Kältegel soll in einer vertikalen Schlauchbeutelanlage abgefüllt werden. Hört sich einfach an, bei der Wahl der richtigen Dosierpumpe ist allerdings einiges zu beachten: Das Gel ist zum einen sehr sensibel gegenüber Scherbelastung. Phasenwechselmaterialien (PCM) gehören zum anderen zu den abrasiven Medien aufgrund der enthaltenen salzhaltigen Kristalle. Eine hohe Anforderung stellt aber auch die große Spanne der Füllgewichte (von 30 ml bis
1.000 ml) dar. PCM wird nämlich nicht nur für Kühlpacks, sondern auch zur Energiespeicherung in Gebäuden, Temperaturregelung in Kleidungsstücken und Temperaturstabilisierung von elektronischen Bauteilen angewandt. Welche Pumpe ist nun die
richtige?
In der Industrie wird im Wesentlichen zwischen drei verschiedenen Dosieranwendungen unterschieden: Dem Verguss mit gefüllten Silikonen oder Polymeren, der Applikation von Pasten mit sehr hohem Füllstoffanteil und dem Fügen von Bauteilen mittels Klebstoffen. Eine große Anzahl der dort eingesetzten Fluide besitzt Füllstoffe, die die spezifischen Eigenschaften des Mediums beeinflussen. So können diese Füllstoffe auf Wärmeleitfähigkeit, Oberflächenhärte, elektrische Isolation, UV-Beständigkeit, Härtungs- bzw. Gelierzeit oder Thixotropie wirken. Aufgrund ihrer Abrasivität stellen diese Füllstoffe hohe Anforderungen an die Dosierkomponenten im Hinblick auf den Verschleiß.
Am Markt haben sich vier verschiedene Pumpentypen etabliert: Schlauch-, Kolben-, Zahnrad- und Exzenterschneckenpumpe. Alle aufgeführten Pumpen arbeiten nach dem Verdränger-Prinzip – kontinuierlich oder diskontinuierlich. Welche Pumpe für eine Dosieranwendung ausgewählt wird, hängt unter anderem von der Viskosität, der chemischen Beständigkeit und der Abrasivität des Fluides ab, aber auch von der zu applizierenden Menge pro Zeiteinheit und der geforderten Genauigkeit der Dosierung.
Tribologie von Elastomeren und Kunststoffen
Wie sich die Fördermedien auf Verschleiß und Reibung auswirken, wird anhand der Tribologie vereinfacht dargestellt. Das „Tribosystem“ von Elastomeren und Kunststoffen wird durch die Kombination des Zusammenwirkens von Oberflächen in relativer Bewegung und der Umgebung beschrieben. Dieses Zusammenwirken beinhaltet mechanische, physikalische, chemische, thermochemische, und tribochemische
Reaktionen.
Bei den oben genannten Pumpen und Dosiersystemen können prinzipiell drei Arten von Verschleiß auftreten. Der abrasive Verschleiß ist die wichtigste Form unter den Verschleißarten und der Hauptfaktor für die Standzeit von Elastomer- und Kunststoffkomponenten. Bei der Abrasion kommt es zum Verschleiß durch Mikrobrüche und Schmelzen in der Kontaktfläche. Der Abrasionsmechanismus wird durch eine Vielzahl von Faktoren wie Reibungskoeffizienten, Druck, Oberflächenbeschaffenheit, Gleitgeschwindigkeit, Temperatur, Elastizitätsmodul und Ermüdungswiderstand beeinflusst.
Der adhäsive Verschleiß ist die Verschleißart, die sich zwischen einer Oberfläche (Elastomer, Kunststoff) und einem glatten Reibpartner (z. B. Metall) ausbildet. Ist die Gleitgeschwindigkeit relativ gering, wird die Oberfläche des Elastomers oder Kunststoffes deformiert (Haftreibung). Adhäsiver Verschleiß tritt bei mangelnder Schmierung auf, auch hervorgerufen durch das Medium.
Der tribochemische Verschleiß ist eine Verschleißart, die durch das Medium infolge einer reibbedingten und chemischen Aktivierung der beanspruchten Oberfläche (Elastomer, Kunststoff) entsteht. Der sogenannte Schichtverschleiß wird meist durch eine chemische Reaktion gestartet. Tribochemische Reaktionen führen nicht zum plötzlichen Ausfall der beanspruchten Bauteile, sondern bewirken eine allmähliche Abnahme der Festigkeitseigenschaften bei Kunststoffen und Elastomeren.
Dosiermedium und Prozessparameter berücksichtigen
Die Vor- und Nachteile der gängigen Pumpen- und Dosiersysteme hängen von den Eigenschaften des Dosiermediums wie Viskosität, Abrasivität und Chemikalienbeständigkeit sowie den Prozessparametern (Förderleistung, Genauigkeit, Taktzeit) ab. Schlauchpumpen, auch Peristaltikpumpen genannt, eignen sich für nieder- bis mittelviskose Medien. Bauartbedingt erzeugen diese Pumpen starke Pulsation und sind in der Dosiertechnik nur bedingt einsetzbar. Die Funktionalität der Schlauchpumpe hängt stark vom eingesetzten Schlauchmaterial und dessen Wandstärke ab. Die Zyklenzahl der Biegewechselfestigkeit des Schlauches wird durch abrasive und chemische Bestandteile deutlich beeinflusst. Diese preiswerte Pumpentechnik findet teilweise auch Anwendung bei abrasiven Fluiden.
Zahnradpumpen eignen sich für Anwendungen, die eine gleichmäßige Dosierung verlangen. Im Falle niedriger Viskositäten neigt die Pumpe bei auftretendem Gegendruck zu Leckagestrom und ungleichmäßigen Volumenströmen. Medien mit mittlerem bis hohem Füllstoffgehalt bewirken an der Kontaktfläche der Zahnräder eine hohe Scherung des Produktes und folglich hohen Verschleiß. Eine Zerstörung und Degradation der Füllstoffe (z. B. Hohlglaskugeln als Fließverbesserer) ist somit nicht vermeidbar.
Die Vorteile der Kolbenpumpe liegen in der hohen Dosierleistung für nahezu alle Medien – von niedrigen bis hohen Viskositäten. Hohe Drücke sind durch die robuste Bauart möglich. Kolbenfüllzeiten bestimmen die Taktzeit von Dosieranwendungen; Endlosdosierungen sind dagegen nur bedingt oder mit entsprechender Kolbengröße möglich. Abrasive Medien verursachen auch hier an der Kontaktfläche zwischen Kolbenwand und Kolben abrasiven bzw. tribomechanischen Verschleiß, besonders beansprucht werden die Ventilsitze von Ein- und Auslass-
ventil.
Verschleiß wird reduziert
Die Exzenterschneckenpumpe eignet sich prinzipiell für die Dosierung von niedrig- bis hochviskosen und pastösen Medien. Im Vergleich der verschiedenen Verdrängerpumpen bietet die Exzenterschneckenpumpe aber auch ideale Voraussetzungen für die Dosierung von abrasiven Medien. Ein gleichmäßiger Volumenstrom – erzeugt durch das Endloskolben-Prinzip – verhindert eine Sedimentation der Füllstoffe bei unterschiedlicher Dichte. Die vergleichsweise niedrigen Drücke von 40 bar (gegenüber Kolben- und Zahnradpumpen) und die speziell entwickelte Rotor-Stator-Geometrie sorgen für eine Reduzierung des Verschleißes durch eine extrem scherarme Förderung, geringe bis gar keine Pulsation und keine Rückströmungen in den einzelnen Kammern. Dadurch wird der abrasive und adhäsive Verschleiß auf ein Minimum reduziert. ViscoTec wirkt auch tribochemischen Reaktionen im Stator, mittels eigens entwickelter Elastomermischungen für chemisch aggressive Medien, entgegen. Die Rotor-Stator-Kombination bietet in Verbindung mit einer speziellen Rotoranbindung ein ideales Abrollverhalten und somit ein genaues Dosierergebnis.
Es wäre fahrlässig, zwischen „guter“ oder „schlechter“ Dosierpumpe zu differenzieren, viel entscheidender ist die Abstimmung des Dosiersystems auf die jeweilige Dosieranforderung. Kurz getakteter Betrieb, zyklisch oder Dauerbetrieb nehmen ebenso Einfluss auf die Lebensdauer der Dosierkomponenten wie nieder- bis hochviskose, struktursensible und feststoffbeladene Medien. Die tribologischen Verlustgrößen wie Reibkraft, Leckage, Verschleiß, Alterung und Kontaktgeometrie beeinflussen die Einsetzbarkeit der jeweiligen Dosierpumpe, abgestimmt auf das Medium. Chemische Reaktionen hingegen wirken auf die Verschleißmechanismen, wie der plastischen Deformation, Abrasion, Adhäsionsreibung und Bruchmechanik, in einer Pumpe.
Eine optimale Auslegung der Dosierkomponenten für abrasive oder chemisch aggressive Medien kann häufig nur über Vorversuche und definierte Qualifizierungsstufen erfolgen. So ist für das Kältegel eine Exzenterschneckenpumpe besonders gut geeignet, da sie das abrasive Gel scherarm befördert.
