Beim Jet-Dosieren wird das Dosiermaterial zuerst aus einem Reservoir, z.B. einer Kartusche, in ein Dosierventil gefördert und gegebenfalls mit einem Förderdruck beaufschlagt. Das Ventil sorgt dann, in Kombination mit dem Förderdruck, für die Ausbildung des “Jets”, wie dies in Abb. 1 dargestellt ist.
![Abb. 1 Tropfenbildung in Abhängigkeit von Weber- und Ohnesorge Zahl a) We =1 7,4 b) We = 7,9 (kein Jet) c) On = 1,9 d) On = 0,1 [2]](https://mikromontage.shop/wp-content/themes/woodmart/images/lazy.png)
Es wird grundsätzlich in zwei unterschieldiche Betriebsarten beim Jet-Dosieren unterschieden.
- Tropfbildendes Dispensen – “droplet generating dispensing”
- Strahlbildendes Dispensen – “jet forming dispensing”
Beim tropfbildenden Dispensen wird üblicherweise ein Stößel kurz, meist wenige Millisekunde, aus einem Dichtsitz mit einer wenigen hundert Mikrometergroßen Düse gehoben, woraufhin das Dosiermaterial, bedingt durch den Förderdruck, unter die Stößelspitze gepresst wird. Daraufhin wird der Stößel schnell in den Dichtsitz zurückbewegt, wodurch ein Teil des Materials von der Stößelspitze durch die Düse hindurch verdrängt wird. Der durch die Vorwärtsbewegung des Stößels übertragene Impuls dient dabei zur weiteren Beschleunigung des Materialtropfens. Daher hat bei dieser Betriebsart neben dem Förderdrück auch der Stößelhub, die Öffnungszeit und Schließgeschwindigkeit des Stößels einen zumindest gleichwertigen Einfluss auf die Tropfenbildung. [1]
Beim strahlbildenden Dispensen wir der Stößel für eine längere Zeit offen gehalten. Durch den Förderdruck wird das Material durch die Düse gedrückt und mit der Düsengeometrie zu einem Strahl geformt. Hierbei haben die Stößelparameter einen deutlich geringeren Einfluss auf den Jet-Prozess. [1]
In der Praxis der Mikromontage hat das tropfenbildende Dispensen einen deutlich größeren Anteil, da damit deutlich kleinere Dosiermengen erreicht werden können als beim strahlbildenden Dispensen.
Wie Abb. 2 darstellt ist die Tropfen- und Strahlausbildung vor allem vom Erreichen der sogenannten kritischen Weber-Zahl abhängig. Die Weber-Zahl We ist definiert als Verhältnis der Oberflächenspannungsenergie zur kinetischen Energie. Bei einer Flüssigkeit mit der Dichte ρ, der Oberflächenspannung σ und die Viskosität η, welches aus einem Jet-Ventil mit einer zirkularen Düse des Durchmessers D mit einer Geschwindigkeit v dosiert werden soll, gilt die Gleichung:
Für dickflüssige Medien spielt des Weiteren auch die sogenannte Ohnesorge-Zahl On eine Rolle, um eine Aussage über die Jet-Fähigkeit eines Dosiermaterials treffen zu können. Die Ohnesorge-Zahl gibt das Verhältnis der Oberflächenspannungsenergie zur Energie an, die während der Flugphase des Tropfens dissipiert. Die Ohnesorge-Zahl lässt sich aus der Weber-Zahl We und der Reynolds-Zahl Re ableiten und wie folgt darstellen.
Je höher die Ohnesorge-Zahl ist, desto “zäher” verhält sich das Dosiermaterial und neigt dazu, statt kleiner Tropfen längere Fäden zu ziehen. Des Weiteren ist die Ohnesorge-Zahl direkt proportional zur kritischen Weber-Zahl. Das heißt, dass die notwendige kinetische Energie zum erfolgreichen Jetten einer Flüssigkeit mit der Viskosität zunimmt.
Nach dem Verlassen der Düse sollte der dosierte Tropfen seine Form weitgehend beibehalten. Wie in Abb. 2 dargestellt, wird dieses Verhalten allerdings nur in einem schmalen Bereich, den sogenannten Regimes, gezeigt [2]. Wie bereits oben erwähnt, findet unterhalb der kritischen Weberzahl keine Jet-Bildung statt. Im Bereich zwischen dem 1- und 3-fachen der kritischen Weber-Zahl entsteht zwar ein Jet, allerdings werden Teile des Tropfens zurück zur Düse gezogen, was sich als kritische für Folgedosierungen erweist (Rayleigh breakup regime). Zwischen dem 3- und 4-fachen der kritischen Weber Zahl kommt es zur Ausbildung der gewünschten Jet-Tropfen (Drop-on-Demand Regime) [2],[3]. Bei noch höheren Weber-Zahlen neigt das Dosiermaterial dazu sich aufgrund der hohen Geschwindigkeit zu zerstäuben (Atomization-Regime).
Referenzen
[1] T. Lindemann, “Droplet Generation Form the Nanoliter to the Femtoliter Range”, Freiburg i. Br, 2006.
[2] P. K. a. R. Zengerle, “NON-CONTACT NANOLITER & PICOLITER LIQUID DISPENSING”, University of Freiburg, Freiburg.
[3] L. S. L. Y. Yao Yufeng, “Simulation and Experiment Research of Non-contact Micro-liquid Reagent Dispensing”, Harbin, 150001, China, 2012.