Formgedächtnis-Mikroventile in 3D-Drucktechnik

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SMActuators Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT)

Aktoren werden am CAD-System gestaltet

Um die Mikroventile optimal an den jeweiligen Bedarf und die fluidtechnische Peripherie anpassen zu können, nutzt das Forscherteam für die Auslegung der Komponenten gängige Softwaretools. Stehen die Parameter und auch die Größe und Anordnung der fluidischen Verbindungen fest, werden mithilfe eines CAD-Systems die Aktoren gestaltet, die per Laser aus der FGL-Folie ausgeschnitten werden. Ähnliches gilt für das Gehäuse, das mit den Schlauchanschlüssen direkt aus dem CAD-System heraus mit einem 3D-Drucker hergestellt wird. Die Gehäuse werden aus Methacrylat-basierten Lacken oder thermoplastischen Kunststoffen hergestellt, je nach geforderter Temperatur, Druck- und Medienbeständigkeit. Bereits wenige Stunden später sind somit alle Bauteile des Mikroventils fertig für die Endmontage.

Da vor allem die mobilen Analysegeräte meist über Akkus mit Strom versorgt werden, hat das Startup-Team auch bistabile Mikroventile entwickelt. Dr. Megnin: „Diese Ventile besitzen zwei strukturierte und gegeneinander vorgespannte FGL-Aktoren. Der Ventilstößel kann bei dieser Konstruktion in zwei Endlagen ohne Stromzufuhr von magnetostatischen Kräften festgehalten werden. Beide Schaltstellungen, „offen“ oder „geschlossen“ können so auch ohne ständige Stromzufuhr beibehalten werden. Da nur während des Schaltvorgangs elektrische Energie benötigt wird, eignen sich die bistabilen Mikroventile für fluidische Systeme mit geringen Schaltfrequenzen und somit einem geringen durchschnittlichen Leistungsverbrauch.“

Basisentwurf als Grundlage mehrerer Ventile

Auf der Grundlage des Basisentwurfs hat das Team sowohl Mehrwegeventile, wie z.B. 2/2- und 3/2-Wegeventile, entwickelt als auch nicht-proportional arbeitende Regelventile. „Die nicht gegebene Proportionalität“, erklärt Hinnerk Oßmer, „hängt mit der nichtlinearen Hysterese der FGL-Aktoren zusammen.“ Im Zeitalter der schnellen Mikroprozessoren sieht das Team darin allerdings kein großes Problem. Dr. Megnin: „Wir realisieren eine aus Mikroventil, Durchflusssensor und Mikroprozessor bestehende Regelung, mit der Dosieraufgaben oder ein druckunabhängiger Durchfluss ermöglicht werden.“

Natürlich stellt sich auch die Frage, welche Drücke die kleinen, oft unter der Größe einer Cent-Münze angesiedelten Mikroventile schalten können. Dazu Marcel Gültig: „Bei entsprechender Auslegung der FGL-Aktoren lassen sich bis zu 6 bar schalten, aber zu Beginn konzentrieren wir uns auf den Niederdruckbereich bis 1 bar, um die oben beschriebenen Anwendungsbereiche zu adressieren.“

Zu guter Letzt nennt er, mit Hinweis auf Piezo-Ventile, noch einen ganz anderen Vorteil der FGL-Mikroventile: „FGL-Aktoren sind vollständig bleifrei und bio-kompatibel.“ Doch die Schwermetall-Problematik lässt sich künftig auch beim Einsatz von Piezoaktoren entschärfen, wie weitere Vorträge auf der Fachmesse Actuator zeigen: durch die Kapselung der Stapelkeramiken und durch die Entwicklung neuer bleifreier Keramiken mit Piezoeffekt. (jv)

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