Mikrosystemtechnik/Mikroantriebs- und Fluidtechnik

Mikrodosierung von ­Flüssigkeiten und Pasten

Hohe Präzision durch Schrittschaltmotor
Die Mikrodosierung ist eine altbekannte Technik. Ebenso bekannt ist, dass sich bislang die Dosiermengen mehr schlecht als recht einstellen ließen. Für Abhilfe sorgt jetzt ein Mikrodosiersystem von Reinhardt System- und Mess­elektronic.

Eine der bekanntesten Methoden ist das Dosieren mit Spritze und Kartusche. Diese wird mit dem Medium (Öl, Fett, Farbe) gefüllt und dann mit Hilfe eines Druckluftpulses die benötigte Menge abgegeben. Die Mengendosierung ist damit leider nur grob möglich. So muss man empirisch mit verschiedenen Experimenten die notwendige Einstellung vornehmen, um eine halbwegs reproduzierbare Menge abzugeben. Für die Reproduzierbarkeit sind die verschiedensten Parameter erforderlich, die durchaus variieren und zu unterschiedlichen Resultaten führen können.

Die Viskosität des Mediums ändert sich mit der Umgebungswärme, aber auch durch die Wärme, die durch den Luftpuls entsteht. Daher variiert auch das Ausgeben der gewünschten Menge. Beim Entleeren der Kartusche ändert sich das Verhältnis von Medium zu Luftpolster. Infolgedessen variiert auch die Abgabemenge. Deshalb ist es von Zeit zu Zeit notwendig, die Menge mit Präzisionswaagen nachzumessen und dann entsprechende Einstellungen vorzunehmen.

Das stabilisiert die abgegebene Menge meist nur für einen kurzen Moment. Das Wechseln der Kartusche bei der Entleerung erfordert auf jeden Fall eine Neueinstellung. Damit ist ein Zeitverlust verbunden und natürlich eine Änderung der auszubringenden Menge des Mediums. Auch die Tropfeigenschaften der verschiedenen Medien verändern sich durchgehend – je nach Temperatur und Viskosität. Das Rückziehen mit Hilfe von Vakuum muss immer wieder neu eingestellt werden, damit kein Nachtropfen erfolgt und sich dadurch die ausgebrachte Menge nicht wieder verändert.

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Um dieses Problem möglichst zu vereinfachen und absolut wiederholbar zu machen, entwickelte Reinhardt System- und Messelectronic eine Dosiermethode, die auf dem Schlauchpumpenverfahren basiert und mit Hilfe eines Schrittschaltmotors für die entsprechende Menge und den zeitlichen Durchsatz sorgt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es keine Kartuschen benötigt. Im Gegenteil, es kann aus Gefäßen beliebiger Größe die gewünschte Menge abziehen. Bei Medien mit geringen Viskositäten (schwerflüssige oder pastenähnliche Medien) kann auch ein Großgefäß unter Druck gesetzt werden, so dass das jeweilige Medium in den Schlauch gedrückt wird. Durch den Schlauchdurchmesser – zum Beispiel vier Millimeter – können große, bei Schlauchdurchmessern von einem Millimeter entsprechend kleine Mengen abgegeben werden. Damit die nötigen Genauigkeiten und Wiederholbarkeiten gegeben sind, arbeitet das Schlauchpumpensystem der Firma Reinhardt mit zehn Rollen. Der Schrittschaltmotor kann mehrere hundert Schritte pro Umdrehung erzeugen und so eine hohe Genauigkeit ermöglichen.

Kalibrieren der Abgabe

Weil jeder Schlauch unterschiedliche Durchmesser und Fertigungstoleranzen hat, müssen die Pulse nach dem Einlegen des Dosierschlauchs in die Schlauchpumpe mit Hilfe eines Kalibriergefäßes von ein bis zehn Milliliter ermittelt werden. So ist man in der Lage, über ein elektronisches System mit numerischer Darstellung an einer LCD-Anzeige die jeweilige Menge vorzuwählen, die auf Knopfdruck jederzeit mit besser als einem Prozent reproduzierbar ist. Je nach Medium kann die Geschwindigkeit variiert werden (zwischen 30 Nanoliter und 1,19 Milliliter pro Sekunde), so dass niedrig viskose beziehungsweise zähflüssige Medien – ihrer Fließgeschwindigkeit entsprechend – langsam ausgebracht werden. Die Anzeige des Mikrodosiersystems PMDS 99 liefert die Information, inwieweit die Ausgabegeschwindigkeit tatsächlich genutzt wird und ob noch Steigerungen möglich sind. Es ist eine Tatsache, dass Geschwindigkeiten von Prozessen heute sehr wichtig sind, denn jede Beschleunigung kann die Kosten reduzieren. Auch das Nachtropfen wurde berücksichtigt und eine Rückzugmöglichkeit des Mediums mit variabler Geschwindigkeit eingebaut. Die rückgezogene Menge wird von der neu auszubringenden Menge subtrahiert, so dass es auch in diesem Fall keine Fehlmengen gibt.

Das Mikrodosiersystem PMDS99 lässt sich über eine RS232-Schnittstelle steuern. So kann man die Ausbringmengen, Geschwindigkeiten und – falls notwendig – die Rückzugsmenge per Rechner im ASCII-Format konfigurieren. So verlaufen aufeinanderfolgende Abgaben der Medien jeweils mit individuellen Werten und Mengen.

Wartung und Reinigung

Die zur Abgabe nötigen Schläuche gibt es als Verbrauchsmaterial für weniger als zehn Euro. Sie werden nach der Benutzung entsorgt, so dass keine Reinigung des Geräts erforderlich wird und die Andruckrollen niemals mit dem Medium in Kontakt kommen. Folglich entfallen Reinigungszeiten und -kosten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei normalflüssigen Medien (Viskosität bis 800 Millipascalsekunden) keine Pressluft nötig ist, sondern das Medium aus beliebig großen Gefäßen entnommen werden kann. Dadurch ist auch kein Nachfüllen oder Tausch von Kartuschen erforderlich. Der Schlauch lässt sich erfahrungsgemäß in wenigen Sekunden austauschen. Dann ist allerdings eine neue Kalibrierung notwendig, was mit Hilfe der Referenzgefäße typisch in ein bis drei Minuten erfolgt. Danach ist das Gerät wieder voll einsatzfähig. (gm)

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