Miniaturisiertes Dosiersystem zur geregelten Dosierung von Tinte in einem Schreibgerät

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein miniaturisiertes Dosiersystem zur geregelten Dosierung von Tinte in einem Schreibgerät entwickelt, hergestellt und charakterisiert. Die Problematik bei Schreibgeräten mit flüssiger Tinte ist die Druckabhängigkeit des Fluidführungssystems mit der Folge, dass Tinte unter ungünstigen Bedingungen aus dem Schreibgerät entweichen kann. Die Ursache liegt im Verhalten kompressibler Medien in Behältern mit konstantem Volumen. Nach dem idealen Gasgesetz dehnt sich Gas proportional zum Druckanstieg aus. Ein Effekt, der beispielsweise bei Druckabsenkungen in Flugzeugkabinen auftritt. Eingeschlossenes Gasvolumen im teilweise befüllten Flüssigkeitsbehälter verdrängt dabei Tinte aus dem Schreibgerät, das Schreibgerät läuft unkontrolliert aus. Ein weiterer Nachteil sind Schwankungen des Behälterinnendrucks während der Flüssigkeitsentnahme, verursacht durch einströmende Luftblasen beim Druckausgleich. Der Behälterinnendruck hat direkten Einfluss auf das Durchflussverhalten des Gesamtsystems. Mit dem neu entwickelten Mikrodosiersystem konnten diese Probleme behoben werden. In der Konzeptphase wurden zunächst verschiedene Systemkonzepte beleuchtet. Die Hauptunterschiede lagen in der Art des Flüssigkeitsbehälters und dessen Belüftungssystem. Mit Hilfe einer Nutzwertanalyse wurde zunächst ein geeignetes Systemkonzept ausgewählt. Basierend auf der Vorgabe einer wechselbaren Standardtintenpatrone wurde ein Regelungskonzept entwickelt, das in der Lage ist, Tinte im Bedarfsfall von einigen 100 µl/min zu dosieren. Das Regelsystem besteht aus einem piezogetriebenen Mikroventil, einem Fluidsensor sowie aus einer Regelungselektronik. Im inaktiven Zustand ist das Mikrodosiersystem durch ein so genanntes "normally-closed" Ventil absolut dicht. Im Fokus der Entwicklung standen eine konsequente Miniaturisierung der fluidischen Teilkomponenten und deren Integration in ein autarkes Gesamtsystem. Besondere Anforderungen stellte dabei ein piezogetriebenes Mikroventil insbesondere an die AVT. Geringe Stellwege von einigen 10 Mikrometern galt es möglichst effizient für die Ventilfunktion zu nutzen, des Weiteren sollten äußere Krafteinwirkungen die Funktionssicherheit des Ventils nicht beeinträchtigen. Die Auslegung des Fluidführungssystems erfolgte durch Anwendung fluiddynamischer Grundlagen unter Berücksichtigung der in der Mikrofluidik dominanten Oberflächenkräfte. Weitere Schwerpunkte lagen in der Entwicklung eines partikel- und luftblasentoleranten Fluidführungssystems. Beim Funktionsmusterbau kamen Technologien der Mikrosystemtechnik wie beispielsweise kapillares Kleben zum Einsatz. Die Vielzahl eingesetzter Materialien erforderte spezielle Aufbau- und Verbindungstechniken. So wurden beispielsweise Gehäuseteile und fluidische Komponenten wie Ventilträger, Belüftungs- oder Fluidführungssystem in Kunststoffspritzguss hergestellt, während der Fluidsensor aus Glas und der Ventilaktor aus einer Piezokeramik bestehen. Eine weitere Schwierigkeit bestand in der hermetische Abdichtung der Elektronikbauteile zum Schutz vor Feuchtigkeit. Zur Reduzierung mechanischer Spannungen bei sensiblen Bauteilen wie beispielsweise das Mikroventil wurden Versteifungsmaßnahmen entwickelt, so dass ein reproduzierbarer und langzeitstabiler Ventilbetrieb realisiert werden konnte. Im Zuge der Umsetzung des Fluidführungssystems wurde mit dem so genannten Chic-Prinzip (Chic = Channel-in-channel) eine luftblasentolerante Fluidkanalgeometrie gefunden, anhand derer unter Nutzung von Kapillarkräften ein fluidisches Verstopfen von Mikrokanälen verhindert werden konnte. Die Charakteristik des gesamten Mikrodosiersystems wird maßgeblich durch das fluidische Verhalten des Mikroventils bestimmt. Denn je nach Auslegung der Ventilgeometrie konnte hier ein fluidischer Engpass entstehen, der den Systemdurchfluss teilweise behindern oder gar vollständig zum Erliegen bringen kann. Wichtige Kenngrößen zur Ermittlung der Ventilcharakteristik sind Durchfluss und Leckrate. Anhand von Durchflussmessungen konnte gezeigt werden, dass bei geeigneter Ventilgeometrie Durchflüsse von über 300 µl/min bei gleichzeitig sehr geringen Leckraten von max. 3nl/min möglich sind. Damit wurde mit einem Verhältnis von rund 100.000 die geforderten Spezifikationen von 100 µl/min Durchfluss bei max. 5nl/min Leckrate um den Faktor 5 übertroffen. Ebenso konnte durch das neu entwickelte Chic-Prinzip eine verbesserte Luftblasentoleranz des Fluidführungssystems nachgewiesen werden. Auch die geforderte Druckwechselfestigkeit von 270mbar wurde mit 400mbar um über 50% übertroffen. Die Schwierigkeiten bei der Integration der Teilsysteme lagen in der Vielzahl der Schnittstellen zwischen den fluidischen Teilkomponenten. Eine der wichtigsten Erkenntnisse dieser Arbeit ist, dass die Teilkomponenten eines komplexen Mikrosystems aufgrund dieser Schnittstellenproblematik nicht seriell entwickelt und anschließend 1:1 in ein Gesamtsystem übertragen werden können. Es ist vielmehr eine Betrachtung des Gesamtsystems von Anfang an erforderlich.

In the context of this work a miniaturized dosing system was developed, manufactured and characterized for the regulated dosage by ink in a writing instrument. The problem with writing instruments is the pressure dependency of the fluid guided system. This can cause the ink to leak from the writing instrument under inconvenient conditions. The source of this effect is the manner of compressible fluids in constant volumes. During an ambient pressure drop, as this occurs for example in airplane cabs, the gas volume in the ink bottle expands and displaces the ink from the writing instrument. The writing instrument runs out. With the presented dosing system this problem was solved. First of all, in the concept phase different system ideas were lit up. The main differences between the investigated systems are the character of the fluid reservoir and the ventilation of it. With the assistance of an efficiency analysis one of them was selected first. Based on the requirement of a replaceable standard cartridge a regulation concept was developed. It is able to proportion ink quantities within the range of some 100 µl/min. The regulation-system itself consists a piezo-driven micro valve, a fluid sensor element and an electronic control. In the inactive condition the dosing system is leak-proof. Focus of the development was a consistent miniaturization of the fluidic components and the integration of these parts into an autarkic overall system. A particular importance was the piezo-driven micro valve and its adaption to the packaging technology. Minimum adjustment travel of around 10 micro millimeters had to be realized for the valve function power efficiently. Furthermore, external force effects should not counteract the function stability of the valve. By using the basics of the fluid dynamics the design of the fluid guiding system was implemented. Therefore, the factors of capillary and surface forces which are dominant in micro fluidics were used purposefully for liquid transport in micro-channels. Further key aspects were on tolerance of gas bubbles, particle tolerance as well as on the independence of position of the fluid guiding system. With the building of prototypes micromechanical packaging methods were used as for example capillary sticking. The multitude of different materials demanded special packaging technology. Thus for example housing parts and fluid components were manufactured such as valve bracket, ventilation or fluidic cannels in plastic injection molding, while the fluidic sensor made of glass and the valve actuator exist of one piezo ceramic. A further challenge was the sealing of the electronic components against humidity. For the reduction of mechanical stresses at sensitive components as for example the micro valve measures were developed to make the parts stiffer. Therefore a reproducible and long-term stable structure of the micro dosing system was realized. In the realization progress of the fluid guided system the so called chic principle (chic = channel in channel) was implemented. Thereby fluid clogging of micro-channels could be prevented by use of capillary forces. With the characterization of the micro dosing system the fluid behavior of the micro valve was in center of attention. Therefore the design of the valve geometry can cause a fluidic bottleneck, which either impedes the flow through the system or could disrupt the complete system. The valve characteristic was determined by flow and leakage rate. It was shown by the means of flow rate measurement data that suitable valve geometry leads to flow rates higher than 300 µl/min. At the same time very small leakage rates of less than 3nl/min are possible. With an aspect ratio of 100.000 the demanded specifications (100 µl with 5nl) were exceeded over approximately factor 5. Also an improved bubble tolerance of the fluid guiding system could be proven by the chic principle. The demanded change in pressure resistance of 270mbar was exceeded over 50% with 400mbar. The difficulties in integrating the subsystems are based on the multiplicity of the interfaces between the fluid partial components. One of the most important perceptions of this work is that the subsystems of a complex micro system due to this interface problem cannot be serially developed and afterwards transferred 1:1 into a complete system. The view on the complete system is necessary from start on.