Präzisionsdosierung zum Kleben und Abdichten

Von Mike Bozzelli, Technischer Direktor, Applied Fluid Technologies Division, Graco Inc.

Die Funktionalität' eines Produkts kann von der Herstellung einer perfekten Verbindung oder Dichtung innerhalb eines Teils abhängen – und wenn Sie die Absicht haben, diese Verbindung oder Dichtung zu dosieren, ist das Auftragen einer perfekten Perle absolut entscheidend. Ist die Perle nicht perfekt, gilt das Teil als fehlerhaft – was letztlich erhebliche Kosten nach sich zieht. Um eine perfekte Perle zu erhalten, muss man das Material von Anfang bis Ende kontrollieren. Bei der Materialkontrolle müssen Sie zunächst bestimmen, welche Art Perlen Sie dosieren wollen, und dann das richtige Dosiergerät für die Anwendung auswählen.

Der erste Schritt besteht in der Festlegung, ob Sie kleben oder abdichten müssen.

Beim Kleben werden zwei Teile miteinander verbunden oder gesichert, um zu verhindern, dass sich die einzelnen Teile voneinander lösen, während beim Abdichten verhindert wird, dass Stoffe wie Flüssigkeiten aus einem Teil austreten oder in ein Teil eindringen. Eine Vielzahl von Produkten ist auf das Kleben und Abdichten angewiesen; dabei verlangt jedes Produkt eine andere technische Spezifikation der Perle. Zu diesen Spezifikationen gehören das Perlenprofil sowie die erforderliche Perlenhöhe und -breite.

Das Kleben und Abdichten kann entweder mit einem 1-Komponenten-Material (1K) oder einem 2-Komponenten-Material (2K) erfolgen. 1K-Materialien werden in der Regel in oder auf ein Teil aufgetragen, ohne dass sie mit einem anderen Material vermischt werden. Bei den Materialien kann es sich um Heißschmelzkleber, Silikone, Urethane, Epoxide oder UV-Materialien handeln. Sie können durch die Verwendung von Lösungsmitteln, durch Erhitzen oder durch Reaktion auf Luftfeuchtigkeit ausgehärtet werden.

Beispiele für typische 1K-Anwendungen sind die Abdichtung von Solarpanels, die Fenstermontage, die Automobilindustrie (Urethan-Dichtmittel für Windschutzscheiben, Kleben von Rücklichtern, Kleben von Spiegeln an Gehäusen, ABS-Kunststoffgehäuse) sowie das Verkleben von Lautsprechern und die Verklebung und Nahtabdichtung von Filterkappen.

Gestanzte Dichtungen und spritzgegossene Dichtungen sind seit Jahren eine gängige Konstruktionspraxis. Allerdings führen gestanzte Dichtungen zu einem großen Maß an Materialverschwendung. In vielen Fällen müssen die Hersteller fast eine ganze Materialplatte wegwerfen, nur um eine dünne Dichtung zu erhalten. Spritzgegossene Dichtungen lösen das Problem des Materialabfalls, erfordern aber eine erhebliche Investition in die Werkzeuge für die Formen. Beide Methoden haben auch den großen Nachteil, dass sie sehr kostspielig sind, wenn eine Konstruktionsänderung erforderlich ist.

Im Grunde genommen ist eine Dichtungsperle eine flüssige Alternative zu gestanzten oder spritzgegossenen Dichtungen. Im Idealfall sollte man' nicht in der Lage sein, sie zu unterscheiden, wenn man sie vergleicht. Die Perle muss über die gesamte Perle gleichmäßig sein und eine einheitliche Höhe, Breite und Härte (Durometer)) aufweisen. 

Eine perfekte Perle darf keinerlei Unregelmäßigkeiten aufweisen – auch keine harten, weichen, dünnen oder dicken Stellen an irgendeinem Punkt der Perle. Dies ist einer der Vorteile von gestanzten und spritzgegossenen Teilen, da sie alle aus einem Stück bestehen. Eine dosierte Perle muss an einem festen Punkt beginnen, über den gesamten vorgesehenen Weg in gleicher Höhe, Breite und Form verlaufen und dann an einem anderen festen Punkt enden – in der Regel ist dies derselbe Startpunkt. Wenn Sie' ein Zweikomponenten-Material verwenden, muss das Mischungsverhältnis exakt gleich bleiben, damit die Endhärte nicht beeinflusst wird.  

Dicke Stellen in einer Perle können an verschiedenen Stellen entstehen, sind aber meist das Ergebnis einer Erhöhung des Materialdrucks. Das Gegenteil davon sind dünne Stellen, die meist auf einen Druckabfall zurückzuführen sind. Ein dicker Fleck am Anfang einer Perle wird oft als „Schlangenkopf“ bezeichnet, weil er einer echten Schlange unheimlich ähnlich sieht. Am anderen Ende der Perle ist es nicht ungewöhnlich, dass ein „Schwanz“ entsteht, an dem sich der Materialquerschnitt drastisch verringert und ein kleiner Materialstreifen zurückbleibt.

Eine unvollkommene Perle könnte zu einem fehlerhaften Teil führen, das entweder weggeworfen oder nachbearbeitet werden müsste. Die Kosten für unvollkommene Perlen können erheblich sein, basierend auf Variablen wie Teilekosten, Arbeitsstunden und Reproduktionsverlusten aufgrund von Nacharbeit und zusätzlichen Materialkosten. Wenn sich das defekte Teil im Einsatz befindet, könnte dies zu einer Garantieklage und möglicherweise zu einem Haftungsproblem führen. 

Im Gegensatz zu einer Dichtungsperle sind Höhe, Breite und Härtegrad bei einer Klebeperle nicht die entscheidenden Merkmale. Das liegt daran, dass die Teile zusammengefügt werden, während das Material noch nass (oder zumindest noch etwas biegsam) ist und sich bewegen kann. Bei einer Klebeperle sind die Platzierung, die richtige Materialmenge und bei Zweikomponentenmaterialien das richtige Mischungsverhältnis die wichtigsten Faktoren. Während Elemente wie Schlangenköpfe und Schwänze sehr wichtig sind, ist es eigentlich noch entscheidender, die richtige Menge an Material an der richtigen Stelle zu haben, damit es sich beim Zusammenbau richtig verteilt.

Wenn zu wenig Material aufgetragen wird, entstehen Lücken. Wenn zu viel Material aufgetragen wird, drückt es sich in Bereiche, in denen es nicht erwünscht ist. Die Platzierung wird zu beiden Situationen erheblich beitragen. Wenn bei Zweikomponenten-Materialien das richtige Verhältnis und die richtige Mischung der Materialien nicht gegeben sind, werden die Materialien nicht richtig verklebt, auch wenn alles akzeptabel aussieht.

Der Schlüssel zu perfekten Perlen, unabhängig davon, wozu sie'dienen, ist die Materialsteuerung. Servogetriebene Verdrängerpumpen, wie die Ventile und Maschinen PD44, 1053, 1093 und PR70s von Graco', sind eine ausgezeichnete Wahl, um die meisten Perlenanforderungen zu erfüllen.

Konstruktionsbedingt verhindern Verdrängerventile zwei sehr wichtige Variablen: Temperatur und Viskosität. Die meisten Materialien ändern ihre Viskosität mit der Temperatur. Typischerweise werden die meisten Materialien mit steigender Temperatur dünner und sind bei niedrigeren Temperaturen eher dicker. Wenn Sie nur Druck auf das Material ausüben und sich darauf verlassen, dass ein Ventil für eine bestimmte Zeit geöffnet und geschlossen wird, wird dies wahrscheinlich zu einem großen Problem, das es zu lösen gilt. 

Wenn Sie das Ventil morgens öffnen, wenn das Material kalt und dick ist, erhalten Sie weniger Material, als Sie erwartet haben. Sie können dies durch Anpassung des Zufuhrdrucks ausgleichen. Wenn sich die Anlage jedoch später am Tag aufgewärmt hat, muss der Druck erneut angepasst werden, da das Material nun dünner geworden ist und das System mehr Material abgibt. Dieses Szenario führt zu unerwünschten Bedienereingriffen aus Sicht der Prozesssteuerung und wahrscheinlich zu verschrotteten oder nachbearbeiteten Teilen.

Bei der Betrachtung der Materialmenge selbst werden all die bereits erwähnten Faktoren wie Schlangenköpfe, Schwänze oder Druckschwankungen, die die Perle ruinieren, nicht berücksichtigt. Servogetriebene Verdrängerventile und -maschinen bieten Optionen für den Umgang mit all diesen Variablen und verhindern sie in den meisten Fällen vollständig. Das Servo-Antriebssystem sorgt für eine konstante Kraft und damit für einen konstanten Druck auf das Material vom Anfang bis zum Ende der Perle – so werden alle potenziellen dicken und dünnen Bereiche in der Perle verhindert.

Die Konstruktion des Verdrängungsventils bedeutet, dass es jedes Mal das gleiche Volumen an Material enthält und somit jedes Mal die gleiche Menge an Material abgibt. Das bedeutet, dass dieMenge des abgegebenen Materials immer gleich bleibt, auch wenn das Material im Laufe des Tages dünner oder dicker wird. Durch die Verbindung dieser beiden Konstruktionselemente erhält der Benutzer die vollständige Kontrolle über das Material vom Anfang bis zum Ende der Perle.

In den folgenden Artikeln werden wir Tipps und Vorschläge für die Kombination dieser Materialtechnologien mit Bewegungsgeräten wie Roboterarmen und XYZ-Plattformen geben – so erreicht man selbst bei den schwierigsten Materialien Präzisionsdosierung zum Kleben von  perfekte Perlen.