Hình 5.2. Hệ laser CO2 dùng trong gia công PMMA – dựng tại Trung tâm Công nghệ Laser
Pin nhiên liệu không màng sử dụng trong các khảo sát dưới đây là loại pin nhiên liệu có thiết kế hình chữ Y với hai lối vào của nhiên liệu và chất oxy hóa, cùng một lối ra tại các vị trí đầu-cuối của kênh chữ Y. Có tổng cộng 6 loại pin nhiên liệu được thiết kế và chế tạo với các thông số đặc trưng được thể hiện trong bảng 5.1. Các giá trị lưu lượng thu được trong bảng 5.1 chính là điều kiện biên về mặt lưu lượng để trong kênh có hiện tượng chảy tầng với đầu vào là nước tinh khiết và điều kiện lý tưởng. Trong thực tế, các tính toán trên chỉ mang tính chất tham khảo, các tham số khác ảnh hưởng tới trạng thái chảy trong kênh còn có: bề mặt của kênh dẫn (có gây ra các xoáy tại biên tiếp xúc chất
lỏng-kênh dẫn hay không), góc chuyển hướng của chất lỏng (các góc vuông ở lối vào, lối ra, góc chuyển hướng trong kênh chữ Y), góc hợp giữa hai luồng chất lỏng tới… Sự ảnh hưởng của các yếu tố này dẫn đến trong thực tế, lưu lượng phân giới ta bơm vào kênh sao cho vẫn có hiện tượng chảy tầng là nhỏ hơn nhiều.
Bảng 5.1: Các thông số thủy lực cần quan tâm của các kênh
Mã số
0,35.A 0,5.A 1.A 2.A 3.A 5.A
Độ rộng (mm) 0.35 0.5 1 2 3 5 Chu vi ướt (mm) 4.35 4.5 5 6 7 9 Lưu lượng (ml / phút) 151.38 156.6 174 208.8 243.6 313.2 Việc điều chỉnh công suất laser và tốc độ quét khi cắt sẽ quyết định tới chất lượng của vết cắt, theo đó ảnh hưởng tới chất lượng của kênh dẫn. Laser CO2 sử dụng trong
chế tạo ở đây là loại laser có bước sóng 10.6m, sau nhiều lần cắt thử nghiệm và so sánh các kết quả vết cắt nhận được, tôi rút ra kết luận kinh nghiệm là: với vật liệu PMMA
chiều dày 2mm, công suất laser ở 60W, tốc độ cắt 10mm/s là các thông số khá tối ưu, cho kết quả vết cắt khá mịn, tính thẫm mỹ cao.
Quan sát hình 5.3b, hình ảnh phóng to là các chốt giúp ghép chính xác 4 phần của lớp số 2 tại vị trí cố định. Do đó, ta có thể tách riêng từng phần để thực hiện các thao tác khác nhau như đánh mịn vết cắt trong lòng kênh chữ Y, chế tạo điện cực dùng cho pin nhiên liệu không màng… sau đó ghép lại mà vẫn đảm bảo kích thước của kênh như đã tính toán từ trước. Đây là một ưu thế rất lớn của phương pháp chế tạo kênh vi lưu này so với các phương pháp khác.
Để tạo được các miếng ghép chính xác như trên, một thông số nữa của laser đã được tính toán đến, đó là độ rộng của vết cắt laser. Với công suất và tốc độ quét laser như trên, độ rộng của vết cắt là 100m. Sai số do vết cắt gây nên cần được khấu trừ là
Ta sẽ quan sát kỹ hơn vết cắt laser, đặc biệt là vết cắt trong lòng kênh dẫn. Do đặc điểm của hệ laser được điều khiển dịch chuyển theo hai chiều Ox và Oy bằng động cơ bước (step motor), tọa độ của từng điểm trên bản vẽ được lượng tử hóa và ảnh hưởng của
thuật toán xấp xỉ… trong hệ thống laser sử dụng, vết cắt thu được ở các mép có thể quan sát thấy rõ, đó là các đoạn thẳng song song cách nhau đều đặn, vuông góc với đường quét laser (hình 5.4.). Trong cơ học chất lỏng thực,
đặc biệt là xét trong các hệ vi lưu, khi mà kích thước của kênh dẫn giảm xuống còn vài chục hoặc vài m, các khuyết tật này sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến tính chất dòng chảy trong kênh. Các vết mấp mô đều đặn này sẽ gây ra các cuộn xoáy không mong muốn, các cuộn xoáy này làm thay đổi đặc tính dòng chảy, nhất là ảnh hưởng đến hiện tượng chảy tầng trong kênh dẫn vi lưu. Tuy nhiên, với các kênh dẫn kích thước
Hình 5.3. Gia công PMMA bằng laser CO2 a) Bản thiết kế trên AutoCad
b) Sản phẩm kênh chữ Y sau khi gia công
Hình 5.4. Vết cắt laser trên PMMA
đủ lớn, ảnh hưởng của các vết trên là không đáng kể, ngược lại sự có mặt của nó lại có tác dụng tích cực tới tính chất bám dính của điện cực phún xạ lên kênh dẫn, đồng thời tăng diện tích tiếp xúc của điện cực với các dung dịch điện ly, qua đó tăng mật độ dòng điện của pin nhiên liệu…