Das neuartige Ventil ist in der Lage sowohl Gase als auch Fluide unterschiedlicher Viskositäten mit einer hohen Genauigkeit zu dosieren.

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1 Das innovative Mikrodosierventil Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung hat ein neues Mikrodosierventil mit pneumatischem Selbstbetätigungsmechanismus entwickelt, das die Dosierzeit von nieder-, mittel und hochviskosen Medien grundlegend verkürzt. Das Dosieren gehört mittlerweile zu den wichtigsten Bestandteilen der Produktions-, Analyseund Fertigungstechnik. Es werden heutzutage viele Systeme angeboten, die die Anforderungen an Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erfüllen, jedoch Defizite bezüglich ihrer dynamischen Eigenschaften aufweisen, wenn sie in Modernen Produktionsanlagen integriert werden, besonders, wenn diese Dosiersysteme elektrische oder mechanische Komponenten enthalten, die die Dosierzeit beeinflussen. Das Problem wurde am Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung erkannt und deshalb wurde im Rahmen eines Interngeförderten Projektes ein Magnetdosierventil entwickelt, mit dem sehr präzise Punkte und Linien aufgetragen werden können (Abbildung 1). Abbildung 1: feiner Linien und Punktauftrag Das neuartige Ventil ist in der Lage sowohl Gase als auch Fluide unterschiedlicher Viskositäten mit einer hohen Genauigkeit zu dosieren. Die Vorteile des Dosierens mit einem Zeit/Druck-System gegenüber den anderen Dosiersystemen bezüglich ihrer Druckaufbauzeiten lagen eigentlich schon immer auf der Hand, scheiterten jedoch bisher unter anderem an der Reproduzierbarkeit auf Grund der Abhängigkeit des Dosierdrucks von dem Füllstand der Kartusche. Abbildung 2 zeigt den Druckaufbau in Abhängigkeit der Zeit von einer vollen Kartusche mit einer 100µm Dosiernadel. Die Druckaufbauzeit beträgt in diesem Fall 0,06 s, wenn die Kartusche mit 2 bar beaufschlagt wird.

2 Druckaufbau (36mm) Glycerin, 100µm Nadel Druck [bar] ,05 0,1 0,15 0,2 Zeit [s] 1bar 2bar 3bar 4bar 5bar 5,7bar Abbildung 2: Der Druckaufbau in einer vollen Kartusche (Füllstand 36 mm) Mit abnehmendem Füllstand nimmt die Druckaufbauzeit zu. Die beträgt unter den gleichen Bedingungen 0,07 s, wenn die Kartusche mit 2 bar beaufschlagt wird. Abbildung 3 zeigt den Verlauf des Druckaufbaus in der Kartusche in Abhängigkeit von der Zeit. Druckaufbau (12mm) Glycerin, 100µm Nadel Druck [bar] ,05 0,1 0,15 0,2 Zeit [s] 1bar 2bar 3bar 4bar 5bar 5,7bar Abbildung 3: Der Druckaufbau in einer fast leeren Kartusche (Füllstand 12 mm) Diese Abhängigkeit kann minimiert bzw. beseitigt werden, wenn die Kartusche ständig unter einem bestimmten Druck steht, bei dem die Flüssigkeit nicht aus der Dosiernadel herausströmt. Diese kann realisiert werden, wenn zwischen der Kartusche und der Dosiernadel ein Ventil integriert wird. Beim öffnen des Ventils baut sich der Druck in der Nadel auf innerhalb sehr kürzer Zeit und unabhängig von dem Füllstand der Kartusche. Für diese Aufgabe kommen nur Ventile in Frage, die im Betrieb keine Wärme erzeugen, da die Wärme die Viskosität der zu dosierenden Flüssigkeit drastisch verändert. Am Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung-IPA wurde ein Magnetventil entwickelt, das aus zwei im Ventilgehäuse sich gegenüberliegenden Permanentmagneten besteht (Abbildung 4).

3 Luer Lock-Anschlüsse Dichtungsring Magnete Abbildung 4: Das Magnetdosierventil Während der in Strömungsrichtung erstangeordnete Magnet fixiert ist, ist der zweite Magnet beweglich gelagert und damit axial verschiebbar. Die Funktionsweise sieht so aus, dass die zwischen den beiden Magneten wirkende Anziehungskraft im nicht angesteuerten Zustand ein Andrücken des mit dem Magneten verbundenen Dichtelements auf den Ventilsitz bewirkt. Im Normalzustand ist das Ventil damit geschlossen. Das Ventil zu öffnen, erfordert es der Auslenkung des zweiten Magneten in Strömungsrichtung. Diese wird durch die definierte Erhöhung des auf das zu fördernde Medium wirkenden Systemdrucks erreicht (Abbildung 5). Bild 4: Vordruckaufbau (12mm) Glycerin, 100µm Nadel 3 Druck [bar] 2 1 Vordruck 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Zeit [s] Abbildung 5: Vordruckaufbau in einer fast leeren Kartusche. Übersteigt die durch das druckbeaufschlagte Fördermedium wirkende Kraft auf den auslenkbaren Magneten die Anziehungskraft, die sich über die Magnetpaarung und den Abstand einstellen lässt, öffnet das Ventil. Die erforderliche Durchleitung des Fluids zum Ventilsitz ist durch einen Durchlass im ersten Magneten gegeben (Abbildung 6).

4 Abbildung 6: Dosierdruckaufbau Mit dem gewählten Ansatz lässt sich ein kostengünstiges Mikrodispenssystem für ein breites Spektrum an Medien realisieren, das flexibel für einen punkt- oder / und linienförmigen Auftrag einsetzbar ist. Denkbar ist auch eine Ausführung als Einweg-System. Der Aufbau und die Art der Betätigung macht das System besonders für den hochdynamischen Einsatz in der Serienfertigung interessant. So Bedarf es bei einem systemseitigen Förderdruck leicht unterhalb des Schwellwerts zur Ausführung des Dosiervorgangs lediglich einer definierten Druckerhöhung. Ein jeweils vor dem Dosiervorgang erforderlicher kompletter Druckaufbau entfällt damit. Hinzu kommt die Einsparung einer zusätzlichen Energieversorgung, wie es u. a. bei elektromagnetischen Schaltventilen erforderlich ist, wodurch keine den Prozess beeinflussende Systemerwärmung eintritt. Das System kann mit einer Luftdüse ergänzt werden, die in die pneumatische Schaltung eingebunden wird (Abbildung 7). Durch das Nähern bzw. Aufsetzen der Luftdüse auf die Oberfläche des Substrats erhöht sich mit geringer werdendem Düsenabstand der am Ventil anliegende Druck. Es kommt dadurch zu einer Überschreitung des eingestellten Grenzwerts und das Ventil öffnet. Beim Abheben der Düse verringert sich der Systemdruck und das Ventil schließt wieder.

5 Bild 6: P P 2 P 1 Kartusche Magnetventil Luftdüse Dosiernadel Abbildung 7: Pneumatische Ansteuerung mit einem Bypasssystem Die Vorteile des oben beschriebenen Ventils sind: Durch den Einsatz eines hochpräzisen Ventils kann, abhängig von den Öffnung und Schließzeiten, sehr fein und reproduzierbar sowohl Dots als auch Linien dosiert werden. Das System ermöglicht das Schalten unterschiedlichster flüssiger und gasförmiger Medien (Viskosität, gefüllt und ungefüllt) Durch die Schließart wird ein schneller Druckabbau in der Nadel und gleichzeitig ein Zurückziehen des Mediums erreicht und damit ein Nachtropfen verhindert Keine das Dosierergebnis negativ beeinflussende Wärmeerzeugung im System, wie es z.b. bei Systemen mit integrierten elektrischen Komponenten der Fall ist Keine das Dosierergebnis negativ beeinflussende Wärmeerzeugung im System, wie es z.b. bei Systemen mit integrierten elektrischen Komponenten der Fall ist Mit dem Systemaufbau sind gute dynamische Eigenschaften erreichbar, wodurch eine Anwendung in der Serienfertigung möglich ist. Der einfache Aufbau ermöglicht eine kostengünstige Lösung evtl. als Einweg-System Die modulare Bauweise ermöglicht eine einfache Handhabung, Reinigung und Wartung sowie eine Anpassung auf unterschiedliche Kartuschengrößen. Die vorhandene Aufnahme ermöglicht die Verwendung von gängigen Kartuschen Hohe Integrierbarkeit aufgrund einfacher Ansteuerung Aufbau ermöglicht die Realisierung eines mit mehreren nebeneinander angeordneten Ventilen / Düsen

6 Ausgehend von dem beschriebenen Dosiersystem und zukünftiger Entwicklungen ist das Ziel des Fraunhofer IPA die Industrie bei fertigungsrelevanten Fragestellungen im Zusammenhang mit dem Mikrodosieren und -dispensen zu unterstützen. Im Fokus steht dabei die Entwicklung kundenspezifischer verfahrens- und systemtechnischer Lösungen für ein hochpräzises und zuverlässiges Applizieren nieder- bis hochviskoser Medien unter industriellen Einsatzbedingungen. Neben der Betrachtung des Dispensprozesses sollen bei Bedarf auch qualitätsrelevante angrenzende Prozessschritte, wie z. B. die Oberflächenvorbehandlung und das Handhaben von Bauteil und Medien sowie Maßnahmen zur Qualitätssicherung, in die Projektbearbeitung einbezogen werden. Fraunhofer Institut Produktionstechnik und Automatisierung (Fraunhofer IPA) Department Cleanroom Manufacturing Dr.-Ing. Nabih Othman Nobelstrasse 12; Stuttgart Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0)