Mikrofluidik und Dosiertechnik

Fett ganz fein

Viele verbinden den Begriff Mikrofluidik noch immer ausschließlich mit der Medizin- oder Biotechnik, aber mittlerweile findet man Anwendungen in fast allen industriellen Bereichen. Provenion gibt einen Einblick, wie ein piezogetriebenes Dosiersystem für eine saubere Dichtung an Turboladerwellen sorgt und welche Bedeutung das Coriolis-Prinzip bei der Abgaskontrolle von Kleinmotoren hat.

Die Serienproduktion der neuen Gleitringdichtung erfordert ein hochpräzises Dosiersystem für den Schmierstoff. (Bilder: Provenion)

Mikrofluidik nutzt das Verhalten von Flüssigkeiten auf kleinstem Raum, bei prozessierten Volumina im Mikroliterbereich und kleiner. Dies geschieht meist passiv, z.B. über kapillare Strukturen. Von aktiver Mikrofluidik spricht man, wenn man die Flüssigkeiten durch aktive Komponenten wie Mikropumpen oder Mikroventile gezielt manipuliert werden. Meist geht es hierbei um die exakte Dosierung und Abgabe kleinster Volumina, dem sogenannten Microdispensing.

Provenion hat sich auf die Integration mikrofluidischer Komponenten und Technologien in Maschinen und Anlagen besonders im industriellen Umfeld spezialisiert. Hierbei setzt sie vor allem Produkte wie die Piezo-Ventile von Vermes Microdispensing, Mikrozahnringpumpen von HNP Mikrosysteme sowie Massendurchfluss-Messsysteme auf Basis des Coriolis-Effekts von Bronkhorst BV ein.

Eine Kernaufgabe bei der Entwicklung eines mikrofluidischen Gesamtsystems ist Auslegung und Bau der Fluidikzentrale mit einem Vorrat an Medien und Hilfsstoffen, Füllstandsensoren, unterbrechungsfreiem Nachtanksystem, Druckerzeugung und -regelung, sowie Entleerungs-, Spül- und Reinigungsfunktionen. Hier ist ein detailliertes Wissen der chemisch-physikalischen Eigenschaften der Fluide notwendig, um etwa mögliche Vorreaktionen durch Temperatur, Strahlungseinwirkung oder Reaktionspartner zu verhindern. Weiter spielen die Eigenschaften im Anlieferungszustand inklusive Art und Ausführung der Liefergebinde eine große Rolle. So ist das Einhalten von Viskositäts- und Dichtewerten, Beimengung von Verdünnern oder Füllstoffen etc. bis hin zu Gasblasenfreiheit und Gebindespezifikation wichtig.

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Produktendkontrolle der Kraftstoffsysteme von Kleinmotoren via Massestrom-Messtechnik auf Basis des Coriolis-Prinzips.

Als Beispiele für die Entwicklung industrieller mikrofluidischer Anlagen sollen hier zwei ausgeführte Systeme aus den Bereichen Microdispensing von pastosen Stoffen und dem Einsatz von Massestrom-Messtechnik an einem End-of-Line-Prüfstand (EoL) beschrieben werden.

Mikrodosierung von Hochtemperaturschmierstoff

Wellenlager von Abgas-Turboladern sind potenzielle Schadstoffquellen in den Abgasen von Verbrennungsmotoren. Ein führender Hersteller von Gleitringdichtungen hat ein neues Dichtungssystem für Turboladerwellen entwickelt. Die Serienproduktion erfordert eine hochpräzise Dosierung von 12 mg Schmierstoff in die 0,5mm tiefe innere Radialnut eines Quad-rings von nur 12 mm Durchmesser. Diese Fettmenge entspricht einem Würfel mit 3,5 mm Kantenlänge, der über eine Länge von 38 mm gleichmäßig verteilet werden muss – mit maximal 0,35 mm Höhe. Wäre der Schmierstoffauftrag höher, dann würde beim anschließenden Einführen der Turboladerwelle der Schmierstoff abgestreift, an die eigentliche Gaspolster-Gleitringdichtung gelangen und diese wirkungslos machen.

Mit üblicher Dosiernadel-Technik und Druckförderung funktionierte das aber nicht. Auch der berührungslose Auftrag mit Nadel an einem Innendurchmesser von nur 12 mm warf erhebliche Probleme auf.

Die Lösung von Provenion war ein piezogetriebenes, kontaktlos auftragendes Tröpfchen-Dosiersystem für pastose Medien von Vermes Microdispensing. Dieses modifizierte man so, dass der Schmierstofftransport in Tröpfchenform über die freie Weglänge von 28 mm mit der notwendigen Präzision von Dosiermenge und Treffsicherheit funktioniert. Dadurch lässt sich der Innendurchmessers des Quadrings von außen in einem sehr flachen Winkel anvisieren. Mit einer Schussfrequenz von 150 Hz werden Tröpfchen von nur 0,3mm Durchmesser in die äußere und innere Ringnut geschossen. Dabei liegt der hochflexible elastomere Quadring frei auf einem Rotor, jedoch präzise positioniert und durch Vakuum fixiert. Während des Dosierprozesses überwacht ein Laserlichtsensor die Qualität des Schmierstoffauftrags. Im Anschluss fügt man den Ring automatisch mit seinem Außendurchmesser in ein Graphitgehäuse mit Untermaß.

Abgaskontrolle an Kleinmotoren

Die Hersteller von Verbrennungsmotoren müssen die Einhaltung der Grenzwerte am einzelnen Produkt sicherstellen und dokumentieren. Herkömmliche Mittel, wie z.B. Abgasmessung mittels Gasanalyse, verursachen einen erheblichen zusätzlichen Zeit- und Kostenaufwand bei der Geräteendkontrolle. Provenion entwickelte eine Anlage, die in der Produktendkontrolle der Kraftstoffsysteme von Kleinmotoren diese sekundenschnell justiert.

Besondere Herausforderung waren die bei diesen Motoren niedrigen Kraftstoffverbräuche von ca. 90 g/h im Leerlauf, was einem sehr langsam tropfenden Wasserhahn entspricht, und weniger als 800 g/h unter Volllast. Nicht nur diese geringen Massenströme sind präzise zu erfassen und zu dokumentieren, sondern auch die Reaktionen auf Justiereingriffe müssen verzögerungsfrei darstellbar sein.

Mit modernster Massestrom-Messtechnik auf Basis des Coriolis-Prinzips von Bronkhorst sind die auftretenden Massenströme, wie auch deren Änderung beim Justieren, fast verzögerungsfrei erfassbar. Da die Messtechnik Leistung, Verbrauch und Abgasverhalten des Motors nicht beeinflussen darf, muss der Kraftstoff dem Vergaser innerhalb enger Druckgrenzen im Millibarbereich zugeführt werden. Deshalb ist die Massestrommessung ein eigenentwickelter hydromechanischer Druckregler nachgeschaltet. Angesaugt und gefördert wird der Kraftstoff mit einer Mikrozahnringpumpe.

Ottokraftstoffe neigen zur Bildung von Dampfblasen, vor allem bei niedrigem Druck, also z.B. beim Ansaugen mit Pumpe aus einem Kraftstoffbehälter. Die Coriolis-Durchflussmesser benötigen jedoch für eine exakte Massenstrommessung einen ununterbrochenen, also blasenfreien Volumenstrom. Daher wird nur ein Teilstrom aus einem Entgasungssystem dem Motor zugeführt, während ein zweiter Teilstrom wieder in den Tank zurückfließt. Mikrozahnringpumpen erwärmen den Kraftstoff praktisch nicht, was verhindert, dass durch Wärmezufuhr in den Vorratsbehälter die Dampfblasenbildung gefördert wird.

Die von Provenion dazu entwickelte Steuersoftware umfasst ein Touch-Interface mit graphischer Darstellung aller notwendigen Prüf- und Justierschritte sowie QM- und richtlinienkonforme Verarbeitung und Speicherung aller Daten. bs

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