CC BY
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ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.3
BATCHMAG - KONZEPTE FÜR VENTILE DER ZUKUNFT
© 2011 г. S. Rosenbaum, B. Goj, S. Hampl, L. Dittrich, T. Str öhla, M. Hoffmann
Технический университет Ильменау, Technische Universität Ilmenau, Institut
институт микро- и нанотехнологий fü r Mikro- und Nanotechnologien
MacroNano® MacroNano®
BatchMags sind miniaturisierte Magnetventile, die durch ihre hochparallelisierte Fertigung und die dabei zum Einsatz kommenden Technologien zum einen ü ber technologische Alleinstellungsmerkmale verfü gen, zum anderen kostengü nstig in groß en Stü ckzahlen hergestellt werden kö nnen. Das Paper prä sentiert Konzepte, Vorteile und Anwendungsszenarien der vorgeschlagenen Technologie und zeigt so zukü nftige Mö glichkeiten der Ventiltechnik auf.
Schlagwö rter : Magnetventil; Batch-Fertigung; Mikrosystemtechnik; Integration.
BatchMags представляют собой миниатюрные электромагнитные клапаны. За счет высокоточного их изготовления и применяемых при этом технологий они обладают, с одной стороны,уникальными технологическими свойствами, а с другой — их производство в большом количестве не требует больших материальных затрат. В данной статье представлены проекты, преимущества и возможности применения предложенной технологии, а также раскрыты перспективы развития в конструировании клапанов.
Ключевые слова: электромагнитный вентиль; Batch-технология; порционное изготовление; микросистемотехника; унификация.
BatchMags are miniaturized electromagnetic valves that will be produced in a highly parallelized way. The employed technologies for achieving this lead to unique technological features and a very cost-effective production in large numbers. The paper presents concepts, advantages and possible use cases and application scenarios of the suggested technology. Thus, future trends and possibilities in valve technology are pointed out.
Keywords: magnetic valve; batch processing; microsystems technology; integration.
Motivation
Vor 50 Jahren erfand der amerikanische Ingenieur Jack Kilby den ersten integrierten Schaltkreis und l ö ste damit die rasante Entwicklung moderner Mikrochips aus . Dieser Markt besitzt heute ein weltweites j ä hrliches Volumen von mehr als 219 Mrd. US-Dollar [1] und beeinflusst alle Bereiche der Technik entscheidend. Die Kostenverringerung durch Miniaturisierung, Integration und Batchfertigung bei gleichzeitiger Verbesserung der Zuverl ä ssigkeit und des Funktionsumfangs fü hrte solche Chips zu gro ß em Erfolg. Die Übertragbarkeit dieser Methoden zeigt sich im Siegeszug der Mikro-Elektro-Mechanischen Systeme (MEMS) in vielen Bereichen des t ä glichen Lebens.
Die klassische Mechatronik und insbesondere Elektromagnetantriebe bauen bislang auf seriellen,
montageorientierten Fertigungsprozessen auf. Im Übergangsbereich zur Mikromechatronik bietet es sich an, das Beste aus Feinwerktechnik und Mikrosystemtechnik zu kombinieren. Integration und Prozessierung im Batch erm ö glichen einen verringerten Montageaufwand und die Entwicklung neuer Designkonzepte unter Beibehaltung des Prinzips klassischer elektromagnetischer Antriebe .Auf diese Weise wird es m ö glich, weitaus kleinere, dennoch kosteng ü nstige und gleichzeitig leicht integrierbare Aktorsysteme zu entwickeln. Von besonderer Bedeutung sind hier Ventile, die zuk ü nftig beispielsweise in der (Mikro-) Fluidik, Bioanalytik oder Mikroreaktionstechnik in gro ß er St ü ckzahl, aber sehr kleinen Abmessungen ben ö tigt werden. Vollst ä ndig neue Konzepte er ö ffnen zukunftsweisende M ö glichkeiten: Von Einzelventilen mit einfach zu realisierenden Varianten bis hin zu
hochintegrierten Ventilinsel-L ö sungen aus einem Guss.
Stand von Wissenschaft und Technik
Elektromagnetisch bet ä tigte Ventile erm ö glichen hohe Verstellwege bei gleichzeitig hohen Kr ä ften. Nachteilig bei der Miniaturisierung wirken sich die niedrige Energiedichte und die hohen W ä rmeverluste aus [2].
Neben herk ö mmlichen Fertigungsverfahren fü r Magnetventile wie Fr ä sen, Drehen und Gie ß en haben sich die LTCC-Technologie und die Oberfl ä chen- und Volumenmikromechanik als vielversprechende Verfahren herauskristallisiert. Diese bieten den Vorteil einer batch-kompatiblen Prozessierung, wodurch ein Fertigungsablauf mit strenger Prozessfolge vorgegeben ist, welcher den Vorteil einer hochparallelisierten Fertigung mehrerer Baugruppen (Ventile) bietet.
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Microvalve
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0,45 mm ' 9 mm 5 22 mm Aufreihmaß
Abb. 1. Baugroß en typischer am Markt befindlicher Ventile (10 bar)
Die Miniaturisierung von Magnetventilen ist unter Nutzung herk ö mmlicher Fertigungsverfahren kaum noch m ö glich, da deren Bearbeitungsm ö glichkeiten weitgehend ausgereizt bzw. teuer sind. Jedoch sind durch innovative Ideen wie die Funktionsintegration von elektronischen und mechanischen Baugruppen [3] oder die Entwicklung neuer Prinzipe [4] weitere Miniaturisierungsschritte m ö glich.
Ein weiterer Fertigungsansatz miniaturisierter Ventile stellt die LTCC-Technologie (Low-Temperature Co-fired Ceramics) dar. Durch die Verwendung eines keramischen Grundsubstrates ist die Bestä ndigkeit gegenuber aggressiven Medien bei gleichzeitig hoher W ä rmeleitf ä higkeit und mechanischer Stabilit ä t
gegeben. Durch die Entwicklung ferromagnetischer Tapes und siebdruckfä higer Dauermagnetmaterialen (siehe [5]) erh ö ht sich das Potential von LTCC-Magnetventilen erheblich, weil dadurch voll integrierte, polarisierte Magnetkreise denkbar sind. Erste Ansatze fü r elektromagnetische LTCC-Ventile werden in [6] und [7] beschrieben.
Zwischen im industriellen Einsatz fü r die Prozessautomatisierung befindliche Ventile und Mikroventile, z.B. fü r feinste Dosieraufgaben, existiert eine L ü cke, deren Schlie ß ung einen sinnvollen Ansatzpunkt für BatchMags bietet (Abb. 1).
Potentiale und m ö gliche Anwendungsszenarien
Im Batch gefertigte miniaturisierte Magnetventile zeichnen sich durch eine Vielzahl an Vorteilen aus, die sowohl technologisch als auch ö konomisch wegweisend sind.
Durch den Ansatz der Miniaturisierung werden Baugr ö ß en erreicht, die heute am Markt noch nicht vertreten sind (Abb. 1). Pneumatisch angetriebene Mikromontagelinien werden heute in ihren ä u ß eren Abmessungen nicht selten durch die Gr öß e der Ventile bzw. Ventilinseln bestimmt. Durch eine Verkleinerung der Einzelventile bei ä hnlichen Leistungsdaten kann so ein wesentlich kleinerer Bauraum erzielt werden. Sind die Ventile auf beweglichen Teilen angeordnet, reduziert sich die Tr ä gheit, was zu einer m ö glichen erhö hten Dynamik des Systems fü hrt.
Diese einfachen kleinen Ventile bieten au ß erdem die M ö glichkeit, durch geschickte Kombination auch h ö here Funktionen (Mehr-Wege-Ventile, Proportionalventile, Fluidmischer) zu realisieren. Abb. 2 zeigt eine m ö gliche Ventilkombination zur Darstellung einer Proportionalventilfunktionalit ä t.
Weiteres Potential bietet sich durch ein geschicktes Design der Einzelventile. Die Verwendung resonanter Prinzipien und polarisierter Systeme erm ö glichen eine hohe Energieeffizienz. Weiterhin k ö nnen durch den Einsatz ausgew ä hlter Technologien (z. B. LTCC, Keramik) medienresistente Ventile z.B. fü r den Einsatz in Pharmazie und Medizintechnik hergestellt werden.
Vollplatte-
Abb. 2. Proportionalventilfunktionalit ä t mit BatchMags
Neben modularen Kombinationsm ö glichkeiten von Einzelventilen besteht auch die M ö glichkeit, schon w ä hrend des Prozesses durch Anpassung einzelner Schritte (z.B. Anpassung einzelner Maskenebenen zur Ä nderung der elektrischen und/ oder fluidischen Verschaltung) integrierte Baugruppen zu erzeugen (Abb. 3).
Ans ä tze fü r Technologie und Design
Am Beispiel eines ersten Ventilkonzeptes sollen mögliche Technologien fur eine Batchfertigung miniaturisierter Magnetventile vorgestellt werden (Abb. 4) [8].
Abb. 3. Flexibles Maskendesign fü r integrierte Ventilbaugruppen
Der gr öß te Vorteil einer solchen Fertigungstechnologie liegt jedoch in den Kosten. Aufgrund der hochparallelisierten Fertigung lassen sich gro ß e St ü ckzahlen mit einer geringen Bandbreite an Zulieferteilen herstellen. Die hohe Konstanz im Fertigungsprozess führt zu geringen Ausschussraten. Au ß erdem reduzieren sich die Entwicklungszeiten und —kosten, da die Anpassung auf neue Anwendungen in einem weiten Bereich einfach ü ber eine Neukombination der Standardventilbausteine und nicht ü ber aufw ä ndige Designanpassungen erfolgt.
Vielversprechende Technologien zur Herstellung einzelner Komponenten dieses Ventilkonzepts sind unter anderem:
— Metal Injection Moulding (MIM). Bei diesem Metallpulver-Spritzgussverfahren k ö nnen metallische Bauteile mit den spritzguss-typischen Freiheiten in der Formgebung in groß en Stückzahlen kosteneffizient hergestellt werden. Die Verwendung von Legierungen mit herausragenden magnetischen Eigenschaften (z. B. FeCo48) ist hier m ö glich. (Abb. 5).
Abb. 4. Konzept eines miniaturisierten 2/2-Wegeventils mit m ö glichen Fertigungstechnologien fü r einzelne
Bauteile
— Multilayer-Direct-UV-LiGA. (MehrstufenLithografie und galvanische Abformung) Das Verfahren erlaubt die galvanische Abscheidung von 2,5D-Strukturen in inversen Formen aus fotostrukturierbarem Resist. Dabei kö nnen metallurgisch und r ä umlich funktionsoptimierte Werkstoffkombinationen zur Funktionenintegration in heterogenen Bauteilen erzeugt werden.
— Mikrogepragte LTCC Hochstromspulen. Die Einbettung elektrisch leitf ä higer Bahnen mit Siebdruck in vorgepr ä gte Keramik-Tapes erlaubt eine sehr gute W ä rmeabfuhr und damit hohe zul ä ssige Stromdichten (Abb. 5).
2. Nguyen N. Fundamentals and applications of microfluidics. Boston, London: Artech House micro-electromechanical systems series, Vol. 2 (2002)
3. Schutzrecht WO 98/57081 (Juni 1998). Dettmann, Heinrich (Erfinder): Miniaturized Magnetic Valve. Burkert Werke GmbH & Co. KG (Anmelder).
4. Schutzrecht WO 98/57081 (Juni 1998). Dettmann, Heinrich (Erfinder): Miniaturized Magnetic Valve. Burkert Werke GmbH & Co. KG (Anmelder).
5. Golonka L. J. Technology and applications of Low Temperature Cofired Ceramic (LTCC) based sensors and Microsystems, Bulletin of The Polish Academy Of Sciences. Vol. 54, No. 2 (2006)..
Abb. 5. M ö gliche Fertigungstechnologien (v. l. n. r): MIM-Geh ä useteile, parallel im Ä tzprozess gefertigte
Federankerstrukturen, LTCC-Hochstromspulen
Zusammenfassung und Ausblick
Die vorgestellten Ideen zeigen Konzepte und Vorteile einer hochparallelisierten Fertigung magnetischer Ventile auf. Auf diese Art und Weise k ö nnen sowohl Einzelventile mit herausragenden technischen Eigenschaften entstehen als auch enorme Kostenvorteile durch hohe St ü ckzahlen erreicht werden. Bis zu einer serienreifen Umsetzung sind aber noch einige Jahre der Forschung n ö tig.
Danksagung
Die Autoren danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung f ü r die F ö rderung des Projekts BatchMag: Batch-gefertigte miniaturisierte Magnetventile (FKz: 03FO3301) im F ö rderprogramm ForMaT— Forschung fü r den Markt im Team.
Literaturverzeichnis
1. Texas Instruments, Online: http: //www. ti. com/ corp/docs/kilbyctr/jackstclair. shtml, Abruf: 2010-06-17
6. Gillman J. R. et al. Electro-magnetically actuated diverting valve using LTCC-Tapes // Electrochemical Society Proceedings, Vol. 19 (2000).
7. Klumbies H. et al. Actuators to be Integrated in Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) Microfluidic Systems // IEEE— 32nd International Spring Seminar on Electronics Technology, 2009.
8. Rosenbaum S., Kallenbach E. et al. Verbesserung der dynamischen Parameter von Magnetventilen durch Optimierung des Energiemanagements des heterogenen Gesamtsystems/ Mechatronik 2007, Innovative Produktentwicklung. Tagung Wiesloch 23/24.05.2007. VDI-Berichte 1971. D ü sseldorf. S.85-102.
9. Rosenbaum S.T., Strö hla et.al. Entwicklung energieeffizienter Ventilantriebe // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2009. № 5. С.63-69.
10. Dittrich, L. et al.: MiniMags — Microtechnical Challenges Miniaturizing Electro-Magnetic Valves, Smart Systems Integration 2008, 2008.
Поступила в редакцию 6 сннтября 2010 г.
Rosenbaum Soeren — Dipl. -Ing., wiss. Mitarbeiter, Technische Universität Ilmenau, Fakult ä t fur Maschinenbau, FG Entwurf mechatronischer Antriebe. E-mail: Soeren.Rosenbaum@ tu-ilmenau.de
Goj Boris — Dipl . -Ing., wiss . Mitarbeiter, Technische Universitat Ilmenau, Fakultat fur Maschinenbau, FG Mikromechanische Systeme. E-mail: Boris. Goj@tu-ilmenau.de
Hampl Stefan — Dipl . -Ing., wiss . Mitarbeiter, Technische Universit ä t Ilmenau, Fakult ä t fur Maschinenbau, FG Mikromechanische Systeme. E-mail: Stefan.Hampl@tu-ilmenau.de
Dittrich Lars — Dipl. -Ing., wiss . Mitarbeiter, Technische Universit ä t Ilmenau, Fakult ä t fur Maschinenbau, FG Mikromechanische Systeme. E-mail: Lars. Dittrich@tu-ilmenau.de
Str ö hla Tom — Dipl . -Ing., Fachgebietsleiter Prof, Technische Universit ä t Ilmenau, Fakultat fur Maschinenbau, FG Entwurf mechatronischer Antriebe. E-mail: Tom. Stroehla@tu-ilmenau.de
Hoffmann Martin — Dipl . -Ing., Fachgebietsleiter Prof, Technische Universit ä t Ilmenau, Fakult ä t fur Maschinenbau, FG Mikromechanische Systeme. E-mail: Martin. Hoffmann@tu-ilmenau.de
Розенбаум Зёрен — науч. сотрудник, Технический Университет Ильменау, факультет машиностроения, кафедра проектирования мехатронных приводов. E-mail: Soeren. Rosenbaum@tu-ilmenau.de
Гой Борис — науч. сотрудник, Технический Университет Ильменау, факультет машиностроения, кафедра микромеханических систем. E-mail: Boris. Goj@tu-ilmenau.de
Хампл Штефан — науч. сотрудник, Технический Университет Ильменау, факультет машиностроения, кафедра микромеханических систем. E-mail: Stefan. Hampl@tu-ilmenau.de
Диттрих Ларс — науч. сотрудник, Технический Университет Ильменау, факультет машиностроения, кафедра микромеханических систем. E-mail: Lars. Dittrich@tu-ilmenau.de
Штрёла Том — канд. техн. наук, профессор, Технический Университет Ильменау, факультет машиностроения, кафедра проектирования мехатронныгх приводов. E-mail: Tom. Stroehla@tu-ilmenau.de
Хоффманн Мартин — д-р техн. наук, профессор, Технический Университет Ильменау, факультет машиностроения, кафедра микромеханических систем. E-mail: Martin. Hoffmann@tu-ilmenau.de
Rosenbaum Soeren — University of Technology, department of mechanical engineering scientific employee. E-mail: Soeren.Rosenbaum@ tu-ilmenau.de
Goj Boris — University of Technology, department of mechanical engineering scientific employee. E-mail: Boris. Goj@tu-ilmenau.de
Hampl Stefan — University of Technology, department of mechanical engineering scientific employee. E-mail: Stefan.Hampl@tu-ilmenau.de
Dittrich Lars — University of Technology, department of mechanical engineering scientific employee. E-mail: Lars. Dittrich@tu-ilmenau.de
Stroehla Tom — Candidate of Technical Sciences, professor, University of Technology, department of mechanical engineering. E-mail: Tom. Stroehla@tu-ilmenau.de
Hoffmann Martin — Doctor of Technical Sciences, professor, University of Technology, department of mechanical engineering. E-mail: Martin. Hoffmann@tu-ilmenau.de
