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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Pumpsystem, insbesondere ein Hochpräzisionspumpsystem, ein Prüfsystem, ein Verfahren zum Aufbringen eines Fluids auf eine Bauteiloberfläche sowie eine Verwendung eines Pumpsystems.
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Pump- bzw. Prüfsysteme der in Rede stehenden Art werden z. B. zum Prüfen einer Oberflächengüte verwendet, insbesondere zur Prüfung von Benetzungseigenschaften von (Bauteil-)Oberflächen. Das Einhalten einer bestimmten Mindestoberflächengüte ist insbesondere bei Kleb-, Lackier-, Druck- und Beschichtungsverfahren unverzichtbar. Zum Durchführen dieser Verfahren werden gute Adhäsions- und Benetzungseigenschaften der zu behandelnden Bauteiloberflächen vorausgesetzt. Zum Prüfen der Oberflächengüte und insbesondere der Benetzungseigenschaften einer Oberfläche werden üblicherweise Kontaktwinkelmessungen eingesetzt. Dabei wird auf der zu beurteilenden Oberfläche ein Tropfen einer Prüfflüssigkeit aufgetragen und von der Seite beleuchtet. Der Kontaktwinkel kann dann z. B. manuell bestimmt werden. In der
DE 10 2005 027 106 B3 ist ein Verfahren offenbart, bei dem ein Sprühnebel einer Prüfflüssigkeit auf die entsprechende Oberfläche aufgebracht wird. Die Tropfen bzw. die Verteilung der Tropfen wird erfasst und es wird eine Werteverteilung einer Tropfeneigenschaft ermittelt. Im Anschluss erfolgt ein Vergleich der ermittelten Werteverteilung mit einer Referenz-Werteverteilung zum Ermitteln der Oberflächengüte des vorgewählten Bereichs. Zum Erzeugen des Sprühnebels werden z. B. Ultraschallzerstäuber oder Zahnradpumpen eingesetzt. Hierbei hat sich allerdings gezeigt, dass damit erzeugte Sprühnebel, insbesondere hinsichtlich der Tröpfchendurchmesser, starke Schwankungen aufweisen. Die Qualität bzw. Güte des gesamten Prüfverfahrens/-Systems leidet damit deutlich.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Pumpsystem, insbesondere ein Hochpräzisionspumpsystem, ein Prüfsystem zum Prüfen einer Bauteiloberflächengüte, ein Verfahren zum Aufbringen eines Fluids auf eine Bauteiloberfläche sowie eine Verwendung eines Pumpsystems anzugeben, welche die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile beseitigen und insbesondere ein äußerst gleichmäßiges Tröpfchenbild ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Pumpsystem gemäß Anspruch 1, ein Prüfsystem gemäß Anspruch 8, ein Verfahren gemäß Anspruch 9 sowie durch eine Verwendung gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Pumpsystem, insbesondere ein Hochpräzisionspumpsystem, eine Fördereinrichtung zur Förderung eines Fluids und ein Speichervolumen, welches einen Auslass aufweist und welches zur Speicherung eines Fluids ausgelegt ist, und wobei die Fördereinrichtung ausgelegt ist, durch Einstellen eines Füllstands im Speichervolumen einen Fluidstrom im Auslass einzustellen.
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Bei dem Fluid handelt es sich insbesondere um eine Prüfflüssigkeit, welche z. B. ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Formamid, Ethylenglykolmonoethylether, Aceton, Alkoholen, insbesondere Methanol und Ethanol, Alkanen, insbesondere Hexan und Pentan, und Mischungen zweier oder mehrerer dieser Substanzen. Zweckmäßigerweise wird vorliegend der Fluid- bzw. Fluidvolumenstrom über einen Höhenunterschied zwischen dem Füllstand im Speichervolumen und dem Auslass eingestellt. Mit anderen Worten erfolgt also die Erzeugung des Volumenstroms bzw. letztendlich eines Sprühnebels durch den hydrostatischen Druck, der sich innerhalb des Speichervolumens, umfassend den Auslass, durch den Einfluss der Gravitation einstellt. Das Pumpsystem ist also zweckmäßigerweise als (hydrostatisches) Pufferspeichersystem ausgebildet. Zweckmäßigerweise erfolgt die Erzeugung des Sprühnebels also nicht direkt über eine (Förder-)Pumpe, wie beispielsweise eine Zahnradpumpe, sondern durch den Gravitationsdruck, welcher wiederum von dem Füllstand des Fluids im Speichervolumen bzw. von einer Füllstandshöhe bzw. vom Höhenunterschied zwischen dem Auslass und dem Füllstandsniveau oder Füllstandslevel abhängig ist. Die Fördereinrichtung ist mit Vorteil dazu vorgesehen, dieses Füllstandslevel einzustellen, womit insbesondere eine Regelung bzw. Steuerung des Füllstandslevels bzw. des Füllstands gemeint ist. Um einen möglichst konstanten Volumenstrom zu erzeugen, welcher einen Sprühnebel mit sehr gleichmäßigen Tröpfchengrößen bzw. eine sehr homogene Tröpfchengrößenverteilung ermöglicht, wird der Füllstand bevorzugt im Wesentlichen konstant, d. h. auf der gleichen Höhe gehalten. Dies bedeutet, dass auch der Gravitationsdruck im Speichervolumen konstant ist. Etwaige Förderstromschwankungen der Fördereinrichtung fallen zweckmäßigerweise nicht ins Gewicht, da eine Querschnittsfläche des Speichervolumens mit Vorteil derart gewählt werden kann, dass der Füllstand sowohl vom Auslassvolumenstrom (am Auslass) als auch vom Einlassvolumenstrom, generiert durch die Fördereinrichtung, weitgehend unabhängig ist. Mit Vorteil können auf diese Weise fast identische Tröpfchendurchmesser auf der benetzten bzw. zu benetzenden Oberfläche erreicht werden, wobei Durchmesserunterschiede z. B. bei weniger als etwa 2 %, bevorzugt bei weniger als 1 %, liegen, beispielsweise bei etwa 0,95 bis 0,98 %. Tatsächlich ist die Schwankung der Tröpfchendurchmesser vorteilhafterweise nicht mehr vom Volumenstrom abhängig sondern nur noch von den Prozessparametern und der Homogenität der Prüfoberfläche.
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Zweckmäßigerweise erstreckt sich das Speichervolumen entlang einer Hochachse, wobei die Hochachse entlang/parallel zur Gravitationsrichtung verläuft. Entlang der Hochachse bzw. parallel zu dieser erstreckt sich dementsprechend eine Hauptströmungsrichtung des Fluidstroms. Ein Querschnitt des Speichervolumens, welcher beispielsweise rund, insbesondere oval oder kreisrund, aber auch eckig, beispielsweise quadratisch oder rechteckig, sein kann, hat in verschiedenen Ausführungsformen einen Durchmesser bzw. eine Diagonale in einem Bereich von etwa 1–100 cm, bevorzugt von etwa 10–25 cm. Höhenunterschiede zwischen dem Auslass und einem Maximalfüllstand liegen zweckmäßigerweise in einem Bereich von etwa 1–40 cm. Durch das Einstellen der Höhe des Füllstands bzw. des Höhenunterschieds lässt sich über den unterschiedlichen Gravitationsdruck die Höhe des Volumenstroms einstellen. Bevorzugt eingestellte Volumenströme liegen bei etwa 0,5 bis 15 ml/min. Dabei bezieht sich der angesprochene Höhenunterschied insbesondere auf einen Abstand einer Auslassdüse des Auslasses und dem jeweiligen Füllstand. Der Auslass bzw. die Auslassdüse kann direkt am Speichervolumen ausgebildet sein, beispielsweise an einer Unterseite oder in einem (unteren) Seitenbereich des Speichervolumens. Alternativ kann sich an das Speichervolumen auch ein Leitungs- und/oder Schlauchsystem anschließen, welches an seinem Ende eine entsprechende Auslassdüse bzw. mehrere aufweist. Hinsichtlich der vorgenannten Dimensionsangaben oder Volumenstromangaben sei erwähnt, dass diese mit Vorteil auch abweichen können. So ist es sehr leicht möglich, beispielsweise den Abstand zwischen dem maximalen Füllstand und dem Auslass zu erhöhen, um beispielsweise einen entsprechend großen Volumenstrom zu erzeugen. Dies gestaltet sich deutlich einfacher und insbesondere kostengünstiger als beispielsweise die Beschaffung einer leistungsfähigeren Förderpumpe oder eines leistungsfähigeren Ultraschallzerstäubers.
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Gemäß einer Ausführungsform nimmt ein Querschnitt des Speichervolumens entgegen der Hauptströmungsrichtung des Fluids zu. Das Speichervolumen ist beispielsweise im Wesentlichen zumindest bereichsweise trichterförmig ausgebildet. Je größer die Querschnittsfläche des Speichervolumens, desto weniger fallen etwaige Schwankungen des Fördervolumens der Fördereinrichtung, welches in das Speichervolumen gerichtet ist bzw. auch Auslassvolumenströme, ins Gewicht.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Pumpsystem eine Steuereinrichtung, welche ausgelegt ist, den Volumenstrom im Auslass zu steuern und/oder zu regeln. Die Steuereinrichtung kann elektrisch und/oder mechanisch ausgebildet sein. Gegebenenfalls ist eine entsprechende Sensorik vorgesehen, um den Auslassvolumenstrom und den Einlassvolumenstrom, erzeugt durch die Fördereinrichtung, zu überwachen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Fördereinrichtung eine Zahnradpumpe. Neben Verdrängerpumpen können aber auch Strömungspumpen, wie Axial-, Diagonal- oder Radialpumpen, verwendet werden. Als alternative Verdrängerpumpen können beispielsweise Membranpumpen, Rotationskolbenpumpen, Exzenterschneckenpumpen, Kolbenpumpen oder Schlauchpumpen etc. zum Einsatz kommen. Zweckmäßigerweise sind die verwendeten Pumpen abhängig von den zu erzeugenden Volumenstromgrößen ausgewählt. Es wurde bereits angesprochen, dass der Auslass zweckmäßigerweise als Düse ausgebildet ist oder zumindest eine Düse umfasst. Verwendete Düsenöffnungsdurchmesser sind z. B. rund, insbesondere kreisrund, ausgebildet. Bevorzugte Tröpfchendurchmesser liegen in einem Bereich von etwa 50–300 µm, insbesondere in einem Bereich von etwa 100–250 µm. Zweckmäßigerweise sind sowohl die Anzahl der Düsenöffnungen, deren Durchmesser als auch der Gravitationsdruck dahingehend ausgelegt, diese Tröpfchendurchmesser zu realisieren.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Speichervolumen als geschlossener bzw. im Wesentlichen geschlossener oder zumindest schließbarer Körper ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Speichervolumen insbesondere druckbeaufschlagbar. Durch die (Luft-)Druckbeaufschlagung ist es möglich, den Druck im Speichervolumen zu erhöhen, wodurch ggf. die erzielbaren Volumenströme weiter anpassbar sind, insbesondere, was deren Höhe, aber auch insbesondere, was deren Konstantheit betrifft. Zweckmäßigerweise ist die Steuerung bzw. Regelung auch ausgelegt, den Luftdruck im Speichervolumen zu regeln, insbesondere unter Berücksichtigung des Auslassvolumenstroms und des Einlassvolumenstroms der Fördereinrichtung. Bevorzugt ist eine (Luft-)Druckregelung nachschaltbar, um die Konstanz des Volumenstroms zu verbessern.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Speichervolumen noch mit einem Zusatzvolumen verbunden, wobei das Zusatzvolumen ausgelegt ist, den Gravitationsdruck im Speichervolumen zu erhöhen. Dieses Zusatzvolumen dient insbesondere dazu, eine noch höhere Wassersäule aufzubauen, also den Abstand zwischen dem Füllstand und dem Auslass zu erhöhen, wodurch der Druck im System sehr leicht anpassbar, insbesondere steigerbar, ist („hydrostatische Paradoxon“).
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Speichervolumen auch zumindest einen Abfluss auf, welcher in einen Vorratsbehälter führt, wodurch ggf. überschüssiges Fluid im Speichervolumen abgelassen werden kann, beispielsweise um den Füllstand oder die Füllhöhe anzupassen. Zweckmäßigerweise ist auch die Fördereinrichtung mit dem Vorratsbehälter fluidleitend verbunden bzw. entnimmt diesem das Fluid/die Prüfflüssigkeit.
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Die Erfindung richtet sich auch auf ein Prüfsystem zum Prüfen einer Bauteiloberflächengüte, umfassend einen Sprühnebelerzeuger, welcher ein Pumpsystem aufweist, das eine Fördereinrichtung zur Förderung eines Fluids und ein Speichervolumen umfasst, wobei das Speichervolumen einen Auslass aufweist und zur Speicherung eines Fluids ausgelegt ist, und wobei die Fördereinrichtung ausgelegt ist, durch Einstellen eines Füllstands im Speichervolumen einen Fluidstrom im Auslass einzustellen. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Prüfsystem auch eine Beleuchtungseinheit und/oder ein Bilderfassungssystem zum gleichzeitigen Erfassen der Tropfen in einem vorgewählten Bereich der zu prüfenden Oberfläche und/oder ein Auswertesystem zum Bestimmen einer Werteverteilung und/oder zum Bestimmen einer Geometrie der Tropfen etc.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Aufbringen eines Fluids auf eine Bauteiloberfläche, umfassend die Schritte:
- – Bereitstellen eines Speichervolumens für ein Fluid, welches einen Auslass aufweist;
- – Einstellen eines Auslassfluidstroms/Auslassvolumenstroms durch Einstellen eines Füllstands im Speichervolumen.
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Abschließend bezieht sich die Erfindung auch auf eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Pumpsystems zum Bestimmen der Oberflächengüte eines Bauteils. Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Bauteil um ein Metall-, Kunststoff- und/oder Verbundbauteil. Insbesondere handelt es sich beispielsweise bei dem Bauteil um ein GFK- oder CFK-Bauteil (glasfaserverstärkt, kohlefaserverstärkt).
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform eines Pumpsystems mit Bezug auf die beigefügte Figur.
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Es zeigt:
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1: eine schematische Ansicht eines Pumpsystems.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Pumpsystems, umfassend ein Speichervolumen 20, welches einen Auslass 22 umfasst. Der Auslass 22 wiederum umfasst eine Auslassdüse 24, welche ausgelegt ist, einen Sprühnebel 30 zu erzeugen bzw. auszubilden. Dieser Sprühnebel 30 wird auf eine Oberfläche 40, insbesondere eine Bauteiloberfläche, aufgebracht bzw. aufgetragen. Im Speichervolumen 20 ist ein Fluid, insbesondere eine Prüfflüssigkeit, bevorratet. Ein Füllstand im Speichervolumen 20 ist mit dem Bezugszeichen x gekennzeichnet. Um den Füllstand x im Wesentlichen konstant zu halten, ist eine Fördereinrichtung 10 vorgesehen, welche Fluid/Prüfflüssigkeit in das Speichervolumen hinein nachfördern kann. Zwischen dem Füllstand x in einer Höhe h1 und dem Auslass 22 bzw. der Auslassdüse 24 auf der Höhe h0 erstreckt sich eine Höhendifferenz Δh1, welche im Speichervolumen 20 bzw. an der Auslassdüse 24 einen gewissen Gravitationsdruck bewirkt. Durch ein Konstanthalten des Füllstands x bzw. der Höhendifferenz Δh1 kann an der Auslassdüse 24 auch der entsprechende Volumenstrom konstant gehalten werden. Die Folge ist, dass der Sprühnebel aus Tröpfchen sehr gleichmäßiger Größe besteht, wodurch eine äußerst homogene Tropfenverteilung auf dem zu besprühenden bzw. zu benetzenden Bauteil bzw. dessen Oberfläche 40 erreichbar ist. Entgegen einer Hauptströmungsrichtung H weist das Speichervolumen 20 einen zunehmenden Querschnitt auf, wodurch insbesondere etwaige Förderstromschwankungen der Fördereinrichtung 10 bzw. Entnahmevolumenströme kompensierbar sind. Gestrichelt dargestellt ist noch ein Zusatzspeicher 50, welcher dazu dient, eine Höhendifferenz Δh2 zu erzeugen, welche deutlich größer ist als die Höhendifferenz Δh1, vgl. hierzu den Füllstand x‘. Diese hohe Wassersäule bewirkt einen deutlich höheren Druck an der Auslassdüse 24. Insbesondere wenn ein derartiger Zusatzspeicher 50 vorgesehen sein soll, muss das Speichervolumen 20 geschlossen sein. Ein geschlossenes Speichervolumen 20 bringt aber auch den Vorteil mit sich, dass dieses mit einem (Luft-)Druck beaufschlagbar ist, wodurch der Druck im Speichervolumen 20 und damit auch der Druck an der Auslassdüse 24 eingestellt, insbesondere erhöht werden kann. Ohne (externe) Druckluftbeaufschlagung muss allerdings sichergestellt sein, dass das Speichervolumen 20 nicht vollständig luftdicht ausgebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fördereinrichtung
- 20
- Speichervolumen
- 22
- Auslass
- 24
- (Auslass-)Düse
- 30
- Sprühnebel
- 40
- Oberfläche
- 50
- Zusatzspeicher
- x, x‘
- Füllstand
- h0, h1, h2
- Höhe
- Δh1, Δh2
- Höhendifferenz
- H
- Hochachse, Hauptströmungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005027106 B3 [0002]
