Dosiertechnik: Innovation aus der Raumfahrt

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Eine exakte Dosiertechnik ist in vielen Industriezweigen die Voraussetzung für das weitere Arbeiten. Gerade die Mikrodosierung spielt eine Rolle und hat den Weg von der Raumfahrttechnik in die Unternehmen gefunden.

Dosiertechnik: Benötigt in fast jedem Industriezweig

In beinahe jedem Industriezweig ist es nötig, etwas zu vergießen oder zu verkleben, was wiederum eine exakte Dosiertechnik erfordert. Bei Kleinstmengen ist das Mikrodosieren die Technik der Wahl: Hiervon profitieren die Luft- und Raumfahrttechnik ebenso wie die Medizintechnik.

Auch in den BioTech-Bereichen sowie in der Pharmazie und nicht zuletzt im kosmetischen Bereich kommt der Mikrodosierung eine besondere Bedeutung zu. Doch nicht nur der Wunsch nach einer exakten Dosiertechnik treibt die Forschung in diesem Bereich voran, auch die immer stärker geforderte Automatisierung sowie die nötige Kosteneffizienz sind wichtig. Unternehmen aller Branchen sind gezwungen, sich mit einer neuen Dosiertechnik auseinanderzusetzen.

Besondere Herausforderungen stellen unterschiedliche Viskositäten dar, Flüssigkeiten müssen mit mehreren Komponenten aufgetragen werden. Materialien verschiedener Art werden vergossen oder versprüht und immer stellt sich die Frage:

Was muss die Dosiertechnik leisten, um all diese Anforderungen zu erfüllen?

Gerade auch die Unternehmen, die sich mit der E-Mobilität befassen, fragen verstärkt nach Möglichkeiten der Mikrodosierung.

Ein Beispiel: Es müssen sensible Bauteile besonders geschützt werden, damit sie einen möglichst langen Lebenszyklus haben. Doch die Imprägnierung ist nicht flächig möglich, es kommt auf eine feinste Dosierung und punktuelles Aufbringen an. Eine moderne Dosiertechnologie kann diese Anforderungen erfüllen und passt sich zudem in die vorhandenen Automatisierungskonzepte ein. Ähnliches gilt für den 3D-Druck, der immer noch weiter ausgebaut wird und für den ähnlich hohe Anforderungen gelten.

Video: Fraunhofer EMFT Mikrodosierung

Ursprüngliche Anwendungen des Mikrodosierens

Die Luft- und Raumfahrttechnik ist bisher der hauptsächliche Nutzer der modernen Dosiertechnik des Mikrodosierens gewesen. Hier kam das exakte Dosieren unter anderem bei folgenden Anwendungen zum Tragen:

  • CFK-Strukturen versiegeln und kleben

    Durch die moderne Dosiertechnik kann ein exaktes Mischungsverhältnis aller Komponenten gewährleistet werden. Die Prozesse sind stabil.

  • Flügelschalen abdichten

    Mithilfe der Dosiertechniken lassen sich beliebte Dichtnahtkonturen abdichten, wobei auch enge Toleranzfenster erfüllt werden.

  • Flächenbeschichtungen auftragen

    Der Sprühauftrag ist im Mikrometer-Bereich möglich, das Materialhandling gilt als besonders schonend. Gesprüht werden können Primer, Promoter und Lacke ebenso wie Topcoats.

  • Sandwichstrukturen füllen

    Strukturelle Verstärkungen werden mit dem Mikrodosieren erreicht, ein Materialverwurf ist nicht möglich.

  • Nieten und Schrauben abdichten

    Durch die feine Dosierung lassen sich Dichtkappen abdichten, Seal Caps müssen nicht vorgefertigt werden. Die Dosierung ist prozesssicher möglich.

Diese ursprünglichen Anwendungen der modernen Dosiertechnik fanden ihren Weg aus der Luft- und Raumfahrttechnik in andere Industriebereiche und werden heute für das statische ebenso wie für das dynamische Mischen sowie Verarbeiten von verschiedenen Materialien eingesetzt.

Vor allem Reaktionsgießharze sind hier zu nennen. Bemerkenswert ist, dass sich mit der neuen Dosiertechnik vor allem individuelle Lösungen finden lassen, was sich in vielen Fertigungsprozessen und bei der Wartung als vorteilhaft zeigt.

Video: Dosieren | mini-dis control

Die Technik dahinter

Heute im Industrieprozess verwendete volumetrische Dosiersysteme (auch Abfüllsysteme) basieren auf dem einfachen Prinzip des Endloskolbens. Die Anwendung der Technologie findet sich bei niedrig- bis hochviskosen Flüssigkeiten. Die zugrunde liegende Dosierpumpe fördert volumetrisch, wobei die Dosiercharakteristik durch Rotor und Stator definiert wird.

Diese Dosiertechnik gleicht dem sich endlos bewegenden Kolben, was wiederum dazu führt, dass eine gegenüber Druck stabile und lineare Kennlinie der Pumpen erreicht wird. So lassen sich eindeutige Aussagen über Umdrehung, Zeit- und Fördermenge sowie über deren Verhältnis zueinander treffen.

Es ist möglich, beliebig einstellbare Volumina zu dosieren, wobei die Dosiergenauigkeit am Austritt der Pumpe plus/minus ein Prozent beträgt. Die tatsächliche Genauigkeit des Dosierens ist vom betreffenden Medium abhängig.

Somit ergeben sich folgende Vorteile der Dosiertechnik:

  • druckarme Dosierung
  • schersensitive Förderung
  • Dosierung von der Viskosität unabhängig möglich
  • Mischungsverhältnis einstellbar
  • auch für hochviskose Medien nutzbar
In der Industrie ganz wichtig: Stetige genau Mengen und Mischungen. ( Foto: Shutterstock-MONOPOLY919)

In der Industrie ganz wichtig: Stetige genau Mengen und Mischungen. ( Foto: Shutterstock-MONOPOLY919)

Moderne Dosiertechnik am Beispiel Sealing

Immer noch ist beim Sealing in der Industrie der manuelle Prozess verbreitet, wobei für die meisten Anwendungen Barrier Injection Cartridges verwendet werden. Dies gilt zum Beispiel für das Cap Sealing ebenso wie für das Fillet Sealing oder für das Edge Sealing. Die 2K-Kartuschen kommen schon lange zum Einsatz und haben sich bei den verschiedenen Anwendungen durchaus bewährt.

Teilweise werden Premixed Frozen Kartuschen verwendet, mit denen sich exakte Mischungsverhältnisse einhalten lassen. Diese sind nicht in Abhängigkeit von den Auftragsmengen zu sehen. Leider geht diese Technik mit einem hohen Materialverwurf einher, denn die gewählten Gebindegrößen entsprechen nur selten dem genauen Bedarf.

Dieser Nachteil wird verstärkt, weil die Geschwindigkeit der Prozesse sehr gering ist. Ein manueller Auftrag des Dichtmittels ist nötig. Dafür wird zuerst das betreffende Bauteil abgeklebt und gereinigt. Nun kann der Auftrag des Materials erfolgen. In vielen Fällen ist eine manuelle Nacharbeit nötig, was bedeutet, dass das Sealing mit dem herkömmlichen Verfahren recht weit von einer vollständigen Automatisierung entfernt ist. Weiterer Nachteil: Kleine Gebinde sind oft sehr teuer, die Materialkosten sind hoch, die Beschaffung nicht leicht.

Um den geschilderten Prozess zu optimieren, müssen Kartuschen mithilfe einer leistungsfähigen Dosiertechnik abgefüllt werden. Damit lassen sich zwei Komponenten (Harz und Härter) in größeren Gebinden kaufen, was leichter und günstiger ist.

Durch das Dosiersystem ist eine bedarfsgerechte Mischung möglich.. ( Foto: Shutterstock-dotshock )

Durch das Dosiersystem ist eine bedarfsgerechte Mischung möglich.. ( Foto: Shutterstock-dotshock )

Durch das Dosiersystem ist eine bedarfsgerechte Mischung möglich, beide Größen können getrennt voneinander dosiert werden. Damit einher geht ein deutlich verminderter Materialverwurf, der nur noch als minimal bezeichnet werden kann, denn die Dosierung ist bedarfsgerechter möglich. Bereits angemischte Kartuschen, die momentan keine weitere Verwendung haben, müssen nicht mehr hingenommen bzw. einfach entsorgt werden. Nicht zuletzt bringen die Neuerungen in der Dosiertechnik damit auch einen logistischen Minderaufwand.

Dennoch: Die größte Fehlerquelle bei allen Arbeiten ist der Mensch und genau diese Fehlerquelle ist nun immer noch vorhanden. Die fein dosierte Mischung zeigt sich zwar mit homogenen Eigenschaften und die Implementierung der Kartuschen ist im Gesamtprozess leicht möglich, der Mensch kann jedoch immer noch für Fehler sorgen. Dies sorgt dafür, dass manuelle Nacharbeiten an der Tagesordnung sind. Die Dosiertechnik muss daher am besten voll automatisiert möglich sein. Genau das ist sie dank aktueller Technologien und der Mikrodosierung.

Hierbei werden die nötigen Komponenten genau dann gemischt, wenn sie für den Auftrag benötigt werden. Die Dosierungs- und Wiederholungsgenauigkeit liegen bei nahezu 100 Prozent, Materialentnahmen sind aus verschiedenen Gebinden jederzeit möglich. Dennoch wird immer ein exaktes Mischungsverhältnis erreicht. Die angestrebte Stabilität des gesamten Prozesses ist somit kein Problem mehr.

Video: Dosieren | mini-dis Kartuschen

Das bringen voll automatisierte Lösungen

Voll automatisierte Lösungen in der Dosiertechnik sind für jeden Bereich der Industrie vorteilhaft. Angesichts dessen, dass es immer darum geht, möglichst kostensparend und effizient zu arbeiten, exakte Maße einzuhalten und damit höchste Qualität zu liefern, war die Entwicklung der Dosiertechnik für das Mikrodosieren längst überfällig.

Nun ist eine maximale Effizienz möglich, der Materialverbrauch richtet sich nach dem genauen Bedarf. Ein Materialverwurf ist so gut wie nicht mehr vorhanden. Der gesamte Prozess schließt die größte Fehlerquelle, den Menschen, aus, was bei allen vorigen Lösungen nicht der Fall war. Solange manuelle Nachbearbeitungen nötig sind, können Fehler auftreten.

Gleichzeitig ist mit den neuen Dosiertechniken eine Beschleunigung der Taktzeiten möglich. Das heißt, dass in gleicher Zeit mehr produziert werden kann bzw. dass die gleiche Produktionsmenge in kürzerer Zeit zu realisieren ist. Auch damit gehen weitere Einsparungen einher. Der einzige Nachteil an der voll automatisierten Lösung sind die Investitionskosten. Diese sind deutlich höher als bei herkömmlichen Systemen.

Die Amortisation der Anschaffungskosten ist je nach Auslastung des Systems in kurzer Zeit möglich, bedingt durch die kürzeren Taktzeiten und den nicht mehr vorhandenen Materialverwurf.

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