gesponsertTröpfchendosierung mit mikrofluidischen Hochleistungskomponenten Mikrofluidik sorgt für präzise Ergebnisse

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LEE Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH

Kleinere Analysen- und Dosiergeräte sparen Probenmengen und nehmen weniger wertvollen Laborraum ein. Ohne mikrofluidische Expertise können solche Systeme nicht entwickelt werden. Lee bietet mit schnellschaltenden Ventilen und der Disc-Pump-Technologie die passenden Lösungen für dieses Anforderungsprofil. Wie präzise diese Komponenten im System arbeiten, zeigt ein Demonstrationsprojekt.

Fluid-Control-Systeme müssen – wie der Name schon sagt – Flüssigkeiten wiederholt steuern und hochgenau bewegen. The Lee Company hat sich auf die Miniaturisierung der notwendigen Komponenten spezialisiert und trägt somit dazu bei, innovative Gerätekonzepte realisierbar zu machen. Jürgen Prochno, Geschäftsführer der deutschen Niederlassung von The Lee Company, Lee Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH, führt aus: „Je kleiner und leichter die Komponenten, umso platzsparender und portabler werden auch die Geräte und Maschinen. Dadurch können mobile Diagnostik- oder Therapiegeräte in der Medizintechnik beispielsweise ohne große Einschränkung in den Alltag der zu behandelnden Person integriert werden. Kompakter konstruierte Analyse- und Dosiergeräte für Labor- und wissenschaftliche Forschungsanwendungen sparen essenziellen Raum in oftmals beengten Test- und Prüfräumlichkeiten.“

Unabhängig von der Anwendungsbranche profitieren Gerätehersteller von der Möglichkeit, durch die mikrofluidischen Pumpen- und Ventillösungen von Lee dezentrale Fluid-Control-Systeme zu realisieren. Solche Systeme können in unmittelbarer räumlicher Nähe zum Einsatzort in das Gesamtsystem integriert werden. Dadurch werden notwendige Verbindungen und Verschlauchungen, aber vor allem auch die Konstruktionskomplexität sowie Kosten reduziert. Durch die Reduzierung der Leitungswege lassen sich darüber hinaus Leistung und Präzision maximieren.

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Demonstrator für hochpräzise Dosierung

Um die Vorteile miniaturisierter Fluid-Control-Lösungen für Dosiersysteme zu verdeutlichen, haben die Entwicklungsingenieure von Lee einen entsprechenden Demonstrator realisiert und Messungen durchgeführt. Bei der zeitgesteuerten Dosierung wird ein Behälter mit Luft unter Druck gesetzt und ein schnellschaltendes Ventil zur präzisen Steuerung der abgegebenen Flüssigkeitsmengen verwendet. Das zeitgesteuerte Dosiersystem basiert auf einer als Smart-Pump-Modul (SPM) montierten Lee Disc Pump und einem Hochgeschwindigkeits-2-Wege-Dosiermagnetventils der Lee VHS-Serie. Die Größe des Systems beträgt lediglich 100x90x20mm bei einem Gewicht von 50g. Im Folgenden werden einzelnen Systemkomponenten vorgestellt:

• Das Smart-Pump-Modul (SPM) ist ein eigenständiges Produkt, das die Antriebselektronik und die Drucksensorik mit der Disc Pump kombiniert. Dieses kompakte Pumpenmodul ermöglicht eine geschlossene Druckregelung und eine hohe Leistung bei extrem kleinen Abmessungen. Die sehr schnelle Reaktionsgeschwindigkeit stellt sicher, dass die gewünschten Druck- und Durchflussprofile genau eingehalten werden. Die integrierte Antriebselektronik ermöglicht die präzise Steuerung aller Modulkomponenten.

• Die Lee Disc Pump ist eine Familie von leistungsstarken piezoelektrischen Mikropumpen. Sie wurden entwickelt, um eine hochpräzise, pulsationsfreie Druck- und Durchflusskontrolle von Gasen zu ermöglichen. Diese Membranpumpen arbeiten im Ultraschallbetrieb (20.000 Zyklen pro Sekunde). Dadurch ist die Disc Pump nahezu geräuschlos und schwingungsarm. Diese Technologie ermöglicht die hochpräzise Ansteuerung der Disc Pump mit einer Reaktionszeit im Millisekundenbereich. Ihr Gewicht von lediglich 5g und der Durchmesser von 30mm bei einer Höhe von 10mm tragen zur Flexibilität in der Konstruktion bei.

• Das Magnetventil der VHS-Serie ist ein 2-Wege-Dosierventil mit 6mm Durchmesser, das dank hochpräziser Tintenstrahldrucktechnologie Präzisionströpfchen im Nanoliter- bis Milliliterbereich erzeugen kann. Mit einer Reaktionszeit von maximal 250μs ist es optimal für hoch präzise Fluid-Control-Anwendungen geeignet. Mit seinen minimalen Abmessungen fügt es sich in engste Bauräume ein. Die VHS-Ventile sind in verschiedenen Varianten – beispielsweise mit integrierten Düsen – und individualisierbaren Anschlüssen verfügbar.

Ergebnisse des Praxistests

Der Systemaufbau ist wie in Abbildung 1 dargestellt ausgeführt. Bei diesem System steuert das Smart-Pump-Modul (1) den Luftdruck im Reservoir (4). Die Flüssigkeit wird gegen das VHS-Ventil (2) gedrückt. Wenn das VHS-Ventil erregt wird (z.B. für 100ms), wird ein Tropfen aus der Düse (3) ausgestoßen.

Um die Präzision des Fluid-Control-Systems und damit der dosierten Tröpfchen zu demonstrieren, durchläuft das System folgende Versuchsschritte:

• Einstellen des Drucks des Reservoirs (P_r) durch das Smart-Pump-Modul,

• Einpendeln des Drucks über eine bestimmte Zeitspanne (oder über ein Monitoring des Drucks),

• Aktivieren des VHS-Ventils durch Übermittlung der Signalspannung an die Ventilsteuerung,

• Abwarten der Einschaltdauer (t_d),

• Deaktivieren des VHS-Ventils durch Abschalten der Signalspannung,

• Einstellen von P_r und/oder t_d gemäß des gewünschten Dosiervolumens.

Abbildung 2 zeigt die durchschnittliche Tropfenmasse, die für die angegebenen Reservoirdrücke (P_r) und Ventil-Einschaltzeiten (t_d) gemessen wurde. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, besteht eine optimale Linearität zwischen der Dosierzeit und Tropfenmasse.

Im Ergebnis wurde ein Varianzkoeffizient von vier Prozent für eine Dosis von 10mg (10μl) Wasser errechnet. Diese Varianz kann im Versuch jedoch unter anderem negativ durch eine zu geringe Auflösung der Waage oder die Variation der Meniskusposition am Ende der Dosierdüse zwischen den Dosierungsvorgängen der Tröpfchenmasse beeinflusst worden sein. Nichtsdestotrotz beweist dieser Demonstratoraufbau das sehr hohe Maß an Präzision und Dosierungsgenauigkeit, die mit dem Smart-Pump-Modul auf Basis der Disc Pump in Verbindung mit dem VHS-Ventil erreicht werden können. Ein künftiger Demonstrator, der noch höhere Genauigkeiten auch bei Dosiergrößen kleiner als 10μl nachweisen soll, soll bei Lee entwickelt werden.

Innovation durch Miniaturisierung

Jürgen Prochno bewertet die Vorteile, die sich aus der Präzision des Demonstrationsaufbaus ableiten: „Innovative, sehr kompakte und leichte Fluid-Control-Systeme wie das hier vorgestellte, mit einem Gewicht von unter 50g, können Dosierungsanwendungen revolutionieren. Konventionelle Systeme sind schwer, meist tischgebunden und brauchen häufig zusätzliche Pumpen, Reglungstechnik und Sensorik, um leistungsfähig zu sein. Unsere vorgestellte Lösung ermöglicht die Konstruktion performanter portabler Geräte mit weniger komplexen Systemarchitekturen. Davon profitieren Maschinenhersteller wie -betreiber gleichermaßen.“

Starter- und Entwicklungskits verfügbar

Für erste Tests können Gerätehersteller Starter- und Entwicklungskits nutzen. Sie enthalten alle notwendigen Systemkomponenten, um die Leistungsfähigkeit und Vorteile für die jeweilige Applikation zu eruieren. Hierzu gehören zwei Pumpen, die Antriebselektronik, die PC-Software zur Konfiguration, Steuerung und Datenerfassung sowie ein Zubehörkit.

Systeme auf Basis der Disc Pump Technologie stellen Entwicklern die Werkzeuge zur Verfügung, um freier zu konstruieren und konventionelle Geräteformen neu zu denken, ohne Kompromisse bei der Leistung oder Qualität einzugehen. Denn wie alle Miniaturkomponenten von Lee unterliegen auch die Disc Pumps einer 100 Prozent Funktionsprüfung. Somit können sich Anwender sicher sein, dass sie auf maximale Performance und garantierte Funktionalität setzen.

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