코팅제로 PBO-SAM을 개발하여 나노 제조 기술, 즉 NIL을 향상시키는 것입니다.

Experiment

먼저 4,4′- 이소 프로필 리 덴디 페놀 (비스페놀 -A, BA-m), 포름 알데히드 및 ​​메틸 아민을 반응시켜 폴리 벤족 사진을 제조 하였다. 미국 Aldrich Chemical company, Inc.에서 구입 한 모든 화학 물질. 합성 과정에서 포름 알데히드/디 옥산 및 메틸 아민 / 디 옥산 물질을 10 o C에서 항아리에서 10분 동안 측정하는 벤족 사진 단량체가 필요했습니다.

디 에틸 에테르를 기화시킨 후, 벤족 사진 전구체가 완성되었다. benzoxazine 전구체를 140 o C에서 1 시간 동안 가열하면 BA-m 폴리 벤족 사진을 얻을 수 있습니다. 다음으로 4 인치입니다.

이 연구에서는 p 형 Si (10 0) 웨이퍼를 사용할 수 있습니다. SiO2 기반 Ni (원자량 5.87g / mole) 기판의 제조를 위해 Ti (5nm) 및 SiO2 (20nm)를 순차적으로 증착 한 후 O2- 플라즈마 처리를 수행했습니다. Ni 기판과 SiO2 층 사이의 접착력을 높이기 위해 Ti 중간층이 사용되었습니다. 아세톤, 이소프로판올 및 탈 이온수를 사용하여 세척 한 후 샘플을 포토 레지스트 (ZEP520A-7, Nippon Zeon Co., Ltd.)로 스핀 코팅했습니다.

Fig. 1. Schematic diagram of nanostructures using NIL process: (A) EBL equipment for fabricated mold stamp. (B) HEL equipment for nanoimprint pattern with computer controlled electronics. (C) A nickel-based pillar mold can imprint into a PBO-SAM polymer resist layer; afterward, the mold removal and pattern transfer are based on anisotropic etching to remove reside.
Fig. 1. Schematic diagram of nanostructures using NIL process: (A) EBL equipment for fabricated mold stamp. (B) HEL equipment for nanoimprint pattern with computer controlled electronics. (C) A nickel-based pillar mold can imprint into a PBO-SAM polymer resist layer; afterward, the mold removal and pattern transfer are based on anisotropic etching to remove reside.

마스터 몰드는 그림 1 (A)에서 Ni 필름의 반응성 이온 에칭 (RIE)과 함께 Crestec CABL8210 전자 빔 직접 쓰기 도구 (30 keV, 100 pA)를 사용하여 제작되었습니다. 그런 다음 시뮬레이션된 결과는 NIL 프로세스에서 엠보싱 압력으로 기계적 고장의 효과를 제공할 수 있으며, 이는 우리가 원하는 나노 패턴 설계 및 연구에 도움이 될 수 있습니다.

PBOSAM / PMMA 기판 모델의 변형은 3 차원 접근법에 기반한 유한 체적 방법 (FVM)을 통해 예측할 수 있습니다. Navier-Stokes 방정식 [11]에서 압력과 속도 사이의 결합은 SIMPLE 알고리즘을 사용하여 이루어집니다. 2 차 상향 이산화 방식은 대류 플럭스 및 운동량의 확산 플럭스, 유체의 질량 분율에 대한 중심 차이 방식에 대해 구현됩니다. 완화 부족 요인의 일반적인 값은 0.5입니다.

수렴 기준이 1105로 설정된 연속성을 제외한 모든 변수에 대해 잔차가 1103 미만인 경우 솔루션이 수렴된 것으로 간주됩니다. 여기서 각인된 나노 패턴은 그림 1 (B)와 같이 수제 장비에서 수행한 HEL 공정을 통해 사용할 수 있습니다. PBO-SAM 코팅 방법으로 HEL 절차를 활용 한 나노 패턴의 제작은 그림 1 (C)에 개략적으로 표시되었습니다.

200nm의 얇은 PMMA 필름 (분자량 15kg / mole)을 SiO2 기판에 스핀 코팅 한 후 160oC에서 30 분 동안 핫 플레이트에서 베이킹했습니다. 또한 PBO-SAM 코팅은 접착 방지제입니다. CVD 공정에 의해 증착되었습니다. 마스터는 150oC 및 50bar에서 10 분 동안 PBO-SAM / PMMA 기판 필름에 엠보싱하여 복제되었습니다.

마지막으로, 엠보싱 된 나노 구조물의 바닥에 남아 있던 PBO-SAM / PMMA 층은 RIE 처리로 제거되었습니다. 각 임프린트 후 스탬프 및 기판의 품질이 제작 된 후 현미경을 사용하여 관찰하고 물 접촉각 (CA) 측정을 사용하여 습윤 및 접착 특성을 알아낼 수 있습니다.

Fig. 2. FTIR absorption spectrum of polybenzoxazines indicates the vibrational modes of molecular bonds.
Fig. 2. FTIR absorption spectrum of polybenzoxazines indicates the vibrational modes of molecular bonds.
Fig. 3. FE-SEM micrograph of Ni stamps before imprinted PMMA substrate. The pillar diameter is 200 nm, and its period is 400 nm.
Fig. 3. FE-SEM micrograph of Ni stamps before imprinted PMMA substrate. The pillar diameter is 200 nm, and its period is 400 nm.
Fig. 5. Contact angles of water drops on (A) a PMMA polymer film surface, and (B) a smooth PBO-SAM coating film surfaceFig. 6. Simulation of Ni stamps and PBO-SAM/PMMA substrate in NIL process: (A) A nanoimprint system geometry, and (B) its grid plot.
Fig. 5. Contact angles of water drops on (A) a PMMA polymer film surface, and (B) a smooth PBO-SAM coating film surfaceFig. 6. Simulation of Ni stamps and PBO-SAM/PMMA substrate in NIL process: (A) A nanoimprint system geometry, and (B) its grid plot.
Fig. 7. Simulation results of temperature distribution between Ni stamps and PBO-SAM/PMMA substrate in NIL process: (A) stamp cross-sectional, (B) PMMA substrate cross-sectional, (C) 3-dimensional and (D) intrinsic 3-dimensional views, respectively. The study of computed condition in nanoimprint process is at 150 o C and 50 bar during 10 min. Note that for NIL experimental parameters, the simulated results have already decided before doing nanoimprint experiment.
Fig. 7. Simulation results of temperature distribution between Ni stamps and PBO-SAM/PMMA substrate in NIL process: (A) stamp cross-sectional, (B) PMMA substrate cross-sectional, (C) 3-dimensional and (D) intrinsic 3-dimensional views, respectively. The study of computed condition in nanoimprint process is at 150 o C and 50 bar during 10 min. Note that for NIL experimental parameters, the simulated results have already decided before doing nanoimprint experiment.

References

[1] M.D. Austin, H.X. Ge, W. Wu, M.T. Li, Z.N. Yu, D. Wasserman, S.A. Lyon, S.Y. Chou, Nature 417 (2002) 835.
[2] S.Y. Chou, C. Keimel, J. Gu, Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 5299.
[3] Q. Wang, G. Farrell, P. Wang, G. Rajan, T. Thomas, Sensor Actuator A 134 (2007) 405.
[4] C. Kentsch, W. Henschel, D. Wharam, D.P. Kern, Microelectron. Eng. 83 (2006) 1753.
[5] T.L. Chang, Y.W. Lee, C.C. Chen, F.H. Ko, Microelectron. Eng. 84 (2007) 1689.
[6] S. Tisa, F. Zappa, A. Tosi, S. Cova, Sensor Actuator A 140 (2007) 113.
[7] M. Agirregabiria, F.J. Blanco, J. Berganzo, M.T. Arroyo, A. Fullaondo, K. Mayora, J.M. Ruano-López, Lab Chip 5 (2005) 5545.
[8] W. Hu, E.K.F. Yim, R.M. Reano, K.W. Leong, S.W. Pang, J. Vac. Sci. Technol. B 84 (2005) 2984.
[9] H. Schift, L.J. Heyderman, C. Padeste, J. Gobrecht, Microelectron. Eng. 423 (2002) 61.
[10] S. Park, H. Schift, C. Padeste, B. Schnyder, R. Kötz, J. Gobrecht, Microelectron. Eng. 73–74 (2004) 196.
[11] A. Yokoo, M. Nakao, H. Yoshikawa, H. Masuda, T. Tamamura, Jpn. J. Appl. Phys. 38 (1999) 7268.

Figure 2. Simulation of droplet separation by EWOD

Non-Linear Electrohydrodynamics in Microfluidic Devices

미세 유체 장치의 비선형 전기 유체 역학

by Jun ZengHewlett-Packard Laboratories, Hewlett-Packard Company, 1501 Page Mill Road, Palo Alto, CA 94304, USAInt. J. Mol. Sci.201112(3), 1633-1649; https://doi.org/10.3390/ijms12031633Received: 24 January 2011 / Revised: 10 February 2011 / Accepted: 24 February 2011 / Published: 3 March 2011

Abstract

Since the inception of microfluidics, the electric force has been exploited as one of the leading mechanisms for driving and controlling the movement of the operating fluid and the charged suspensions. Electric force has an intrinsic advantage in miniaturized devices. Because the electrodes are placed over a small distance, from sub-millimeter to a few microns, a very high electric field is easy to obtain. The electric force can be highly localized as its strength rapidly decays away from the peak. This makes the electric force an ideal candidate for precise spatial control. The geometry and placement of the electrodes can be used to design electric fields of varying distributions, which can be readily realized by Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) fabrication methods. In this paper, we examine several electrically driven liquid handling operations. The emphasis is given to non-linear electrohydrodynamic effects. We discuss the theoretical treatment and related numerical methods. Modeling and simulations are used to unveil the associated electrohydrodynamic phenomena. The modeling based investigation is interwoven with examples of microfluidic devices to illustrate the applications. 

Keywords: dielectrophoresiselectrohydrodynamicselectrowettinglab-on-a-chipmicrofluidicsmodelingnumerical simulationreflective display

요약

미세 유체학이 시작된 이래로 전기력은 작동 유체와 충전 된 서스펜션의 움직임을 제어하고 제어하는 ​​주요 메커니즘 중 하나로 활용되어 왔습니다. 전기력은 소형 장치에서 본질적인 이점이 있습니다. 전극이 밀리미터 미만에서 수 미크론까지 작은 거리에 배치되기 때문에 매우 높은 전기장을 쉽게 얻을 수 있습니다. 

전기력은 강도가 피크에서 멀어지면서 빠르게 감소하기 때문에 고도로 국부화 될 수 있습니다. 이것은 전기력을 정밀한 공간 제어를 위한 이상적인 후보로 만듭니다.

전극의 기하학적 구조와 배치는 다양한 분포의 전기장을 설계하는 데 사용될 수 있으며, 이는 MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) 제조 방법으로 쉽게 실현할 수 있습니다. 

이 논문에서 우리는 몇 가지 전기 구동 액체 처리 작업을 검토합니다. 비선형 전기 유체 역학적 효과에 중점을 둡니다. 이론적 처리 및 관련 수치 방법에 대해 논의합니다. 모델링과 시뮬레이션은 관련된 전기 유체 역학 현상을 밝히는 데 사용됩니다. 모델링 기반 조사는 응용 분야를 설명하기 위해 미세 유체 장치의 예와 결합됩니다. 

키워드 : 유전 영동 ; 전기 유체 역학 ; 전기 습윤 ; 랩 온어 칩 ; 미세 유체 ; 모델링 ; 수치 시뮬레이션 ; 반사 디스플레이

Droplet processing array Droplet based BioFlip
igure 1. Example of droplet-based digital microfluidics architecture. Above is an elevation view showing the layered structure of the chip. Below is a diagram illustrating the system (Adapted from [4]).
Figure 2. Simulation of droplet separation by EWOD
Figure 2. Simulation of droplet separation by EWOD. The top two figures illustrate the device configuration. Electric voltages are applied to all four electrodes embedded in the insulating material. The bottom left figure shows transient simulation solution. It illustrates the process of separating one droplet into two via EWOD. The bottom right figure shows the electric potential distribution inside the device. The color indicates the electric potential; the iso-potential surfaces are also drawn. The image shows the electric field is absent within the droplet body indicating the droplet is either conductive or highly polarizable.
Figure 4. Transient sequence of the Taylor cone formation
Figure 4. Transient sequence of the Taylor cone formation: simulation and experiment comparison. Experimental images are shown in the top row. Simulation results are shown in the bottom row. Their correspondence is indicated by the vertical alignment (Adapted from [4]).
Figure 6. Simulation of charge screening effect using a parallel-plate cell
Figure 6. Simulation of charge screening effect using a parallel-plate cell. Top-left image shows the electric current as function of time and driving voltage, top-right image shows the evolution of the species concentration as function of time and space, the bottom image shows the electric current readout after switching the applied voltage.
Figure 7. Transient simulation of electrohydrodynamic instability and the development of the cellular convective flow pattern.
Figure 7. Transient simulation of electrohydrodynamic instability and the development of the cellular convective flow pattern.
Figure 3. Simulation of dielectrophoresis driven axon migration
Figure 3. Simulation of dielectrophoresis driven axon migration. The set of small images on the left shows a transient simulation of single axon migration under an electric field generated by a pin electrode. The image on the right is a snapshot of a simulation where two axons are fused by dielectrophoresis using a pin electrode. Axons are outlined in white. Also shown are the iso-potential curves.

References

  1. Muller, RS. MEMS: Quo vadis in century XXI. Microelectron. Eng 200053(1–4), 47–54. [Google Scholar]
  2. Reyes, DR; Iossifidis, D; Auroux, PA; Manz, A. Micro total analysis systems. 1. Introduction, theory, and technology. Anal.Chem 200274, 2623–2636. [Google Scholar]
  3. Levy, U; Shamai, R. Tunable optofluidic devices. Microfluid. Nanofluid 20084, 97–105. [Google Scholar]
  4. Zeng, J; Korsmeyer, FT. Principles of droplet electrohydrodynamics for lab-on-a-chip. Lab Chip 20044, 265–277. [Google Scholar]
  5. Fair, RB. Digital microfluidics: Is a true lab-on-a-chip possible? Microfluid. Nanofluid 20073, 245–281. [Google Scholar]
  6. Pollack, MG; Fair, RB; Shenderov, AD. Electrowetting-based actuation of liquid droplets for microfluidic applications. Appl. Phys. Lett 200077(11), 1725–1726. [Google Scholar]
  7. Peykov, V; Quinn, A; Ralston, J. Electrowetting: A model for contact-angle saturation. Colloid Polym. Sci 2000278, 789–793. [Google Scholar]
  8. Verheijen, HJJ; Prins, MWJ. Reversible electrowetting and trapping of charge: Model and experiments. Langmuir 199915, 6616–6620. [Google Scholar]
  9. Mugele, F; Baret, J. Electrowetting: From basics to applications. J. Phys. Condens. Matter 200517, R705–R774. [Google Scholar]
  10. Quilliet, C; Berge, B. Electrowetting: A recent outbreak. Curr. Opin. Colloid Interface Sci 20016, 34–39. [Google Scholar]
  11. Probstein, RF. Physicochemical Hydrodynamics; Wiley: New York, NY, USA, 1994. [Google Scholar]
  12. Koo, J; Kleinstreuer, C. Liquid flow in microchannels: Experimental observations and computational analyses of microfluidics effects. J. Micromech. Microeng 200313, 568–579. [Google Scholar]
  13. Hu, G; Li, D. Multiscale phenomena in microfluidics and nanofluidics. Chem. Eng. Sci 200762, 3443–3454. [Google Scholar]
  14. Haus, HA; Melcher, JR. Electromagnetic Fields and Energy; Prentice-Hall: Englewood Cliffs, NJ, USA, 1989. [Google Scholar]
  15. Leal, LG. Laminar Flow and Convective Transport Processes: Scaling Principles and Asymptotic Analysis; Butterworth-Heinemann: Oxford, UK, 1992. [Google Scholar]
  16. Collins, RT; Harris, MT; Basaran, OA. Breakup of electrified jets. J. Fluid Mech 2007588, 75–129. [Google Scholar]
  17. Sista, R; Hua, Z; Thwar, P; Sudarsan, A; Srinivasan, V; Eckhardt, A; Pollack, M; Pamula, V. Development of a digital microfluidic platform for point of care testing. Lab Chip 20088, 2091–2104. [Google Scholar]
  18. Zeng, J. Modeling and simulation of electrified droplets and its application to computer-aided design of digital microfluidics. IEEE Trans. Comput. Aid. Des. Integr. Circ. Syst 200625(2), 224–233. [Google Scholar]
  19. Walker, SW; Bonito, A; Nochetto, RH. Mixed finite element method for electrowetting on dielectric with contact line pinning. Interface. Free Bound 201012, 85–119. [Google Scholar]
  20. Eck, C; Fontelos, M; Grün, G; Klingbeil, F; Vantzos, O. On a phase-field model for electrowetting. Interface. Free Bound 200911, 259–290. [Google Scholar]
  21. Gascoyne, PRC; Vykoukal, JV. Dielectrophoresis-based sample handling in general-purpose programmable diagnostic instruments. Proc. IEEE 200492(1), 22–42. [Google Scholar]
  22. Jones, TB; Gunji, M; Washizu, M. Dielectrophoretic liquid actuation and nanodroplet formation. J. Appl. Phys 200189(3), 1441–1448. [Google Scholar]
  23. Sretavan, D; Chang, W; Keller, C; Kliot, M. Microscale surgery on single axons. Neurosurgery 200557(4), 635–646. [Google Scholar]
  24. Pohl, HA; Crane, JS. Dielectrophoresis of cells. Biophys. J 197111, 711–727. [Google Scholar]
  25. Melcher, JR; Taylor, GI. Electrohydrodynamics: A review of the role of interfacial shear stresses. Annu. Rev. Fluid Mech 19691, 111–146. [Google Scholar]
  26. Saville, DA. Electrohydrodynamics: The taylor-melcher leaky-dielectric model. Annu. Rev. Fluid Mech 199729, 27–64. [Google Scholar]
  27. Schultz, GA; Corso, TN; Prosser, SJ; Zhang, S. A fully integrated monolithic microchip electrospray device for mass spectrometry. Anal. Chem 200072(17), 4058–4063. [Google Scholar]
  28. Killeen, K; Yin, H; Udiavar, S; Brennen, R; Juanitas, M; Poon, E; Sobek, D; van de Goor, T. Chip-MS: A polymeric microfluidic device with integrated mass-spectrometer interface. Micro Total Anal. Syst 2001, 331–332. [Google Scholar]
  29. Dukhin, SS. Electrokinetic phenomena of the second kind and their applications. Adv. Colloid Interface Sci 199135, 173–196. [Google Scholar]
  30. Wang, Y-C; Stevens, AL; Han, J. Million-fold preconcentration of proteins and peptides by nanofluidic filter. Anal. Chem 200577(14), 4293–4299. [Google Scholar]
  31. Kim, SJ; Wang, Y-C; Han, J. Nonlinear electrokinetic flow pattern near nanofluidic channel. Micro Total Anal. Syst 20061, 522–524. [Google Scholar]
  32. Comiskey, B; Albert, JD; Yoshizawa, H; Jacobson, J. An electrophoretic ink for all-printed reflective electronic displays. Nature 1998394(6690), 253–255. [Google Scholar]
  33. Beunis, F; Strubbe, F; Neyts, K; Bert, T; De Smet, H; Verschueren, A; Schlangen, L. P-39: Electric field compensation in electrophoretic ink display. In Proceedings of the Twenty-fifth International Display Research Conference—Eurodisplay 2005; Edinburgh, UK, 19–22 2005; pp. 344–345. [Google Scholar]
  34. Strubbe, F; Verschueren, ARM; Schlangen, LJM; Beunis, F; Neyts, K. Generation current of charged micelles in nonaqueous liquids: Measurements and simulations. J. Colloid Interface Sci 2006300, 396–403. [Google Scholar]
  35. Hsu, MF; Dufresne, ER; Weitz, DA. Charge stabilization in nonpolar solvents. Langmuir 200521, 4881–4887. [Google Scholar]
  36. Hayes, RA; Feenstra, BJ. Video-speed electronic paper based on electrowetting. Nature 2003425, 383–385. [Google Scholar]
  37. Chakrabarty, K; Su, F. Digital Microfluidic Biochips: Synthesis, Testing, and Reconfiguration Techniques; CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 2006. [Google Scholar]
  38. Chakrabarty, K; Fair, RB; Zeng, J. Design tools for digital microfluidic biochips: Towards functional diversification and more than Moore. IEEE Trans.CAD Integr. Circ. Syst 201029(7), 1001–1017. [Google Scholar]
그림 2 : FLOW-3D를 사용한 흐름 및 형태 시뮬레이션. 파스칼 단위의 압력 및 mm 단위의 거리.

Microscopic Bubbles Switch Fiber-Optic Circuits

Figure 1: The Agilent Photonic Switching Platform
Figure 1: The Agilent Photonic Switching Platform

컴퓨터 시뮬레이션은 광섬유 회로에서 광 신호를 전환하는데 사용되는 혁신적인 스위치에서 미세 기포 문제를 이해하고 해결하는 데 중요한 역할을 했습니다. Agilent Photonic Switching Platform은 평면 광파 회로에서 잘린 작은 트렌치의 올바른 지점에 거품을 불어서 작동합니다. 버블은 광섬유 네트워크를 재구성하기 위해 광선을 다른 경로로 리디렉션 합니다. 초기 프로토타입은 기포 반사로 인해 무언가 불안정하다는 것을 나타내는 성능 문제를 보여주었습니다. 그러나 거품의 크기가 작기 때문에 문제를 진단하고 해결하는데 필요한 포괄적인 물리적 측정을 수행할 수 없었습니다.

애질런트의 선임 과학자인 John Uebbing은 전산 유체 역학 (CFD) 소프트웨어를 사용하여 거품을 시뮬레이션했습니다. 기포는 실리콘 기판에 위치한 전기 히터에 의해 유도된 증발에 의해 유지됩니다. 애질런트 팀은 트렌치 벽의 응결로 인해 유체가 축적된다는 사실을 발견했습니다. 스위치 동작의 대부분을 결정하는 것은 이러한 축적입니다. 추가 시뮬레이션을 통해 연구원들은 안정적인 신호를 제공하기 위해 장치를 변경하는 두 가지 다른 방법을 검증 할 수 있었습니다.  “처음에 우리 팀원 중 일부는 이러한 결과를 믿지 않았지만 계속된 물리적 테스트를 통해 사실이 입증되었습니다.”라고 Uebbing은 말했습니다. “CFD가 없었다면 이 문제의 해결책에 도달하지 못했을 것입니다.”

신기술 개발

광섬유 케이블은 데이터 통신 처리량을 크게 증가 시켰으며, 광 신호 전환을 위한 전기 신호로 전환한 다음 다시 광 신호로 전환하지 않고도 대량의 광섬유 데이터를 전환 할 수 있기를 원했습니다. 1990 년대 중반 Agilent Laboratories (Hewlett-Packard Labs 소속)는 전광 회로 스위치의 중요성을 인식하고 이러한 기술을 개발하기 위한 연구 프로그램을 시작했습니다. 현재 Agilent Labs의 CORL (Communications and Optical Research Laboratory) 내에 엔지니어와 과학자 팀이 구성되어 컴팩트하고 확장 가능하며 광 신호에 최소한의 영향을 미치는 이 고유한 스위치 패브릭을 개발했습니다.

 시뮬레이션은 딤플의 원인을 정확히 파악하는데 도움이 되었으며 여러 대안 솔루션을 식별하고 평가하는 데 도움이되었습니다. 버블 스위치 엔지니어링의 이러한 발전은 FLOW-3D  소프트웨어 에서 사용할 수 있는 고급 모델링 기능 없이는 불가능했을 것  입니다. 우리에게 중요한 것은 프로젝트 시작부터 Flow Science 팀이 입증한 지식과 무결성이었습니다. 우리가 이야기 한 다른 소프트웨어 회사에는 관련된 문제에 대한 표면적 이해만 있는 영업 담당자가 있었지만 Flow Science는 전문 지식을 갖춘 기술 직원을 고용하여 우리가 달성하고자 하는 것을 정확히 이해했습니다. 프로세스의 여러 단계에서 중요한 장애물을 극복 할 수 있는 중요한 도움을 제공했습니다.
– John Uebbing, 애질런트 선임 과학자

작동을 위해 Agilent Photonic Switching Platform은 두 개의 광섬유 네트워크의 교차점에 배치됩니다 (그림 1). 광 신호가 광섬유를 통해 들어 오면 직선 도파관을 통해 방해받지 않고 평면 광파 회로를 통과 할 수 있습니다. 그러나 신호가 다른 광섬유로 리디렉션되어야하는 경우 잉크젯 기술은 두 도파관 경로의 교차점에 거품을 삽입하여 광학 특성을 변경하고 신호를 출력 광섬유로의 경로 아래로 반사합니다. 기포는 거울이나 기계적으로 움직이는 부품을 사용하지 않고도 5 밀리 초 이내에 형성 및 제거 할 수 있습니다. 이 스위치는 교차된 광 도파관 배열과 인덱스 매칭되는 유체에 거품을 불어서 작동합니다. 기포는 소자 기판의 전기 히터에 의해 유도 된 증발에 의해 형성됩니다. 유체는 도파관의 교차점에 위치한 일련의 마이크로 트렌치를 채웁니다. 기포 벽으로부터의 내부 전반사로 인해 빛이 한 도파관에서 다른 도파관으로 전환됩니다. 문제는 광 도파관의 수용 각 또는 개구 수가 상당히 낮다는 것입니다. 기포의 수직 반사벽이 도파관의 축에 수직이 아니면 빛이 출력 도파관으로 제대로 반사되지 않고 신호 손실이 발생합니다.

프로토 타입의 딤플 충격 성능

초기 프로토 타입에서 광범위한 실험 테스트를 수행하여 히터 전력 및 주변 압력이 광학 반사 특성과 기포 모양 및 크기에 미치는 영향을 보여주었습니다. 이 테스트는 반사된 광 신호 대 히터 전력 곡선이 효과적인 광 스위칭에 필요한 엄격한 요구 사항을 충족하지 못하고 반사된 광 신호에 불안정성이 있음을 보여주었습니다.

그림 2 : FLOW-3D를 사용한 흐름 및 형태 시뮬레이션. 파스칼 단위의 압력 및 mm 단위의 거리.
그림 2 : FLOW-3D를 사용한 흐름 및 형태 시뮬레이션. 파스칼 단위의 압력 및 mm 단위의 거리.

컴퓨터 시뮬레이션에서 그림 2와 같이 버블의 각 면에 딤플이 형성되어 있음을 보여 주었을 때, 딤플이 전력 곡선의 혹의 원인이 되었고 반사된 신호가 그렇게 불안정한 이유 일 수 있다는 사실이 애질런트 연구팀에 나타났습니다. 센서로 물리적 측정을 수행하는 팀의 능력은 MEMS 장치의 규모까지 확장되지 않았습니다. 그들이 할 수 있는 최선은 특수 광학 장치를 사용하여 현미경 사진을 찍는 것입니다. 이 사진은 딤플이 파장 스케일에서 매우 얇기 때문에 딤플을 직접 보여줄 수 없습니다.

거품 시뮬레이션

처음에는 버블의 작동을 시뮬레이션하기 위한 여러 가지 대안이 고려되었습니다. 팀은 다양한 분석 모델을 사용하여 기포 형성을 조사했지만 이 모델은 현재 프로토 타입이 좋은 기포를 생성해야 한다고 예측했기 때문에 문제를 포착하기에는 너무 단순했습니다. 맞춤 소프트웨어를 작성하기 위해 대학 교수를 고용했지만 이 프로젝트를 완료하는 데 상당한 시간이 소요되었습니다. 그 동안 Uebbing은 문제의 복잡한 물리학을 처리 할 수 있는 상용 소프트웨어 패키지를 찾기 시작했습니다. “저는 여러 CFD 소프트웨어 개발자들과 이야기를 나눴지만 그들 중 누구도 광범위한 수정 없이 문제를 해결할 수 있는 버블 모델을 가지고 있지 않다고 판단했습니다.”라고 Uebbing은 말했습니다. “반면에 Flow Science는

Flow Science의 새로운 균질 기포 모델은 균일한 기포 압력과 온도를 가정합니다. 이것은 현실에 대한 좋은 근사치입니다. 주요 문제 중 하나는 액체, 증기 및 고체가 모두 결합되는 접점 라인의 모델링입니다. 동질 버블 모델은 이 시점에서 계산 셀의 힘과 플럭스의 균형을 맞춥니 다. Uebbing은 이전 버전의 소프트웨어를 사용하기 시작했지만 새 모델이 출시 되자마자 Uebbing은 문제를 해결해 보았습니다. “시뮬레이션 결과는 결국 실험을 설명하는 데 매우 중요한 dimple 을 보여주었습니다.”라고 Uebbing은 말했습니다. 흥미롭게도 시뮬레이션 결과 버블이 35kHz에서 진동하는 것으로 나타났습니다. 우리는 그것이 실제로 그 주파수에서 진동한다는 것을 보여주는 실험 데이터를 가져 왔지만 우리는 이유를 몰랐습니다.

현실과의 다소 예상치 못한 상관 관계는 팀에게 시뮬레이션 결과에 대한 확신을주었습니다. 시뮬레이션 결과는 문제 영역의 모든 지점에서 유속, 압력 및 온도를 보여줌으로써 테스트에서 측정 할 수 있었던 것 이상이었습니다. 이 결과로 우리는 무슨 일이 일어나고 있는지 파악할 수 있었습니다. dimple은 모세관 현상으로 인해 발생합니다. 응축액이 거품 벽에 쌓입니다. 트렌치 벽에 있는 액체의 얇은 막을 통해 빠져 나 가려고 합니다. 이러한 얇은 층을 통해 액체를 밀어 넣으려면 상당한 압력 차이가 필요합니다. 기포 벽 중앙의 높은 압력으로 인해 기포가 dimple을 형성합니다.”

문제 해결

딤플이 어떻게 형성되었는지 이해하면 안정적인 신호를 제공하기 위해 거품 모양을 수정하는 두 가지 방법이 제안되었습니다. 첫 번째는 트렌치의 유리 측벽 아래로 버블 히터를 확장하는 것입니다. 그런 다음 열이 마이크로 트렌치의 벽 위로 흘러 표면을 건조시킵니다. FLOW-3D를 사용한 시뮬레이션   은 건식 벽 거품이 매우 안정적인 스위치 신호를 제공함을 보여줍니다. 기본 물리학에 따르면 기포 온도가 벽 온도보다 낮 으면 벽이 건조해질 것입니다. 이러한 기대는 FLOW-3D  시뮬레이션 으로 확인되었습니다  .

FLOW-3D로 확인 된 두 번째 방법은 마이크로 트렌치에 소위 정적 버블을 만드는 것입니다. 장치 온도가 압력 설정 저장소 온도보다 약간 더 높으면 정적 거품이 존재합니다. 이 장치 온도는 기포를 트렌치의 모서리로 밀어 넣을 수있는 충분한 압력을 생성하지만 기포가 도파관 어레이와 히터 기판 사이의 틈을 통해 불어 나기에는 충분하지 않습니다. 이러한 정적 기포는 근처의 “crusher”기포를 사용하여 끌 수 있습니다. 이 기포는 일시적으로 충분한 과압을 생성하여 정적 기포가 붕괴되도록합니다. 분쇄기 거품 자체는 더 작은 트렌치에 있으므로 표면 장력이 작업을 완료 한 후 붕괴 될 수 있습니다. FLOW-3D 시뮬레이션은 이 모드에서 스위치 작동을 보여주기 위해 사용되었습니다.

FLOW-3D를 사용 하여 미세 유체 애플리케이션 모델링  의 성능과 다양성에 대해 자세히 알아보십시오. 

Cavitation | 캐비테이션

캐비테이션이란 무엇입니까?

The spillways of the Glen Canyon dam in 1983 (Lee and Hoopes, 1996).

캐비테이션은 유체 흐름의 매우 낮은 압력 또는 포화 압력을 높이는 온도 상승으로 인해 유체 내에서 증기 또는 기포가 빠르게 발생하는 것입니다. 기포의 갑작스런 출현 (및 후속 붕괴)은 비압축성 유체 내에서 압력의 급격한 변화를 일으켜 심각한 기계적 손상을 일으킬 수 있습니다. 캐비테이션에 의해 유도 된 힘은 1983 년 Glen Canyon 댐의 배수로에서 경험 한 손상에서 볼 수 있듯이 며칠 내에 수 피트의 암석을 침식 할 가능성이 있습니다 (Lee and Hoopes, 1996).

또한 고압 다이 캐스팅에서 캐비테이션이 발생할 수 있습니다. 다이의 수축 및 곡선을 통한 용융 합금의 빠른 이동은 급속한 압력 강하를 초래하고 후속 캐비테이션으로 이어질 수 있습니다. 생성된 증기 기포는 최종 주조에서 다공성을 유발하거나 더 나쁜 경우 다이에 손상을 일으켜 주조품을 훼손시키고 다이 수명을 감소시킬 수 있습니다.

캐비테이션은 터빈과 파이프에 손상을 줄 수 있고, 댐의 배수로에서 콘크리트를 침식하는 등의 원인이 될 수 있습니다. 아래 이미지는 댐의 배수로 바닥 근처의 콘크리트 침식을 보여줍니다. 댐에 사용되는 콘크리트는 일반적으로 강도가 높지만 캐비테이션은 여전히 그것을 부식시킬 수 있습니다.

Eroded concrete due to cavitation on the spillway of a dam

캐비테이션은 때때로 오염 물질과 유기 분자를 분해하고, 소수성 화학 물질을 결합하고, 캐비테이션 기포의 파열로 인해 생성 된 충격파를 통해 신장 결석을 파괴하고, 혼합을위한 난류를 증가시켜 수질 정화와 같은 특정 산업 응용 분야에서 의도적으로 유도됩니다.

따라서 캐비테이션이 발생할 가능성이있는 위치와 그 강도를 이해하는 것이 중요합니다. 캐비테이션을 실험을 수행하거나 실험 결과의 현상을 시각화하는 것이 어렵고, 잠재적으로 손상 될 수 있으므로 수치해석 시뮬레이션으로 검토하는 것이 매우 필요하고, 유용합니다.

Real-World Applications | 실제 응용 분야

  • 물 및 환경 구조 내에서 손상을 주는 캐비테이션 시뮬레이션
  • 다이 손상 및 주조 다공성을 유발할 수 있는 고압 다이 캐스팅 중 캐비테이션 시뮬레이션
  • MEMS 장치 내의 열 거품 형성 시뮬레이션
  • 열 전달 표면의 비등 거동 예측
  • 캐비테이션 역학으로 인한 혼합 예측

Modeling Cavitation in FLOW-3D

FLOW-3D의 캐비테이션 모델은 thermal bubble jets 와 MEMS devices를 시뮬레이션하는데 성공적으로 사용되었습니다. FLOW-3D는 “active”또는 “passive” 모델 옵션을 제공합니다. Active 모델은 기포 영역을 열고 수동 모델은 흐름을 통해 캐비테이션 기포의 존재를 추적하고 전파하지만, 기포 영역의 형성을 시작하지는 않습니다.

Active모델은 더 큰 캐비테이션 영역이 예상되고 유동장에 영향을 미치는 경우에 가장 적합하며, Passive모델은 작은 기포의 간단한 모양이 예상되는 시뮬레이션에 가장 적합합니다. 활성 모델과 에너지 전송 계산을 통해 위상 변화도 옵션입니다. 기포는 계면에서의 증발 또는 응축으로 인해 추가로 팽창하거나 수축 할 수 있습니다.

Sample Results

아래 시뮬레이션은 수축 노즐을 보여줍니다. 애니메이션은 매우 일시적인 진동 동작을 보여주는 캐비테이션 버블의 진화를 보여줍니다. 캐비테이션 부피 분율은 초기 연속 액체에서 캐비테이션의 시작을 시각화하기 위해 플롯됩니다.

아래 애니메이션은 진입 속도가 8m/s이고 수렴 기울기가 18 °이고 발산 기울기가 8 ° 인 벤츄리 내의 캐비테이션을 보여줍니다. 다시 말하지만, 캐비테이션의 과도 동작은 잘 모델링되어 있으며, 모델은 22ms의 실험 결과와 비교하여 17.4ms의 캐비테이션주기 기간을 예측합니다 (Stutz and Reboud 1997).

Cavitation in a venturi

물 탱크를 통해 이동하는 고속 발사체를 시뮬레이션하여 발사체 후류에서 생성 된 저압 영역의 공동 기둥을 보여줍니다. 발사체의 초기 속도는 600m / s입니다. 아래는 탱크의 움직임과 후행하는 캐비테이션 유체의 애니메이션입니다. 발사체가 감속함에 따라 캐비테이션 기둥의 반경이 좁아집니다.

@

High-speed bullet

References

Lee, W., Hoopes, J.A., 1996, Prediction of Cavitation Damage for Spillways, Journal of Hydraulic Engineering, 122(9): 481-488.

Plesset, M.S., Prosperetti, A., 1977, Bubble Dynamics and Cavitation, Annual Revue of Fluid Mech, 9: 145-185.

Rouse, H., 1946. Elementary Mechanics of Fluids, New York: Dover Publications, Inc.

Stutz, B., Reboud, J.L., 1997, Experiments on unsteady cavitation, Experiments in Fluids, 22: 191-198.

Micro/Biofluidics with FLOW-3D (미세/생명 유체공학)

미세/생명유체공학에 관한 모델링

  • In-Vitro Diagnostics(IVD) : 체외 진단
  • Drug Delivery : 약물 전달
  • Point of Care Devices : 현장 진료 장비
  • Microarrays : 마이크로어레이
  • Lab-on-a-chip : 랩온어칩
  • MEMS(MicroElectroMechanical Systems) : 미세전자기계시스템

미세/생명유체공학에 관한 개념

  • 대류/확산 효과
  • 표면 장력
  • 자유 표면 역학
  • 점도 효과
  • 관성 효과
  • 다공성 매체
  • 전기 역학
  • 미립자 역학
  • 반응 속도론

Fluid dynamics modelling for additive manufacturing

페이지 편집

Switch to draft
미리보기(새탭에서 열기)
업데이트

코드 편집 중
코드 에디터 나가기
제목 추가
Fluid dynamics modelling for additive manufacturing
텍스트 또는 HTML 입력

AM프로세스에 CFD를 사용해야하는 이유

  • AM의 용융 풀(Melt pool) 분해능(0.01 – 0.001mm 길이 스케일)에서 유체 흐름을 정확하게 표현
    – 파우더 페드 퍼짐(Powder bed spreading) : DEM(Discrete Element Method)을 통해 파우더 베드 압축 및 흡수 특성을 예측하는데 도움
    – 선택적 레이저 용해 : 결함 설계 공간 및 용융 풀(Melt pooe) 형상 매핑 및 예측
    – 빠른 응고(Solidification) : 구성 분리 및 위상 핵(Phase nucleation) 형성 및 예측

파우더 증착 및 레이저 용융(Powder deposition and laser melting)

  • 모델 입력 : 파우더 크기 분포, 합금 재료 특성 및 레이저 공정 매개 변수
  • 모델 출력 : 가열/냉각 프로파일, 결함 밀도, 조성 변화

연속 및 펄스 레이저 용융

  • Takeaway : 두 매개 변수 세트 모두 고밀도 재료를 생산하지만 열 이력(History)은 상당히 다름

모델 정확도 및 검증

NiTi, Ti64 및 316L에서 수행된 모델 검증

용융 풀(Melt pool) 형태 및 키홀링(Keyholing)

공정 공간에서 열분해에 대한 경향

패널 토글: All In One SEO Pack
메인 설정소셜 설정
Help
프로 버전으로 업그레이드 하기
스니펫 미리보기
Fluid dynamics modelling for additive manufacturing | FLOW-3D
/fluid-dynamics-modelling-for-additive-manufacturing/
타이틀
Fluid dynamics modelling for additive manufacturing

61
문자. 대부분의 검색 엔진은 60의 최대 타이틀 문자를 사용합니다.
설명

0
문자. 대부분의 검색 엔진은 160의 최대 설명 문자를 사용합니다.
키워드 (쉼표로 분리)
사용자 정의 대표(canonical) URL
NOINDEX이 페이지/게시물

NOFOLLOW 페이지/게시물

사이트 맵에서 제외

Sitemap Priority

오버라이드 안 함
Upgrade to Pro to unlock this feature.
Sitemap Frequency

오버라이드 안 함
페이지/포스트에 비활성화

패널 토글: EME Membership
Limit access to EME members of

Allow access after the membership has been active for this many days (drip content):
0

Access denied message
No templates defined yet!

The format of the text shown if access to the page is denied. If left empty, a default message will be shown.

패널 토글: Suggested tags
Choose a provider to get suggested tags (local, yahoo or tag the net).
패널 토글: Click tags
Display click tags
문서
블럭

Status & visibility
가시성
공개
공개
2020-04-01 9:17 오전
글쓴이

관리자
휴지통으로 이동

고유주소
URL 슬러그
fluid-dynamics-modelling-for-additive-manufacturing
URL의 마지막 부분 고유주소에 대해 읽기(새탭에서 열기)

페이지 보기

:443/fluid-dynamics-modelling-for-additive-manufacturing/(새탭에서 열기)

카테고리
TechnicalNote
Slide
Uncategorized
공지사항
물리모델 매뉴얼
이론 매뉴얼
새 카테고리 추가

Featured image

이미지 교체특성 이미지 제거

요약

토론

페이지 속성
패널 토글: Sidebars – Quick Select
우측 사이드바
3D 프린팅 / 적층제조 SidebarCFD-101 SidebarFLOW-3D Cast SidebarFLOW-3D SidebarFLOW-3D 기술자료 SidebarFLOW-3D 물리모델 적용사례 SidebarFLOW-3D 해석예제 SidebarFLOW-3D/MP SidebarFlowsight SidebarLaser Welding SidebarMEMS Sidebar공지사항교육안내 Sidebar구매 문의구매문의 Sidebar기술자료 Sidebar논문자료 Sidebar뉴스레터 Sidebar물리모델 매뉴얼 Sidebar바이오분야 Sidebar분야별적용사례 Sidebar수자원분야 Sidebar수처리분야 Sidebar에너지분야 Sidebar이론 매뉴얼 Sidebar자동차분야 Sidebar전용프로그램개발 Sidebar제품소개 Sidebar조선해양분야 Applications주조분야 Sidebar코팅분야 Sidebar항공분야 Sidebar해석용 컴퓨터 sidebar해석컨설팅/용역 SidebarType to Add New Sidebar
좌측 사이드바
Type to Add New Sidebar
헤더 사이드바
Type to Add New Sidebar

Note: Selected Sidebars are displayed on this 페이지 specifically.Display sidebars per 글쓴이, child page, page template etc. with the Sidebar Manager.

패널 토글: Tags (Simple Tags)
Separate tags with commas

패널 토글: Simple Tags – Settings
패널 토글: Hide Featured Image?
Yes No
패널 토글: 레이아웃 선택
기본 레이아웃
우측 사이드바
좌측 사이드바
사이드바 없는 전체 폭
사이드바 없는 콘텐츠 중앙
No Sidebar Content Stretched
공개하기 패널 열기

Cavitation(공동현상)

Cavitation(공동현상)

공동 현상은 유체 흐름의 압력이 매우 낮거나 온도 상승으로 인해 유체 내에서 증기 및 / 또는 가스 버블이 빠르게 진화하여 포화 압력을 높입니다. 기포의 갑작스런 출현 (및 후속 붕괴)은 비압축성 유체 내에서 압력의 급격한 변화를 일으켜 심각한 기계적 손상을 일으킬 수 있습니다. 캐비테이션에 의해 유발된 힘은 1983 년 글렌 캐년 댐의 유출로에서 발생한 손상으로 볼 수 있듯이 며칠 만에 수 피트의 암석을 침식 할 가능성이 있습니다 (Lee and Hoopes, 1996).

또한, 캐비테이션은 고압 다이 캐스팅에서 발생할 수 있습니다. 다이의 수축 및 곡선을 통한 용융 합금의 빠른 이동은 압력 강하를 빠르게하여 후속 캐비테이션을 유발할 수 있습니다. 생성 된 증기 기포는 최종 주조에서 다공성을 야기하거나, 더 악화되어, 다이를 손상시켜 주조를 오염시키고 다이 수명을 감소시킬 수 있습니다. 이러한 이유로, 캐비테이션이 발생할 가능성이 있는 영역을 이해하는 것이 중요합니다. 물리적 실험을 통해 캐비테이션을 시작하고 시각화하는 것은 어렵고, 잠재적으로 피해를 주기 때문에 공정을 시뮬레이션하는 것이 바람직합니다.

실증 사례

  • 물 및 환경 구조 내에서 손상된 캐비테이션 시뮬레이션
  • 고압 다이캐스팅 중 캐비테이션을 시뮬레이션하여 다이 손상 및 캐스팅 다공성을 유발할 수 있습니다.
  • MEMS 장치 내에서 열 기포 형성 시뮬레이션
  • 열전달 표면의 비등 거동 예측
  • 캐비테이션 역학으로 인한 혼합 예측

Cavitation(공동현상) FLOW-3D모델링

FLOW-3D의 현재 캐비테이션 모델은 열 버블 제트(Thermal bubble jets) 및 MEMS 장치를 시뮬레이션하는 데 성공적으로 사용되었습니다. FLOW-3D는 “Active”또는 “Passive”모델 옵션을 제공합니다. 능동형(Active) 모델은 기포 영역을 열고 수동형 모델은 흐름을 통해 캐비테이션 기포의 존재를 추적하고 전진하지만 기포 영역의 형성은 시작하지 않습니다.

능동형(Active) 모델은 더 큰 캐비테이션 영역이 예상되고 유동장에 영향을 미치는 경우에 가장 적합한 반면, 수동형(Passive) 모델은 작은 기포의 짧은 모양이 예상되는 시뮬레이션에 가장 적합합니다. 에너지 전송의 능동 모델과 계산을 통해 위상 변화(Phase change)도 옵션입니다. 기포는 계면(Surface)에서의 증발 또는 응축으로 인해 추가로 팽창 또는 수축 될 수 있습니다.

해석 사례

아래의 결과는 8m/s의 진입 속도, 18°의 수렴 기울기 및 8°의 발산 기울기를 가진 벤투리(Venturi) 내의 캐비테이션을 보여줍니다. 캐비테이션의 과도 거동이 잘 모델링되었으며, 모델은 22ms의 실험 결과와 비교하여 17.4ms의 캐비테이션 사이클 주기(Cycle period)를 예측합니다 (Stutz and Reboud 1997).

물 탱크를 통과하는 고속 발사체를 시뮬레이트하여 발사체의 웨이크에서 발생하는 저압 영역에서 공동화 깃털(Cavitation jets)을 보여줍니다. 발사체의 초기 속도는 600m/s입니다. 아래는 탱크에서의 움직임과 후미 캐비테이션 유체의 해석 결과입니다. 캐비테이팅 플룸(Cavitating plume)의 반경은 발사체가 감속함에 따라 좁아집니다.

참고 문헌

  • Lee, W., Hoopes, J.A., 1996, Prediction of Cavitation Damage for Spillways, Journal of Hydraulic Engineering, 122(9): 481-488.
  • Plesset, M.S., Prosperetti, A., 1977, Bubble Dynamics and Cavitation, Annual Revue of Fluid Mech, 9: 145-185.
  • Rouse, H., 1946. Elementary Mechanics of Fluids, New York: Dover Publications, Inc.
  • Stutz, B., Reboud, J.L., 1997, Experiments on unsteady cavitation, Experiments in Fluids, 22: 191-198.

해석예제 및 적용사례

당사에서 오랜 기간 동안 FLOW-3D를 적용한 분야별 프로젝트 적용사례와 간단한 소개 자료를 제공합니다.
아래 분야별 적용사례 다운로드 링크를 클릭하여 자유롭게 활용하시기 바랍니다.

castinghydraulicswatermems
Casting 분야
적용사례
다운로드
Hydraulics 분야
적용사례
다운로드
WaterTreatments 분야
적용사례
다운로드
MEMS 분야
적용사례
다운로드
maritime 
Maritime 분야
적용사례
다운로드
Laser Welding 분야 적용사례 다운로드Metal 3D printing 분야 적용사례 다운로드

FLOW-3D DEM

FLOW DEM

 

FLOW DEM 은 FLOW-3D 의 기체 및 액체 유동 해석에 DEM(Discrete Element Method : 개별 요소법) 기법인 입자의 거동을 분석해주는 제품입니다.

입자 – 입자 간, 입자 – 벽 사이의 접촉이나 상호 작용을 모델링 할 수 있으므로 보다 현실적인 입자 거동의 해석이 가능합니다. 
또한 유체 부분은 전문적인 FLOW-3D 분석 기능을 사용하기 때문에 유체 와 입자거동의 연성해석을 정밀하게 또한 효율적으로 분석할 수 있습니다.

주요 기능 :
  • 고체 요소의 충돌, 스프링(Spring) / 대시 포트(Dash Pot) 모델 적용
  • Void, 1 fluid, 2 fluid(자유 계면 포함) 각각의 모드에 대응
  • 가변 밀도 / 가변 직경
  • 입자 크기조절로 입자 특성을 유지하면서 입자 수를 감소
  • 독립적인 DEM의 Sub Time Step 이용

Discrete Element Method : 개별 요소법

다수의 고체 요소의 충돌 운동을 분석하는 데 유용합니다. 유동 해석과 함께 사용하면 광범위한 용도에 응용을 할 수 있습니다.

dem1
dem2

입자 간의 충돌

Voigt model은 스프링(Spring) 및 대시 포트(Dash pot)의 조합에 의해 입자 충돌 시의 힘을 평가합니다. 탄성력 부분은 스프링 모델에서,
비탄성 충돌의 에너지 소산부분은 대시 포트 모델에서 시뮬레이션되고 있으며, 중량 및 항력은 작용하는 외력으로 고려 될 수 있습니다.

 
  • 스프링 : 변형에 관련된 힘
  • 대시 포트 : 충돌시의 상대 속도에 관련된 힘
    (점성 감쇠)
  • 스프링 및 대시 포트를 병렬로 연결
    ⇒ Voigt model
  • 힘은 법선 방향과 접선 방향으로 나누어진다

분석 모드

기본적으로 이용하는 운동 방정식은 FLOW-3D 에 사용되는 질량 입자의 운동 방정식과 같은 것이지만, 여기에 DEM으로 평가되는 항목이 추가되는 형태로 되어 있으며, 실제 시뮬레이션으로는 ‘void + DEM’, ‘1 Fluid + DEM’ , ‘ 1 Fluid 자유계면 + DEM ‘을 기본 유동 모드로 취급이 가능합니다.

dem4
dem5
dem6
void + DEM 1-fluid + DEM 1-fluid 자유계면 + DEM

입자 유형

입자 타입도 표준 기능의 질량 입자 모델처럼 입자 크기 (반경)와 밀도가 동일한 것 외, 크기는 같지만 밀도가 다른 것이나 밀도는 같지만 크기가 다른 것 등도 취급 가능합니다. 이로 인해 표준 질량 입자 모델에서는 입자 간의 상호 작용이 고려되어 있지 않기 때문에 모든 아래에 가라 앉아 버리고 있었지만, FLOW DEM을 이용하여 기하학적 관계를 평가하는 것이 가능합니다.

dem7-균일
-밀도 변화
-입자크기 변화

응용 분야

1. Mechanical Engineering 분야

Resin filling, screw conveyance, powder conveyance

dem8
dem9
dem10

2. Civil Engineering분야

Debris flow, gravel, falling rock

dem11
dem2

3. Chemical Engineering, Pharmaceutics 분야

Fluidized bed, cyclone, stirrer

dem12
dem13
dem14

4. MEMS, Electrical Engineering 분야

전기 입자를 포함한 전기장 해석 등

dem15

dem16

 

 

 

 

 

 

 

Coarse Graining

DEM은 일반적으로 다수의 입자를 필요로 하는 해석에 사용이 되고 있습니다. 다만 이 경우, 계산 부하가 높아지므로 현실적인 계산자원을 고려하면, 입자 수가 줄여 해석할 필요가 있습니다 .

Particle Size Increase 경우

 

중자 모래 분사 분석

DEM에서의 계산부하를 생각할 때는 입자모델에 의한 안정제한을 고려해야 하지만 서브타임스텝이라는 개념을 도입함으로써 입자의 경우와 유체의 경우의 타임스텝을 바꾸고 필요이상으로 계산시간을 들이지 않고 효율적으로 계산하는 것을 가능하게 하고 있습니다.

이를 통해 예를 들어 중자사 분사 시뮬레이션 실험에서는 이러한 문제로 자주 이용되는 빙엄 유체에서는 실험과의 정합성이 별로 좋지 않기 때문에 당사에서는 이전부터 입상류 모델이라는 모델을 개발하고 연속체로부터의 접근에서도 실험과의 높은 정합성을 실현할 수 있는 모델화를 해왔는데, 이번에 DEM을 사용해도 그것과 거의 같은 결과를 얻습니다. 할 수 있음을 확인할 수 있었다.

Reference :

  • Lefebvre D., Mackenbrock A., Vidal V., Pavan V. and Haigh PM, 2004,
  • Development and use of simulation in the Design of Blown Cores and Moulds

컨설팅 실적

FLOW-3D Case Studies
FLOW-3D Case Studies

수행 실적

No사업명발주처
1성남정수장 3차원 유동해석한국수자원공사
2소양강댐 홍수방지벽 설치공사 실시설계용역(수치모형실험)도화종합기술공사
3용담댐 도수터널 취수탑 유입수량 유속분포(수치모형실험)한국수자원공사
4대곡댐 여수로 문비설치 기본 및 실시설계(수치해석)도화종합기술공사
5영천댐 치수능력 증대방안 실시설계(실시모형실험)도화종합기술공사
6시화조력발전소 축조공사 턴키설계를 위한 CFD 수치모형실험대우건설
7평화의댐 2단계사업 시설공사 실시설계(수치모형실험)도화종합, 삼안건설, 한국종합개발기술공사
8광동달방댐 치수능력증대사업 기본 및 실시설계영역(수치모형실험)도화종합, 삼안건설기술공사
9광양 3단계 공업용수도 실시설계용역(여수로 수치모형실험,수어댐)삼안건설기술공사
10탐진 다목적댐 치수능력 증대방안용역(수치해석)삼안건설기술공사
11댐 상수원 설계표준도 작성용역삼안건설기술공사
12보성강댐 정밀안전진단(3D모델링 수치해석)한국시설안전관리공단
13반월정수장 노후시설 개량 기본 및 실시설계용역(수치해석 부분)한국종합엔지니어링
14청송양수발전소 1,2호기 설계기술용역/여수로 3차원 수치해석용역현대엔지니어링
15소양강댐 보조여수로 설치공사 기본설계입찰 수치모형실험용역SK건설
16잠실 수중보 어도개선 기본 및 실시설계도화종합기술공사
17서귀포시 동부하수종말처리장 고도처리시설 기본 및 실시설계용역삼안건설기술공사
18서귀포시 서부하수종말처리장 고도처리시설 기본 및 실시설계용역선진엔지니어링
19오산 제2하수처리장 건설사업입찰 기본설계용역 중 3차원 수치유동해석 분야엘지건설
20당진화력 7,8호기 취수로 수치모델링한국동서발전주식회사
21녹산배수펌프장 건설공사 대안설계용역 중 펌프장 흐름해석 부문한국종합기술개발공사
22대암댐 치수능력증대사업 기본 및 실시설계(2차) 수치해석현대엔지니어링
23용인흥덕 쓰레기 이송관로 입찰설계벽산엔지니어링
24군산하수처리장 고도처리사업 턴키공사 기본설계 전산유체해석부강테크(GS건설)
25임하댐 비상여수로 건설공사 기본설계용역(수치모형실험)삼안건설기술공사
26대청댐 비상여수로 건설공사 턴키설계용역(수치해석)삼안건설기술공사
27섬진강댐 재개발 실시설계용역(수치모형실험)삼안건설기술공사
28한강하류권급수체계구축사업 제3공구 생활용수정수장 대안설계신우엔지니어링
29임하댐 취수설비 개선공사 기본 및 실시설계용역 중 전산유체유동해석유신코퍼레이션
30광명 소하 쓰레기 자동집하시설 건설공사 T/K 기본설계용역유신코퍼레이션
31공주막여과정수장 수처리구조물의 합리적 설계를 위한 전산유체해석한국수자원공사
32김포장기지구 쓰레기 자동집하시설의 수치해석한화건설
33군장국가산단(장항지구)호안도로 축조공사 갑문수치모의실험항도엔지니어링(포스코건설)
34대청댐 비상여수로 건설공사 턴키설계용역(주)삼안
35성남판교 자동크린넷시설공사 T/K 기본설계(설계용역)건화엔지니어링
36영등포정수장 재건설 및 고도정수처리 시설공사 턴키설계용역중 수리구조물 전산 유체 해석부분삼성건설
37보령7,8호기 배수로 수치해석한국전력기술
38보령1~6호기 배수로 수치해석한국전력기술
39LNG 지하저장 실증기술개발 중 유속에 의한 Ice Ring 형성조건연구한국지질자원연구원
40LNG 지하저장 실증기술개발 중 유속에 의한 Ice Ring 형성조건연구SK건설
41파주 운정지구 쓰레기 집하시설 수집관로 수치해석건화엔지니어링
42마그네슘블록 유동,응고,응력 해석대림기업(주)
43군남홍수조절지건설공사 기본 및 실시설계용역도화종합기술공사
44안동댐 비상여수로 기본설계용역 수치모형실험에스케이건설
45세탁기 Duct 부품의 Aluminum Die-Casting CAE 해석방안 개발엘지전자
46광양 2~3연주기 고속 주조시 몰드내 열유동응고해석포스코
47Cam-shaft 다이캐스팅용 금형설계 및 주조방안 해석한국생산기술연구원
48팔당수력댐 가능최대홍수량(PMF:Probable Maximum Flood)에 의한 댐체 월류시 수리 및 구조적 안정성 검토용역한국시설안전기술공단
49담체거동을 고려한 호기조 유동해석한수테크니컬서비스
50피스톤 쿨링젯 해석기술 개발 기술용역현대자동차
51아산 방조제 배수갑문확장사업 1단계 대안설계삼안건설기술공사
52하동화력 7,8호기 냉각수 배수구 전면 저류지 축조공사 3차원 수치모형실험 해석제이슨기술단
53의암수력댐 가능최대홍수량(PMF:Probable Maximum Flood)에 의한 댐체 월류시 수리 및 구조적 안정성 검토용역한국시설안전기술공단
54춘천 및 보성강댐 가능최대홍수량(PMF:Probable Maximum Flood)에 의한 댐체 월류시 수리 및 구조적 안정성 검토용역한국시설안전기술공단
55소양강댐 여수로 방류흐름개선을 위한 수치모형실험 용역한국시설안전기술공단
56제천시 하수관거정비 임대형 민자사업(BTL) 기본설계용역 중 수충격검토(주)바셈
57금강살리기 행복지구 생태하천 조성공사계룡건설산업
58첫마을지구 생활폐기물 자동집하시설 건설공사 기본설계 T/K도화종합기술공사
59괴산댐 가능최대홍수량에 대한 댐체월류시 구조적 안정성 검토용역한국시설안전기술공단
60충남도청 이전신도시 자동집하시설 건설공사 T/K입찰 기본설계 용역(주)건화
61영등포정수장 3D 모델링(주)대우건설
62화순홍수조절지 기본 및 실시설계 용역(주)도화종합기술공사
63재천시 하수관거정비 임대형 민자사업(BTL) 기본설계용역 중 수충격검토(주)바셈
64한탄강댐본댐 및 부대시설 공사 설계 변경 용역(주)삼안
65새만금 방수제 만경5공구 건설공사 기본설계 용역(3차원 수치해석)(주)삼안
66연속 주조시 발생되는 몰드 내 열응력 영향 해석(주)엔지비
67낙동강하구둑 배수문 증설공사 기본설계용역 중3차원 수치해석(주)유신
68뚝도정수센터 시설현대화 및 고도정수처리시설 실시설계 수치해석 용역신우엔지니어링
69파주운정쓰레기 자동집하시설 건설공사(T/K)태영건설
70거제평프장도화
71광교댐수치해석도화
72Slag Pouring 및 이송 시 열유동해석매탈젠텍(POSCO)
73LICC DP매탈젠텍(POSCO)
74PFC DP 공정 해석매탈젠텍(RIST)
75행복도시하수처리장이산
76다이캐스팅 주조방안 및 해석코다코(캐스트맨 매출)
77전착성능해석용 차체모델링+전착 이차흐름현대기아기술연구소
78고열전도성 다이캐스팅 경량 방열부품개발현대자동차
79엔진/변속기1 (전륜8속 TM 케이스 및 하우징 방안설계 최적화)현대자동차
80쇽업쇼버 케이스 해석 용역현대자동차
81엔진/변속기2 (세타/실린더헤드 및 후륜 다단변속기 케이스2개 제품)현대자동차
82엔진/변속기3 / 6월현대자동차
83엔진/변속기4 / 8월현대자동차
84고강도 저밀도 산합금 열물성 DB 및 주조해석현대자동차
85진공밸브 최적화현대자동차
86Bloom 해석(연주기 몰드 내 용강 유동해석)현대제철
87상수도관망 최적관리시스템 구축사업(고성군)태성종합기술
88신월빗물저류배수시설 3차원수치해석선진ENG
89실러류 해석기술 개발현대기아기술연구소
90고덕하수처리장 수치해석그레넥스
91고덕하수처리장 수치해석엔바이로솔루션
92라오스수력발전프로젝트SK건설
93슬리브내 역비산기아차
94송석지 싸이폰 여수로농어촌공사(충남도본부 예산지사)
95고풍지 싸이폰 여수로농어촌공사(충남도본부)
96광교저수지 싸이폰 여수로지자체(수원시)
97장수지 싸이폰 여수로지자체(전남공흥군)
98광폭 마그네슘 주조기 용해로 열변형 해석용역포스코
99350톤 양수냄비 다이캐스팅 개발해피콜
100Mg 빌렛 해석HMK
101관망해석 프로그램 개발국민대학교
102충주댐 하류가물막이 수치해석대림산업
103충주댐 하류가적치 수치해석대림산업
104충주댐 하류가적치 수치해석대림산업
105평화의댐 하류부지 계획고 조정에 따른 3D 수치해석 용역대림산업
106봉화댐 실시설계 3차원 수치모형 실험도화엔지니어링
107원통수조 교반해석도화엔지니어링
108DAF 실증시설 부상조 수치해석삼진정밀
109EI과제 프로그램 개발(건기연(정우식박사))오투엔비
110SEMANGKA HEPP 수치모형 실험이산
111공릉저수지 조류 및 유속분포 유동해석한국건설기술연구원
112교육 및 해석 기술 자문한국건설기술연구원
113터빈하우징 로스트폼 주조 용역한국생산기술연구원
114터빈하우징 로스트폼 주조 용역한국생산기술연구원
115교육 및 해석 기술 자문해안해양기술
116새만금 남북2축 도로 제 3공구해석E&H컨설턴트
117달천교 교각세굴 해석E&H컨설턴트
118Lean Amine Air Cooler 부식원인 분석을 위한 유동해석GS칼텍스
119Xe Pian 하류 변경안 해석SK건설
120멤브레인 CFD 프로그램 개발국민대학교
121원형관 내부 유동해석서울시립대학교
122우수저류지 세척 시스템 해석선일엔바이로
123MD 열교환 해석(2차)알이디
124모듈조합프로그램 개발오투앤비
125해양 구조물 세굴해석전남대학교
126하우징 다이캐스팅 해석제이에스테크
127막묘듈 열교환 해석한국건설기술연구원
128두량지 PK Weir 방류량 해석한국농어촌공사
129관내 유동해석GS칼텍스
130정수장 분배수로 응집지 해석그린텍환경컨설팅
131정수장 분배수로 응집지 해석그린텍환경컨설팅
132주조제일테크
133해저구조물 세굴 및 선박유동 해석창원대학교(ADD)
134고출력 저압 램프용 자외선 반응기 해석한국건설기술연구원
135고출력 중압 램프용 자외선 반응기 해석한국건설기술연구원
136과제 해석한국건설기술연구원
137이동식보&팬스한국건설기술연구원
138Point source 기반의 하천 녹조 발생 현황 2차원 mapping 시스템한국건설기술연구원
139해석지원한국종합기술
140데이터교환customizing한국항공우주연구원
141엔진소재의 주조방안 최적화를 위한 주조해석 기술용역현대자동차
142배관유동GS건설
143울산 소수력 수치해석 용역유신
144한국건설기술연구원-이동형 해수담수화 시스템 개발 컨설팅한국건설기술연구원
145Water Dynamometer 해석두산중공업
146약액 침전 외 2건 해석세메스
147Ladle 내 Dam 및 노출부 형상변화에 따른 Vortex 거동 해석(재)포항산업과학연구원
148VMD 모듈 3D모델링알이디
149칠서정수장 기술진단 3차원 수치해석(주)그린텍환경컨설팅
150충주댐 유출부 감세지 3차원 수치해석대림산업
151친환경차용 e-4WD 유도모터 로터 주조기술개발현대자동차
152울산 #4복합 해양소수력 개발 타당성 용역중 3차원 수치해석유신
153사이펀 활용 중력구동 분리막 시스템 수치해석한국건설기술연구원
154삼척화력 소수력발전설비 설치공사(EPC) 기본 및 실시설계 중 CFD해석유신
155LG전자(평택) 생산기술원-레이저 용접 결함 예측 모델 개발LG전자(평택)
156LG전자 창원 H&A사업본부-FLOW-3D 기반 통세척 성능 해석기술 개발LG전자(창원)
 수리/수자원 분야
01 교량 설치에 따른 하천흐름 및 세굴영향 검토
컨설팅내용
  • 교량 설치로 인한 3차원 모형의 수리영향 검토
  • 세굴방지공 설치로 교량의 수리적 안정성 확보
필요데이터
  • 교각 3차원 형상 또는 도면
  • 하천 수심측량 자료 및 수치지형도
  • 하천 상/하류 홍수위 및 홍수량
해석방법
  • 하천의 유동해석 수행 후 최고유속에 해당하는 교각 선정
  • 선정교각 대상을 중심으로 세굴 모형 적용
결과물
  • 하천 유동흐름, 수위분석
  • 평형세굴심 도달시간
  • 최대세굴심 및 최대퇴적고 등
02 댐체 월류 시 수리/수문 구조적 안정성 검토
컨설팅내용
  • 상류 댐 붕괴 시 급격한 방류로 인하여 하류 댐에 미치는 영향을 검토하기 위해 댐체 월류 시 수리/수문 구조적 안정성검토
필요데이터
  • 공도교 및 수문 구조물 상세 도면
  • 하천 수심측량자료 및 주변 수치지형도
  • 하천 상/하류 홍수위 및 홍수량
해석방법
  • 상류 댐 붕괴시 홍수위/홍수량 정보입력
  • 구조물/수문 분리 후 취약한 수문 선정
  • 수문 구조해석 및 Total 힘 분석
결과물
  • 수문/구조물 받는 힘 분석
  • 굥도교 월류 여부 및 수위/유속 분포
  • 방류량 및 구조물 부압 등
 수처리 분야
01 정수처리시설 구조물 최적설계
컨설팅내용
  • 정수시설 구조물에 대한 유동, 유량, 압력, 온도분포 분석
  • 수처리과정에 발생하는 현상분석
필요데이터
  • 정수시설 구조물의 제원
  • 분배수로, 침전지 등 도면 및 3D CAD 자료
  • 초기 수위데이터 등
해석방법
  • 정수시설 구조물의 경계조건 설정
  • 형상에 따른 유동흐름 및 유량 등 초기조건 
결과물
  • 정수시설물에 작용하는 압력분포 확인
  • 유동 유입에 따른 유동양상, 유량, 유속데이터 분석
  • 온도변화에 따른 유동 및 침전효율 분석

02 하수처리시설 방류량 및 유동양상 분석
컨설팅내용
  • 토출수조의 수위 및 유동현상검토
  • 각 방류 Box의 방류유량분포 및 유속분석 
필요데이터
  • 구조물관련 설계도면 자료
  • 전체 모형 작성 및 지형데이터
  • 유체 유입량, 초기 수위관련 자료
해석방법
  • 시설 구조물에 따른 경계조건 설정
  • 초기 수위조건 및 유동현상 등 조건 확인
결과물
  • 토출 수조의 수위량 및 유동흐름
  • 유동 유입에 따른 유량, 유속데이터 분석
  • 구조물 단면의 유량흐름 데이터
 
 주조 분야
01 수축 결함최소화를 위한 주조해석
컨설팅내용
  • 주조 시 산화물 혼입방지 설계
  • 조립부 수축결함 최소화 
필요데이터
  • Frame형상 제원
  • 금형, 형상 도면자료 및 3D CAD자료
  • 초기 용탕 주입시간, 충진속도, 온도 등의 데이터
해석방법
  • 금형형상에 따른 주조해석 경계조건 설정
  • 초기 조건설정에 따른 파라미터분석
결과물
  • 충진시 산화물발생 위치 및 수축공 발생 위치
  • Solidification 확인, 결함부 현상분석
  • Gate, Runner 위치 최적화
         
02 금형 최적설계를 위한 주조해석
컨설팅내용
  • 충진 온도유지 및 제품 결함 최소화를 위한 최적설계
필요데이터
  • 금형관련 제원
  • 금형, 형상 도면자료 및 3D CAD자료
  • 초기 주조 공정조건 데이터
해석방법
  • 금형형상에 맞는 Runner, Gate 모델링
  • 용탕온도, 속도, 압력 등 조건에 따른 제품 최적설계
결과물
  • 충진시 압력분포 및 산화물 발생 위치분석
  • Solid Fraction, Solidification 등 현상분석
  • 결함부위 최소화를 위한 Gate, Runner 위치 최적화
 코팅 분야
01 Nozzle 분사를 이용한 Slit Coating 해석
컨설팅내용
  • 표면 Coating에 적합한 Nozzle 형상 설계
  • Coating 구동조건 및 압력분포 분석
필요데이터
  • 초기 Nozzle 형상 제원
  • 형상 도면자료 및 3D CAD자료
  • 초기 Coating 도포현상 및 구동조건 데이터
해석방법
  • Nozzle 구동에 따른 Coating 분석
  • 액상조건에 따른 Coating 도포형상 분석
결과물
  • Nozzle 형상 파라미터에 따른 Coating 현상분석
  • Coating 분포에 따른 높이 균일성 확인
  • 액상 온도에 따른 도포량분석
  
 MEMS 분야
01 연료전지 시스템의 최적설계를 위한 유동해석
컨설팅내용
  • 연료전지 내부형상에 따른 유동장변화 데이터
  • 유량분배에 적절한 최적의 형상조건 설계
필요데이터
  • 초기 형상 도면자료 및 3D CAD자료
  • 연료전지의 구동조건 및 물성조건
  • Actuator의 작동, 토출량, 유동 등의 데이터
해석방법
  • Micro-Channel에서의 유동분배 설정
  • 액체의 특성에 따른 토출조건 확인
결과물
  • Actuator의 속도에 따른 유동량 분석
  • Micro-Channel에서의 유동양상
  • 공동현상 최소화를 위한 최적의 구동조건

표면 장력 / Surface Tension

표면 장력 / Surface Tension

FLOW-3D에 추가 된 최초의 물리 모델 중 하나는 표면 장력이었습니다.

이 모델은 잉크젯, 무중력 환경에서의 액체 연료 거동 및 다양한 MEMS (마이크로 전자 기계 시스템) 장치와 같이 다양한 종류의 응용 분야에서 수년 동안 널리 사용되어 왔습니다. 이 후에 모델의 개선 및 확장에 대한 많은 사용자 요청이 처리되었습니다.
표면 장력에 대해 보다 나은 성능개선을 위해 FLOW-3D 버전 11에 대한 새로운 모델이 개발되었습니다. 이 모델은 계산된 모든 표면 장력의 정확성과 임의 형상의 솔리드 표면을 잡아 당기는 접착력의 정확성을 향상시킵니다. 또한 이 새로운 모델은 다공성 물질의 모세관 압력과 비 균일한 표면 장력으로 인한 접선 표면 장력을 가지고 있습니다.

새로운 모델의 예는 무중력에 포함된 원형 벽을 적시는 단순한 문제입니다.

그림 1은 실린더와 접촉각이 0 도인 물로 채워진 0.25m 직경의 실린더 75 %의 경우를 보여줍니다. 버블은 10 초 전에 벽에서 깨끗하게 분리되어 탱크를 가로 질러 움직입니다. 비 구형은 기포 표면에서 모세관 파가 전파되기 때문입니다.

그림 1. 0.0, 2.5, 5.0 및 10.0 초에 무중력에서 접촉 각이 0 인 실린더 표면의 유체 (적색) 습윤 표면.

다른 예가 그림5에 도시되어 있습니다. 2에서 서로 다른 밀도의 2 개의 초기 구형 방울이 (플롯의 색으로 표시됨) 단단한 벽을 향해 아래로 이동합니다. 플롯의 시간은 0.0, 0.01, 0.02 및 0.03 초입니다. 방울은 직경이 0.0017m, 밀도가 다르지만 표면 장력 계수는 1.872 뉴턴 / m입니다.

그림 2. 접시쪽으로 움직이는 구형의 물방울. 새로운 표면 장력 모델로 시뮬레이션. 색상은 밀도를 나타냅니다.

표면 장력 모델에 대해 자세히 알아보십시오.

Download the Flow Science Report on Surface Tension

Download Surface Tension Validation – Simple Test Problems

Applications of FLOW-3Dr to MEMS (Multiphysics Capabilities)

One of the unique features of FLOW-3Dr is the FAVORTM advantage used to accurately represent complex geometry in a rectangular Cartesian mesh.
The tedious work of generating a mesh for complex geometry is avoided. Due to this advantage, FLOW-3Dr can be used to simulate °ow in complex mi-crochannels accurately and e±ciently. Figure 1 shows a novel design of a microchannel with obliquely ori-ented or staggered herringbone ridges on its bottom wall to generate chaotic mixing of °uids (Stroock et al., Science, 295, 647-651, 2002). Fluid °ow and mix-ing through this device can be easily simulated with complicated geometry resolved using FAVOR TM. Fig-ure 2 displays the secondary °ow in two typical cross sections along the channel axis of this device. The predicted °ow ¯elds matches the experimental obser-vations of Stroock et al. very well.

 

[다운로드]

Applications of FLOW-3Dr to MEMS (Multiphysics Capabilities)

Simulating the Residue left by Evaporating Drops

Background
The “coffee ring” effect is the name given to a well known observation where the evaporative drying of a drop of coffee leaves behind a ring of dark material at the edge of the original drop. On first thought one would expect that the coffee particles, which are uniformly distributed in the drop, would simply be deposited uniformly over the area wetted by the drop. It has only been in recent years that researchers have uncovered the mechanisms that produce the ring effect (Deegan, R.D., et al).
As currently understood, the edges of drops can become pinned because of roughness or chemical elements on the surface on which they lie. Heat transfer to the drops from the substrate or the air induces evaporation, which is usually greater near the drop edge. Surface tension forces then adjust the curvature of the remaining liquid consistent with the pinned edge, which results in a net flow of liquid toward the edge. This flow replenishes the evaporative loss but also moves solute to the edge where it is concentrated by evaporation. Eventually, this mechanism builds up a ring deposit of solute at the original edge of the drop.
The residue from dried drops has implications for many useful applications, including general coating processes, formation of pixel arrays of organic materials for video displays and for a variety of micro-electro-mechanical (MEMS) devices.
Because many factors control the distribution of dried residue it is desirable to have some means to model the fluid dynamics of the process to aid engineers in making the best choices for each specific application. Such a capability has been incorporated into FLOW-3D1 making it possible to computationally investigate the influence of such parameters as the initial solute concentration, fluid viscosity, volatility of the solvent, evaporation rate, surface tension and initial shape of the drop.
This technical note presents a brief description of the residue formation model and illustrates it with several computations of an evaporating drop subject to different physical conditions.

Addition of Dielectric Phenomena to FLOW-3D

Overview
There are situations where it would be helpful to account for the interaction of electric fields with liquid and solid materials. For example, electrostatic air cleaners rely on the ability to attract small particles in flowing air to a surface where they can be collected and removed from the air. In this case the primary attractive force arises from dielectric polarization of the particles.
Spraying liquid drops onto a surface, as in spray painting, is often improved by electrifying the drops so that they repel one another and produce a more uniform distribution. Also, electrified drops can be driven to overcome air resistance by suitable electric fields.
In many types of micro-electrical-mechanical-systems (MEMS) fluids are caused to move by the application of electric potentials. Usually this behavior is induced by electric forces acting on dielectric polarization charges generated at free fluid surfaces or at the interfaces between two fluids.

In some situations the effects of both dielectrically induced charges as well as free electric charges in a fluid must be considered. For these cases the fluid has some nonzero conductivity that must be accounted for by tracking charge densities and adding additional body forces to the fluid. The range of possibilities when conduction is present includes bound and free charges, recombination, ionization, currents without net charge densities, etc. As described next, we shall limit the present development to a useful subset of the many possibilities.

In this note we describe a set of program developments that give FLOW-3DÒ the capability to model fluid and particulate flows involving both free and induced charge densities. In the current released version of FLOW-3D® (Ver. 7.7) both particles and fluid can contain a fixed charge density, but there is no provision for dielectric materials.

Here we describe the addition of dielectric properties for particles, fluids, and solids. In addition, linear polarization forces acting on particles and fluids by electrostatic fields are added to the momentum equations for fluid and particles.

Microfluidics Bibliography

Microfluidics Bibliography

다음은 Microfluidics Bibliography의 기술 문서 모음입니다.
이 모든 논문은 FLOW-3D  결과를 특징으로  합니다. 미세 유체 공정 및 장치 를 성공적으로 시뮬레이션하기 위해 FLOW-3D 를 사용 하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오  .

2021년 8월 26일 Update

45-21   Navid Tonekaboni, Mahdi Feizbahr, Nima Tonekaboni, Guang-Jun Jiang, Hong-Xia Chen, Optimization of solar CCHP systems with collector enhanced by porous media and nanofluid, Mathematical Problems in Engineering, 2021; 9984940, 2021. doi.org/10.1155/2021/9984840

40-21   B. Hayes, G.L. Whiting, R. MacCurdy, Modeling of contactless bubble–bubble interactions in microchannels with integrated inertial pumps, Physics of Fluids, 33.4; 042002, 2021. doi.org/10.1063/5.0041924

Below is a collection of technical papers in our Microfluidics Bibliography. All of these papers feature FLOW-3D results. Learn more about how FLOW-3D can be used to successfully simulate microfluidic processes and devices.

14-21   Jian-Chiun Liou, Chih-Wei Peng, Philippe Basset, Zhen-Xi Chen, DNA printing integrated multiplexer driver microelectronic mechanical system head (IDMH) and microfluidic flow estimation, Micromachines, 12.1; 25, 2021. doi.org/10.3390/mi12010025

08-20   Li Yong-Qiang, Dong Jun-Yan and Rui Wei, Numerical simulation for capillary driven flow in capsule-type vane tank with clearances under microgravity, Microgravity Science and Technology, 2020. doi.org/10.1007/s12217-019-09773-z

89-19   Tim Dreckmann, Julien Boeuf, Imke-Sonja Ludwig, Jorg Lumkemann, and Jorg Huwyler, Low volume aseptic filling: impact of pump systems on shear stress, European Journal of Pharmeceutics and Biopharmeceutics, in press, 2019. doi:10.1016/j.ejpb.2019.12.006

88-19   V. Amiri Roodan, J. Gomez-Pastora, C. Gonzalez-Fernandez, I.H. Karampelas, E. Bringas, E.P. Furlani, and I. Ortiz, CFD analysis of the generation and manipulation of ferrofluid droplets, TechConnect Briefs, pp. 182-185, 2019. TechConnect World Innovation Conference & Expo, Boston, Massachussetts, USA, June 17-19, 2019.

55-19     Julio Aleman, Sunil K. George, Samuel Herberg, Mahesh Devarasetty, Christopher D. Porada, Aleksander Skardal, and Graça Almeida‐Porada, Deconstructed microfluidic bone marrow on‐a‐chip to study normal and malignant hemopoietic cell–niche interactions, Small, 2019. doi: 10.1002/smll.201902971

37-19     Feng Lin Ng, Miniaturized 3D fibrous scaffold on stereolithography-printed microfluidic perfusion culture, Doctoral Thesis, Nanyang Technological University, Singapore, 2019.

32-19     Jenifer Gómez-Pastora, Ioannis H. Karampelas, Eugenio Bringas, Edward P. Furlani, and Inmaculada Ortiz, Numerical analysis of bead magnetophoresis from flowing blood in a continuous-flow microchannel: Implications to the bead-fluid interactions, Nature: Scientific Reports, Vol. 9, No. 7265, 2019. doi: 10.1038/s41598-019-43827-x

01-19  Jelena Dinic and Vivek Sharma, Computational analysis of self-similar capillary-driven thinning and pinch-off dynamics during dripping using the volume-of-fluid method, Physics of Fluids, Vol. 31, 2019. doi: 10.1063/1.5061715

75-18   Tobias Ladner, Sebastian Odenwald, Kevin Kerls, Gerald Zieres, Adeline Boillon and Julien Bœuf, CFD supported investigation of shear induced by bottom-mounted magnetic stirrer in monoclonal antibody formulation, Pharmaceutical Research, Vol. 35, 2018. doi: 10.1007/s11095-018-2492-4

53-18   Venoos Amiri Roodan, Jenifer Gómez-Pastora, Aditi Verma, Eugenio Bringas, Inmaculada Ortiz and Edward P. Furlani, Computational analysis of magnetic droplet generation and manipulation in microfluidic devices, Proceedings of the 5th International Conference of Fluid Flow, Heat and Mass Transfer, Niagara Falls, Canada, June 7 – 9, 2018; Paper no. 154, 2018.  doi: 10.11159/ffhmt18.154

35-18   Jenifer Gómez-Pastora, Cristina González Fernández, Marcos Fallanza, Eugenio Bringas and Inmaculada Ortiz, Flow patterns and mass transfer performance of miscible liquid-liquid flows in various microchannels: Numerical and experimental studies, Chemical Engineering Journal, vol. 344, pp. 487-497, 2018. doi: 10.1016/j.cej.2018.03.110

16-18   P. Schneider, V. Sukhotskiy, T. Siskar, L. Christie and I.H. Karampelas, Additive Manufacturing of Microfluidic Components via Wax Extrusion, Biotech, Biomaterials and Biomedical TechConnect Briefs, vol. 3, pp. 162 – 165, 2018.

15-18   J. Gómez-Pastora, I.H. Karampelas, A.Q. Alorabi, M.D. Tarn, E. Bringas, A. Iles, V.N. Paunov, N. Pamme, E.P. Furlani, I. Ortiz, CFD analysis and experimental validation of magnetic droplet generation and deflection across multilaminar flow streams, Biotech, Biomaterials and Biomedical TechConnect Briefs, vol. 3, pp. 182-185, 2018.

14-18   J. Gómez-Pastora, C. González-Fernández, I.H. Karampelas, E. Bringas, E.P. Furlani, and I. Ortiz, Design of Magnetic Blood Cleansing Microdevices through Experimentally Validated CFD Modeling, Biotech, Biomaterials and Biomedical TechConnect Briefs, vol. 3, pp. 170-173, 2018.

10-18   A. Gupta, I.H. Karampelas, J. Kitting, Numerical modeling of the formation of dynamically configurable L2 lens in a microchannel, Biotech, Biomaterials and Biomedical TechConnect Briefs, Vol. 3, pp. 186 – 189, 2018.

17-17   I.H. Karampelas, J. Gómez-Pastora, M.J. Cowan, E. Bringas, I. Ortiz and E.P. Furlani, Numerical Analysis of Acoustophoretic Discrete Particle Focusing in Microchannels, Biotech, Biomaterials and Biomedical TechConnect Briefs 2017, Vol. 3

16-17   J. Gómez-Pastora, I.H. Karampelas, E. Bringas, E.P. Furlani and I. Ortiz, CFD analysis of particle magnetophoresis in multiphase continuous-flow bioseparators, Biotech, Biomaterials and Biomedical TechConnect Briefs 2017, Vol. 3

15-17   I.H. Karampelas, S. Vader, Z. Vader, V. Sukhotskiy, A. Verma, G. Garg, M. Tong and E.P. Furlani, Drop-on-Demand 3D Metal Printing, Informatics, Electronics and Microsystems TechConnect Briefs 2017, Vol. 4

102-16   J. Brindha, RA.G. Privita Edwina, P.K. Rajesh and P.Rani, “Influence of rheological properties of protein bio-inks on printability: A simulation and validation study,” Materials Today: Proceedings, vol. 3, no.10, pp. 3285-3295, 2016. doi: 10.1016/j.matpr.2016.10.010

99-16   Ioannis H. Karampelas, Kai Liu, Fatema Alali, and Edward P. Furlani, Plasmonic Nanoframes for Photothermal Energy Conversion, J. Phys. Chem. C, 2016, 120 (13), pp 7256–7264

98-16   Jelena Dinic and Vivek Sharma, Drop formation, pinch-off dynamics and liquid transfer of simple and complex fluidshttp://meetings.aps.org/link/BAPS.2016.MAR.B53.12, APS March Meeting 2016, Volume 61, Number 2, March 14–18, 2016, Baltimore, Maryland

67-16  Vahid Bazargan and Boris Stoeber, Effect of substrate conductivity on the evaporation of small sessile droplets, PHYSICAL REVIEW E 94, 033103 (2016), doi: 10.1103/PhysRevE.94.033103

57-16   Ioannis Karampelas, Computational analysis of pulsed-laser plasmon-enhanced photothermal energy conversion and nanobubble generation in the nanoscale, PhD Dissertation: Department of Chemical and Biological Engineering, University at Buffalo, State University of New York, July 2016

44-16   Takeshi Sawada et al., Prognostic impact of circulating tumor cell detected using a novel fluidic cell microarray chip system in patients with breast cancer, EBioMedicine, Available online 27 July 2016, doi: 10.1016/j.ebiom.2016.07.027.

39-16   Chien-Hsun Wang, Ho-Lin Tsai, Yu-Che Wu and Weng-Sing Hwang, Investigation of molten metal droplet deposition and solidification for 3D printing techniques, IOP Publishing, J. Micromech. Microeng. 26 (2016) 095012 (14pp), doi: 10.1088/0960-1317/26/9/095012, July 8, 2016

30-16   Ioannis H. Karampelas, Kai Liu and Edward P. Furlani, Plasmonic Nanocages as Photothermal Transducers for Nanobubble Cancer Therapy, Nanotech 2016 Conference & Expo, May 22-25, Washington, DC.

29-16   Scott Vader, Zachary Vader, Ioannis H. Karampelas and Edward P. Furlani, Advances in Magnetohydrodynamic Liquid Metal Jet Printing, Nanotech 2016 Conference & Expo, May 22-25, Washington, DC.

02-16  Stephen D. Hoath (Editor), Fundamentals of Inkjet Printing: The Science of Inkjet and Droplets, ISBN: 978-3-527-33785-9, 472 pages, February 2016 (see chapters 2 and 3 for FLOW-3D results)

125-15   J. Berthier, K.A. Brakke, E.P. Furlani, I.H. Karampelas, V. Poher, D. Gosselin, M. Cubinzolles and P. Pouteau, Whole blood spontaneous capillary flow in narrow V-groove microchannels, Sensors and Actuators B: Chemical, 206, pp. 258-267, 2015.

86-15   Yousub Lee and Dave F. Farson, Simulation of transport phenomena and melt pool shape for multiple layer additive manufacturing, J. Laser Appl. 28, 012006 (2016). doi: 10.2351/1.4935711, published online 2015.

77-15   Ho-Lin Tsai, Weng-Sing Hwang, Jhih-Kai Wang, Wen-Chih Peng and Shin-Hau Chen, Fabrication of Microdots Using Piezoelectric Dispensing Technique for Viscous Fluids, Materials 2015, 8(10), 7006-7016. doi: 10.3390/ma8105355

63-15   Scott Vader, Zachary Vader, Ioannis H. Karampelas and Edward P. Furlani, Magnetohydrodynamic Liquid Metal Jet Printing, TechConnect World Innovation Conference & Expo, Washington, D.C., June 14-17, 2015

46-15   Adwaith Gupta, 3D Printing Multi-Material, Single Printhead Simulation, Advanced Qualification of Additive Manufacturing Materials Workshop, July 20 – 21, 2015, Santa Fe, NM

28-15   Yongqiang Li, Mingzhu Hu, Ling Liu, Yin-Yin Su, Li Duan, and Qi Kang, Study of Capillary Driven Flow in an Interior Corner of Rounded Wall Under MicrogravityMicrogravity Science and Technology, June 2015

20-15   Pamela J. Waterman, Diversity in Medical Simulation Applications, Desktop Engineering, May 2015, pp 22-26,

16-15   Saurabh Singh, Ann Junghans, Erik Watkins, Yash Kapoor, Ryan Toomey, and Jaroslaw Majewski, Effects of Fluid Shear Stress on Polyelectrolyte Multilayers by Neutron Scattering Studies, © 2015 American Chemical Society, DOI: 10.1021/acs.langmuir.5b00037, Langmuir 2015, 31, 2870−2878, February 17, 2015

11-15   Cheng-Han Wu and Weng-Sing Hwang, The effect of process condition of the ink-jet printing process on the molten metallic droplet formation through the analysis of fluid propagation direction, Canadian Journal of Physics, 2015. doi: 10.1139/cjp-2014-0259

03-15 Hanchul Cho, Sivasubramanian Somu, Jin Young Lee, Hobin Jeong and Ahmed Busnaina, High-Rate Nanoscale Offset Printing Process Using Directed Assembly and Transfer of Nanomaterials, Adv. Materials, doi: 10.1002/adma.201404769, February 2015

122-14  Albert Chi, Sebastian Curi, Kevin Clayton, David Luciano, Kameron Klauber, Alfredo Alexander-Katz, Sebastián D’hers and Noel M Elman, Rapid Reconstitution Packages (RRPs) implemented by integration of computational fluid dynamics (CFD) and 3D printed microfluidics, Research Gate, doi: 10.1007/s13346-014-0198-7, July 2014

113-14 Cihan Yilmaz, Arif E. Cetin, Georgia Goutzamanidis, Jun Huang, Sivasubramanian Somu, Hatice Altug, Dongguang Wei and Ahmed Busnaina, Three-Dimensional Crystalline and Homogeneous Metallic Nanostructures Using Directed Assembly of Nanoparticles, 10.1021/nn500084g, © 2014 American Chemical Society, April 2014

110-14 Koushik Ponnuru, Jincheng Wu, Preeti Ashok, Emmanuel S. Tzanakakis and Edward P. Furlani, Analysis of Stem Cell Culture Performance in a Microcarrier Bioreactor System, Nanotech, Washington, D.C., June 15-18, 2014

109-14   Ioannis H. Karampelas, Young Hwa Kim and Edward P. Furlani, Numerical Analysis of Laser Induced Photothermal Effects using Colloidal Plasmonic Nanostructures, Nanotech, Washington, D.C., June 15-18, 2014

108-14   Chenxu Liu, Xiaozheng Xue and Edward P. Furlani, Numerical Analysis of Fully-Coupled Particle-Fluid Transport and Free-Flow Magnetophoretic Sorting in Microfluidic Systems, Nanotech, Washington, D.C., June 15-18, 2014

95-14   Cheng-Han Wu, Weng-Sing Hwang, The effect of the echo-time of a bipolar pulse waveform on molten metallic droplet formation by squeeze mode piezoelectric inkjet printing, Accepted November 2014, Microelectronics Reliability (2014) , © 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

85-14   Sudhir Srivastava, Lattice Boltzmann method for contact line dynamics, ISBN: 978-90-386-3608-5, Copyright © 2014 S. Srivastava

61-14   Chenxu Liu, A Computational Model for Predicting Fully-Coupled Particle-Fluid Dynamics and Self-Assembly for Magnetic Particle Applications, Master’s Thesis: State University of New York at Buffalo, 2014, 75 pages; 1561583, http://gradworks.umi.com/15/61/1561583.html

41-14 Albert Chi, Sebastian Curi, Kevin Clayton, David Luciano, Kameron Klauber, Alfredo Alexander-Katz, Sebastian D’hers, and Noel M. Elman, Rapid Reconstitution Packages (RRPs) implemented by integration of computational fluid dynamics (CFD) and 3D printed microfluidics, Drug Deliv. and Transl. Res., DOI 10.1007/s13346-014-0198-7, # Controlled Release Society 2014. Available for purchase online at SpringerLink.

21-14  Suk-Hee Park, Ung Hyun Koh, Mina Kim, Dong-Yol Yang, Kahp-Yang Suh and Jennifer Hyunjong Shin, Hierarchical multilayer assembly of an ordered nanofibrous scaffold via thermal fusion bonding, Biofabrication 6 (2014) 024107 (10pp), doi:10.1088/1758-5082/6/2/024107, IOP Publishing, 2014. Available for purchase online at IOP.

17-14   Vahid Bazargan, Effect of substrate cooling and droplet shape and composition on the droplet evaporation and the deposition of particles, Ph.D. Thesis: Department of Mechanical Engineering, The University of British Columbia, March 2014, © Vahid Bazargan, 2014

73-13  Oliver G. Harlen, J. Rafael Castrejón-Pita, and Arturo Castrejon-Pita, Asymmetric Detachment from Angled Nozzles Plates in Drop-on Demand Inkjet Printing, NIP & Digital Fabrication Conference, 2013 International Conference on Digital Printing Technologies. Pages 253-549, pp. 277-280(4)

63-13  Fatema Alali, Ioannis H. Karampelas, Young Hwa Kim, and Edward P. Furlani, Photonic and Thermofluidic Analysis of Colloidal Plasmonic Nanorings and Nanotori for Pulsed-Laser Photothermal ApplicationsJ. Phys. Chem. C, Article ASAP, DOI: 10.1021/jp406986y, Copyright © 2013 American Chemical Society, September 2013.

25-13  Sudhir Srivastava, Theo Driessen, Roger Jeurissen, Herma Wijshoff, and Federico Toschi, Lattice Boltzmann Method to Study the Contraction of a Viscous Ligament, International Journal of Modern Physics © World Scientific Publishing Company, May 2013.

11-13  Li-Chieh Hsu, Yong-Jhih Chen, Jia-Huang Liou, Numerical Investigation in the Factors on the Pool Boiling, Applied Mechanics and Materials Vol. 311 (2013) pp 456-461, © (2013) Trans Tech Publications, Switzerland, doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.311.456. Available for purchase online at Scientific.Net.

10-13 Pamela J. Waterman, CFD: Shaping the Medical World, Desktop Engineering, April 2013. Full article available online at Desktop Engineering.

90-12 Charles R. Ortloff and Martin Vogel, Spray Cooling Heat Transfer- Test and CFD Analysis, Electronics Cooling, June 2012. Available online at Electronics Cooling.

79-12    Daniel Parsaoran Siregar, Numerical simulation of evaporation and absorption of inkjet printed droplets, Ph.D. Thesis: Technische Universiteit Eindhoven, September 18, 2012, Copyright 2012 by D.P. Siregar, ISBN: 978-90-386-3190-5.

71-12   Jong-hyeon Chang, Kyu-Dong Jung, Eunsung Lee, Minseog Choi, Seungwan Lee, and Woonbae Kim, Varifocal liquid lens based on microelectrofluidic technology, Optics Letters, Vol. 37, Issue 21, pp. 4377-4379 (2012) http://dx.doi.org/10.1364/OL.37.004377

70-12   Jong-hyeon Chang, Kyu-Dong Jung, Eunsung Lee, Minseog Choi, and Seunwan Lee, Microelectrofluidic Iris for Variable ApertureProc. SPIE 8252, MOEMS and Miniaturized Systems XI, 82520O (February 9, 2012); doi:10.1117/12.906587

69-12   Jong-hyeon Chang, Eunsung Lee, Kyu-Dong Jung, Seungwan Lee, Minseog Choi, and  Woonbae Kim, Microelectrofluidic Lens for Variable CurvatureProc. SPIE 8486, Current Developments in Lens Design and Optical Engineering XIII, 84860X (October 11, 2012); doi:10.1117/12.925852.

61-12  Biddut Bhattacharjee, Study of Droplet Splitting in an Electrowetting Based Digital Microfluidic System, Thesis: Doctor of Philosophy in the College of Graduate Studies (Applied Sciences), The University of British Columbia, September 2012, © Biddut Bhattacharjee.

55-12 Hejun Li, Pengyun Wang, Lehua Qi, Hansong Zuo, Songyi Zhong, Xianghui Hou, 3D numerical simulation of successive deposition of uniform molten Al droplets on a moving substrate and experimental validation, Computational Materials Science, Volume 65, December 2012, Pages 291–301. Available for purchase online at SciVerse.

54-12   Edward P. Furlani, Anthony Nunez, Gianmarco Vizzeri, Modeling Fluid Structure-Interactions for Biomechanical Analysis of the Human Eye, Nanotech Conference & Expo, June 18-21, 2012, Santa Clara, CA.

53-12   Xinyun Wu, Richard D. Oleschuk and Natalie M. Cann, Characterization of microstructured fibre emitters in pursuit of improved nano electrospray ionization performance, The Royal Society of Chemistry 2012, http://pubs.rsc.org, DOI: 10.1039/c2an35249d, May 2012

25-12    Edward P. Furlani, Ioannis H. Karampelas and Qian Xie, Analysis of Pulsed Laser Plasmon-assisted Photothermal Heating and Bubble Generation at the Nanoscale, Lab on a Chip, 10.1039/C2LC40495H, Received 01 May 2012, Accepted 07 Jun 2012. First published on the web 13 Jun 2012.

22-12  R.A. Sultanov, D. Guster, Numerical Modeling and Simulations of Pulsatile Human Blood Flow in Different 3D-Geometries, Book chapter #21 in Fluid Dynamics, Computational Modeling and Applications (2012), ISBN: 978-953-51-0052-2, p. 475 [18 pages]. Available online at INTECH.

21-12  Guo-Wei Huang, Tzu-Yi Hung, and Chin-Tai Chen, Design, Simulation, and Verification of Fluidic Light-Guide Chips with Various Geometries of Micro Polymer Channels, NEMS 2012, Kyoto, Japan, March 5-8, 2012. Available for purchase online at IEEE.

103-11   Suk-Hee Park, Development of Three-Dimensional Scaffolds containing Electrospun Nanofibers and their Applications to Tissue Regeneration, Ph.D. Thesis: School of Mechanical, Aersospace and Systems Engineering, Division of Mechanical Engineering, KAIST, 2011.

81-11   Xinyun Wu, Modeling and Characterization of Microfabricated Emitters-In Pursuit of Improved ESI-MS Performance, thesis: Department of Chemistry, Queen’s University, December 2011, Copyright © Xinyun Wu, 2011

79-11  Cong Lu, A Cell Preparation Stage for Automatic Cell Injection, thesis: Graduate Department of Mechanical and Industrial Engineering, University of Toronto, Copyright © Cong Lu, 2011

77-11 Ge Bai, W. Thomas Leach, Computational fluid dynamics (CFD) insights into agitation stress methods in biopharmaceutical development, International Journal of Pharmaceutics, Available online 8 December 2011, ISSN 0378-5173, 10.1016/j.ijpharm.2011.11.044. Available online at SciVerse.

72-11  M.R. Barkhudarov, C.W. Hirt, D. Milano, and G. Wei, Comments on a Comparison of CFD Software for Microfluidic Applications, Flow Science Technical Note #93, FSI-11-TN93, December 2011

45-11  Chang-Wei Kang, Jiak Kwang Tan, Lunsheng Pan, Cheng Yee Low and Ahmed Jaffar, Numerical and experimental investigations of splat geometric characteristics during oblique impact of plasma spraying, Applied Surface Science, In Press, Corrected Proof, Available online 20 July 2011, ISSN 0169-4332, DOI: 10.1016/j.apsusc.2011.06.081. Available to purchase online at SciVers

33-11  Edward P. Furlani, Mark T. Swihart, Natalia Litchinitser, Christopher N. Delametter and Melissa Carter, Modeling Nanoscale Plasmon-assisted Bubble Nucleation and Applications, Nanotech Conference and Expo 2011, Boston, MA, June 13-16, 2011

32-11  Lu, Cong and Mills, James K., Three cell separation design for realizing automatic cell injection, Complex Medical Engineering (CME), 2011 IEEE/ICME, pp: 599 – 603, Harbin, China, 10.1109/ICCME.2011.5876811, June 2011. Available online at IEEEXplore.

25-11 Issam M. Bahadur, James K. Mills, Fluidic vacuum-based biological cell holding device with piezoelectrically induced vibration, Complex Medical Engineering (CME), 2011 IEEE/ICME International Conference on, 22-25 May 2011, pp: 85 – 90, Harbin, China. Available online at: IEEE Xplore.

14-11  Edward P. Furlani, Roshni Biswas, Alexander N. Cartwright and Natalia M. Litchinitser, Antiresonant guiding optofluidic biosensor, doi:10.1016/j.optcom.2011.04.014, Optics Communication, April 2011

05-11 Hyeju Eom and Keun Park, Integrated numerical analysis to evaluate replication characteristics of micro channels in a locally heated mold by selective induction, International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Volume 12, Number 1, 53-60, DOI: 10.1007/s12541-011-0007-x, 2011. Available online at: SpringerLink.

70-10  I.N. Volnov, V.S. Nagornyi, Modeling Processes for Generation of Streams of Monodispersed Fluid Droplets in Electro-inkjet Applications, Science and Technology News, St. Petersburg State Polytechnic University, 4, pp 294-300, 2010. In Russian.

62-10  F. Mobadersani, M. Eskandarzade, S. Azizi and S. Abbasnezhad, Effect of Ambient Pressure on Bubble Growth in Micro-Channel and Its Pumping Effect, ESDA2010-24436, pp. 577-584, doi:10.1115/ESDA2010-24436, ASME 2010 10th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis (ESDA2010), Istanbul, Turkey, July 12–14, 2010. Available online at the ASME Digital Library.

58-10 Tsung-Yi Ho, Jun Zeng, and Chakrabarty, K, Digital microfluidic biochips: A vision for functional diversity and more than moore, Computer-Aided Design (ICCAD), 2010 IEEE/ACM International Conference on, DOI: 10.1109/ICCAD.2010.5654199, © IEEE, November 2010. Available online at IEEE Explore.

51-10  Regina Bleul, Marion Ritzi-Lehnert, Julian Höth, Nico Scharpfenecker, Ines Frese, Dominik Düchs, Sabine Brunklaus, Thomas E. Hansen-Hagge, Franz-Josef Meyer-Almes, Klaus S. Drese, Compact, cost-efficient microfluidics-based stopped-flow device, Anal Bioanal Chem, DOI 10.1007/s00216-010-4446-5, Available online at Springer, November 2010

22-10    Krishendu Chakrabarty, Richard B. Fair and Jun Zeng, Design Tools for Digital Microfluidic Biochips Toward Functional Diversification and More than Moore, IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, Vol. 29, No. 7, July 2010

14-10 E. P. Furlani and M. S. Hanchak, Nonlinear analysis of the deformation and breakup of viscous microjets using the method of lines, International Journal for Numerical Methods in Fluids (2010), © 2010 John Wiley & Sons, Ltd., Published online in Wiley InterScience. DOI: 10.1002/fld.2205

55-09 R.A. Sultanov, and D. Guster, Computer simulations of  pulsatile human blood flow through 3D models of the human aortic arch, vessels of simple geometry and a bifurcated artery, Proceedings of the 31st Annual International Conference of the IEEE EMBS (Engineering in Medicine and Biology Society), Minneapolis, September 2-6, 2009, p.p. 4704-4710.

30-09 Anurag Chandorkar and Shayan Palit, Simulation of Droplet Dynamics and Mixing in Microfluidic Devices using a VOF-Based Method, Sensors & Transducers journal, ISSN 1726-5479 © 2009 by IFSA, Vol.7, Special Issue “MEMS: From Micro Devices to Wireless Systems,” October 2009, pp. 136-149.

13-09 E.P. Furlani, M.C. Carter, Analysis of an Electrostatically Actuated MEMS Drop Ejector, Presented at Nanotech Conference & Expo 2009, Houston, Texas, USA, May 3-7, 2009

12-09 A. Chandorkar, S. Palit, Simulation of Droplet-Based Microfluidics Devices Using a Volume-of-Fluid Approach, Presented at Nanotech Conference & Expo 2009, Houston, Texas, USA, May 3-7, 2009

3-09 Christopher N. Delametter, FLOW-3D Speeds MEMS Inkjet Development, Desktop Engineering, January 2009

42-08  Tien-Li Chang, Jung-Chang Wang, Chun-Chi Chen, Ya-Wei Lee, Ta-Hsin Chou, A non-fluorine mold release agent for Ni stamp in nanoimprint process, Microelectronic Engineering 85 (2008) 1608–1612

26-08 Pamela J. Waterman, First-Pass CFD Analyses – Part 2, Desktop Engineering, November 2008

09-08 M. Ren and H. Wijshoff, Thermal effect on the penetration of an ink droplet onto a porous medium, Proc. Eurotherm2008 MNH, 1 (2008)

04-08 Delametter, Christopher N., MEMS development in less than half the time, Small Times, Online Edition, May 2008

02-08 Renat A. Sultanov, Dennis Guster, Brent Engelbrekt and Richard Blankenbecler, 3D Computer Simulations of Pulsatile Human Blood Flows in Vessels and in the Aortic Arch – Investigation of Non-Newtonian Characteristics of Human Blood, The Journal of Computational Physics, arXiv:0802.2362v1 [physics.comp-ph], February 2008

01-08 Herman Wijshoff, thesis: University of Twente, Structure- and fluid dynamics in piezo inkjet printheads, ISBN 978-90-365-2582-4, Venlo, The Netherlands January 2008.

30-07 A. K. Sen, J. Darabi, and D. R. Knapp, Simulation and parametric study of a novel multi-spray emitter for ESI–MS applications, Microfluidics and Nanofluidics, Volume 3, Number 3, June 2007, pp. 283-298(16)

28-07 Dan Soltman and Vivek Subramanian, Inkjet-Printed Line Morphologies and Temperature Control of the Coffee Ring Effect, Langmuir; 2008; ASAP Web Release Date: 16-Jan-2008; (Research Article) DOI: 10.1021/la7026847

23-07 A K Sen and J Darabi, Droplet ejection performance of a monolithic thermal inkjet print head, Journal of Micromechanical and Microengineering,vol.17, pp.1420-1427 (2007) doi:10.1088/0960-1317/17/8/002; Abstract only.

18-07 Herman Wisjhoff, Better Printheads Via Simulation, Desktop Engineering, October 2007, Vol. 13, Issue 2

17-07 Jos de Jong, Ph.D. Thesis: University of Twente, Air entrapment in piezo inkjet printing, ISBN 978-90-365-2483-4, April 2007

15-07 Krishnendu Chakrabarty and Jun Zeng, (Ed.), Design Automation Methods and Tools for Microfluidics-Based Biochips, Springer, September 2006.

14-07 Fei Su and Jun Zeng, Computer-aided design and test for digital microfluidics, IEEE Design & Test of Computers, 24(1), 2007, 60-70.

13-07 Jun Zeng, Modeling and simulation of electrified droplets and its application to computer-aided design of digital microfluidics, IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, 25(2), 2006, 224-233.

12-07 Krishnendu Chakrabarty and Jun Zeng, (2005), Automated top-down design for microfluidic biochips, ACM Journal on Emerging Technologies in Computing Systems, 1(3), 2005, 186–223.

01-07 Wijshoff, Herman, Drop formation mechanisms in piezo-acoustic inkjet, NSTI-Nanotech 2007, ISBN 1420061844 Vol. 3, 2007)

23-06 John J. Uebbing, Stephan Hengstler, Dale Schroeder, Shalini Venkatesh, and Rick Haven, Heat and Fluid Flow in an Optical Switch Bubble, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 15, No. 6, December 2006

21-06 Wijshoff, Herman, Manipulating Drop Formation in Piezo Acoustic Inkjet, Proc. IS&T’s NIP22, 79 (2006)

20-06 J. de Jong, H. Reinten, M. van den Berg, H. Wijshoff, M. Versluis, G. de Bruin, A. Prosperetti and D. Lohse, Air entrapment in piezo-driven inkjet printheads, J. Acoust. Soc. Am. 120(3), 1257 (2006)

11-06 A. K. Sen, J. Darabi, D. R. Knapp and J. Liu, Modeling and Characterization of a Carbon Fiber Emitter for Electrospray Ionization, 1 MEMS and Microsystems Laboratory, Department of Mechanical Engineering, University of South Carolina, 300 Main Street, Columbia, SC 29208, USA, 2 Department of Pharmacology, Medical University of South Carolina, Charleston, SC

5-06 E. P. Furlani, B. G. Price, G. Hawkins, and A. G. Lopez, Thermally Induced Marangoni Instability of Liquid Microjets with Application to Continuous Inkjet Printing, Proceedings of NSTI Nanotech Conference 2006, Vol. 2, pp 534-537.

28-05 O B Fawehinmi, P H Gaskell, P K Jimack, N Kapur, and H M Thompson, A combined experimental and computational fluid dynamics analysis of the dynamics of drop formation, May 2005. DOI: 10.1243/095440605X31788

5-05 E. P. Furlani, Thermal Modulation and Instability of Newtonian Liquid Microjets, presented at Nanotech 2005, Anaheim, CA, May 8-12, 2005.

1-05 C.W. Hirt, Electro-Hydrodynamics of Semi-Conductive Fluids: With Application to Electro-Spraying, Flow Science Technical Note #70, FSI-05-TN70

19-04 G. F. Yao, Modeling of Electroosmosis Without Resolving Physics Inside a Electric Double Layer, Flow Science Technical Note (FSI-04-TN69)

12-04 Jun Zeng and Tom Korsmeyer, Principles of Droplet Electrohydrodynamics for Lab-on-a-Chip, Lab. Chip. Journal, 2004, 4(4), 265-277

9-04 Constantine N. Anagnostopoulos, James M. Chwalek, Christopher N. Delametter, Gilbert A. Hawkins, David L. Jeanmaire, John A. Lebens, Ali Lopez, and David P. Trauernicht, Micro-Jet Nozzle Array for Precise Droplet Metering and Steering Having Increased Droplet Deflection, Proceedings of the 12th International Conference on Solid State Sensors, Actuators and Microsystems, sponsored by IEEE, Boston, June 8-12, 2003, pp. 368-71

8-04 Christopher N. Delametter, David P. Trauernicht, James M. Chwalek, Novel Microfluidic Jet Deflection – Significant Modeling Challenge with Great Application Potential, Technical Proceedings of the 2002 International Conference on Modeling and Simulation of Microsystems sponsored by NSTI, San Juan, Puerto Rico, April 21-25, 2002, pp. 44-47

6-04 D. Vadillo*, G. Desie**, A Soucemarianadin*, Spreading Behavior of Single and Multiple Drops, *Laboratoire des Ecoulements Geophysiques et Industriels (LEGI), and **AGFA-Gevaert Group N.V., XXI ICTAM, 15-21 August 2004, Warsaw, Poland

2-04 Herman Wijshoff, Free Surface Flow and Acousto-Elastic Interaction in Piezo Inkjet, Nanotech 2004, sponsored by the Nano Science & Technology Institute, Boston, MA, March 2004

30-03 D Souders, I Khan and GF Yao, Alessandro Incognito, and Matteo Corrado, A Numerical Model for Simulation of Combined Electroosmotic and Pressure Driven Flow in Microdevices, 7th International Symposium on Fluid Control, Measurement and Visualization

27-03 Jun Zeng, Daniel Sobek and Tom Korsmeyer, Electro-Hydrodynamic Modeling of Electrospray Ionization – CAD for a µFluidic Device-Mass Spectrometer Interface, Agilent Technologies Inc, paper presented at Transducers 2003, June 03 Boston (note: Reference #10 is to FLOW-3D)

17-03 John Uebbing, Switching Fiber-optic Circuits with Microscopic Bubbles, Sensors Magazine, May 2003, Vol 20, No 5, p 36-42

16-03 CFD Speeds Development of MEMS-based Printing Technology, MicroNano Magazine, June 2003, Vol 8, No 6, p 16

3-03 Simulation Speeds Design of Microfluidic Medical Devices, R&D Magazine, March 2003, pp 18-19

1-03 Simulations Help Microscopic Bubbles Switch Fiber-Optic Circuits, Agilent Technologies, Fiberoptic Product News, January 2003, pp 22-23

27-02 Feng, James Q., A General Fluid Dynamic Analysis of Drop Ejection in Drop-on-Demand Ink Jet Devices, Journal of Imaging Science and Technology®, Volume 46, Number 5, September/October 2002

1-02 Feixia Pan, Joel Kubby, and Jingkuang Chen, Numerical Simulation of Fluid Structure Interaction in a MEMS Diaphragm Drop Ejector, Xerox Wilson Research Center, Institute of Physics Publishing, Journal of Micromechanics and Microengineering, 12 (2002), PII: SO960-1317(02)27439-2, pp. 70-76

48-01   Rainer Gruber, Radial Mass Transfer Enhancement in Bubble-Train Flow, PhD thesis in Engineering Sciences, Rheinisch- Westf alischen Technische Hochschule Aachen, December 2001.

34-01 Furlani, E.P., Delametter, C.N., Chwalek, J.M., and Trauernicht, D., Surface Tension Induced Instability of Viscous Liquid Jets, Fourth International Conference on Modeling and Simulation of Microsystems, April 2001

12-01 C. N. Delametter, Eastman Kodak Company, Micro Resolution, Mechanical Engineering, Col 123/No 7, July 2001, pp 70-72

11-01 C. N. Delametter, Eastman Kodak Company, Surface Tension Induced Instability of Viscous Liquid Jets, Technical Proceeding of the Fourth International Conference on Modeling and Simulation of Microsystems, April 2001

9-01 Aman Khan, Unipath Limited Research and Development, Effects of Reynolds Number on Surface Rolling in Small Drops, PVP-Col 431, Emerging Technologies for Fluids, Structures and Fluids, Structures and Fluid Structure Interaction — 2001

2-00 Narayan V. Deshpande, Significance of Inertance and Resistance in Fluidics of Thermal Ink-Jet Transducers, Journal of Imaging Science and Technology, Volume 40, Number 5, Sept./Oct. 1996, pp.457-461

4-98 D. Deitz, Connecting the Dots with CFD, Mechanical Engineering Magazine, pp. 90-91, March 1998

14-94 M. P. O’Hare, N. V. Deshpande, and D. J. Drake, Drop Generation Processes in TIJ Printheads, Xerox Corporation, Adv. Imaging Business Unit, IS&T’s Tenth International Congress on Advances in Non-Impact Printing, Tech. 1994

14-92 Asai, A.,Three-Dimensional Calculation of Bubble Growth and Drop Ejection in a Bubble Jet Printer, Journal of Fluids Engineering Vol. 114 December 1992:638-641

MEMS/WELD 분야

Microfluidics

Microfluidics는 집적 회로 산업에서 사용되는 것과 유사한 공정을 사용하여 소형 기기의 제조에 급격하게 성장하는 기술입니다. Microfluidics 기술은 0.1 미크론에서 1mm에 이르기까지 매우 작은 장치로 기계, 유체, 광학, 전자 기능을 통합 할 수있는 방법을 제공합니다. Microfluidics는 기존의 방법과 비교하면 두 가지 중요한 장점이 있습니다. 첫째, 대량으로 제조 될 수 있으므로, 생산의 비용이 실질적으로 감소 될 수 있습니다. 둘째, 집적 회로에 통합 될 수 있어서 다른 기술보다 훨씬 더 복잡한 시스템으로 제조 될 수 있습니다.

Chip packaging simulation. Results generated by FLOW-3D/MP, FLOW-3D‘s HPC solution.

엔지니어 및 과학자가 설계, 시험 제작하고 그 성능을 최적화하기 위해 장치를 재 설계하는 등, 다른 제조 방법에서와 같이 microfluidics 설계 프로세스는 매우 고가 일 수 있습니다. 그러나, 수치 시뮬레이션은 전자, 기계, 화학, 열 과학 및 유체 과학 등의 분야에 걸쳐 정량 분석과 중요한 통찰력을 제공 할 수 있습니다.

laser-sintering

 

분야별 적용사례

FLOW-3D 는 다양한 CFD 응용 분야에서 가장 까다로운 자유 표면 유동 시뮬레이션을 해결하기 위해 Fortune 500 대 기업에서 소규모 가족 소유 기업에 이르기까지 전 세계적으로 R & D 및 생산 환경에서 사용됩니다. 당사가 서비스를 제공하는 주요 산업에서 FLOW-3D 로수행 할 수있는 작업의 샘플을 보려면 오른쪽 링크를 따르십시오.

FLOW-3D  는 자유 표면 모델링이 널리 사용되는 산업에서 지배적입니다. 금속 주조에서 충전 중에 금속 전면을 추적하는 것은 주조 결함과 주조되는 부품의 상태 및 정밀도를 예측하는 데 중요합니다. 또한, 유체의 유동 및 열전달 해석이 필요한 수리, 주조, 조선/해양, 항공/우주, 자동차, MEMS 등 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. 각 분야에서 FLOW-3D를 적용한 사례들을 확인해 보시기 바랍니다.

  • 수자원 공학 분야 : spillways, 댐 붕괴, 홍수 사건, 쓰나미, 물 회수 및 하수 시스템을 통한 물 흐름을 추적하는 것이 얼마나 중요한지 무시할 수 없습니다.
  • 항공 우주 분야 : FLOW-3D 사용하여 항공기의 탱크, 특히 우주선의 연료 유출을 정확하게 설명합니다. 
  • 적층 제조 분야 :  FLOW-3D 는 적층 제조분야에서 상용으로 사용할 수 있는 유일한 CFD소프트웨어 중 하나로, 파우더 베드 퓨전과 같은 다양한 정교한 적층 제조 프로세스를 상세한 수준으로 모델링 할 수 있습니다.
  • 레이저 용접 분야 : FLOW-3D  는 용융 풀 역학분야에서  용접 이음매의 일관성과 강도에 중요한 역할을 하는 레이저 용접에 사용됩니다 .
  • 자동차 산업 분야 :  FLOW-3D  는 변속기 및 기어 모델링, 냉각 및 연료 시스템에서 가장 까다로운 문제에 사용됩니다.  
  • 소비자 제품 개발 분야 : FLOW-3D  는 샴푸 및 세제 병 채우기와 같은 소비자 제품 모델링에 널리 사용됩니다 .
  • 미세 유체 분야 : FLOW-3D 현재 3D 프린팅으로 변모하고 있는 잉크젯 프린팅 산업을 압도하고 있습니다. 
  • 생물 의학 응용 분야 : 자유 표면 분석에 문제가 발생할 때마다,  FLOW-3D 는 이러한 시스템을 시뮬레이션하는데 탁월합니다.
  • 코팅분야 연구개발 :  FLOW-3D  는 코팅분야 연구개발에 매우 자주 사용됩니다.

회사 소개

소개

STI C&D는 세상을 이롭게 하는 기술을 만들어가기 위해 노력하고 있습니다.

지속적인 기술 혁신을 통해 인류의 보다 나은 삶을 위한 기초기술 개발과 친환경 기술개발에 매진하고 있습니다. 

국내 최고의 국가 연구기관 및 학계와 함께 제품개발 연구활동을 수행하고 있으며, 고객사들이 세계적인 경쟁력을 갖출 수 있도록 선진 기술보급에도 노력하고 있습니다.

저희와 함께 해주시고 지켜봐 주십시오.
감사합니다.

  • 설립일 : 1997 년 11 월
  • 위치 : ( 본사 ) 서울시 금천구 가산동 우림라이온스밸리 B 동 301~2 호

사업 영역

당사는 엔지니어링 전문 기술서비스 업체로 다음과 같은 분야에서 탁월한 기술 서비스를 제공하고 있습니다 .

  • 국내유일의 수치해석 프로그램 (FLOW-3D) 공급 및 기술지원 – 한국총판
  • 수치해석 기술 컨설팅 전문 회사로 오랜 경험과 노하우를 바탕으로 차별화된 전문 기술 서비스 제공
  • 해양, 댐, 수처리, 주조, 철강, 조선, 항공/우주 분야, MEMS, 바이오 등 다양한 산업분야의 전문 해석
  • 용접 , Laser Welding, 3D 프린팅 해석
  • 첨단 제조 , 제철 , 우주항공 , 바이오 분야 수치해석컨설팅 및 연구용역
  • 엔지니어링 소프트웨어 개발
  • 사이펀 여수로 , 취수사이펀 시공설치

대표이사 인사말

(주)에스티아이C&D는 고품질 엔지니어링 서비스인 수치해석, 엔지니어링 S/W 개발 등 선진 기술개발에 힘쓰고 있습니다.

국내 최고의 기술력과 수치해석 경험을 통해 수처리분야의 댐해석, 강과 하천, 정수장, 하폐수처리장, 바이오 배양시설 및 첨단 제품 개발을 위한 자동차 부품개발, 전자, 주조, 철강 등 고난이도 수치해석 컨설팅 및 엔지니어링 소프트웨어를 개발 제공하고 있습니다.

고객의 성공이 최상의 가치임을 알기에 언제나 고객 여러분의 의견에 귀 기울이고 고객과 함께 성장하도록 최선을 다하겠습니다. 여러분의 관심과 조언을 부탁 드립니다.

대표이사 홍기원

주요 고객사

STI C&D 주요 고객사
STI C&D 주요 고객사

수치해석 (CFD) 분야 소개

FLOW-3D 공급 기술지원

  • FLOW-3D 의 국내 독점 공급 및 기술지원
  • FLOW-3D 의 정기 및 비정기 교육지원과 기술지원
  • 국내 대학 및 국가연구기관 교육 및 세미나

엔지니어링 수치해석 기술 컨설팅 용역

  • 홍수 시 하천 , 수리구조물의 3 차원적 영향검토
  • 댐 , 여수로 , 갑문 등 수리구조물의 다양한 설계안 3 차원 동수역학적 검토 및 최적 설계안 도출
  • 정수장 , 하수처리장 3 차원 유량분배 , 유동현상 등의 검토
  • 발전소 취배수로의 3 차원 유동해석을 통한 평면배치 및 적정규모 검토 , 증설 영향등 검토
  • 기계 , MEMS, 항공 , 조선 등 다양한 분야의 열전달 및 유체 유동에 대한 해석
  • 금형설계 및 주조품 결함예측에 관련된 Die Casting 분야 해석
  • 제강 , 연주 공정 , 열유동 , 응고해석 등 철강분야 3 차원 유동해석

오시는 길