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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Dosieren von kleinsten Mengen von Fluiden mit hoher Frequenz nach dem berührungslosen Verfahren
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Dosieren von z.B. Klebstoffen oder Flußmitteln in kleinsten Mengen - Tropfen - auf unterschiedlichen Trägern wie z.B. Elektronikplatinen - ist eine Technologie, die in der letzten Zeit durch die Miniaturisierung der Fertigungsverfahren in der Industrie immer mehr an Wichtigkeit und Verbreitung gewinnt.
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Das Auftragen von Kleinstmengen von Flüssigkeiten durch Berühren und Abziehen der verteilenden Düse erreicht seine Grenzen bei einer ziemlich niedrigen Arbeitsfrequenz. Dadurch ist in der Praxis auch die Produktivität, die Leistung, der Vorrichtungen (Verteilerventile), die nach dieser Methode funktionieren, erschöpft. Die Nachteile dieser Methode sind vor allem in den Eigenschaften der zu dosierenden Fluiden verborgen und sind z.B. Ziehen von Fäden, Ungenauigkeit der abgegebenen Fluidmengen, ungenaue Platzierung des Fluids auf dem Träger.
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Die Bestrebung diese Nachteile zu überwinden und die ständig wachsenden Anforderungen an Steigerung der Produktivität und der Genauigkeit der Dosiermengen der dazu verwendeten Ventile führte dazu, daß ihre Entwicklung weitergeführt wurde und es wurde das s. g. berührungslose Dosierverfahren entwickelt. Bei den Vorrichtungen (Dosierventilen), die nach diesem Verfahren funktionieren, wird ein Stößel achsial in einem Gehäuse pneumatisch bewegt, so daß das zu dosierende Medium, das in einem dafür vorgesehenen Behälter enthalten ist, tröpfchenweise aus einem feinen Kanal, der den Behälter mit dem Medium und die Dosierdüse verbindet, ausgestoßen und punktuell auf die Oberfläche des Trägers verteilt wird. Diese Methode unterscheidet sich von dem ersten oben beschriebenen Verfahren dadurch, daß das Fluidtröpfchen die Düsenmündung verläßt, bevor es in Berührung mit dem Träger gekommen ist. D.h. daß das Mediumtröpfchen eine freie Flugstrecke hinterlegt bevor es das Ziel auf dem Träger erreicht hat. Es entsteht das s. g. „Jetten“. Die Vorteile dieser Dosiermethode und der danach funktionierenden in der Praxis bekannten Dosiervorrichtungen, beschränken sich aber vor allem in der Genauigkeit der Positionierung des bereits vom Hauptfluidstrom getrennten Tröpfchen auf dem Träger.
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Ein Beispiel für so eine Vorrichtung ist in der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2010 013 815 U1 2012.03.08 beschrieben. Darin ist ein elektropneumatisch betätigtes Ventil für die dosierte Abgabe von Flüssigkeiten vorgestellt. Die Nachteile des Ventils, das in dieser Schrift beschrieben wird, bestehen vor Allem in der Konstruktion. In der Beschreibung wird vor allem darauf Wert gelegt, daß der Austausch der Dosiernadel leicht durchzuführen ist. Das wird durch zwei Hauptmerkmale erreicht und zwar durch die vorteilhafte Ausbildung des Trägerkörpers mit einer Aussparung, die den Zugang zu der Verbindungsstelle zwischen der Dosiernadel und dem Antriebskoben erleichtert und durch die getrennte Konstruktion des Stößels in Antriebskolben und Verschleißelement, die durch eine Gewindeverbindung miteinander verbunden sind.
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Die Nachteile in dieser Konstruktion bestehen darin daß hier, wie z.B. auch bei der in der Patentschrift
EP 2 143 503 A1 beschriebenem Ventil, die Kraft, die den Stößel mit hoher Frequenz bewegen soll vom Kolbendurchmesser beschränkt ist. Und zwar weil der Kolbendurchmesser selbst von den Außenabmessungen des Ventils begrenzt ist. Die Außenmaße werden in der Regel so klein gestaltet wie möglich, damit die gesamte Ventilkonstruktion kompakt bleiben kann. Dadurch ist die Masse des Ventils klein und die Frequenz der Dosierung auf dem Träger kann erhöht werden. Die Dosierfrequenz ist nicht nur von der Arbeitsfrequenz des Dosierventils abhängig, sondern auch von den Eigenschaften und Tragfähigkeit des Roboterarmes, der das Ventil über den Träger bewegt, d.h. je kleiner die Gesamtmasse des Dosierventils ist um so höher kann die Positionierfrequenz des Roboterarmes über den Träger sein.
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Es wird zwar eine Einstellung des Kolbenhubes beschrieben aber die genaue Position und Hublänge vor dem Nadelwechsel und danach wird nicht gemessen und ist nur durch Testen des Ventils nach dem Nadelwechsel erreichbar.
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Ein weiterer Nachteil der Konstruktion aus der o.a. Schrift ist die Tatsache, daß die starre Gewindeverbindung zwischen Verschleißteil und Kolben zu einer Exzentrizität zwischen den beiden Elementen führt und sie ihrerseits eine erhöhte Reibung im gesamten System verursacht. Dadurch wird auch ein höherer Verschleiß der bewegten Elemente - Antriebskolben und Dosiernadel - verursacht
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Die Dosiernadel ist in der
EP 2 143 503 A1 als ein sehr langes und schlankes Bauteil dargestellt, dessen Fertigung in der Praxis aufwendig ist. Als Nachteil dieser Konstruktion ist auch die Tatsache zu erwähnen, daß man hier den Dosiernadelhub von außen meßbar nachstellen kann ohne aber einen Bezug auf die Differenz zwischen den Längen zwischen der verschlissenen und der neuen Dosiernadel zu kennen. Zusätzlich als Nachteil der beiden bekannten Konstruktionen sollte man das fehlende Konterelement der Nachstellschrauben. Und ohne Kontern der Stellschrauben besteht die Gefahr daß sie ihre Position durch die Vibrationen während des Betriebes ändern und dadurch auch die bereits eingestellten Ventilparameter verloren gehen.
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In den beiden oben erwähnten Schriften ist die Dosiernadel mit dem Antriebskolben als ein bewegliches Element ausgebildet. Das bedeutet, daß die Masse des beweglichen Teils relativ groß ist. Diese Tatsache führt zu einem weiteren Nachteil der beiden Konstruktionen und zwar daß durch die größere Masse des beweglichen Teils nicht nur kleinere Arbeitsfrequenzen erreichbar sind sondern auch keine kleinere Hübe einzustellen sind und dadurch auch keine kleinere Dosiermengen zu realisieren sind. Gerade die zweite negative Eigenschaft führt zu noch einem Nachteil - beim Ausstoßen des zu dosierenden Materials entstehen die s.g. Satelliten - kleinere Materialtröpfchen, die mit dem bereits dosierten Menge parallel zum Träger beschleunigt werden und um den beabsichtigten Zielpunkt abgesetzt werden.
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Im US-
amerikanischen Patent 5467899 vom Nov. 21,1995 wird eine weitere Konstruktion beschrieben, die hauptsächlich aus einem mehrfach kompliziert aufgeteiltem Gehäuse besteht in dem zwei membranabgedichtete Kolben koaxial platziert sind. Am oberen Kolben ist eine materialausstoßende Nadel befestigt, der untere Kolben trägt eine Dosierhülse, die die Nadel umfasst. Die beiden Kolben werden nach unten durch Zuführen von Druckluft von außen unabhängig voneinander vertikal bewegt. Die vertikale Bewegung der Kolben nach oben erfolgt durch zwei unterschiedlichen, voneinander räumlich getrennten Spiralfedern.
Die Nachteile dieser Konstruktion sind vor Allem die Komplexität der Konstruktion des gesamten Ventils, die Abhängigkeit der Dosierfrequenz von zwei unabhängig voneinander für den Dosierprozess zuständigen beweglichen Elementen, die synchron betätigt werden sollen und die dadurch nicht erreichbare hohe Dosierfrequenz/Produktivität.
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Als weitere Bezugsquellen für ähnliche Lösungen kann man auch noch die Schriften
US 2014/ 0 291 358 A1 und die
US 8 322 575 B2 erwähnen.
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In keiner von den oben benannten Druckschriften werden Ideen oder deren technischen Lösungen dargestellt, die die Arbeitsfrequenz und dadurch die Produktivität der Dosiereinrichtungen erhöhen.
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Aus den beschriebenen Nachteilen der aus der Praxis und aus den oben aufgezählten bereits bekannten Konstruktionen geht auch die Aufgabe der Erfindung hervor, die folgendermaßen formuliert werden kann:
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zum hochfrequenten Dosieren und Verteilen von Kleinstmengen von Fluiden zu schaffen. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Konstruktion soll eine höhere Arbeitsfrequenz bei geringeren zu bewegenden Massen erreichen können. Die Dosiernadel soll als ein einfaches und relativ günstiges Teil ausgebildet sein dessen Hub vor dem Wechsel durch im Ventil eingebauten Meßmittel erfaßt wird und nach dem Wechsel über die selben im Ventil eingebauten Meßmitteln verläßlich meßbar eingestellt werden kann. Zusätzlich soll die vorgeschlagene Konstruktion die Mitteln enthalten, die die Einstellungen des Dosiernadelhubes selbst im Betrieb mit hochfrequenten Vibrationen gewährleisten.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch die in den beigelegten Figuren dargestellten Konstruktion gelöst, wobei
- 1 einen Längsschnitt durch das Ventil darstellt
- 2 eine Isometrie des Ventils beinhaltet
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Der Aufbau und die Funktion der vorgeschlagenen Konstruktion können wie folgt beschrieben werden:
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Ein unterer Gehäuseteil 1 ist mit einem oberen Gehäuseteil 2 über eine Schraubenverbindung 23 verbunden. Zum oberen Gehäuseteil 2 ist ein weiteres rohrförmiges Gehäuseteil 3 verschraubt, wobei auch zum unteren Gehäuseteil 1 ein weiteres Verteilerelement 4 druckdicht angeschlossen ist. Das Verteilerelement 4 ist ähnlich wie ein T-Stück ausgebildet, in dem 2 Kanäle - 5 und 6 zusammengeführt werden, die eine Dosierkammer 7 bilden an deren unterem Ende 7.1 eine Dosierdüse 8 befestigt ist. Seitlich an den Gehäuseteilen 1 und 2 ist ein pneumatisches Wegeventil 9 angebracht. In den Gehäuseteilen 1 und 2 sind entsprechende Druckluftkanäle 10, 11, 12 und 13 angeordnet, die in den Gehäuseteilen 1 und 2 ausgebildeten, koaxial zueinander montierten Kolbenräume 14 und 15 mit dem pneumatischen Wegeventil 9 in geeigneter Weise verbinden. Gemäß der Erfindung ist eine Dosiernadel 16 durch die Gehäuseteilen 1 und 2, durch die Kolbenräume 14 und 15 und durch zwei übereinander liegenden Kolben 17 und 18 koaxial durchgesteckt. Zwischen der Dosiernadel 16 und den Öffnungen der hohlen Kolbenstangen 17.1 und 18.1 besteht ein gewisses radiales Spiel, so daß zwischen der Dosiernadel 16 und den Kolben 17 und 18 keine mechanische Verbindung vorhanden ist. Die Dosiernadel 16 ist als ein langes Zylinderelement mit zwei Absätzen 24 und 24.1 ausgebildet, wobei das obere Ende 19 der Dosiernadel 16 als ein Kopf mit einer Kugelfläche 20 geformt ist. Im rohrförmigen Gehäuseteil 3 sind eine Rückstellfeder 21 und ein verstellbarer Endanschlag 22 koaxial zu der Dosiernadel 16 und den Kolbenräumen 14 und 15 genau so wie auch zu den Kolben 17 und 18 angeordnet. Im unteren Gehäuseteil 1 in der Höhe des ersten, tieferen Dosiernadelabsatzes 24 sind drei radial zu der Dosiernadel 16 angeordneten Fenster 25 vorgesehen.
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Die Dosierdüse 8 ist zum unteren Gehäuseteil 4 mittels einer Überwurfmutter 26 befestigt. Seitlich am Verteilerelement 4 ist ein Dosiergutbehälter 27 kommunizierend mit dem Kanal 5 verbunden. Am oberen Ende des rohrförmigen Gehäuseteils 3 ist ein Innengewinde 29 vorgesehen in dem der verstellbare Endanschlag 22 eingeschraubt ist. Am oberen Ende des verstellbaren Endanschlags 22 ist eine zylindrische Noniusskala 28 vorgesehen, die axial über eine Kugel 30 und die Feder 31 zum verstellbaren Endanschlag 22 gehalten wird. Die Feder 31 ist so ausgelegt, daß sie ein unbeabsichtigtes Verdrehen der Noniusskala 28 durch die Reibung zwischen der Kugel 30 und der Noniusskala 28 verhindert. Im rohrförmigen Gehäuseteil 3 sind direkt über dem oberen Rückstellfederende (21.1) weitere zwei radiale Gewindebohrungen 32.1 und 33.1 vorgesehen, in denen die Verdrehesicherung 32 und die Stellschraube 33 hineinragend in das rohrförmige Gehäuseteil 3 eingeschraubt sind. Ein hutförmiges Teil 34 aus elastischem Material wie z.B. Kunststoff, ist auf dem verstellbaren Endanschlag 22 oberhalb des oberen Rückstellfederende (21.1) aufgesteckt. In diesem hutförmigen Teil 34 sind radial zwei entsprechende langlochförmige Aussparungen 35 und 36 vorgesehen in denen die Verdrehesicherung 32 und die Stellschraube 33 eingeführt sind. Zwischen dem unteren Ende des verstellbaren Endanschlags 22 und dem oberen Ende 19 der Dosiernadel 16 ist ein weiterer hutförmiger Teil 37 geklemmt, der die Kraft der Rückstellfeder 21 auf das obere Ende 19 der Dosiernadel 16 über eine konische Innenfläche 38 überträgt und dadurch das obere Ende 19 der Dosiernadel 16 zum oberen Antriebskolben 17 nicht direkt sondern über ein weiteres tellerförmiges Teil 41 andrückt. Der tellerförmige Teil 41 besteht vorzugsweise aus einem elastischen Material wie z.B. Kunststoff und dient hauptsächlich zum Führen und Dichten des oberen Kolbens 17 in der Gehäusebohrung. Ein gewisses Spiel zwischen den Gehäuseteilen 1 und 2 und dem tellerförmigen Teil 41 ist berücksichtigt, damit die einwandfreie Beweglichkeit der Kolben 17 und 18 gewährleistet ist. Dieses Spiel ist so gewählt, daß die Dichtfunktion des tellerförmigen Teils 41 nicht beeinträchtigt wird. Beim Einsatz des tellerförmigen Teils 41 nicht nur im oberen Kolben 17 sondern auch im unteren Kolben 18 kann man die Dichtungen 39 weglassen und dadurch bei sehr hohen Arbeitsfrequenzen und ganz kurzen Arbeitshüben der Dosiernadel 16 die Reibung in der ganzen Antriebskette minimieren.
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Die Kolben 17 und 18 sind mit jeweils einer hohlen Kolbenstange konstruiert - entsprechend 17.1 und 18.1, so daß zwei Dichtungen 39, die entsprechend in den Kolben 17 und 18 radial eingearbeitet sind, die Kolben 17 und 18 zu den Gehäuseteilen 1 und 2 abdichten und zwei Dichtungen 40, die entsprechend im unteren Gehäuseteil 1 und im oberen Gehäuseteil 2 radial eingearbeitet sind, die hohlen Kolbenstangen 17.1 und 18.1 zu den Gehäuseteilen 1 und 2 entsprechend abdichten.
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Die Funktion der Vorrichtung ist wie folgt zu beschreiben:
- Bei Zuführung von Druckluft in den Kolbenräumen 14 und 15 durch das pneumatische Wegeventil 9 werden die beiden Kolben 17 und 18 nach oben bewegt. Dagegen wirkt die Rückstellfeder 21. Die Dosiernadel 16 wird vom oberen Kolben 17 mitgenommen und bewegt sich auch mit den Kolben 17 und 18 nach oben, so daß die Dosierdüse 8 geöffnet wird und eine kleine Menge von der zu dosierenden Flüssigkeit, die sich in der Dosierkammer 7 befindet, bei der Bewegung der Dosiernadel 16 nach unten ausgestoßen wird. Diese Bewegung der Dosiernadel 16 wird einerseits durch die Bewegung von zwei Kolben - 17 und 18 - andererseits durch die Rückstellfeder 21 ausgeführt. Die beiden Kolben 17 und 18 arbeiten in diese Richtung zusammen, weil sie über die hohlen Kolbenstange 17.1 des Kolbens 17 verbunden sind. Dadurch wird die wirksame Fläche vergrößert bei gleichbleibenden Außenabmessungen des Ventils.
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Der erste Vorteil der vorgeschlagenen Konstruktion besteht darin daß zwei gemeinsam arbeitende Kolben gegen die Feder wirken. Dadurch sind höhere Kräfte erreichbar, eine härtere Rückstellfeder einsetzbar und entsprechend eine höhere Arbeitsfrequenzen erreichbar. Dieser Weise nach besteht die Möglichkeit viel kleinere Fluidmengen zu dosieren oder mit Fluiden zu arbeiten, die eine höhere Viskosität aufweisen. Die wirkende Kolbenfläche ist im Vergleich zu den bekannten Konstruktionen verdoppelt ohne daß der Kolbendurchmesser vergrößert wurde. Dadurch auch keine Vergrößerung der Außenabmessungen des Ventils bei gleichzeitiger Erhöhung der Leistung durch erhöhten Arbeitsfrequenz.
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Der zweite sich aus dieser vorgeschlagenen Konstruktion ergebene Vorteil ist die kleinere Masse des gesamten Systems. Wie bereits beschrieben besteht das Gehäuse aus vier Teilen, die durch die Notwendigkeit zwei Kolben zu unterbringen so ausgespart sind, dass ihr Gewicht kleiner ist. Wie oben erwähnt werden dadurch höhere Positionierfrequenzen des tragenden Roboterarms ermöglicht - eine weitere Erhöhung der Leistung des gesamten Systems.
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Die fehlende mechanische Verbindung zwischen Kolben und Dosiernadel führt zu einem sehr wichtigen Vorteil der vorgeschlagenen Konstruktion und zwar: durch die wesentlich kleinere Masse der Dosiernadel werden viel weniger oder überhaupt keine Satelliten der dosierten Tröpfchen erzeugt.
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Ein wesentlicher Vorteil des vorgeschlagenen Ventils ist die vorgeschlagene Noniusskala 28 am oberen Ende des rohrförmigen Gehäuseteils 3. Ihre Verwendung führt dazu, daß die Einstellung des Hubes der Dosiernadel nach dem Wechsel praktisch reproduziert werden kann.
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Ein Vorteil der vorgeschlagenen Konstruktion sind auch die Verdrehesicherung 33 und die Klemmschraube 32 im Zusammenhang mit dem hutförmigen Teil 34. Ihre Aufgabe besteht darin die eingestellte Position des verstellbaren Endanschlags 22 nach der endgültigen Einstellung des Dosiernadelhubes zu fixieren. Das wird gemacht in dem man die Klemmschraube 32 zudreht. Die Klemmschraube 32 kann vorzugsweise als eine Rändelschraube ausgeführt sein.
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Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Konstruktion besteht in der Einfachheit der Fertigung und des Wechsels der Dosiernadel 16. Wie bereits beschrieben ist die Dosiernadel 16 als ein einfaches zylindrisches Teil konstruiert, dessen Fertigung mit einfachen Mitteln und ohne großen Aufwand möglich ist. Beim Wechsel der Dosiernadel 16 werden das rohrförmige Gehäuseteil 3 und das Verteilerelement 4 abgeschraubt, die Dosiernadel 16 wird von unten nach oben ausgestoßen und die neue Dosiernadel 16 wird eingesetzt. Nach dem Reinigen des Verteilerelements 4 werden die abgeschraubten Teile des Ventils zurück in ihren Positionen montiert und die Einstellung des Dosiernadelhubes kann erfolgen. Diese Einstellung unternimmt man mittels Nullieren der Noniusskala 28 im geschlossenen Zustand des Ventils folgend vom Ausschrauben des verstellbaren Endanschlags 22 bis zum gewünschten Hub, gemessen am Noniusskala 28 und danach wird die Klemmschraube 32 zugedreht, so daß der verstellbare Endanschlag 22 sicher in dieser Position geklemmt wird. Die Klemmkraft der Klemmschraube 32 wird nicht direkt auf die metallische Oberfläche des Endanschlags übertragen, sondern durch die Wand des hutförmigen Teils 34, was vorzugsweise aus Kunststoff bestehen kann. Dadurch wird die metallische, fein bearbeitete Oberfläche des verstellbaren Endanschlags 22 geschont und nicht verkratzt.
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Während des Betriebs von solchen Ventilen verschleißt nicht nur die Dosiernadel 16 sondern auch die Dosierdüse 8. Durch die in der vorgeschlagenen Konstruktion Befestigung der Dosierdüse 8 mittels der Überwurfmutter 26 wird auch der Wechsel der Dosierdüse 8 erleichtert. Ob die Dosiernadel 16 oder die Dosierdüse 8 gewechselt worden sind die Einstellung des Hubes der Dosiernadel 16 erfolgt immer zuverlässig und sehr genau durch in der vorgeschlagenen Konstruktion vorgesehene Noniusskala 28. Durch die Verwendung der Klemmschraube 32 wird die eingestellte Position des verstellbaren Endanschlags 22 selbst bei einem ganz rauen Betrieb mit hoher Arbeitsfrequenz sicher gehalten.
