Volumetrisk dosering vs. tids-/trykdosering – hvilken metode skal man vælge?

To principper, man ofte møder, er tids-/trykbaseret dosering (time-pressure dispensing) og volumetrisk dosering (volumetric dispensing).

Begge metoder kan være velegnede. Det afgørende er blandt andet materialets egenskaber, den ønskede doseringsmængde, kravene til reproducerbarhed og den samlede produktionsproces.

Så hvornår giver det mening at vælge den ene frem for den anden?

Hvad er tids-/trykbaseret dosering?

Ved tids-/trykbaseret dosering påføres materialet ved hjælp af et defineret tryk i et bestemt tidsrum.

Princippet er relativt enkelt og kan være en både praktisk og økonomisk løsning i applikationer, hvor materialet og procesforholdene er stabile, og hvor mindre variationer i den doserede mængde kan accepteres.

Men den faktiske doseringsmængde bestemmes ikke alene af den indstillede tid og det indstillede tryk.

Materialets flydeegenskaber, temperatur, modtryk og forholdene i materialeforsyningen kan også påvirke resultatet.

Hvorfor kan doseringsmængden ændre sig ved tids-/trykdosering?

En af udfordringerne ved tids-/trykbaseret dosering er, at ændringer i processen kan påvirke den mængde materiale, der kommer ud inden for den definerede doseringstid.

Det kan eksempelvis skyldes:

• ændringer i materialets viskositet
• temperaturændringer
• variation mellem materialebatches
• ændringer i modtryk
• nålens dimension og geometri
• ændringer i materialeforsyningen
• fyldningsgraden i en tryksat patron

Sidstnævnte er særligt interessant.

Når materiale doseres direkte fra en tryksat patron, ændres forholdet mellem luft og materiale, efterhånden som patronen tømmes. Fordi luft er komprimerbar, kan en fuld, halvfuld og næsten tom patron derfor give forskellige procesforhold og dermed påvirke den påførte mængde.

Det betyder ikke, at tids-/trykdosering er en dårlig metode. Hvis processen har et relativt stort acceptabelt procesvindue, kan det stadig være den mest hensigtsmæssige og økonomiske løsning.

Men jo mindre tolerance der er for variation, desto vigtigere bliver valget af doseringsprincip.

Flere af de forhold, der kan skabe variation i en doseringsproces, har vi tidligere gennemgået i 8 typiske fejl ved automatisk dosering – og hvordan de undgås.

Hvad er volumetrisk dosering?

Ved volumetrisk dosering (volumetric dispensing) styres den transporterede materialemængde ud fra et defineret volumen.

Hos ViscoTec og preeflow anvendes blandt andet excentersnekketeknologi, også kendt som progressive cavity technology.

Her danner rotor og stator definerede transportkamre. Når rotoren bevæger sig, transporteres materialet gennem disse kamre.

Det betyder, at en defineret rotation af dispenseren svarer til en defineret geometrisk volumen.

Den ønskede doseringsmængde kan dermed styres via dispenserens rotation frem for alene gennem kombinationen af tryk og doseringstid.

Betyder volumetrisk dosering, at viskositeten ikke længere har betydning?

Nej.

Viskositet er fortsat en vigtig parameter ved dimensionering af doseringsprocessen.

Den påvirker blandt andet materialeforsyningen, det nødvendige indløbstryk, valg af slanger og doseringsnål samt den mulige flowhastighed. Materialets viskositet indgår også i vurderingen af den opnåelige doseringsnøjagtighed.

Forskellen er, at den transporterede volumen ved et volumetrisk excentersnekkesystem primært defineres af dispenserens geometri og rotation.

Det kan gøre processen mindre følsom over for visse variationer i materialets flydeegenskaber end et system, hvor doseringsresultatet direkte skabes gennem tid og tryk.

Det kan være en væsentlig fordel i processer med høje krav til reproducerbarhed.

Hvor stor præcision kan opnås med volumetrisk mikrodosering?

Det afhænger altid af dispenser, materiale og den samlede proces.

Som konkret eksempel angiver preeflow for den mindste eco-PEN XS 180 en doseringsnøjagtighed på ±1 procent og en repeterbarhed på over 99 procent under de specificerede betingelser.

Den mindste angivne doseringsmængde er 0,25 µl.

Det illustrerer, hvorfor volumetrisk dosering kan være interessant i blandt andet elektronikproduktion, medical devices og andre applikationer, hvor meget små materialemængder skal placeres reproducerbart.

Tallene bør dog ikke betragtes som en garanti for enhver applikation. Det konkrete materiale, materialeforsyningen og resten af processen har fortsat betydning for det endelige resultat.

Hvornår er tids-/trykdosering et godt valg?

Tids-/trykbaseret dosering kan være en god løsning, når:

• materialet har relativt stabile egenskaber
• processen kan acceptere en vis variation
• doseringsopgaven er forholdsvis enkel
• investeringsomkostningen ønskes holdt lav
• der ikke stilles meget høje krav til reproducerbarhed
• processen let kan overvåges og justeres

Der er ingen grund til at vælge en mere avanceret doseringsløsning, hvis en simpel metode allerede leverer den nødvendige proceskvalitet.

Hvornår kan volumetrisk dosering være en fordel?

Volumetrisk dosering bliver især interessant, når processen stiller større krav til præcision, reproducerbarhed og proceskontrol.

Det kan eksempelvis være ved:

• meget små doseringsmængder
• automatiseret elektronikproduktion
• limning af små komponenter
• termiske interface-materialer (thermal interface materials, TIM)
• højviskose materialer (high-viscosity materials)
• abrasive eller højfyldte materialer (abrasive and highly filled materials)
• struktur- eller shear-sensitive materialer
• dyrt materiale, hvor overdosering bør minimeres
• applikationer med et snævert procesvindue

Her kan selv relativt små variationer få betydning for kvalitet, materialeforbrug eller efterfølgende procestrin.

Et konkret eksempel: højfyldt loddepasta

Forskellen bliver særligt interessant ved materialer, der i sig selv er vanskelige at dosere.

I en dokumenteret preeflow-applikation skulle en højfyldt loddepasta doseres reproducerbart. Materialet havde en viskositet på 105.000–115.000 mPa·s og et faststofindhold på 88 vægtprocent.

Her blev et simpelt tids-/tryksystem erstattet af en volumetrisk preeflow eco-PEN-løsning for at opnå en mere konstant og reproducerbar dosering.

Eksemplet viser samtidig en vigtig pointe: Valg af doseringsteknologi bliver ofte mere kritisk, jo mere krævende materialet er.

Hvad med meget små doseringsmængder?

Ved mikrodosering (microdispensing) bliver selv små absolutte variationer relativt store i forhold til den samlede dosis.

Hvis der eksempelvis skal placeres få mikroliter lim, epoxy eller termisk materiale på et elektronisk emne, kan en variation, der ville være ubetydelig ved en større dosering, pludselig være proceskritisk.

Her skal man ikke kun se på dispenserens specificerede præcision.

Materialeforsyning, luft i materialet, doseringsnål, robotbevægelse, temperatur og øvrige procesparametre skal fungere sammen.

En præcis dispenser kan ikke alene kompensere for en ustabil samlet proces.

Kan volumetrisk dosering reducere materialespild?

Potentielt ja – men det er den forbedrede proceskontrol, der skaber besparelsen.

Hvis en virksomhed konsekvent overdoserer for at sikre, at der aldrig kommer for lidt materiale på emnet, kan en mere reproducerbar proces gøre det muligt at reducere denne sikkerhedsmargin.

Hvis den nødvendige mængde eksempelvis er 1,00 gram, men processen kræver, at der normalt doseres 1,20 gram for at kompensere for variation, kan en mere stabil proces potentielt gøre det muligt at komme tættere på den faktisk nødvendige mængde.

Ved dyre limtyper, termiske materialer eller store produktionsserier kan selv relativt små reduktioner i overdosering få økonomisk betydning.

Volumetrisk dosering reducerer dog ikke automatisk materialeforbruget. Gevinsten opstår først, når den øgede proceskontrol bruges til at optimere doseringsmængden.

Er volumetrisk dosering altid den bedste løsning?

Nej.

Det bedste doseringsprincip er det, der opfylder kravene i den konkrete applikation med den rigtige balance mellem processtabilitet, kompleksitet, hastighed og økonomi.

En simpel tids-/trykløsning kan være fuldt tilstrækkelig til én proces.

En anden proces kan kræve volumetrisk dosering.

Og i andre applikationer kan teknologier som jetting, stempeldosering eller andre pumpetyper være mere relevante.

Valget bør derfor begynde med materialet og processen – ikke med dispenseren.

Hvilke oplysninger bør man kende, før man vælger doseringsprincip?

Som minimum bør man kende:

• materialetype
• viskositet og forventede variationer
• eventuelle fyldstoffer og abrasivitet
• shear sensitivity
• ønsket doseringsmængde eller flow
• krav til præcision og reproducerbarhed
• cyklustid
• temperaturforhold
• acceptabelt procesvindue
• ved 2K-materialer: blandingsforhold og egenskaber for begge komponenter

Derudover bør man undersøge, hvordan materialet skal forsynes til dispenseren, og hvordan doseringen skal integreres i resten af produktionsprocessen.

Test materialet under realistiske forhold

Databladet er et vigtigt udgangspunkt, men fortæller ikke nødvendigvis hele historien.

To materialer med tilsyneladende samme viskositet kan opføre sig forskelligt på grund af blandt andet fyldstoffer, temperaturfølsomhed, shear sensitivity og øvrige rheologiske egenskaber.

Derfor kan en praktisk doseringstest med det faktiske materiale være en vigtig del af valg og dimensionering af doseringssystemet.

Hos ViscoTec Nordic tester vi konkrete materialer og applikationer for virksomheder i Norden og Baltikum og vurderer blandt andet doseringsprincip, materialeforsyning, dispenserstørrelse og relevante procesparametre.

Det centrale spørgsmål er derfor ikke:

“Er volumetrisk dosering bedre end tids-/trykdosering?”

Men snarere:

“Hvor stor variation kan den konkrete proces acceptere – og hvilket doseringsprincip giver den nødvendige processtabilitet?”