Die Entwicklung von Produkten und Fertigungsverfahren stellt immer wieder neue Anforderungen an die Materialeigenschaften von Silikonen. Die Weiterentwicklung der Silikone wiederum eröffnet der Industrie neuartige Einsatzmöglichkeiten für zukünftige Fertigungsverfahren. Durch dieses doppelte Vorantreiben der Technologie für chemische Fügeverbindungen findet in diesem Bereich derzeit eine rasante Weiterentwicklung statt. Auch Zweikomponenten-Silikonkautschuke finden aufgrund ihrer vielseitigen Materialeigenschaften immer häufiger eine breite industrielle Anwendung. Bei diesen Silikonen handelt es sich um langkettige Polysiloxane – meist in einer gieß- bis knetbaren Form – die durch eine Additions- oder Kondensationsvernetzung zu einem elastischen Gummi vulkanisieren. Sie zeichnen sich durch wesentliche Merkmale aus wie etwa hohe Temperaturbeständigkeit, gute Diffussionsdichtheit, hohe chemische Beständigkeit und einstellbare Wärmeleitfähigkeit.
Ihren Verwendungsbereich stellt vor allem die Automobil- und Elektronikindustrie dar, sowie auch immer mehr die pharmazeutische und orthopädische Industrie. Eine interessante Produktentwicklung betrifft Zweikomponenten-Silikone (2K) bei denen die Materialhärte, also die so genannte „Shore-Härte“ in vulkanisierter Form durch die Steuerung des Mischungsverhältnisses variieren kann. Diese Silikone finden zum Beispiel in der Medizintechnik ihre Anwendung. Bei der Herstellung von Prothesen und orthopädischen Einlagen sowie Pelotten ist es mit diesem Silikon möglich, unterschiedliche Härtebereiche innerhalb eines Produktes einstellen.
Herausforderungen beim Dosieren
Um diese Steuerung der Materialhärte in einem Herstellungsprozess praktikabel umzusetzen, ist während des Materialauftrags eine einfache und härteprofilsynchrone Einstellung des Mischungsverhältnisses durch das verwendete Dosiersystem sicherzustellen. Die Einstellung von Mischungsverhältnissen ist bei einer Dosieranlage mit Zahnradpumpen zwar durch die softwaregesteuerte Änderung der Drehgeschwindigkeit der Zahnräder möglich, jedoch mit hohem regeltechnischen Aufwand verbunden. Die ausgebrachte Dosiermenge verhält sich nicht linear zur Drehzahländerung, bedingt durch das Rückströmungsverhalten dieses Pumpensystems. Die tatsächliche Fördermenge muss von einem Volumenmesser gemessen und an das System rückgemeldet werden. Dies bedeutet, dass die Dosierpumpen den eigentlichen Dosierprozess zeitverzögert nachjustieren. Diese Abweichungen in der Dosierung steigen mit Abnahme der Dosiermengen und Erhöhung der geforderten Dosiergenauigkeiten.
Kolbendosiersysteme benötigen durch das verwendete Prinzip der volumetrischen Zwangsförderung keine aufwendige, kontinuierliche Nachregelung und arbeiten mit einer reduzierten Anlagenkomplexität. Einschränkend wirkt bei einfachen Kolbenpumpensystemen jedoch, dass jede Variation des Mischungsverhältnisses nur durch eine hardwareseitige Systemanpassung möglich ist. Die Umsetzung erfolgt mittels Einstellung des Kolbenhubes über mechanische Anschläge (Gestänge) oder durch den kompletten Austausch des Dosierkolbens. Diese Hardware-Anpassungen verursachen jedoch Umbauarbeiten, Kosten für die Austauschteile und einen längeren Anlagenstillstand. Ein weiterer Nachteil der Kolbendosiersysteme ist die effektiv eingeschränkte Produktionszeit, verursacht durch die zwingend notwendige Wiederbefüllung des Kolbenvolumens mit dem Medium. Durch diesen systembedingten Zyklus aus Dosierung und Kolbenbefüllung ist lediglich ein gepulster und kein kontinuierlicher Materialaustrag möglich. Die Zeit der Wiederbefüllung des Kolbens erhöht sich mit zunehmender Viskosität des Mediums.
Silikone dosieren leicht gemacht
Für eine flexible und präzise Einstellung von 2K-Mischungsverhältnissen innerhalb eines Dosierzyklus hat sich das von Viscotec Pumpen- und Dosiertechnik angewandte Endloskolbenprinzip als geeignete Technologie erwiesen. Bei diesem Verfahren handelt es sich um ein volumetrisches Dosierprinzip, das auch bei schwankenden Medienviskositäten sehr hohe Dosiergenauigkeiten aufweist. Durch das Zusammenspiel zwischen Rotor und Stator entstehen abgeschlossene Kammern mit identischen Volumina, die sich während des Dosierprozesses nicht verändern. Die besondere Dosiergeometrie der Dispenser stellt einen für die exakte Steuerung von Mischungsverhältnissen wichtigen pulsationsfreien Förderstrom sicher. Das Medium wird von der Saug- zur Druckseite der Pumpe gefördert und folgt einem gleichmäßigen und kontinuierlichen Bewegungsstrom in einer Richtung.
Umgesetzt auf die Konfiguration von 2K-Dosiersystemen sind zwei Dosierpumpen V-förmig nebeneinander direkt an einen Mischkopf angebunden. In diesem totraum-optimierten Mischkopf werden A- und B- Komponente des Silikons durch zwei getrennt voneinander verlaufende Kanäle dem statischen Mischer zugeführt. Die besondere Ausführung der Auslassöffnung verlängert die getrennte Zufuhrstrecke der Komponenten in das statische Mischrohr hinein und unterbindet zuverlässig eine direkte Aushärtereaktion im Mischkopf selbst. Die direkte Zusammenführung der Dosierpumpen am Mischkopf und die Einhaltung kurzer Dosierstrecken nach den Pumpenausgängen eliminieren Dosierungenauigkeiten die ansonsten durch unkontrollierbare Druckprofile auf langen Förderstrecken entstehen. Die vorgegebenen Mischungsverhältnisse lassen sich mit dem beschriebenen Anlagenaufbau mit hohen Genauigkeiten einhalten.
Verzögerungsfreie doppelte Dosiermenge
Auf Basis der erreichbaren Dosiergenauigkeiten des Systems wird die dynamische Änderung der Mischungsverhältnisse beim Materialauftrag durch eine variable Steuerung der individuellen Fördermenge pro Medienkanal erreicht. Die verwendete Exzenterpumpen-Technologie arbeitet strikt volumetrisch. Mit jeder Pumpenumdrehung wird immer ein fest definiertes Medienvolumen dosiert, mit einer definierten Drehzahl in U pro Zeiteinheit wird eine Fördermenge in ml pro Zeiteinheit festgelegt. Es besteht eine lineare Übereinstimmung zwischen Dispenser-Drehzahl und Dosiermenge: Demnach bewirkt die doppelte Drehzahl verzögerungsfrei doppeltes Fördervolumen. Diese Volumengenauigkeit wird bei den Systemen sehr zuverlässig und pulsationsfrei auch bei schwankenden Viskositätswerten erreicht.
Bei dem beschriebenen 2K-Dosiersystem ergibt sich aus der Fördermenge pro Kanal das gewünschte Mischungsverhältnis für das 2-Komponenten-Silikon. Die Motordrehzahl der Dispenserantriebe wird über ein Analogsignal gesteuert. Die Austragsmenge wird volumengenau und direkt linear zum eingestellten analogen Steuersignal am Pumpenausgang zur Verfügung gestellt. Durch dieses Funktionsprinzip bietet das System die technische Möglichkeit, die Dosiermenge pro Zeiteinheit zu jedem Zeitpunkt des Dosierprozesses stufenlos zu verändern und Mengenprofile einzusetzen. Dadurch lassen sich Mischungsverhältnisse beim Medienaustrag variabel gestalten.
Das Steuerungskonzept für das 2K-Dosiersystem stellt zwei Schnittstellen zur Verfügung. Die Ansteuerung der Antriebseinheiten kann sowohl durch externe Signalpfade einer übergeordneten Steuerung einer Automatisierungsanlage als auch durch die speziell von Viscotec entwickelte 2K-Dosiersteuerung erfolgen. Grundlegend werden in der Viscotec-Steuerung alle Basisparameter des Prozesses wie Mischungsverhältnis, Dosiergeschwindigkeit und Dosiermenge voreingestellt und die Kalibrierung durchgeführt. Mit Hilfe der eingebundenen Rezeptverwaltung lassen sich unterschiedliche Mischungsverhältnisse und somit Produkteigenschaften voreinstellen, hinterlegen und mit wenigen Klicks über das Touchpanel aufrufen.
Stabile Prozessparameter sichergestellt
Neben der Einstellung dieser Basisparameter wie Dosiermenge, Dosiergeschwindigkeit und Mischungsverhältnis bietet die Viscotec-Steuerung auch ein umfangreiches Spektrum an einstellbaren Prozessparametern, die eine vollautomatische Produktion unterstützen und eine stabile Produktqualität ermöglichen. Die Dosiersteuerung bietet unter anderem die Option zur Festlegung und Überwachung der Dispensereingangs- und Dosierdrücke. Bei Überschreitung der vom Anwender definierten Grenzwerte erfolgen eine optische Anzeige am Display und eine elektrische Signalausgabe an externe Geräte. Verfügbar sind zusätzlich Parameter zur Angabe der Material Pot-Life sowie zur Einstellung der Spülschusswartedauer und ein Spülschusszähler. Falls innerhalb der eingestellten Pot-Life nicht mindestens das x-fache des Füllvolumens des statischen Mischers dosiert wurde, erfolgt eine Fehlermeldung durch das System. Damit wird sichergestellt, dass kein bereits reagierendes Material verwendet wird beziehungsweise der statische Mischer aushärtet.
Mit Nutzung des Parameters für die Spülschusswartedauer kann vor Ablauf der Pot-Life durch die Steuerung ein Spülschuss ausgelöst werden. Über eine Signalausgabe an eine externe Steuerung ist es durch das Handlingssystem möglich, eine für den Spülschuss definierte Achsposition anzufahren. Um beispielsweise bei einem längeren Anlagenstillstand den übermäßigen Verbrauch von Silikonmaterial für Spülschüsse zu vermeiden, ist eine maximale Spülschussanzahl – also eine Begrenzung der Anzahl durchzuführender Spülschüsse – einstellbar. Nach Erreichen dieser Maximalmenge wird durch die Steuerung eine Fehlermeldung generiert und das Bedienpersonal in der sachgerechten Anlagenführung unterstützt.
Stets eine präzise Dosierung
Das Endloskolbenprinzip von Viscotec findet neben der Anwendung bei den 2K-Dosiersystemen auch bei den Materialentnahme- und Aufbereitungssystemen Anwendung. Die Materialversorgungsstrecken werden für 2K Anlagen mit parallelen Kanälen für die A- und B- Komponente ausgeführt. Damit wird bei Viscotec über den Gesamtprozess von der Materialentleerung bis zum Dosierprozess hinweg eine einheitliche und qualitativ hochwertige Verarbeitung von Silikonen mit der dargestellten Technologie sicherstellt.
Bernd Frohn
(mrc)
