Dicke Materialien dosieren

Zu den dicken Materialien gehören wärmeleitende Paste (siehe Abbildung), Fett, Dichtmittel, Lötpaste, gefülltes Epoxidharz und form- oder vor Ort eingegossene Dichtungen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Graco Inc.

Die Verdrängerpumpe TS8100 ist für die Abgabe von Materialien konzipiert, die von niedrigviskosen Beschichtungen bis hin zu hochviskosen Fetten, Pasten und Flussmitteln reichen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Techcon Systems

Der F4200N.1 ist ein dreiachsiger Tischroboter und verfügt über einen Arbeitsbereich von 200 Quadratmillimetern. Foto mit freundlicher Genehmigung von Ellsworth Adhesives

Rhino-Ratio-Pumpen erhöhen die Fließfähigkeit dicker Materialien, indem sie den auf das Material ausgeübten Luftdruck mit einem Verhältnis von 48 oder 65 zu 1 vervielfachen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Nordson EFD

Vergleichsansprüche können positiv oder negativ, subjektiv oder objektiv sein. Ihr Hauptzweck ist jedoch in jedem Fall der Veranschaulichung. Ein häufiges Beispiel ist, wenn jemand behauptet, eine Person oder ein Prozess sei „so langsam wie Melasse“ (die übrigens nur eine Viskosität von 5.000 bis 10.000 Centipoise [cps] hat).

In der Welt der Montage wäre es jedoch nicht verwunderlich, wenn Monteure und andere Fabrikarbeiter sagen würden, dass jemand oder etwas so langsam ist wie Erdnussbutter (150.000 bis 250.000 cps) oder Schmalz (1 Million bis 2 Millionen cps). Der Grund liegt darin, dass viele der zu dosierenden Materialien so dick sind.

Fett ist ein solches Material. Bis vor kurzem hatte ein Hersteller von Automobilteilen täglich Probleme, wenn er versuchte, einen 0,6 Millimeter breiten Streifen sehr dicken Fetts (2 Millionen cps) auf einen O-Ring mit einem Durchmesser von 0,5 Zoll aufzutragen.

Das Unternehmen versuchte es mit einem Kontakt-Dosierventil von Nordson EFD mit einer kleinen Messspitze, aber die zu dosierende Menge war zu gering und das Fett war zu trocken, um auf das Teil übertragen zu werden. Anschließend testete das Unternehmen das berührungslose Strahlventilsystem PICO Pµlse von Nordson EFD. Cary Long, Produktanwendungsspezialist bei Nordson EFD, sagt, dass sich das System aufgrund der Kraft, mit der das Strahlventil das Fett aus der Düse auf den O-Ring drückt, als erfolgreich erwiesen hat.

Der Isolierglashersteller Viracon verzichtet auch auf dicke Materialien. Um große Isolierglaseinheiten (165 Zoll hoch und 60 Zoll breit) für den Freedom Tower in New York City zu bauen, mussten Viracon-Mitarbeiter zweiteiliges Structural-Glazing-Dichtungsmittel mit einer Viskosität von 250.000 bis 300.000 cps verwenden.

Die Designspezifikationen erforderten, dass das Material in einem genauen Verhältnis genau gemischt und dann dosiert wird. Leider produzierte das ältere Dosier- und Abgabesystem von Viracon Material, dessen Verhältnis nicht stimmte, und das System konnte die Bediener nicht auf dieses Problem aufmerksam machen. Um das Problem zu lösen, wechselte das Unternehmen zum ExactaBlend AGP (Advanced Glazing Proportioner) von Graco Inc. Das neue System schaltet sich ab, wenn das Material im falschen Verhältnis gemischt wird. Noch wichtiger ist, dass die Produktion um 20 Prozent gesteigert wurde.

Dickes Material – sei es Fett, Dichtmittel, Lötpaste, gefülltes Epoxidharz, wärmeleitende Gele und Pasten oder form- oder vor Ort eingegossene Dichtungen – stellt besondere Herausforderungen an Dosiergeräte. In diesem Wissen verlassen sich Hersteller auf präzise Ventile und leistungsstarke Pumpen und Fördersysteme, um bei jeder Anwendung genaue, wiederholbare und tropffreie Ablagerungen zu gewährleisten.

Die Geschichte der Dosierung dicker Materialien reicht viele Jahrzehnte zurück. Graco-Gründer Russell Gray entwickelte 1926 eine mit Luftdruck betriebene Fettpresse, als sich die handbetriebenen Pistolen an der Tankstelle, an der er arbeitete, bei den kalten Temperaturen in Minnesota als unzuverlässig erwiesen. Innerhalb von 25 Jahren gründeten Russell und sein Bruder Leil die Gray Co. Inc. und entwickelten Schmierpumpen für die Automobilindustrie und das Militär sowie eine Direkt-vom-Fass-Pumpe für schwere Industrieflüssigkeiten.

Seitdem haben mehrere andere Anbieter Ventile, Pumpen, Fördersysteme und zugehörige Komponenten speziell für die Handhabung von Materialien mit einer Viskosität von 100.000 bis über 5 Millionen cps entwickelt. Techcon Systems beispielsweise startete in den frühen 1960er-Jahren als Unternehmen für RTV-Silikon-Dichtungsverpackungen für die Luft- und Raumfahrtindustrie in Kalifornien, entwickelte jedoch innerhalb weniger Jahre Geräte zur Abgabe dieses dicken Materials.

„Wenn das Material nicht gießbar ist, muss es zur Abgabe mit Luft unter Druck gesetzt werden“, erklärt Pete Linder, nordamerikanischer Vertriebsleiter für fortschrittliche Flüssigkeitsdosierung bei Graco. „Einige Materialien mit weniger als 100.000 cps können kaum gegossen werden. Aber jedes Material oberhalb von 750.000 cps gilt als dick.“

Long weist darauf hin, dass fließfähige Materialien zur Selbstnivellierung neigen und die meisten Materialien über 100.000 cps diese Eigenschaft nicht aufweisen. Stattdessen kavitieren sie (bilden überall Hohlräume) und erfordern eine mechanische Kraft, um sich selbst auszurichten. Ohne die richtige Kraft können kavitierende dicke Materialien viel Lärm im Dosiersystem verursachen, dessen Effizienz verringern und Komponenten schnell beschädigen.

Dickflüssiges Material wird aus einer Spritze, Kartusche, einem 5-Gallonen-Eimer oder einem 55-Gallonen-Fass abgegeben. Die Spritze hat am Ende eine Düse oder Nadel und enthält 3 bis 30 ml Material. Die Standardspritze kann Materialien mit bis zu 150.000 cps bei einem Luftdruck von 100 psi abgeben. Es kann für die manuelle Dosierung (Zeit-Druck) in der Hand gehalten werden oder als Reservoir für ein Ventil verwendet werden, das an einem kleinen kartesischen XYZ-Roboter für die automatische Dosierung montiert ist.

Die dreiachsigen Tischroboter der Fisnar F4000N.1-Serie können als Teil eines Dosiersystems verwendet werden, das dicke Dichtstoffe präzise dosiert. Hergestellt von Fluid Research Corp. (einem Unternehmen von Ellsworth Adhesives), sind vier Modelle erhältlich (F4200N.1, F4300N.1, F4400N.1, F4500N.1) mit Arbeitsbereichen von jeweils 200, 300, 400 und 500 Quadratmillimetern . Die Roboter bieten eine Wiederholgenauigkeit von 0,02 Millimetern, eine Auflösung von 0,001 Millimetern und einen USB-Anschluss, der eine einfache Datenübertragung an einen PC ermöglicht. Sie speichern bis zu 100 Dosierprogramme (50.000 Punkte pro Programm).

Die UniXact-Maschine von Graco verfügt über eine multifunktionale Plattform, die eine präzise Dosierung großer Mengen und eine Prozessüberwachung in Echtzeit ermöglicht. Die Software zur Bewegungssteuerung ist einfach zu programmieren (an der Maschine oder offline) und ermöglicht eine präzise Ventilbewegung entlang der XYZ-Achsen. Die Maschine verarbeitet verschiedene ein- und zweikomponentige Materialien, darunter auch hochviskose und abrasive. Die Anwendungen reichen von der Abgabe von Wärmeleitmaterialien (mit einer Konsistenz von Fett bis hin zu dicker Paste) bis hin zum Kleben, Vergießen und Abdichten von Teilen, die in der Automobilelektronik, medizinischen Geräten und anderen Produkten verwendet werden.

Kartuschen enthalten 2,5 bis 32 Unzen Material, das manuell durch Drücken eines Abzugs (ähnlich einer Kartuschenpistole) oder automatisch über einen Roboter abgegeben wird. Wie Spritzen sind Kartuschen nur für einen Luftdruck von etwa 100 psi ausgelegt. Im Gegensatz zu Spritzen ist häufig ein zusätzliches Ventil erforderlich.

Brad Smith, Spezialist für Dosiergeräte und Automatisierung bei der ESR-Gruppe in Ellsworth, sagt, je höher die Viskosität eines Materials, desto wahrscheinlicher ist es, dass ein Absperrventil und eine Steuerung zur Betätigung des Ventils erforderlich sind.

Einkomponentige Materialien in Eimern und Fässern (z. B. RTV-Silikon) werden zu einem Ventil mit angeschlossener Düse oder Nadel gepumpt. Für Zweikomponentenmaterialien ist laut Smith ein Dosier-, Misch- und Abgabesystem erforderlich, um die Materialien richtig zum Abgabeventil zu dosieren. Er weist außerdem darauf hin, dass die Verwendung einer Nadel mit einer zu kleinen Öffnung in einem pumpenbasierten System zu einem übermäßigen Gegendruck führen kann, der zum Austropfen von Material führt.

Hersteller können Spulen-, Schnecken-, Nadel- oder Sprühventile verwenden, um dicke Materialien zu dosieren. Schieberventile sind robust und bieten eine Rücksaugung, die Materialverschwendung durch Auslaufen oder Fadenziehen verhindert. Dieses Ventil verfügt über einen zylindrischen Stopfen (am Ende einer Spule), der mit einer Stopfbuchse oder einem O-Ring abgedichtet ist und von einem Pneumatikzylinder betätigt wird. Das unter Druck stehende Material schließt das Ventil am Ende jedes Abgabezyklus.

Eine positive Verdrängungstechnologie und ein Schneckenventil sorgen für Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Schussgröße und machen es zu einem Favoriten von Elektronikherstellern für die Abgabe präziser Mengen an Lotpaste. Hersteller in anderen Branchen verwenden das Ventil zur Abgabe von Epoxidharz und anderen Arten von Füllmaterial.

Mit dem Schneckenventil tritt Material durch eine unter Druck stehende Öffnung ein und wird dann durch eine motorbetriebene Archimedes-Schnecke (Schnecke) durch die Ausgabeöffnung herausgedrückt. Wie viel Material abgegeben wird, wird von der Schnecke bestimmt, nicht vom Druckniveau.

„Verdrängerventile sind hilfreich, wenn sich die Viskosität eines Materials aufgrund von Umgebungsbedingungen ändert“, sagt Linder. „Zum Beispiel kann der Centipoise eines Materials morgens höher sein, wenn die Pflanze kalt ist, aber niedriger am Nachmittag, wenn die Pflanze wärmer ist.“

Das xQR41 MicroDot-Nadelventil von Nordson EFD gibt Materialpunkte mit einer Breite von nur 100 bis 150 Mikrometern mit einer Geschwindigkeit von bis zu 400 pro Minute oder 80 pro Sekunde mit einem optionalen Aktuator ab. Es verfügt über einen um 60 Prozent kleineren Formfaktor als Standardventile, ein austauschbares modulares Design für eine bessere Anpassung und Prozesskontrolle sowie einen Schnellverschluss, der eine einfache Entfernung des Flüssigkeitskörpers ermöglicht, um benetzte Teile in Sekundenschnelle auszutauschen. Das kleine Profil des Ventils (2,6 Zoll lang und 0,93 Zoll breit) ermöglicht die Montage mehrerer Ventile nahe beieinander für eine höhere Leistung pro Charge. Mit einem Gewicht von nur 5 Unzen reduziert das Ventil die Werkzeugnutzlast für kartesische Roboter und ermöglicht so eine schnellere Armbewegung und eine verbesserte Positionierungsstabilität.

Dicke Materialien werden fast immer punkt- oder raupenförmig aufgetragen. Selten werden sie gesprüht. Allerdings kann Antihaftmaterial (z. B. Fett) mit einer Stärke zwischen 75.000 und 100.000 cps mit einem Hochleistungsventil versprüht werden. Seine Spitzengröße sollte viermal größer sein als die der Füllpartikel des Fettes, um Verstopfungen zu verhindern und die Ventildichtungen zu schützen. Ebenso wichtig ist, dass dem Material Luft unter hohem Druck zugeführt wird, um eine gewisse Zerstäubung zu bewirken. Andernfalls wird das Material wahrscheinlich auf ein Teil spritzen, anstatt eine schöne Beschichtung zu bilden.

Verdrängerpumpen eignen sich am effektivsten für die Förderung dicker Materialien. Zu den häufig verwendeten Typen gehören Exzenterschnecke, Kolben, Eimer und Verhältnis. Eine Exzenterschneckenpumpe transportiert Material durch eine Reihe kleiner, diskreter Hohlräume mit fester Form, während ihr Rotor gedreht wird.

Die Verdrängerpumpe TS8100 von Techcon fördert Materialien von niedrigviskosen Beschichtungen bis hin zu hochviskosen Fetten, Pasten und Flussmitteln. Die Pumpe erzeugt einen Volumenstrom, der weder Form noch Größe des Materials verändert und eine Wiederholgenauigkeit von ±1 Prozent bietet. Die Pumpe ist leicht zu reinigen und wird mit Spritze und Montagehalterungen, einem Luer-Lock-Anschluss und einem Auswahlpaket für Dosierspitzen geliefert.

Bei einer Kolbenpumpe drückt der Kolben Material von der Einlassseite zur Auslassseite der Pumpe. Wenn sich der Kolben nach oben bewegt, verringert er den Druck im Pumpenkörper, wodurch sich das Saugventil öffnet und Material in die Pumpe fließen kann.

Eimerpumpen verfügen über einen Kolben, der das Material unter Druck setzt und zur Auslassdüse zieht. Diese Pumpen wurden ursprünglich zum manuellen Pumpen von Material aus 5-Gallonen-Eimern entwickelt, heute gibt es jedoch automatisierte Modelle für Eimer sowie große Modelle für ein oder mehrere 55-Gallonen-Fässer. Die Pumpen fördern Materialien mit einer Viskosität von bis zu 1 Million cps.

Verhältnispumpen sind auch für Eimer und Fässer geeignet. Long sagt, dass diese Art von Pumpe die Fließfähigkeit dicker Materialien erhöht, indem sie den auf das Material ausgeübten Luftdruck mit einem bestimmten Verhältnis multipliziert. Wenn das Pumpenverhältnis beispielsweise 2:1 beträgt und ein Luftdruck von 50 psi in den Luftmotor gelangt, verlässt das Material die Pumpe mit 100 psi.

Die Rhino-Verhältnispumpe von Nordson EFD ist in 5-Gallonen- und 55-Gallonen-Modellen erhältlich, die beide mit einem Verhältnis von 48 oder 65 zu 1 erhältlich sind. Die volumetrische Verdrängung des unteren Übersetzungsverhältnisses beträgt 8 Kubikzoll pro Hub, bei einer maximalen Leistung von 4,2 Litern pro Minute. Bei der höheren Übersetzung sind es 5,8 Kubikzoll pro Hub und eine Leistung von 2,8 Litern pro Minute.

Alle Modelle arbeiten mit dem 736HPA-Hochdruckventil des Unternehmens (bis zu 2.500 psi). Sie sind modular aufgebaut und ermöglichen einen schnellen Wechsel des Luftmotors für einen gleichmäßigen Materialausstoß. Zu den Optionen gehören eine automatische Druckentlastung, ein Luftregler und Rollen.

Das Pumpen dicker Materialien stellt Hersteller vor zwei große Herausforderungen. Eine Möglichkeit besteht darin, Lufteinschlüsse in den Schläuchen beim Ansaugen zu verhindern. Laut Linder kann dies erreicht werden, indem ein Füllstandssensor verwendet wird, der anzeigt, wann der Eimer oder die Trommel fast leer ist, und dieser dann ausgetauscht wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass der Bediener die Anschlüsse sorgfältig entlüftet, während der neue Eimer oder Eimer installiert wird. Sollten sich in dickem Material Blasen bilden, spritzt es wahrscheinlich beim Verlassen der Düse, was zu einem unbrauchbaren Teil und verschwendetem Material führt.

Die andere Herausforderung besteht darin, zweikomponentige Materialien gründlich zu mischen, wobei eines hochviskos und das andere weniger viskos ist. Long empfiehlt den Herstellern, ein System mit festem Verhältnis zu verwenden, das beide Materialien ordnungsgemäß an das Dosiergerät liefert. Das Systemverhältnis kann von 1 zu 1 bis 10 zu 1 eingestellt werden.

Um Probleme zu vermeiden, ist es oft besser, mehrere schmale Raupen aus dickem Material aufzutragen, statt nur eine breite Raupe. Smith erinnert sich an einen Kunden, der einen 1 Zoll breiten Bereich eines Teils mit dickem Dichtmittel abdecken musste. Anstatt eine große Düse zu verwenden, um alles auf einmal aufzutragen, erkannte der Hersteller, dass es besser sei, drei 0,25-Zoll-Materialraupen aufzutragen und sie dann zusammenzudrücken, um den 1 Zoll breiten Bereich zu füllen.

Jim ist leitender Redakteur von ASSEMBLY und verfügt über mehr als 30 Jahre redaktionelle Erfahrung. Bevor er zu ASSEMBLY kam, war Camillo Herausgeber von PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal und Milling Journal. Jim hat einen Abschluss in Englisch von der DePaul University.