W dzisiejszych czasach, nasze życie toczy się w rytmie nieustannego kontaktu z technologią. Telefon, smartwatch, a nawet słuchawki są nieodłącznym elementem naszego życia, niezależnie od warunków jakie nas otaczają. Z urządzeń tych korzystamy na basenie, spacerując podczas ulewy bez parasola, dodatkowo wymagamy aby były one odporne również na wszelkiego rodzaju pył, wilgoć czy choćby upadki z wysokości. Oczekujemy, że te technologie będą działać niezawodnie i bez szwanku niezależnie od tego na jak ekstremalne warunki je wystawimy. I w tym miejscu pojawiamy się my – inżynierowie, z naszymi bezbłędnymi pomysłami. Jednym z takich pomysłów na rozwiązanie tych problemów jest proces dispensingu. Dispensing poprzez klejenie, silikonowanie czy lakierowanie – skutecznie chroni, uszczelnia i przedłuża żywotność nowoczesnych produktów, odpowiadając na rosnące potrzeby współczesnych konsumentów.

Dispensing to bardzo szeroka kategoria procesów związana z dozowaniem precyzyjnych ilości materiałów (klejów, past, smarów, żywic czy płynów) na określone powierzchnie lub komponenty. Dispensing będzie więc procesem, w którym bardzo precyzyjnie nakładamy kropelkę kleju na mały element, np. płytkę drukowaną w telefonie komórkowym. Jest to technologia, w której używamy bardzo zaawansowanych maszyn do automatycznego dozowania takiej przykładowej kropli w sposób powtarzalny i bardzo dokładny. Fundamentalną sprawą jest to, aby każda kropla miała dokładnie taką samą objętość, była nakładana w to samo miejsce i w odpowiednim czasie.

Kluczowymi elementami procesu dozowania są:

• Precyzja – Należy nałożyć dokładnie określoną ilość materiału. Bardzo ważne, aby materiału było zawsze w punkt z określoną tolerancją, zupełnie inne błędy będą występować gdy materiału będzie za mało, a inne gdy za dużo.
• Powtarzalność – Maszyna musi za każdym razem dozować identyczną ilość materiału, bez błędów. Ludzie mogą się mylić, maszyny – dobrze zaprogramowane – działają bardziej konsekwentnie 😊
• Kontrola nad procesem – Jako inżynier musisz kontrolować parametry takie jak prędkość dozowania, ciśnienie, czy czas, żeby mieć pewność, że proces jest stabilny i nie zmienia się w czasie.

Adhesive bonding, dispensing and potting technology | Scheugenpflug GmbH (scheugenpflug-dispensing.com)

Sam proces technologiczny jest wykonywany za pomocą maszyn, które składają się z:

• Zbiornika z materiałem – w nim trzymany jest materiał, który ma być dozowany.
• Pompy lub zaworu – regulujący ilość dozowanego materiału, krótko mówiąc pompa działa jak precyzyjna strzykawka.
• Dyszy lub igły – przez którą wypływa materiał.
• Sterowania komputerowego – maszyna jest zaprogramowana, by dokładnie wiedzieć gdzie i ile materiału nałożyć.

rampf-group.com | Rampf Group

Dispensing jest stosowany w przemyśle produkcyjnym do produkcji wielu produktów codziennego użytku, na przykład w elektronice, przemyśle motoryzacyjnym czy w medycynie.

1. Klejenie (Adhesive Dispensing)

Dozowanie klejów to jeden z najpopularniejszych procesów w wielu branżach, takich jak motoryzacja, elektronika, lotnictwo, budownictwo i medycyna. Stosowane sa różne rodzaje klejów, w tym kleje na bazie epoksydów, cyjanoakrylanów, poliuretanów i kleje UV.

Kluczowe kwestie:

• Precyzja – Ważne jest dokładne kontrolowanie ilości i miejsca dozowania kleju, aby uniknąć nadmiaru lub niedoboru, co mogłoby wpływać na jakość połączenia.
• Czas utwardzania – Różne kleje mają różne czasy schnięcia, co może wpływać na szybkość procesu produkcyjnego.
• Odporność chemiczna i mechaniczna – W zależności od aplikacji , kleje muszą być odporne na czynniki środowiskowe, takie jak wilgoć, ciepło, wibracje czy substancje chemiczne.

2. Silikonowanie (Silicone Dispensing)

Silikony są stosowane do uszczelniania i izolacji powierzchni, proces ten jest wykorzystywany w różnych branżach takich jak elektronika, motoryzacja, przemysł AGD czy w konstrukcjach budowlanych.

Kluczowe kwestie:

• Elastyczność – Silikon charakteryzuje się wysoką elastycznością, co czyni go idealnym materiałem do uszczelnień, które muszą wytrzymywać naprężenia termiczne i mechaniczne.
• Odporność na temperaturę – Silikony są odporne na ekstremalne temperatury, od bardzo niskich do bardzo wysokich, co jest istotne w wielu zastosowaniach przemysłowych.
• Przyczepnośc – Różne formuły silikonów mogą mieć różne właściwości przyczepności do różnych materiałów, takich jak szkło, metal, tworzywa sztuczne czy ceramika.

3. Zalewanie (Potting)

Potting polega na zalewaniu elementów elektronicznych (lub innych komponentów) żywicami epoksydowymi, poliuretanami lub silikonami w celu ochrony przed wilgocią, kurzem, wibracjami i innymi czynnikami zewnętrznymi.

Kluczowe kwestie:

• Izolacja elektryczna – Głównym celem pottingu jest zapewnienie ochrony komponentów elektronicznych przed wyładowaniami elektrycznymi i zwarciami.
• Odprowadzanie ciepła – W aplikacjach elektronicznych żywice używane w procesie pottingu często pełnią funkcję odprowadzania ciepła, co zwiększa trwałość komponentów.
• Trwałość – Potting zapewnia długotrwałą ochronę komponentów, poprawiając ich odporność na wilgoć i zanieczyszczenia.

4. Enkapsulacja (Encapsulation)

Enkapsulacja jest podobna do pottingu, ale zamiast zalewania całego komponentu, substancja (np. żywica lub silikon) jest nakładana wokół delikatnych elementów, takich jak cewki, sensory czy układy elektroniczne, w celu ochrony przed uszkodzeniami mechanicznymi lub chemicznymi.

Kluczowe kwestie:

• Ochrona mechaniczna – Enkapsulacja zabezpiecza delikatne elementy przed uszkodzeniami wynikającymi z wibracji, uderzeń lub nacisku
• Ochrona chemiczna – Zapewnia ochronę przed wilgocią, kwasami, zasadami oraz innymi szkodliwymi substancjami.
• Przejrzystość – W niektórych przypadkach stosuje się materiały przeźroczyste, aby zachować widoczność enkapsulowanych elementów

5. Dozowanie pianek poliuretanowych (PU Foams Dispensing)

Pianki poliuretanowe są szeroko stosowane jako materiał izolacyjny, wypełniający i amortyzujący. Wykorzystuje się je m.in. w branży budowlanej, motoryzacyjnej, AGD, a także w produkcji mebli.

Kluczowe kwestie:

• Izolacyjność – Pianki poliuretanowe mają doskonałe właściwości izolacyjne (cieplne i akustyczne), co czyni je idealnymi do aplikacji w systemach HVAC i w budownictwie.
• Waga – Są lekkie, co ma duże znaczenie w branżach, w których waga komponentów ma krytyczne znaczenie, choćby w motoryzacji
• Rozprężanie – Pianki poliuretanowe zwiększają swoją objętość po aplikacji, co trzeba kontrolować, aby zapewnić równomierne wypełnienie i zapobiec nadmiarowi materiału.

6. Lakierowanie (Confomral Coating)

Lakierowanie, czyli proces nakładania powłok ochronnych na płytki drukowane (PCB) i inne komponenty elektroniczne, jest powszechnie stosowane w branży elektronicznej, zwłaszcza tam, gdzie wymagane jest zabezpieczenie przed wilgocią, kurzem, chemikaliami oraz uszkodzeniami mechanicznymi.

Kluczowe kwestie:

• Ochrona przed środowiskiem – Powłoka lakiernicza chroni delikatne komponenty elektroniczne przed szkodliwymi czynnikami środowiskowymi, takimi jak wilgoć, kurz, korozja czy zanieczyszczenia chemiczne.
• Rodzaje powłok – Najczęściej stosowane materiały to żywice akrylowe, poliuretanowe, silikonowe oraz epoksydowe, które dobierane są w zależności od wymagań aplikacji (np. odporność na temperaturę, chemikalia, elastyczność).
• Precyzyjne dozowanie – Proces lakierowania wymaga precyzyjnego nałożenia równomiernej warstwy powłoki na powierzchnię płytki, często za pomocą systemów zrobotyzowanych, aby uniknąć niedokładności i błędów.
• Utwardzanie – Powłoka musi zostać odpowiednio utwardzona, co może odbywać się przez suszenie na powietrzu, utwardzanie UV lub zastosowanie specjalnych pieców w zależności od rodzaju powłoki.

7. Wypełnianie szczelin (Gap filler)

Gap filler to proces wypełniania szczelin pomiędzy komponentami elektronicznymi, głównie tam, gdzie konieczne jest zapewnienie lepszej przewodności cieplnej i zarządzania temperaturą. Materiały gap filler stosowane są często w przemyśle motoryzacyjnym, energetycznym, w aplikacjach LED oraz w elektronice.

Kluczowe kwestie:

• Zarządzanie ciepłem – Gap fillers są materiałami przewodzącymi ciepło, które zapewniają skuteczne odprowadzanie nadmiaru temperatury z komponentów elektronicznych (np. procesorów, tranzystorów, układów scalonych) do radiatorów lub obudowy urządzenia. Dzięki temu zapobiega się przegrzewaniu elementów i zwiększa ich żywotność.
• Elastyczność i kompresja – Materiały gap filler są miękkie i elastyczne, co umożliwia ich dokładne dopasowanie do nierównych powierzchni, wypełnianie szczelin oraz redukcję naprężeń mechanicznych.
• Rodzaje materiałów – Gap fillers mogą być w postaci past, żeli, taśm lub pianki, a wybór zależy od zastosowania i wymagań temperaturowych.
• Automatyzacja – Proces dozowania gap fillerów jest często zautomatyzowany, co zapewnia precyzyjne nałożenie odpowiedniej ilości materiału oraz dokładne pokrycie powierzchni. Ważne jest, aby zapewnić odpowiednią grubość i równomierność warstwy materiału.

8. Mikrodozowanie (Micro-Dispensing)

Mikrodozowanie polega na aplikacji bardzo małych ilości materiałów, takich jak kleje, żywice, lutowie. topiki czy ciecze przewodzące, w dokładnie określonych miejscach. Proces ten jest powszechny w branży elektronicznej, zwłaszcza w produkcji półprzewodników i mikroukładów. W procesie tym liczy się precyzja, szybkość oraz stabilność.

W procesie dozowania wyróżniamy kilka technologii i sposobów dozowania w zależności od aplikacji, rodzaju materiału i precyzji jakiej wymaga proces:

Pompy dozujące:

Pompy są kluczowym elementem w systemach dispensingowych, odpowiedzialnym za precyzyjne kontrolowanie przepływu i dozowania materiału. Oto najczęstsze rodzaje pomp stosowane w przemyśle:

• Pompy tłokowe
• Zasada działania: Działają na zasadzie ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka, który zasysa materiał do komory, a następnie wypycha go przez dyszę dozującą.
• Zastosowanie: Idealne do gęstych materiałów, takich jak kleje epoksydowe, silikon, uszczelniacze i pasty lutownicze. Pompy tłokowe zapewniają bardzo precyzyjne i kontrolowane dawkowanie nawet małych objętości.
• Pompy perystaltyczne
• Zasada działania: Materiał przepływa przez elastyczną rurkę, która jest ściskana i zwalniana przez obracające się wałki. Ruch wałków powoduje zasysanie i wyciskanie medium przez rurkę.
• Zastosowanie: Świetne do dozowania cieczy o mniejszej lepkości, jak płyny montażowe, wodne roztwory czy żywice. Pompy te są szczególnie stosowane w sytuacjach, gdzie kluczowa jest sterylność, ponieważ materiał nie ma bezpośredniego kontaktu z pompą.
• Pompy zębate
• Zasada działania: Składają się z dwóch obracających się kół zębatych, które przetłaczają materiał przez system. Obracające się zęby wciągają materiał i przesuwają go do dyszy dozującej.
• Zastosowanie: Stosowane przy dozowaniu materiałów o niskiej i średniej lepkości, takich jak oleje, smary i niektóre kleje. Charakteryzują się wysoką wydajnością przy precyzyjnym dozowaniu dużych ilości materiału.
• Pompy śrubowe (progresywne)
• Zasada działania: Składają się z elastycznego statora i śruby rotacyjnej (rotora). Gdy rotor się obraca, materiał jest przesuwany wzdłuż komory, co pozwala na bardzo precyzyjne dozowanie.
• Zastosowanie: Idealne do materiałów o dużej lepkości, takich jak pasty, żywice i substancje uszczelniające. Działają w sposób ciągły, bez pulsacji, co daje bardzo precyzyjną kontrolę przepływu.

https://www.scheugenpflug-dispensing.com/

Głowice dozujące

Głowice dozujące to kluczowy element końcowy systemu dispensingowego, gdzie materiał jest aplikowany na powierzchnię produktu. Mogą działać w różny sposób, zależnie od aplikacji:

Igłowe głowice dozujące:

Zasada działania: Używane są cienkie, metalowe igły, przez które przepływa materiał. Mogą być używane do bardzo precyzyjnego nanoszenia punktowych kropli kleju, żywic, czy innych materiałów.

Zastosowanie: Doskonałe do aplikacji punktowych na małe powierzchnie, jak montaż mikroelektroniki, gdzie dokładność jest kluczowa.

Głowice strumieniowe (jet dispensing):

Zasada działania: Materiał jest wyrzucany z dużą prędkością z dyszy w postaci małych kropli, bez kontaktu z podłożem. Umożliwia to nanoszenie materiału z odległości.

Zastosowanie: Stosowane w aplikacjach, gdzie kontakt z powierzchnią nie jest wskazany lub gdzie wymagane jest precyzyjne nanoszenie materiału w miejscach trudnodostępnych, jak klejenie czy lutowanie elementów elektronicznych.

Głowice natryskowe:

Zasada działania: Materiał jest rozpylany w postaci drobnych cząstek lub kropli na powierzchnię produktu. Głowice natryskowe mogą pracować w trybie ciągłym lub impulsowym.

Zastosowanie: Najczęściej stosowane w procesach lakierowania, ochrony powierzchni lub powlekania płytek PCB. Pozwalają na pokrycie dużych powierzchni cienkimi warstwami materiału.

https://www.rampf-group.com/

Systemy mieszania i dozowania dwukomponentowego (2K)

W przypadku klejów, żywic czy materiałów uszczelniających składających się z dwóch komponentów, niezbędne jest precyzyjne mieszanie przed dozowaniem. W tym celu stosowane są różne systemy mieszania:

• Statyczne miksery
• Zasada działania: Materiał jest mieszany poprzez przepływ przez specjalnie zaprojektowane kanały i elementy wewnętrzne, które mieszają komponenty bez ruchomych części.
• Zastosowanie: Idealne do materiałów o średniej i wysokiej lepkości, gdzie precyzyjne proporcje mieszania są kluczowe. Statyczne miksery są proste w konstrukcji i łatwe do wymiany.
• Dynamiczne miksery
• Zasada działania: Wykorzystują obracające się elementy mieszające, które aktywnie mieszają dwa lub więcej komponentów przed dozowaniem.
• Zastosowanie: Używane do materiałów, które wymagają intensywnego mieszania, jak niektóre kleje dwuskładnikowe i żywice o różnych gęstościach i właściwościach.
• Systemy dozowania dwuskładnikowego (2K)
• Zasada działania: W systemach tych materiały są oddzielnie dozowane do komory mieszającej, a następnie mieszane w odpowiednich proporcjach. Może to być realizowane przez statyczne lub dynamiczne miksery.
• Zastosowanie: Typowe dla procesów takich jak potting, zalewanie elektroniki, gdzie konieczne jest dokładne wymieszanie żywic epoksydowych, poliuretanów czy innych materiałów dwukomponentowych.

Adhesive bonding, dispensing and potting technology | Scheugenpflug GmbH (scheugenpflug-dispensing.com)

Innowacyjne technologie dozowania

Oprócz tradycyjnych systemów dozowania, pojawiają się nowe technologie, które zwiększają precyzję i efektywność procesów:

• Dozowanie kriogeniczne
• Zasada działania: Używa się bardzo niskich temperatur do dozowania materiałów, takich jak ciekły CO2 lub ciekły azot. Ma to na celu zwiększenie precyzji lub lepsze przystosowanie materiału do ekstremalnych warunków.
• Zastosowanie: Może być stosowane w obróbce kriogenicznej, gdzie temperatury są wykorzystywane do zmniejszania tarcia lub zwiększenia trwałości elementów.
• Dozowanie próżniowe
• Zasada działania: Materiał jest dozowany w warunkach próżniowych, co zapobiega powstawaniu pęcherzyków powietrza w materiale podczas aplikacji.
• Zastosowanie: Stosowane głównie w zalewaniu elektroniki (potting), gdzie kluczowe jest wyeliminowanie pustek powietrznych, które mogą prowadzić do awarii komponentów.

Dispensing jak każdy inny proces specjalny powinien być kontrolowany w produkcji od wejścia do wyjścia, w tym konkretnym jednak przypadku, bardzo ważnym elementem całej układanki jest również materiał wykorzystywany w procesie oraz komponenty na które materiał jest dozowany. Sam proces dispensingu jest również procesem, który generuje lub może generować niebezpieczne odpady co również powinno być wzięte pod uwagę w planowaniu tej technologii. Procesowa analiza ryzyka powinna więc wziąć pod uwagę takie kwestie jak:

1. Kontrolowalność procesu ze względu na:

• Dokładność położenia materiału na komponencie
• Ilości materiału użytego w procesie
• Powtarzalności procesu dla kolejnych przebiegów
• Czystości komponentów przed samym dozowaniem
• Zapewnieniem czystości głowic/mikserów/igieł
• Kalibracji położenia dyszy dozującej w przestrzenii XYZ
• Zmniejszeniu napięcia powierzchniowego dla komponentu na którym dozujemy materiał
• Temperatura komponentów

Zmniejszanie napięcia powierzchniowego za pomocą plazmy | Scheugenpflug GmbH Youtube

2. Detekcja poszczególnych błędów

• • Potencjalne wycieki (nieszczelność)
  • Odporność na wibracje
  • Detekcja wizualna nieciągłości materiału
  • Detekcja wizualna potencjalnych pęcherzy powietrza
  • Detekcja ilości materiału użytego w procesie
  • Detekcja poprawnej adhezji

3. Handling po procesie dispensingu

1. • Zapewnienie odpowiedniego czasu do utwardzenia materiału przed dalszą obróbką
   • Wyznaczenie obszarów na produkcie które można dotykać
   • Wyznaczenie sposobu przenoszenia produktu

4. Efektywność procesu

1. • Podwojenie/zwielokrotnienie głowicy dozującej / dyszy dozującej
   • Optymalizacja poszczególnych czasów kroków procesu
   • Dostosowanie technologii do rodzaju materiału
   • Dostosowanie szybkości dozowania do charakterystyki materiału
   • Automatyzacja poszczególnych kroków procesu

Adhesive bonding, dispensing and potting technology | Scheugenpflug GmbH (scheugenpflug-dispensing.com)

Kluczowe w procesie dozowania jest zbudowanie świadomości w inżynierach procesu, że jest to jeden z procesów wymagający bardzo dużej czystości środowiska dookoła komponentów biorących udział w procesie. Najkorzystniejsze jest środowisko zapewniające przepływ laminarny powietrza wewnątrz maszyny tak aby nawet najdrobniejsze cząstki kurzu nie były w stanie zaburzyć jakości gotowego wyrobu.

Z perspektywy inżyniera procesu, kluczowe aspekty w procesie dispensingu to:

Precyzja i powtarzalność dozowania

Efektywność czasowa i materiałowa

Kontrola ryzyk związanych z jakością i zanieczyszczeniami

Automatyzacja i monitorowanie parametrów

Bezpieczeństwo pracy i zarządzanie odpadami

Zapewniając powyższe elementy nie tylko poprawisz jakość produktów, zredukujesz koszty operacyjne i zminimalizujesz ryzyko potencjalnych problemów na produkcji, ale również będziesz czerpał bardzo dużą satysfakcję z estetyki tego procesu. Dozowanie jest jednym z tych procesów, na których samo patrzenie wywołuje poczucie spełnienia i satysfakcji 😊