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PMBi Pumpe mit Piezo Motor Präzisionspumpe für nanolitergenaue Dosierung

| Redakteur: M.A. Bernhard Richter

Neue Möglichkeiten für Konstrukteure und Entwickler – weltweit einzigartige Laborpumpe mit Piezo-Motor-Balgsystem.

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Die PMBi-Pumpe eignet sich durch den Piezo Motor für präzise, berührungslose Dosierung von Volumina von nur 1 nl.
Die PMBi-Pumpe eignet sich durch den Piezo Motor für präzise, berührungslose Dosierung von Volumina von nur 1 nl.
(Bild: Ginolis)

Genaue und wiederholbare Dosierung von Volumina: In diesem Feld ist Ginolis mit der PMBI-Pumpe erstaunliches gelungen. Die Pumpe ist, laut Aussage des Unternehmens, flexibel, intelligent und mit geringem Aufwand zu warten. Sie dient der Dispensierung von Reagenzien und Flüssigkeiten im kompakten Maßstab und kann sowohl in die von Ginolis angefertigten Automatisierungsplattformen integriert werden, ist aber auch eigenständig als einfach zu bedienendes Starterkit inklusive Pumpe, Entgaser, Schläuchen, Ventilen und Keramik-Dosierspitzen erhältlich.

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„Wir haben die ursprüngliche Pumpe 2013 aus dem Be­dürfnis eines Kunden heraus entwickelt“, erzählt Markku Känsäkoski, technischer Direktor und Leiter der Entwicklungsabteilung von Ginolis. „Die Lösung, mit der er seinerzeit arbeitete, war schlichtweg nicht genau genug. Deshalb wurden wir gebeten, eine Pumpe zu konstruieren, die den Anforderungen an Präzision entspricht.“

Das Ergebnis war eine einzelne Pumpen-Sonderanfertigung, die 2019 im zweiten Schritt einer Verbesserung der Kommunikationsschnittstellen zur Serienreife gebracht wurde.

Piezomotor treibt den Balg an

Das Prinzip der Ginolis PMBI-Pumpe ist ein Piezomotor, der sich zusammenzieht und einen Balg erweitert. Der Balg verdrängt dabei genau das Volumen in einer geschlossenen Kammer, das er vorher angesaugt hat. Das Magnetventil wird für 100 Mikrosekunden geöffnet, um einen Tropfen freizusetzen. Bis zu 100 Tropfen pro Sekunde können so dosiert werden. Durch den Piezomotor hat das Balgsystem keine Reibungsteile, was die Lebensdauer erhöht und Dichtungen nahezu obsolet macht. Die Pumpe ist 127 mm x 44,5 mm x 148,5 mm groß und mit RS-232- und RS-485-Schnittstellen ausgestattet, optional kann auch ein Ethernet-Anschluss eingebaut werden. Ein integrierter Drucksensor kontrolliert Verstopfung, Leckage und Luft in der Flüssigkeitsleitung, überwacht die Pumpenvordruckerzeugung und die Druckstabilisierung während der Vordosierung.

„Wir setzen die Flüssigkeit in Tropfengröße von einem Nanoliter frei. Bei der Bewegung der Flüssigkeitskammer müssen wir deswegen sehr präzise sein. Der Motor muss außerdem absolut rückschlagfrei sein, was der Piezomotor gewährleistet“, erklärt Markku Känsäkoski. Angetrieben werden die Pumpen durch die Standard-Linearmotoren Twin LT20 und Twin LT40 mit 20 nNm bzw. 40 nNm.

Hohe Kraft pro Volumen

Typische Einsatzbereiche piezoelektrischer Motoren sind überall dort, wo maximale Präzision und Miniaturisierung gefragt ist. Die Linearmotoren arbeiten mit der Piezo-Legs-Technologie und leisten spielfreie Bewegungen mit Nanometer- oder sogar Sub-Nanometer-Auflösung. Der inverse piezoelektrische Effekt bewirkt eine Verformung von bestimmten keramischen Materialien beim Anlegen einer Spannung. Ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor läuft bei Anlegen einer Spannung an. Die Piezo-Legs sind Beine aus Keramik, die durch eine paarweise Anordnung – in der Regel werden vier bis sechs Beine verbaut – ins Laufen kommen und auf diese Weise Linear- und auch rotierende Motoren antreiben. Move-and Hold-Anwendungen sind das Spezialgebiet der Motoren, da stets mindestens ein Paar die Antriebsstange klemmt. Das hat zur Folge, dass für die Halteposition keine weitere Kraft benötigt wird und auch im ausgeschalteten Zustand die Haltekraft hoch ist. Die hohe Kraft pro Volumen – von wenigen Newton bis zu 450 N –, eine gute Dynamik und Miniaturisierbarkeit sowie Geschwindigkeit und Präzision sind in diesem Einsatzfall weitere Vorteile gegenüber herkömmlichen Elektromotoren.

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In der Dispensierungsplattform Cecilia-L von Ginolis ist die Pumpe nun standardmäßig verbaut. Das System eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen im medizintechnischen Bereich sowie im Mikrofluidik-Chip- und Kartuschendruck und fürs automatisierte Flüssigkeitshandling für Biochips und miniaturisierte Assays. Die Plattform kann mit bis zu vier PMBi-Dosierpumpen ausgestattet werden.

Vorteile in der Konstruktion

Piezomotoren bieten fortschrittliche Lösungen für viele Bewegungs-, Dosier-, Positionierungs- und Messprobleme, mit denen sich Entwickler und Konstrukteure konfrontiert sehen: Piezomotoren sind nicht nur hochpräzise und miniaturisiert, sondern auch geräusch- und verschleißarm und können in magnetischem Umfeld ebenso betrieben werden wie im Vakuum – Voraussetzungen für biomedizinische Anwendungen und der Optikindustrie, in der Herstellung mikroelektronischer Schaltungen, in der Luft- und Raumfahrt und selbst in der Automobilindustrie. Das Unternehmen Piezo Motor aus Schweden setzt neben seinen Standard-Motoren auf individualisierte Syteme, die gemeinsam mit Forschungsinstituten und Entwicklungsabteilungen von Unternehmen auf der ganzen Welt vorangetrieben werden.

Diese Zusammenarbeit hat auch Ginolis zu schätzen gelernt: Die Unterstützung von Piezo Motor sei von der Entwicklung bis zur Serienreife sehr zufriedenstellend und das Miteinander konstruktiv gewesen. Es seien passende Encoder ver­fügbar gewesen, wodurch Entwicklungszeit gespart wurde. „Momentan liegen unsere Schwerpunkte in der Robotik und in der Automation“, erläutert Känsäkoski. „Aber wir haben einen hohen Bedarf an hochpräzisen Montageprozessen. Für die Zukunft werden wir sicher öfter mit Piezo Motor zusammenarbeiten.“

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