Mit Piezotechnik präzise dispensen

Stärkstes Mitglied der Mikrodosiersysteme ist derzeit das MDS 3300A, welches hochviskose und sogar gefüllte Medien hochpräzise dosiert. Marisa Robles Consée

Durch steigende Anforderungen an Taktzeiten und Genauigkeit in fast allen Produktionsbereichen gewinnt die berührungslose Dosierung, das Jetten oder Pulsen, zunehmend an Bedeutung. Um die wachsenden Ansprüche vor allem bei der Lösung von Verbindungs- und Dichtaufgaben zu erfüllen, aber auch um die Verarbeitung der eingesetzten Medien wirtschaftlich zu gestalten, bedarf es ausgefeilter Dosiersysteme, die einen berührungslosen Auftrag kleinster Mengen erlauben. Jürgen Städtler gibt sich da selbstbewusst: „Wir sind heute Synonym für qualitativ höchstwertiger Jet-Mikrodosiersysteme.“ Der Geschäftsführer von Vermes Microdispensing untermauert dies damit, dass das Unternehmen „mittlerweile der einzige unabhängige Jetterhersteller in diesem noch recht jungen Hightech-Markt ist“. Vermes vermag ein durchgängiges und selbst entwickeltes Konzept anzubieten, das aus elektronischer Steuerung, Piezokristall und Düsen besteht.

Gezielter Schuss

Minimale Flüssigkeitsmengen schnell, präzise, prozesssicher und berührungslos dosieren – so etwa lässt sich die Kompetenz von Vermes Microdispensing zusammenfassen. Um dies zu ermöglichen, stellt das Unternehmen mittlerweile fünf Grundsysteme zur Verfügung, die jeweils auf die ihnen zugedachten Medien ausgelegt sind. Dabei bestehen die Microdispensing-Systeme (MDS) aus einem Microdispensing-Controller (MDC) und einem Microdispensing-Ventil (MDV). Controller und Ventil bilden das Herzstück der Mikrodosiersysteme von Vermes:

• Das MDS 3010A für niederviskose Medien bis etwa 300 mPas
• Das MDS 3020A für nieder- bis mittelviskose Medien bis ca. 8000 mPas
• Das MDS 3200A für hochviskose Medien bis zu 2.000000 mPas
• Das MDS 3200+F für hochviskose Medien für kleinste Tropfengrößen bei höchster Wiederholgenauigkeit
• Das MDS 3300A für XXX

Die Vorteile des berührungslosen Auftrags sind enorm: Weil keine Berührung des Bauteils erfolgt, können die Bauteile auch nicht beschädigt werden. Die Piezotechnik sorgt zudem dafür, dass eine gleichmäßige Ausbildung des Mediums erfolgt und zwar unabhängig von Bauteiltopographie und Oberflächenbeschaffenheit Medien. Auch lässt sich mit einer hohen Dosiergeschwindigkeit bei extrem hoher Genauigkeit und guter Reproduzierbarkeit verfahren. Über die Steuerungen ist es jederzeit möglich, die Dosiermenge zu beeinflussen und entsprechend anzupassen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass keine Materialverschleppung auftreten kann, wodurch eine Verschmutzung der Bauteile nicht stattfindet.

Das Jet-Mikrodosierventil MDV 3200A beruht auf Piezobasis. Damit ist es möglich, Tropfengrößen von bis unter 250 µm Durchmesser bei bestimmten Lotpasten zu dosieren. Vermes

Dabei lassen sich sämtliche wässrigen und nichtwässrigen Medien kontaktlos und präzise zu dosieren. Darunter fallen fast alle nanofunktionalisierten Klebstoffe der Elektronik wie etwa Silberleitkleber, Nickelleitkleber, Underfiller oder Glob-Top genauso wie UV-Klebstoffe, Epoxy, Lacke, Flußmittel, Silikone, pharmazeutische Wirkstoffe und viele andere Fluide mit unterschiedlichsten Viskositäten. Darüber hinaus ermöglicht das berührungslose Dosieren mit einem Jetventil, auch in Spalten oder Kavitäten problemlos zu arbeiten. Durch den modularen Aufbau des Ventils ist es möglich, sich an unterschiedliche Anforderungen anzupassen. Der Anwender kann den Austausch der Ventile jederzeit vornehmen. Insbesondere stehen für die medienberührenden Teile verschiedene Materialien zur Verfügung, um in allen Situationen Medienkompatibilität sicherzustellen. Gleichzeitig ist das System dadurch einfach zu reinigen. Weitere Varianten der Ventile, etwa die Option auf Luftkühlung für High-Speed Produktionsprozesse, erweitern die Konfigurationsmöglichkeiten der MDS-3000-Familie

Präzise Dosierung hochviskoser Medien

Die Herausforderung, die Mikrodosiersysteme bewältigen müssen, ist das akkurate Jetten besonders schwierig zu dosierender Medien. Die hohe Viskosität abrasiv feststoffgefüllter Medien mit hohem Füllgrad erschwert den Tropfenabriss. Um die hochfeine Dosierung von hochviskosen Medien noch präziser durchführen zu können, hat Vermes das Ventilsystem MDS 3200A weiterentwickelt. Das neue System heißt MDS 3200F. Ein Bestandteil ist sein MDV 3200F genanntes Ventil. Es ermöglicht das Applizieren von kleinstmöglichen Dosierpunkten mit geringem Tropfendurchmesser bei höchster Reproduzierbarkeit der Dosiermengen. Tropfengrößen bis unterhalb von 0,4 nI sind nun möglich. Bei der Dosierung von ausgewählten Lotpasten lassen sich damit Tropfengrößen von bis unter 250 µm Durchmesser erreichen. Gleichzeitig bleiben der volle Funktionsumfang des MDV 3200A sowie dessen breites Einsatzspektrum hinsichtlich der dosierbaren Medien erhalten.

Die Ventile der 3200er Serie sind für die kontaktfreie Dosierung mittel- und hochviskoser Flüssigkeiten (bis 2.000 Pas) geeignet. Bei vollem Hub können die Ventile mit hoher Frequenz geöffnet und geschlossen werden – im Spitzenbetrieb mit bis zu 3 kHz. Auch im Dauerbetrieb sind Frequenzen von bis zu 1000 Hz möglich. Frei wählbare und kombinierbare Einstellungen der Jet-Parameter sorgen für eine optimale Anpassung an die Eigenschaften des Dosiermediums. Zudem erlaubt es der modulare Aufbau, die Ventilsysteme kundenspezifisch zu konfigurieren. Es ist sogar möglich, dasselbe Ventil durch Austausch weniger Zubehörteile in verschiedenen Prozessen und für verschiedene Dosiermedien zu verwenden. Dies wird möglich, weil das Ventil aus drei Komponenten zusammen: Engine oder Aktor, Stößel und Düse. So ist der Anwender vor Ort in der Lage, jederzeit Wartungsarbeiten vorzunehmen und seinen Mikrodosierer auf einfachste Weise selbst zu reinigen. Denn die als Fluidik bezeichnete Einheit, welche den Stößel und die Düse beherbergt, lässt sich einfach abnehmen. Selbst der Stößel kann aus dem Ventil genommen, gereinigt oder einfach nur ausgewechselt werden. Sollte die Fluidik jedoch durch einen Bedienfehler gänzlich verklebt sein, lässt sich schnell eine neue Einheit aufschrauben. Bei Verarbeitung unterschiedlich viskoser Medien oder unterschiedlich großer Dosiertropfen muss der Anwender kein zusätzliches Modell bereithalten – es genügt, den Stößel zu wechseln, den es in unterschiedlichen Größen gibt.

Überdies verfügt der Mikrodosierer neben dem neuen Ventil auch über eine verbesserte Steuereinheit, die MDC 3090+. Durch softwaregestützte Parameterfindung stellt sie die Reproduzierbarkeit der Dosierungsergebnisse sicher, auch bei Paralleleinsätzen der Systeme und die unkomplizierte Bedienung durch den Anwender. Sie ermöglicht auch das Wechseln von Dosierparametern im Betrieb und kann bis zu vier Szenarien speichern. Diese elektronische Steuerung erlaubt eine Änderung der Dosierparameter ohne Zeitverlust, dank vier in Echzeit ansteuerbarer Parameterspeichersätze. Die Kombinationen von bis zu 10 Parametersetups lassen sich mit einem einzigen Triggersignal starten und erleichtern damit das Bearbeiten von komplexen Dosierapplikationen. Gleichzeitig sorgen die kompakten Außenabmessungen der Ventileinheit für optimale Integration auch bei schwierigen Einbauverhältnissen.

Anderes Wirkprinzip für bessere Ergebnisse

In jedem Microdispensingventil steckt ein Piezo der neuesten Generation, der während der Dosierung von einer Steuereinheit unter Spannung gesetzt wird. Mit jedem Impuls öffnet und schließt der Piezo mittels eines Stößels eine Düse. Der Stößel ist über eine ausgefeilte Hebelvorrichtung direkt mit dem Piezostack verbunden und überträgt somit die volle Kraft des Piezos auf das unter Druck zur Düse fließende Dosiermedium. Durch die extrem schnelle und präzise Auf- und Abbewegung des Piezostacks kann das System innerhalb einer Sekunde mehrere hundert Schuss bei höchster Wiederholgenauigkeit dosieren. Das Mikrodosiersystem MDS 3200+F unterscheidet sich zum MDS 3200A durch eine zusätzliche Stellschraube, um den Stößelhub unabhängig vom Antrieb mechanisch zu begrenzen. Dadurch wird erreicht, dass auch bei kleinsten Stößelbewegungen ein Impuls abgegeben wird, der der maximalen Systemleistung entsprechen kann. Gleichzeitig bleibt der volle Funktionsumfang des bekannten MDV 3200A sowie dessen breites Einsatzspektrum hinsichtlich der dosierbaren Medien erhalten.

Diese Konstruktion erlaubt zudem einen geringen Druck und damit ein branchenweit einmaliges Wirkprinzip. „Wir sprechen von zwei unterschiedlichen Drücken“, erklärt Jürgen Städtler und meint damit, den Dosier- und den Versorgungsdruck beispielsweise an der Kartusche oder am Versorgungsbehälter. Letzterer ist mit 0,5 bis 3 bar extrem gering, wodurch die Systeme unter der verbindlichen Druckverordnung liegen, die ab 8 bar besondere Sicherheitsvorkehrungen erzwingt. Die präzise Adaption des Öffnungs- und Schließverhaltens des Ventils an das zu dosierende Fluid erfolgt elektronisch über die Steuereinheit. Überdies liefert ein Chip im Ventil zusätzliche Überwachungsfunktionen um ein immer gleich bleibendes Dosierresultat zu erzielen. „Gängige Dosierer leben nur von dem Druck den man hinten beim Medium ausübt“, merkt er vergleichend an und weiter: „Das Dosieren hört bei diesen Verfahren mit der Reduzierung des Drucks auf, was letzten Endes nie ein exaktes Aufbringen zulässt.“

Jürgen Städtler, Geschäftsführer von Vermes Microdispensing aus Otterfing: „Wir sind der einzige Hersteller weltweit, der Mikrodosiersysteme mit Piezotechik ganzheitlich selbst entwickelt hat.“ Marisa Robles Consée

Interview mit Jürgen Städtler, Geschäftsführer von Vermes Microdispensing

Produzieren Sie nach wie vor ausschließlich an Ihrer Hauptniederlassung in Otterfing?

Ja, wir legen Wert auf höchste Qualität durch die Produktion in Deutschland und einen engen technischen Austausch zwischen Forschung & Entwicklung und der Produktion.

Welche Herausforderungen muss Ihr Unternehmen auch auf technischer Ebene meistern und wo sehen Sie noch Handlungsbedarf?

Die Rheologie ist eine komplexe Wissenschaft. Diese in den Griff zu bekommen, bedarf es eines besonders intensiven Verständnisses physikalischer und strömungstechnischer Vorgänge. Um konkrete Prozessanforderungen explizit formulieren zu können, muss der gezielte Ausbau des Unternehmens-Know-how in diesem Bereich zwingend erfolgen. Das ist der Schwerpunkt unserer Strategie für die nächsten drei Jahre.

Immer kleiner, immer feiner. Wann wird Ihrer Ansicht nach die Fahnenstange der kleinsten dot-Größe erreicht sein? Wie winzig ist dann ein dot?

Immer kleiner und feiner ist nur einer mehrer Trends. Genau genommen ist diese eindimensionale Sicht nicht ausreichend. Zum Beispiel ist es schon lange möglich, kleinste Tropfen im Picoliterbereich zu erzeugen – die Viskosität muss nur gering genug sein. Bestes Beispiel hierfür ist der Tintenstrahldrucker.

Welcher Herausforderung müssen Sie da begegnen?

Bei sehr vielen Industrieprozessen ist die Formulierung von leistungsfähigen nanofunktionalen Klebstoffen eher im hoch- beziehungsweise höchstviskosem Bereich zu finden. Die Herausforderung ist, für mehrdimensionale Prozessanforderungen die Grenzen immer weiter hinauszuschieben. Beispielsweise nicht nur kleine Tropfen, sondern gleichzeitig das Ganze mit einem hochviskosen Klebstoff und in hoher Geschwindigkeit berührungslos und prozesssicher zu applizieren.

Sie wollen – angetrieben vom Erfolg – auch weiterhin expandieren. Letztes Jahr erfolgte die Gründung der ersten Auslandsniederlassung im chinesischen Xiamen. Wie sehen Ihre Expansionspläne aus?

Wir sehen nach wie vor den Schwerpunkt in Asien mit Niederlassungen in China, Japan und Singapur. Aber wir wachsen auch im europäischen Raum. Hier sind große namhafte Kunden mit umfangreichen Installationen der momentane Schwerpunkt. Für die nächsten Jahre sehen wir Potential im mittelständischem Segment.

Das Interview führte Marisa Robles Consée

Productronica 2015: Halle A2, Stand 106