EP1195518A2 - Vorrichtung und Verfahren zum Dosieren von Material - Google Patents

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EP1195518A2
EP1195518A2 EP01123104A EP01123104A EP1195518A2 EP 1195518 A2 EP1195518 A2 EP 1195518A2 EP 01123104 A EP01123104 A EP 01123104A EP 01123104 A EP01123104 A EP 01123104A EP 1195518 A2 EP1195518 A2 EP 1195518A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
housing
movable piston
movable
distance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01123104A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1195518A3 (de
Inventor
Erwin Rein
Daniel Koehler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1195518A2 publication Critical patent/EP1195518A2/de
Publication of EP1195518A3 publication Critical patent/EP1195518A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B13/00—Pumps specially modified to deliver fixed or variable measured quantities
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F04B17/003—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by piezoelectric means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B7/00—Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving
    • F04B7/008—Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving the distribution being realised by moving the cylinder itself, e.g. by sliding or swinging

Definitions

  • the present invention relates to a device for Dosing of material with a fixed piston, a movable one Piston and a movable housing with a lockable with one of the pistons by moving the housing Material supply and one with one of the pistons material discharge that can be closed by moving the housing, the axis of the fixed piston with the axis of the movable piston is aligned and between fixed piston and the movable piston at least then there is a distance in the area of the material feed if the material supply is open.
  • the invention further relates to a method of dosing material in which (A) Material by a material supply to a filling area Housing is fed during a material export the housing of a fixed piston or a movable Piston is closed, the filling area at least is partially formed by a distance which between the fixed piston and the movable piston is present, the axis of the fixed piston with the The axis of the movable piston is aligned, (B) the housing is moved in a first direction so that the material feed from the fixed piston or the movable one Piston is closed and the material discharge opened , (C) the movable piston is fed so that the distance between the fixed piston and the movable one Pistons decreased and material from material export emerges, (D) the movable piston is returned is so that the distance between the fixed Piston and the movable piston enlarged, and (E) that Housing is moved in a second direction, which the first direction is opposite.
  • the dynamic pressure of the adhesives can be adjusted via the metering speed regulate. Fast dosing leads to one high back pressure; slow dosing has a low one Pressure. It should also be emphasized that the choice of one perfect length of stay is an important requirement for repeatable dosing. This applies to both for the length of stay before as well as for the length of stay after dosing. By choosing the appropriate length of stay you give the glue the time it takes to finish Relieve back pressure, so that the repeatability is optimized.
  • a difficult problem of the procedures of the State of the art is that the flow behavior the liquid due to the wetting properties of the substrate to which the liquid is applied should be very different. By different Wetting properties can cause major inaccuracies result.
  • the surface tension in terms of different involved materials is one of the biggest problems with regard to the exact Dosage.
  • an appropriate one Pretreatment to be taken are very time consuming and expensive.
  • the Surface tension affects slow drop formation the most on the needle. From a slow one Drop formation results in poor material removal. at the surface tension affects the formation of drops very quickly hardly or not at all between the dispensing needle and the adhesive not from. You shoot the drop according to the inkjet printer principle out of the needle.
  • the dynamic pressure in the dispensing needle influences to a great extent the repeatability of the point order. This in particular for the reason that it's discretionary which values set the dwell times during dosing become. Depending on the setting, the desired volume can be reached a residual ingredient is added, or the volume becomes only delivered incomplete. Also with regard to the Back pressure offers rapid drop formation advantages, because the dynamic pressure can be reduced many times over. You have to keep the process time low so that the Reduce the dynamic pressure in a flash via the metering needle bore got to.
  • the needle distance to the component is also very important, to counteract the surface tension.
  • the setting correct needle spacing is extremely complex, especially due to the required precision of the mechanical components. This problem too can be circumvented using the inkjet printer principle, that is, by shooting the adhesive at the component becomes. Because of this, the needle distance to the component adjustable to a certain extent. This is a crucial advantage for series production, especially with a view to saving costs, since there is no need for a Z-stroke query.
  • the invention builds on the prior art according to the Preamble of claim 1 characterized in that the movable Piston can be controlled by a piezo actuator.
  • a piezo actuator makes it possible to use a piston pump to provide which the material according to the inkjet printer principle from a reservoir shoots out.
  • Piezo actuators can be highly accurate with very little Strokes work so that extremely small volumes are dosed.
  • Piezo actuators are also able to To feed pistons an enormous acceleration, so that the material is unaffected by the problems described of the prior art emerge from a metering needle can. In particular, the problems are considered on the surface tension, the dynamic pressure and the setting of the needle distance to the component is eliminated.
  • the fixed piston is preferably in a precision bushing held, the movable piston is from the precision bush out, and the precision bush is in the Housing arranged.
  • the precision in terms of arrangement and the guidance of the pistons is an important requirement for setting exact volumes and for good reproducibility of the dosing processes.
  • the amount of material to be dosed of that in the case of open material supply Distance between the fixed piston and the movable one Piston depends in the area of the material feed.
  • the piezo actuator by an adjusting screw can be positioned. In this way the system can be adjusted, the one exact setting of the respective components relative to each other.
  • the adjusting screw for setting the in the case of open material supply existing distance between the fixed piston and the movable piston and the adjusting screw for positioning of the piezo actuator are identical. So you have one Adjustment screw with two functions, what with regard a simple construction of the piston pump is useful.
  • the piezo actuator is preferably of the order of magnitude for a stroke of 100 ⁇ m. With such strokes extremely small volumes can be precisely dosed.
  • the piezo actuator for a Acceleration in the order of 100000 g suitable is.
  • the movable piston and thus the material to be dosed also has a high acceleration fed so that the material is unaffected from the surface tension and the dynamic pressure the metering opening is shot out.
  • the material export has a dispensing needle.
  • the device preferably has a control. On in this way a dosing process can be automated and execute with a high number of cycles.
  • the method according to the invention is based on the prior art Technology according to the preamble of claim 12 thereby that the movable piston is controlled by a piezo actuator becomes.
  • the inventive Advantages of the device are implemented procedurally.
  • the distance between the fixed piston and the movable piston for determining the dosing Volume set. You got through this way a simple setting measure the preselection of the to be dosed Volume in hand.
  • the method is particularly advantageous when using this Adhesive is dosed. Especially when it comes to glue are extreme precise dosages desired. It also switches Process the problem with regard to compressibility and the dynamic pressure of the adhesive; this in particular due to the high speed of ejection of the material.
  • the piezo actuator is preferably provided with a stroke in the Order of magnitude of 100 ⁇ m. Strokes of this size allow highly precise dosing of small amounts of material.
  • the piezo actuator is preferred with an acceleration in on the order of 100,000 g.
  • This acceleration is an explosive discharge of the adhesive possible, so the disadvantages in terms of Surface tension and back pressure can be avoided.
  • the housing is preferably provided by a pneumatic cylinder emotional. This is a highly precise and quick positioning of the housing during the course of the procedure possible.
  • the method is preferably controlled by a controller.
  • the process is automatic Manufacturing process can be used at high speed.
  • the invention is based on the surprising finding that the use of a piezo actuator in a piston pump eliminates numerous problems which are evident in the metering of very small quantities of material. Due to the rapid formation of drops, the surface tension between the metering opening and the material to be dispensed has little or no effect. The back pressure in the dispensing needle is reduced many times over. The dispensing needle distance to the component is variable. If you compare the piezoelectric actuator with conventional actuator concepts, you will get an evaluation according to the following table (symbols: +: good, high; 0: medium; -: bad, low). The piezoelectric concept wins in particular with regard to the actuating time and also with regard to the consistently good evaluation with the various evaluation parameters. Steep link concept resolution Travel Range force Operating time Power density Temp range piezoelectric + - + + + + + + + + + 0 electromagnetic - + - - - + Pneumatic - + - - - + hydraulic - + + - + -
  • FIG. 1 is a piston pump for dosing material shown partially cut.
  • the device contains a fixed piston 10 and a movable piston 12.
  • the fixed piston 10 and the movable piston 12 are axially aligned so that they are aligned.
  • the device further includes a movable housing 14. Inside the housing is a precision socket 16, of which of the fixed pistons 10 is held and in which the movable piston 12 is guided.
  • the housing 14 and the precision bushing 16 have lateral holes, from one as material supply 18 and the other for material export 20 serves.
  • Inside the precision bush 16 a filling chamber 22 is formed by the ends of the fixed piston 10 and the movable piston 12 one Have distance from each other, which due to the Mobility of the movable piston 12 is changeable.
  • the fixed piston 10 ends approximately in the middle between the material feed 18 and the Material removal 20, which can be seen from a vertical line is.
  • the movable piston 12 ends in the present Representation at the position at which the dash-dot line ends.
  • This dash-dot line defines one Middle position of the movable housing 14.
  • Double arrow above the housing 14 indicates that the housing 14 moves through a pneumatic cylinder 24 leaves.
  • the precision bush 16 is through seals 26 sealed to the outside.
  • the housing 14 is through Screws 28 held together.
  • the housing 14 is in the illustrated state in a position in which the material feed 18 is open and opens into the free space 22.
  • the material removal 20 is however, closed by the fixed piston 10. In this Condition can thus material get into the filling chamber 22.
  • the amount of material to be dosed can be checked the size of the filling chamber 22 and thus by the distance between the fixed piston 10 and the movable piston Set 12. If the filling chamber 22 is filled, it will Housing 14. Moved to the left by the pneumatic cylinder 24.
  • the material feed 18 is by the movable piston 12 closed during the material removal 20 is opened.
  • the housing 14 moves under Action of the pneumatic cylinder 24 again in the illustrated Home position, and the movable piston 12th also goes back to its starting position shown.
  • the execution is for the inclusion of a further dose of material prepared.
  • FIG. 2 details the construction of a part a piston pump with a piezo actuator 30.
  • This construction includes a main plate 32 on which the other components directly or indirectly are attached.
  • the piezo actuator 30 is via a holder 34 and disks 36, 38 fixed with respect to the main plate 32.
  • the piezo actuator 30 is held by a holder 40 held, which is screwed directly to the main plate 32 is.
  • To adjust the piezo actuator 30 is one Adjustment screw 42 is provided, which in the holder 34th sitting.
  • the adjusting screw 42 can also be the distance between the movable piston 12 and that in FIG. 2 Adjust the fixed piston, not shown, whereby the volume to be dosed can be selected.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Processing And Handling Of Plastics And Other Materials For Molding In General (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Dosieren von Material mit einem festen Kolben (10), einem beweglichen Kolben (12) und einem beweglichen Gehäuse (14) mit einer mit einem der Kolben (10, 12) durch Bewegen des Gehäuses (14) verschließbaren Materialzufuhr (18) und einer mit einem der Kolben (10, 12) durch Bewegen des Gehäuses (14) verschließbaren Materialausfuhr (20), wobei die Achse des festen Kolbens (10) mit der Achse des beweglichen Kolbens (12) fluchtet, zwischen dem festen Kolben (10) und dem beweglichen Kolben (12) zumindest dann ein Abstand im Bereich der Materialzufuhr (18) vorliegt, wenn die Materialzufuhr offen ist und der bewegliche Kolben (12) von einem Piezoaktor (30) ansteuerbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren, welches vorteilhaft mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden kann. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Dosieren von Material mit einem festen Kolben, einem beweglichen Kolben und einem beweglichen Gehäuse mit einer mit einem der Kolben durch Bewegen des Gehäuses verschließbaren Materialzufuhr und einer mit einem der Kolben durch Bewegen des Gehäuses verschließbaren Materialausfuhr, wobei die Achse des festen Kolbens mit der Achse des beweglichen Kolbens fluchtet und wobei zwischen dem festen Kolben und dem beweglichen Kolben zumindest dann ein Abstand im Bereich der Materialzufuhr vorliegt, wenn die Materialzufuhr offen ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Dosieren von Material, bei dem (A) Material durch eine Materialzufuhr einem Füllbereich eines Gehäuses zugeführt wird, während eine Materialausfuhr des Gehäuses von einem festen Kolben oder einem beweglichen Kolben verschlossen ist, wobei der Füllbereich zumindest teilweise durch einen Abstand gebildet ist, welcher zwischen dem festen Kolben und dem beweglichen Kolben vorliegt, wobei die Achse des festen Kolbens mit der Achse des beweglichen Kolbens fluchtet, (B) das Gehäuse in eine erste Richtung verschoben wird, so dass die Materialzufuhr von dem festen Kolben oder dem beweglichen Kolben verschlossen wird und die Materialabfuhr geöffnet wird, (C) der bewegliche Kolben zugestellt wird, so dass sich der Abstand zwischen dem festen Kolben und dem beweglichen Kolben verringert und Material aus der Materialausfuhr austritt, (D) der bewegliche Kolben zurückgeführt wird, so dass sich der Abstand zwischen dem festen Kolben und dem beweglichen Kolben vergrößert, und (E) das Gehäuse in eine zweite Richtung verschoben wird, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist.
Stand der Technik
Herkömmliche Dosiersysteme arbeiten überwiegend nach dem Prinzip der Kolbenpumpe, bei dem ein Kolben Flüssigkeit aus einem Zylinder verdrängt. Die Flüssigkeit tritt im Allgemeinen aus einer Dosierspitze aus. Der ausgetretene Tropfen löst sich allerdings erst von der Dosierspitze, wenn er die von der Dosierspitze aufgrund der Oberflächenspannung der Flüssigkeit aufgebrachten Haltekräfte, beispielsweise aufgrund der Wirkung der Schwerkraft, überwindet. Die Haftkräfte resultieren aus der Grenzflächenspannung zwischen der Flüssigkeit, dem Dosierspitzenmaterial und der Luft. Das dosierte Volumen bestimmt sich also aus dem Gleichgewicht zwischen der Schwerkraft, welche den Tropfen nach unten zieht, und den Haftkräften, die den Tropfen an der Dosierspitze festhalten. Erst wenn die auf den Tropfen wirkende Gewichtskraft überwiegt, fällt der Tropfen ab.
Häufig will man möglichst kleine Volumina dosieren. Um dies zu erreichen, ist es nützlich, die Haftkräfte zu minimieren. Dies kann durch Verkleinerung der Dosierspitze erreicht werden. Aber auch diesen Maßnahmen ist eine physikalische Grenze gesetzt, da bei Verkleinerung des Tropfenradius r die Gewichtskraft, welche proportional zu r3 ist, schneller abnimmt als die Haftkraft, welche direkt proportional zum Radius r ist.
Diese Gesetzmäßigkeiten führen dazu, dass extrem feine Düsen benötigt werden. Diese sind naturgemäß sehr empfindlich, und sie neigen dazu zu verstopfen.
Aus diesem Grund arbeitet man auch häufig nach einem anderen Verfahren, bei dem man die Dosierspitze mit dem Objekt, welches die Flüssigkeit aufnehmen soll, in Berührung bringt. Hierdurch muss der Tropfen nicht mehr allein durch die Schwerkraft von der Dosierspitze abreißen. Vielmehr haftet die Flüssigkeit an der Oberfläche, auf welche sie aufgebracht werden soll, und durch Entfernen der Dosierspitze reißt das Volumen auseinander.
Auf diese Weise ist es möglich, noch kleinere Materialmengen zu übertragen, woraus sich allerdings neue Probleme ergeben. Zum einen muss die Dosierspitze in einem sehr genauen Abstand zum Objekt positioniert werden, zum anderen muss aber auch der Kolbenhub sehr genau überwacht werden. Dies macht hochpräzise mechanische Konstruktionen erforderlich; die Überwachung des Kolbenhubs ist insbesondere aufgrund der Verhältnisse von Haft- und Gleitreibung sehr schwierig. Besonders gute Systeme haben daher zum Beispiel einen Kolben, welcher um seine Längsachse rotiert, um so das Auftreten einer Haftreibung zu vermeiden. Diese Lösung mit einem rotierenden Kolben ist aber auch wiederum aufwendig und daher kostenintensiv. Ferner kommt es bei ungenauem Abstand der Dosierspitze von der Oberfläche, auf die die Flüssigkeit aufzubringen ist, zu Problemen. So treten Fadenbildung und ungleichförmiger Materialauftrag auf. Folglich können undefinierte Mengen an Material an der Dosierspitze als Restmenge verbleiben, wodurch die Wiederholgenauigkeit im Hinblick auf die Dosiermenge schwankt.
Ein grundsätzliches Problem beim Auftragen von Klebstoffen besteht in deren Kompressibilität. Da sich bei Dosiernadeln mit kleinem Durchmesser ein hoher Staudruck bildet, ist durch die Kompressibilität der Klebstoffe kein Punktauftrag möglich; dies insbesondere bei kleinen Kolbenhüben, welche für das Bereitstellen kleiner Dosiermengen erforderlich sind.
Der Staudruck der Klebstoffe lässt sich über die Dosiergeschwindigkeit regeln. Schnelles Dosieren führt zu einem hohen Staudruck; langsames Dosieren hat einen niedrigen Druck zur Folge. Ferner ist zu betonen, dass die Wahl einer perfekten Verweildauer eine wichtige Voraussetzung für eine wiederholgenaue Dosierung ist. Dies gilt sowohl für die Verweildauer vor als auch für die Verweildauer nach dem Dosieren. Mit der Wahl der geeigneten Verweildauer gibt man dem Kleber die benötigte Zeit, um den Staudruck abzubauen, so dass auf diese Weise die Wiederholgenauigkeit optimiert wird.
Ein schwierig zu handhabendes Problem der Verfahren des Standes der Technik besteht darin, dass das Fließverhalten der Flüssigkeit aufgrund der Benetzungseigenschaften des Substrats, auf welches die Flüssigkeit aufgebracht werden soll, sehr unterschiedlich sein kann. Durch unterschiedliche Benetzungseigenschaften können sich große Ungenauigkeiten ergeben.
Um nun kleinere Mengen mit hoher Genauigkeit dosieren zu können, muss man den beschriebenen Problemkreisen entkommen. Insbesondere muss man von den Haftkräften der Flüssigkeit an der Dosierspitze und den Benetzungseigenschaften des Substrats unabhängig werden.
Die einzelnen Probleme im Hinblick auf die Dosierung und die Vor- und Nachteile der möglichen Lösungsansätze werden nachfolgend beschrieben.
Die Oberflächenspannung im Hinblick auf die verschiedenen beteiligten Materialien (Dosiernadel, Klebstoff, Bauteil) ist eines der größten Probleme im Hinblick auf die genaue Dosierung. Um dieses Problem zu umgehen, kann eine entsprechende Vorbehandlung getroffen werden. Diese Vorbehandlungen sind jedoch sehr zeitintensiv und teuer. Die Oberflächenspannung wirkt sich bei langsamer Tropfenbildung an der Nadel am stärksten aus. Aus einer langsamen Tropfenbildung folgt ein schlechter Materialabtrag. Bei sehr schneller Tropfenbildung wirkt sich die Oberflächenspannung zwischen Dosiernadel und Kleber kaum oder gar nicht aus. Man schießt den Tropfen nach dem Tintenstrahldruckerprinzip aus der Nadel.
Der Staudruck in der Dosiernadel beeinflusst in hohem Maße die Wiederholgenauigkeit beim Punktauftrag. Dies insbesondere aus dem Grund, da es Ermessenssache ist, auf welche Werte die Verweilzeiten beim Dosieren eingestellt werden. Je nach Einstellung kann zum erwünschten Volumen ein Restbestandteil hinzukommen, oder das Volumen wird nur unvollständig abgegeben. Auch im Hinblick auf den Staudruck bietet eine schnelle Tropfenbildung Vorteile, da der Staudruck um ein Vielfaches reduziert werden kann. Man muss die Prozesszeit niedrig halten, damit sich der Staudruck blitzartig über die Dosiernadelbohrung abbauen muss.
Der Nadelabstand zum Bauteil ist ebenfalls sehr wichtig, um der Oberflächenspannung entgegenzuwirken. Die Einstellung eines richtigen Nadelabstandes ist jedoch äußerst aufwendig, insbesondere aufgrund der erforderlichen Präzision der mechanischen Komponenten. Auch dieses Problem kann nach dem Tintenstrahldruckerprinzip umgangen werden, das heißt indem der Kleber auf das Bauteil geschossen wird. Durch diesen Umstand ist der Nadelabstand zum Bauteil bis zu einem gewissen Grad variabel einstellbar. Dies ist ein entscheidender Vorteil für die Serienfertigung, insbesondere im Hinblick auf eine Kosteneinsparung, da eine ansonsten erforderliche Z-Hubabfrage entfällt.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung baut auf dem Stand der Technik gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 dadurch auf, dass der bewegliche Kolben von einem Piezoaktor ansteuerbar ist. Durch den Einsatz eines Piezoaktors ist es möglich, eine Kolbenpumpe zur Verfügung zu stellen, welche das Material nach dem Tintenstrahldruckerprinzip aus einem Reservoir herausschießt. Piezoaktoren können hochgenau mit sehr geringen Hüben arbeiten, so dass äußerst geringe Volumina dosierbar sind. Ferner sind Piezoaktoren in der Lage, einem Kolben eine enorme Beschleunigung zuzuführen, so dass das Material unbeeinflusst von den beschriebenen Problemen des Standes der Technik aus einer Dosiernadel austreten kann. Insbesondere werden die Probleme im Hinblick auf die Oberflächenspannung, den Staudruck und die Einstellung des Nadelabstands zum Bauteil beseitigt.
Vorzugsweise ist der feste Kolben in einer Präzisionsbuchse gehalten, der bewegliche Kolben ist von der Präzisionsbuchse geführt, und die Präzisionsbuchse ist in dem Gehäuse angeordnet. Die Präzision im Hinblick auf die Anordnung und die Führung der Kolben ist eine wichtige Voraussetzung für die Einstellung exakter Volumina und für eine gute Reproduzierbarkeit der Dosiervorgänge.
Es ist bevorzugt, dass die Menge des zu dosierenden Materials von dem im Falle der offenen Materialzufuhr vorliegenden Abstand zwischen dem festen Kolben und dem beweglichen Kolben im Bereich der Materialzufuhr abhängt. Durch die Positionierung des beweglichen Kolbens relativ zum festen Kolben lässt sich somit das zu dosierende Volumen einstellen.
Nützlicherweise ist der im Falle der offenen Materialzufuhr vorliegende Abstand zwischen dem festen Kolben und dem beweglichen Kolben durch eine Einstellschraube einstellbar. Bei entsprechender Auslegung dieser Einstellschraube können zu dosierende Volumina hochgenau vorgewählt werden.
Ebenfalls ist es vorteilhaft, dass der Piezoaktor durch eine Einstellschraube positionierbar ist. Auf diese Weise lässt sich eine Justierung des Systems vornehmen, die eine genaue Einstellung der jeweiligen Komponenten relativ zueinander ermöglicht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Einstellschraube zum Einstellen des im Falle der offenen Materialzufuhr vorliegenden Abstands zwischen dem festen Kolben und dem beweglichen Kolben und die Einstellschraube zum Positionieren des Piezoaktors identisch sind. Man hat also eine Einstellschraube mit zwei Funktionen, was im Hinblick auf einen einfachen Aufbau der Kolbenpumpe nützlich ist.
Vorzugsweise ist der Piezoaktor für einen Hub in der Größenordnung von 100 µm geeignet. Bei derartigen Hüben sind äußerst kleine Volumina exakt dosierbar.
Besonders nützlich ist es, wenn der Piezoaktor für eine Beschleunigung in der Größenordnung von 100000 g geeignet ist. Auf diese Weise wird dem beweglichen Kolben und somit dem zu dosierenden Material ebenfalls eine hohe Beschleunigung zugeführt, so dass das Material unbeeinflusst von der Oberflächenspannung und dem Staudruck aus der Dosieröffnung herausgeschossen wird.
Es ist nützlich, wenn ein Pneumatikzylinder zum Bewegen des beweglichen Gehäuses vorgesehen ist. Damit ist das Gehäuse zuverlässig und exakt positionierbar.
Im Hinblick auf die exakte Dosierung eines Materialvolumens ist es besonders vorteilhaft, wenn die Materialausfuhr eine Dosiernadel aufweist.
Bevorzugt weist die Vorrichtung eine Steuerung auf. Auf diese Weise lässt sich ein Dosierverfahren automatisieren und mit hoher Taktzahl ausführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren baut auf dem Stand der Technik gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 12 dadurch auf, dass der bewegliche Kolben von einem Piezoaktor angesteuert wird. Hierdurch können die erfindungsgemäßen Vorteile der Vorrichtung verfahrensmäßig umgesetzt werden.
Im Hinblick auf den Verfahrensablauf kann es vorteilhaft sein, wenn das Zurückführen des beweglichen Kolbens und das Verschieben des Gehäuses in die zweite Richtung nacheinander erfolgen. Somit erhält man klar zu unterscheidende Verfahrensschritte, so dass das Verfahren besonders gut überwacht werden kann.
Es kann aber auch nützlich sein, wenn das Zurückführen des beweglichen Kolbens und das Verschieben des Gehäuses in die zweite Richtung zumindest teilweise gleichzeitig erfolgen. Hierdurch lässt sich insbesondere die Geschwindigkeit des Verfahrensablaufs erhöhen, so dass die Taktzahl bei der Serienfertigung erhöht werden kann.
Vorzugsweise wird der Abstand zwischen dem festen Kolben und dem beweglichen Kolben zum Festlegen des zu dosierenden Volumens eingestellt. Man hat auf diese Weise durch eine einfache Einstellmaßnahme die Vorwahl des zu dosierenden Volumens in der Hand.
Das Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn mit diesem Klebstoff dosiert wird. Gerade bei Klebstoff sind äußerst präzise Dosierungen erwünscht. Weiterhin schaltet das Verfahren die Problematik im Hinblick auf die Kompressibilität und den Staudruck des Klebstoffes aus; dies insbesondere aufgrund der hohen Geschwindigkeit beim Ausstoß des Materials.
Vorzugsweise wird der Piezoaktor mit einem Hub in der Größenordnung von 100 µm bewegt. Hübe in dieser Größenordnung gestatten eine hochgenaue Dosierung kleiner Materialmengen.
Der Piezoaktor wird bevorzugt mit einer Beschleunigung in der Größenordnung von 100000 g bewegt. Mit dieser Beschleunigung ist ein explosionsartiger Ausstoß des Klebstoffs möglich, so dass die Nachteile im Hinblick auf die Oberflächenspannung und den Staudruck vermieden werden.
Vorzugsweise wird das Gehäuse durch einen Pneumatikzylinder bewegt. Damit ist eine hochpräzise und schnelle Positionierung des Gehäuses während des Verfahrensablaufs möglich.
Bevorzugt wird das Verfahren durch eine Steuerung gesteuert. Somit ist das Verfahren im Rahmen eines automatischen Fertigungsprozesses mit hoher Geschwindigkeit einsetzbar.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch den Einsatz eines Piezoaktors bei einer Kolbenpumpe zahlreiche Probleme beseitigt werden, welche sich bei der Dosierung kleinster Materialmengen zeigen. Aufgrund der schnellen Tropfenbildung wirkt sich die Oberflächenspannung zwischen der Dosieröffnung und dem abzugebenden Material kaum oder gar nicht aus. Der Staudruck in der Dosiernadel wird um ein Vielfaches reduziert. Der Dosiernadelabstand zum Bauteil ist variabel. Vergleicht man das piezoelektrische Stellglied mit konventionellen Stellgliedkonzepten, so ergibt sich eine Bewertung gemäß der folgenden Tabelle (Symbole: +: gut, hoch; 0: mittel; -: schlecht, gering). Das piezoelektrische Konzept siegt also insbesondere im Hinblick auf die Stellzeit und weiterhin im Hinblick auf die konstant gute Bewertung bei den verschiedenen Bewertungsparametern.
Steilgliedkonzept Auflösung Stellweg Stellkraft Stellzeit Leistungs dichte Temp.-bereich
Piezoelektrisch + - + + + 0
Elektromagnetisch - + - - - +
Pneumatisch - + - - - +
Hydraulisch - + + - + -
Der Vollständigkeit halber können noch die Vor- und Nachteile von Piezoaktoren aufgelistet werden. An den Vorteilen erkennt man die besondere Eignung der Piezoaktoren im Hinblick auf die Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Vorteile Nachteile
große mechanische Stellkräfte (bis zu einigen kN) hohe Steuerspannungen notwendig
hohe Eigenfrequenz (bis zu einigen 10 kHz) kleine Stellwege (max. 100 ...200 µm)
Wegauflösung im Nanometerbereich Kennlinienhysterese und Kriecheffekte
sehr kurze Reaktionszeit (einige µs) Sättigungserscheinungen
hohe mechanische Steifigkeit Depolarisationsgefahr
unterschiedliche Wirkrichtungen
spiel- und verschleißfrei
Zeichnungen
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1
eine teilweise geschnittene Darstellung einer Kolbenpumpe;
Figur 2
eine teilweise geschnittene Darstellung einer Kolbenpumpe mit Piezoaktor.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist eine Kolbenpumpe zum Dosieren von Material teilweise geschnitten dargestellt. Die Vorrichtung enthält einen festen Kolben 10 und einen beweglichen Kolben 12. Der feste Kolben 10 und der bewegliche Kolben 12 sind axial ausgerichtet, so dass sie fluchten. Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein bewegliches Gehäuse 14. Innerhalb des Gehäuses befindet sich eine Präzisionsbuchse 16, von welcher der feste Kolben 10 gehalten wird, und in welcher der bewegliche Kolben 12 geführt wird. Das Gehäuse 14 und die Präzisionsbuchse 16 haben seitliche Bohrungen, von denen eine als Materialzufuhr 18 und die andere zur Materialausfuhr 20 dient. Innerhalb der Präzisionsbuchse 16 ist eine Füllkammer 22 dadurch gebildet, dass die Enden des festen Kolbens 10 und des beweglichen Kolbens 12 einen Abstand zueinander aufweisen, welcher aufgrund der Beweglichkeit des beweglichen Kolbens 12 veränderbar ist. In der vorliegenden Darstellung endet der feste Kolben 10 etwa in der Mitte zwischen der Materialzufuhr 18 und der Materialabfuhr 20, was an einem vertikalen Strich erkennbar ist. Der bewegliche Kolben 12 endet in der vorliegenden Darstellung an der Position, an welcher die Strich-Punkt-Linie endet. Diese Strich-Punkt-Linie definiert eine Mittelposition des beweglichen Gehäuses 14. Durch den Doppelpfeil oberhalb des Gehäuses 14 ist angedeutet, dass sich das Gehäuse 14 durch einen Pneumatikzylinder 24 bewegen lässt. Die Präzisionsbuchse 16 ist durch Dichtungen 26 nach außen hin abgedichtet. Das Gehäuse 14 wird durch Verschraubungen 28 zusammengehalten.
In dem dargestellten Zustand befindet sich das Gehäuse 14 in einer Position, in der die Materialzufuhr 18 offen ist und in den Freiraum 22 mündet. Die Materialabfuhr 20 ist hingegen von dem festen Kolben 10 verschlossen. In diesem Zustand kann also Material in die Füllkammer 22 gelangen. Die Menge des zu dosierenden Materials lässt sich durch die Größe der Füllkammer 22 und somit durch den Abstand zwischen dem festen Kolben 10 und dem beweglichen Kolben 12 einstellen. Ist die Füllkammer 22 gefüllt, so wird das Gehäuse 14. durch den Pneumatikzylinder 24 nach links verschoben. Hierdurch wird die Materialzufuhr 18 durch den beweglichen Kolben 12 verschlossen, während die Materialabfuhr 20 geöffnet wird. Indem nun der bewegliche Kolben 12 zugestellt wird, so dass sich der Abstand zwischen dem festen Kolben 10 und dem beweglichen Kolben 12 verringert, wird Material durch die offene Materialabfuhr 20 ausgestoßen. Nachfolgend bewegt sich das Gehäuse 14 unter Einwirkung des Pneumatikzylinders 24 wieder in die dargestellte Ausgangsstellung, und der bewegliche Kolben 12 geht ebenfalls in seine dargestellte Ausgangslage zurück. Die Verrichtung ist für die Aufnahme einer weiteren Materialdosis vorbereitet.
In Figur 2 ist detailliert die Konstruktion eines Teils einer Kolbenpumpe mit einem Piezoaktor 30 dargestellt. Diese Konstruktion enthält eine Hauptplatte 32, an welcher die weiteren Komponenten unmittelbar oder mittelbar angebracht sind. Der Piezoaktor 30 ist über einen Halter 34 und Scheiben 36, 38 bezüglich der Hauptplatte 32 fixiert. Ferner wird der Piezoaktor 30 von einem Halter 40 gehalten, welcher direkt mit der Hauptplatte 32 verschraubt ist. Zum Justieren des Piezoaktors 30 ist eine Einstellschraube 42 vorgesehen, welche in dem Halter 34 sitzt. Ebenfalls lässt sich über die Einstellschraube 42 der Abstand des beweglichen Kolbens 12 zu dem in Figur 2 nicht dargestellten festen Kolben einstellen, wodurch das zu dosierende Volumen vorwählbar ist.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims (20)

  1. Vorrichtung zum Dosieren von Material mit
    einem festen Kolben (10),
    einem beweglichen Kolben (12) und
    einem beweglichen Gehäuse (14) mit
    einer mit einem der Kolben (10, 12) durch Bewegen des Gehäuses (14) verschließbaren Materialzufuhr (18) und
    einer mit einem der Kolben (10, 12) durch Bewegen des Gehäuses (14) verschließbaren Materialausfuhr (20),
    wobei die Achse des festen Kolbens (10) mit der Achse des beweglichen Kolbens (12) fluchtet und
    wobei zwischen dem festen Kolben (10) und dem beweglichen Kolben (12) zumindest dann ein Abstand im Bereich der Materialzufuhr (18) vorliegt, wenn die Materialzufuhr offen ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Kolben (12) von einem Piezoaktor (30) ansteuerbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der feste Kolben (10) in einer Präzisionsbuchse (16) gehalten ist,
    dass der bewegliche Kolben (12) von der Präzisionsbuchse (16) geführt ist und
    dass die Präzisionsbuchse (16) in dem Gehäuse (14) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des zu dosierenden Materials von dem im Falle der offenen Materialzufuhr (18) vorliegenden Abstand zwischen dem festen Kolben (10) und dem beweglichen Kolben (12) im Bereich der Materialzufuhr (18) abhängt.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der im Falle der offenen Materialzufuhr (18) vorliegende Abstand zwischen dem festen Kolben (10) und dem beweglichen Kolben (12) durch eine Einstellschraube (42) einstellbar ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (30) durch eine Einstellschraube (42) positionierbar ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellschraube (42) zum Einstellen des im Falle der offenen Materialzufuhr (18) vorliegenden Abstandes zwischen dem festen Kolben (10) und dem beweglichen Kolben (12) und die Einstellschraube (42) zum Positionieren des Piezoaktors (30) identisch sind.
  7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (30) für einen Hub in der Größenordnung von 100 µm geeignet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (30) für eine Beschleunigung in der Größenordnung von 100000 g geeignet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pneumatikzylinder (24) zum Bewegen des beweglichen Gehäuses (14) vorgesehen ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialausfuhr (20) eine Dosiernadel aufweist.
  11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Steuerung aufweist.
  12. Verfahren zum Dosieren von Material, bei dem
    Material durch eine Materialzufuhr (18) einem Füllbereich (22) eines Gehäuses (14) zugeführt wird, während eine Materialausfuhr (20) des Gehäuses von einem festen Kolben (10) oder einem beweglichen Kolben (12) verschlossen ist,
    wobei der Füllbereich (22) zumindest teilweise durch einen Abstand gebildet ist, welcher zwischen dem festen Kolben (10) und dem beweglichen Kolben (12) vorliegt, und
    wobei die Achse des festen Kolbens (10) mit der Achse des beweglichen Kolbens (12) fluchtet,
    das Gehäuse in eine erste Richtung verschoben wird, sc dass die Materialzufuhr (18) von dem festen Kolben (10) oder dem beweglichen Kolben (12) verschlossen wird und die Materialabfuhr (20) geöffnet wird,
    der bewegliche Kolben (12) zugestellt wird, so dass sich der Abstand zwischen dem festen Kolben (10) und dem beweglichen Kolben (12) verringert und Material aus der Materialausfuhr (20) austritt,
    der bewegliche Kolben (12) zurückgeführt wird, so dass sich der Abstand zwischen dem festen Kolben (10) und dem beweglichen Kolben (12) vergrößert, und
    das Gehäuse (14) in eine zweite Richtung verschoben wird, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist,
       dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Kolben (12) von einem Piezoaktor (30) angesteuert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Zurückführen des beweglichen Kolbens (12) und das Verschieben des Gehäuses (14) in die zweite Richtung nacheinander erfolgen.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Zurückführen des beweglichen Kolbens (12) und das Verschieben des Gehäuses (14) in die zweite Richtung zumindest teilweise gleichzeitig erfolgen.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem festen Kolben (10) und dem beweglichen Kolben (12) zum Festlegen des zu dosierenden Volumens eingestellt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Klebstoff dosiert wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (30) mit einem Hub in der Größenordnung von 100 µm bewegt wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (30) mit einer Beschleunigung in der Größenordnung von 100000 g bewegt wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (14) durch einen Pneumatikzylinder (24) bewegt wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren durch eine Steuerung gesteuert wird.
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