Mikroverguss schützt Drucksensor

Sinus nennt Marquardt Mechatronik seinen auf dem Prinzip des Halleffekts basierenden Drucksensor, der – besonders für Haushaltsgeräte und weiße Ware entwickelt – den optimalen Wasserverbrauch zu messen vermag. Der Sensor verfügt über eine kundenspezifisch anpassbare Kennlinie, was den Herstellern von Haushaltsgeräten wie Spül- und Waschmaschinen erlaubt, ihre Kennlinie beizubehalten und ohne größere Veränderungen den Drucksensor von Marquardt in ihre Geräte einzubauen. Durch die schnelle Ansprechzeit des Sensors ist sichergestellt, dass eine nahezu sofortige Reaktion erfolgt, sobald die Grenzen der unterschiedlichen, realisierbaren Druckbereiche über- oder unterschritten werden. Die Druckbereiche sind je nach Bedarf anpassbar und ermöglichen es, den Drucksensor den Kundenwünschen entsprechend anzupassen.

So beeindruckend die Vorteile sind, so aufwändig war die bisherige Fertigung dieser Drucksensoren: Es traten bei der bisherigen – manuellen Fertigung, oder mit einem Wettbewerber durchgeführte Fertigung – zu hohe Fehlerausschüsse auf, wodurch die Ausbringung zu gering war. Zudem wurden die hohen Qualitätsanforderungen der jeweiligen Kunden nicht erreicht. „Jeder Sensor ist ein Einzelstück und die Entwicklung des Asic ist eine komplette Eigenkreation von uns“, erläutert Christian Voß aus der Fertigungsplanung von Marquardt. Der Sensor besitzt eine hohe Messgenauigkeit und kann mit der Präzision von 1,0 mm den Wasserstand exakt messen. Der Asic hat den großen Vorteil, dass er kundenspezifisch kalibriert wird und in einem Temperaturbereich von +70 °C zum Einsatz kommt.

Qualitätssteigerung durch genaues Vergusskonzept

Ein wichtiger Herstellungsschritt ist das Vergießen des Sensors, um den ASIC zum einen vor zu starken Temperaturschwankungen zu schützen und zum anderen, um der Schutzklasse 2 entsprechen zu können. Zudem ist eine exakte Fixierung für die Kalibrierung notwendig und auch die Langzeitstabilität profitiert von einem genauen Vergusskonzept, da die Kennlinien auch bei starken Erschütterungen wie dem Schleuderprogramm bei Waschmaschinen, immer einen identischen Wasserstand abliefern müssen. Die große Herausforderung bei diesem Dosierprozess ist es, eine gleichmäßige Verteilung des Materials zu erhalten – links wie auch rechts. Ein zu schnelles Bewegen der Dosiernadel würde zu einem Abriss der Verbindung zwischen Nadel und Material führen und somit zu einer unerwünschten Blasenbildung. Zu langsames Ausfahren der Dosiernadel könnte eine Verschmutzung selbiger zur Folge haben und beim weiteren Ausfahren würden die Kontaktflächen des Sensors mit Vergussmaterial kontaminiert werden.

Eine weitere Herausforderung stellen die Fließeigenschaften des Materials dar. Sie müssen mit dem Ausfahren der Nadel in Einklang gebracht werden. Bisher war eine deutlich zu hohe Fehlerquote sowohl bei der Ausbringung als auch bei der Qualität zu beobachten. Daher lautet die Forderung nun konkret: 0,76 g Vergussmaterial pro Sensor auf ± 0,02 g zu dosieren – die Prüfung erfolgt über die Mikrowaage. Eine weitere wichtige Forderung war in diesem Zusammenhang auch eine lückenlose Traceability. Denn auf jedem Werkstück ist für die interne Qualitätssicherung ein Code vorgeschrieben.

Marquardt produziert seine Sensoren in einem hochmodernen Werk in Nordafrika. Seit 1991 gehört der tunesische Standort im Stadtteil El Agba im Herzen von Tunis zur Marquardt-Gruppe. Mit einer Gesamtfläche von 22.000 m² (Produktion, Logistik und Verwaltung) ist das Werk eines der größten in der Marquardt-Gruppe mit mehr als 1.500 Mitarbeitern. Nun galt es ein genaues Vergusskonzept zu erarbeiten, weshalb der Hersteller noch weitere Firmen ins Boot holte: Erst das Zusammenspiel und die enge Kooperation der Firmen Viscotec Pumpen- und Dosiertechnik, Dostech und Dosiertechnik Kübler brachten die gewünschten Fortschritte im Vergussprozess.

Die Anforderungen an die beteiligten Firmen war groß: Das anfängliche Lastenheft von Marquardt wurde um einige Punkte ergänzt. Als wesentliche Anforderungen stellten sich nun Punkte heraus wie die automatische Vermessung der Teile anhand der geringen Toleranzen, auch sollte sich die Stückzahl erhöhen. Ein weiteres Ziel wurde die Qualitätsverbesserung mittels einer optimalen Vergusshöhe, ohne dabei die Kontakte zu verschmieren. Als Sollanforderung galt für Marquardt, dass die Dosiermenge von 0,76 pro Sensor (± 0,02 g) über eine hochgenaue Dosiereinrichtung sichergestellt sein musste. Weitere Anforderungen waren kostengünstige mechanische Aufnahmen, eine geringe Störanfälligkeit der eingesetzten Maschinen und die Möglichkeit der Fernwartung genauso wie eine Aftersales-Betreuung mit Service und Schulung der Mitarbeiter.

Umsetzung des Vergusskonzeptes

Es wurden intensive Studien und Versuchsreihen mit unterschiedlichsten Pumpensystemen unter Anleitung des verfahrenstechnischen Know-hows von Dostech innerhalb von drei Monaten durchgeführt, die vielversprechende Ergebnisse lieferten. Die Lösung wurde schließlich mit den Endloskolbenpumpen der Viscoduo-Serie von Viscotec mit hierzu passendem Zweikomponenten-Dosierventil mit automatischer Materialzuführung erzielt. Die Pumpen mischen die Materialien unterschiedlichster Konsistenz und können diese exakt dosieren, wobei sich die Parameter und das Mischverhältnis sehr präzise einstellen lassen. Dadurch ist selbst das Dosieren von gefüllten und hochviskosen Medien problemlos möglich. Über separate Steuerungseinheiten können die Materialparameter eingefahren werden. Durch die volumengenaue Exzenterschneckenpumpe sind Temperaturschwankungen, wie sie in Nordafrika häufig auftreten, unerheblich. Das homogene Vermischen der beiden Komponenten wird durch ein 16 Kammermischrohr sichergestellt. Das Volumen des Mischrohres beinhaltet die doppelte Menge, die für den Sensor benötigt wird – das sorgt immer für frisches Material.

In Versuchsreihen bei Dostech profitierten die beteiligten Firmen nicht nur von der räumlichen Nähe zueinander, die eine schnelle Kommunikation möglich machte, sondern auch von der langjährigen verfahrenstechnischen Erfahrung von Dostech. Das Unternehmen hat sich auf das Dosieren von ein- und zweikomponentigen Materialien spezialisiert, die sich mittels hochgenauen CNC-Dosieranlagen wie jenen von Kübler Dosiertechnik präzise und mit großer Wiederholgenauigkeit aufbringen lassen. Die Parameter der Dosflex-Maschinen ließen sich so weit optimieren, dass die geforderten Taktzeiten von unter 20 s erfüllt werden konnten. Während des Fertigungsprozesses konnten die X-, Y- und Z-Bewegungen von Teil zu Teil mittels der Linearmotoren der Dosflex-Maschine von Kübler Dosiertechnik weiter verbessert und sogar um knapp 40 Prozent weiter reduziert werden. Die hochflexible Dosieranlage wartet dabei mit einer Verfahrgeschwindigkeit von 1.000 mm/s bei einer Positionsgenauigkeit 0,02 mm auf. Ein Punktlaser vermisst nicht nur exakt die Teile um ein präzises Einfahren der Nadel in den Sensor zu ermöglichen, sondern erkennt blitzschnell falsch eingelegte Teile. Ein positiver Nebeneffekt: hierdurch erfolgt eine Preisreduzierung der Werkstückaufnahme (Tray). Weitere Module der Anlage, wie etwa der Einbau einer Mikrowaage zur Prozessüberwachung, hochpräzise Nadelvermessung und Nadelreinigungssysteme stellen einen problemfreien Ablauf sicher. Auf Materialseite haben sich 2K-Materialien mit kurzen Topfzeiten von unter 5 min durchgesetzt, die dadurch ein schnelles Handling und rasche Weiterverarbeitung ermöglichen.

Der Erfolg dieses Projekts spricht für sich: Der vorherige Ausschuss von 10 Prozent ließ sich auf nahezu Null fahren – für die restlichen mechanisch verursachten Fehler sind weitere Optimierungsmöglichkeiten vorbereitet. Es treten inzwischen keine Reklamationen zum Thema Verguss auf, da die Nachschulung zusammen mit Dostech erfolgreich umgesetzt wurde. Zwischenzeitlich sind nun drei Dosflex-Dosieranlagen im tunesischen Werk im Drei-Schichtbetrieb im Einsatz. Weitere gemeinsame Projekte der beteiligten Unternehmen stehen bereits in den Startlöchern.

(mrc)