Piezoelektrische Antriebselemente für Mikrodosierpumpen

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... für Schlauchpumpen, ...

Wenn Flüssigkeiten oder Gase nicht nur präzise, sondern gleichzeitig auch möglichst gleichmäßig und stoßfrei dosiert werden sollen, bieten sich häufig so genannte Schlauch- oder Peristaltikpumpen an. Bei ihnen wird das zu fördernde Medium durch äußere mechanische Verformung eines Schlauches durch diesen hindurchgedrückt. Schlauchpumpen lassen sich sehr einfach sterilisieren, arbeiten kontaktlos und sind ohne Ventile in beide Richtungen zu betreiben. Die Pumprichtung wird durch die Ansteuerung der einzelnen Aktoren bestimmt. Schlauchpumpen findet man in der Labortechnik ebenso wie beim Dosieren von Industrieklebern oder Lötmitteln und auch die meisten Infusionspumpen arbeiten nach diesem Prinzip.

Abbildung 4 zeigt eine Schlauchpumpe mit applizierten Piezoelementen. Als Antriebselement sind hier je nach Anforderungen an Kraft und Bauraum flache Piezobiegeelemente, kompakte Piezochipaktoren oder Piezostapel­aktoren eingesetzt. Biegewandler eignen sich dabei hauptsächlich für Anwendungen mit niedrigem Gegendruck, für Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität und überzeugen durch den geringen Bauraum, den sie beanspruchen. Dadurch lassen sie sich sehr gut in den Pumpen integrieren. Höhere Gegendruckfähigkeit bieten die Piezoaktoren. Dadurch können auch Stoffe höherer Viskosität verarbeitet werden; der Platzbedarf des Antriebs ist hier jedoch größer.

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… für Mikrodosierventile

Mikrodosierventile lassen sich oft nicht klar von Mikropumpen abgrenzen, da bei Pumpen häufig die Ansprechmechanismen mit passiven Rückschlagventilen kombiniert werden und sowohl Pumpe als auch Ventil an der Dosierung beteiligt sind. Dabei funktionieren Ventilanwendungen ähnlich wie Pumpen, die erforderlichen Kräfte sind allerdings höher. Die hier üblichen Dosierfrequenzen im Kilohertzbereich sind praktisch nur mit Piezoaktorik realisierbar. Mikrodosierventile erreichen Flussraten bis zu einigen 10 Litern pro Minute bei hochgenauen Einzel- und Mengendosierungen im Mikro- und Nanoliterbereich. Dabei kommen natürlich auch die geringen Schaltzeiten der Piezoaktorik zum Tragen, die im Milli- bis Mikrosekundenbereich liegen.

Je nach Baugröße arbeiten in den Mikrodosierventilen unterschiedliche Piezokomponenten. So werden kleine Piezoröhrchen für Drop-on-Demand-Verfahren wie in Tintenstrahldruckern eingesetzt. Miniaturisierte Ventile für Dosieraufgaben im Nanoliter-Bereich werden z.B. mit Piezoscheiben realisiert, die man auch bei Lab-on-a-Chip-Anwendungen verwendet. Bei Ventilen, bei denen der Bauraum nebensächlich ist, kann man mit Piezoaktoren arbeiten, die größere Kräfte erzeugen, oder mit hebelübersetzten Piezoantrieben. Sie eignen sich für längere Stellwege und damit auch für Applikationen, bei denen – abhängig von den Materialeigenschaften – bestimmte Tropfengrößen erreicht werden müssen.

Abbildung 5 zeigt einen solchen Aufbau am Beispiel eines Ventils für die Medikamentendosierung. Ähnliche Anwendungen finden sich auch im industriellen Bereich bei der Feindosierung von Lötmitteln, Ölen, Fetten, Klebstoffen etc. Dabei eignen sich Mikroventile sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten. Piezoelektrische Antriebslösungen können also bei einer Vielzahl unterschiedlicher Dosiersysteme eingesetzt werden. Auch die entsprechenden Ansteuer-Elektroniken lassen sich perfekt auf die jeweilige Applikation anpassen und bieten die erforderliche Dynamik für die geringen Schaltzeiten. Die in Karlsruhe ansässige Firma Physik Instrumente (PI), die Muttergesellschaft der Piezokeramik-Spezialisten in Lederhose, hat für nahezu jede Aufgabenstellung die passende Lösung parat.

* Dipl.-Phys. B. Schulze: Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, 76228 Karlsruhe/Palmbach

* *E.-C. Reiff: Redaktionsbüro Stutensee, 76297 Stutensee

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