Klein, stark, wartungsfrei

Aus piezoelektrischen Materialien lassen sich 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 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 Lösung.

Die PI Ceramic, Lederhose, ein Unternehmen der in Karlsruhe ansässigen Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, bietet eine umfangreiche Produktpalette piezoelektrischer Komponenten in verschiedenen, auch kundenspezifischen Formen sowie Piezoaktoren mit und ohne Vorspannung in unterschiedlichen Größen, die sich bereits in zahlreichen Anwendungsbereichen bewährt haben, beipielsweise bei den häufig für Dosieraufgaben eingesetzten Mikro-Membranpumpen, die sich sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gase eignen: Mikro-Membranpumpen funktionieren ähnlich wie Kolbenpumpen, allerdings ist bei ihnen das zu fördernde Medium durch eine Membran vom Antrieb getrennt. 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 beispielsweise eine Flussrate bis circa 80 ml/min bei Schaltfrequenzen zwischen 25 und 120 Hz und einem potenziellen 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.

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 einfach sterilisieren, arbeiten kontaktlos und sind ohne Ventile in beide Richtungen zu betreiben. Die Pumprichtung wird durch die Ansteuerung der einzelnen Aktoren bestimmt.

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, 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 unter anderem 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, beispielsweise in einem Ventil für die Medikamentendosierung.

Ellen-Christine Reiff Fachjournalistin in Stutensee