Laborausstattung

Neben den aufgeführten Geräten sind im Labor vorhanden:

• mehrere Sensoren z. B. präzise optische Abstandssensoren
• weitere Dosierventile
• Aktoren z. B. hochdynamische Piezoaktoren
• Geräte und Systeme zur Materialbearbeitung
• Reinigungssysteme z. B. Ultraschallbad
• Präzisionswage
• Funktionsgerator und Oszilloskope  
• Motoren
• Mainboards: z. B. Arduino, Raspberry Pi
• Software: LabVIEW, SolidWorks, Simplify3D

In vielen Studierendenprojekten entstanden ebenfalls weitere Geräte und Systeme, die in den aktuellen Arbeiten des Labors eingesetzt werden. Dies sind z. B. eine präzise Linearachse, ein Nadelverschlussventil, eine Dosiernadelreinigungsstation sowie ein Verschleißprüfstand.

Das Digitalmikroskop Leica DVM6 A mit motorisiertem Fokustrieb und motorisiertem Kreuztisch verfügt über ein entsprechendes Kippstativ, um Proben auch schräg zu betrachten. Eine im Labor entwickelte Umlenkeinrichtung ermöglicht auch die Betrachtung von Probekörpern in einem Winkel von 90°. Durch die Beleuchtungsmöglichkeiten 4-Segment-Ringlicht, Koaxialbeleuchtung und Durchlicht, können die Proben je nach Oberflächentopologie hervorragend beleuchtet werden.

Digitalmikroskop Leica DVM6 (Bild: TH Köln, IPK)

Das Digitalmikroskop verfügt über ein Zoom-Modul mit 16:1 Zoom und integrierter Kamera. Im Labor nutzen wir für unsere Vermessungen die Objektive: PlanAPO Objektiv FOV 43,75 mm, PlanAPO Objektiv FOV 12,55 mm und das PlanAPO Objektiv FOV 3,6 mm. Durch Einsatz dieser Objektive erhalten wir eine kleinste Auflösung von 0,42 µm. Analysetools ermöglichen die Vermessung kleinerster Konturen sowie die Volumenvermessung von dosierten Tropfen oder die Partikelvermessung und Analyse der Partikelverteilung von dosierten Flüssigkeitsmengen.

Der Multimaterial-3D-Drucker arbeitet nach dem FGM-Verfahren (Fused Granulate Modeling). Der Druckkopf ist derart optimiert, dass er für die Verarbeitung von standardisierten, thermoplastischen Spritzgussgranulaten in den gängigen Größen ausgelegt ist. Durch diesen Drucker können Prototypen und Kleinserien aus Kunststoffen, glasfaserverstärkten Kunststoffen, Stählen, Hartmetallen und Keramiken gefertigt werden. In der im Labor verwendeten Ausführung können zwei Extruder gleichzeitig Granulat verarbeiten und aufbringen. Somit können neben der Bauteilerstellung auch Stützstrukturen gedruckt werden.

Zahlreiche Prozessoptimierungen, die im Rahmen unterschiedlicher Arbeiten im Labor für Konstruktionstechnik durchgeführt wurden, haben zu einer Optimierung des Druckprozesses sowie zu einer Steigerung der Reproduzierbarkeit bei bestimmten Materialien geführt.

Kamerasysteme zur Regelung von Dosierparametern (Bild: TH Köln, IPK)

Berührungslose Dosierventile ermöglichen die Tropfenabgabe mit einer Frequenz bis 1000 Hz. Der eigentliche Ventilzyklus kann in weniger als 0,5 ms ablaufen. Die Dosierfrequenz bestimmt somit vor allem die Pausenzeit zwischen zwei Dosierimpulsen. Auf Grund der geringen Öffnungszeit des Ventils, können genaue Prozesse der Tropfenbildung (Tropfenabriss und Ablagerungen an der Austrittsöffnung) nur schwer betrachtet werden.

Stroboskopische Tropfenbeobachtung (Bild: TH Köln, IPK)

Durch eine stroboskopische Tropfenbeobachtung können die Prozesse der Tropfenbildung hervorragend und mit sehr hoher Auflösung betrachtet werden. Im Labor wurde ein derartiger Tropfenbeobachtungsstand aufgebaut und optimiert. Mit einer quer zur Flugbahn des Tropfens angebrachten Kamera sowie einer LED werden hochauflösende Aufnahmen des frei fallenden Tropfes für eine spätere Analyse gemacht.

Versuchsaufbau stroboskopische Tropfenbeobachtung (Bild: TH Köln, IPK)

Durch eine eigens programmierte Benutzeroberfläche können alle relevanten Parameter angepasst werden. Durch diese Software lassen sich auch das Tropfenvolumen und die Tropfengeschwindigkeit bestimmen.

Für die Untersuchung zur berührungslosen Dosierbarkeit verschiedenster Flüssigkeiten setzen wir verschiedene Dosierventile der Firma marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH ein. Diese Dosierventile eignen sich hervorragend für den Auftrag von nieder- bis hochviskosen Medien wie z. B. Öle, Fette und Klebstoffe. Diese Systeme werden beispielsweise in der Smartphone-Herstellung, Medizintechnik, Feinmechanik, LED-Produktion, Elektronik oder Halbleitertechnik eingesetzt. Die modularen marco-Ventile ermöglichen die hochpräzise, schnelle Dosierung diverser Medien mit einer Toleranz von weniger als einem Prozent des abgegebenen Volumens. Der spezielle piezoelektrische Antrieb ermöglicht eine einzigartige Dynamik.

Präzisionsdosierventil (Bild: TH Köln, IPK)

Der berührungslose Dosierprozess ist von einer Reihe von Parametern abhängig. Z. B. haben die Öffnungszeit sowie der Flüssigkeitsdruck, mit dem das Medium in das Ventil gefördert wird, entscheidenden Einfluss auf die Dosiermenge. Im Labor werden diesbezüglich wissenschaftliche und sehr umfangreiche Dosierversuche in Abhängigkeit verschiedenster Parameter wie bspw. Öffnungszeit, Viskosität, Druck und Dosierabstand durchgeführt. Simulationen und Anpassungen von geometrischen Einflussgrößen werden in speziellen Projekten untersucht und mit praktischen Versuchen verifiziert und gegenübergestellt.