EP4043731B1

EP4043731B1 - Exzenterschnecken-mikrodosiervorrichtung und verfahren zur steuerung einer exzenterschnecken-mikrodosiervorrichtung

Info

Publication number: EP4043731B1
Application number: EP22156775.3A
Authority: EP
Inventors: Til VIEWEG; Manfred BUCHHAUSER; Thomas Wanka; Hans-Jörg von Lücken
Original assignee: Vieweg GmbH
Current assignee: Vieweg GmbH
Priority date: 2021-02-16
Filing date: 2022-02-15
Publication date: 2025-03-19
Anticipated expiration: 2042-02-15
Also published as: EP4043731A1; DE102021103615A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Exzenterschnecken-Mikrodosiervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Steuerung eines Mikrodosierprozesses gemäß dem Patentanspruch 7.
Bekanntlich wird industrielle Fertigung erst möglich durch Reproduzierbarkeit und Prozesskontrolle über alle Herstellungsphasen, weil eine die Produktion begleitende Prozessverbesserung die laufende Optimierung ermöglicht, die die Wettbewerbsfähigkeit dauerhaft erhält.
Entsprechend brisant sind Kenntnis und Monitoring aller den Fertigungsprozess bestimmenden Zustände von Dosiervorrichtungen in einer Fertigungsanlage.
Mit immer leistungsfähigeren flüssigen und pastösen Funktionswerkstoffen und der Miniaturisierung entwickelte sich auch der Bedarf, Flüssigkeiten und Pasten im industriellen Fertigungsprozess immer genauer und schneller präzise zu dosieren, wobei das Dosiergut z.B. Vorfixieren und Kleben, elektrisch und thermisch Kontaktieren, Abschirmen und hermetisch Kapseln und immer weitere Funktionalitäten übernimmt. Inzwischen werden sogar die eigentlichen, funktionalen Bauelemente über Dosierprozesse hergestellt, wie beispielsweise optische Linsen, Leiter oder Streukörper etc. im 3D-Druck. Allerdings führt die innovative Ausdifferenzierung der immer leistungsfähigeren, anwendungsspezifischen Medien zu extremen Dosiereigenschaften: hohe und/oder abrasive Feststoffbeladung im Dosiergut (wie z.B. bei Wärmeleitpasten oder der LED-Leuchtstoffe), enge Prozessfenster für Temperatur, Druck, Agitation bzw. kinetischen Energieeintrag oder Topfzeit fordern immer genauere Abstimmung der Dosiervorrichtung auf die aktuell wirksame "Systemsituation" aus Dosiergut, Dosierer und Prozessanforderung.
Mit Miniaturisierung und Produktivitätssteigerung einhergehend wächst die Anforderung, immer kleinere Mengen mit hoher Präzision und Wiederholgenauigkeit ab zu dosieren, wobei Prozesszuverlässigkeit und Anlagenverfügbarkeit wesentliche Kriterien der Dosiermethodenwahl sind.
Dosiervorrichtungen mit Exzenterschneckenpumpen mit ihren selbstdichtenden Rotor-Stator-Passungen sind durch ihre exakt volumetrische Funktionsweise sehr vielseitig anwendbar. Solange diese im regulären Betriebsbereich arbeiten, fördern sie das Dosiergut -inklusive etwaiger Füllstoffe- exakt drehwinkelproportional, wenn auch mit definierten, leicht zu mittelnden Fördereinbrüchen durch Öffnungs- und Schließphasen der Schneckenkammern. Eine Regelung des Antriebsmotors der Exzenterschneckenpumpe verwendet daher Drehzahl und Drehwinkel als Zielgrößen des volumetrischen Dosierbetriebs. Die positionierbewegungssynchrone Regelung der Drehzahl ermöglicht dann eine örtlich konstante Abdosiermenge, also z.B. einen gleichmäßigen Dosiergutauftrag am Target. Dabei sind typisch tribologische u.a. wechselwirkende Grenzflächeneigenschaften zwischen Exzenterschneckenpumpe und Dosiergut sowie Viskositätsverhalten des Dosiergutes bestimmend für Leistung, Standzeit und Zuverlässigkeit - und stark verschleißabhängig.
Der individuelle Dosierprozess wird gemäß dem Stand der Technik aufgrund allgemeiner Erfahrungswerte über die verfügbaren Parameter grob voreingestellt und anschließend durch Versuchsreihen feinjustiert, bis das gewünschte Ergebnis stabil erreicht wird. Dieser Zustand muss dann bei Abweichungen schnell und geeignet nachgeregelt werden, wozu bis heute die Qualitätssicherung bzw. der Prozessverantwortliche über regelmäßige Stichproben anhand des Dosierergebnisses (meist an abgelegten Dosierungen oder z.B. am fertigen Zwischenprodukt) gefordert ist. Dies wird vereinzelt auch bereits über automatische Prozesse erledigt, z.B. über die bildverarbeitungstechnische Bewertung des platzierten Dosiergutes.
Treten dann im hochproduktiven Serieneinsatz Qualitätsprobleme oder gar Dosierunterbrechungen auf, so müssen fragwürdige Chargen rückverfolgt werden bis zur ersten Grenzmusterverletzung, der Fertigungsprozess muss gestoppt und der Dosierprozess muss nachgebessert werden, bevor die Serienproduktion wieder anläuft. Schaden und Aufwand können erheblich sein und die kalkulierbare Anlagenverfügbarkeit leidet, die Zuverlässigkeit steht infrage.
Besondere Brisanz gewinnt die vorliegende Erfindung durch das innovative Streben des Marktes in Richtung der Minimalmengendosierung bei immer extremerer Ausdifferenzierung von Dosierguteigenschaften für die Herstellung hoch werthaltiger Zielprodukte: aufgewendete Dosiergutmenge und Zielproduktausbeute sind wirtschaftlich hochrelevante Faktoren und daher im Fokus des Marktes, während der Aufwand an Produktionsmitteln angesichts der hohen Produktivität moderner Fertigungsanlagen kaum mehr ins Gewicht der Stückkosten fällt und so die Investitionen in innovative Anlagentechnologie mehr als rechtfertigt.
Gemäß dem Stand der Technik regeln Dosiervorrichtungen mit Exzenterschneckenpumpen (und darüber hinaus auch mit Exzenterschrauben-, Endloskolben-, Monho-/Moineau- oder Peristaltikpumpen) typischerweise mit Drehzahl und Drehwinkel am Antriebsmotor als Zielgröße, weil diese im störungsfreien und unverschlissenen regulären Betriebsbereich einem eindeutig kalkulierbaren Dosierstrom bzw. Dosiervolumen aus der Rotor-Stator-Baugruppe entsprechen.
Dass die Rotor-Stator-Passungseigenschaften extrem relevant für den Dosierprozess sind, wie sich in den Phänomenen der praktischen Verwendung zeigt, bleibt dabei unberücksichtigt und muss durch vorbeugende Nutzungsbeschränkungen und einzugehende Prozessrisiken einkalkuliert werden.
Bekannte derartige Phänomene sind z.B.

hohe Losbrechkräfte der Passung beim Anfahren (Slip-, Stick- und Schwingungstendenz)
mangelnde Kammerfüllung
temperaturabhängige Passungseigenschaften
medienabhängige Passungseigenschaften
medienabhängiges Drehmoment
medienabhängiger Verschleiß
verschleißbedingte Dosierprozessveränderung (Passungsänderung)
"plötzlicher", unvorhergesehener (Rotorstrang-) Bruch oder Blockade bzw. Totalausfall
u.a. kinetisch bedingte Medienveränderung (prozessparameterabhängig)
Veränderungen im, und Rückwirkungen aus dem nachgeschalteten Dosierstrang (z.B. Verstopfen der Dosiernadel)

Als Kriterien für Wartungsbedarf und Verschleißzustand werden Erfahrungswerte inklusive vorzusehender Standzeitreserven angesetzt, die möglichst mit vergleichbar beanspruchendem Dosiergut und Prozessbedingungen gewonnen wurden. Dabei ergeben sich wachsende Unzulänglichkeiten in dreierlei Hinsicht: das Risiko des plötzlichen Versagens ist mit immer höherwertigem Produktionsausschuss verbunden. Tatsächlich vergleichbare Vorerfahrungen werden selten wegen der fortschreitenden, anwendungsspezifischen Ausdifferenzierung von Dosierguteigenschaften hin zu "High-Tech"- Eigenschaften mit typisch extremen und engen Prozessfenstern. Dazu kommt eine höhere Produktivität der Fertigungslinien mit entsprechend hohem Produktionsausfall bei Stillstand oder Fehlproduktion.
Gemäß dem Stand der Technik treten also durch mangelnde Kenntnis des aktuellen System- und Verschleißzustandes beispielsweise ein Abdriften der Dosiergenauigkeit, ein Abplatzen einer verstopften Dosiernadel oder der spontane Bruch des Antriebsstranges mit entsprechend kostenträchtigen Folgen auf.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Mikrodosiervorrich-tung und Verfahren zur Steuerung eines Mikrodosierprozesses zu schaffen, die bzw. das die vorbeschriebenen Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Mikrodosiervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und Verfahren zur Steuerung eines Mikrodosierprozesses mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß wird die Erkenntnis genutzt, dass eine pragmatisch relevante Subsummierung aktueller Einflüsse sich in dem Verlauf des Drehmoments am Förderrotor oder Förderstator manifestiert und dieser somit die vorrangig auszuwertende Größe der Regelung darstellt.
Vorzugsweise wird die Nachregelung über Antriebsdrehmoment und Drehwinkel bzw. der daraus abgeleiteten Drehzahl des Förderrotors sowie die eher trägen Stellgrößen Temperatur oder Staudruck an Dosiergutzuführung und Exzenterschneckenpumpe erfolgen. Je nach Dosiervorrichtung und Dosiergut stehen auch andere Stellgrößen im Regelkreis zur Verfügung, die ebenfalls durch die erfindungsgemäße, feinfühlige Zustandserfassung zu schneller Nachregelung oder Wartungsplanung noch vor Auftreten echter Qualitätsmängel oder gar einem Anlagenausfall nutzbar sind.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, bereits sich anbahnende Abweichungen des Dosierprozesses frühzeitig und vorzugsweise automatisch zu erkennen, mit Blick auf mögliche Stellgrößen zu analysieren und damit den umgehenden Nachregelprozess zu befähigen, ohne dass eine Fertigungsunterbrechung oder Ausschussproduktion überhaupt anfällt. Die Standzeit der Produktionsmittel und die Topfzeit des Dosiergutes werden zuverlässig und voll ausschöpfbar, also ohne Notwendigkeit vorzusehender und jedenfalls verlorener Sicherheitsreserven.
Weiterhin erschließt die Erfindung völlig neue Anwendungsstrategien, indem es immer ausgehend vom aktuellen Funktionszustand die völlige Kontrolle über den Dosierprozess schafft und somit beispielsweise auch "schlechte" Passungen zwischen Förderrotor u. Förderstator noch bis zum Rand des Prozessfensters genutzt werden können: Passungen, die bislang wegen zweifelhafter Standzeiterwartung vorsorglich verworfen wurden, können durch erfindungsgemäßes Vorgehen risikofrei bis zur Verschleißgrenze gefahren werden. Auch beispielsweise die Nachführung einer passungsrelevanten Anstellkraft wird durch die erfindungsgemäße Drehmomenterfassung anwendbar, ebenso viele andere Methoden, die funktionsrelevanten Passungslinien der Exzenterschneckenpumpe nachzuregeln, um die Dosiereigenschaften anzupassen oder die Nutzungsdauer zu verbessern.
Durch Verschleiß der Rotor-Stator-Passung sinkt das bei unveränderten Medienverhältnissen je Drehwinkel aufzuwendende Drehmoment, während die Anstiegsflanken flacher werden können und sich deren Phasenlage gegenüber dem Neuzustand verschiebt. Das Ein- und Überschwingverhalten verändert sich signifikant. Die beobachteten Phänomene lassen sich durch besondere Ansteuerzyklen noch verdeutlichen.
Das vom Antrieb des Förderrotors zu überwindende Drehmoment bildet bei entsprechend feinfühliger Erfassung, unter Korrelation zu einem bekannten Normzustand und ggf. der individuellen Vorgeschichte, die Gesamtheit der aktuell relevanten Eigenschaften der funktionalen Exzenterschneckenpumpe hinreichend ab, so dass eine serienproduktionsgerechte Zuverlässigkeit im Dosierprozess höchster Präzision daraus ableitbar ist. Prozessschwankungen können daran orientiert ausgeregelt, Wartungsbedarf vorhergesehen und unvorhergesehene Produktionsunterbrechungen vermieden werden.
Sowohl das eingeschwungene Drehmoment, als auch beispielsweise Anfahrrampen mit deren Flankensteilheit, Phasenlage und Überschwingverhalten liefern deutliche Hinweise zum Verschleißzustand der Exzenterschneckenpumpe. Eigens definierte Antriebszyklen können die Zustandsanalyse der Exzenterschneckenpumpe (und des Dosierguts) erleichtern.
Die Einbeziehung weiterer Produktionsprozessinformationen perfektioniert Leistung, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Dosiervorrichtung in Richtung Produktivität, Kosteneffizienz und Ergebnisqualität. Es ergeben sich neue Einsatzmöglichkeiten bspw. in der präzisen Mikrodosierung.
Erfindungsgemäß sind Veränderungen in der Dosiergenauigkeit durch feinfühlige Überwachung des Drehmoments erkenn- und ausregelbar, und die Annäherung an eine Dosierprozessgrenze kann durch einen bedarfsgerechten Wartungsplan kalkulierbar abgefangen werden. Dies ermöglicht auch die gefahrlose Ausschöpfung der maximal möglichen Nutzungsdauer der hochwertigen Dosierkomponenten.
Im Übrigen ermöglicht die feine Ausregelbarkeit gemäß der Erfindung auch immer kleinere Abdosierungen zuverlässig mit der erforderlichen Genauigkeit.
Die vorliegende Erfindung schließt eine Lücke bei Monitoring und Prozessregelung und beseitigt damit hohe Risiken für Qualität und Anlagenverfügbarkeit. Sie schafft die Voraussetzung für Industrie_4.0- und selbstlernende (KI) Verwendungen.
Die konkret beanspruchte Mikrodosiervorrichtung hat eine Exzenterschneckenpumpe, die einen Förderstator und Förderrotor aufweist, wobei der Förderrotor mittels eines Antriebs relativ gegenüber dem Förderstator drehbar ist. Erfindungsgemäß ist ein Drehmomentsensor zur Erfassung des effektiv am Förderrotor oder am Förderstator anliegenden Drehmoments vorgesehen.
Die Mikrodosiervorrichtung bzw. der Mikrodosierprozess kann durch zumindest eines der folgenden Merkmale gekennzeichnet sein:

Das Volumen der Einzelabgaben ist im Mikroliterbereich (ul) (entspricht Milligrammbereich) oder darunter, das Volumen der Einzelabgaben ist also weniger als 1 Milliliter (ml).
geringe Durchflussmengen, also weniger als 2 Milliliter pro Sekunde (ml/s), insbesondere weniger als 1 Milliliter pro Sekunde (ml/s).
kleine Totraumverluste (d.h. geringer Verbrauch an Dosiergut bis zur ersten Dosierabgabe)
hohe Genauigkeitsanforderung inkl. Wiederholgenauigkeit
Erhalt der oft hochempfindlichen Eigenschaften des Dosierguts (Viskositäten, Topfzeiten uvm.)
die Funktionalität des Abdosierten hängt von der Präzision des Auftrags ab, nicht nur vom Volumen. Die Exzenterpumpe und das Dosiergut müssen also wegen starker wechselseitiger Beeinflussung gemeinsam geregelt werden. Das Verhältnis der berührenden Oberflächen der Exzenterpumpe zum Dosiergutvolumen ist groß.

Der Drehmomentsensor ist bei einem ersten Grundprinzip der Erfindung in einen Rotorstrang zwischen dem Antrieb und der Exzenterschneckenpumpe kraftschlüssig integriert. Damit rotieren zumindest wesentliche Teile des Drehmomentsensors.
Bei einem zweiten Grundprinzip der Erfindung ist der Drehmomentsensor in einen Statorstrang zwischen dem Gehäuse oder dem Statorkoppelgehäuse und der Exzenterschneckenpumpe integriert. Damit ist der Drehmomentsensor gehäusefest.
Der Drehmomentsensor ist beim ersten Grundprinzip - vorzugsweise über adaptierende Kupplungen - seriell zwischen den Antrieb und die Exzenterschneckenpumpe, also z.B. in den Rotorstrang eingebracht.
Beim zweiten Grundprinzip ist der Drehmomentsensor zwischen dem Statorkoppelgehäuse und dem Förderstator angeordnet.
Der Drehmomentsensor ist vorzugsweise vom Anwender nachträglich modular zwischen den Antrieb und die Exzenterschneckenpumpe bzw. zwischen das Statorkoppelgehäuse und den Förderstator einfügbar. Beispielsweise ist der Drehmomentsensor vom Anwender nachträglich modular in den Rotorstrang bzw. Statorstrang einfügbar. Dabei wird der Drehmomentsensor über eine adaptierende Kupplung einerseits an den Antrieb und anderseits an den Förderrotor bzw. einerseits an das Statorkoppelgehäuse und andererseits an den Förderstator drehfest gekoppelt.
Unter Rotorstrang sind rotierende Komponenten, also insbesondere ein Rotor des Antriebs und der Förderrotor zu verstehen. Unter Statorstrang sind gehäusefeste Komponenten, also insbesondere das Statorkoppelgehäuse und der Förderstator und die Statoraufnahme zu verstehen.
Der Antrieb ist insbesondere ein Elektromotor.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Mikrodosiervorrichtung auch einen Drehwinkelsensor für den Förderrotor auf. Dieser kann auch als Drehzahlsensor weitergebildet sein. Damit wird die erfindungsgemäße frühzeitige und vorzugsweise automatische Erkennung der sich anbahnenden Abweichungen des Dosierprozesses weiter erleichtert.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Mikrodosiervorrichtung mindestens einen weiteren Sensor für ein Dosiergut auf. Der weitere Sensor kann ein Staudrucksensor oder ein Temperatursensor oder ein Fördervolumenstromsensor sein. Damit wird die erfindungsgemäße frühzeitige und vorzugsweise automatische Erkennung der sich anbahnenden Abweichungen des Dosierprozesses weiter erleichtert.
Das konkret beanspruchte sensorische Verfahren dient zur Optimierung eines Mikrodosierprozesses. Erfindungsgemäß erfolgt eine laufende oder periodische Erfassung und Protokollierung und Ausgabe des zeitlichen Verlaufs eines effektiv an einem Förderrotor oder an einem Förderstator einer Exzenterschneckenpumpe einer Mikrodosiervorrichtung anliegenden Drehmoments. Dies dient zur Überwachung und/oder Regelung und/oder Parametrierung und/oder Wartung der Mikrodosiervorrichtung. Die Mikrodosiervorrichtung ist vorzugsweise eine vorbeschriebene Mikrodosiervorrichtung.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient zur weiteren Optimierung des Mikrodosierprozesses. Dabei erfolgt eine Erfassung, Protokollierung und/oder Ausgabe des zeitlichen Verlaufs auch eines Drehwinkels bzw. einer Drehzahl des Förderrotors. Dies dient zur Überwachung und/oder Regelung und/oder Parametrierung und/oder Wartung der Mikrodosiervorrichtung.
Es kann auch nach aktiver Anregung eine Impulsantwortanalyse zur Zustandsbestimmung der Mikrodosiervorrichtung, insbesondere der Exzenterschneckenpumpe, insbesondere einer Rotor-Stator-Baugruppe durchgeführt werden.
Die Verwertung des Verlaufs des Drehmoments und ggf. des Drehwinkels bzw. der Drehzahl erfolgt vorzugsweise im Rahmen eines selbstlernenden Regelungsprozesses der Mikrodosierung.
Mit Hilfe des erfindungsgemäß erfassten Verlaufs des Drehmoments und ggf. auch des Drehwinkels bzw. der Drehzahl wird bei einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ein Service- und Wartungsplan erstellt. Dies dient zur Maximierung von Standzeit, Anlagenverfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Vermeidung unerwarteter Totalausfälle.
Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse und Möglichkeiten zum Mikrodosierprozess wird bei einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens der oben genannte Service- und Wartungsplan verändert oder ein extra Service- und Wartungsplan erstellt. Dies dient auch zur Maximierung von Standzeit, Anlagenverfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Vermeidung unerwarteter Totalausfälle.
Mit Hilfe des erfindungsgemäß erfassten Drehmoments oder dessen Verlauf kann auch ein Zustand eines Dosierguts überwacht werden, wobei der Zustand vorzugsweise eine Viskosität ist.
Mit mindestens einem weiteren Sensor kann auch ein Staudruck und/oder eine Temperatur und/oder ein Fördervolumen des Dosierguts überwacht werden.
Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse und Möglichkeiten zum Dosiergut kann der oben genannte Service- und Wartungsplan verändert oder ein extra Service- und Wartungsplan erstellt werden. Dies dient ebenfalls zur Maximierung von Topfzeit, Dosiergutverbrauch, Anlagenverfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Vermeidung unerwarteter Totalausfälle.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird ein Totalausfall - vorzugsweise unverzüglich - signalisiert. Dies kann konkret ein Bruch im Antriebsstrang sein, der durch ein extrem hohes Drehmoment oder durch ein extrem niedriges Drehmoment erkannt wird. Bei der Weiterbildung des Verfahrens mit der Drehwinkel- bzw. Drehzahlüberwachung kann der Bruch im Antriebsstrang auch durch eine extrem hohe oder durch eine extrem niedrige Drehzahl erkannt werden.
Bei einer bevorzugten Anwendung des Verfahrens werden damit konstruktionsbedingte Dosiermengenschwankungen von Exzenterschneckenpumpen der Mikrodosierung ausgeregelt. Damit wird die Dosiergenauigkeit erhöht und so die Prozessgenauigkeit verbessert.
Drei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung und ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Figuren dargestellt.
Es zeigen

Figur 1 eine Exzenterschneckenpumpe und einen Antrieb der erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel eines ersten Grundprinzips der Erfindung in einer geschnittenen Darstellung,
Figur 2 die erfindungsgemäße Mikrodosiervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des ersten Grundprinzips der Erfindung in einer schematischen Darstellung,
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Mikrodosierprozesses, und
Figur 4 die erfindungsgemäße Mikrodosiervorrichtung gemäß einem zweiten Grundprinzip der Erfindung in einer geschnittenen Darstellung.

Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aus Figur 1 verfügt die Mikrodosiervorrichtung erfindungsgemäß über einen Drehmomentsensor 110, der kraftschlüssig einerseits mit dem elektromotorischen Antrieb 10 und andererseits mit einem Exzenterschrauben-Förderrotor 50 einer Exzenterschneckenpumpe 1 verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem Antrieb 10 und dem Förderrotor 50 ist durch einen Rotorstrang gebildet, in den der Drehmomentsensor 110 kraftschlüssig integriert ist.
Die Exzenterschneckenpumpe 1 hat einen Förderstator 60, der in einer Statoraufnahme 70 gehäusefest aufgenommen ist. Dabei ist die Statoraufnahme 70 über ein Statorkoppelgehäuse 20 mit einem Gehäuse des elektromotorischen Antriebs 10 fest verbunden. In dem Statorkoppelgehäuse 20 ist der Rotorstrang mit dem Drehmomentsensor 110 aufgenommen.
Der Förderstator 60 umgibt den Förderrotor 50, wodurch gedichtete Schneckenkammern gebildet sind, die bei Rotation des Förderrotors 50 von einem Dosierguteinlass 100 (in Figur 1 nach unten) in Richtung zu einer Dosiernadelaufnahme 80 bewegt werden.
Signale des Drehmomentsensors 110 stehen einer (in Figur 1 nicht gezeigten) elektronischen Dosiersteuerung laufend zur Verfügung. Die Dosiersteuerung verfügt damit jederzeit über die Information, welches Drehmoment von dem Antrieb 10 in den Förderrotor 50 der Exzenterschneckenpumpe 1 eingespeist wird.
Weitere Sensoren 90 können hilfreiche Zusatzinformationen bezüglich des Dosiergutes (wie z.B. dessen Staudruck, Temperatur oder Fördervolumenstrom) vom Dosierausgang der Dosiernadelaufnahme 80 an die elektronische Dosiersteuerung liefern.
Figur 2 zeigt die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, mit dem beide Grundprinzipien der Erfindung realisierbar sind. Dosiergut wird von einem Behälter 140 zu dem Dosierguteinlass 100 der Exzenterschneckenpumpe 1 gefördert. Deren (in Figur 2 nicht gezeigter) Förderrotor wird von dem elektromotorischen Antrieb 10 über den Rotorstrang angetrieben, wobei in oder an dem Rotorstrang neben dem Drehmomentsensor 110 auch ein Drehzahlsensor 120 angeordnet ist.
Signale des Drehmomentsensors 110 stehen der elektronischen Dosiersteuerung µC laufend zur Verfügung. Die Dosiersteuerung µC verfügt damit in Kombination mit der Drehwinkelinformation des Drehzahlsensors 120 jederzeit über die Information, welche Kräfte, Leistungen und Energien von dem Antrieb 10 in den Förderrotor 50 der Exzenterschneckenpumpe 1 eingespeist werden. Ein Fördervolumenstromsensor 90 liefert hilfreiche Zusatzinformationen bezüglich des Dosiergutes vom Dosierausgang der (in Figur 2 nicht gezeigten) Dosiernadelaufnahme an die Dosiersteuerung µC.
Im Rotorstrang beidseitig des Drehmomentsensors 110, also auf der Seite der Antriebs 10 und auf der Seite des Exzenterschneckenpumpe 1 sind jeweilige Kupplungen 30 angeordnet. Diese ermöglichen ein nachträgliches modulares Einsetzen des erfindungsgemäßen Drehmomentsensors 110 in den Rotorstrang. Damit kann eine bestehende Dosiervorrichtung, insbesondere die gezeigte Mikrodosiervorrichtung mit der erfindungsgemäßen Sensorik nachgerüstet werden.
Bei beiden Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1 und 2 steuert die Dosiersteuerung µC fortlaufend die Förderung des Dosierguts über den Antrieb 10 durch Drehwinkelvorgaben pro Zeiteinheit, die dem gewünschten Fördervolumenstrom entsprechen. Gleichzeitig erfasst die Dosiersteuerung µC laufend die Messsignale des Drehmomentsensors 110 sowie optional des Drehzahlsensors 120 und/oder des mindestens einen weiteren Sensors 90.
Gemäß Figur 3 führt die elektronische Dosiersteuerung µC wahlweise gleichzeitig oder in Produktionsunterbrechungen und/oder in Kombination mit eigens definierten Mikrodosiertestabläufen Mess-, Protokoll-, Prüf- und Meldezyklen durch. Dazu erfasst die Dosiersteuerung µC insbesondere das Drehmoment im zeitlichen Verlaufszyklus, speichert diesen als zusätzliches Logfile ab und vergleicht ihn hinsichtlich Amplitude, Flankensteilheit, Ein- und Überschwingercharakter und Phasenlage mit bereits vorhandenen Zyklenprotokollen, dem des Inbetriebnahmezustandes der Mikrodosiervorrichtung bzw. deren Exzenterschneckenpumpe 1 und etwaig hinterlegter Grenzmusterverläufe.
Höchste Priorität kommt dabei der besonders einfachen Detektion von Rotorbruch oder -blockade zu, die mit höchster Priorität unverzüglich dem übergeordneten Prozessleitrechner QM signalisiert wird, damit dieser den Produktionsprozess zur Vermeidung von Ausschussproduktion sofort anhalten kann.
Ohne solchen Alarmbefund werden die übrigen Soll- bzw. "n/n+1"-Messungsab-weichungen anhand vorhandener, algorithmischer Erfahrungswerte umgerechnet in ein Status(diagnose)protokoll zur Einschätzung der verbleibenden Nutzungsdauer, des nächsten Wartungsintervalls und einen Vertrauensgrad (z.B. Ausfallwahrscheinlichkeit im laufenden Wartungsintervall).
Diese Statuskennzeichen können vom Prozessleitrechner QM vorteilhaft zu einer Maximierung von Verfügbarkeit, Ausbeute, Produktivität und Kosteneffizienz der Fertigungsprozesse genutzt werden.
Figur 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung in einer geschnittenen Darstellung. Der als Antrieb dienende Elektromotor 10, die Exzenterschneckenpumpe 1 und die Dosiernadelaufnahme 80 mit dem weiteren Sensor 90, der ein Fördervolumenstromsensor sein kann, entsprechen denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels aus Figur 1.
Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel ist der erfindungsgemäße Drehmomentsensor 110 gemäß einem zweiten Grundprinzip der Erfindung zwischen dem Statorkoppelgehäuse 20 und der Statoraufnahme 70 angeordnet. Damit ist der Drehmomentsensor 110 gehäusefest ohne rotierende Funktionsteile.
Offenbart sind eine Mikrodosiervorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines Mikrodosierprozesses mit einer Mikrodosiervorrichtung. Die Mikrodosiervorrichtung hat eine Exzenterschneckenpumpe, die von einem z.B. elektromotorischen Antrieb über einen Drehmomentsensor angetrieben wird. Das Drehmoment wird kontinuierlich oder periodisch erfasst. Daraus werden Rückschlüsse auf den Zustand und/oder auf Veränderungen wie z.B. auf den Verschleiß der Exzenterschneckenpumpe gezogen.

Bezugszeichenliste

1: Exzenterschneckenpumpe
10: Antrieb / Elektromotor
20: Statorkoppelgehäuse
30: Kupplung
40: Verbindungsflansch
50: Förderrotor
60: Förderstator
70: Statoraufnahme
80: Dosiernadelaufnahme
90: weiterer Sensor, Fördervolumenstromsensor
100: Dosierguteinlass
110: Drehmomentsensor

QM: Prozessleitrechner
µC: elektronische Dosiersteuerung

Claims

Mikrodosiervorrichtung mit einer Exzenterschneckenpumpe (1), die einen Förderstator (60) und einen Förderrotor (50) aufweist, wobei der Förderrotor (50) mittels eines Antriebs (10) relativ gegenüber dem Förderstator (60) drehbar ist, gekennzeichnet durch einen Drehmomentsensor (110) zur Erfassung des effektiv am Förderrotor (50) oder am Förderstator (60) anliegenden Drehmoments.
Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (110) in einen Rotorstrang zwischen dem Antrieb (10) und der Exzenterschneckenpumpe (1) oder in einen Statorstrang zwischen einem Statorkoppelgehäuse (20) und der Exzenterschneckenpumpe (1) kraftschlüssig integriert ist.
Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (110) über adaptierende Kupplungen (30) vorzugsweise seriell zwischen den Antrieb (10) und die Exzenterschneckenpumpe (1) eingebracht ist, oder dass der Drehmomentsensor (110) vorzugsweise seriell zwischen dem Statorkoppelgehäuse (20) und dem Förderstator (60) angeordnet ist.
Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (110) nachträglich einfügbar ist.
Mikrodosiervorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch einen Drehwinkelsensor (120) für den Förderrotor (50).
Mikrodosiervorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch mindestens einen weiteren Sensor (90) für ein Dosiergut, der ein Staudrucksensor oder ein Temperatursensor oder ein Fördervolumenstromsensor ist.
Sensorisches Verfahren zur Optimierung eines Mikrodosierprozesses gekennzeichnet durch eine laufende oder periodische Erfassung und Protokollierung des zeitlichen Verlaufs eines effektiv an einem Förderrotor (50) oder an einem Förderstator (60) einer Exzenterschneckenpumpe (1) einer Mikrodosiervorrichtung - insbesondere gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche - anliegenden Drehmoments.
Verfahren nach Anspruch 7 gekennzeichnet durch eine Erfassung und Protokollierung des zeitlichen Verlaufs eines Drehwinkels bzw. einer Drehzahl des Förderrotors (50).
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass nach aktiver Anregung eine Impulsantwortanalyse zur Zustandsbestimmung der Mikrodosiervorrichtung, insbesondere der Exzenterschneckenpumpe (1) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Verwertung des Verlaufs des Drehmoments im Rahmen eines selbstlernenden Regelungsprozesses der Dosierung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Verlaufs des Drehmoments ein Service- und Wartungsplan erstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Drehmoments oder des Verlaufs des Drehmoments ein Zustand eines Dosierguts überwacht wird, wobei der Zustand vorzugsweise eine Viskosität ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zustand eines Dosierguts überwacht wird, wobei der Zustand ein Staudruck oder eine Temperatur oder ein Fördervolumen ist.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Zustandes des Dosierguts ein Service- und Wartungsplan erstellt und/oder angepasst wird.