SB_16.384NLP

2012
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Berührungslose thermische
Durchfluss-messverfahren
zum geregelten Klebstoffauftrag
hochviskoser
Klebstoffe

Berührungslose thermische
Durchfluss-messverfahren zum
geregelten Klebstoff-auftrag
hochviskoser Klebstoffe
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 16.384 N
DVS-Nr.: 08.067
Technische Universität Braunschweig
Institut für Füge- und Schweißtechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 16.364 B / DVS-Nr.: 09.071 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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unter: http://dnb.dnb.de
© 2012 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 221
Bestell-Nr.: 170330
ISBN: 978-3-96870-220-9
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Danksagung 1
Inhaltsverzeichnis
1. Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse ....................................................................... 2
2. Danksagung..................................................................................................................................... 3
I Abbildungsverzeichnis ..................................................................................................................... 3
II Tabellenverzeichnis ......................................................................................................................... 5
III Übersicht der verwendeten Abkürzungen ....................................................................................... 6
3. Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung .................................................. 7
4. Stand der Forschung ....................................................................................................................... 9
4.1. Besonderheiten der Durchflussmessung von hochviskosen Klebstoffen ............................................... 9
4.2. Physikalische Grundlagen ...................................................................................................................... 9
4.3. Anemometrische Verfahren ................................................................................................................. 11
4.3.1. Konstanttemperaturverfahren ...................................................................................................... 11
4.3.2. Konstantstromverfahren .............................................................................................................. 12
4.4. Kalorimetrische Verfahren .................................................................................................................... 12
4.4.1. Aufwärmmethode ........................................................................................................................ 12
4.5. Laufzeitverfahren ................................................................................................................................. 14
5. Forschungsziel und Lösungsweg .................................................................................................. 16
6. Untersuchungsmethoden und verwendete Klebstoffe .................................................................. 17
6.1. Eingesetzte Versuchsklebstoffe ........................................................................................................... 17
6.1.1. SikaForce 7752 (A-Komponente) ................................................................................................ 17
6.1.2. SikaPower 497 ............................................................................................................................ 20
6.2. Aufbau der Versuchsanlage ................................................................................................................. 21
6.2.1. Aufbau der Dosieranlage ............................................................................................................. 21
6.2.2. Messpunkte für die thermischen Sensoren ................................................................................. 23
6.2.3. Genauigkeit der Dosieranlage ..................................................................................................... 23
6.3. Verwendete Messtechnik zur Referenzmessung ................................................................................. 23
6.3.1. Zahnradmesszelle ....................................................................................................................... 23
6.3.2. Coriolismesszelle ........................................................................................................................ 25
6.3.3. Elektronische Waage .................................................................................................................. 26
6.4. Externe Steuerung der Applikationsanlage .......................................................................................... 26
7. Beschreibung der Strömungsvorgänge und des thermischen Gleichgewichts ............................. 27
7.1. Stofflicher Charakter von Klebstoffen ................................................................................................... 27
7.2. Strömungsprofil .................................................................................................................................... 28
7.3. Thermisches Gleichgewicht ................................................................................................................. 32
8. Untersuchungen zur thermischen Messung nach dem Aufwärmverfahren .................................. 35
9. Untersuchungen nach dem CTA-Verfahren .................................................................................. 37
9.1. Heizdrahtsensor ................................................................................................................................... 37
9.2. 1-Punkt-Messungen ............................................................................................................................. 38
9.2.1. 1-Punkt-Messung nach dem CTA-Verfahren im Druck-System .................................................. 41
9.2.2. 1-Punkt-Messung nach dem CTA-Verfahren in der Dosierdüse .................................................. 45

Danksagung 2
9.2.3. 1-Punkt-Messung mit Medientemperaturkompensation .............................................................. 57
10. Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse ....................................... 64
11. Beabsichtigter Transfer der angestrebten Forschungsergebnisse ........................................... 65
12. Durchführende Forschungsstellen ............................................................................................ 66
13. Schlussbemerkung .................................................................................................................... 67
14. Literaturverzeichnis ................................................................................................................... 70

Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 7
3. Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
Die Dosierung von Klebstoffen stellt innerhalb des Prozessablaufs beim Kleben einen wesentlichen
Arbeitsschritt dar, der einer besonderen Beachtung unterzogen werden muss.
Überdosierungen führen zu erheblichen Nacharbeiten, was die Klebtechnologie zum einen
unwirtschaftlich macht, zum anderen infolge der hier eingesetzten Lösemittel mit erheblichen
Belastungen von Mensch und Umwelt verbunden ist. Unterdosierungen führen zu Produktmängeln
wie Undichtigkeiten, können aber auch ein erhebliches Sicherheitsproblem darstellen.
Der Auftrag einer exakten Klebstoffmenge pro Zeit- bzw. Längen- oder Flächeneinheit,
unabhängig von den Umgebungsbedingungen und somit auch von der Viskosität des Klebstoffs,
setzt ein geregeltes Auftragssystem voraus.
Die Durchfluss- bzw. Geschwindigkeitsmessung findet kurz vor dem Klebstoffauftrag statt.
Volumetrische Durchflussmesszellen, z. B. Zahnradmesszellen, arbeiten berührend im Klebstoffsystem.
Nachteilig sind bei diesen Messverfahren die Verschmutzungsgefahr der Messzellen
und die hohen Druckverluste, die beim Durchströmen der Messzellen auftreten. In den
Zahnflanken kann sich Klebstoff ablagern, wodurch sich das Messvolumen pro Zahn verringert
und zu einem Messfehler führt. Weiterhin ist die Reinigung solcher Durchflussmesszellen
aufwändig, da die Messzellen vollständig demontiert werden müssen. Ein weiterer Nachteil
bei großen Zahnradzählern, die zur Verringerung von Druckverlusten eingesetzt werden,
ist das hohe Gewicht von bis zu 100 kg. Hinzu kommt, dass physikalische Eigenschaften,
wie z. B. Dichte und Viskosität in Abhängigkeit von Druck und Temperatur nicht berücksichtigt
werden, so dass Änderungen dieser Klebstoffeigenschaften im Prozess zwangsläufig zu
einer Falschdosierung führen. Aus diesen Gründen sind Durchflussmesstechniken ohne mechanisch
bewegte Teile im Volumenstrom für den Einsatz in der Klebtechnik besonders interessant.
In der Vergangenheit sind verschiedene Messprinzipien (z. B. Coriolis, Ultraschall,
Druckdifferenz) daraufhin untersucht worden, ob sie den Anforderungen einer Durchflussmessung
für hochviskose Klebstoffe genügen (Institut für Füge- und Schweißtechnik, 2008).
Hierbei lag der Fokus auf den Messgenauigkeiten, der Integrierbarkeit in Durchflussregelkreise
und etwaigen Klebstoffschädigungen. Es konnte in diesem Projekt gezeigt werden,
dass Coriolis-Messzellen für die Durchflussmessung hochviskoser Klebstoffe trotz der
schwierigen Randbedingungen einer Klebstoffdurchflussmessung im Hinblick auf geringe
Druckverluste, Messfehler und die integrale Messbarkeit der Klebstoffdichte sehr gut geeignet
sind. Nachteilig an dieser Messtechnik ist der relativ hohe Preis solcher Messzellen. Der
größte Nachteil dieses Messprinzips ist die hohe Empfindlichkeit gegenüber Bewegungen
und Schwingungen. Die Messrohre werden zur Bestimmung des Massedurchflusses in
Schwingung bzw. Resonanz versetzt. Die sich ergebende Phasenverschiebung ist proportional
zum Massedurchfluss. Wird die Messzelle bewegt oder beschleunigt, z. B. an einem Roboter,
so wird die Messung verfälscht. Bei einem automatisierten Auftrag muss die Messeinheit
daher räumlich fest montiert sein. Dies schränkt die Anwendbarkeit trotz aller interessanten
Eigenschaften deutlich ein.
Durchflussmessverfahren wie Ultraschall fallen aufgrund der starken Dämpfung hochviskoser
Medien aus dem Anwendungsbereich. Die eingekoppelten Signale werden so stark gedämpft,
dass sie nicht mehr bei einem Empfänger ankommen. Auch das MID-Verfahren, d.
h. die magnetisch-induktive Durchflussmessung lässt sich aufgrund der Nichtleitfähigkeit
konventioneller Klebstoffe nicht zum Messen einsetzen.

Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 8
Beim Einsatz von Kolbendosiersystemen und sehr geringen Leitungslängen nach dem
Dosierer lässt sich eine Regelung recht einfach durch die Erfassung der Kolbenbewegung
bewerkstelligen. Hier bestehen jedoch im Hinblick auf die Anwendung infolge von Einschränkungen
bezüglich Bauraum und Auftragsmenge erhebliche Restriktionen, so dass häufig
andere Dosiersysteme wie z. B. Zahnraddosierer, zum Einsatz kommen. Hier muss auch
infolge des auftretenden Schlupfes mit einer Durchfluss-Sensorik gearbeitet werden. Zudem
zeigen sich in der Praxis Probleme bei einer Verstopfung der Auftragsdüse bei kleinen
Schussgewichten. Diese Verstopfung wird erst nach einigen Dosierschritten erkannt, da der
Kolbenweg nicht in der nötigen Feinheit aufgelöst wird.
Der Wunsch der Industrie und hier vor allem der KMU nach einer bezahlbaren Verbesserung
der Klebstoffauftragsqualität durch Auftragsregelung ohne die geschilderten Nachteile bisheriger
Lösungen führte zu Untersuchungen weiterer geeigneter Durchflussmessprinzipien. Als
weitere potenzielle Verfahren zur Massedurchflussmessung mit geringen Druckverlusten bei
hochviskosen Klebstoffen und unter Berücksichtigung der genannten Randbedingungen stehen
die thermischen Durchflussmessverfahren auf Basis der Kalorimetrie und des Laufzeitverfahrens
zur Verfügung. Die thermische Durchflussmessung wird bereits im Bereich der
Luft- und Gasmessung, also bei geringen Viskositäten, eingesetzt. Die thermische Massedurchflussmessung
ermöglicht eine weitgehend berührungslose Messung, lediglich der
Thermosensor mit dem Heizelement befindet sich im Massestrom. Diese Elemente sind im
Messrohr eingeschraubt, was eine einfache Reinigung ermöglicht. Durch dünne Heiz- und
Thermoelemente und große Rohrquerschnitte sind die erwarteten Druckverluste gering. Im
Fall einer kalorimetrischen Durchflussmessung ist der Massedurchfluss proportional zur
Heizleistung. Vorteil der Kalorimetrie im Vergleich zum Coriolis-Messprinzip ist die Möglichkeit
eines bewegten Einsatzes, z. B. auf einem Roboter montiert, da das thermische Messverfahren
unempfindlich(er) gegenüber Stößen und Bewegungen ist.
Zudem verspricht die thermische Durchflussmessung eine deutliche Verkleinerung des
Messaufbaus, so dass ein Einsatz der Messtechnik in der Düse einer Auftragseinheit möglich
wird und dadurch neue Möglichkeiten zur Regelung von Dosieranlagen eröffnet.

Stand der Forschung 9
4. Stand der Forschung
Die verfügbare Literatur zur Darstellung des Standes der Forschung bezieht sich auf die
thermische Messung in niederviskosen, Newton‘schen Medien wie Gasen oder Wasser. Es
ist dabei zu beachten, dass bei den in diesem Projekt betrachteten Strömungsverhältnissen
(Schleichströmung) grundlegend andere Verhältnisse in der Grenzfläche vorliegen. Gerade
bei der Einordnung der dimensionslosen Beschreibungsansätze sind hier die Voraussetzungen
für eine Übertragung nur bedingt gegeben.
4.1. Besonderheiten der Durchflussmessung von hochviskosen Klebstoffen
Im Vergleich zu Volumenstrommessungen anderer Medien sind die Strömungsgeschwindigkeiten
von Klebstoffen in den Leitungen (bzw. im Messrohr) von Applikationseinrichtungen in
der Regel gering, sie liegen häufig unter 0,1 m/s und bewegen sich damit im unteren Messbereich
handelsüblicher Durchflussmesssensoren. Im Weiteren sind die spezifische Wärmekapazität
von 1,1 J/gK (Wasser: 4,2 J/gK) und die Wärmeleitung von ca. 0,5 W/mK (Luft:
0,02 W/mK) zu nennen. Die Applikationsmengen liegen im Bereich von wenigen 100 cm³/min
und sind diskontinuierlich, d. h. bei einem Klebstoffauftrag sind durch die Messverfahren Einschwingvorgänge
zu berücksichtigen. Weiterhin weisen Klebstoffe stark unterschiedliche
hydraulische, rheologische, chemische und physikalische Eigenschaften auf, die zudem zeitund
temperaturabhängig sein können. Ein weiteres Problem bei der Verarbeitung von hochviskosen
Klebstoffen ist, dass sich diese an Rohrleitungen, Schläuchen, an den Wänden von
Messzellen (Coriolismesszellen), Messaufnehmern, wie z. B. Heizelementen und Temperatursensoren,
ablagern und Messungen verfälschen können.
4.2. Physikalische Grundlagen
Das Prinzip zur thermischen Strömungsmessung beruht auf dem Wärmetransport von einem
elektrisch erwärmten Körper in das umgebende Medium in Abhängigkeit von der Relativgeschwindigkeit
zwischen beiden.
Abbildung 1: Wärmeableitung einer zylindrischen Sonde infolge von Anströmung (nach Fiedler, 1992)
Abbildung 1 zeigt die Wärmeableitung von einer stromdurchflossenen zylindrischen Sonde,
deren Achse senkrecht zur Strömungsrichtung steht. Bei nicht zu kleiner Strömungsge-