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Mikrodispenser Piezoelektrische Antriebselemente für Mikrodosierpumpen

| Autor / Redakteur: Birgit Schulze* und Ellen-Christine Reiff** / Dr. Ilka Ottleben

Für die automatische Dosierung kleinster Volumina sind Mikrodosierpumpen das Mittel der Wahl. Damit die Mikrodispenser ihre Stärke des hoch genauen Dosierens voll ausspielen können, ist allerdings die Wahl des passenden Pumpenantriebs entscheidend.

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Abb. 1: Der inverse Piezoeffekt bietet sich für die Realisierung von Aktoren an. Die Piezokeramik dehnt sich beim Anlegen eines elektrischen Feldes aus und sorgt so für eine Aktorbewegung.
Abb. 1: Der inverse Piezoeffekt bietet sich für die Realisierung von Aktoren an. Die Piezokeramik dehnt sich beim Anlegen eines elektrischen Feldes aus und sorgt so für eine Aktorbewegung.
(Bild: Physik Instrumente)

Kleinste Mengen bzw. Volumina im Bereich von Mikrolitern oder gar Nanolitern automatisch gezielt zu dosieren ist nicht trivial, zumal im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung in der Medizin- und Prozesstechnik die Anforderungen an die Komponenten ständig steigen. Das Mittel der Wahl sind Mikrodosierpumpen, oft auch Mikrodispenser genannt. Sie arbeiten als Verdrängerpumpen, das heißt, sie liefern unabhängig von den Druckverhältnissen am Ein- und Ausgang definierte Volumina pro Hub oder pro Zeit. Dadurch lässt sich sehr genau dosieren. Eine wichtige Voraussetzung dafür ist allerdings die Wahl des passenden Pumpenantriebs. Piezoelemente und Piezoaktoren sind hierfür ideal geeignet; sie erzeugen die benötigten Linearbewegungen sehr präzise und ohne Umweg und lassen sich obendrein sehr gut an die jeweilige Applikationsumgebung anpassen.

Bereits Ende des 19. Jahrhunderts entdeckten Jacques und Pierre Curie, dass mechanischer Druck in Quarzkristallen elektrische Ladungen erzeugt. Sie nannten dieses Phänomen „Piezoeffekt“ nach dem griechischen Wort „Piezo“ für „Druck“ oder „Pressen“. Später stellten sie fest, dass elektrische Felder piezoelektrische Materialien verformen können (s. Abb. 1). Man bezeichnet dies als den „inversen Piezoeffekt“. Während sich der direkte Piezoeffekt für Sensorikanwendungen nutzen lässt, bietet sich der inverse Piezoeffekt speziell für die Realisierung von Aktoren an.

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Piezoelektrische Antriebslösungen – kompakt, präzise, zuverlässig

Aus piezoelektrischen Materialien lassen sich dadurch leistungsfähige Antriebslösungen kreieren, die für den Einsatz in Mikrodosierpumpen die besten Voraussetzungen bieten: Sie erfüllen alle Anforderungen an die (hohen) Geschwindigkeiten und arbeiten mit kurzen Ansprechzeiten. Auf diese Weise sind hohe Pumpfrequenzen und Flussraten möglich. Durch die variablen Hübe lassen sich Dosiervorgänge präzise steuern; und auch die Lebensdauer piezoelektrischer Antriebslösungen überzeugt. Da sie sehr kompakt sind, also bei kleinem Bauraum hohe Effizienz bieten, können auch Antriebe für mobile Geräte oder die Lab-on-a-Chip-Technik realisiert werden. Im praktischen Einsatz kommen aber noch weitere positive Eigenschaften zum Tragen. Piezoaktoren sind wartungsfrei, weil sie keine im klassischen Sinn bewegten Teile haben. Da die Bewegung auf kristallinen Festkörpereffekten beruht, gibt es keine rotierenden oder reibenden Mechaniken. Sie benötigen nur wenig Energie und eignen sich dank ihrer Steifigkeit auch für Anwendungen mit hohem Gegendruck.

Immer die passende Lösung: ...

Da sich sehr unterschiedliche Aufbauten realisieren lassen, findet sich praktisch für jede Aufgabenstellung eine maßgeschneiderte Lösung. Die Firma PI Ceramic, Lederhose bietet eine umfangreiche Produktpalette piezoelektrischer Komponenten in verschiedensten, auch kundenspezifischen Formen sowie Piezoaktoren mit und ohne Vorspannung in unterschiedlichen Größen, die sich bereits in zahlreichen Anwendungsbereichen bewährt haben, z.B. bei den häufig für Dosieraufgaben eingesetzten Mikro-Membranpumpen, die sich sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gase eignen.

für Mikro-Membranpumpen, ...

Mikro-Membranpumpen funktionieren ähnlich wie Kolbenpumpen, allerdings ist bei ihnen das zu fördernde Medium durch eine Membran vom Antrieb getrennt (s. Abb. 3). Beeinträchtigungen der gepumpten Medien durch den Antrieb sind dadurch ausgeschlossen. Passive Ein- und Auslassventile steuern die Pumprichtung. Als Antriebssystem bieten sich bei den miniaturisierten Varianten dieses Pumpentyps hochdynamische Piezoelemente in Scheibenform an, die direkt auf einer Metallscheibe appliziert werden. Auch bei Gegendruck lassen sich so hohe Förderraten realisieren, indem die Schaltfrequenzen oder die Amplitude der Piezoauslenkung über eine entsprechende Regelung variiert werden.

Typische Spezifikationen für solche Mikro-Membranpumpen sind beim Dosieren von Flüssigkeiten z.B. eine Flussrate bis ca. 80 ml/min bei Schaltfrequenzen zwischen 25 und 120 Hz und einem potentiellen Gegendruck von 200 bis 500 mbar. Bei der Dosierung von Gasen liegen die Werte bei 0,1 bis 250 ml/min, 100 bis 500 Hz und 100 mbar. Damit sind die Anwendungsmöglichkeiten breit gestreut. Sie reichen von Labor- und Medizintechnik über Chemie und Pharmazie bis hin zum Maschinenbau. Piezogetriebene Membranpumpen können hier beispielsweise die benötigten Schmier- und Kühlmittel sehr genau dosieren. Wegen ihrer kompakten Abmessungen können diese Dosiervorrichtungen dezentral angebracht werden. Durch die Steuerung direkt „vor Ort“ lässt sich so meist der Verbrauch senken.

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