Verteilersysteme aus Kunststoff

Verteilersysteme aus Kunststoff überzeugen durch Transparenz, geringes Gewicht und Flexibilität im Design. Bild: Norgren

Die Integration von Ventilen und anderer Komponenten zu kompletten Steuerungssystemen unterstützt Erstausrüster dabei, Kompaktheit und Zuverlässigkeit zu vereinen – und das schnell und zu geringen Kosten. Neben Aluminium oder Edelstahl bieten Acryl-Verteiler optische Transparenz, ein geringes Gewicht und eine hohe Designflexibilität. Ein Überblick.

Verteilersysteme bieten eine Plattform zur Integration von (Magnet-) Ventilen, Sensoren, Druckregel- und Filtereinheiten sowie anderer Komponenten in einer fluidischen Baugruppe. Sie bieten Erstausrüstern und Endkunden eine Reihe von Vorteilen:
Zuverlässigkeit: Die Montage mehrerer Komponenten in einer einzelnen Baugruppe minimiert potenzielle Leckagestellen, da keine Schläuche und Anschlüsse mehr erforderlich sind. Dies erhöht die Zuverlässigkeit des Systems und verringert Ausfallzeiten sowie -kosten durch Fehlersuche und Reparatur. Grundsätzliche Voraussetzung dazu ist eine hohe Fertigungsqualität des Verteilersystems.

Vereinfachte Montage und Wartung: Ein komplexes Fluidsteuerungssystem kann aus mehreren dutzend Ventilen und Komponenten bestehen, die befestigt und elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch miteinander verbunden sind. Vormontierte Verteilersysteme mit bereits integrierten Komponenten sind im Gegensatz zu vielen Einzelkomponenten nur mit wenigen Verbindungen anschließbar. Dadurch werden Montagezeiten und Arbeitskosten deutlich reduziert und die Möglichkeit von Montagefehlern verringert. Weiterhin können Komponenten einfach ausgetauscht oder ersetzt werden und die Norgren-Komponenten sind speziell für Verteilersysteme konzipiert (Ausrichtung der Flüssigkeitsanschlüsse, Ventilpatronen).

Angepasstes Design: Ein Verteilersystem ermöglicht Konstrukteuren, die Bauteildichte zu erhöhen. Die dadurch entstehende größere Designflexibilität ist für Anwendungen in der Medizintechnik aber auch anderen Anwendungsgebieten mit geringen Bauraum- und Gewichtsanforderungen geeignet. Zudem ist es möglich, funktionale Einheiten in verschiedene Unterbaugruppen (beispielsweise eine Baugruppe für die pneumatische Antriebssteuerung und eine andere für das Fluidsystem) zu konzentrieren.

Hohe Wirtschaftlichkeit: Verteilersysteme helfen Erstausrüstern, Beschaffungskosten zu verringern und Endkunden die Betriebskosten zu reduzieren. Zudem bedeutet für Erstausrüster der Kauf eines bestückten Verteilersystems auch Zeitersparnis. Das komplette System wird entsprechend der Spezifikation geprüft und somit einbaufertig aus einer Hand geliefert. Viele Analyseanwendungen, zum Beispiel in den Biowissenschaften, erfordern routinemäßig den Einsatz sehr teurer Reagenzien. Selbst geringe Einsparungen dieser Stoffe ermöglichen daher signifikante finanzielle Effekte. Ein Verteilersystem mit optimiertem Strömungsverlauf und Innenvolumina sowie reduzierten Totvolumina bietet darüber hinaus Vorteile im dynamischen Verhalten durch kürzere Reaktionszeiten, verbesserte Durchflusseigenschaften und auch bei der Reinigung.

Die Hauptauswahlkriterien für Verteilersysteme sind:

  • Betriebsmedium (Chemikalienverträglichkeit, Korrosionsbeständigkeit)
  • Umgebungsbedingungen (Temperaturbereich, ätzende Substanzen, Feuchtigkeit)
  • Betriebsdruckbereich
  • Gewicht und Kosten.

Verteilersysteme werden in der Regel aus Metall oder Kunststoff gefertigt. Metalle werden üblicherweise für anspruchsvolle Umgebungsbedingungen oder Hochdruckanwendungen gewählt. Gebräuchlich sind Aluminium, Messing und Edelstahl. Gegebenenfalls wird eine zusätzliche Oberflächenbehandlung notwendig. Metallische Verteilersysteme werden in den meisten Fällen aus Vollmaterial hergestellt. Dies beschränkt allerdings die Flexibilität in der Gestaltung der Strömungswege und bedingt ein Mindestmaß an Totvolumina. Die Verwendung von Verteilersystemen aus Druckguss kann diese Beschränkung aufheben, ist jedoch nur bei größeren Stückzahlen aufgrund der höheren Entwicklungs- und Materialkosten wirtschaftlich.

Gekrümmte Kanäle sind kein Problem

Verteilersysteme aus Kunststoff kommen normalerweise für Anwendungen in der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie sowie der Medizin und Pharmazie zum Einsatz. Sie bestehen typischerweise aus Polymermaterialien wie beispielsweise Polyoxymethylen (POM), Polyvinylchlorid (PVC), Chloriertes Polyvinylchlorid (CPVC), Acryl, Polycarbonat, Polyetherimid (PEI) oder Polyetheretherketon (PEEK). Sie weisen fast immer ein geringeres Gewicht als äquivalente Metalldesigns auf.

Additive Manufacturing oder 3D-Drucken ist Stand der Technik in der Prototypenfertigung von Kunststoffverteilersystemen. Gegen einen Serieneinsatz dieser Technologie sprechen derzeit noch die begrenzte räumliche Auflösung, die Kosten sowie die verfügbaren Materialien. Zur Herstellung von Verteilersystemen mit komplexen Strömungsgeometrien hat sich das Laminieren als Alternative etabliert. Dabei eingesetzte Materialien sind Acryl, Polycarbonat und Polyetherimid (PEI). Acryl hat dabei Vorteile aufgrund seiner transparenten Eigenschaften und niedrigen Kosten, es unterliegt aber Beschränkungen im Einsatztemperaturbereich sowie in der Chemikalienbeständigkeit. Damit ist es sehr gut für Anwendungen geeignet, in denen die Sichtbarkeit des Druckübertragungsmediums wichtig ist. Im Vergleich zu Acryl ist Polycarbonat für Anwendungen mit größerem Einsatztemperaturbereich sowie höherer Chemikalienbeständigkeit geeignet. Es weist jedoch aufgrund seines typischen Blau- oder Gelbtons eine geringere Transparenz auf. Verglichen mit den vorgenannten Materialien weist PEI den höchsten Einsatztemperaturbereich sowie Chemikalienbeständigkeit auf. Dies jedoch bei vergleichsweise hohen Kosten.

Während der Herstellung laminierter Verteilersysteme werden die gewünschten Strömungswege in verschiedene Kunststoffschichten gefräst und diese in einem späteren Arbeitsschritt miteinander dauerhaft verbunden. Dieses Verfahren bietet eine sehr hohe Designflexibilität. Es ermöglicht beispielsweise die Herstellung gekrümmter Kanäle, den Durchmesser von Kanälen flexibel anzupassen und sogar Strukturen wie Misch- oder Sammelkammern einzubringen.

Nachfolgend nun zwei Beispiele für kundenspezifische Verteilersysteme von Norgren. Bei der ersten Applikation handelt es sich um ein tragbares Beatmungs-/Atemtherapiegerät. Dieses Verteilersystem integriert einen Akku, verschiedene Ventile und Druckmessumformer, eine Filtereinheit sowie einen kundenspezifischen Ausgangsblock. Die Hauptanforderungen an dieses tragbare Gerät sind im Wesentlichen die Erreichung eines möglichst kleinen Bauraumes sowie ein niedriges Gewicht.

Im zweiten Beispiel nun ein DNA-Analysesystem. Bei dieser Lab-on-a-Chip-Anwendung bestand die Anforderung an den Erstausrüster, kleine Proben und verschiedene Reagenzien mit einer hohen Geschwindigkeit zuverlässig zu bewegen. Aufgrund der Komplexität sowie der geforderten Kompaktheit kam ein laminierter Acrylverteiler zum Einsatz. Dieses vierschichtige, laserverschweißte Verteilersystem enthält rund 60 Magnetventile mit unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich Reaktionszeit, Lebensdauer und Chemikalienbeständigkeit. Darüber hinaus erfolgte die Umsetzung einer direkten Schnittstelle zum Einweg-Analysechip, was eine hohe Stabilität erfordert und nur durch Verwendung des Laserschweißverfahrens erreichbar war.

Autor: Bernhard Wiegert im Auftrag von Norgren, www.norgren.de