WO2019091984A1 - Dosiervorrichtung sowie verfahren zum dosieren von flüssigen medien - Google Patents

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WO2019091984A1
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valve element
metering
diaphragm
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Wolf-Dietrich Herold
Thomas HAEMMER
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Delo Industrieklebstoffe GmbH and Co Kgaa
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Delo Industrieklebstoffe GmbH and Co Kgaa
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    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/12—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid
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    • F16K31/365—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid in which fluid from the circuit is constantly supplied to the fluid motor the fluid acting on a diaphragm
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    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
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    • B05B1/304—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to control volume of flow, e.g. with adjustable passages the control being effected by relative coaxial longitudinal movement of the controlling element and the spray head the controlling element being a lift valve
    • B05B1/3046—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to control volume of flow, e.g. with adjustable passages the control being effected by relative coaxial longitudinal movement of the controlling element and the spray head the controlling element being a lift valve the valve element, e.g. a needle, co-operating with a valve seat located downstream of the valve element and its actuating means, generally in the proximity of the outlet orifice
    • B05B1/306—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to control volume of flow, e.g. with adjustable passages the control being effected by relative coaxial longitudinal movement of the controlling element and the spray head the controlling element being a lift valve the valve element, e.g. a needle, co-operating with a valve seat located downstream of the valve element and its actuating means, generally in the proximity of the outlet orifice the actuating means being a fluid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B05C11/1002—Means for controlling supply, i.e. flow or pressure, of liquid or other fluent material to the applying apparatus, e.g. valves
    • B05C11/1034—Means for controlling supply, i.e. flow or pressure, of liquid or other fluent material to the applying apparatus, e.g. valves specially designed for conducting intermittent application of small quantities, e.g. drops, of coating material

Definitions

  • the invention relates to a metering device for metering liquid media, in particular adhesives. Moreover, the invention relates to a method for dosing liquid media, in particular adhesives.
  • the above-mentioned metering devices can dose without contact, without having to be deposited on the substrate. This generally allows high dosing frequencies, short cycle times and precise position dosing in industrial manufacturing processes.
  • the other requirements for the dosing depend strongly on the viscosity and the surface tension of the medium to be dosed. Very low viscosity media may not require any external pressure to carry them into the metering chamber of the metering device. Furthermore, a relatively small pulse is needed to overcome the surface tension at the outlet and to produce a free-flying drop. However, the more viscous the medium to be dosed, the stronger cohesive forces must be overcome. Ideally, the pulse is generated directly at the outlet opening with a valve needle to minimize energy losses due to damping. Often the valve needle simultaneously takes on the task of closing the metering device at rest.
  • Piezoelectrically actuated ceramic elements can be switched by applying an electrical voltage.
  • the low expansion of the ceramic when applying the voltage causes low strokes, which is why a translation over a lever system is often needed.
  • Such a translation requires very low manufacturing tolerances, limits the longevity of piezo congressener actuators and significantly increases the moving masses.
  • a piston connected to a compressed air valve actuates a valve needle. By blowing compressed air, the piston is pressed against its direction of action.
  • a spring is used, which is biased.
  • the valve needle returns spring-assisted at high speed to its original position. The valve needle generates a pressure pulse in the medium to be dispensed.
  • DE 10 2013 006 106 A1 shows a metering device with bellows, which are acted upon by compressed air and actuate a connected to a valve needle traverse according to the principle described above.
  • a switchable magnetic element is provided, which should additionally increase the restoring force of the spring.
  • a disadvantage of this configuration is that the use of the bellows, a large vent volume is created, which limits the switching times, especially in conjunction with the upstream pressure valve.
  • the invention has for its object to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a metering device which is able to dose liquid media, in particular adhesives with their special properties, inexpensive and efficient.
  • the object is achieved by a metering device for metering liquid media, with a valve element and a valve member associated valve seat, the valve element in a closed position of the metering a valve seat associated opening blocks, through which the liquid medium flows in an open position of the metering device
  • the metering device comprises a serving as an actuator membrane which is rigidly flexible and coupled to the valve element to adjust the valve element, wherein the membrane at least partially has a structuring
  • the metering device comprises a pneumatic actuator unit, so that serving as the actuator Membrane is operated pneumatically, wherein the membrane is sealed against the medium to be metered.
  • the object is achieved by a method for dosing of liquid media, in particular of adhesives, in which serving as an actuator membrane of a metering device is acted upon by a pneumatically operated actuator unit with compressed air, so that the membrane and a valve member coupled to the diaphragm pneumatically adjusted which is associated with a valve seat of the metering device to release or lock an opening associated with the valve seat.
  • the basic idea of the invention is to achieve a high efficiency of the metering device by passing the pulse generated via the pneumatic actuator unit without friction losses to the medium to be metered and providing a large effective area over the membrane. Due to the high efficiency corresponding cost advantages can be achieved because compressed air is relatively expensive compared to electric power.
  • the metering device according to the invention can be realized via the valve element high pulse entries in the medium to be metered at low input pressures, which requires no complex and expensive printing infrastructure, which is upstream of the metering device, as is usual, if at small effective area with the help of higher input pressures of the pulse entry into the medium to be dispensed is to be increased.
  • the membrane Since the membrane is sealed against the medium to be metered, it is ensured that the membrane does not come into contact with the medium to be metered.
  • the almost massless actuator formed by the membrane is durable and low wear while being suitable for jetting high viscosity materials such as adhesives.
  • the finding underlying the invention is also to provide a large effective area of the actuator to which the pressure pulse is transmitted, thereby keeping the necessary supply pressure as low as possible. This can be achieved, inter alia, via the membrane and the surface of the membrane which is modified as a result of the structuring of the membrane and which serves as the active surface. At the same time it is avoided that the design of serving as an actuator membrane must be increased, which would adversely affect the integrability of such dosing in industrial manufacturing equipment. Also, a high metering frequency can be achieved with the metering device according to the invention, since the ventilation and venting times can be kept low.
  • the metering device is, for example, an adhesive metering device. With the metering device can therefore be dosed adhesives in a simple manner.
  • the metering device can be used as an adhesive metering device.
  • the membrane has a first side and a second side opposite the first side, wherein the first side is associated with a pressure chamber and / or wherein the second side is associated with a movement chamber, in particular wherein the movement chamber via openings with the Environment is in flow communication, so that the pressure in the movement chamber corresponds to the atmospheric pressure.
  • the diaphragm can move during the pneumatic actuation in the movement space chamber, which on the may be provided to the pressure chamber opposite side of the membrane. An increased pressure in the pressure chamber thus leads to a movement of the membrane in the movement space chamber.
  • the movement chamber is closed to the pressure chamber, so that via the pneumatic actuator unit, a pressure difference can be generated on both sides of the membrane, in particular pulsating pressure differences.
  • the pneumatic actuator unit can be set up to pressurize the membrane with compressed air so that the pneumatic actuator unit (via the valve element coupled to the membrane) exerts a pulse on the medium to be metered.
  • the pneumatic actuator unit is set up to apply a high-frequency pulse sequence to the medium to be dosed.
  • the membrane is pulsed with compressed air, resulting in a pulsating movement of the valve element coupled to the membrane result.
  • the metering device can comprise a control and / or regulating device which is signal-transmittingly connected to the pneumatic actuator unit in order to transmit control and / or regulating commands to the pneumatic actuator unit.
  • the pulsating activation of the membrane means that the amount of medium to be metered can be metered very precisely. This is especially important for expensive, metered media, such as adhesives.
  • the membrane is formed in the structuring, in particular embossed.
  • the structuring of the membrane can be realized inexpensively and in a simple manner since it is subsequently provided mechanically.
  • the pressure chamber has, on a side opposite the membrane, a counter-structuring which is designed to be complementary to the structuring of the membrane.
  • a counter-structuring which is designed to be complementary to the structuring of the membrane.
  • the volume of the pressure chamber can be reduced, whereby a rapid ventilation and venting of the pressure chamber is possible.
  • the achievable dosing frequency can be increased accordingly.
  • the movement chamber also has a complementary counter-structuring.
  • the membrane may be wavy with wave crests and troughs alternating.
  • the wave structure represents a particularly favorable structuring in order to be able to simultaneously ensure the desired stiffness of the membrane and the required flexibility in a simple manner.
  • the membrane has an modulus of elasticity (Young's modulus) of greater than 50 GPa, preferably greater than 100 GPa and particularly preferably greater than 150 GPa, and / or the spring constant of the membrane is between 5 N / mm and 50 N / mm. Due to these parameters of the membrane, it is ensured that the membrane has the desired rigidity and at the same time the required flexibility during operation, in particular during the pulsating operation of the membrane.
  • Young's modulus Young's modulus
  • the behavior of the membrane during adjustment can be adjusted accordingly. Deeper troughs or higher wave crests have an influence on the spring constant of the membrane, because more material is generally available with increasing depth or height in order to allow sagging.
  • the membrane is formed substantially circular and / or continuous closed, in particular wherein the membrane has a concentric wave geometry. This results in a rotationally symmetrical membrane, which is adjusted accordingly uniformly, which increases the accuracy when dosing the medium.
  • the valve element coupled to the membrane is thus adjusted substantially homogeneously translationally upon actuation of the actuator.
  • the membrane has a centrally provided adjusting section and / or a structural section, in particular wherein the valve element is coupled to the membrane in the region of the adjusting section.
  • the valve element is thus arranged centrally on the membrane, so that it has a high repeating accuracy during adjustment, which ensures that a high metering frequency with high accuracy is possible.
  • a spring element is provided, via which the membrane is prestressed, in particular wherein the spring element biases the membrane into the open or closed position of the metering device. This depends on the specific arrangement of the spring element.
  • the compressed air can be used accordingly to adjust the diaphragm so that the metering device is in its closed position or its open position.
  • the pressure of the compressed air against the spring force of the spring element acts to adjust the diaphragm accordingly.
  • pulsating operation is possible with the metering device due to the correspondingly formed membrane, ie metering frequencies greater than 100 Hz, in particular greater than 200 Hz, when metering the medium in order to produce free-floating droplets.
  • FIG. 1 shows a metering device according to the invention according to a first embodiment in its closed position
  • FIG. 2 shows a detail view of the metering device according to the invention from FIG. 1,
  • FIG. 3 shows the metering device according to the invention from FIG. 1 in its open position
  • FIG. 4 shows a detailed view of the metering device according to the invention from FIG. 3
  • FIG. 5 shows a detailed view of a metering device according to the invention according to a second embodiment
  • FIG. 6 shows a detailed view of a metering device according to the invention according to a third embodiment
  • FIG. 7 shows a metering device according to the invention in its closed position according to a fourth embodiment
  • FIG. 8 shows a metering device according to the invention in its closed position according to a fifth embodiment
  • FIG. 9 shows a diagram with a force-displacement characteristic of a structured diaphragm and a force-displacement characteristic of a smooth diaphragm.
  • FIG. 1 shows a metering device 10 which comprises a housing 12 and a pneumatic actuator unit 14.
  • the housing 12 comprises a media section 16 in which a media channel 18 for an adhesive to be metered and an outlet opening 20 in fluid communication with the media channel 18, via which the medium to be metered can exit.
  • the outlet opening 20 is associated with a valve seat 22, which cooperates with a valve element 24 which is formed as a valve needle, which comprises a valve seat 22 directed to the tip 25.
  • the valve element 24 is coupled to an actuator 26, which comprises a membrane 28 which can be pneumatically actuated via the pneumatic actuator unit 14, in particular in a pulsating manner, as will be explained below.
  • the membrane 28 is substantially continuous closed and circular, wherein it has a central adjustment portion 30, via which the valve element 24 is coupled to the membrane 28.
  • the valve element 24 is coupled to the membrane 28 formed of a metal by means of a solder joint, a welded connection or a screw connection.
  • connection between the diaphragm 28 and the valve element 24 can be made by methods such as soldering, welding or screwing. This ensures a long-lasting connection.
  • the required screw element can extend through an opening in the membrane 28.
  • the central adjustment section 30 surrounds a substantially annular structure section 32 of the membrane 28.
  • the membrane 28 at least partially has a structuring 34 which has been introduced, for example, by a forming process, in particular by embossing the membrane 28 in the region of Structure section 32.
  • the structuring 34 is formed in the structural portion 32 by a wave geometry comprising a plurality of waves, that is, alternating wave troughs 36 and wave peaks 38 with respect to a median plane M of the diaphragm 28.
  • the wave geometry is concentric, which means that the waves extend from the center to the radially outward direction, ie in each case a wave trough 36 encloses a wave crest 38 radially and vice versa.
  • the pattern of the structure section 32 accordingly corresponds in plan view of the membrane 28 to a plurality of concentric rings which are formed by the alternating wave troughs 36 and wave crests 38.
  • the membrane 28 has a first side 40 and a second side 42, which is opposite to the first side 40.
  • the first side 40 of the membrane 28 is assigned to a pressure chamber 44, via which the pneumatic actuator unit 14 builds up the pressure in order to adjust the diaphragm 28 or the actuator 26.
  • the pressure chamber 44 is in fluid communication with a working channel 46, which in turn depending on the position of the pneumatic actuator unit 14 with a supply air channel 48 and an exhaust duct 50 may be in flow communication to form the different pressure conditions in the pressure chamber 44, as will be explained below.
  • the first side 40 thus represents an effective area of the membrane 28, since the first side 40 is pressurized to adjust the membrane 28. Due to the structuring 34 of the membrane 28 in the structure section 32, the effective area of the membrane 28 is correspondingly increased.
  • the second side 42 of the membrane 28 points in the direction of a movement chamber 52, in which the membrane 28 can move, provided that the pneumatic actuator unit 14 pressurizes the membrane 28, ie pneumatically actuates it.
  • the movement chamber 52 is substantially fluid-tight, so that the membrane does not come into contact with the medium to be metered or the membrane is sealed against the medium to be metered.
  • a sealing element 54 is provided.
  • the sealing element 54 may be O-shaped, so that it surrounds the valve element 24 in an annular manner and is supported on the outside on a lifting channel 56 formed in the housing 12, in particular on the inside of the lifting channel 56.
  • the movement chamber 52 is in fluid communication with the environment, for example via openings, so that the pressure in the movement chamber 52 corresponds to the atmospheric pressure, since neither compressed air via the pressure chamber 44 nor the medium to be metered enters the movement chamber 52 due to the sealing element 54. Accordingly, the diaphragm 28 can move smoothly during the pneumatic actuation into the movement chamber 52, which may be provided on the side opposite to the pressure chamber 44 side of the membrane 28. As a result, high Dosierfrequenzen guaranteed.
  • the pneumatic actuator unit 14 comprises an actuator 58, which is shown only schematically in the figures.
  • the actuator 58 ensures that the supply air channel 48 and the exhaust air channel 50 is brought into flow communication with the working channel 46 to adjust the different pressure conditions in the pressure chamber 44, which are associated with the different operating modes of the metering device 10.
  • the actuator 58 For example, be electrically powered, including a power supply for the actuator 58 and the pneumatic actuator 14 is necessary. Due to the electrical control of the actuator 58 ensures that low response times are guaranteed.
  • the operation of the dosing device 10 is explained when dosing adhesive, especially in pulsating operation.
  • the metering device 10 is connected to a compressed air source and a voltage source, both of which are not shown in the figures for reasons of clarity.
  • About the compressed air source is at the supply air duct 48 to an overpressure, wherein the actuator 58 of the pneumatic actuator unit 14 is generally supplied with a corresponding voltage to electrically drive the actuator 58 can.
  • FIG. 1 shows a basic position of the metering device 10 and of the actuator 58, in which a flow connection between the supply air channel 48 and the working channel 46 is ensured, so that the outgoing from the compressed air source pressure on the supply air duct 48, the working channel 46 and the pressure chamber 44 the diaphragm 28 acts to urge the valve element 24 into its closed position, which is shown in detail in FIG.
  • valve element 24 accordingly ends with the contact of the valve element 24, in particular its tip 25, with the associated one Valve seat 22 so that the outlet opening 20 is closed by the valve member 24 to prevent uncontrolled leakage of the adhesive through the media channel 18.
  • This position of the metering device 10 is also referred to as the lower end position, since the valve element 24 is in its lower position.
  • This closed position or the lower end position is in particular, when the actuator 58 is not supplied with a voltage or a momentary power failure occurs, as long as a supply of compressed air is ensured. This ensures that the media to be metered via the media channel 18 does not exit via the outlet opening 20 in an uncontrolled manner. This therefore represents a so-called "fail-safe" property, ie a fail-safe property of the metering device 10.
  • the actuator 58 of the pneumatic actuator unit 14 is now supplied with a voltage that causes a change in state of the actuator 58, the actuator 58 closes the supply air duct 48 and releases the exhaust duct 50, so that a flow connection between the working channel 46 and the exhaust duct 50 sets , As a result, the overpressure located in the pressure chamber 44 is reduced, which is also referred to as venting, since the air in the pressure chamber 44 can escape via the working channel 46, the exhaust duct 50 and an outlet opening connected to the exhaust duct 50.
  • valve element 24 which is coupled to the diaphragm 28 also moves, as a result of which it is moved away from the valve seat 22 and thus releases the outlet opening 20.
  • the medium it is now possible for the medium to flow or flow via the media channel 18 via the outlet opening 20, as can be seen in particular from FIG.
  • This position of the metering device 10, in particular of the valve element 24, is also referred to as the upper end position or open position.
  • the valve element 24 can therefore be adjusted via the diaphragm 28, whereby the valve element 24 executes corresponding strokes between the two end positions, in particular in the pulsating operation of the metering device 10.
  • a stroke corresponds to a movement from the lower end position to the upper end position, ie from the in Figure 1 shown in the position shown in Figure 3.
  • the operating state of the metering device 10 and the actuator 58 has so long until the actuator 58 is electrically operated accordingly, that is, another voltage or another voltage signal is applied. From the upper end position shown in Figure 3, the actuator 58 is returned, for example, in the lower end position by the first voltage signal is applied (again) or no voltage is applied. As a result, the actuator 58 and the metering device 10 returns to the normal position, in which there is a flow connection between the supply air channel 48 and the working channel 46. The overpressure in the pressure chamber 44 is rebuilt, as already explained with reference to FIG.
  • valve needle speed a certain speed
  • the speed of the valve element 24 depends in particular on the acceleration, which correlates with the applied overpressure. So far It is possible to adjust the pulse input via the pressure applied to the diaphragm 28.
  • an external control device can be provided, via which the speed of the valve element 24 is then set indirectly.
  • FIG. 5 shows a second embodiment of the dosing device 10, in which the pressure chamber 44 is designed differently with respect to the embodiments of FIGS. 1 to 4.
  • the pressure chamber 44 has a counter-structuring 60, which is provided on one side of the pressure chamber 44, which is opposite to the membrane 28, in particular the first side 40 of the membrane 28 in the region of the structuring 34.
  • a counter-patterning in the movement space chamber 52 may be provided ,
  • the counter-patterning 60 is designed to correspond to the structuring 34 or complementary, whereby the volume of the pressure chamber 44 can be kept as low as possible. This makes it possible to ensure rapid ventilation and venting of the pressure chamber 44, so that high metering frequencies are made possible.
  • the supply air channel 48, the exhaust air channel 50 and the working channel 46 are designed as small as possible, in particular with respect to the volume enclosed in the pressure chamber.
  • the working channel 46 is rounded in the transition region 62 to the pressure chamber 44 to avoid turbulent flow of compressed air in the ventilation or venting.
  • the rounding in the transition region 62 ensures that abrupt diameter jumps are avoided, thereby allowing laminar flows in the transition region 62.
  • the transition region 62 is formed, for example, with a radius or a cone with an opening angle of 40 ° or more.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of the dosing device 10 which, in addition to the embodiment shown in FIG. 1, has a spring element 64 which cooperates with the diaphragm 28.
  • the spring element 64 is arranged underneath the membrane 28, that is to say between the membrane 28 and the outlet opening 20.
  • the spring element 64 is formed as a compression spring, which provides an additional restoring force for the diaphragm 28, if the diaphragm 28 is to return to its original position. Consequently, the spring member 64 supports the venting of the pressure chamber 44, whereby faster venting cycles of the pressure chamber 44 can be realized.
  • the spring element 64 is supported on the central adjustment section 30 of the diaphragm 28, in particular the second side 42 of the diaphragm 28. With the other end, the spring element 64 is supported on an inner projection section of the housing 12, in particular in the stroke channel 56.
  • FIG. 8 shows a further embodiment in which the spring element 64 is arranged above the membrane 28, that is to say on the side of the membrane 28 facing away from the outlet opening 20.
  • the spring element 64 extends through a spring chamber 66, wherein the spring element 64 on the adjustment portion 30 of the diaphragm 28 and an inner housing portion of the housing 12 is supported.
  • the pressure chamber 44 is in the embodiment shown between the membrane 28 and the outlet opening 20, so that the second side 42 of the membrane 28 of the pressure chamber 44 faces and serves as an effective surface.
  • the second side 42 of the membrane 28 of Pressure chamber 44 facing.
  • This side could optionally also be regarded as the first side, so that the second side of the diaphragm 28 faces the spring chamber 66.
  • the spring element 64 acts on the diaphragm 28 in the closed position, wherein the spring element 64 is arranged in the spring chamber 66, which is opposite to the pressure chamber 44.
  • the compression of the spring element 64 against its spring force by applying compressed air takes place If the pneumatic actuator unit 14, in particular the actuator 58 is driven to establish a flow connection between the supply air duct 48 and the pressure chamber 44, the diaphragm 28 against the spring force of the spring element 64 is acted upon in its initial position by the overpressure, whereby the outlet opening 20 is released, so that the adhesive can escape via the media channel 18 and the outlet opening 20. In this case, the diaphragm 28 is moved into the spring chamber 66, which is why the spring chamber 66 can also be regarded as the movement chamber 52, in which the diaphragm 28 moves upon actuation of the pneumatic actuator unit 14.
  • the diaphragm 28 and the valve element 24 coupled to the diaphragm 28 are then in their upper end position.
  • the mode of operation in the embodiment shown in FIG. 8 is reversed compared with the previously shown embodiments, since the compressed air is used to act on the valve element 24 coupled to the diaphragm 28 in its open position.
  • the pulse generation is caused by the actuation of the actuator 58 by a venting of the pressure chamber 44. In this case, the spring element 64 relaxes.
  • the circular membrane 28 as already explained, a structuring 34 in the form of a wave geometry, the concentric waves in the annular structure portion 32 includes the radially surrounding the adjusting portion 30 radially.
  • the wave geometry may include concentric, semicircular waves, whereby an approximately linear force-displacement characteristic of the structured membrane 28 is possible, with the corresponding strokes without plastic deformation be generated. This is clearly illustrated in FIG. 9, in which the force-displacement characteristics of a structured membrane 28 and that of a smooth membrane are plotted in a diagram.
  • a clear zero position of the diaphragm 28 is ensured by the radial stress caused by the deformation in the structure section 32 of the diaphragm 28, into which the diaphragm 28 resets when the pneumatic load is interrupted by the pneumatic actuator unit 14.
  • the waves of the structuring 34 that is to say the wave troughs 36 and the wave crests 38, have a predefined depth or height with respect to the center plane M.
  • the rigidity of the structure section 32 of the membrane 28 increases, but also the possible deflection of the membrane 28, since more material is available for the change in shape.
  • the stroke behavior of the diaphragm 28 can be adjusted via the depth or height of the waves of the structuring 34.
  • a plurality of waves that is, a plurality of successive wave troughs 36 and wave peaks 38 are provided, which generally have a relatively small depth or height with respect to the median plane M of the membrane 28.
  • the individual waves therefore, considered individually, only a slight deflection of the membrane 28 in comparison to a wave trough 36 with great depth and a wave crest 38 with high altitude.
  • the individual waves considered individually, provide only a small contribution to the rigidity of the membrane 28.
  • the overall result is a favorable rigidity in conjunction with a sufficiently high deflection of the membrane 28, so that a sufficient minimum lift of the valve element 24 coupled to the membrane 28 can be achieved.
  • This embodiment of the membrane 28 allows in the metering device 10 according to the invention, for example, a minimum stroke greater than 0.1 mm, preferably greater than 0.3 mm.
  • the membrane 28 has an E-modulus of greater than 50 GPa, preferably 100 GPa and particularly preferably greater than 150 GPa in order to be able to ensure the desired properties with regard to rigidity and deflection.
  • both the geometric configuration and the material selection of the diaphragm 28 is important.
  • diaphragms 28 would have the advantage of a force-displacement characteristic which is favorable for pulse generation, they would lead to an undefined deformation of the diaphragm 28 and subsequently to an undefined dosing process when pneumatically actuated by the pneumatic actuator unit 14, which is undesirable ,
  • Too rigid membrane 28 have too high a spring constant and would require very high input pressures for a corresponding deformation, which is why they are also unsuitable.
  • a metallic membrane 28 has a positive effect on the longevity of the actuator 26.
  • stainless steel is very suitable for use in the metering device 10 according to the invention because of its corrosion resistance.
  • the membrane thickness ie its thickness
  • the membrane thickness has a strong influence on the rigidity of the membrane 28 and thus on the behavior of the membrane 28 during operation.
  • the thinner the material of the membrane 28 is selected the lower the resulting rigidity of the membrane 28.
  • the thicker the material of the membrane 28 is the higher the stiffness and thus the spring constant of the membrane 28.
  • the maximum membrane thickness in the direction of the membrane thickness is simultaneously limited by the size of the modulus of elasticity in order to be able to realize the desired deflection, as already described above.
  • the thickness or thickness of the membrane 28 is, for example, less than 500 ⁇ m, preferably less than 350 ⁇ m, particularly preferably less than 250 ⁇ m, in order to correspondingly limit the size of the modulus of elasticity. At the same time the thickness or thickness of the membrane 28 is greater than 10 ⁇ , preferably greater than 25 ⁇ , more preferably greater than 50 ⁇ chosen to ensure a sufficiently high material thickness.
  • the parameters of the structured membrane 28, that is to say the structuring 34, the material, the thickness and the diameter, are chosen such that the membrane 28 has a spring constant of less than 100 N / mm but greater than 5 N / mm.
  • the dosing device 10 comprises a control and / or regulating device 68, which is signal-transmittingly connected to the pneumatic actuator unit 14, as shown schematically in FIG.
  • the pneumatic actuator unit 14 thus receives corresponding control and / or regulating commands from the control and / or regulating device 68 in order to pneumatically establish or reduce a pressure.
  • the pneumatic actuator unit 14 acts on the receiving control and / or control commands the membrane 28 with compressed air, whereby the pneumatic actuator unit 14, the diaphragm 28 and thus also the valve 28 coupled to the valve element 24 adjusted. Via the valve element 24 coupled to the diaphragm 28, a pulse is then exerted on the medium to be metered.
  • the valve element 24 extends through the sealing element 54, with the valve element 24 correspondingly pulsating to generate pulses at the high metering frequency, which are then transferred to the medium to be metered.
  • a pulse train is applied to the medium to be dosed in order to be able to dose minute quantities of the medium to be dosed.
  • inlet pressures of less than 25 bar, preferably less than 15 bar, more preferably less than 10 bar are necessary, for example less than 8 bar. In this respect, small input pressures are sufficient to allow dosing with the metering device 10.
  • the metering device 10 may be mounted on a movable unit, for example a unit which is movable in three dimensions, so that different positions can be approached on a substrate to which the medium is discharged.
  • This movable unit may be provided by a manufacturing robot or a computer-controlled machine.
  • the metering device 10 may also be positioned in a stationary manner, wherein the substrate is moved relative to the metering device 10.
  • the substrate can be moved on a table, in particular in a plane.
  • the metering device 10 can be used in a wide variety of applications. This includes, among other things, the contactless dosing of a single drop and a plurality of successive individual drops on a corresponding substrate, wherein both the metering device 10 and the substrate can be in motion. By adjusting the dosing frequency and traversing speed beads in different volumes and / or geometries can be generated.
  • the dosage of the medium can be varied both in the form of single drops and rows of drops by metering parameters such as media pressure, pulse time and pause time.
  • Possible metering media include, for example, adhesives, sealants, coatings, potting materials, lubricants, solvents and / or cleaners.
  • the metering device 10 may be an adhesive metering device provided for metering adhesives. In this respect, the metering device 10 can be used as an adhesive metering device.

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Abstract

Eine Dosiervorrichtung (10) zum Dosieren von flüssigen Medien ist beschrieben, mit einem Ventilelement (24) und einem dem Ventilelement (24) zugeordneten Ventilsitz (22). Das Ventilelement (24) versperrt in einer Schließstellung der Dosiervorrichtung (10) eine dem Ventilsitz (22) zugeordnete Öffnung (20), durch die das flüssige Medium in einer Offenstellung der Dosiervorrichtung (10) fließt. Die Dosiervorrichtung (10) umfasst eine als Aktor (26) dienende Membran (28), die starrflexibel ausgebildet und mit dem Ventilelement (24) gekoppelt ist, um das Ventilelement (24) zu verstellen. Die Membran (28) weist zumindest teilweise eine Strukturierung (34) auf. Die Dosiervorrichtung (10) umfasst eine pneumatische Aktoreinheit (14), sodass die als Aktor (26) dienende Membran (28) pneumatisch betrieben ist, wobei die Membran (28) gegenüber dem zu dosierenden Medium abgedichtet ist. Ferner ist ein Verfahren zum Dosieren von flüssigen Medien beschrieben.

Description

Dosiervorrichtung sowie Verfahren zum Dosieren von flüssigen Medien
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung zum Dosieren von flüssigen Medien, insbesondere Klebstoffen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Dosieren von flüssigen Medien, insbesondere Klebstoffen.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Allgemein sind im Bereich des Dosierens viskoser Medien verschiedene Verfahren bekannt, bei denen das Medium in Form von freifliegenden Tropfen dosiert werden kann. Die US 5 729 257 A beschreibt beispielhaft ein Verfahren zum Dosieren von Tinte aus einem Druckkopf unter Einsatz des sogenannten„Drop on demand" Verfahrens. Bei diesem Verfahren werden durch starke Erhitzung des Dosiermediums explosionsartig winzige Dampfblasen generiert, die den Druckkopf in Form frei fliegender Tintentropfen verlassen. Die US 8 257 779 B2 offenbart dagegen ein sogenanntes Jetting Verfahren bei dem flüssige Medien über eine pneumatisch aktuierte Ventilnadel aus der Vorrichtung abgegeben werden können.
Die oben genannten Dosiervorrichtungen können berührungslos dosieren, ohne dass ein Absetzen auf das Substrat erfolgen muss. Dies erlaubt generell hohe Dosierfrequenzen, kurze Taktzeiten und das positionsgenaue Dosieren in industriellen Fertigungsprozessen.
Die weiteren Anforderungen an die Dosiervorrichtung hängen dabei stark von der Viskosität und der Oberflächenspannung des zu dosierenden Mediums ab. Sehr niedrig viskose Medien benötigen unter Umständen gar keinen externen Druck, um diese in die Dosierkammer der Dosiervorrichtung zu befördern. Ferner ist ein verhältnismäßig geringer Impuls nötig, um die Oberflächenspannung an der Austrittsöffnung zu überwinden und einen frei fliegenden Tropfen zu erzeugen. Umso viskoser das zu dosierende Medium jedoch ist, desto stärkere kohäsive Kräfte müssen überwunden werden. Idealerweise wird der Impuls unmittelbar an der Auslassöffnung mit einer Ventilnadel erzeugt, um Energieverluste durch Dämpfung zu minimieren. Oftmals übernimmt die Ventilnadel gleichzeitig die Aufgabe, die Dosiervorrichtung im Ruhezustand zu verschließen.
Im Stand der Technik sind verschiedene Prinzipien bekannt, um eine Ventilnadel zu bewegen und einen Druckimpuls zu generieren.
Piezoelektronisch aktuierte Keramikelemente, wie sie in der EP 1 414 080 B1 offenbart sind, können durch Anlegen einer elektrischen Spannung geschaltet werden. Die geringe Ausdehnung der Keramik beim Anlegen der Spannung bedingt jedoch niedrige Hübe, weswegen vielfach eine Übersetzung über ein Hebelsystem von Nöten ist. Eine derartige Übersetzung erfordert sehr geringe Fertigungstoleranzen, beschränkt die Langlebigkeit piezobetriebener Aktoren und vergrößert erheblich die bewegten Massen. Bei pneumatischen Dosiervorrichtungen wie sie in der EP 0 861 136 B1 beschrieben sind, aktuiert ein mit einem Druckluftventil verbundener Kolben eine Ventilnadel. Durch Einblasen von Druckluft wird der Kolben entgegen seiner Wirkrichtung gedrückt. Bei der beschriebenen Konstruktion kommt eine Feder zum Einsatz, die vorgespannt wird. Beim anschließenden Entlüften durch das Druckluftventil kehrt die Ventilnadel federunterstützt mit hoher Geschwindigkeit in ihre Ausgangsstellung zurück. Die Ventilnadel erzeugt dabei im zu dosierenden Medium einen Druckimpuls.
Die DE 10 2013 006 106 A1 zeigt eine Dosiervorrichtung mit Faltenbälgen, die mit Druckluft beaufschlagt werden und eine mit einer Ventilnadel verbundene Traverse nach dem oben beschriebenen Prinzip aktuieren. Zudem ist ein schaltbares magnetisches Element vorgesehen, das die Rückstell kraft der Feder zusätzlich erhöhen soll. Nachteilig an dieser Ausgestaltung ist, dass durch die Verwendung der Bälge ein großes Entlüftungsvolumen entsteht, welches vor allem in Verbindung mit dem vorgeschalteten Druckventil die Schaltzeiten begrenzt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile im Stand der Technik zu überwinden und eine Dosiervorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, flüssige Medien, insbesondere Klebstoffe mit ihren speziellen Eigenschaften, kostengünstig und effizient zu dosieren. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Dosiervorrichtung zum Dosieren von flüssigen Medien, mit einem Ventilelement und einem dem Ventilelement zugeordneten Ventilsitz, wobei das Ventilelement in einer Schließstellung der Dosiervorrichtung eine dem Ventilsitz zugeordnete Öffnung versperrt, durch die das flüssige Medium in einer Offenstellung der Dosiervorrichtung fließt, wobei die Dosiervorrichtung eine als Aktor dienende Membran umfasst, die starrflexibel ausgebildet und mit dem Ventilelement gekoppelt ist, um das Ventilelement zu verstellen, wobei die Membran zumindest teilweise eine Strukturierung aufweist, und wobei die Dosiervorrichtung eine pneumatische Aktoreinheit umfasst, sodass die als Aktor dienende Membran pneumatisch betrieben ist, wobei die Membran gegenüber dem zu dosierenden Medium abgedichtet ist.
Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Dosieren von flüssigen Medien, insbesondere von Klebstoffen, bei dem eine als Aktor dienende Membran einer Dosiervorrichtung über eine pneumatisch betriebene Aktoreinheit mit Druckluft beaufschlagt wird, sodass die Membran und ein mit der Membran gekoppeltes Ventilelement pneumatisch verstellt werden, das einem Ventilsitz der Dosiervorrichtung zugeordnet ist, um eine dem Ventilsitz zugeordnete Öffnung freizugeben oder zu sperren.
Der Grundgedanke der Erfindung ist es, einen hohen Wirkungsgrad der Dosiervorrichtung zu erzielen, indem der über die pneumatische Aktoreinheit erzeugte Impuls ohne Reibungsverluste an das zu dosierende Medium weitergegeben wird und über die Membran eine große Wirkfläche bereitgestellt wird. Aufgrund des hohen Wirkungsgrads können entsprechende Kostenvorteile erzielt werden, da Druckluft im Vergleich zu elektrischem Strom relativ teuer ist. Mit der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung lassen sich über das Ventilelement hohe Impulseinträge in das zu dosierende Medium bei niedrigen Eingangsdrücken realisieren, wobei es keiner komplexen und teuren Druckinfrastruktur bedarf, die der Dosiervorrichtung vorgeschaltet ist, wie dies sonst üblich ist, wenn bei einer kleinen Wirkfläche mit Hilfe höherer Eingangsdrücke der Impulseintrag in das zu dosierende Medium erhöht werden soll.
Da die Membran gegenüber dem zu dosierenden Medium abgedichtet ist, ist gewährleistet, dass die Membran mit dem zu dosierenden Medium nicht in Berührung kommt.
Des Weiteren ist der durch die Membran gebildete fast masselose Aktor langlebig und verschleißarm, wobei er gleichzeitig für das Jetten hochviskoser Materialien geeignet ist, wie beispielsweise Klebstoffe.
Die der Erfindung zur Grunde liegende Erkenntnis ist es ferner, eine große Wirkfläche des Aktors bereitzustellen, auf die der Druckimpuls übertragen wird, um dadurch den notwendigen Versorgungsdruck so gering wie möglich zu halten. Dies lässt sich unter anderem über die Membran und die aufgrund der Strukturierung der Membran veränderte als Wirkfläche dienende Oberfläche der Membran realisieren. Gleichzeitig wird dabei vermieden, dass die Bauform der als Aktor dienenden Membran vergrößert werden muss, was sich negativ auf die Integrierbarkeit derartiger Dosiervorrichtungen in industriellen Fertigungsanlagen auswirken würde. Auch kann mit der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung eine hohe Dosierfrequenz erreicht werden, da die Belüftungs- und Entlüftungszeiten gering gehalten werden können. Bei der Dosiervorrichtung handelt es sich beispielsweise um eine Klebstoff- Dosiervorrichtung. Mit der Dosiervorrichtung lassen sich demnach Klebstoffe in einfacher Weise dosieren.
Insofern kann die Dosiervorrichtung als Klebstoff-Dosiervorrichtung verwendet werden. Ein Aspekt sieht vor, dass die Membran eine erste Seite und eine zweite, zur ersten Seite entgegengesetzte Seite aufweist, wobei die erste Seite einer Druckkammer zugeordnet ist und/oder wobei die zweite Seite einer Bewegungsraumkammer zugeordnet ist, insbesondere wobei die Bewegungsraumkammer über Öffnungen mit der Umgebung in Strömungsverbindung steht, sodass der Druck in der Bewegungsraumkammer dem Atmosphärendruck entspricht. Entsprechend kann sich die Membran bei der pneumatischen Aktuierung in die Bewegungsraumkammer bewegen, die auf der zur Druckkammer entgegengesetzten Seite der Membran vorgesehen sein kann. Ein erhöhter Druck in der Druckkammer führt demnach zu einer Bewegung der Membran in die Bewegungsraumkammer. Die Bewegungsraumkammer ist gegenüber der Druckkammer abgeschlossen, sodass über die pneumatische Aktoreinheit eine Druckdifferenz auf beiden Seiten der Membran erzeugt werden kann, insbesondere sich pulsierend ändernde Druckdifferenzen.
Die pneumatische Aktoreinheit kann eingerichtet sein, die Membran mit Druckluft zu beaufschlagen, sodass die pneumatische Aktoreinheit (über das mit der Membran gekoppelte Ventilelement) einen Impuls auf das zu dosierende Medium ausübt. Insbesondere ist die pneumatische Aktoreinheit eingerichtet, eine hochfrequente Impulsfolge auf das zu dosierende Medium auszuüben. Hierzu wird die Membran pulsierend mit Druckluft beaufschlagt, was eine pulsierende Bewegung des mit der Membran gekoppelten Ventilelements zur Folge hat.
Die Dosiervorrichtung kann hierzu eine Steuer- und/oder Regelvorrichtung umfassen, die mit der pneumatischen Aktoreinheit signalübertragend verbunden ist, um Steuer- und/oder Regelbefehle an die pneumatische Aktoreinheit zu übertragen.
Generell führt die pulsierende Ansteuerung der Membran (und des mit der Membran gekoppelten Ventilelements) dazu, dass sich die Menge des zu dosierenden Mediums sehr genau dosieren lässt. Dies ist gerade für teure, zu dosierende Medien von Bedeutung, beispielsweise Klebstoffe.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Membran im Bereich der Strukturierung umgeformt ist, insbesondere geprägt ist. Insofern lässt sich die Strukturierung der Membran kostengünstig und in einfacher Weise realisieren, da sie nachträglich mechanisch vorgesehen wird.
Insbesondere weist die Druckkammer an einer der Membran gegenüberliegende Seite eine Gegenstrukturierung auf, die komplementär zur Strukturierung der Membran ausgebildet ist. Hierdurch lässt sich das Volumen der Druckkammer verringern, wodurch eine schnelle Belüftung und Entlüftung der Druckkammer möglich ist. Die erreichbare Dosierfrequenz kann so entsprechend erhöht werden. Wahlweise weist die ebenfalls die Bewegungsraumkammer eine komplementäre Gegenstrukturierung auf. Die Membran kann gewellt sein, wobei sich Wellenberge und Wellentäler jeweils abwechseln. Die Wellenstruktur stellt eine besonders günstige Strukturierung dar, um gleichzeitig die gewünschte Steifigkeit der Membran und die benötigte Flexibilität in einfacher Weise gewährleisten zu können. Gemäß einer Ausführungsform weist die Membran ein E-Modul (Elastizitätsmodul) von größer 50 GPa auf, bevorzugt größer 100 GPa und insbesondere bevorzugt größer 150 GPa, und/oder liegt die Federkonstante der Membran zwischen 5 N/mm und 50 N/mm. Aufgrund dieser Parameter der Membran ist sichergestellt, dass die Membran beim Betrieb, insbesondere beim pulsierenden Betrieb der Membran, die gewünschte Steifigkeit und gleichzeitig die benötigte Flexibilität aufweist.
Über die Höhenunterschiede der Wellenberge bzw. der Wellentäler in Bezug auf die Mittelebene der Membran lässt sich das Verhalten der Membran beim Verstellen entsprechend einstellen. Tiefere Wellentäler bzw. höhere Wellenberge haben einen Einfluss auf die Federkonstante der Membran, da generell mit zunehmender Tiefe bzw. Höhe mehr Material zur Verfügung steht, um ein Durchbiegen zu ermöglichen.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Membran im Wesentlichen kreisförmig und/oder durchgehend geschlossen ausgebildet ist, insbesondere wobei die Membran eine konzentrische Wellengeometrie aufweist. Hierdurch ergibt sich eine rotationssymmetrische Membran, die entsprechend gleichmäßig verstellt wird, was die Genauigkeit beim Dosieren des Mediums erhöht. Das mit der Membran gekoppelte Ventilelement wird somit bei Betätigung des Aktors im Wesentlichen homogen translatorisch verstellt. Insbesondere weist die Membran einen zentral vorgesehenen Verstellabschnitt und/oder einen Strukturabschnitt auf, insbesondere wobei das Ventilelement mit der Membran im Bereich des Verstellabschnitts gekoppelt ist. Das Ventilelement ist somit mittig an der Membran angeordnet, sodass es eine hohe Wiederholgenauigkeit beim Verstellen aufweist, wodurch sichergestellt ist, dass eine hohe Dosierfrequenz mit hoher Genauigkeit möglich ist. Die Beweglichkeit der Membran wird über den Strukturabschnitt sichergestellt, der den Verstellabschnitt beispielsweise ringförmig umgibt. Gemäß einer Ausführungsform ist ein Federelement vorgesehen, über das die Membran vorgespannt ist, insbesondere wobei das Federelement die Membran in die Offen- oder Schließstellung der Dosiervorrichtung vorspannt. Dies hängt von der konkreten Anordnung des Federelements ab. Die Druckluft kann entsprechend verwendet werden, um die Membran so zu verstellen, dass die Dosiervorrichtung in ihrer Schließstellung oder ihrer Offenstellung ist.
Im Allgemeinen wirkt der Druck der Druckluft entgegen der Federkraft des Federelements, um die Membran entsprechend zu verstellen.
Generell ist mit der Dosiervorrichtung aufgrund der entsprechend ausgebildeten Membran ein pulsierender Betrieb möglich, also Dosierfrequenzen größer 100 Hz, insbesondere größer 200 Hz, beim Dosieren des Mediums, um freifliegende Tropfen zu erzeugen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- Figur 1 eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform in ihrer Schließstellung,
- Figur 2 eine Detailansicht der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung aus Figur 1 ,
- Figur 3 die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung aus Figur 1 in ihrer Offenstellung,
- Figur 4 eine Detailansicht der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung aus Figur 3, - Figur 5 eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- Figur 6 eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform, - Figur 7 eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform in ihrer Schließstellung,
- Figur 8 eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform in ihrer Schließstellung, und - Figur 9 ein Diagramm mit einer Kraft-Weg-Kennlinie einer strukturierten Membran und einer Kraft-Weg-Kennlinie einer glatten Membran.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In Figur 1 ist eine Dosiervorrichtung 10 gezeigt, die ein Gehäuse 12 und eine pneumatische Aktoreinheit 14 umfasst.
Das Gehäuse 12 umfasst einen Medienabschnitt 16, in dem ein Medienkanal 18 für einen zu dosierenden Klebstoff sowie eine mit dem Medienkanal 18 in Strömungsverbindung stehende Auslassöffnung 20 auf, über die das zu dosierende Medium austreten kann. Der Auslassöffnung 20 ist ein Ventilsitz 22 zugeordnet, der mit einem Ventilelement 24 zusammenwirkt, das als eine Ventilnadel ausgebildet ist, die eine zum Ventilsitz 22 gerichtete Spitze 25 umfasst. Das Ventilelement 24 ist mit einem Aktor 26 gekoppelt, der eine Membran 28 umfasst, die über die pneumatische Aktoreinheit 14 pneumatisch aktuiert werden kann, insbesondere in pulsierender Weise, wie nachfolgend noch erläutert wird.
Die Membran 28 ist im Wesentlichen durchgehend geschlossen und kreisförmig ausgebildet, wobei sie einen zentralen Verstellabschnitt 30 aufweist, über den das Ventilelement 24 mit der Membran 28 gekoppelt ist. Beispielsweise ist das Ventilelement 24 mit der aus einem Metall ausgebildeten Membran 28 mittels einer Lötverbindung, einer Schweißverbindung oder einer Schraubverbindung gekoppelt.
Die Verbindung zwischen der Membran 28 und der Ventilelement 24 kann durch Verfahren wie Löten, Schweißen oder Schrauben erfolgen. Hierdurch ist eine langlebige Verbindung sichergestellt. Zur Herstellung der Schraubverbindung kann sich das benötigte Schraubelement durch eine Öffnung in der Membran 28 erstrecken.
Den zentralen Verstellabschnitt 30 umgibt in der gezeigten Ausführungsform ein im Wesentlichen ringförmiger Strukturabschnitt 32 der Membran 28. Demnach weist die Membran 28 zumindest teilweise eine Strukturierung 34 auf, die beispielsweise durch einen Umformprozess eingebracht worden ist, insbesondere durch eine Prägung der Membran 28 im Bereich des Strukturabschnitts 32.
In der gezeigten Ausführungsform ist die Strukturierung 34 im Strukturabschnitt 32 durch eine Wellengeometrie ausgebildet, die mehrere Wellen umfasst, also sich abwechselnde Wellentäler 36 und Wellenberge 38 in Bezug auf eine Mittelebene M der Membran 28.
Da die Membran 28 kreisförmig ausgebildet und der Strukturabschnitt 32 ringförmig sind, ist die Wellengeometrie konzentrisch, was bedeutet, dass sich die Wellen von der Mitte nach radial außen erstrecken, also jeweils ein Wellental 36 einen Wellenberg 38 radial umschließt und umgekehrt. Das Muster des Strukturabschnitts 32 entspricht demnach in Draufsicht auf die Membran 28 mehreren konzentrischen Ringen, die durch die sich abwechselnden Wellentäler 36 und Wellenberge 38 gebildet sind.
Generell lässt sich über die Strukturierung 34 der Membran 28 sicherstellen, dass die Membran 28 die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich der Steifigkeit und der Elastizität (Durchbiegefähigkeit) aufweist, um mittels der pneumatischen Aktoreinheit 14 verstellt zu werden und in ihre vorgesehene Ausgangsstellung (siehe Figur 3) wieder zurückzukehren, sofern kein Druck auf die Membran 28 ausgeübt wird. Dies wird nachfolgend noch erläutert. Die Membran 28 weist eine erste Seite 40 sowie eine zweite Seite 42 auf, die zur ersten Seite 40 entgegengesetzt ist. Die erste Seite 40 der Membran 28 ist einer Druckkammer 44 zugeordnet, über die die pneumatische Aktoreinheit 14 den Druck aufbaut, um die Membran 28 bzw. den Aktor 26 zu verstellen. Die Druckkammer 44 steht mit einem Arbeitskanal 46 in Strömungsverbindung, der wiederum je nach Stellung der pneumatischen Aktoreinheit 14 mit einem Zuluftkanal 48 und einem Abluftkanal 50 in Strömungsverbindung stehen kann, um die unterschiedlichen Druckverhältnisse in der Druckkammer 44 auszubilden, wie nachfolgend noch erläutert wird.
Die erste Seite 40 stellt demnach eine Wirkfläche der Membran 28 dar, da die erste Seite 40 mit dem Druck beaufschlagt wird, um die Membran 28 zu verstellen. Aufgrund der Strukturierung 34 der Membran 28 im Strukturabschnitt 32 ist die Wirkfläche der Membran 28 entsprechend erhöht.
Die zweite Seite 42 der Membran 28 weist dagegen in Richtung einer Bewegungsraumkammer 52, in die sich die Membran 28 bewegen kann, sofern die pneumatische Aktoreinheit 14 die Membran 28 mit einem Druck beaufschlagt, also pneumatisch aktuiert.
Die Bewegungsraumkammer 52 ist im Wesentlichen fluiddicht, sodass die Membran nicht in Kontakt mit dem zu dosierenden Medium kommt bzw. die Membran gegenüber dem zu dosierenden Medium abgedichtet ist.
Hierzu ist beispielsweise ein Dichtelement 54 vorgesehen. Das Dichtelement 54 kann O-förmig ausgebildet sein, sodass es das Ventilelement 24 ringförmig umgibt und sich außenseitig an einem im Gehäuse 12 ausgebildeten Hubkanal 56 abstützt, insbesondere an der Innenseite des Hubkanals 56.
Die Bewegungsraumkammer 52 steht beispielsweise über Öffnungen mit der Umgebung in Strömungsverbindung, sodass der Druck in der Bewegungsraumkammer 52 dem Atmosphärendruck entspricht, da weder Druckluft über die Druckkammer 44 noch das zu dosierende Medium aufgrund des Dichtelements 54 in die Bewegungsraumkammer 52 gelangt. Entsprechend kann sich die Membran 28 bei der pneumatischen Aktuierung in die Bewegungsraumkammer 52 leichtgängig bewegen, die auf der zur Druckkammer 44 entgegengesetzten Seite der Membran 28 vorgesehen sein kann. Hierdurch sind hohe Dosierfrequenzen gewährleistet.
Generell umfasst die pneumatische Aktoreinheit 14 ein Stellglied 58, welches in den Figuren lediglich schematisch dargestellt ist. Das Stellglied 58 stellt sicher, dass der Zuluftkanal 48 bzw. der Abluftkanal 50 mit dem Arbeitskanal 46 in Strömungsverbindung gebracht wird, um die unterschiedlichen Druckverhältnisse in der Druckkammer 44 einzustellen, die mit den unterschiedlichen Betriebsmodi der Dosiervorrichtung 10 einhergehen. Hierzu kann das Stellglied 58 beispielsweise elektrisch betrieben sein, wozu eine Spannungsversorgung für das Stellglied 58 bzw. die pneumatische Aktoreinheit 14 nötig ist. Aufgrund der elektrischen Ansteuerung des Stellglieds 58 ist sichergestellt, dass geringe Ansprechzeiten gewährleistet sind. Nachfolgend wird die Funktionsweise der Dosiervorrichtung 10 beim Dosieren von Klebstoff erläutert, insbesondere im pulsierenden Betrieb.
Zunächst wird die Dosiervorrichtung 10 mit einer Druckluftquelle und einer Spannungsquelle verbunden, die beide in den Figuren aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Über die Druckluftquelle liegt am Zuluftkanal 48 ein Überdruck an, wobei das Stellglied 58 der pneumatischen Aktoreinheit 14 generell mit einer entsprechenden Spannung versorgt wird, um das Stellglied 58 elektrisch antreiben zu können.
In Figur 1 ist eine Grundstellung der Dosiervorrichtung 10 und des Stellglieds 58 gezeigt, in der eine Strömungsverbindung zwischen dem Zuluftkanal 48 und dem Arbeitskanal 46 sichergestellt ist, sodass der von der Druckluftquelle ausgehende Druck über den Zuluftkanal 48, den Arbeitskanal 46 und die Druckkammer 44 auf die Membran 28 wirkt, um das Ventilelement 24 in seine Schließstellung zu beaufschlagen, die in Figur 2 detailliert gezeigt ist.
Generell wird aufgrund der Druckluft, die über den Zuluftkanal 48 und den Arbeitskanal 46 in die Druckkammer 44 strömt, in der Druckkammer 44 ein Überdruck aufgebaut, der auf die erste Seite 40 der Membran 28 wirkt, also die Wirkfläche. Die Membran 28 dehnt sich im elastischen Bereich bzw. zieht sich im elastischen Bereich zusammen, also im Bereich der Strukturierung 34, wenn mittels der Druckluft eine Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten 40, 42 erzeugt wird. Hierdurch bewegt sich die Membran 28 in die Bewegungsraumkammer 52. Die entsprechende Bewegung der Membran 28 wird über den Verstellabschnitt 30 auf das mit der Membran 28 gekoppelte Ventilelement 24 übertragen, sodass dieses in seine Schließstellung bewegt wird, in der die Spitze 25 des Ventilelements 24 direkt mechanisch mit dem Ventilsitz 22 zusammenwirkt.
Die Bewegung des Ventilelements 24 endet demnach mit dem Kontakt des Ventilelements 24, insbesondere dessen Spitze 25, mit dem zugeordneten Ventilsitz 22, sodass die Auslassöffnung 20 von dem Ventilelement 24 verschlossen ist, um ein unkontrolliertes Austreten des Klebstoffs über den Medienkanal 18 zu verhindern.
Diese Stellung der Dosiervorrichtung 10 wird auch als untere Endlage bezeichnet, da sich das Ventilelement 24 in seiner unteren Stellung befindet.
Diese Schließstellung bzw. die untere Endlage stellt sich insbesondere ein, wenn das Stellglied 58 nicht mit einer Spannung versorgt wird bzw. ein kurzzeitiger Spannungsausfall eintritt, solange eine Versorgung mit Druckluft gewährleistet ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass das über den Medienkanal 18 zu dosierende Medium nicht unkontrolliert über die Auslassöffnung 20 austritt. Dies stellt demnach eine sogenannte „fail-safe"-Eigenschaft dar, also eine ausfallsichere Eigenschaft der Dosiervorrichtung 10.
Sofern das Stellglied 58 der pneumatischen Aktoreinheit 14 nunmehr mit einer Spannung versorgt wird, die eine Zustandsänderung des Stellglieds 58 bewirkt, verschließt das Stellglied 58 den Zuluftkanal 48 und gibt den Abluftkanal 50 frei, sodass sich eine Strömungsverbindung zwischen dem Arbeitskanal 46 und dem Abluftkanal 50 einstellt. Hierdurch wird der in der Druckkammer 44 befindliche Überdruck abgebaut, was auch als Entlüften bezeichnet wird, da die in der Druckkammer 44 befindliche Luft über den Arbeitskanal 46, den Abluftkanal 50 und einer mit dem Abluftkanal 50 verbundenen Auslassöffnung entweichen kann.
Dies hat zur Folge, dass sich die elastisch verformte Membran 28 aufgrund ihrer federnden Eigenschaft mit abnehmender Druckdifferenz an ihren beiden Seiten 40, 42 entspannen und in ihre ursprüngliche Form zurückkehren kann (siehe Figur 3). Hierzu ist kein weiteres Stellglied nötig, welches die Membran 28 aktiv in ihre Ausgangsstellung zurückführt, da dies aufgrund der eigenen Federwirkung geschieht.
Mit der rückstellenden Bewegung der Membran 28 in ihre Ursprungsstellung bzw. Ausgangsstellung bewegt sich auch das mit der Membran 28 gekoppelte Ventilelement 24, wodurch dieses vom Ventilsitz 22 wegbewegt wird und somit die Auslassöffnung 20 freigibt. Hierdurch ist es nunmehr möglich, dass das Medium über den Medienkanal 18 über die Auslassöffnung 20 strömen bzw. fließen kann, wie insbesondere aus Figur 4 hervorgeht.
Diese Stellung der Dosiervorrichtung 10, insbesondere des Ventilelements 24, wird auch als obere Endlage bzw. Offenstellung bezeichnet.
Das Ventilelement 24 lässt sich demnach über die Membran 28 verstellen, wodurch das Ventilelement 24 zwischen den beiden Endlagen entsprechende Hubbewegungen ausführt, insbesondere im pulsierenden Betrieb der Dosiervorrichtung 10. Ein Hub entspricht dabei einer Bewegung von der unteren Endlage zur oberen Endlage, also von der in Figur 1 gezeigten Stellung in die in Figur 3 gezeigte Stellung.
Der Betriebszustand der Dosiervorrichtung 10 bzw. des Stellglieds 58 hat so lange Bestand, bis das Stellglied 58 entsprechend elektrisch betätigt wird, also eine andere Spannung bzw. ein anderes Spannungssignal angelegt wird. Aus der in Figur 3 gezeigten oberen Endlage, wird das Stellglied 58 beispielsweise in die untere Endlage zurückgeführt, indem das erste Spannungssignal (wieder) angelegt wird oder keine Spannung mehr anliegt. Hierdurch kehrt das Stellglied 58 und die Dosiervorrichtung 10 in die Grundstellung zurück, in der eine Strömungsverbindung zwischen dem Zuluftkanal 48 und dem Arbeitskanal 46 vorliegt. Der Überdruck in der Druckkammer 44 wird so wieder aufgebaut, wie bereits zur Figur 1 erläutert wurde.
Die Bewegung des Ventilelements 24 über den Hub wird mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausgeführt, die auch als Ventilnadelgeschwindigkeit bezeichnet wird. Für das Dosieren des Klebstoffs ist es entscheidend, wie die Ventilnadelgeschwindigkeit unmittelbar vor dem Einschlag des Ventilelements 14 auf den Ventilsitz 22 ist, da hierüber der entstehende Impuls auf das Medium übertragen wird.
Ist der entstehende Impuls auf das Medium groß genug, so kann ein freifliegender Tropfen erzeugt werden, wie dies für das Dosieren gewünscht ist. Die Geschwindigkeit des Ventilelements 24 hängt insbesondere von der Beschleunigung ab, welche mit dem angelegten Überdruck korreliert. Insofern ist es möglich, den Impulseintrag über den an der Membran 28 anliegenden Druck einzustellen. Zur Einstellung des Überdrucks, der den Druck in der Druckkammer 44 und somit den auf die Membran 28 wirkenden Druck beeinflusst, kann ein externes Steuergerät vorgesehen sein, über das dann die Geschwindigkeit des Ventilelements 24 indirekt eingestellt wird.
Ein zusätzliches mechanisches Stellelement zur Regelung der Ventilnadelgeschwindigkeit ist folglich nicht nötig. Insofern kann eine mechanische Einstellung entfallen, wodurch Kosten und Bauraum eingespart werden. Ebenso ist die Einstellung unabhängig von der Einbaulage, Position und Zugänglichkeit der Dosiervorrichtung 10.
In Figur 5 ist eine zweite Ausführungsform der Dosiervorrichtung 10 gezeigt, bei der die Druckkammer 44 gegenüber den Ausführungsformen der Figuren 1 bis 4 anders gestaltet ist.
Die Druckkammer 44 weist eine Gegenstrukturierung 60 auf, die an einer Seite der Druckkammer 44 vorgesehen ist, welche der Membran 28 gegenüberliegt, insbesondere der ersten Seite 40 der Membran 28 im Bereich der Strukturierung 34. Wahlweise kann auch eine Gegenstrukturierung in der Bewegungsraumkammer 52 vorgesehen sein.
Die Gegenstrukturierung 60 ist dabei zur Strukturierung 34 korrespondierend bzw. komplementär ausgebildet, wodurch das Volumen der Druckkammer 44 so gering wie möglich gehalten werden kann. Hierdurch lässt sich eine schnelle Belüftung und Entlüftung der Druckkammer 44 sicherstellen, sodass hohe Dosierfrequenzen ermöglicht werden.
Um die hohen Dosierfrequenzen ferner in einfacher Weise sicherzustellen, sind der Zuluftkanal 48, der Abluftkanal 50 sowie der Arbeitskanal 46 insbesondere in Bezug auf das in der Druckkammer eingeschlossene Volumen so klein wie möglich ausgelegt.
In Figur 6 ist eine weitere Ausführungsform der Dosiervorrichtung 10 gezeigt, bei der der Arbeitskanal 46 im Übergangsbereich 62 zur Druckkammer 44 abgerundet ausgebildet ist, um turbulente Strömungen der Druckluft bei der Be- bzw. Entlüftung zu vermeiden. Die Abrundung im Übergangsbereich 62 stellt sicher, dass abrupte Durchmessersprünge vermieden werden, wodurch laminare Strömungen im Übergangsbereich 62 ermöglicht werden. Hierzu ist der Übergangsbereich 62 beispielsweise mit einem Radius bzw. einem Konus mit einem Öffnungswinkel von 40° oder mehr ausgebildet.
In Figur 7 ist eine weitere Ausführungsform der Dosiervorrichtung 10 gezeigt, die zusätzlich zu der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform ein Federelement 64 aufweist, welches mit der Membran 28 zusammenwirkt.
Das Federelement 64 ist in der gezeigten Ausführungsform unterhalb der Membran 28, also zwischen der Membran 28 und der Auslassöffnung 20 angeordnet.
Zudem ist das Federelement 64 als eine Druckfeder ausgebildet, die eine zusätzliche Rückstellkraft für die Membran 28 bereitstellt, sofern die Membran 28 in ihre Ursprungsstellung zurückkehren soll. Folglich unterstützt das Federelement 64 die Entlüftung der Druckkammer 44, wodurch schnellere Entlüftungszyklen der Druckkammer 44 realisierbar sind.
Das Federelement 64 stützt sich dabei am zentralen Verstellabschnitt 30 der Membran 28 ab, insbesondere der zweiten Seite 42 der Membran 28. Mit dem anderen Ende stützt sich das Federelement 64 an einem innenliegenden Vorsprungsabschnitt des Gehäuses 12 ab, insbesondere im Hubkanal 56.
In Figur 8 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei der das Federelement 64 oberhalb der Membran 28 angeordnet ist, also auf der von der Auslassöffnung 20 weggewandten Seite der Membran 28.
In dieser Ausführungsform erstreckt sich das Federelement 64 durch eine Federkammer 66, wobei sich das Federelement 64 am Verstellabschnitt 30 der Membran 28 sowie einem innenliegenden Gehäuseabschnitt des Gehäuses 12 abstützt.
Die Druckkammer 44 befindet sich in der gezeigten Ausführungsform zwischen der Membran 28 und der Auslassöffnung 20, sodass die zweite Seite 42 der Membran 28 der Druckkammer 44 zugewandt ist und als Wirkfläche dient. Insofern ist in dieser Ausführungsform die zweite Seite 42 der Membran 28 der Druckkammer 44 zugewandt. Diese Seite könnte wahlweise auch als erste Seite angesehen werden, sodass die zweite Seite der Membran 28 der Federkammer 66 zugewandt ist.
Das Federelement 64 beaufschlagt die Membran 28 in die Schließstellung, wobei das Federelement 64 in der Federkammer 66 angeordnet ist, die zur Druckkammer 44 entgegengesetzt ist.
In dieser Ausführungsform erfolgt die Komprimierung des Federelements 64 entgegen dessen Federkraft durch Beaufschlagung mit Druckluft Sofern die pneumatische Aktoreinheit 14, insbesondere das Stellglied 58, angesteuert wird, um eine Strömungsverbindung zwischen dem Zuluftkanal 48 und der Druckkammer 44 herzustellen, wird die Membran 28 gegen die Federkraft des Federelements 64 in ihre Ausgangsstellung durch den Überdruck beaufschlagt, wodurch die Auslassöffnung 20 freigegeben wird, sodass der Klebstoff über den Medienkanal 18 und die Auslassöffnung 20 austreten kann. Hierbei wird die Membran 28 in die Federkammer 66 bewegt, weswegen die Federkammer 66 auch als die Bewegungsraumkammer 52 angesehen werden kann, in die die Membran 28 sich bei Betätigung der pneumatischen Aktoreinheit 14 bewegt. Die Membran 28 und das mit der Membran 28 gekoppelte Ventilelement 24 befinden sich dann in ihrer oberen Endlage. Insofern ist die Funktionsweise bei der in Figur 8 gezeigten Ausführungsform gegenüber den zuvor gezeigten Ausführungsformen umgekehrt, da die Druckluft verwendet wird, um das mit der Membran 28 gekoppelte Ventilelement 24 in seine Offenstellung zu beaufschlagen. Die Impulserzeugung wird über die Ansteuerung des Stellgliedes 58 durch eine Entlüftung der Druckkammer 44 hervorgerufen. Dabei entspannt sich das Federelement 64.
Im Allgemeinen weist die kreisförmige Membran 28, wie bereits erläutert, eine Strukturierung 34 in Form einer Wellengeometrie auf, die konzentrische Wellen im ringförmigen Strukturabschnitt 32 umfasst, der den mittig angeordneten Verstellabschnitt 30 radial umschließt.
Die Wellengeometrie kann konzentrische, halbrund ausgeprägte Wellen umfassen, wodurch eine annähernd lineare Kraft-Weg-Kennlinie der strukturierten Membran 28 möglich ist, bei der entsprechende Hübe ohne plastische Verformung erzeugt werden. Dies ist anschaulich in Figur 9 gezeigt, in der die Kraft-Weg- Kennlinien einer strukturierten Membran 28 und die einer glatten Membran in einem Diagramm aufgetragen sind.
Bei der strukturierten Membran 28 wird dagegen die plastische Verformung während des Pulsvorgangs durch die Prägung vermieden, wodurch sich die Langlebigkeit des Aktors 26 erhöht.
Des Weiteren ist über die durch die Umformung hervorgerufene radiale Spannung im Strukturabschnitt 32 der Membran 28 eine eindeutige Nulllage der Membran 28 sichergestellt, in die sich die Membran 28 zurückstellt, wenn die pneumatische Belastung durch die pneumatische Aktoreinheit 14 unterbrochen wird.
Wie bereits eingangs erläutert, weisen die Wellen der Strukturierung 34, also die Wellentäler 36 und die Wellenberge 38, eine vordefinierte Tiefe bzw. Höhe in Bezug auf die Mittelebene M auf. Mit steigender Tiefe der eingeprägten Wellentäler 36 bzw. steigender Höhe der Wellenberge 38 erhöht sich die Steifigkeit des Strukturabschnitts 32 der Membran 28, aber auch die mögliche Durchbiegung der Membran 28, da mehr Material für die Formänderung zur Verfügung steht. Insofern lässt sich über die Tiefe bzw. Höhe der Wellen der Strukturierung 34 das Hubverhalten der Membran 28 einstellen. In den gezeigten Ausführungsformen sind mehrere Wellen, also mehrere aufeinander folgende Wellentäler 36 und Wellenberge 38 vorgesehen, die generell eine verhältnismäßig geringe Tiefe bzw. Höhe in Bezug auf die Mittelebene M der Membran 28 aufweisen. Die einzelnen Wellen erlauben demnach, für sich einzeln betrachtet, nur eine geringe Durchbiegung der Membran 28 im Vergleich zu einem Wellental 36 mit großer Tiefe bzw. einem Wellenberg 38 mit großer Höhe. Ebenso stellen die einzelnen Wellen, für sich einzeln betrachtet, nur einen geringen Beitrag zur Steifigkeit der Membran 28 bereit.
Da jedoch mehrere Wellentäler 36 und Wellenberge 38 vorgesehen sind, ergibt sich in der Summe eine günstige Steifigkeit in Verbindung mit einer ausreichend hohen Durchbiegung der Membran 28, sodass sich ein ausreichender Mindesthub des mit der Membran 28 gekoppelten Ventilelements 24 erzielen lässt. Diese Ausgestaltung der Membran 28 erlaubt in der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung 10 beispielsweise einen Mindesthub größer 0,1 mm, bevorzugt größer als 0,3 mm.
Durch Anpassung der oben genannten Verhältnisse lassen sich auch andere Mindesthübe für das Ventilelement 24 in einfacher Weise einstellen.
Die Membran 28 weist insbesondere ein E-Modul von größer 50 GPa, bevorzugt 100 GPa und insbesondere bevorzugt größer 150 GPa auf, um die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich der Steifigkeit und der Durchbiegung sicherstellen zu können.
Um eine hohe Geschwindigkeit beim Verstellen des Ventilelements 24 zu erreichen, ist sowohl die geometrische Ausgestaltung als auch die Materialauswahl der Membran 28 von Bedeutung.
Sehr flexible Membrane 28 hätten zwar den Vorteil einer für die Impulserzeugung günstigen Kraft-Weg-Kennlinie, sie würden aber bei pneumatischer Beaufschlagung durch die pneumatische Aktoreinheit 14 zu einer Undefinierten Verformung der Membran 28 und in der Folge zu einem Undefiniertem Dosierprozess führen, was unerwünscht ist.
Zu starre Membrane 28 weisen dagegen eine zu hohe Federkonstante auf und würden sehr hohe Eingangsdrücke für eine entsprechende Verformung benötigen, weswegen sie ebenfalls ungeeignet sind.
Als Materialien für die Membran 28 sind metallische Werkstoffe bevorzugt, da sie den hohen Belastungen dauerhaft standhalten können, ohne sich plastisch zu verformen. Insofern wirkt sich eine metallische Membran 28 positiv auf die Langlebigkeit des Aktors 26 aus.
Insbesondere Edelstahl eignet sich durch seine Korrosionsbeständigkeit sehr gut für den Einsatz in der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung 10.
Andere Werkstoffe, die die geforderte Steifigkeit bei gleichzeitig ausreichender Langlebigkeit bieten, können ebenfalls für die Membran 28 vorgesehen werden.
Neben dem Material bzw. Werkstoff der Membran 28 hat auch die Membranstärke, also deren Dicke, einen starken Einfluss auf die Steifigkeit der Membran 28 und somit auf das Verhalten der Membran 28 während des Betriebs. Grundsätzlich gilt, je dünner das Material der Membran 28 gewählt wird, desto geringer ist die resultierende Steifigkeit der Membran 28. Umgekehrt je dicker das Material der Membran 28 ist, desto höher ist die Steifigkeit und damit auch die Federkonstante der Membran 28. Wie bereits erwähnt, kommt es bei der Herstellung der Membran 28 durch Prägung der Wellen, also der Wellentäler 36 und der Wellenberge 38, zu einer Vergrößerung der Materialoberfläche bei gleichzeitiger Dickenformänderung der Membran 28 im Strukturabschnitt 32.
Je tiefer das Wellental 36 bzw. je höher der Wellenberg 38 ist, desto stärker wird der Werkstoff in Richtung der Dicke der Membran 28 eingeschnürt. An der Stelle mit der geringsten Membranstärke kann die Membran 28 unter Umständen brechen. Um dies zu verhindern, muss eine minimale Materialstärke beim Prägen des Strukturabschnitt 32 bzw. der Strukturierung 34 berücksichtigt werden. Die maximale Membranstärke in Richtung der Membrandicke wird gleichzeitig durch die Größe des E-Moduls begrenzt, um die gewünschte Durchbiegung noch realisieren zu können, wie oben bereits beschrieben wurde.
Die Stärke bzw. Dicke der Membran 28 ist beispielsweise kleiner 500 μηι, bevorzugt kleiner 350 μηι, besonders bevorzugt kleiner 250 μηι, um die Größe des E-Moduls entsprechend zu begrenzen. Gleichzeitig wird die Stärke bzw. Dicke der Membran 28 größer 10 μηι, bevorzugt größer 25 μηι, besonders bevorzugt größer 50 μηι gewählt, um eine ausreichend hohe Materialstärke zu gewährleisten.
Generell werden die Parameter der strukturierten Membran 28, also die Strukturierung 34, das Material, die Stärke und der Durchmesser, so gewählt, dass die Membran 28 eine Federkonstante kleiner 100 N/mm, aber größer als 5 N/mm aufweist.
Grundsätzlich gilt, je geringer die Federkonstante der Membran 28 ist, umso höhere Beschleunigungen des Ventilelements 24 sind in Wirkrichtung erzielbar. Gleichzeitig verschlechtert sich jedoch die Entlüftungs- bzw. die Rückstellgeschwindigkeit der Membran 28 und damit auch die des mit der Membran 28 gekoppelten Ventilelements 24.
Je höher die Federkonstante der Membran 28 ist, desto stärker sinkt die Beschleunigung des Ventilelements 24 bei Betätigung des Aktors 26, gleichzeitig verbessert sich jedoch die Entlüftungsgeschwindigkeit durch das erhöhte Rückstellvermögen der Membran 28 und damit die des Ventilelements 24.
Der oben beschriebene Bereich der Federkonstante zwischen 5 N/mm und 100N/mm ermöglicht ein ausgewogenes Maß an Ventilelement- und Entlüftungsgeschwindigkeit und somit eine vorteilhafte Dosierfrequenz größer 100 Hz, bevorzugt größer 200 Hz für das Dosieren von flüssigen Medien.
Die Dosiervorrichtung 10 umfasst hierzu eine Steuer- und/oder Regelvorrichtung 68, die mit der pneumatischen Aktoreinheit 14 signalübertragend verbunden ist, wie schematisch in Figur 1 gezeigt ist. Die pneumatische Aktoreinheit 14 erhält somit von der Steuer- und/oder Regelvorrichtung 68 entsprechende Steuer- und/oder Regelbefehle, um einen Druck pneumatisch auf- bzw. abzubauen.
Die pneumatische Aktoreinheit 14 beaufschlagt aufgrund der erhaltenden Steuer- und/oder Regelbefehle die Membran 28 mit Druckluft, wodurch die pneumatische Aktoreinheit 14 die Membran 28 und damit auch das mit der Membran 28 gekoppelte Ventilelement 24 verstellt. Über das mit der Membran 28 gekoppelte Ventilelement 24 wird dann ein Impuls auf das zu dosierende Medium ausgeübt.
Das Ventilelement 24 erstreckt sich durch das Dichtelement 54, wobei sich das Ventilelement 24 entsprechend pulsierend bewegt, um Impulse mit der hohen Dosierfrequenz zu erzeugen, die dann auf das zu dosierende Medium übertragen werden. Insofern wird eine Impulsfolge auf das zu dosierende Medium ausgeübt, um Kleinstmengen des zu dosierenden Mediums dosieren zu können.
Mit der beschriebenen Ausgestaltung der Membran 28 sind Eingangsdrücke kleiner 25 bar, bevorzugt kleiner 15 bar, besonders bevorzugt kleiner 10 bar nötig, beispielsweise weniger als 8 bar. Insofern reichen kleine Eingangsdrücke aus, um das Dosieren mit der Dosiervorrichtung 10 zu ermöglichen.
Generell kann die Dosiervorrichtung 10 auf einer beweglichen Einheit gelagert sein, beispielsweise einer in drei Dimensionen beweglichen Einheit, sodass unterschiedliche Positionen auf einem Substrat angefahren werden können, auf das das Medium abgegeben wird. Diese bewegliche Einheit kann durch einen Fertigungsroboter oder eine computergesteuerte Maschine bereitgestellt werden. Alternativ kann die Dosiervorrichtung 10 auch ortsfest positioniert sein, wobei das Substrat relativ zu der Dosiervorrichtung 10 bewegt wird. Dazu kann das Substrat auf einem Tisch bewegt werden, insbesondere in einer Ebene.
Die Dosiervorrichtung 10 kann in verschiedensten Anwendungsfällen zum Einsatz kommen. Dazu zählt unter anderem das kontaktlose Dosieren von einem Einzeltropfen sowie mehreren aufeinander folgenden Einzeltropfen auf ein entsprechendes Substrat, wobei sich sowohl die Dosiervorrichtung 10 als auch das Substrat dabei in Bewegung befinden können. Durch Abstimmung von Dosierfrequenz und Verfahrgeschwindigkeit können Raupen in verschiedenen Volumina und/oder Geometrien erzeugt werden. Die Dosierung des Mediums kann sowohl in Form von Einzeltropfen als auch von Tropfenreihen durch Dosierparameter wie Mediendruck, Pulszeit und Pausenzeit variiert werden.
Mögliche Dosiermedien umfassen bspw. Klebstoffe, Dichtmittel, Beschichtungen, Vergussmaterialien, Schmierstoffe, Lösungsmittel und/oder Reiniger.
Durch die Option der kontaktlosen Dosierung können kleinste Tropfen in Zwischenräume, Spalte oder Hinterschnitte des Substrats dosiert werden.
Die Dosiervorrichtung 10 kann eine Klebstoff-Dosiervorrichtung sein, die zum Dosieren von Klebstoffen vorgesehen ist. Insofern kann die Dosiervorrichtung 10 als Klebstoff-Dosiervorrichtung verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Dosiervorrichtung (10) zum Dosieren von flüssigen Medien, insbesondere Klebstoffen, mit einem Ventilelement (24) und einem dem Ventilelement (24) zugeordneten Ventilsitz (22), wobei das Ventilelement (24) in einer Schließstellung der Dosiervorrichtung (10) eine dem Ventilsitz (22) zugeordnete Öffnung (20) versperrt, durch die das Dosiermedium in einer Offenstellung der Dosiervorrichtung (10) fließt, wobei die Dosiervorrichtung (10) eine als Aktor (26) dienende Membran (28) umfasst, die starrflexibel ausgebildet und mit dem Ventilelement (24) gekoppelt ist, um das Ventilelement (24) zu verstellen, wobei die Membran (28) zumindest teilweise eine Strukturierung (34) aufweist, und wobei die Dosiervorrichtung (10) eine pneumatische Aktoreinheit (14) umfasst, sodass die als Aktor (26) dienende Membran (28) pneumatisch betrieben ist, wobei die Membran (28) gegenüber dem zu dosierenden Medium abgedichtet ist.
2. Dosiervorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (28) eine erste Seite (40) und eine zweite, zur ersten Seite (40) entgegengesetzte Seite (42) aufweist, wobei die erste Seite (40) einer Druckkammer (44) zugeordnet ist und/oder wobei die zweite Seite (42) einer Bewegungsraumkammer (52) zugeordnet ist, insbesondere wobei die Membran gegenüber dem zu dosierenden Medium abgedichtet ist.
3. Dosiervorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die pneumatische Aktoreinheit (14) eingerichtet ist, die Membran (28) mit Druckluft zu beaufschlagen, sodass die pneumatische Aktoreinheit (14) einen Impuls auf das zu dosierende Medium ausübt.
4. Dosiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (28) im Bereich der Strukturierung (34) umgeformt ist, insbesondere geprägt ist.
5. Dosiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (44) und/oder die Bewegungsraumkammer (52) an einer der Membran (28) gegenüberliegende Seite eine Gegenstrukturierung (60) aufweist, die komplementär zur Strukturierung (34) der Membran (28) ausgebildet ist.
6. Dosiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (28) gewellt ist, wobei sich Wellenberge (38) und Wellentäler (36) jeweils abwechseln.
7. Dosiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (28) ein E-Modul von größer 50 GPa aufweist, bevorzugt größer 100 GPa und insbesondere bevorzugt größer 150 GPa, und/oder dass die Federkonstante der Membran (28) zwischen 5 N/mm und 100 N/mm liegt.
8. Dosiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (28) im Wesentlichen kreisförmig und/oder durchgehend geschlossen ausgebildet ist, insbesondere wobei die Membran (28) eine konzentrische Wellengeometrie aufweist.
9. Dosiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (28) einen zentral vorgesehenen Verstellabschnitt (30) und/oder einen Strukturabschnitt (32) aufweist, insbesondere wobei das Ventilelement (24) mit der Membran (28) im Bereich des Verstellabschnitts (30) gekoppelt ist.
10. Dosiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federelement (64) vorgesehen ist, über das die Membran (28) vorgespannt ist, insbesondere wobei das Federelement (64) die Membran (28) in die Offenstellung der Dosiervorrichtung (10) oder in die Schließstellung der Dosiervorrichtung (10) vorspannt.
1 1 . Verfahren zum Dosieren von flüssigen Medien, insbesondere von Klebstoffen, bei dem eine als Aktor (26) dienende Membran (28) einer Dosiervorrichtung (10) über eine pneumatisch betriebene Aktoreinheit (14) mit Druckluft beaufschlagt wird, sodass die Membran (28) und ein mit der Membran (28) gekoppeltes Ventilelement (24) pneumatisch verstellt werden, das einem Ventilsitz (22) der Dosiervorrichtung (10) zugeordnet ist, um eine dem Ventilsitz (22) zugeordnete Öffnung (20) freizugeben oder zu sperren, insbesondere wobei die Dosiervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist.
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