Innowacyjny zrobotyzowany mechanizm XYZ ześrubami prowadzącymi, wpasowującymi podsystem kontroli ruchu do konstrukcji o mniejszej zajmowanej powierzchni, stanowi istotny element w systemach przyspieszających analizę naukowych próbek
Wykorzystując połączenie śruby prowadzącej oraz dwie szyny z wałkiem wielowypustowym, podsystem ruchu nowego systemu chromatografii cieczy oszczędza miejsce dzięki zastosowaniu wielowypustowej szyny zarówno jako urządzenia prowadzącego liniowo, jak i członu napędzającego w kierunku Z. Wszystko to w celu skutecznego przenoszenia próbek cieczy.
OGRANICZENIE przestrzeni wykorzystywanej przez systemy ACQUITY Liquid Chromatography™ produkcji Waters Corp., wymaga użycia mniejszych wewnętrznych komponentów, zarówno w głównym urządzeniu, jak i w module opcjonalnym, który mieści 21 dodatkowych płytek zawierających próbki
Postęp w chromatografii cieczy
Nowe systemy chromatografii cieczy ACQUITY Ultra Performance Liquid Chromatography™ (UPLC) z Waters Corp. stworzyły nową kategorię w nauce rozdzielania. Wspomniane systemy wykorzystują cząsteczki o wielkości 1,7 μm, aby zapewnić laboratoriom do dziewięciu razy większą przepustowość, trzy razy większą standardową czułość oraz dwukrotnie większą rozdzielczość lub szczytową wydajność, niż uzyskują dzisiejsze przyrządy HPLC z większymi cząsteczkami.
Proces UPLC skraca czas analizy każdej próbki z jednej minuty do minimalnego czasu analizy wynoszącego 15 sekund. Firma twierdzi, że dzięki zwiększonej rozdzielczości, czułości oraz prędkości, UPLC bardzo zwiększa wydajność oraz dostarcza naukowcom znacznie więcej informacji w pojedynczym przebiegu.
Wyzwanie stojące przed konstrukcją: mniej miejsca
Kiedy okazało się, że parametry systemu ACQUITY stanowią najważniejszy priorytet inżynierów konstruujących produkt, zespół pracował również na rzecz systemu zajmującego dużo mniej miejsca. Mniejsza konstrukcja zajmuje mniej cennej przestrzeni stołu laboratoryjnego i gwarantuje, że użytkownicy mogą o wiele łatwiej układać i aranżować różne moduły. Zrealizowanie tego celu wymaga użycia mniejszych wewnętrznych komponentów, zarówno w głównym urządzeniu, jak i w module opcjonalnym, który mieści 21 dodatkowych płytek próbek. Według Kena Planta, głównego inżyniera projektu Waters UPLC, początkowe starania zmierzające do stworzenia wymaganych części, nie dały żądanych rezultatów.
Opracowane na zamówienie rozwiązanie ruchu
Aby zaprojektować nowy mechanizm, Plant pracował z firmą Kerk Motion Products nad stworzeniem stanowiska zarządzania próbek, które mogłoby spełnić wymagania ograniczenia wielkości i zapewnić większą prędkość oraz lepsze parametry niezbędne dla koncepcji UPLC.
– Gdy inni sprzedawcy handlowali towarami prosto z półki, produkty firmy Kerk pozwalały na dostosowanie ich do własnych potrzeb i zapewniały elastyczność – mówi Plant. – Kerk był skłonny dostosować swoje komponenty i zapewnić, że wpasowałyby się do naszego systemu.
W stanowisku zarządzania próbek, podsystem ruchu napędza zautomatyzowany mechanizm XYZ trzymający igłę, która pobiera próbkę cieczy z każdej płytki próbki. W celu uzyskania ruchów „X” oraz „Y”, ramię ACQUITY zawiera jedną ćwierćcalową śrubę prowadzącą firmy Kerk oraz dwie specjalnie przystosowane nakrętki tej samej firmy. Ruch w osi „Z” jest realizowany przez dwa wielowypustowe wałki oraz wielowypustowe tulejki.
W opcjonalnym organizatorze próbek, do wywoływania ruchu wzdłuż osi „Z” wykorzystywana jest calowa śruba prowadząca oraz nakrętka eliminująca luz, pozwalając zautomatyzowanej maszynie przewozić do 21 płytek z próbkami, tam i z powrotem, do stanowiska zarządzania próbkami.
Oszczędzanie miejsca
Konstrukcja systemu ACQUITY wykorzystuje śrubę prowadzącą oraz dwie szyny z wałkami wielowypustowymi, które biegną równolegle do śruby prowadzącej, umieszczonej centralnie pomiędzy tymi wałkami. Jedna oś posuwa się wzdłuż śruby, lecz istnieje również potrzeba dla dwóch ruchów w osi Z – wszystko w tej samej przestrzeni. Kluczowym aspektem konstrukcji jest wykorzystanie wielowypustowej szyny jako liniowo przesuwającego urządzenia oraz jako członu napędzającego w kierunku Z. Dzięki posiadaniu dwóch liniowych wałków wielowypustowych, konstrukcja powoduje ruch w kierunku Z, przez napędzanie jednego lub drugiego wałka wielowypustowego.
– Szyny obsługują podwójny cel zapewnienia ruchu przesuwnego, jak również zadania członu napędowego zespołu karetki osi Z – mówi Bob Hawkins, inżynier zastosowań w Kerk Motion, który pracował przy projekcie. – System ustawia się nad tacą z próbkami, a gdy znajdzie się nad butelką, przebija jej wierzch za pomocą wydrążonej igły. Druga oś Z wkłada przez ten otwór rurkę, w celu pobrania cieczy z próbki. Do przebicia wymagana jest stosunkowo duża siła, lecz druga oś Z siły tej prawie wcale nie wymaga.
Konstrukcja dopasowanego koła pasowego
Innym wyzwaniem projektu okazało się być ułożenie koła pasowego na wałkach wielowypustowych. W obszarze współpracy kombinacji kółko pasowe/ suwak, grubość ścianki spadała do wartości 10 tysięcznych cala. Zespół próbował różnych podejść, ponieważ kółka mają tak niewielki rozmiar, że były obawy dotyczące współśrodkowości i sprzęgnięcia z wypustami. Na końcach kółek pasowych, na zewnątrz paska, łożyskowanie każdej strony kółka wspiera karetkę, gdy przesuwa się ona tam i z powrotem.
– Początkowo zaczynaliśmy z aluminiową oprawą kółka pasowego, przewiercaliśmy pośrodku i wprasowywaliśmy w kompozytową panewkę wielowypustową – mówi Hawkins. – Ulegała ona przekręceniu, gdyż ścianki były zbyt cienkie do wykorzystania tradycyjnych wpustów lub innych metod łączenia dwóch komponentów. Wewnętrzne panewki mogły obrócić się, ponieważ moment obrotowy był zbyt duży. Nie mogliśmy uzyskać niezawodnej metody mocowania tych dwóch komponentów. Co więcej, tuleje w aluminiowych kółkach pasowych, nawet mimo obróbki ich powierzchni przez anodyzowanie TFE, stale zużywały się w stopniu nie do przyjęcia.
W wyniku tego, zespół określił materiał jako stal nierdzewną serii 300 i, wraz z kółkiem pasowym, wytwarzane są tuleje ze stali nierdzewnej 303, które z kolei wprasowane są na końcach usztywniając panewki. Kółka są prasowane, obrabiane, przeciągane i w nie wprasowywane są tuleje. Całe kółko pasowe ma długość mniejszą niż ½ cala (12,27 mm).
Dążenie do niezawodności
Wraz z konstrukcją, która mogłaby działać, spełniając potrzeby niewielkiej przestrzeni oraz wymaganych funkcji, w centrum zainteresowania leży też… niezawodność.
– Zwłaszcza wszystko, co jest stosowane w laboratoriach i medycynie musi być mniejsze, bardziej niezawodne i tańsze – mówi Hawkins. – Do wielowypustowych wałków wykorzystaliśmy pokrycie Kerkote® TFE, co miało na celu zmniejszenie tarcia oraz ograniczenie zużycia, co ma kluczowe znaczenie dla tych zastosowań, gdyż nie ma zbyt wiele materiału, który mógłby się zużywać. Wszelkie zużycie wielowypustowego wałka oraz/ lub panewki, mogłoby skutkować utratą ruchu obrotowego.
Autor: TEKST: AL PRESHER
