Informace o kvalifikační práci Konstrukce a automatizace provozu experimentálního laserového ablačního systému
pro cenově dostupnou a konkurenceschopnou produkci nanočástic
Tato diplomová práce se zabývá návrhem a konstrukcí automatizovaného laserového ablačního systému pro cenově dostupnou a konkurenceschopnou výrobu nanočástic. Tento navržený a sestavený
systém bude sloužit ke zvýšení výroby nanočástic pomocí metodiky známé jako laserová ablace v kapalinách. Hlavním tématem
práce je návrh jednotlivých komponent potřebných k automatizaci
procesu výroby nanočástic tak, aby většinu jejich částí bylo možné
vytisknout pomocí snadno dostupné 3D tiskárny. Dále bylo navrženo a naprogramováno prostředí pro řízení všech automatizačních
komponent, které umožňuje snadnou kontrolu procesu a opakovatelnost jednotlivých testů. Výtěžnost výroby nanočástic nově vytvořeného systému byla následně testována a porovnána s klasickým
a manuálním nastavením laserové ablace v kapalinách. Toto měření ukázalo, že tento automatický systém je krok správným směrem,
což znamená, že výroba nanomateriálů pomocí laseru, často kritizovaná kvůli nízké produkci, není slepou uličkou. Celkově může tato
práce představovat zásadní průlom ve výrobě nanočástic a pomoci
rozšířit automatizaci laserové ablace v kapalinách.
Anotace v angličtině
This diploma thesis deals with the design and construction of an
automated laser ablation system for affordable and competitive production of nanoparticles. This designed and assembled system will
serve to increase the production of nanoparticles using the methodology known as laser ablation in liquids. The main topic of the
work is the design of individual components needed to automate the nanoparticle production process so that most of their parts
can be printed using an easily accessible 3D printer. Furthermore, an environment was designed and programmed to control all
automation components, allowing easy control of the process and
repeatability of individual tests. The nanoparticle production yield
of the newly created system was subsequently tested and compared
with the classical and manual laser ablation in liquids setup. This
measurement has shown that this automatic system is a step in
the right direction, implying that the laser-mediated production of
nanomaterials, often critisized due to their low production, is not
a dead end. Overall, this work can represent a drastic breakthrough
in nanoparticle production and help expand the automation of laser
ablation in liquids.
Klíčová slova
Ablace, Automatizace, Arduino, Nanočástice, Komora, LAL, 3D tisk
Klíčová slova v angličtině
Ablation, Automation, Arduino, Nanoparticle, Chamber, LAL, 3D printing
Rozsah průvodní práce
77 stran
Jazyk
CZ
Anotace
Tato diplomová práce se zabývá návrhem a konstrukcí automatizovaného laserového ablačního systému pro cenově dostupnou a konkurenceschopnou výrobu nanočástic. Tento navržený a sestavený
systém bude sloužit ke zvýšení výroby nanočástic pomocí metodiky známé jako laserová ablace v kapalinách. Hlavním tématem
práce je návrh jednotlivých komponent potřebných k automatizaci
procesu výroby nanočástic tak, aby většinu jejich částí bylo možné
vytisknout pomocí snadno dostupné 3D tiskárny. Dále bylo navrženo a naprogramováno prostředí pro řízení všech automatizačních
komponent, které umožňuje snadnou kontrolu procesu a opakovatelnost jednotlivých testů. Výtěžnost výroby nanočástic nově vytvořeného systému byla následně testována a porovnána s klasickým
a manuálním nastavením laserové ablace v kapalinách. Toto měření ukázalo, že tento automatický systém je krok správným směrem,
což znamená, že výroba nanomateriálů pomocí laseru, často kritizovaná kvůli nízké produkci, není slepou uličkou. Celkově může tato
práce představovat zásadní průlom ve výrobě nanočástic a pomoci
rozšířit automatizaci laserové ablace v kapalinách.
Anotace v angličtině
This diploma thesis deals with the design and construction of an
automated laser ablation system for affordable and competitive production of nanoparticles. This designed and assembled system will
serve to increase the production of nanoparticles using the methodology known as laser ablation in liquids. The main topic of the
work is the design of individual components needed to automate the nanoparticle production process so that most of their parts
can be printed using an easily accessible 3D printer. Furthermore, an environment was designed and programmed to control all
automation components, allowing easy control of the process and
repeatability of individual tests. The nanoparticle production yield
of the newly created system was subsequently tested and compared
with the classical and manual laser ablation in liquids setup. This
measurement has shown that this automatic system is a step in
the right direction, implying that the laser-mediated production of
nanomaterials, often critisized due to their low production, is not
a dead end. Overall, this work can represent a drastic breakthrough
in nanoparticle production and help expand the automation of laser
ablation in liquids.
Klíčová slova
Ablace, Automatizace, Arduino, Nanočástice, Komora, LAL, 3D tisk
Klíčová slova v angličtině
Ablation, Automation, Arduino, Nanoparticle, Chamber, LAL, 3D printing
Zásady pro vypracování
Cíle:
Řízení experimentálního uspořádání laserové ablace v kapalinách na bázi Arduina k zajištění dostupné a konkurenceschopné produktivity nanočástic.
Snížení nákladů spojených s hardwarem vytištěním většiny konstrukčních částí zasahujících do tohoto řešení pomocí 3D tiskárny a využití převážně open-source softwaru pro jejich řízení.
Připravit uživatelsky přívětivé grafické rozhraní pro kontrolu experimentů laserové ablace za účelem snížení rizik spojených s provozem výkonných laserů a maximalizace reprodukovatelnosti experimentu.
\hfill \break
ZÁSADY PRO VYPRACOVÁNÍ:
Obecným cílem práce je návrh a automatizace metody syntézy nanočástic (NČ) pomocí laseru, známé jako laserová ablace v kapalinách (LAL). Na rozdíl od současných postupů přijatých u špiček v oboru (Ref. 2 a 3), budeme sledovat cenově dostupnou perspektivu založenou na využití 3D tištěných částí řízených open-source softwarem. Konkrétně budou zkonstruovány dvě peristaltické pumpy schopné dosáhnout průtoku 250 ml/min, jedna ozařovací komora a jeden lineární krokáč. Tyto čtyři prvky budou vytvořeny pomocí 3D tiskárny s vyloučením krokových motorů, křemíkových trubek, šroubů, pružin, automatizačního hardwaru obecně a křemenného okénka v ozařovací komoře, které je nezbytné k tomu, aby se laserový paprsek dostal k materiálu, který bude ablován, tj. budou vytištěny pouze konstrukční části. Motory tvořící peristaltické pumpy a lineární krokový ovladač budou řízeny pomocí open-source elektronické platformy Arduino.
Kromě toho bude použita webová kamera pro sledování ohniska laserového paprsku, což souvisí s účinností výroby NČ. Tyto informace nám pomohou pohybovat ablační komorou kolmo k dráze laserového paprsku pomocí lineárního krokového ovladače a upravit tak polohu komory tak, aby byla ablace co největší. Peristaltická čerpadla navíc budou do ablační komory vstřikovat kapalinu, takže ablovaný materiál bude zachycen v kapalině. Problém řízení bude spočívat ve dvou hlavních aspektech: paralelní komunikace s jednotlivými prvky, tj. motory a webovou kamerou, jejichž ovládání musí být synchronizováno, aby byla zajištěna maximální ablace, a tedy maximální produkce NČ. A překonání problémů souvisejících se správným odečtem intenzity, zatímco světlo vycházející z plazmatu bude na své cestě potkávat proudící kapalinu. Nakonec bude vytvořeno snadno ovladatelné grafické rozhraní pro spuštění experimentu prostřednictvím grafického rozhraní Arduino + Matlab.
Souhrnně lze říci, že otevřený přístup a levná povaha této diplomové práce bude představovat krok vpřed k urychlení pokroku ve výrobě NČ pomocí LAL (alternativní technika syntézy NČ s potenciálem stát se hlavní volbou vědců) tím, že zpřístupní tuto technologii a umožní její dostupnost novým výzkumným týmům s čerstvými nápady, které mají o tuto oblast zájem.
Zásady pro vypracování
Cíle:
Řízení experimentálního uspořádání laserové ablace v kapalinách na bázi Arduina k zajištění dostupné a konkurenceschopné produktivity nanočástic.
Snížení nákladů spojených s hardwarem vytištěním většiny konstrukčních částí zasahujících do tohoto řešení pomocí 3D tiskárny a využití převážně open-source softwaru pro jejich řízení.
Připravit uživatelsky přívětivé grafické rozhraní pro kontrolu experimentů laserové ablace za účelem snížení rizik spojených s provozem výkonných laserů a maximalizace reprodukovatelnosti experimentu.
\hfill \break
ZÁSADY PRO VYPRACOVÁNÍ:
Obecným cílem práce je návrh a automatizace metody syntézy nanočástic (NČ) pomocí laseru, známé jako laserová ablace v kapalinách (LAL). Na rozdíl od současných postupů přijatých u špiček v oboru (Ref. 2 a 3), budeme sledovat cenově dostupnou perspektivu založenou na využití 3D tištěných částí řízených open-source softwarem. Konkrétně budou zkonstruovány dvě peristaltické pumpy schopné dosáhnout průtoku 250 ml/min, jedna ozařovací komora a jeden lineární krokáč. Tyto čtyři prvky budou vytvořeny pomocí 3D tiskárny s vyloučením krokových motorů, křemíkových trubek, šroubů, pružin, automatizačního hardwaru obecně a křemenného okénka v ozařovací komoře, které je nezbytné k tomu, aby se laserový paprsek dostal k materiálu, který bude ablován, tj. budou vytištěny pouze konstrukční části. Motory tvořící peristaltické pumpy a lineární krokový ovladač budou řízeny pomocí open-source elektronické platformy Arduino.
Kromě toho bude použita webová kamera pro sledování ohniska laserového paprsku, což souvisí s účinností výroby NČ. Tyto informace nám pomohou pohybovat ablační komorou kolmo k dráze laserového paprsku pomocí lineárního krokového ovladače a upravit tak polohu komory tak, aby byla ablace co největší. Peristaltická čerpadla navíc budou do ablační komory vstřikovat kapalinu, takže ablovaný materiál bude zachycen v kapalině. Problém řízení bude spočívat ve dvou hlavních aspektech: paralelní komunikace s jednotlivými prvky, tj. motory a webovou kamerou, jejichž ovládání musí být synchronizováno, aby byla zajištěna maximální ablace, a tedy maximální produkce NČ. A překonání problémů souvisejících se správným odečtem intenzity, zatímco světlo vycházející z plazmatu bude na své cestě potkávat proudící kapalinu. Nakonec bude vytvořeno snadno ovladatelné grafické rozhraní pro spuštění experimentu prostřednictvím grafického rozhraní Arduino + Matlab.
Souhrnně lze říci, že otevřený přístup a levná povaha této diplomové práce bude představovat krok vpřed k urychlení pokroku ve výrobě NČ pomocí LAL (alternativní technika syntézy NČ s potenciálem stát se hlavní volbou vědců) tím, že zpřístupní tuto technologii a umožní její dostupnost novým výzkumným týmům s čerstvými nápady, které mají o tuto oblast zájem.
Seznam doporučené literatury
\renewcommand{\labelenumi}{[\theenumi]}
BARCIKOWSKI, S., et al. Handbook of Laser Synthesis & Processing of Colloids. 2019.
CRIVELLARO, Simone, et al. A system for the synthesis of nanoparticles by laser ablation in liquid that is remotely controlled with PC or smartphone. Review of Scientific Instruments, 2019, vol. 90, no 3, p. 033902.
STREUBEL, René; BARCIKOWSKI, Stephan; GÖKCE, Bilal. Continuous multigram nanoparticle synthesis by high-power, high-repetition-rate ultrafast laser ablation in liquids. Optics letters, 2016, vol. 41, no 7, p. 1486-1489.
ZHANG, Dongshi; GOKCE, Bilal; BARCIKOWSKI, Stephan. Laser synthesis and processing of colloids: fundamentals and applications. Chemical reviews, 2017, vol. 117, no 5, p. 3990-4103.
WILCHER, Donald. Motion Control with an Arduino: Servo and Stepper Motor Controls. En Learn Electronics with Arduino. Apress, Berkeley, CA, 2012. p. 89-117.
MATIJEVIC, Milan; CVJETKOVIC, Vladimir. Overview of architectures with Arduino boards as building blocks for data acquisition and control systems. En 2016 13th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation (REV). IEEE, 2016. p. 56-63.
LOSCRI, Valeria; MITTON, Nathalie; COMPAGNONE, Emilio. OpenCV WebCam applications in an arduino-based rover. En International Conference on Ad-Hoc Networks and Wireless. Springer, Berlin, Heidelberg, 2014. p. 261-274.
https://www.arduino.cc/ , (Accessed: 23/09/20201)
Seznam doporučené literatury
\renewcommand{\labelenumi}{[\theenumi]}
BARCIKOWSKI, S., et al. Handbook of Laser Synthesis & Processing of Colloids. 2019.
CRIVELLARO, Simone, et al. A system for the synthesis of nanoparticles by laser ablation in liquid that is remotely controlled with PC or smartphone. Review of Scientific Instruments, 2019, vol. 90, no 3, p. 033902.
STREUBEL, René; BARCIKOWSKI, Stephan; GÖKCE, Bilal. Continuous multigram nanoparticle synthesis by high-power, high-repetition-rate ultrafast laser ablation in liquids. Optics letters, 2016, vol. 41, no 7, p. 1486-1489.
ZHANG, Dongshi; GOKCE, Bilal; BARCIKOWSKI, Stephan. Laser synthesis and processing of colloids: fundamentals and applications. Chemical reviews, 2017, vol. 117, no 5, p. 3990-4103.
WILCHER, Donald. Motion Control with an Arduino: Servo and Stepper Motor Controls. En Learn Electronics with Arduino. Apress, Berkeley, CA, 2012. p. 89-117.
MATIJEVIC, Milan; CVJETKOVIC, Vladimir. Overview of architectures with Arduino boards as building blocks for data acquisition and control systems. En 2016 13th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation (REV). IEEE, 2016. p. 56-63.
LOSCRI, Valeria; MITTON, Nathalie; COMPAGNONE, Emilio. OpenCV WebCam applications in an arduino-based rover. En International Conference on Ad-Hoc Networks and Wireless. Springer, Berlin, Heidelberg, 2014. p. 261-274.
https://www.arduino.cc/ , (Accessed: 23/09/20201)
Přílohy volně vložené
CD
Přílohy vázané v práci
-
Převzato z knihovny
Ano
Plný text práce
Přílohy
Posudek(y) oponenta
Hodnocení vedoucího
Záznam průběhu obhajoby
Průběh obhajoby je zveřejněn pouze přihlášenému uživateli.