2012-2013

Carousel Tissue Processor


Μαρία Μιχαλοπούλου

e-mail
linkedin

Νίκος Καψαμπέλης

e-mail




Ευχαριστίες


Ευχαριστούμε πολύ τον διδακτορικό φοιτητή του Εργαστηρίου Εμβιομηχανικής και Βιοϊατρικής Τεχνολογίας Γιώργο Κανακάρη για τη βοήθειά του κατά το σχεδιασμό και την κατασκευή της διάταξής μας.
Επίσης,ευχαριστούμε τη φοιτήτρια του Εργαστηρίου Έλλη Χατζοπούλου που μας προσανατόλισε στις απαιτούμενες λειτουργίες της συσκευής.


ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Το carousel είναι μια εργαστηριακή συσκευή που λαμβάνει χώρα σε πειραματικές διαδικασίες ιστών.
Οι ιστοί παραλαμβάνονται για να έχουμε μια εικόνα του ιστού,σε περίπτωση ασθένειας να δούμε πως αλλάζει η μορφή του,να διαγνωστεί κάποια ασθένεια ή να γίνει βιοψία για καρκίνο.
Για να μπορέσει να γίνει αυτό,ο ιστός,αφού τοποθετηθεί στην ειδική κασετίνα, θα πρέπει να περάσει πρώτα από μια διαδικασία αφυδάτωσης,καθαρισμού και τέλος από ένα υλικό που θα τον στερεοποιήσει ,να τον κάνει δηλαδή πιο σταθερό,ώστε να μπορέσει να κοπεί σε λεπτές φέτες (τομές) στον μικροτόμο. Με αυτόν τον τρόπο θα μπορέσουμε να το δούμε στο μικροσκόπιο και να βγάλουμε τα συμπεράσματά μας.

ΣΚΟΠΟΣ
Η διαδικασία η οποία πραγματοποιείται από το carousel είναι βασισμένη σε συγκεκριμένο πρωτόκολλο και είναι διαδοχικά:
  • Η αφυδάτωση που γίνεται με διαλύματα αιθανόλης.
I. 1 δοχείο με 70% περιεκτικότητα για 30 min
II. 3 δοχεία με 96% περιεκτικότητα για 30 min το καθένα
III. 3 δοχεία με 100% περιεκτικότητα για 30 min το καθένα
  • Ο καθαρισμός από λίπη,που γίνεται σε ξυλόλη,2 δοχεία για 60 min το καθένα.
  • Η στερεοποίηση που γίνεται σε λιωμένη παραφίνη,κερί δηλαδή, αυστηρά στους 56-58οC ώστε να μην έχουμε καταστροφή του ιστού,σε 2 δοχεία για 60 min το καθένα.

Όπως προκύπτει από το πρωτόκολλο, απαιτούνται 7,5 ώρες για την ολοκλήρωση της διαδικασίας(και μεταφορά του ιστού από διάλυμα σε διάλυμα) . Είναι, λοιπόν,κατανοητό ότι η συσκευή αυτή απαλλάσσει τον άνθρωπο από μια χρονοβόρα και μονότονη εργασία που θα πραγματοποιούσε χειροκίνητα.



ΠΡΩΤΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
  • Η συσκευή μας θα έχει έναν περιστρεφόμενο δίσκο,όπου θα είναι τοποθετημένα τα δοχεία με τα διαλύματα και έναν σταθερό βραχίονα που θα ανεβοκατεβαίνει για να μπαίνει το δείγμα μας στα δοχεία. Με αυτόν τον τρόπο η συσκευή μας θα έχει και μια κοινή αρχή με το γνωστό σε όλους μας παιχνίδι των λούνα πάρκ carousel,απ’όπου του δώθηκε και το όνομα.
  • Έχοντας υπόψιν μας ότι θέλουμε την κατά το δυνατό απλούστευση της κατασκευής, επιδιώκουμε την αποφυγή εξαρτημάτων που απαιτούν τρισδιάστατη κατεργασία διαμόρφωσης και στρεφόμαστε σε 2D τεμάχια, συγκεκριμένα ελάσματα που υπόκεινται σε υδροκοπή. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται εξοικονόμηση χρημάτων αφού η υδροκοπή είναι χαμηλού κόστους και χρόνου κατεργασία.
  • Από το πρωτόκολλο καταλαβαίνουμε πως έχουμε 11 δοχεία σε χρήση και χρειαζόμαστε άλλο ένα για εφεδρικό αλλά και για να αποτελεί την τελική θέση που πιθανόν να αφεθεί η κασετίνα μετά το τέλος της διαδικασίας. Άρα θα έχουμε 12 θέσεις για δοχεία στον περιστρεφόμενο δίσκο.
  • Επίσης,σκεφτήκαμε ο βραχίονας να βρίσκεται στην άκρη και όχι στο κέντρο του δίσκου γιατί ήταν πολύ πιο απλό κατασκευαστικά και ο άξονας στήριξης του δίσκου θα δεχόταν πολύ μικρότερο φορτίο.
  • Για την γραμμική «πάνω-κάτω» κίνηση του βραχίονα θα χρησιμοποιήσουμε κρεμαγιέρα.
  • Τα διαλύματα που έχουμε έχουν πτητικά υγρά (ειδικά η ξυλόλη) με αποτέλεσμα να χρειαζόμαστε κάποιο καπάκι για να προστατεύσουμε τα διαλύματα από τον αέρα αλλά και από τυχόν σκουπιδάκια. Αρχικά είχαμε σκεφτεί να υπάρχουν 12 καπάκια που να ανεβοκατεβαίνουν μαζί με τον βραχίονα αλλά αυτή ήταν μια δύσκολη κατασκευαστικά λύση. Έτσι καταλήξαμε στο να έχουμε ένα καπάκι,σταθερό, με μια διαμόρφωση για να μπορεί να περνάει η κασετίνα με τον ιστό.
Μηχανισμός καπακιού: Το καπάκι είναι στρογγυλό και καλύπτει όλη την επιφάνεια του δίσκου.
Στη θέση του βραχίονα το καπάκι έχει κοπεί προκειμένου να είναι δυνατή η πάνω και κάτω κίνηση,
επιτρέποντας τη βύθιση της κασετίνας στο διάλυμα του εκάστοτε σταδίου της διαδικασίας.
Δίνεται η δυνατότητα να ανοίγει με άρθρωση(μεντεσές) και να σταματά σε συγκεκριμένη θέση που
ορίζεται από ένα κεκλιμένο σωλήνα ορθογωνικής διατομής.


w1.PNG


  • Για το σύστημα θέρμανσης:
Πρώτα σκεφτήκαμε να σχεδιάσουμε έναν μηχανισμό τύπου «μπεν-μαρί» με ζεστό νερό το οποίο να
ζεσταίνει εξωτερικά τα 2 δοχεία. Όμως μια τέτοια λύση ήταν πολύ δύσκολο να υλοποιηθεί καθώς θα
ήταν πολύ δύσκολο να απομονωθεί τελείως το νερό από τα ηλεκτρονικά και να μην υπήρχε καμία
απολύτως πιθανότητα διαρροής. Μην ξεχνάμε ότι τη συσκευή αυτή θα την χρησιμοποιούν άνθρωποι.
Έπειτα αποφασίσαμε ότι θα τοποθετήσουμε θερμαντήρες και με αισθητήρες που θα τοποθετήσουμε
στο δοχείο θα ελέγχουμε τη θερμοκρασία.Παρακάτω φαίνεται η διάταξη στην οποία θα τοποθετηθεί ο
θερμαντήρας και το δοχείο. Ο κύλινδρος που φαίνεται αλλά και η κάτω βάση θα φτιαχτούν από τεφλόν
για μόνωση και όλο μαζί θα βιδωθεί στον δίσκο.


w2.PNG



  • Τα καλώδια λοιπόν του παραπάνω θερμαντήρα μας δίνουν έναν περιορισμό κίνησης ±180o του δίσκου ώστε να μην γυρίζουν και τυλίγονται στον άξονα.
  • Χρειαζόμαστε 10 πλαστικά ή γυάλινα δοχεία για τα διαλύματα και 2 Inox δοχεία για την παραφίνη. Θα πρέπει να πούμε ότι δεν αντέχουν όλα τα πλαστικά στην ξυλόλη. Εμείς παραγγείλαμε γυάλινα δοχεία και γι’αυτό αλλά και επειδή τα γυάλινα είχαν πιο καλό στόμιο ώστε να πατάνε καλά στον περιστρεφόμενο δίσκο.
  • Ο περιστρεφόμενος δίσκος θα αποτελείται από 3 στρώσεις.

I. Κάτω θα βρίσκεται αλουμίνιο που θα δίνει σταθερότητα και
ακαμψία στο δίσκο μας.

II. Στη μέση θα τοποθετήσουμε αφρό πολυμερούς για να έχουμε
καλύτερη μόνωση μεταξύ των δοχείων.

III. Και πάνω θα βάλουμε τεφλόν γιατί ξέρουμε πως αντέχει στα
χημικά και μπορεί κατά τη διαδικασία να πέσει κατά λάθος
κάποια μικρή ποσότητα.



  • Για την καλύτερη υποδοχή των δοχείων των διαλυμάτων από το δίσκο σχεδιάζεται «πατούρα». Λόγω της ύπαρξης στρώσεων διαφορετικών υλικών , μπορούμε να κατασκευάσουμε την «πατούρα» κόβοντας μόνο την πάνω στρώση με μεγαλύτερη διάμετρο οπών.Έτσι,το χείλος των δοχείων μπορεί να συγκρατείται από τον δίσκο.Αντίθετα,στις θέσεις των δύο θερμαινόμενων δοχείων η πάνω στρώση έχει μικρότερη διάμετρο οπών. Κατ’αυτόν τον τρόπο ο σωλήνας PTFE ,όπου φωλιάζουν το inox δοχείο και ο θερμαντήρας, βιδώνεται στο δίσκο.
  • Η όλη κατασκευή βρίσκεται τοποθετημένη σε μία ενιαία βάση(μεταλλικό έλασμα).Για τη στήριξη της βάσης αυτής αρκούν 3 πόδια(καθώς 3 σημεία ορίζουν ένα επίπεδο ), τα οποία βιδώνονται στο κάτω μέρος της.
  • Για την περιστροφή του δίσκου:

I. Αρχικά εξετάστηκε η περίπτωση της απ’ευθείας μετάδοσης
κίνησης από κινητήρα.Η επιλογή αυτή αποκλείστηκε επειδή
εμφανίστηκε η ανάγκη επέκτασης του άξονα του κινητήρα που
θα οδηγούσε σε αμφίβολης ποιότητας αποτέλεσμα και επιπλέον
η ανάγκη χρήσης σχετικά μεγάλου μοτέρ (μεγαλύτερος όγκος
και κόστος).

Έτσι επιλέχθηκε η μείωση των στροφών μικρότερου κινητήρα με δύο εναλλακτικές υλοποιήσεις:
οδοντωτούς τροχούς ή ελαστομερές εφαπτόμενο στο δίσκο.

II. Η χρήση γραναζιών θα είχε ως αποτέλεσμα επιπλέον
κατεργασίες για την σύνδεση της κορώνας στο δίσκο, ενώ ακόμη
η σχέση μετάδοσης θα περιοριζόταν γεωμετρικά από τα δοχεία,
που κρέμονται κάτω από το δίσκο(δε μπορεί να μπει οσοδήποτε
μεγάλη κορώνα).

III. Στον αντίποδα, το ελαστομερές τοποθετείται εφαπτομενικά στο
δίσκο, προσφέροντας περισσότερο χώρο στη συσκευή,
μεγαλύτερη σχέση μετάδοσης, εισάγοντας λιγότερα εξαρτήματα
και κατεργασίες στην κατασκευή.

Η σύμπτωση να υπάρχει ήδη στο εργαστήριο διαθέσιμο ελαστομερές πρόσθεσε έναν ακόμη λόγο για
την επικράτηση της μετάδοσης κίνησης μέσω ελαστομερούς υλικού.


  • Όσον αφορά στη στήριξη του δίσκου:

I. Η αρχική σκέψη περιελάμβανε ένα ρουλεμάν γωνιώδους επαφής με μεγάλη
διάμετρο δακτυλίων. Ο τύπος του ρουλεμάν θα εξασφάλιζε την παραλαβή
αξονικών φορτίων στην κατεύθυνση της βαρύτητας(βάρος δίσκου και δοχείων)
και ακτινικών φορτίων (π.χ.ακούσιο χτύπημα από το χρήστη). Επιπλέον, η
μεγάλη διάμετρος θα «ανακούφιζε» σε μεγάλο βαθμό το δίσκο από το βάρος
των δοχείων.Ωστόσο, η μη ικανότητα παραλαβής φορτίου και στις δύο
κατευθύνσεις του άξονα υπήρξε βασικό μειονέκτημα και θα καθιστούσε
απαραίτητη την τοποθέτηση ενός δεύτερου όμοιου ρουλεμάν . Ακόμη, το
βάρος της κατασκευής θα αυξανόταν σημαντικά από το μεγάλο αυτό ρουλεμάν
(εν συγκρίσει με το ολικό μέγεθος της συσκευής).

II. Λύση στο πρώτο πρόβλημα θα μπορούσε να δώσει η χρήση ενός ρουλεμάν
βαθείας αύλακας, ίδιας διαμέτρου,όμως το ζήτημα του βάρους θα παρέμενε.

III. Επόμενη σκέψη αποτέλεσε η ειδική σειρά λεπτών ρουλεμάν (N series thin), η
οποία όμως θα μεγάλωνε το κόστος.

Πρόσθετα, η μεγάλη διάμετρος όλων των παραπάνω ρουλεμάν σήμαινε και μεγάλα ονομαστικά
φορτία, τα οποία ήταν 2 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερα των πραγματικών φορτίων της εφαρμογής μας.

Επομένως, εξ’αρχής, η κατεύθυνση προς μεγάλες διαμέτρους δεν ήταν η καταλληλότερη.

IV. Τελικά, η έδραση του δίσκου πραγματοποιείται με χρήση 2 ρουλεμάν βαθείας
αύλακας μικρότερης σχετικα διαμέτρου, τα οποία φωλιάζουν σε κοίλο κύλινδρο.

Η «διάταξη» αυτή, μάλιστα, αποτελεί τυποποιημένο προϊόν αποδεσμεύοντάς
μας έτσι από περαιτέρω κατεργασίες και έξοδα.

  • Κρίσιμο αντικείμενο για τη σωστή λειτουργία του Carousel είναι η αναγνώριση του σταδίου στο οποίο βρίσκεται η εκτελούμενη διαδικασία.Είναι, δηλαδή, ανάγκη τόσο του χρήστη, όσο και του λογισμικού που λειτουργεί τη συσκευή, να μπορεί να προσδιορίσει τη θέση της κασετίνας, δηλαδή το διάλυμα στο οποίο είναι βυθισμένη.

Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται στον άξονα του περιστρεφόμενου δίσκου encoder 12 θέσεων για
την ενημέρωση του προγράμματος.Έπειτα,υπάρχουν αναγραφόμενες ενδείξεις(αυτοκόλλητα) στο
δίσκο που επιτρέπουν στον χρήστη να γνωρίζει σε ποιό διάλυμα βρισκόμαστε.





ΑΡΧΙΚΑ ΣΧΕΔΙΑ


w3.PNG



ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ

Επανεξετάζοντας ζητήματα που θεωρήσαμε πως επιδέχονταν περαιτέρω βελτίωσης επικεντρωθήκαμε στα θερμαινόμενα δοχεία της παραφίνης. Η τοποθέτησή τους σύμφωνα με το αρχικό σενάριο παρουσίαζε τα εξής μειονεκτήματα:

  • Περιορισμός κινήσεων. Η ύπαρξη καλωδίων για την τροφοδότηση των ηλεκτρικών θερμαντήρων έφραζε τις γωνίες στροφής του δίσκου, καθώς δε θα ήταν δυνατο τα καλώδια να ακολουθούν τις περιστροφές. Εμφανιζόταν γι’αυτό η ανάγκη μηχανικών στοπ και διακοπτών που θα ειδοποιούσαν το πρόγραμμα για αλλαγή της φοράς περιστροφής ανά 180 μοίρες. Ακόμη και υπό αυτές τις προϋποθέσεις, όμως, η μετακίνηση καλωδίων είναι απευκταία.
  • Το πάχος του σωλήνα από PTFE δεν επαρκούσε για την ικανοποιητική μόνωση των δοχείων. Ωστόσο, δεν ήταν δυνατή ούτε η αύξησή του, αφού θα αύξανε τη διάμετρο του δίσκου, την οποία θέλουμε κατά το δυνατό μικρότερη.
  • Η ανεπάρκεια αυτή της μόνωσης εισήγαγε την ανάγκη της ψύξης του χώρου κάτω από το δίσκο. Η ανάγκη αυτή προερχόταν από το γεγονός ότι τα υγρά διαλύματα που χρησιμοποιούνται είναι ιδιαίτερα πτητικά. Μια αύξηση της θερμοκρασίας θα ενέτεινε το φαινόμενο της εξάτμισης, με αποτέλεσμα το πολύ συχνά επαναλαμβανόμενο γέμισμα των δοχείων(κόστος).
  • Εκκεντρότητα στη γεωμετρία και στη φόρτιση.Υψηλότερη κατανομή του βάρους στην πλευρά των θερμαινόμενων δοχείων. Πιθανή αιτία ταχύτερης φθοράς ρουλεμάν. Αρνητική επίδραση στο αισθητικό αποτέλεσμα(σαφώς μικρότερης σημασίας παράμετρος).



ΑΝΑΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ

Ακολουθεί ο ανασχεδιασμός για αποφυγή ή επίλυση των προβλημάτων που προέκυψαν.

  • Τα θερμαινόμενα δοχεία απομακρύνονται από το περιστρεφόμενο μέρος και τοποθετούνται σε σταθερό σημείο.Επιτυγχάνεται ελευθερία της περιστροφικής κίνησης και δεν χρειάζονται πλέον οι διακόπτες και τα μηχανικά στοπ. Ακόμη, δίνεται η δυνατότητα επιλογής του πάχους μόνωσης χωρίς περιορισμούς διαστάσεων και βάρους. Στο δίσκο πλέον υπάρχει συμμετρία γεωμετρίας και φόρτισης.
  • Για τη μόνωση των δοχείων επιλέχθηκε πυριτικό ασβέστιο με θερμική αγωγιμότητα περί τα 0.05W/mK στους 100οC, για το οποίο είναι επαρκές πάχος ~14mm περιμετρικά του δοχείου.
Υπήρξε και η εναλλακτική για αφρό πολυουρεθάνης, αλλά θα ήταν αναγκαία η κατασκευή καλουπιού.
  • Σαν αποτέλεσμα της μεταφοράς των 2 δοχείων εμφανίζεται η ανάγκη μεταφοράς της κασετίνας με διαφορετικό τρόπο στις 2 νέες θέσεις. Εφόσον τα δοχεία βρίσκονται σε σταθερό σημείο, άρα η κασετίνα πρέπει να μεταφερθεί σε αυτά. Η ιδέα που επιλέχθηκε προτείνει την περιστροφή πλέον και του βραχίονα στον οποίο είναι τοποθετημένη η κασετίνα , ο οποίος μέχρι τώρα ήταν σταθερός (είχε μόνο κίνηση πάνω-κάτω).
Για την υλοποίηση της ιδέας αυτής απαιτούνται επιπλέον ένα έδρανο κύλισης στο οποίο θα εδράζεται
ο βραχίονας, και τρεις αισθητήρες που θα αντιλαμβάνονται τη θέση του βραχίονα.Οι αισθητήρες
επιλέγεται να είναι φωτοδίοδοι. Οι τρεις θέσεις είναι:
α) αυτή όπου περιστρέφεται ο δίσκος,
β) του πρώτου θερμαινόμενου δοχείου και
γ)του δεύτερου θερμαινόμενου δοχείου.

  • Παρά τη μεταφορά των 2 δοχείων εκτός δίσκου, παρότι τώρα αρκούν 10 θέσεις για τα γυάλινα δοχεία, εξακολουθουμε να έχουμε τις αρχικές 12 οπές στο δίσκο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι κατά την αναζήτηση encoder για την αναγνώριση της θέσης του δίσκου είχαμε βρει ήδη encoder με πολύ καλά χαρακτηριστικά αλλά και τιμή, του οποίου δεν βρέθηκε αντίστοιχος με 10 θέσεις.
Παρόλα αυτά η κατασκευή δεν επηρεάζεται αρνητικά, καθώς δίνεται η δυνατότητα για τοποθέτηση
μεγαλύτερου αριθμού δοχείων αν χρειαστεί στο μέλλον.

  • Τέλος, από τις στρώσεις που αποτελείται ο δίσκος ο αφρός πολυμερούς παραλείπεται, εφόσον δεν υπάρχει λόγος μόνωσης σε αυτό το σημείο .



ΥΛΙΚΑ

Κατά κύριο λόγο χρησιμοποιήθηκαν ελάσματα αλουμινίου. Στην επιφάνεια του δίσκου, προκειμένου να διασφαλιστεί αντοχή στα δραστικά χημικά χρησιμοποιήθηκε PTFE(teflon) και στο άνω μέρος της βάσης κράμα ανοξείδωτου χάλυβα.
Τα υπόλοιπα εξαρτήματα είναι από αλουμίνιο, με εξαίρεση το μονωτικό υλικό, που είναι πυριτικό ασβέστιο.
Το συγκεκριμένο υλικό παραλάβαμε σε μορφή φετών τις οποίες κολλήσαμε και κατεργαστήκαμε στη φρέζα για τη διαμόρφωση των υποδοχών των θερμαινόμενων δοχείων.

ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ

Τα ελάσματα αλουμινίου είναι κατεργασμένα σε υδροκοπή και ορισμένα από αυτά και σε στράντζα.
Σε όσα τεμάχια απαιτούνταν ακρίβεια πραγματοποιήθηκε κατεργασία στη φρέζα.
Επίσης σε ορισμένες περιπτώσεις πραγματοποιήθηκε διάνοιξη σπειρωμάτων.Σε αυτές τις περιπτώσεις η αρχική διάμετρος που δόθηκε για οπή στην υδροκοπή ήταν μικρότερη από την επιθυμητή (π.χ. για Μ3 η αρχική οπή έγινε 1,5mm.)


ΤΕΛΙΚΑ ΣΧΕΔΙΑ-3D


w4.PNG


Κινητήρας ελαστομερούς:

w5.PNG


Κινητήρας περιστροφής βραχίονα – Φωτοδίοδοι:

w6.PNG



Κινητήρας γραμμικής κίνησης:

w7.PNG



Βάση στήριξης δίσκων (πάνω 2 ρουλεμάν/κάτω 1 encoder):

w8.PNG



Παρακάτω ακολουθούν κατασκευαστικά σχέδια ορισμένων εξαρτημάτων, με τις βασικότερες διαστάσεις τους.

Εξάρτημα βραχίονα-1 (θήκη κασετίνας)

wi1.PNG

Εξαρτήματα βραχίονα-2,3

wi2.PNGwi3.PNG

Μονωτικό υλικό: υποδοχή θερμαινόμενων δοχείων

wi9.PNG

Βάση κινητήρα ελαστομερούς και μονωτικού υλικού (ακολουθεί στραντζάρισμα)

wi4.PNG

Κολωνάκι στήριξης της άνω πλάκας της κατασκευής

wi6.PNG

Άνω πλάκα της κατασκευής

wi8.PNG

Δίσκος από αλουμίνιο

wi11.PNG

Δίσκος από τεφλόν

wi5.PNG

Καπάκι (ακολουθεί στραντζάρισμα)

wi12.PNG

Σωλήνας ορθογωνικής διατομής για στήριξη του καπακιού

wi7.PNG