Das Schweizer Unternehmen Von Roll hat einen Core Filler für Wabenstrukturen entwickelt. Das Besondere an dem neuen, schersensitiven und hochviskosen Material: Es ist bei Raumtemperatur lagerbar, hat eine geringe Dichte und ist mit mikrofeinen Glas-Hohlkugeln durchsetzt, um ein geringeres Gewicht im Endprodukt zu erreichen.

ViscoTec sollte die automatisierte Verarbeitbarkeit des neuen Füllstoffes während des Entwicklungsprozesses ausgiebig testen. Und das in einem vorgegebenen Volumenstrom bei gleichzeitig schonendem Umgang mit dem sensiblen Material.

Erst zusammen mit dem niederländischen Unternehmen Airborne, das Lösungen zur Automatisierung von Produktionsprozessen anbietet, wurde ein vollautomatisiertes Befüllen der Waben möglich. Eingebaut in eine Roboter-Dosierzelle dosieren die hochpräzisen ViscoTec Dispenser an verschiedensten Stellen und mit verschiedensten Geometrien. Letztere ergeben sich zum einen durch die individuelle Programmierung der Robotik, zum anderen über das individuelle Düsendesign von ViscoTec.

Arno van Mourik, CEO von Airborne, sagt: "Unser Ziel ist es, unseren Kunden eine signifikante Kostenreduzierung durch höhere Genauigkeit und Wiederholbarkeit des Vergusses zu bieten, Materialverschwendung drastisch zu verringern und manuelle Arbeit und Nichtkonformitäten zu reduzieren. Deshalb arbeiten wir an mehreren automatisierten und digitalen Lösungen."

"Wir freuen uns, eine völlig neue Generation eines Kernfüllstoffes bieten zu können, der den bisherigen Lösungen in jeder Dimension überlegen ist. Die neue Formulierung bietet eine hervorragende Verarbeitbarkeit, sehr lange Haltbarkeit, benötigt keine Kühlung und ist völlig anhydrid- und halogenfrei", sagt Dr. Christian Hennerkes, CEO von Von Roll.

"Durch die enge Zusammenarbeit von Airborne, Von Roll und ViscoTec sind wir in der Lage, eine Komplettlösung anzubieten: Ein automatisiertes Dosiersystem für Kunden, die eine deutliche Steigerung von Produktivität und Output wünschen", sagt Simon Widderich, Business Development Manager Aerospace bei ViscoTec.

Im Video ist die Anwendung detailliert zu sehen: https://www.youtube.com/watch?v=2kqMOi3iTDc

Die 2K Void Filler der Reihe ARALDITE^® von Huntsman sind leicht und bieten hervorragende mechanische Eigenschaften. Aufgrund von hoher Druckempfindlichkeit im nicht ausgehärteten Zustand mussten sie bisher entweder manuell oder aus Kartuschen aufgetragen werden. Dabei sind aber Herausforderungen wie extreme Viskositätsunterschiede von Basen und Härter zu bewältigen.

Nach einer umfangreichen zweijährigen Testphase steht fest: Der statisch dynamische Mischer vipro-DUOMIX von ViscoTec eignet sich bestens, um die komplexen Materialien zu dosieren. Über den 2K Dispenser lässt sich das exakte Mischungsverhältnis einstellen, die Mischung erfolgt homogen und die Hohlkugeln in den Materialien werden beim Misch- und Dosiervorgang nicht zerstört. Der vipro-DUOMIX ist also absolut kompatibel mit den Produkten.

„Bei Huntsman sind wir stets bemüht Technologie voranzutreiben und nach neuen Lösungen für die Luft- und Raumfahrtindustrie Ausschau zu halten. Wir führen regelmäßig Kundenforschung durch, um zu verstehen, wie wir unerfüllte Bedürfnisse der Branche besser befriedigen können.“, sagte John Fraser, Global Director Marketing Aerospace. „Da die OEMs stets bemüht sind, die Produktionsleistung zu steigern, steht die gesamte Wertschöpfungskette der Luft- und Raumfahrt unter Druck die Produktivität zu verbessern. Für den Endverbraucher von beispielsweise Void Fillern heißt das nicht nur, dass Produkte benötigt werden, die schneller aushärten. Sondern auch, dass in die Automatisierung von bisher manuellen Prozessen investiert wird. Dank der engen Zusammenarbeit mit ViscoTec sind wir jetzt in der Lage, unseren Kunden dieses nächste Level an Unterstützung zu bieten.“

„Die Luft- und Raumfahrt-Industrie strebt weiterhin nach Leichtbaulösungen, um die Kraftstoffeffizienz zu maximieren und damit Kosten zu reduzieren.“, sagt Simon Widderich, Business Development Manager Aerospace bei ViscoTec. „Unser statisch-dynamischer Mischer ist besonders gut geeignet für kompressible Materialien, bei denen der Gegendruck so klein wie möglich gehalten werden muss. Die Hohlkugeln in einigen der von uns getesteten Huntsman Produkte spielen eine wesentliche Rolle bei der Verarbeitung. Kompression zu vermeiden ist essenziell, um eine prozesssichere Verarbeitung zu gewährleisten und die für die Luft- und Raumfahrtanwendungen erforderlichen mechanischen Eigenschaften der Materialien nicht zu verändern.“

Huntsman und ViscoTec werden weiterhin verstärkt zusammen an Projekten für Kunden in der Luft- und Raumfahrtindustrie arbeiten, um diese bei der Umstellung auf automatisierte Produktionsprozesse bestmöglich zu unterstützen. Auch weitere Tests am umfangreichen Produktportfolio von Huntsman mit dem vipro-DUOMIX sind geplant. Der Dispenser eignet sich für diverse zweikomponentige Materialien, auch auf Basis von Polyether, Epoxidharz oder Polyurethan.

Im Video sehen Sie die Ergebnisse der Dosierversuche: https://www.youtube.com/watch?v=wmvsrlOd1Mk

Anwendungsbereiche

Der neue 4‑stufige Dispenser 4VPHD6 ermöglicht durch eine zusätzliche Stufe das Dosieren bei einem Gegendruck von >20 bar. Das kann zum Beispiel beim Einspritzen in HPLC‑Anlagen (high performance liquid chromatography) erforderlich sein oder auch beim kontinuierlichen Dosieren eines Wirkstoffs in einen Extruder. Die Abfüllung bestimmter Pharmazeutika ist herausfordernd für die Dosiertechnologie. Dazu gehören beispielsweise quervernetzte Hyaluronsäure, schersensitive Zwischenprodukte wie proteinbeladene Lösungen, partikelbeladene, abrasive Pasten und hochpotente Wirkstoffe.

ViscoTec bietet für eben diese flüssigen bis hochviskosen pharmazeutischen Produkte die ideale Lösung: Die Pharma Dispenser der VPHD-Reihe im Hygienic Design erfüllen die Anforderungen der schwer zu dosierenden Materialien und ermöglichen eine schersensitive Abfüllung, Förderung und viskositätsunabhängige Dosierung.

Abfüllen in der Dentalindustrie

Ein gängiges Produkt in der Dentalindustrie sind fließfähige Composite Füllungsmaterialien aus Kunststoff und Glas. Sie werden eingesetzt für Versiegelungen, Restaurationen oder zum Stumpfaufbau. Die viskosen Pasten müssen absolut präzise abgefüllt werden. Hier überzeugen die Hygienic Dispenser – und vor allem der neue 4VPHD6 gleich dreifach: Zum einen ermöglicht der Neue im Portfolio eine exakte Dosiermenge von z.B. 0,15 ml. Ein gleichbleibender Fadenabriss dank programmierbarem Rückzug garantiert eine absolute Wiederholgenauigkeit von >99 %. Zum anderen wird die Dosierung bzw. Abfüllung hochpräzise durchgeführt. Es gibt keine Kontamination der Verpackung oder der Dosiernadel. Damit werden Kosten gespart, weil es keinen Materialverwurf gibt. Den dritten Vorteil bringt die Technologie selbst mit sich, denn das Endloskolben-Prinzip eignet sich bestens für abrasive Materialien, da das Materialhandling absolut schonend erfolgt.

Auf einen Blick:

• Kleinstmengen werden hochpräzise abgefüllt
• Perfekt geeignet für abrasive und schwierige Dosiermaterialien
• Sauberer Fadenabriss dank Rückzugseffekt für wiederholgenaue Dosierergebnisse

Kontinuierliches Dosieren von hochpotenten Wirkstoffen

Continuous Dosing: Sehr kleine Mengen werden nahezu pulsationsfrei in einem kontinuierlichen Verfahren dosiert. Auch in diesem Bereich überzeugt der 4VPHD6. Im Gegensatz zu Kolbenpumpen, bei denen eine kontinuierliche Dosierung nicht möglich ist und Schlauchpumpen, die nicht präzise genug dosieren. Denn gerade bei hochpotenten Wirkstoffen ist eine exakte Dosierung essenziell. Die pharmazeutischen Wirkstoffe wirken bereits in niedrigsten Konzentrationen – z.B. in Hormonpräparaten oder Mitteln bei Krebserkrankungen. Es muss eine durchgehend identische Menge an Volumenstrom bereitgestellt werden. Nur so kann die gewünschte Qualität im Endprodukt eingehalten werden. Mit dem zusätzlichen 4VPHD6 lassen sich Förderströme von weniger als 0,2 ml/min – 500 ml/min pulsationsfrei realisieren – für hochpräzise und prozesssichere Dosierergebnisse. Die Dosiergenauigkeit der Pharmadispenser liegt bei +/-1 % und wird in der Praxis oft unterschritten. Damit schafft es ViscoTec, den hohen Anforderungen der einzelnen Anwendungen gerecht zu werden.

Auf einen Blick:

• Höchste Dosiergenauigkeit
• Pulsationsfrei
• Absolut wiederholgenau
• Kleinstmengen an niedrig- bis hochviskosen Materialien

ViscoTec Endloskolben-Prinzip

Wie im gesamten Portfolio des Dosiertechnikspezialisten, ist das Endloskolben-Prinzip auch in der jetzt erweitereten Hygienic Dispenser Serie verbaut. Ein Edelstahl-Rotor fördert das Produkt durch eine exzentrische Bewegung in einem Stator aus Elastomer. Das sogenannte Endloskolben-Prinzip basiert auf der alternierenden Öffnung von Transportkammern, deren Volumen sich während der Förderung von der Saug- zur Druckseite nicht verändert. Dadurch wird das zu dosierende Produkt nicht komprimiert und besonders scherarm gefördert. Im Querschnitt der Rotor-Stator-Geometrie befindet sich eine immer gleichbleibende Produktmenge, wodurch eine pulsationsfreie und hochpräzise Förderung erfolgt. Durch einen frei einstellbaren Rückzug am Ende des Dosiervorgangs wird ein Nachtropfen verhindert und bei hochviskosen Produkten ein sauberer Fadenabriss erzielt.

Weitere Informationen über Dosiertechnik in der Pharmaindustrie finden Sie auf: https://www.viscotec.de/…

Mehr als 6,5 Milliarden € setzt die deutsche Kosmetikbranche Jahr für Jahr um – Tendenz steigend. Produkte wie Hautpflegemittel, Handcremes, Haarpflegemittel, Shampoos, Badezusätze und eine Vielzahl mehr, erfordern ein breites Spektrum innovativer Technologien die Konzerne zur Herstellung und Lohnfertiger zur Abfüllung verwenden können. Welches Wachstumspotenzial die Kosmetikindustrie in der Gegenwart hat, wird zunehmend nicht nur durch das Produktspektrum selbst bestimmt, sondern von der Fähigkeit der Hersteller und Lohnabfüller, neuen Marktbedürfnissen wie unterschiedlichen Packungsgrößen, vielfältigeren Packmitteln oder dem Wunsch nach Kleinstchargen gerecht zu werden. Eine entscheidende Rolle spielt die Flexibilität innerhalb der Prozesse: Nur wer seine Technologien so auslegt, dass ein reibungsloser Wechsel zwischen Produkten unterschiedlicher Formulierung/Viskosität möglich ist, produziert am Ende effizient und hält seine Total Cost of Ownership (TCO) niedrig.

Der VHD Hygienic Dispenser von ViscoTec ist eine solche Lösung, denn er bietet ein Maximum an Freiheit im Abfüllprozess. Das Unternehmen reagiert damit auf die wohl größte Herausforderung für Hersteller und kosmetische Lohnabfüller: Immer mehr verschiedene Produkte qualitativ und quantitativ hochwertig abzufüllen, um im globalen Wettbewerb mithalten zu können.

Flexibilität und Sicherheit über den gesamten Prozess

Das Spektrum der Produkte reicht von flüssig oder ölig, über pastös und hochviskos bis hin zu schersensitiv. Sind glatte Cremes noch relativ einfach abzufüllen, bringen z. B. Gels mit resorbierbaren Kügelchen Schwierigkeiten mit sich, denen in der technischen Umsetzung des VHD Hygienic Dispensers Rechnung getragen wurde. Denn bei einer Scherbeanspruchung käme es sonst zur Zerstörung und Strukturveränderung des Produktes. Im Trend liegen auch diverse Anwendungen mit Aktivkohle Bestandteilen – von ihrer hohen Adsorptionsfähigkeit verspricht sich die Kosmetikindustrie porentief reine Haut, weißere Zähne oder schöneres Haar. Die technische Herausforderung: Diese Feststoffbestandteile stellen eine starke Beanspruchung für die eingesetzte Abfülltechnik dar. ViscoTec setzt bei seinen Entwicklungen seit mehr als 20 Jahren den Fokus auf die volumetrische Dosierung mittel- bis hochviskoser, schersensitiver und abrasiver, flüssiger Medien. Dabei nutzt das mittelständische Unternehmen das Endloskolben-Prinzip und wird den hohen hygienischen Anforderungen der Kosmetikbranche mit dem VHD Hygienic Dispenser gerecht. Das Hygienic Design und die daraus resultierende gute Entleer-, Zerleg- und Reinigbarkeit begünstigen den häufigen Wechsel von Produkten, der bei kosmetischen Lohnabfüllern und Herstellern an der Tagesordnung ist. Der Einsatz des VHD Hygienic Dispensers ermöglicht einen schnellen unkomplizierten Wechsel zwischen ähnlichen Produkten, etwa mit unterschiedlicher Farbe, bedient aber auch den Anwendungsfall, wo zwischen Produkten mit völlig unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften gewechselt werden muss. Produktwechsel zwischen homogenem selbstfließenden Körperöl und einem Peeling oder einer Maske sind nach einem Reinigungsschritt ohne Anpassungen am Equipment möglich. Das senkt auf lange Sicht die Herstellungskosten: Es spart Zeit, potentielle Fehlerquellen werden reduziert und die Bedienung der Maschinen wird erleichtert. Für optimierte Abläufe und absolute Prozesssicherheit.

Der vipro-DUOMIX und Huntsman: Automatisierte Synergie

Mit Huntsman verbindet ViscoTec eine langjährige Partnerschaft. Die beiden Unter­nehmen bieten ihren Kunden nun auch für komplexe Materialien, wie sie in der Luftfahrt benötigt werden, eine automatisierte Komplettlösung. Den vipro-DUOMIX entwickelte ViscoTec ab 2016. Erste Anwendungsgebiete waren unter anderem das Epoxidharz Araldite 1641. Es handelt sich dabei um einen 2K-Dispenser, der sich besonders für zweikomponentige Materialien mit sehr unterschiedlichen Viskositäten, extremen Mischungsverhältnissen und hoher Drucksensibilität eignet. Er dosiert präzise verschiedenste scherempfindliche oder kompressible Materialien auf Basis von Polyether, Epoxidharz, Silikon oder Polyurethan. Und garantiert dabei eine besonders schonende, schersensible Verarbeitung. Außerdem ist er perfekt geeignet für Materialien mit sensiblen Füllstoffen wie Glashohlkugeln oder kompressible Polymerhohlkugeln. Der vipro-DUOMIX enthält die bewährte Endloskolben-Technologie. Er erweitert diese um die Möglichkeit, die Mischwendel in beide Richtungen rotieren zu lassen – ohne Ventile im Mischkopf. Der Gegendruck auf das Material wird dadurch reduziert. Die einzelnen Komponenten werden im Mischrohr vermischt, bevor sie rein volumetrisch dosiert werden. Der Auftrag erfolgt präzise und prozesssicher und dank programmierbarem Rückzug ohne Fadenziehen oder Nachtropfen.

Die kompakte Bauweise des vipro-DUOMIX, bei dem die beiden Einzeldispenser parallel angeordnet sind, ermöglicht eine einfache Integration des Dispensers in automatisierte Anwendungen. Auch die Düsenadaptierung erfolgt dank Bayonett absolut flexibel. Typische Anwendungsbeispiele – vor allem in der Luftfahrtindustrie – sind das Applizieren von Kehlnähten, Flachnähten und Seal Caps. Am Stand von Huntsman wurde den Kunden nicht nur dessen Portfolio an extrem leichten Kompositstoffen und Polyethuranharzen, Klebstoffen und syntaktischen Technologien für die Märkte Automotive, Luftfahrt und Industrieanwendungen präsentiert, sondern die automatisierte Anwendung gleich mit. Denn durch den statisch-dynamischen Mischer vipro-DUOMIX von ViscoTec sind bisher manuell ausgeführte Prozesse beim Abdichten mit 2K-Kunststoffen nun vollautomatisiert abbildbar.

ViscoTec und Von Roll: Schonender Umgang

Von Roll zeigte auf der JEC erstmals einen neuen Füllstoff für Wabenstrukturen, den das Schweizer Unternehmen entwickelt hat. Er ist bei Raumtemperatur lagerbar, von geringer Dichte und zur Gewichtsreduzierung mit mikrofeinen Glas-Hohlkugeln durchsetzt. Die Aufgabe für ViscoTec: Automatisierte Verarbeitung in gewünschtem Volumenstrom bei gleichzeitig schonendem Umgang mit dem sensiblen Material. Das niederländische Unternehmen Airborne bietet Lösungen zur Automatisierung von Produktionsprozessen an und ermöglicht das automatisierte Befüllen der Waben mit der Technik von ViscoTec an verschiedensten Stellen und mit verschiedensten Geometrien. Letztere ergeben sich zum einen durch die individuelle Programmierung der Robotik, zum anderen über das individuelle Düsendesign von ViscoTec.

Um die automatisierten Anwendungen näher zu erläutern, hielt Franz Kamhuber, Head of Business Development Aerospace bei ViscoTec auf der JEC einen Vortrag über die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten des vipro-DUOMIX im Flugzeugbau. Johannes Leier, Business Development Manager Aerospace bei ViscoTec und Dimitri Meier, Global Product Manager Composites bei Von Roll präsentierten in einem speziellen Forum den neuen Werkstoff in der automatisierten Anwendung mit den Dosierpumpen von ViscoTec. Die Vorträge fanden regen Anklang und brachten für ViscoTec, Von Roll und Huntsman interessante Gespräche und Kontakte.

ViscoTec als Spezialist für Dosier- und Abfüllanlagen sowie Dosierkomponenten bietet mit seinen Partnern prozesssichere Lösungen für verschiedenste Kundenanforderungen: Für Honeycomb Potting, Kantenversiegelung und andere Anwendungen im Bereich Aerospace. Mehr zum Unternehmen und seinen Produkten unter www.viscotec.de

Ein Engpass und sehr zeitintensiver Arbeitsschritt im Produktionsprozess ist das Auftragen von Aufstrichen, wie z.B. Butter oder Frischkäse, als Zutat der Sandwiches. Dieser meist manuell durchgeführte Arbeitsschritt kann in vielen Anwendungen automatisiert werden, um die Effizienz und die Produktionskapazitäten steigern zu können.

Herausforderungen beim automatisierten Auftrag

Die Herausforderung bei der Automatisierung steckt im Detail:

• Bei der Butterdosierung ist es wichtig, die Butter genau im streichfesten Zustand zu dosieren, d.h. nicht zu hart in der Konsistenz, da ansonsten kein Verstreichen möglich ist oder das Brot beschädigt wird. Aber auch eine flüssige Butter ist keine Lösung – eine Erwärmung führt zu Veränderungen im Geschmack.
• Bei Zubereitungen mit Frischkäse sind der Käsemasse oft Stückchen untergemischt. Kräuter, Knoblauch- oder Paprikastückchen z.B. machen es kompliziert, die Aufstriche automatisiert zu dosieren und auf die Brötchen oder Sandwichscheiben aufzutragen.

In der Lebensmittelindustrie spielt die Optik eine wichtige Rolle. Es gilt, eine Brücke zwischen Funktionalität und visuell attraktivem Dosierergebnis zu schlagen. Was dabei immer im Blick sein muss: Taktzeiten und Kosten. ViscoTec Hygienic Dispenser meistern die Herausforderungen einer automatisierten Dosierung: Aufstriche können damit großflächig und präzise aufgetragen werden.

Die ViscoTec Endloskolben-Technologie

Durch den Einsatz der bewährten Endloskolben-Technologie, können Pasten sowohl in bester Konsistenz als auch in einer konstanten 

Schichtdicke aufgetragen werden. Ausserdem können stückige Materialien perfekt dosiert werden. Sie werden in den ViscoTec Dosierpumpen weder zerquetscht noch zerrieben. Die Optik der Aufstriche wird nicht beeinträchtigt. Für eine hervorragende Produktqualität.

ViscoTec gewährleistet mit seiner verbauten Technologie eine Dosiergenauigkeit von 99 % (abhängig vom Dosiermaterial), die in der Praxis oft überschritten wird. Ein weiterer Nutzen des Endloskolben-Prinzips liegt in der Entstehung von Förderkammern, deren Volumen im Verlauf der Bewegung absolut konstant bleibt. Dadurch ist es möglich, feststoffbeladene Medien und sogar stückige Pasten zu fördern und abzufüllen. Auch schwierige, hochviskose Flüssigkeiten können prozesssicher dosiert werden, ohne dass es zu Pulsationen, Fehldosierungen oder einer zu starken Beanspruchung des Materials kommt.

Flexible Flachdüsen in unterschiedlichen Abmessungen

Butter in der bestmöglichen Konsistenz – streichfähig und gleichzeitig nicht zu flüssig – definiert auf Backwaren aufzutragen ist das Ziel. In perfektem Zusammenspiel der Hygienic Dispenser mit temperaturgeregelten, elektrischen Heizkomponenten wird diese Anforderung exakt umgesetzt. Das bedeutet, dass in großen Produktionslinien nicht mehr auf den Auftrag von Butter als Grundlage der Backwaren verzichtet werden muss.

Durch den Einsatz von flexiblen Flachdüsen können verschiedene Breiten der Aufstriche realisiert werden. Die eigens von ViscoTec entwickelten Düsen sparen im Vergleich zum manuellen Auftrag kostenintensive Produktionszeit ein. Um verschiedene Größen und Arten von Brötchen, Sandwiches oder Backwaren bearbeiten zu können, sind die Flachdüsen in unterschiedlichen Abmessungen erhältlich. Sie können schnell und sauber gewechselt werden.

Die mit Flachdüsen ausgestatteten Hygienic Dispenser können einfach in Produktionslinien integriert werden. Im Zusammenspiel mit Automationslösungen, wie z.B. Robotik, machen sie auch einen gleichzeitigen Auftrag in mehreren Bahnen möglich.

Programmierbarer Rückzug für sauberes Arbeiten

Mit einer minimalen Rückwärtsdrehung des Rotors im Hygienic Dispenser nach der Dosierung wird ein perfektes Abreißen des Mediums erreicht. Und damit keinerlei Nachtropfen gewährleistet. Das bedeutet, der Prozess ist absolut sauber und die Anlage wird nicht verunreinigt.

Durch die präzise und sehr genaue Dosierung kann die Auftragungsdicke einfach und flexibel eingestellt werden. Es muss nicht mehr “überdosiert” werden, um eine durchgängige Auftragung sicherzustellen. Die hohe Wiederholgenauigkeit sorgt für einen minimalen Ausschuss.

Das Hygienic Design des Systems und des Dispensers ermöglichen eine hygienegerechte Prozessgestaltung nach GMP. Der Hygienic Dispenser kann entweder innerhalb weniger Minuten werkzeuglos zerlegt und die einzelnen Komponenten manuell gereinigt werden. Oder als CIP-/ SIP-Variante in ein automatisches Reinigungs- oder Sterilisationsverfahren integriert werden.

Fazit: Durch den Einsatz des Hygienic Dispensers wird das präzise Auftragen von stückigen Aufstrichen oder hochviskoser Butter möglich. Das ermöglicht eine Automatisierung dieses bisher meist manuell durchgeführten Schrittes. Und sorgt für Zeit- und Kostenersparnis.

Es gibt heute eine Vielzahl an unterschiedlichen Sealing Anwendungen: Edge Sealing, Fillet Sealing, Cap Sealing oder Interface Sealing zum Beispiel. Was für alle gilt und in der Praxis oft gesehen wird, ist folgendes Szenario: Der mit der Anwendung vertraute Werker verwendet für die manuelle Tätigkeit des Abdichtens das Sealing-Material entweder in premixed-frozen oder 2K Kartuschen. Klassische 2K Kartuschen (injection barrier cartridges) beinhalten bereits vorabgefüllt eine vorgegebene Menge an Harz und Härter. Durch das Anmischen reagieren Harz und Härter in der Kartusche. Angemischt wird immer das gesamte Volumen einer Kartusche, z.B. 55 ml, 180 ml usw.

Diese Menge ist in den meisten Fällen jedoch nicht bedarfsgerecht. Es ist also keine Seltenheit, dass halbvolle Kartuschen weggeworfen werden und damit das bereits ausgehärtete Material entsorgt wird. Der Werker greift zu einer neuen Kartusche, die Topfzeit startet erneut und ehe das Material aufgebraucht ist, wird die Kartusche wieder entsorgt.

Dieser Prozess lässt sich einfach formulieren:

V = Volumen [ml], Q = Ausbringungsmenge [ml/h], t = Zeit [h]

Bei einer 180 ml Kartusche, einer Topfzeit von 2 Stunden und einer Ausbringungsmenge des Werkers von 42,5 ml/h ergibt das einen Materialverwurf von 95 ml. Das entspricht in diesem Fall 52 %. Der Wert, der hier nur als Beispiel genannt ist, gibt ein sehr realistisches Bild aus der Praxis wider. Im Klartext heißt das: Jeder Milliliter Material ist faktisch doppelt so teuer.

Automatisierte Lösung für höchste Materialersparnis

Die gute Nachricht: Genauso bietet diese Situation aber zugleich durch die Einsparung des Materialverwurfs sehr viel Potential zur Kostenreduktion.

Mithilfe der automatisierten Lösung von ViscoTec können die zwei zu dosierenden Materialien getrennt in größeren Gebinden gekauft und bedarfsgerecht gemischt werden. Zwei Fassentnahmen entnehmen Komponente A und Komponente B aus den Großbehältern. Der 2K Dispenser vipro-DUOMIX vermischt die beiden Materialien und dosiert eine individuell eingestellte Menge in die Kartusche. Es ist sichergestellt, dass immer nur soviel Material gemischt und abgefüllt wird, wie aktuell benötigt.

Ohne Änderung der tatsächlichen Auftragstechnik (weiterhin manuell) kann mittels einer Abfüllstation das Medium individuell vermischt und dosiert werden. Nicht nur der Materialverwurf verringert sich somit auf ein Minimum. Sondern auch die Einkaufskonditionen durch Materialbeschaffung über Großgebinde (z.B. 20 l Hobbock) werden entscheidend verbessert. Zusätzlich werden sowohl der logistische Aufwand als auch die Umweltbelastung reduziert. Einfach formuliert: Mehr Nutzen und geringerer Aufwand, ohne den Gesamtprozess zu verändern.

ViscoTec Abfüllstationen sind immer kundenspezifisch auf das zu dosierende Material abgestimmt. Hohe Präzision und eine absolut materialschonende Dosierung sind letztendlich der Schlüssel, den hohen Anforderungen aus der Luft- und Raumfahrtbranche gerecht werden zu können und die Spezifikationen zu erfüllen. Einschlägige Versuche und Praxisberichte haben dies vielfach bewiesen. Zweifelsohne können Abfüllstationen auch für Materialien verwendet werden, die nicht zur Gruppe der Sealing-Materiallien zählen.

Automatisierung kostet. Automatisierung ist aufwändig.
Automatisierung lohnt sich nicht?

Automatisierung eines Sealing Prozesses muss immer im Einzelfall betrachtet und bewertet werden. In den allermeisten Fällen kann aber durch Automatisierung sehr viel Geld gespart werden. Durch eine vergleichbar geringfügige Änderung des Prozesses.

Es ist Zeit für Veränderung, wenn sie rentabel ist.

Im Gegensatz dazu stehen die additiven Fertigungsverfahren, die auf der Extrusion von Flüssigkeiten basieren. Dieser Bereich befindet sich noch am Anfang, entwickelt sich jedoch derzeit mit hoher Geschwindigkeit. Insbesondere die Vielzahl an für den 3D-Druck neuen Materialien schaffen ein großes Anwendungspotential für diese Technologie. Dazu gehören z.B. Silikon (siehe Abbildung 1), Harze oder Metallpasten.

Dieses Whitepaper betrachtet die vorhandenen Technologien für die additive Fertigung von Bauteilen aus flüssigen Medien. Dabei werden die Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren dargestellt. Zudem werden die unterschiedlichen Stellparameter für jedes Verfahren zum Verändern der ausgebrachten Menge aufgezeigt.

Verfahren zur additiven Fertigung mit Flüssigkeiten und Pasten:

• Pneumatisches Dosiergerät
• Drop-On-Demand (Jet-Ventil)
• Endloskolben-Prinzip

Pneumatisches Dosiergerät

Beim pneumatischen Dosiergerät (Zeit-Druck Verfahren) befindet sich ein Behälter unter einem definierten Druck. Die Flüssigkeit wird durch eine auf den Kolben aufgebrachte Druckkraft aus dem Materialausgang herausgepresst (siehe Abbildung 2).

Stellparameter für dieses System ist der aufgebrachte Druck auf die Flüssigkeit. Aufgrund von Temperaturschwankungen oder durch thixotrope Eigenschaften des Fluids kann sich die Viskosität in sehr kurzer Zeit ändern. Durch unterschiedliche Viskositäten ergeben sich bei gleichem Druck unterschiedliche Mengen an ausgebrachtem Fluid.

Das System zeichnet sich daher nicht durch seine Prozessstabilität aus und besitzt keine hohe Wiederholgenauigkeit. Schwankende Prozessbedingungen (z.B. Temperatur oder Luftfeuchtigkeit) erfordern einen täglichen Kalibriervorgang. Zudem ist der im 3D-Druck gewünschte Rückzug von Material („Retract“) mit diesem Verfahren nicht möglich, da man lediglich den Druck auf das Fluid abbauen kann und das nicht zu einer Rückförderung des Materials führt.

Die Umsetzung des Systems ist jedoch sehr kostengünstig, da es sich um ein einfaches System mit wenigen Bauteilen und ohne aufwändige Mechanik handelt. Zusätzlich ist das Gewicht des Druckkopfes im Vergleich zu anderen Druckköpfen gering.

Die erreichbare minimale Schichtdicke ist von der Nadel am Materialausgang abhängig und kann bei idealen Prozessbedingungen >0,2 mm sein. 

Drop-On-Demand (Jet-Ventil)

Das Drop-On-Demand-System verwendet zur Ausbringung der Flüssigkeit ein Jet-Ventil. Ähnlich der Technologie eines Tintenstrahldruckers werden damit sehr feine Tröpfchen erzeugt, die auf eine Bauplattform gejettet werden. Zwischen dem Ventil und der Bauplattform befindet sich ein Luftspalt, es gibt somit keine Verbindung zwischen Plattform und Ventil (berührungslos). Stellparameter für die Ausbringung an Material sind die Anzahl der Tröpfchen pro Zeiteinheit und die Größe der Tröpfchen.

Für die Erzeugung der Tröpfchen wird meistens die „BubbleJet“- oder die „Piezo“-Technologie verwendet. Beim BubbleJet Verfahren wird durch ein Heizelement eine lokale Dampfblase erzeugt, die durch ihre volumetrische Größenänderung Material verdrängt und somit einen Tropfen ausbringt.

Bei den Piezo-Ventilen wird durch den inversen Piezoeffekt ein Zylinder bewegt, der einen Tropfen ausstoßt, wie in Abbildung 3 zu sehen ist. Die erreichbare Tröpfchenfrequenz beträgt etwa 23 kHz.

Je nachdem, welches Fluid mit dem Jet-Ventil ausgebracht wird, existieren unterschiedliche Bezeichnungen für die Verfahren:

• Eines der historisch ersten Verfahren mit einem Jet-Ventil ist das „Binder Jetting“. Dabei wird ein flüssiger Binder in ein Pulverbett eingebracht. Zwischen jeder Schicht fährt eine Rakel über das Pulverbett und bringt die nächste Pulverschicht auf das Bauteil und den Bauraum auf. Der Druckkopf dosiert den Binder an den gewünschten Stellen und verfestigt damit das Pulver. Mit diesem Verfahren sind Bauteile aus einer Vielzahl von pulverförmigen Materialien, wie beispielsweise Stärke, Gips, Aluminium und Kunststoff fertigbar. Färbt man den Binder, sind Bauteile mit einem beliebigen Farbverlauf möglich. Zudem werden keine Stützstrukturen benötigt, da das Pulverbett das Bauteil abstützt. Einige Materialien erfordern eine Nachbehandlung im Ofen (Sintern) zum Erreichen einer höheren Festigkeit.
• Ein weiteres Drop-On-Demand-System ist das „PolyJet“(„Material Jetting“) Verfahren. Dabei verwendet man anstatt des Binders ein photosensitives Polymer. Das Bauteil wird aus dem Polymer aufgebaut, das direkt auf das Druckbett gejettet wird. Man benötigt daher kein Pulver wie beim Binder Jetting. Jede aufgebrachte Schicht muss mit UV-Licht ausgehärtet werden.
• Ein kürzlich entwickeltes Verfahren ermöglicht das jetten von Silikonen und somit die Fertigung von Bauteilen aus Silikon mit dem Drop-On-Demand-Prinzip. Dabei wird das Bauteil, wie beim PolyJet-Verfahren, nach jeder Schicht mit UV-Licht ausgehärtet.

Ein großer Vorteil der Jet-Druckköpfe ist die hohe Auflösung, die an die Größe der Tröpfchen gebunden ist. Damit sind mit niedrigviskosen Materialien minimale Schichtdicken von bis zu 16 µm realisierbar. Es entsteht eine sehr hohe Oberflächengüte, bei der der Treppenstufeneffekt kaum mehr erkennbar ist. Verwendet man Silikon mit einer hohen Viskosität, so beträgt die derzeit kleinstmögliche Auflösung 0,1 mm.

Bei der Erzeugung der Tröpfchen wird lokal ein hoher Energieeintrag in das Fluid eingebracht. Dadurch entstehende Scherkräfte können für manche Materialien schädlich sein. Alle Systeme, die auf einem Jet-Ventil basieren haben einen Nachteil: Das Fluid muss exakt auf das System eingestellt sein, damit die Tröpfchen-Ausbringung wie gewünscht funktioniert. Das bedeutet, dass keine Standard-Materialien verwendet werden können, sondern speziell angepasste Fluide verarbeitet werden müssen. Diese speziellen Materialien sind größtenteils sehr kostenintensiv.

Endloskolben-Prinzip

Die Exzenterschneckenpumpe, auch Endloskolben-Prinzip genannt, zählt zu den rotierenden Verdrängerpumpen.

Das System besteht aus einem Rotor, der wie eine Rundgewinde-Schraube mit großer Steigung und großer Gangtiefe aufgebaut ist. Der elastische Stator besitzt ein zweigängiges Gewinde und die doppelte Steigungslänge als der Rotor. Durch diese Geometrie ergeben sich abgeschlossene Kammern mit gleich definiertem Volumen zwischen Rotor und Stator, die durch die Bewegung des Rotors vorwärts gefördert werden. Durch die abgeschlossenen Kammern ist die Pumpe selbstdichtend, ein Ventil an Ein- und Auslass ist nicht notwendig. Die Ausbringung an Material ist volumetrisch und direkt proportional zum Drehwinkel des Rotors.

Durch die Kombination von zwei Pumpen können auch Zwei-Komponenten-Materialien verarbeitet werden. Beide Materialien werden mit je einer Pumpe in einen statischen Mischer gefördert und darin vermengt. Das Mischungsverhältnis ist dabei frei wählbar und kann während des Fertigungsprozesses angepasst werden.

Aufgrund des Aufbaus von Stator und Rotor ergibt sich im Gegensatz zu den anderen Druckköpfen eine verhältnismäßig lange Bauform. Die hohen Qualitätsanforderungen an die Bauteile der Exzenterschneckenpumpe verursachen im Gegensatz zum Zeit-Druck-System verhältnismäßig hohe Kosten, die sich jedoch unterhalb eines Drop-On-Demand-Systems befinden.

Durch die Förderung des Fluids in den Kammern werden sehr geringe Scherkräfte erzeugt, weshalb das System auch für scherempflindliche Medien geeignet ist. Ein wesentlicher Punkt bei der additiven Fertigung ist der Materialrückzug („Retract“). Dabei wird die Drehrichtung der Schnecke umgekehrt und Material in die Pumpe zurück gefördert. Damit wird, ein definierter Fadenabriß erzeugt. Ungewolltes Nachtropfen von Material wird verhindert.

Ein weiterer großer Vorteil ist die Vielfalt an Materialien, die mit diesem Prinzip verarbeitet werden können. Dazu gehören niedrig bis sehr hochviskose Fluide, Flüssigkeiten mit einem hohen Füllstoffgehalt, temperaturempfindliche Materialien und abrasive Fluide. Konkrete Beispiele, die bereits verwendet werden sind Silikone, Polyurethane, Epoxidharze und Keramiken.

Durch die besondere Geometrie von Rotor und Stator ist die Förderung des Fluids pulsationsfrei, was zu einer konstanten Breite der erzeugten Linien und einer gleichmäßigen Außenkontur führt.

Hier gehts zum kompletten Text: https://www.viscotec.de/aktuelles/whitepaper/additive-fertigung-mit-fluessigen-materialien/

Die Materialien werden in verschiedene Bereiche unterteilt: Epoxidharze, Polyurethane, Silikone und Acrylate. Besonders Epoxidharze heben sich durch ihre Verarbeitungs- und Werkstoffeigenschaften hervor. Sie finden breite Anwendung in der Industrie. Die darin enthaltenen Feststoffe entsprechen der dispersen Phase. Sie sind elektrisch leitfähig. Gängige Partikelmaterialien sind Silber, Kupfer, Carbon, Nickel oder Gold.

Ein weiteres leitfähiges Material ist Graphen, eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur. Dieser Feststoff besticht neben seiner hohen thermischen und elektrischen Leitfähigkeit durch eine geringe Dichte und hohe Reißfestigkeit. Im Moment finden erste Dosierversuche damit statt, wann das Material für industrielle Anwendungen verfügbar ist, ist derzeit noch nicht absehbar. Nach den ersten Ergebnissen dürfte es sehr gut für Anwendungen in der Wearable- und Elektronikindustrie geeignet sein.

Elektrisch leitfähige Klebstoffe werden in den unterschiedlichsten Industrien verwendet. Die Automotive-, Aerospace- und besonders die Elektronikindustrie treiben die Nachfrage von elektrisch leitfähigen Materialien voran. Neben Amerika und Europa wird zukünftig der pazifisch-asiatische Raum als Kernmarkt prognostiziert. Dies hängt mit dem erwarteten Wachstum der Elektronikindustrie in China und Indien zusammen.

Typische Anwendungen für elektrisch leitfähige Klebstoffe

Typische Anwendungen für elektrisch leitfähige Klebstoffe sind beispielsweise der Schutz von elektronischen Bauteilen vor elektrostatischen Entladungen (ESD). Aber auch die Direktmontage von unbehausten Halb-Leiter-Chips auf Leiterplatten (Direct Chip Attach), bei denen der Chip direkt auf das Substrat aufgeklebt wird. Hierbei handelt es sich um isotropische Materialien, die die Elektrizität in alle Richtungen fließen lassen. Diese werden zudem bei der Montage von oberflächenmontierten Bauelementen (SMD) verwendet. Als Pendant dazu gibt es anisotropische Materialien. Sie lassen die Elektrizität nur in eine Richtung fließen. Und finden ihren Einsatz in der Herstellung von LCD Verbindungen und RFID Antennen.

Großes Potenzial steckt auch in der Substitution von Lötprozessen bei temperatursensiblen Substraten. Aushärtetemperaturen von Klebstoffen sind deutlich geringer als beim Lötverfahren. Zudem sind sie flexibler als Lötmetall und können Vibrationen besser standhalten. Außerdem gibt es lösemittelfreie Klebstoffe. Sie sind im Gegensatz zu Lötmetallen umweltschonender.

Feststoffe in elektrisch leitfähigen Materialien

Die Partikel in elektrisch leitfähigen Materialien haben oft einen Durchmesser von 25 µm und mehr. In der Regel handelt es sich dabei um grobdisperse Systeme, bei denen die Shorehärte der Partikel D90 übersteigt. Je nach Materialhersteller und Anwendung variiert der Feststoffanteil. Meist liegt er zwischen 75 % und 90 % ­ man kann also durchaus von hochgefüllten und abrasiven Materialien sprechen.

Der Dichteunterschied zwischen der dispersen Phase und dem Dispersionsmittel kann zu Sedimentation führen.

Industrielle Anwendungen erfordern allerdings ein homogenes Produkt, da ein gleichmäßiger Feststoffanteil für einen validen Prozess gegeben sein muss. Daher werden passende Dispersionsmittel gewählt, die die Sedimentation bei der Lagerung und Verarbeitung des Produktes verhindern beziehungsweise verringern. Die Folge sind hohe Viskositäten bei elektrisch leitfähigen Materialien. Bei der Dosierung eben dieser Materialien stehen Anwender vor der Herausforderung, abrasive Medien viskositätsunabhängig und mit einer hohen Genauigkeit zu dosieren. Um Prozesssicherheit zu garantieren und Materialkosten zu senken.

Dosiergeräte für elektrisch leitfähige Materialien

ViscoTec – spezialisiert auf das Bewegen, Bearbeiten und Dosieren von hochviskosen, struktursensiblen und feststoffbeladenen Flüssigkeiten – bietet mit seiner Marke preeflow präzise Dosierlösungen. Aufgrund der Eigenschaften von abrasiven Füllstoffen sind Pumpentypen wie Peristaltik- oder Drehkolbenpumpen nur bedingt für die Dosierung von hochgefüllten Materialien geeignet. preeflow Mikrodispenser haben sich in diesem Gebiet dafür bewährt.

Sie zählen als Exzenterschneckenpumpe zu den rotierenden Verdrängerpumpen. Der Edelstahlrotor bewegt sich dabei exzentrisch in einem Stator aus Elastomer. Durch das Zusammenspiel von Rotor und Stator entstehen Kammern. Die Größe der sich alternierend öffnenden Kammern ist auch während der Rotation konstant, sodass es zu keiner Komprimierung des geförderten Produktes kommt. Aufgrund dieser Dosiergeometrie wird drehwinkelproportional pro Umdrehung immer ein konstantes Volumen gefördert. Unabhängig von der Viskosität des Dosiermaterials und bei pulsationsfreiem Produktstrom.

preeflow Mikrodosiergeräte

preeflow garantiert eine Dosiergenauigkeit von 99 % (abhängig vom Medium) bis zu einer Menge von 1 µl. Durch das komprimierungslose Fördern können auch hochviskose abrasive und schersensible Materialien aufgetragen werden.

Die Pumpentechnik des Endloskolben-Prinzips weist zusätzliche Vorteile gegenüber anderen Dosiermechanismen auf. In über 95 % aller Anwendungen kann auf Abfüll- und Dosierventile verzichtet werden. Durch einen Rückzug (Umkehrung der Drehrichtung des Dispensers) kommt es zu einem kontrollierten Fadenabriss und ein Nachtropfen wird verhindert. Fadenziehende Gele, Harze oder Klebstoffe können dadurch präziser dosiert werden.

Für die exakte Dosierung von abrasiven Materialien hat ViscoTec einen neuen Stator für den preeflow Mikrodispenser eco-PEN330 entwickelt. Die wesentliche Änderung besteht in einem neuen Statormaterial, das der hohen mechanischen Belastungen hochgefüllter Materialien noch besser standhält. Der Anwender profitiert von einer noch höheren Prozesssicherheit und von längeren Wartungszyklen.

Autor:

Steffen Garbe, Business Development; steffen.garbe@viscotec.de