Scherarmes Dosieren von dichtereduzierten Klebstoffen
Die Entwicklung und Fertigung von Leichtbaustrukturen erfordert konsequenterweise zum Fügen von Leichtbauwerkstoffen auch den Einsatz von leichten Kleb- und Dichtstoffen. Für die Verklebung sowie zur Abdichtung und zum Ausgleich von Fugen kommen zunehmend Kleb- und Dichtstoffe zum Einsatz, welche eine sehr niedrige Dichte aufweisen. Für die Dosierung dieser anspruchsvollen Medien kommt der speziellen Verwendung geeigneter Dosiersysteme eine große Bedeutung zu.
Scherarmes Dosieren von dichtereduzierten Klebstoffen (Foto: ViscoTec)
Um sehr niedrige Dichten in Werkstoffen zu erreichen, werden unterschiedlichste Mikrokapseln bei der Herstellung der Systeme eingemischt. Als Ergebnis daraus stehen heute Klebstoffsysteme auf dem Markt zur Verfügung, welche als System spezifische Dichten von bis zu 0,5 g/cm³ aufweisen.
Diese Kapseln in den Klebstoffen sind sehr schersensitiv und dürfen teilweise nur sehr geringen Drücken von kleiner 10 bar ausgesetzt werden. Aufgrund der Empfindlichkeit und der teilweise sehr hohen Reaktionsfähigkeit der mit Füllstoffen formulierten Klebstoff-und Dichtstoffe werden diese größtenteils gekühlt gelagert und müssen bei Verarbeitungstemperatur (meist 20-25°C) verarbeitet werden. Rückstände und Ablagerung von Klebstoffresten im Dosiersystem können beim plötzlichem Lösen und Mitreissen dieser Partikel beim Applizieren auf die Fügeflächen zum Totalausfall der Klebung führen. Die Fügeverbindung kann nicht mit dem erforderlichen Klebespalt eingestellt werden.
Werden diese Besonderheiten beim Applizieren von Klebstoffen nicht beachtet, kommt es zur Zerstörung der Kapseln und damit zum Dichteanstieg der Klebstoffe, was insgesamt wieder zu höheren Gewichten der Gesamtstrukturen führt.
Diese speziell formulierten Kleb- und Dichtstoffe werden je nach Reaktionsmechanismus sowohl als einkomponentige als auch als zweikomponentige Klebstoffsysteme von Materialherstellern mit speziellen Rezepturen formuliert und heute sowohl manuell als auch mit maschinellen Dosieranlagen appliziert.
Verarbeitung
Die Herausforderung, die sich bei der Verarbeitung von mikroverkapselten Kleb-und Dichtstoffen ergibt, liegt auf der Hand. Die Entnahme der Stoffe aus den Liefergebinden sowie die anschließende Förderung durch die Dosieranlage und das Applizieren der Kleb-und Dichtstoffe auf die Fügeteile müssen so gut wie ohne Scherkräfte und mit niedrigsten Systemdrücken arbeiten. Ziel ist es, die Mikrokapseln nicht zu zerstören. Zur Förderung und Dosierung sind daher Dosiersysteme gefragt, welche kontinuierlich und ohne partiell hohe Strömungsgeschwindigkeiten auskommen. Weiterhin sind die Dosiersysteme nach dem Prinzip first in - first out zu konzipieren. Toträume im System führen zur Ablagerung von nicht mehr reaktionsfähigen Partikeln.
Dosiersysteme mit Einsatz von Ventiltechnik haben konstruktiv bedingt an den Ventilsitzen enge Querschnitte bzw. benötigen Dichtflächen, die beim Schließen der Ventile zur Zerstörung der Kapseln führen können. Beim Öffnen und Schließen von Ventilen entstehen unterschiedlich Querschnitte, was zur partiellen Veränderung der Strömungsgeschwindigkeiten im Klebstoffsystem führt. Ergebnisse können die Zerstörung oder auch eine eventuelle Agglomeration der Füllstoffe sein.
Kolbenpumpen führen aufgrund ihres konstruktiven Designs (Umkehrpunkt der Kolben) zur unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten im Klebstoffsystem und damit auch zur Pulsation beim Fördern. Ausgeglichen wird diese Pulsation durch Einsatz von Pulsationsdämpfer, die konstruktionsbedingt wiederum teils enge Querschnitte aufweisen.
Lange Dosierleitungen nach der Dosierpumpe führen zu einem hohen Druckniveau im System.
Die ViscoTec-Dispensertechnologie nach dem Endloskolbenprinzip Die Auswahl entsprechend der Anforderungen muss auf ein scherarmes, hochgenaues und zugleich produktschonendes Dosiersystem fallen. Aufgrund der genannten Anforderungen hat sich die ViscoTec Dosiertechnik nach dem Endloskolbenprinzip als ideale Technologie zur Entnahme, Bereitstellung und Dosierung von mikroverkapselten Fluiden bewährt. Die volumetrisch arbeitenden Dosierpumpen kommen ohne Ventile aus. Eine ständig geschlossene Dichtlinie im eigentlichen Fördersystem schafft die Basis dafür.
Die besondere Dosiergeometrie garantiert einen pulsationsfreien Förderstrom. Durch das Zusammenspiel zwischen Rotor und Stator entstehen abgeschlossene Kammern mit identischem Volumen, das sich auch während des Dosierprozesses nicht verändert. Dadurch ist es möglich, mit Füllstoffen formulierte Medien sehr scherarm und mit sehr geringer Reibung zu dosieren, ohne die Füllstoffe selbst zu zerstören.
Das Medium wird hierbei von der Saug- zur Druckseite der Pumpe gefördert. Eine Dosiergeometrie, ohne Hinterschneidungen und totraumfreiem Konstruktionsdesign, sorgt für einen konstanten Volumenstrom nach dem First-In/ First-Out-Prinzip. Aufgrund der kleinen Bauweise werden die Dispenser direkt an der Applikationsstelle angeordnet und benötigen nach der Dosierpumpe nur noch die eigentliche Dosierkanüle. Die Systeme können damit im Niederdruckbereich betrieben werden und unterbinden durch den kontinuierlichen Förderstrom Druckschwankungen im System. Das Dosiervolumen je Umdrehung wird durch das Kammervolumen definiert. Eine Veränderung der Drehgeschwindigkeit vom Rotor bewirkt eine unmittelbare Veränderung der Dosierleistung. Damit ist die Drehzahl des Antriebes die alleinige Stellgröße.
Mit Auswahl der geeigneten Pumpengröße und Fördergeometrien ist es möglich, die Rotordrehzahl in einem optimalen Bereich zu betreiben und die Reibungs- und Scherkräfte im Klebstoffsystem auf ein Minimum zu begrenzen.
Zwischen Rotor und Stator bildet das Pumpensystem eine Dichtlinie. Deshalb benötigt das System keine zusätzlichen Ventile, um beim Dosierstopp ein Nachtropfen oder Auslaufen des Mediums zu verhindern.
Aufgrund der Werkstoffpaarung (Rotor hart - Stator weich) werden die Füllstoffe beim "Überrollen" nicht gebrochen oder zerstört. Vergleichbar ist dieser Effekt mit einem Autoreifen, der auf einer Schotterpiste (gravel road) rollt. Stahlräder würden sehr schnell verschleißen oder ausfallen. Daher können die Dispenser auch Kleb- und Dichtstoffe mit abrasiven Füllstoffen verarbeiten.
Statormaterialien mit unterschiedlichen Elastomerqualitäten schaffen die notwendige chemische Beständigkeit gegenüber den eingesetzten Chemikalien und Additiven in den Kleb- und Dichtstoffen.
Produktzuführung und Dosierung Für die Materialentnahme aus dem Liefergebinde als auch für die präzise Dosierung beim Applizieren findet das Endloskolbenprinzip seine Anwendung. Die einzelnen Dosierkomponenten können für jede Anwendung spezifisch zusammengestellt werden. So lässt sich das Dosiersystem für fast jeden Anwendungsfall individuell konfigurieren.
1-Komponenten Dosierung
Die Entnahme der Klebstoffe aus dem Liefergebinde erfolgt meist mit Gebindeentleersystemen auf Basis von Folgeplatte und Entnahmepumpe. Das Medium wird über entsprechend dimensionierte Förderleitungen dem Dispenser zugeführt.
Der Dispenser sitzt direkt auf dem Bauteil und appliziert die Kleb- und Dichtstoffe nur über die Dosierkanüle direkt auf das Bauteil. Eine Änderung der gewünschten Dosierleistung wird durch Drehzahländerung des Rotors erwirkt. Das Medium aus dem Liefergebinde muss also nur mit einem Mindestdruck zur gleichmäßigen Füllung des Dispensers am Eingangsstutzen anstehen.
2-Komponenten Dosierung
Bei einem 2K-Dosiersystem werden die einzelnen Komponenten wie bei einem 1K System behandelt. Die Zuführung zum Dispenser der jeweiligen Komponente erfolgt analog.
Erst nach dem Dosierdispenser werden die einzelnen Komponenten über ein statisches Mischrohr geführt und vermischt. Im Mischrohr beginnt die chemische Reaktion. Die Dispenser mit Mischrohr bilden eine konstruktive Baugruppe und applizieren den gemischten Klebstoff im richtigen Volumenverhältnis auch unmittelbar und direkt auf das Bauteil.
Durchgesetzt - bei der Konfiguration von 2-Komponenten-Dosiersystemen - hat sich die V-förmige Anordnung zweier Dosierpumpen (ViscoDuo-V) mit Integration eines Mischblocks und des statischen Mischrohres. In diesem totraumfreien Mischkopf werden A- und B-Komponente durch zwei getrennt voneinander verlaufenden Kanälen dem statischen Mischer zugeführt. Die direkte Zusammenführung der Dosierpumpen am Mischkopf und die Einhaltung kurzer Dosierstrecken nach den Pumpenausgängen eliminieren unkontrollierbare Druckprofile, die auf langen Förderstrecken entstehen könnten. Auch bei der Konfiguration für 2K-Dosieranlagen können die Dispenser abhängig von Mischungsverhältnis und erforderlicher Dosiermenge über die geeignete Auswahl der Pumpengrößen pro Kanal in einem optimalen Drehzahlbereich betrieben werden.
Durch zusätzliche, frontbündig verbaute Drucksensoren für jede Komponente wird der anstehende Dosierdruck in Echtzeit überwacht. Übersteigt der Dosierdruck eine eingestellte Druckgrenze kann der Förderstrom reduziert oder unterbrochen und damit eine Beschädigung der empfindlichen Füllstoffe verhindert werden.
