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Häufig gestellte Fragen

Dosierung und Jetting in Allgemein

Die kontaktlose Dosierung ist ein zeitsparendes und Hochtechnologie nutzendes Verfahren, um flüssige Materialien auf einen Träger oder ein Medium zu bringen, ohne dabei einen direkten, physischen Kontakt herzustellen. Beispiele für diese flüssigen Materialien können Klebstoffe, Fette oder auch flüssige Metalle sein. Hauptinstrument dieses Arbeitsprozesses sind piezobetriebene Ventile, die selbst kleinste Mengen emittieren können und deshalb Mikrodosierventile genannt werden.

Die Mikrodosierung ist ein sehr fein gesteuertes Verfahren, um Flüssigkeiten im Mikro- und Nanoliterbereich anzubringen. Die Mikrodosierung bietet neben der Sicherung eines effizienten Einsatzes der oftmals teuren Dosiermaterialen auch ein hohes Ausmaß an Wiederholgenauigkeit und Prozesssicherheit. Die verwendeten Mikrodosierventile erreichen höchste Frequenzen bei minimaler Dosiermenge. Da das Auftragen berührungsfrei erfolgt gehören Beschädigungen des Trägermaterials der Vergangenheit an.

Das Jetventil ist das zentrale Bauteile bei der kontaktlosen Dosierung: Dank seiner ausgefeilten Düsengeometrien und exakten Steuerung können kleinste Mengen berührungsfrei aufgetragen werden. Ein sich schnell schließender Stößel drückt das unter konstantem Materialversorgungsdruck zuströmende Dosiermedium an einer Düse heraus. Die hierbei an der Düse erzeugten Kräfte führen zu einer sehr schnellen Beschleunigung des austretenden Dosiermediums, sodass die Flüssigkeit direkt auf das Substrat aufgetragen wird und nicht in einer horizontalen oder vertikalen Richtung abweicht.

Das berührungsfreie Dosieren durch ein Jetventil bietet viele Vorteile gegen über einem Dosierverfahren, bei dem sich das Trägermedium und die Düse praktisch berühren:

  • Die wesentlich höheren Dosierfrequenzen führen zu deutlich erhöhten Durchsatzraten
  • Das berühungslose Dosieren zwischen Substrat und Jetdüse verringert das Risiko von Produktionsunterbrechungen erheblich, es treten keine Beschädigungen am Bauteil auf. Ein zeitaufwändige Neupositionieren der Düse wird vermieden.
  • Jetten ermöglicht das exakte Aufsetzen kleinster Dosiermengen. Kein Nachtropfen bedeutet auch weniger Zeitaufwand für Reinigung nach der Produktion oder bei Veränderung des Versuchsaufbaus.
  • Die Abreißbewegung der Dosiernadel nach oben entfällt beim Jetten,  deshalb reicht eine nur in der X- und Y-Dimension bewegliche Maschine aus. Der Maschinenaufbau wird so einfacher.

Die Viskosität ist eine charakteristische Eigenschaft von Fluiden. So werden fließfähige Stoffe bezeichnet, unabhängig davon, ob es sich um Flüssigkeiten, Gase oder zum Teil sogar Feststoffe handelt, zum Beispiel Schüttgüter. Die Messgröße Viskosität kennzeichnet den Widerstand gegen die plastische Verformung, die mit dem Fließen einher geht. Als Maßeinheit entspricht die Viskosität dem Kehrwert der Fluidität, also der Fließfähigkeit. Für technische Anwendungen werden Fluide in drei Kategorien eingeteilt, niedrig-, mittel- und hochviskose Stoffe. Dabei gehören die meisten fließfähigen Substanzen mit denen der Mensch im Alltag zu tun hat zu der niedrigviskosen Gruppe, allen voran das Wasser. Eine markante Ausnahme ist der Honig, der abhängig von Sorte und Lagerung eine mittlere bis hohe Viskosität aufweist. Die Grenzen der Bereiche liegen bei etwa 300 mPas für den Übergang zwischen niedrig- und mittelviskosen Stoffen und ab circa 8000 mPas beginnen die hochviskosen Fluide. Diese Einteilung entscheidet auch darüber, welches Mikrodosiersystem jeweils in Frage kommt. Das MDS 3010A ist für den niedrigviskosen Bereich ausgelegt, Das MDS 3020A verarbeitet mittelviskose Fluide und die Systeme MDS 3200+ sowie MDS 3200+F eignen sich für die Verarbeitung hochviskoser Medien.

Typische Kriterien, die den Einsatz von VERMES Mikrodosierventilen verlangen, sind:

  • Kleine Dosierpunkte / -mengen im Bereich von wenigen Nanolitern bis wenigen Mikrolitern. Je nach Viskosität des Mediums und Oberflächeneigenschaften des Substrats ergibt das Dosierpunkte auf der Oberfläche von minimal 0.2 - 0.3mm bis maximal wenige mm.
  • Hohe Dosierfrequenz, d.h. viele Dosierpunkte in kurzer Zeit
    • bei einem fest installierten bzw. kontinuierlich verfahrendem Ventil sind Frequenzen von einigen hundert Dosierpunkten pro Sekunde möglich;
    • wenn das Ventil jeden Dosierpunkt einzeln anfährt und dort anhalten muss, hängt die Dosierfrequenz der Anlage vom Zusammenspiel der Achsen mit dem Ventil und dem Abstand zwischen den Dosierpunkten ab. Bei entsprechend schnellen Achsen und kurzen Verfahrwegen sind mehr als 10 Punkte pro Sekunde realistisch;
    • weitere Informationen zu Frequenzen und Dosierzeiten, die ggf. auch für die Planung einer Anlage relevant sein können, finden Sie unter dem Themenbereich 'Einbindung eines MDS 3000 in eine automatische Anlage'.
  • Hohe Anforderungen an die Wiederholgenauigkeit bei gleichzeitig kleiner Dosiermenge.
  • Große Toleranzen auf dem Werkstück müssen ausgeglichen werden, was eine Z-Achsen-kritische Nadeldosierung nicht praktikabel erscheinen lässt.
  • Die medienberührenden Teile müssen sich einfach reinigen oder sogar desinfizieren lassen.

MDS = Mikro Dosier System

MDV = Mikro Dosier Ventil

MDC = Mikro Dosier Controller

MDF = Mikro Dosier Fluidik

MDS 3010A-FD

MDS 3010A-FA

MDS 3020A-FD

MDS 3020A-FA

MDS 3200+

MDS 3200+F

FD = First Drop: Geeignet für die Mehrzahl der Anwendungen im nieder-und mittelviskosen Bereich. Der „Adjust“ (siehe unter „Was versteht man unter Adjust“) erfolgt durch präzises Eindrehen der Düseneinheit (NU). Der Vorgang ist elektronisch überwacht.

FA = Fixed Adjust: Geeignet für spezielle Anwendungen/ Medien und Anlagen mit parallelem bis hochparallelem Einsatz einer Vielzahl von Ventilen. Der „Adjust“ erfolgt elektronisch. Ein Eindrehen ist nicht erforderlich.

Als Düseneinheit (abgekürzt NU, nach dem englischen Begriff Nozzle Unit) bezeichnet sich eine Baugruppe des Mikrodosiersystems (MDS) innerhalb derer die Dosierung des Mediums ausführt wird. Sie ist als separate Einheit mit dem unteren Ende des Ventilkörpers verschraubt und enthält neben der Stößelführung (TG, für Tappet Guidance) die Düseneinstellmutter (NAN, für Nozzle Adjusting Nut,).

Der Düseneinsatz (NI, für Nozzle Insert) ist ein wichtiger Bestandteil des Dosiersystems. Der Innendurchmesser der Düsenkanalbohrung sowie die Düsengeometrie an der Blende sind wesentliche Faktoren, um das Dosierergebnis zu beeinflussen. Die Auswahl des richtigen Düseneinsatzes ist damit entscheidend für die optimale Funktion des Mikrodosiersystems.

In einem Mikrodosiersystem ist die Fluidik derjenige Anlagenteil, der in direktem Kontakt mit dem zu dosierenden Fluid steht. Sie ist als eigenständige Baugruppe ausgeführt und lässt sich für die Reinigung und Wartung leicht abschrauben. Hierfür sind lediglich zwei Schrauben zu lösen, die den Ventilkörper und die Mikrodosier Fluidik (MDF) miteinander verbinden. Die Fluidiken der Mikrodosiersysteme sind auch thermisch von den Aktoren getrennt. Sie unterscheiden sich in einer Reihe von Merkmalen, die eine flexible Anpassung an die zu verarbeitenden Fluide und andere Betriebsparameter ermöglichen. Unterschiede gibt es zum Beispiel hinsichtlich der eingesetzten Werkstoffe, bezüglich der Konfiguration, beispielsweise als rechts- oder linksgewinkelte Ausführung, aber auch in der Art der Medienversorgung. Meist wird das zu dosierende Fluid zwar aus einer Kartusche zugeführt, es ist aber auch eine Versorgung über Schlauchleitungen aus einem Drucktank möglich.

Systeme der Baureihe MDS 3000 sind modular aufgebaut. Dadurch ergeben sich zahlreiche Konfigurationsmöglichkeiten:

  • Zunächst muss das richtige System ausgewählt werden (MDS 3010A, MDS 3020A, MDS 3200+, 3200+F). Die Entscheidung richtet sich gewöhnlich nach der Viskosität des Mediums.
  • Es muss die richtige Auswahl des Düseneinsatzes und ggf. auch des Stößels getroffen werden. Bei dieser Entscheidung ist in den meisten Fällen die gewünschte Größe des Dosierpunktes ausschlaggebend.
  • Zudem kann bei der Auswahl der medienberührenden Teile, also des Dichtmaterials und auch der Fluidik, die chemische Medienbeständigkeit eine Rolle spielen. Die Form der Fluidik richtet sich danach, ob aus einer Kartusche oder per Schlauchanschluss aus einem Versorgungstank gespeist werden soll. Weitere Fluidikformen sind für spezielle Einsätze verfügbar.
  • Ferner kann auch noch die Kabellänge den Anforderungen der Anlage angepasst werden.

Der leistungsführende Kabelstrang muss vom signalführenden Strang getrennt werden (Übersprechen):

Aktorkabel: Versorgungspannung für den Piezo

Sensorkabel: Datentransfer zwischen MDV und MDC

Um eine möglichst hohe Dosiergenauigkeit – unabhängig von der Stößelabnutzung – zu erreichen, wird der Abstand zwischen Düseneinsatz und Stößel vor Ort vom Kunden eingestellt, und kann bei Bedarf auch nachgestellt werden. Ein Einsenden des Ventils zum Justieren, auch bei Wechsel von Düseneinsatz und Stößel vor Ort, ist nicht notwendig. Details zum Durchführen des Adjust Prozesses können Sie der Bedienungsanleitung entnehmen.

Es gibt standardmäßig die Längen 2 m, 2,5 m, 5 m, 7 m, 8 m und 10 m. Ansonsten sind auch kundenspezifische Längen lieferbar.

RI = Rising: die Zeit (in ms), die das Ventil zum Öffnen benötigt.

FA = Falling: die Zeit (in ms), die das Ventil zum Schließen benötigt.

OT = Open Time: die Zeit (in ms), die das Ventil in der offenen Position verbleibt.

NL = Needle Lift: der Anteil (in %) des maximalen, normierten Stößelhubes, den das System bei der entsprechenden Einstellung erreicht.

DL = Delay: die Wartezeit (in ms) zwischen einem abgeschlossenen Dosierzyklus und dem nächsten. NP = Number of Pulses: Anzahl der Dosierzyklen, die mit einem Triggerimpuls ausgelöst werden.

Der Versorgungsdruck ist der Druck, der von Extern auf dem Dosiermedium anliegt, um den entsprechenden Materialnachschub sicherzustellen.

Der eigentliche Dosierdruck, durch den der Dosierstrahl entsteht, wird erst zwischen Stößel und Düseneinsatz erzeugt, und ist nicht direkt messbar. In den meisten Fällen ist er deutlich höher als der Versorgungsdruck.

Wie unter dem Stichpunkt "Was ist der Unterschied zwischen Versorgungsdruck und Dosierdruck?" beschrieben, hat der Versorgungsdruck keinen direkten Einfluss auf die Dosierleistung. Ein ausreichender Versorgungsdruck ist allerdings notwendig, um die korrekte Funktion des Dosierventils zu gewährleisten. Außerdem können sich Schwankungen im Versorgungsdruck negativ auf die Dosierqualität auswirken, da sie eine ungleichmäßige Materialzufuhr zur Folge haben.

Als Faustregel kann man sagen, dass sich niederviskose Medien wie z.B. Wasser mit beinahe beliebigen Parametern dosieren lassen – natürlich mit unterschiedlichen Ergebnissen, aber es entsteht fast immer allein durch den Versorgungsdruck schon ein Tröpfchen oder Strahl. Für höherviskose Medien müssen die optimalen Parameter erst gefunden werden. Sollte ihnen kein Dosiertest von VERMES für Ihr Medium vorliegen, beraten wir Sie gern telefonisch, mit welchen Parametern Sie ihre Optimierungsversuche beginnen können.

Kontaktloses Dosieren bedeutet, dass das Dosiermedium über einen gewissen Abstand frei fliegt, bevor es auf das Substrat auftrifft. Wie groß kann dieser Abstand sein? Grundsätzlich gilt, dass das Dosierbild sauberer wird, je kürzer der Abstand ist. Mindestens sollte der Abstand aber noch groß genug sein, um einen Abriss des Mediums zu gewährleisten.

In der Praxis liegt der Abstand bei minimal ca. 0.5mm, bei den meisten Anwendungen zwischen 1-3mm, seltener bis 5 oder sogar über 10mm.

Heizen setzt bei vielen Medien die Viskosität herab und erleichtert so dass Dosieren. Das MDS 3200+ ist für sehr hochviskose Medien geeignet und erfordert deshalb oft keine Heizung. Trotzdem ist es möglich, ein MDS 3000+ mit einer Düsenheizung auszurüsten.

Zur Reinigung lassen sich die medienberührenden Teile mit wenigen Handgriffen entfernen und etwa durch spezielle Bürsten und Drähte reinigen. Darüber hinaus können die medienberührenden Teile problemlos im Ultraschallbad gesäubert werden.

Zunächst ist zu klären, nach welchem Grundprinzip die Dosieranlage laufen soll. Entscheidend ist hier die Frage, ob die Dosierung kontinuierlich verlaufen soll, also z.B. eine Raupe dosiert werden soll, oder ob eine Vielzahl Einzelpunkten in hoher Frequenz angefahren werden soll. Die Frage, ob sich dabei das Substrat oder das Ventil bewegt, spielt aus Sicht der Dosiertechnik nur eine untergeordnete Rolle.

Bei einer kontinuierlichen Dosierung von z.B. Raupen ist die Eigenfrequenz des Ventils ausschlagbebend, um etwa die Verfahrgeschwindigkeit des Ventils zu berechnen. Die Frequenz ergibt sich rechnerisch aus 1 s durch die Dosierzeit pro Impuls (also Summe von Ventil öffnen (Rising), Ventil Offenzeit (Open Time), Schießzeit (Falling), und Wartezeit zwischen 2 Dosierimpulsen (Delay).

Rein rechnerisch sind also Frequenzen von mehreren 100 Hz möglich und für manche Anwendungen auch realistisch, allerdings kann sich ein Optimum auch bei geringeren Frequenzen finden, wenn durch eine längere Offenzeit eine höhere Dosiermenge pro Impuls erreicht wird.

Handelt es sich um eine Anwendung, bei der jeder Dosierpunkt einzeln angefahren wird, so interessiert den Anlagenbauer vor allem, wie sich das Dosiersystem in die Anlage einbinden lässt. Wir empfehlen hier eine Kommunikation mittels SPS Schnittstelle (weitere Details siehe ‚Schnittstellen‘).

Nach Erhalt eines Triggerimpulses führt das MDS einen vordefinierten Dosiervorgang aus (einen oder mehrere Dosierzyklen), und sendet im Anschluss ein ‚Dispense Ready‘ Signal. Die Dauer der Dosierung richtet sich also wie oben beschrieben nach der Länge des Einzelimpulses und der Anzahl der eingestellten Dosierzyklen. Bei einzelnen Dosierzyklen ist ein Zeitabstand zwischen Senden des Triggerimpulses und Erhalt des ‚Dispense Ready‘ Signales von deutlich weniger als 10 ms realistisch.

Es sind auch andere Betriebsmodi für die Einbindung in eine Anlage möglich (s. ‚Betriebmodi‘)

In jedem Falle sollte die SPS Schnittstelle in einer automatischen Anlage angesteuert werden, damit der Dosierimpuls in Echtzeit verarbeitet werden kann (Reaktionszeit im Mikrosekundenbereich), und optional auch die Verwendung des ‚Dispense Ready‘ Signales. Das Triggersignal kann als 24 V, 5 Vn Spannungssignal oder 10 A Stromsteuerung erfolgen.

Entscheidet man sich für diese Option, so sollte die VERMES Steuereinheit (MDC) so eingebaut werden, dass die Tastatur für den Benutzer leicht zugänglich ist.

Bei komplexeren Anlagen empfiehlt sich zusätzlich eine Ansteuerung über die RS232, um auch komplexere Befehlsätze an die MDC übertragen zu können.

Grundsätzlich gibt es 3 Betriebsmodi: Im Normalmodus löst ein Triggersignal eine vordefinierte Anzahl von Dosierzyklen aus. Da die Anzahl der vordefinierten Zyklen zwischen 1 und 32000 beliebig gewählt werden kann, ergibt sich für den Anlage die Möglichkeit, bei einer schnelle Folge von Schüssen entweder jeden einzeln zu ‚triggern‘, bzw. eine vorprogrammierte Schussfolge mit einem Triggersignal auszulösen. Wir empfehlen das ‚triggern‘ von Einzelschüssen.

Im Modus ‚Infinite‘ werden Dosierzyklen immer neu ausgelöst, solange das externe Triggersignal anliegt. Dieser Modus wird z.B. dann gern verwendet, wenn eine automatische Anlage während einer Verfahrung von A nach B eine Linie dosieren soll. In diesem Falle wird dann das Triggersignal bei Punkt A auf ‚high‘ gestellt, und bei Erreichen von Punkt B wieder auf ‚low‘.

Im Modus ‚external‘ wir das Ventil solange offen gehalten (also die ‚Open Time‘ verlängert), wie das externe Triggersignal anliegt. Dies empfiehlt sich natürlich nur für relativ dünnflüssige Medien, die sich auch ohne ständige Pumpbewegung im Freistrahl dosieren lassen.

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