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Endloskolbenprinzip Mikrodosierung: Starker Motor macht Druck

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Andreas Eiler* / Ute Drescher

Der Trend zur Miniaturisierung zieht sich durch alle Branchen; immer mehr Funktionen sollen in möglichst wenig Raum untergebracht werden. Die immer kleineren Produktgrößen stellen die Automatisierungstechnik jedoch vor Herausforderungen, wenn es gilt, Lötpasten, Klebstoffe, Schmier-, Verguss- oder Dichtmittel gezielt und genau dosiert aufzubringen. Präzisionsdispenser sind deshalb auf kleine, leistungsstarke Antriebe angewiesen.

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ViscoTec/Jenoptik
ViscoTec/Jenoptik
(Bild: Viscotec/Jenoptik)

In der Mikrodosierung von fließfähigen Medien sind Volumina von wenigen Mikrolitern typisch. Speziell hier sind Präzision, Wiederholgenauigkeit und Zuverlässigkeit gefragt. Mit den Mikrovolumendosierern der Marke Preeflow hat die Viscotec Pumpen- u. Dosiertechnik GmbH – das Unternehmen stellt Dosieranlagen und Dosierkomponenten für halbautomatische und vollautomatische Produktionsanlagen sowie Montageprozesse her – bereits vor knapp 10 Jahren im Bereich der Präzisionsdispenser Maßstäbe gesetzt. Mittlerweile haben sich die Geräte am Markt etabliert; die Verkaufszahlen liegen inzwischen im fünfstelligen Bereich. Die kleinen Dosierer sind weltweit in vielen unterschiedlichen Branchen im Einsatz und das oft rund um die Uhr und sieben Tage in der Woche.

Typische Anwendungen reichen von der Halbleiter- und Elektronikfertigung über Optik und Photonik bis hin zu Biochemie oder Medizintechnik. Dosiert werden können viele unterschiedliche Flüssigkeiten. Die Bandbreite reicht von „A“ wie anaerobe Klebstoffe bis „Z“, wie Zinkchlorid-Lösungen „Es lassen sich sowohl ein- als auch zweikomponentige Fluide verarbeiten“, ergänzt Thomas Diringer, Manager Busines Unit Components & Devices bei Viscotec. „Bei zwei Komponenten ist garantiert, dass diese im richtigen Mischungsverhältnis präzise und synchron zugeführt werden. Die Wiederholgenauigkeit der Systeme liegt dabei nahezu bei 100 %“, erklärt Diringer.

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ViscoTec beschäftigt sich vorwiegend mit Anlagen, die zur Förderung, Dosierung, Auftragung, Abfüllung und der Entnahme von mittel- bis hochviskosen Medien benötigt werden. Der Hauptsitz des technologischen Marktführers ist in Töging bei München. Darüber hinaus verfügt ViscoTec über Niederlassungen in den USA, in China und in Singapur und beschäftigt weltweit knapp 120 Mitarbeiter. Das Spektrum reicht von der präzisen Mikrodosierung im µl-Bereich bis zur geschwindigkeitsproportionalen Raupendosierung, von Vergussanwendungen hin zur Zweikomponenten-Misch-Anwendung, vom hochgenauen Abfüllen unter höchsten Hygieneanforderungen in der Kosmetikindustrie oder Pharmaindustrie hin zur Fassentleerung stichfester Pasten.

Die Dosierer sind modular aufgebaut, was beispielsweise die Reinigung bei einem Medienwechsel erleichtert. Sie bestehen aus dem eigentlichen, leicht zerlegbaren Dispenser, einer Antriebseinheit und einem separaten Steuergerät. „Mit vier Modellen im einkomponentigen und zwei Modellen im zweikomponentigen Bereich können wir so kontinuierliche Fördermengen von 0,12 bis 60 ml je Minute abdecken. Benötigt man eine punktuelle Dosierung, so lassen sich als Minimalmenge ab 1 µl gezielt platzieren. Und eine weitere Innovation ergänzt nun unser Portfolio: Ein volumetisches Sprühsystem für präzises Sprühen von Fluiden“, umreißt Diringer das Produktspektrum.

Rotor fördert Medium präzise durch Verdrängen

Dabei ist die prinzipielle Funktionsweise der Präzisionsdosierer einfach zu verstehen: Herz der Dispensereinheit ist ein rotierendes, absolut druckdichtes Verdrängersystem. Es besteht aus einem selbstdichtenden, inneren Rotor und dem äußeren Stator. Über eine gesteuerte Drehbewegung des Rotors wird das Fördermedium durch Verdrängen gefördert. Das Wechseln der Drehrichtung erlaubt dem System auch rückwärts zu fördern. Dies ermöglicht einen sauberen, kontrollierten Materialabriss ohne Nachtropfen. Das Medium selbst wird dabei schonend ohne Veränderung in der Struktur transportiert.

Außerdem ist das System so ausgelegt, dass es mit Wasser bis zu 2 bar Förderdruck selbstdichtend ist. Mit zunehmender Viskosität nimmt dann die Eigendichtung noch weiter zu. Dosierdrücke von 16 bis 20 bar sind ohne Weiteres möglich. Dieser hohe Förderdruck wiederum erlaubt erst den Einsatz kleinerer Nadel- und Düsenquerschnitte für feinere Auftragsflächen. Zudem ist es möglich, bei hochviskosen Medien einen Grundvordruck anzulegen. So ist bei selbstnivellierenden Flüssigkeiten kein Drucktank erforderlich.

Kompakter Antriebsblock aus Motor, Encoder und Getriebe

Ein hoher Förderdruck im Dispensermodul setzt natürlich zwingend einen drehmomentstarken Antrieb voraus. „Bei der beschränkten Baugröße der Einheit kam dafür nur ein Kleinmotor mit Vorsatzgetriebe in Frage“, erinnert sich Diringer. „Seit jetzt fast zehn Jahren arbeiten wir deshalb eng mit Faulhaber zusammen. Gemeinsam mit den Antriebsspezialisten aus Schönaich haben wir schnell den passenden Kraftzwerg gefunden. Kleine Abmessungen und hohe Leistungsdichte sind wichtig, damit die Preeflow Eco-Pens selbst ebenfalls möglichst klein bauen und ohne Probleme im automatisierten Dosierprozess direkt am Roboter angebracht werden können.“

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Die Faulhaber-Gruppe mit ihren 1.700 Mitarbeitern ist spezialisiert auf Entwicklung, Produktion und Einsatz von hochpräzisen Klein- und Kleinstantriebssystemen, Servokomponenten und Steuerungen bis zu 200 Watt Abgabeleistung. Dazu zählt die Realisierung von kundenspezifischen Komplettlösungen ebenso wie ein umfangreiches Programm an Standardprodukten wie bürstenlose Motoren, DC-Kleinstmotoren, Encoder und Motion Controller. Die Marken der Faulhaber-Gruppe gelten weltweit als Zeichen für hohe Qualität und Zuverlässigkeit in komplexen und anspruchsvollen Anwendungsgebieten wie Medizintechnik, Bestückungsautomaten, Präzisionsoptik, Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt sowie Robotik. Vom Mikroantrieb mit 1,9 mm Durchmesser bis zum leistungsstarken 44-mm-DC-Kleinstmotor kombinierbar mit verschiedenen Präzisionsgetrieben, bietet das Unternehmen zuverlässige Systemlösungen für eine Vielzahl von Anwendungen.

Das beste Preis-Leistungs-Verhältnis konnte ein DC-Kleinmotor mit Encoder und Planetenvorsatzgetriebe für sich verbuchen. Die Bürstenkommutierung ermöglicht eine einfache Pulsweitenregelung und Drehrichtungsumkehr. Encoder und Planetengetriebe im Motordurchmesser erlauben eine schlanke Bauform. Der kompakte Antriebsblock aus Motor mit Encoder und Getriebe misst je nach Dispenserausführung nur 22 mm im Durchmesser bei 32 mm Baulänge für den Motor. Hinzu kommt das Getriebe, das Übersetzungen von 9:1 bis 23014:1 bei 27 bis 48 mm Länge bietet. Die größere Variante bringt es auf 26 mm Durchmesser und 42 mm Motorlänge plus 28 bis 60 mm für das Getriebe (3,7:1 bis 1526:1). Die kleineren Motoren liefern bei 6 bis 24 VDC Eingangsspannung ein Dauerdrehmoment von 10 mNm, die größeren erreichen 28 mNm bei 12 bis 48 VDC. Dieses Drehmoment wird durch das jeweilige Getriebe auf das für die Dispensereinheit bei 20 bar Förderdruck nötige Maß erhöht.

Präzise und tropffrei dosieren durch exakte Rückmeldung

Der aufsteckbare Encoder erhöht die Baulänge nur um 1,4 mm und liefert je nach Typ 64 bis 512 Impulse je Umdrehung. Das ermöglicht eine präzise Mengenzuteilung und einen tropffreien Abriss des Mediums durch die exakte Rückmeldung der Rotorposition des Antriebs. Durch die Untersetzung des Getriebes wird diese Auflösung am Förderrotor des Dispensermoduls noch weiter verbessert. Für Betriebsspannung und Encodersignal gibt es einen kundenspezifischen Kabelanschluss. Getriebe und Motorlagerung sind auf Lebensdauer geschmiert und wartungsfrei. „Für unsere Mikrodispenser haben wir damit eine zuverlässige, robuste und dynamische Antriebslösung gefunden“, so Diringer abschließend. „Teilweise werden damit Anwendungen mit einem Output von einem Bauteil pro Sekunde gefahren. Auch in Zukunft werden wir mit den Antriebsspezialisten aus Schönaich zusammenarbeiten, die wir im Laufe unserer Zusammenarbeit als flexible und innovative Partner schätzen gelernt haben.“

* *Dipl.-Ing. Andreas Eiler: Area Sales Manager Faulhaber Minimotor SA, Schönaich

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