Dosieren und Vergießen mit Kolbenpumpen
Verschiedene Bauformen von Kolbenpumpen und deren Einsatzmöglichkeit in der Dosiertechnik
Kolbenpumpen existieren in den unterschiedlichsten Bauformen und werden für die Dosierung von niedrigviskosen und ungefüllten, bis hin zu hochviskosen und hochgefüllten Fluiden eingesetzt. Sie sind aufgrund ihrer hohen Verschleißfestigkeit und Genauigkeit besonders für gefüllte Systeme geeignet.
Abb.1: Servohydraulisch angetriebenes Kolbensystem.
Abb.2: Servoelektrisch angetriebenes System.
Abb.3: Prinzipaufbau einer 1K- Dosierung.
Abb.4: Die Kolbendosierpumpe sitzt bei flüssigen Systemen direkt am Materialvorratstank.
Abb.5: Prozessschema einer 2K- Dosieranlage mit dynamischem Mischkopf und Kolben-dosierpumpen für Komponente A und B.
Abb.6: 2 Kolbendosierpumpen dosieren in statischem Mischer.
Abb.7: Miniaturisierte Kolbendosierpumpe dosiert direkt in dynamischen Mischkopf.
Um die vielseitigen Flüssigkeitsförderprobleme zu bewältigen, stehen dem Anwender Kolbenpumpen in den verschiedensten Ausführungen zur Verfügung. Alle nachfolgend beschriebenen Kolbenpumpen arbeiten mit präzisen, verdrängungsfrei schaltenden Ventilen. Diese steuern den Materialfluß in den Zylinder. Der Materialaustrag wird von einem geschwindigkeitsgeregeltem Kolbensystem gesteuert. Ein derart aufgebautes System ist ideal für die präzise Dosierung von Materialkompo-nenten in Dosieranlagen. Kolbenpumpen haben ein Fördervolumen von 1 mm3/s bis ca. 25 cm3/s. Sie eignen sich für Dosierdrücke bis maximal ca. 150 bar und Viskositäten bis ca. 1 Mio. mPas. Hierbei handelt es sich um Werte, die in heutigen 1K oder 2K Niederdruck-Dosieranlagen typischerweise gefahren werden. Eine eher untergeordnete Rolle spielen für diese Pumpentypen die Materialdichten. Grundsätzlich besteht ein Kolbendosiersystem aus einem Ein- und Auslassventil, einer Materialkammer mit Austragskolben und einem Antriebssystem für Austragskolben.
Das in Abbildung 1 dargestellte Kolbensystem wird servohydraulisch angetrieben. Es zeichnet sich durch seine hohe Druckstabilität (bis 250 bar) und eine extrem hohe Genauigkeit von < 1 mm3 aus. Abb.2: Servoelektrisch angetriebenes System. Abbildung 2 zeigt ein servoelektrisch angetriebenes System. Dieses System ist wesentlich kostengünstiger, da es beim Füllvorgang selbstansaugend arbeitet. Auf diese Weise lässt sich eine Füllpumpe einsparen. Die Auswahl des Kolbendosiersystems ist abhängig von der jeweiligen Anwendung. Prinzipiell sind servoelektrisch angetriebene Systeme für eine Vielzahl der Dosieranforderungen sehr gut geeignet. Infolge dessen werden sie vielfach eingesetzt. Diese Systeme sind darüber hinaus aufgrund ihrer Ansteuerung, die über eine PC-, SPS- oder CNC- Steuerung erfolgt, sehr flexibel einsetzbar.
Einsatzbereiche von Kolbendosierpumpen
Die am meisten eingesetzten Pumpentypen in Dosieranlagen sind Außenzahnradpumpen. Sie eignen sich für Dosierdrücke bis ca. 100 bar und gering abrasive Füllstoffe. Bei extremen Genauigkeitsanforderungen stoßen sie allerdings an ihre Grenzen. Kolbendosierpumpen hingegen bieten eine sehr hohe Genauigkeit und zeichnen sich vor allem durch eine sehr schonende Materialförderung aus. Moderne Vergußmaterialien weisen einen immer höher werdenden Anteil an Füllstoffen mit abrasiven Eigenschaften auf. Durch die Höhe des Füllstoffgehalts steigt gleichzeitig auch die Drucksensibilität der Materialien. Um die zum Teil amorph strukturierten Füllstoffe nicht mechanisch bei der Scherung zu beeinflussen, arbeitet man mit niedrigen Druckniveaus. Gleichzeitig steigt bei höheren Drücken die Neigung zu Separierung der Füllstoffe. Für diese anspruchsvolle Herausforderung sind Dosierkolbenpumpen bestens geeignet.
Prinzipaufbau einer 1K-Dosierung
Die Abbildung 3 zeigt nach welchem Schema eine 1K-Dosierung aufgebaut sein kann. Unter konstantem Druck wird das Material mit einer Faßpumpe zur Kolben-dosierpumpe gefördert. Diese dosiert anschließend volumetrisch genau die Mengen über ein verdrängungsfrei arbeitendes Ventil und eine Kanüle auf das Bauteil. Der Sitz der Kolbendosierpumpe kann bei einer 1K-Dosierung variieren. Zum einen kann die Pumpe direkt auf der Fassaustrageinrichtung sitzen, zum anderen kann sie wie in Abbildung 4 gezeigt, bei flüssigen Systemen, direkt am Materialvorratstank angebracht werden.
Prinzipaufbau einer 2K-Dosierung
Für den Verguss kommen häufig 2K-Materialien mit einer hochgefüllten A-Komponente zum Einsatz. Wobei hingegen die ungefüllte B-Komponente mit relativ geringer Viskosität zum Einsatz kommt. Hierbei können bei beiden Dosieraufgaben Kolbendosierpumpen eingesetzt werden. Darüber hinaus ist bei der A-Komponente auch die Kombination einer Zahnradpumpe mit einer Kolbendosierpumpe möglich. Durch die hohen Füllstoffgehalte wird eine mehr oder weniger permanente Rezirku-lation der Komponente gefordert.
Sicherer Dosierprozess: Prozessüberwachung
Die Abbildung 5 demonstriert das Prozessschema einer 2K-Dosieranlage. Sie zeigt einen Teil der möglichen Prozessparameter, die zur Prozessüberwachung benötigt werden. Dies sind zum einen die Drücke beim Füllen und Dosieren und zum anderen die Füllstände in den Materialkammern. Alle Parameter werden ständig überprüft, um ein hohes Maß an Prozesssicherheit zu gewährleisten. Unter bestimmten Umständen können die Drucksensoren die Kompressibilität von Materialien ermitteln. Dadurch kann man erkennen, ob die Materialkammer luftbla-senfrei ist.
Verarbeitung feuchtempfindlicher Materialien
Die Verarbeitung feuchtempfindlicher Materialien wie z.B. von Isocyanate stellt besondere Anforderungen an die Abdichtung des Dosiersystems. Häufig wird hierbei auf der Antriebsseite eine sogenannte „Sperrflüssigkeitsvorlage“ eingebaut. Dabei handelt es sich um einen zusätzlichen Flüssigkeitsring, der sich auf der drucklosen Seite der Wellenabdichtung befindet. Gefüllt werden die Systeme mit feucht-unempfindlichen Ölen.
Kolbendosierung direkt in die 2K-Mischeinrichtung
Um eine sichere Dosierung und Mischung bei geringsten Mengen von 2K-Materialien realisieren zu können, muss die Kolbendosierpumpe sehr nahe an der Mischeinrichtung sitzen. Durch diesen Aufbau werden zu hohe Dosierdrücke ver-mieden und es minimiert sich darüber hinaus das Risiko von Todräumen. Diese wiederum können Quellen sein für Kompressibilitäten. Das in Abbildung 7 dargestellte System dosiert aus 10, 30 oder 55 cm3 Kartuschen in eine miniaturisierte Kolbendosierpumpe, von der aus direkt in den dynamischen Mischkopf dosiert wird. Systeme dieser Art sind in der Lage 2K- Dosierungen mit Schlußvolumen ab 1 mm3 bei einem Mischungsverhältnis von 1:1 umzusetzen. Die-ses System lässt sich für hochgefüllte Klebstoffe und Vergussmassen einsetzen. Kolbendosierpumpen sind geeignet für eine Vielzahl von Anwendungen im Vergussbereich. Aufgrund ihrer hohen Verschleißfestigkeit und Genauigkeit eignen sie sich besonders für gefüllte Systeme. Kombiniert mit verschleißgeschützten Schie-berventilen bieten sie beste Voraussetzungen für eine sichere Produktion.
