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Miniaturisiertes Dosiersystem zur geregelten Dosierung von Tinte in einem Schreibgerät
(2008) Waibel, Günther; Sandmaier, Hermann (Prof. Dr.-Ing.)
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein miniaturisiertes Dosiersystem zur geregelten Dosierung von Tinte in einem Schreibgerät entwickelt, hergestellt und charakterisiert. Die Problematik bei Schreibgeräten mit flüssiger Tinte ist die Druckabhängigkeit des Fluidführungssystems mit der Folge, dass Tinte unter ungünstigen Bedingungen aus dem Schreibgerät entweichen kann. Die Ursache liegt im Verhalten kompressibler Medien in Behältern mit konstantem Volumen. Nach dem idealen Gasgesetz dehnt sich Gas proportional zum Druckanstieg aus. Ein Effekt, der beispielsweise bei Druckabsenkungen in Flugzeugkabinen auftritt. Eingeschlossenes Gasvolumen im teilweise befüllten Flüssigkeitsbehälter verdrängt dabei Tinte aus dem Schreibgerät, das Schreibgerät läuft unkontrolliert aus. Ein weiterer Nachteil sind Schwankungen des Behälterinnendrucks während der Flüssigkeitsentnahme, verursacht durch einströmende Luftblasen beim Druckausgleich. Der Behälterinnendruck hat direkten Einfluss auf das Durchflussverhalten des Gesamtsystems. Mit dem neu entwickelten Mikrodosiersystem konnten diese Probleme behoben werden. In der Konzeptphase wurden zunächst verschiedene Systemkonzepte beleuchtet. Die Hauptunterschiede lagen in der Art des Flüssigkeitsbehälters und dessen Belüftungssystem. Mit Hilfe einer Nutzwertanalyse wurde zunächst ein geeignetes Systemkonzept ausgewählt. Basierend auf der Vorgabe einer wechselbaren Standardtintenpatrone wurde ein Regelungskonzept entwickelt, das in der Lage ist, Tinte im Bedarfsfall von einigen 100 µl/min zu dosieren. Das Regelsystem besteht aus einem piezogetriebenen Mikroventil, einem Fluidsensor sowie aus einer Regelungselektronik. Im inaktiven Zustand ist das Mikrodosiersystem durch ein so genanntes "normally-closed" Ventil absolut dicht. Im Fokus der Entwicklung standen eine konsequente Miniaturisierung der fluidischen Teilkomponenten und deren Integration in ein autarkes Gesamtsystem. Besondere Anforderungen stellte dabei ein piezogetriebenes Mikroventil insbesondere an die AVT. Geringe Stellwege von einigen 10 Mikrometern galt es möglichst effizient für die Ventilfunktion zu nutzen, des Weiteren sollten äußere Krafteinwirkungen die Funktionssicherheit des Ventils nicht beeinträchtigen. Die Auslegung des Fluidführungssystems erfolgte durch Anwendung fluiddynamischer Grundlagen unter Berücksichtigung der in der Mikrofluidik dominanten Oberflächenkräfte. Weitere Schwerpunkte lagen in der Entwicklung eines partikel- und luftblasentoleranten Fluidführungssystems. Beim Funktionsmusterbau kamen Technologien der Mikrosystemtechnik wie beispielsweise kapillares Kleben zum Einsatz. Die Vielzahl eingesetzter Materialien erforderte spezielle Aufbau- und Verbindungstechniken. So wurden beispielsweise Gehäuseteile und fluidische Komponenten wie Ventilträger, Belüftungs- oder Fluidführungssystem in Kunststoffspritzguss hergestellt, während der Fluidsensor aus Glas und der Ventilaktor aus einer Piezokeramik bestehen. Eine weitere Schwierigkeit bestand in der hermetische Abdichtung der Elektronikbauteile zum Schutz vor Feuchtigkeit. Zur Reduzierung mechanischer Spannungen bei sensiblen Bauteilen wie beispielsweise das Mikroventil wurden Versteifungsmaßnahmen entwickelt, so dass ein reproduzierbarer und langzeitstabiler Ventilbetrieb realisiert werden konnte. Im Zuge der Umsetzung des Fluidführungssystems wurde mit dem so genannten Chic-Prinzip (Chic = Channel-in-channel) eine luftblasentolerante Fluidkanalgeometrie gefunden, anhand derer unter Nutzung von Kapillarkräften ein fluidisches Verstopfen von Mikrokanälen verhindert werden konnte. Die Charakteristik des gesamten Mikrodosiersystems wird maßgeblich durch das fluidische Verhalten des Mikroventils bestimmt. Denn je nach Auslegung der Ventilgeometrie konnte hier ein fluidischer Engpass entstehen, der den Systemdurchfluss teilweise behindern oder gar vollständig zum Erliegen bringen kann. Wichtige Kenngrößen zur Ermittlung der Ventilcharakteristik sind Durchfluss und Leckrate. Anhand von Durchflussmessungen konnte gezeigt werden, dass bei geeigneter Ventilgeometrie Durchflüsse von über 300 µl/min bei gleichzeitig sehr geringen Leckraten von max. 3nl/min möglich sind. Damit wurde mit einem Verhältnis von rund 100.000 die geforderten Spezifikationen von 100 µl/min Durchfluss bei max. 5nl/min Leckrate um den Faktor 5 übertroffen. Ebenso konnte durch das neu entwickelte Chic-Prinzip eine verbesserte Luftblasentoleranz des Fluidführungssystems nachgewiesen werden. Auch die geforderte Druckwechselfestigkeit von 270mbar wurde mit 400mbar um über 50% übertroffen. Die Schwierigkeiten bei der Integration der Teilsysteme lagen in der Vielzahl der Schnittstellen zwischen den fluidischen Teilkomponenten. Eine der wichtigsten Erkenntnisse dieser Arbeit ist, dass die Teilkomponenten eines komplexen Mikrosystems aufgrund dieser Schnittstellenproblematik nicht seriell entwickelt und anschließend 1:1 in ein Gesamtsystem übertragen werden können. Es ist vielmehr eine Betrachtung des Gesamtsystems von Anfang an erforderlich.