Mikropumpen helfen wesentlich bei der Optimierung von Prozessen

Bei der Weiter- oder Neuentwicklung von Maschinen stehen verschiedene Motive im Hintergrund: Zum einen sollen Innovationen den Energieverbrauch und Wartungsaufwand senken sowie gleichzeitig die Umweltverträglichkeit steigern. Zum anderen soll jede neue Maschinengeneration alle Prozesse in optimierter Weise durchführen und dabei aus Gründen der Effizienz, Sicherheit und Qualitätssicherung weitgehend selbstüberwachend arbeiten.

Konzipiert vor dem Hintergrund all dieser Anforderungen, muss eine Maschine heute als hochintegriertes System mit zahlreichen, komplex kombinierten Komponenten verstanden werden.

Die Mikrosystemtechnik (MST) entwickelt als Zulieferer für die Industrie zahlreiche Elemente, die diesem aspektreichen Anforderungsprofil der Maschinen- und Anlagenbauer gerecht werden. Denn in den vergangenen Jahren hat sich die MST ausgehend vom früheren Schwerpunkt der Mikroelektronik und -sensorik aus verbreitert und miniaturisierte Komponenten auch anderer Funktionalitätsbereiche entwickelt.

Das Beispiel der Mikrofluidik, oder spezieller, der Mikropumpe, zeigt auf, welches Potenzial für den Maschinenbau hier oftmals noch ungenutzt ist.

Mikropumpen sind für viele Produktionsprozesse wichtig

Mikropumpen erfüllen mit dem Transport kleiner Mengen an Flüssigkeiten oder Gasen eine grundlegende Funktion, die in zahlreichen Zusammenhängen industrieller Abläufe relevant ist. Die Schmierstoffförderung ist zum Beispiel eine nahe liegende Anwendung, ein anderes Einsatzfeld ist beispielsweise die Zirkulation beziehungsweise Abgabe von Kühlmitteln.

Aus diesem Grund sind Mikropumpen, wie sie Bartels Mikrotechnik im Geschäftsbereich Bartels Micro Components anbietet, streng auf vielseitige Einsetzbarkeit hin ausgelegt. So kommt in der jüngsten Generation der robusten Piezomembranpumpen aus Kunststoff nur PPSU als inertes Material in Kontakt mit dem gepumpten Medium.

Chemische Unverträglichkeiten werden somit so weit wie möglich ausgeschlossen, die Medienbeständigkeit ist hoch. Eine ebenfalls hohe Partikel- und Blasentoleranz, die auch die Förderung von Gas-Flüssigkeitsgemischen ermöglicht, trägt weiter zum zuverlässigen Einsatz der Komponente bei.

Um die konkreten Vorteile zu verdeutlichen, die Maschinenbauer durch die Integration von Mikropumpen realisieren können, wird hier das Beispiel der Schmierstoffzufuhr beleuchtet.

Automatische Schmierung erhöht die Lebensdauer

Die automatisierte Schmierung komplexer Maschinen und Anlagen hat sich gegenüber der manuellen Nachschmierung beziehungsweise der Lebensdauerschmierung mit Fett als material- und arbeitssparende sowie die Lebensdauer verlängernde Alternative weitgehend durchgesetzt. Insbesondere bei diskontinuierlich betriebenen gelagerten Teilen wie Linearantrieben muss meist eine fortlaufende Ölschmierung vorgesehen werden.

Die Mehrzahl der eingesetzten automatischen Schmiersysteme verwendet zentrale Reservoire, von denen aus der Schmierstoff über ein teilweise komplexes Leitungsnetz zu mehreren Auslassstellen verteilt wird. Ventile stellen dort den Fluss des Mediums ein.

Diese Systeme benötigen eine große, leistungsstarke Pumpe, vor allem, wenn Höhenunterschiede überbrückt werden müssen. Die Leitungen selbst müssen überwacht und gewartet werden und schaffen in vielen Fällen auch Platzprobleme. An schwer zugänglichen Stellen, etwa in Linearantrieben, können sie und die Auslassmodule oft nur schwer oder gar nicht angebracht werden.

Dezentrales Schmiersystem mit Mikropumpen bietet Vorteile

Ein dezentrales Schmiersystem mit Mikropumpen umgeht diese Probleme. Pro Auslassstelle wird eine Mikropumpe mitsamt eigenem Reservoir integriert. Anders als bei existierenden, schwerkraftbasierten Systemen ist die relative Lage der Kombination aus Pumpe und Reservoir zur zu schmierenden Stelle dabei beliebig. Somit kann die Einheit dort montiert werden, wo die maximale Integration in eine Maschine bei größtmöglicher Zugänglichkeit erreicht werden kann.

Die Mikropumpen selbst benötigen kaum Raum. Die mp6 von Bartels hat Abmessungen von nur 30 mm × 15 mm × 3,5 mm. Ihren Energiebedarf können die Geräte, die schon mit einer Betriebsspannung von 3V arbeiten, in vielen Fällen aus bestehenden Speisungen decken. Ohne zusätzliche Verkabelung können sie auch aus Batterien betrieben werden, da die Leistungsaufnahme unterhalb von 100 mW liegt. Für die Auslegung der Fördereinheit ist vor allem der Schmierstoffbedarf zu berücksichtigen, weil das Ölvolumen treibender Faktor für die Baugröße des Reservoirs und damit auch der Betriebsdauer der Einheit ist.

Schmierstoffbedarf bestimmt Betriebsdauer der Mikropumpe

Je nach Anwendungsfall kann die Einheit entweder direkt an den beweglichen Teilen montiert werden oder an einem unbeweglichen Element in Kombination mit einer beweglichen Ölleitung. Ein Einsatzbeispiel ist eine Einheit, die unter Verwendung eines Reservoirs mit einem Ölvolumen von 29 cm3 direkt an einer Linearführung angebracht werden kann. Nimmt man die für kleinere Lineareinheiten übliche Nachschmiermenge von etwa 0,5 cm3 an, wird klar, dass das Reservoir über die Betriebsdauer entscheidet. Weil allerdings mit jedem Nachschmiervorgang unter normalen Lastbedingungen einige tausend Kilometer Laufleistung erreicht werden, ist auch mit begrenzten Ölvolumina eine starke Verlängerung der Wartungsintervalle realisierbar.

Die Wartung des Schmiersystems kann beim Einsatz von robusten Kunststoff-Mikropumpen auf das turnusmäßige Ersetzen der Pumpen mitsamt der angeschlossenen Reservoire reduziert werden. Kostengünstig im Spritzgussverfahren hergestellt und automatisch assembliert, kann die Pumpe so als Einwegartikel genutzt werden. Gegenüber der Anschaffung einer teuren Großpumpe mit hohem Wartungs- und Energiebedarf entstehen also weitere, klare Vorteile.

Mikropumpen auch zur Anlagen- und Prozesüberwachung

Folgt man über das Beispiel der Schmierstoffdosierung hinaus dem Gedanken der Anlagen- und Prozessüberwachung, so findet sich hier ein weiteres Einsatzgebiet für die kleinen Pumpen.

Flüssigkeiten oder Gase, durch deren Analyse der Prozessfortgang überwacht werden soll, entstehen oder agieren oft unter Bedingungen, die für Sensoren problematisch sind. Bei thermischen Prozessen zum Beispiel sind Fehlabläufe oft durch das Entstehen von Kohlenmonoxid oder anderen organischen Gasen gekennzeichnet. Die entsprechenden Sensoren aber können unter den hohen Umgebungstemperaturen am Entstehungsort der indikativen Gase oftmals nicht zuverlässig arbeiten.

Die Lösung liegt in der Auslagerung der Sensorik. Robuste Mikropumpen können kleine Gasmengen absaugen und über eine Kühlstrecke zu einem dezentral gelagerten Sensor weitertransportieren. Die kleine Menge Gas lässt sich schnell effektiv abkühlen, um den Sensor zu schonen und zuverlässig arbeiten zu lassen. Dieser wird kontinuierlich mit Gas aktiv angeströmt, so dass Messergebnisse unter konstanten Bedingungen erzielt werden. Auch andere für Messgeräte problematische Umstände, etwa starke Erschütterungen oder ungleichmäßige Strömungsverhältnisse am Ort der Gasentstehung, können so gehandhabt werden.

Im Sinne der maximalen Integration können Mikropumpe, Sensor sowie die dazwischen liegende Kühl- beziehungsweise Leitungsstrecke als ein zusammengefasstes, Platz sparendes Modul konzipiert werden. Das spart auch bei Bezug und Wartung die Beschäftigung mit einer Vielzahl von Einzelteilen.

Auslagerung der Sensorik steigert die Zuverlässigkeit

Diese beiden Beispiele veranschaulichen nur einen kleinen Ausschnitt aus den zahlreichen Einsatzmöglichkeiten von Mikropumpen. Ihre grundsätzliche Vielseitigkeit verdankt die mp6 ihrem einfachen Design, das sie – in optimierter Form – von der Vorgängerserie mp5 geerbt hat.

Kern der Pumpen sind Piezoaktoren, deren Verformung beim Variieren der angelegten Spannung eine Membran auf und ab bewegt. Unter der Membran befindet sich die Pumpkammer, aus der Flüssigkeiten oder Gase beim Senken der Membran herausgedrückt werden und die sich beim Hub der Membran erneut füllt. Passive Ventile an beiden Seiten der Pumpkammer geben die Flussrichtung vor. Die zwei Aktoren werden phasenverschoben angesteuert, wodurch sich der Druck der Pumpe verdoppelt.

Mikropumpe bewältigt Gegendruck von bis zu 500 bar

Bei der Förderung von Wasser etwa bewältigt sie einen Gegendruck von bis zu 500 mbar. Die maximale Förderrate liegt bei 5 ml/min. Sollten die Parameter der Mikropumpe die Anforderungen einer Anwendung nicht erfüllen können, etwa weil ein extremer Gegendruck zu bewältigen ist, bietet Bartels auch die Entwicklung kundenspezifischer Mikropumpen an.

Nachdem sich die Sensorik heutzutage einen festen Platz im Anlagenbau gesichert hat, liegt in der MST ein ähnliches Maß an ungenutztem Potenzial, aus dem sich für Pioniere schnell ein Wettbewerbsvorteil generieren lässt. Der Einsatz von Mikropumpen ist ein Beispiel dafür.

Dipl.-Ing. Severin Dahms ist Produktmanager Micro Components bei der Bartels Mikrotechnik GmbH in 44227 Dortmund.