Leistungsfähige Antriebselemente aus piezoelektrischen Materialien:
Die treibende Kraft für Mikrodosierpumpen
Kleinste Mengen bzw. Volumina im Bereich von Mikrolitern oder gar Nanolitern automatisch gezielt zu dosieren ist nicht trivial, zumal im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung in der Medizin- und Prozesstechnik die Anforderungen an die Komponenten ständig steigen. Das Mittel der Wahl sind Mikrodosierpumpen, oft auch Mikrodispenser genannt. Sie arbeiten als Verdrängerpumpen, das heißt, sie liefern unabhängig von den Druckverhältnissen am Ein- und Ausgang definierte Volumina pro Hub oder pro Zeit. Dadurch lässt sich sehr genau dosieren. Eine wichtige Voraussetzung dafür ist allerdings die Wahl des passenden Pumpenantriebs. Piezoelemente und Piezoaktoren sind hierfür ideal geeignet; sie erzeugen die benötigten Linearbewegungen sehr präzise und ohne Umweg und lassen sich obendrein perfekt an die jeweilige Applikationsumgebung anpassen.
Bereits Ende des 19. Jahrhunderts entdeckten Jacques und Pierre Curie, dass mechanischer Druck in Quarzkristallen elektrische Ladungen erzeugt. Sie nannten dieses Phänomen „Piezoeffekt“ nach dem griechischen Wort „Piezo“ für „Druck“ oder „Pressen“. Später stellten sie fest, dass elektrische Felder piezoelektrische Materialien verformen können (Bild 1). Man bezeichnet dies als den „inversen Piezoeffekt“. Während sich der direkte Piezoeffekt für Sensorikanwendungen nutzen lässt, bietet sich der inverse Piezoeffekt speziell für die Realisierung von Aktoren an.
Bild 1: Der inverse Piezoeffekt bietet sich für die Realisierung von Aktoren an. Die Piezokeramik dehnt sich beim Anlegen eines elektrischen Feldes aus und sorgen so für eine Aktorbewegung.
Kompakt, präzise und zuverlässig: vielseitige Kraftpakete Aus piezoelektrischen Materialien lassen sich dadurch leistungsfähige Antriebslösungen kreieren, die für den Einsatz in Mikrodosierpumpen die besten Voraussetzungen bieten: Sie erfüllen alle Anforderungen an die (hohen) Geschwindigkeiten und arbeiten mit kurzen Ansprechzeiten. Auf diese Weise sind hohe Pumpfrequenzen und Flussraten möglich. Durch die variablen Hübe lassen sich Dosiervorgänge präzise steuern; und auch die Lebensdauer piezoelektrischer Antriebslösungen überzeugt. Da sie sehr kompakt sind, also bei kleinem Bauraum hohe Effizienz bieten, können auch Antriebe für mobile Geräte oder die Lab-on-a-Chip-Technik realisiert werden. Im praktischen Einsatz kommen aber noch weitere positive Eigenschaften zum Tragen. Piezoaktoren sind wartungsfrei, weil sie keine im klassischen Sinn bewegten Teile haben. Da die Bewegung auf kristallinen Festkörpereffekten beruht, gibt es keine rotierenden oder reibenden Mechaniken. Sie benötigen nur wenig Energie und eignen sich dank ihrer Steifigkeit auch für Anwendungen mit hohem Gegendruck. Da sich sehr unterschiedliche Aufbauten realisieren lassen, findet sich praktisch für jede Aufgabenstellung eine maßgeschneiderte Lösung. Die Firma PI Ceramic, Lederhose, (vgl. Kastentext) bietet eine umfangreiche Produktpalette piezoelektrischer Komponenten in verschiedensten, auch kundenspezifischen Formen sowie Piezoaktoren mit und ohne Vorspannung in unterschiedlichen Größen (Bild 2), die sich bereits in zahlreichen Anwendungsbereichen bewährt haben, z.B. bei den häufig für Dosieraufgaben eingesetzten Mikro-Membranpumpen, die sich sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gase eignen:
Bild 2: Piezostapelaktoren in klassischer und Multilayer-Bauweise haben sich bereits in zahlreichen Anwendungsbereichen bewährt.
Für jedes Prinzip die passende Antriebslösung: für Mikro-Membranpumpen ... Mikro-Membranpumpen funktionieren ähnlich wie Kolbenpumpen, allerdings ist bei ihnen das zu fördernde Medium durch eine Membran vom Antrieb getrennt (Bild 3). Beeinträchtigungen der gepumpten Medien durch den Antrieb sind dadurch ausgeschlossen. Passive Ein- und Auslassventile steuern die Pumprichtung. Als Antriebssystem bieten sich bei den miniaturisierten Varianten dieses Pumpentyps hochdynamische Piezoelemente in Scheibenform an, die direkt auf einer Metallscheibe appliziert werden. Auch bei Gegendruck lassen sich so hohe Förderraten realisieren, indem die Schaltfrequenzen oder die Amplitude der Piezoauslenkung über eine entsprechende Regelung variiert werden. Typische Spezifikationen für solche Mikro-Membranpumpen sind beim Dosieren von Flüssigkeiten z.B. eine Flussrate bis ca. 80 ml/min bei Schaltfrequenzen zwischen 25 und 120 Hz und einem potentiellen Gegendruck von 200 bis 500 mbar. Bei der Dosierung von Gasen liegen die Werte bei 0,1 bis 250 ml/min, 100 bis 500 Hz und 100 mbar. Damit sind die Anwendungsmöglichkeiten breit gestreut. Sie reichen von Labor- und Medizintechnik über Chemie und Pharmazie bis hin zum Maschinenbau. Piezogetriebene Membranpumpen können hier beispielsweise die benötigten Schmier- und Kühlmittel sehr genau dosieren. Wegen ihrer kompakten Abmessungen können diese Dosiervorrichtungen dezentral angebracht werden. Durch die Steuerung direkt „vor Ort“ lässt sich so meist der Verbrauch senken.
Bild 3: Mikro-Membranpumpen funktionieren ähnlich wie Kolbenpumpen; allerdings ist bei ihnen das zu fördernde Medium durch eine Membran vom Antrieb getrennt. Passive Ein- und Auslassventile steuern die Pumprichtung. Als Antriebssystem bieten sich bei Mikro-Membranpumpen Piezoelemente in Scheibenform an, die direkt auf einer Metallscheibe appliziert werden: Der Platzbedarf dieser Antriebslösung ist äußerst gering.
... Schlauchpumpen ... Wenn Flüssigkeiten oder Gase nicht nur präzise, sondern gleichzeitig auch möglichst gleichmäßig und stoßfrei dosiert werden sollen, bieten sich häufig so genannte Schlauch- oder Peristaltikpumpen an. Bei ihnen wird das zu fördernde Medium durch äußere mechanische Verformung eines Schlauches durch diesen hindurchgedrückt. Schlauchpumpen lassen sich sehr einfach sterilisieren, arbeiten kontaktlos und sind ohne Ventile in beide Richtungen zu betreiben. Die Pumprichtung wird durch die Ansteuerung der einzelnen Aktoren bestimmt. Schlauchpumpen findet man der Labortechnik ebenso wie beim Dosieren von Industrieklebern oder Lötmitteln und auch die meisten Infusionspumpen arbeiten nach diesem Prinzip. Bild 4 zeigt eine Schlauchpumpe mit applizierten Piezoelementen. Als Antriebselement sind hier je nach Anforderungen an Kraft und Bauraum flache Piezobiegeelemente, kompakte Piezochipaktoren oder Piezostapelaktoren eingesetzt. Biegewandler eignen sich dabei hauptsächlich für Anwendungen mit niedrigem Gegendruck, für Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität und überzeugen durch den geringen Bauraum, den sie beanspruchen. Dadurch lassen sie sich sehr gut in den Pumpen integrieren. Höhere Gegendruckfähigkeit bieten die Piezoaktoren. Dadurch können auch Stoffe höherer Viskosität verarbeitet werden; der Platzbedarf des Antriebs ist hier jedoch größer.
Bild 4: Funktionsprinzip einer Schlauchpumpe
… Mikrodosierventile Mikrodosierventile lassen sich oft nicht klar von Mikropumpen abgrenzen, da bei Pumpen häufig die Ansprechmechanismen mit passiven Rückschlagventilen kombiniert werden und sowohl Pumpe als auch Ventil an der Dosierung beteiligt sind. Dabei funktionieren Ventilanwendungen ähnlich wie Pumpen (Bild 5), die erforderlichen Kräfte sind allerdings höher. Die hier üblichen Dosierfrequenzen im Kilohertzbereich sind praktisch nur mit Piezoaktorik realisierbar. Mikrodosierventile erreichen Flussraten bis zu einigen 10 Litern pro Minute bei hochgenauen Einzel- und Mengendosierungen im Mikro- und Nanoliterbereich. Dabei kommen natürlich auch die geringen Schaltzeiten der Piezoaktorik zum Tragen, die im Milli- bis Mikrosekundenbereich liegen. Je nach Baugröße arbeiten in den Mikrodosierventilen unterschiedliche Piezokomponenten. So werden kleine Piezoröhrchen für Drop-on-Demand-Verfahren wie in Tintenstrahldruckern eingesetzt. Miniaturisierte Ventile für Dosieraufgaben im Nanoliter-Bereich werden z.B. mit Piezoscheiben realisiert, die man auch bei Lab-on-a-Chip-Anwendungen verwendet. Bei Ventilen, bei denen der Bauraum nebensächlich ist, kann man mit Piezoaktoren arbeiten, die größere Kräfte erzeugen, oder mit hebelübersetzten Piezoantrieben. Sie eignen sich für längere Stellwege und damit auch für Applikationen, bei denen – abhängig von den Materialeigenschaften – bestimmte Tropfengrößen erreicht werden müssen. Bild 6 zeigt einen solchen Aufbau am Beispiel eines Ventils für die Medikamentendosierung. Ähnliche Anwendungen finden sich auch im industriellen Bereich bei der Feindosierung von Lötmitteln, Ölen, Fetten, Klebstoffen etc. Dabei eignen sich Mikroventile sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten. Piezoelektrische Antriebslösungen können also bei einer Vielzahl unterschiedlicher Dosiersysteme eingesetzt werden. Auch die entsprechenden Ansteuer-Elektroniken lassen sich perfekt auf die jeweilige Applikation anpassen und bieten die erforderliche Dynamik für die geringen Schaltzeiten. Die in Karlsruhe ansässige Firma Physik Instrumente (PI), die Muttergesellschaft der Piezokeramik-Spezialisten in Lederhose, hat für nahezu jede Aufgabenstellung die passende Lösung parat.
Bild 5: Ventilanwendungen funktionieren ähnlich wie Pumpen, die erforderlichen Kräfte sind allerdings höher.
