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Grundlagen des Jet-Dosierens

Beim Jet-Dosieren wird das Dosiermaterial zuerst aus einem Reservoir (z.B. einer Kartusche) in ein Dosierventil gefördert und gegebenenfalls mit einem Förderdruck beaufschlagt. Das Ventil sorgt dann, in Kombination mit dem Förderdruck, für die Ausbildung des „Jets“, wie dies in Abb. 1 dargestellt ist. Es werden Grundsätzlich zwischen zwei unterschiedliche Betriebsarten beim Jet-Dosieren unterschieden

  • Tropfenbildendes Dispensen („droplet generating dispensing“)
  • Strahlbildendes Dispensen („jet forming dispensing“)

Beim „Tropfenbildendes Dispensen“  wird üblicherweise ein Stößel kurz (meist wenige Millisekunden) aus einem Dichtsitz mit einer wenigen hundert Mikrometer großen Düse gehoben, woraufhin das Dosiermaterial, bedingt durch den Förderdruck, unter die Stößelspitze gepresst wird. Daraufhin wird der Stößel schnell in den Dichtsitz zurück bewegt, wodurch ein Teil des Materials durch die Stößelspitze durch die Düse hindurch verdrängt wird. Der durch die Vorwärtsbewegung des Stößels übertragene Impuls dient dabei zur weiteren Beschleunigung des Materialtropfens. Daher hat bei dieser Betriebsart neben dem Förderdrück auch der Stößelhub, die Öffnungszeit, und Schließgeschwindigkeit des Stößels einen zumindest gleichwertigen Einfluss auf die Tropfenbildung. [1]

Beim strahlbildenden Dispensen wird der Stößel für eine längere Zeit offen gehalten. Durch den Förderdruck wird das Material durch die Düse gedrückt und durch die Düsengeometrie zu einem Strahl geformt. Hierbei haben die Stößelparameter einen deutlich geringeren Einfluss auf den Jetprozess. [1]

In der Praxis der Mikromontage hat das tropfenbildende Dispensen einen deutlich größeren Anteil, da damit deutlich kleinere Dosiermengen erreicht werden können als beim strahlbildenden Dispensen.

Wie Abb. 2 darstellt ist die Tropfen- oder Strahlausbildung vor allem vom Erreichen der sogenannten kritischen Weberzahl abhängig. Die Weberzahl We ist definiert als das Verhältnis der Oberflächenspannungsenergie zur kinetischen Energie. Bei einer Flüssigkeit mit der Dichte ρ, der Oberflächenspannung σ und die Viskosität η, welches aus einem Jetventil mit einer zirkularen Düse des Durchmessers D mit einer Geschwindigkeit v dosiert werden soll, gilt die Gleichung:

We = \frac{\rho\cdot D\cdot v^{2}}{\sigma}

Erst ab einer kritischen Weberzahl Wec ist die kinetische Energie des Tropfens groß genug um seine eigene Oberflächenspannung zu überwinden und die Düse des Ventils zu verlassen. Ist die kinetische Energie des zu dispensenden Tropfens zu gering, überwiegt der Einfluss der Oberflächenspannung des Tropfens und er bleibt an der Düse des Jetventils hängen. In diesem Fall liegt die Werberzahl unterhalb der kritischen Weberzahl.

Es stellt sich heraus, dass die kritische Weberzahl bei dünnflüssigen Materialien bei 12 liegt [2].

Für dickflüssige Medien spielt des Weiteren auch die sogenannte Ohnesorge Zahl On eine Rolle um eine Aussage über die Jetfähigkeit eines Dosiermaterials treffen zu können. Die Ohnesorge-Zahl gibt das Verhältnis der Oberflächenspannungsenergie zur Energie, die während der Flugphase des Tropfens dissipiert an. Die Ohnesorge Zahl lässt sich aus der Weber-Zahl We und der Reynolds-Zahl Re ableiten und wie folgt darstellen.

On=\frac{ \sqrt{We}}{Re}=\frac{\eta}{\sqrt{\rho\cdot\ D\cdot \sigma}}

Je höher die Ohnesorge-Zahl  ist desto „zäher“ verhält sich das Dosiermaterial und neigt daher dazu statt kleiner Tropfen, längere Fäden zu ziehen. Des Weiteren ist die Ohnesorge Zahl direkt proportional zur kritischen Weberzahl. Das heißt, dass die notwendige kinetische Energie zum erfolgreichen jetten einer Flüssigkeit mit der Viskosität zunimmt.

Nach dem Verlassen der Düse sollte der dosierte Tropfen seine Form weitgehend beibehalten. Wie in Abb. 2 dargestellt, wird dieses Verhalten allerdings nur in einem schmalen Bereich (sogenannten Regimes) gezeigt [2].

Wie bereits oben erwähnt findet unterhalb der kritischen Weberzahl keine Jetbildung statt.

Im Bereich zwischen dem 1- und 3-fachen der kritischen Weber Zahl entsteht zwar ein Jet, allerdings werden Teile des Tropfens zurück zur Düse gezogen, was sich als kritisch für Folgedosierungen erweist (Rayleigh breakup regime).

Zwischen dem 3- und 4-fachen der kritischen Weber Zahl kommt es zur Ausbildung der gewünschten Jet-Tropfen (Drop-on-Demand Regime) [2],[3].

Bei noch höheren Weber Zahlen neigt das Dosiermaterial dazu sich aufgrund der hohen Geschwindigkeit zu zerstäuben (Atomization-Regime).

Referenzen

[1] T. Lindemann, „Droplet Generation From the Nanoliter to the Femtoliter Range,“ Freiburg i. Br, 2006.

[2] P. K. a. R. Zengerle, „NON-CONTACT NANOLITER & PICOLITER LIQUID DISPENSING,“ University of Freiburg, Freiburg.

[3] L. S. L. Y. Yao Yufeng, „Simulation and Experiment Research of Non-contact Micro-liquid Reagent Dispensing,“ Harbin, 150001, China, 2012.

Abb. 1 Tropfenbildung in Abhängigkeit von Weber- und Ohnesorge Zahl a) We =1 7,4 b) We = 7,9 (kein Jet) c) On = 1,9 d) On = 0,1 [2]

Abb. 2 Abhängigkeit der dosierten Tropfenform von der Weber- und der Reynoldszahl

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