Ein Blick hinter die Kulissen von Smooth Flow mit Daniel Kohli
Daniel Kohli, Leiter Produktentwicklung des KNF Product Center für Flüssigkeitspumpen, gibt exklusive Einblicke in unsere Pumpen mit geringer Pulsation.
Mit der Entwicklung von Smooth Flow Pumpen hat KNF die Pulsation in Membran-Flüssigkeitspumpen auf ein Minimum reduziert und damit neue Maßstäbe in der Technologie von Membranpumpen gesetzt. In diesem Interview gibt Daniel Kohli, Leiter Produktentwicklung bei KNF Flodos, unserem Product Center für Flüssigkeitspumpen, exklusive Einblicke in den Entwicklungsprozess, die Technologie und die wichtigsten Vorteile für Kunden. Außerdem berichtet er über das neueste Entwicklungsprojekt: die ersten KNF Pumpen mit intelligenten Funktionen.
Warum hast du einen Bedarf für pulsationsarme Pumpen gesehen?
Mit unseren Entwicklungen möchten wir bei KNF unseren Kunden den größtmöglichen Mehrwert bieten. Deshalb entwickeln und produzieren wir robuste und flexible Produktplattformen, die auf die Anforderungen der Kunden und Anwendungen zugeschnitten werden können. Während eines Innovationsworkshops haben wir uns mit den Schwachstellen am Markt befasst. Zwei Faktoren waren für die Entwicklung unserer Smooth Flow Pumpen ausschlaggebend: Erstens erzeugen Membranpumpen, wie alle Verdrängerpumpen, Pulsationen. Diesen Nachteil wollten wir durch unsere technologische Führungsposition auflösen. Zweitens gab es auf dem Markt für Digitaldruck eine starke Nachfrage nach einer Pumpe mit einer Förderleistung von 4 l/min und sehr geringer Pulsation; ein Kunde aus Italien wünschte sich genau diese Lösung.
Wie funktionieren Smooth Flow Pumpen?
Bevor ich unsere Smooth Flow Technologie erklären kann, muss ich Pulsation erklären. In einer Membran-Flüssigkeitspumpe wird die Membran durch einen Exzenter auf und ab bewegt. Der Abwärtshub bewirkt ein Ansaugen der Flüssigkeit, durch den Aufwärtshub wird sie ausgestoßen. Das passiert bei Nominalbetrieb etwa 50-mal pro Sekunde und verursacht eine Stop-and-Go-Bewegung der Flüssigkeit sowohl auf der Einlass- als auch auf der Auslassseite, was als Durchflusspulsation bezeichnet wird. Widerstände im Kundensystem durch Schläuche, Siebe oder Filter können dazu führen, dass die Durchflusspulsation Druckimpulse erzeugt, die die Lebensdauer sowohl der Pumpe als auch des Kundensystems verkürzen können.
Die Smooth Flow Technologie in unserer FP Pumpen Serie reduziert Pulsationen in Flüssigkeits-Transfersystemen auf ein Minimum. Das erreichen wir durch zwei verschiedene Ansätze:
Smooth Flow Pumpen wie die FP 150 und FP 400 sind mit fünf parallel geschalteten Membranen ausgestattet. Jede Membran arbeitet mit der gleichen Geschwindigkeit, allerdings mit einer Phasenverschiebung von einem Fünftel gegenüber der nächsten Membran. Das führt dazu, dass die Stop-and-Go-Bewegung fünfmal häufiger ausgeführt wird, wodurch das Hubvolumen um das Fünffache reduziert und die Pulsation um etwa das Zehnfache verringert wird.
In unseren kleineren Pumpen der FP Serie, wie der FP 7, FP 25 oder der FP 70, haben wir passive Dämpferelemente auf der Einlass- und Auslassseite der Pumpe integriert. Während des Fördervorgangs speichert der Dämpfer auf der Auslassseite einen Teil der Flüssigkeit und gibt sie während des Ansaugvorgangs wieder ab. Dieses Konzept reduziert Pulsation etwa um den Faktor 100. Spezielle Designs haben die Druckpulsation im Kundensystem sogar auf weniger als 1 Millibar reduziert. Das ist ein Meilenstein in der Geschichte von Membranpumpen!
Welche Vorteile bieten Smooth Flow Pumpen?
Trotz der hervorragenden Membranpumpen-Technologie waren Pulsationen bei bestimmten Flüssigkeits-Transferanwendungen ein Problem. Zu den Vorteilen von Membran-Flüssigkeitspumpen gehören Selbstansaugung, Trockenlauffähigkeit, hohe Medienbeständigkeit, minimaler Wartungsaufwand sowie leckagefreier und sauberer Betrieb. Die Smooth Flow Technologie kombiniert diese Vorteile mit geringer Pulsation und verschafft den FP Pumpen einen enormen Vorteil gegenüber anderen Systemen zum Flüssigkeitstransfer, wie zum Beispiel Zahnradpumpen. Kunden profitieren von einer konstanten Förderleistung mit geringen Pulsationen wodurch Geräusche und Vibrationen auf ein Minimum reduziert werden. Ich bin immer noch beeindruckt, wie leise unsere Mehrfach-Membranpumpen arbeiten.
Darüber hinaus reduziert der konstante und vorhersehbare Durchfluss Druckspitzen, die durch Widerstände im Kundensystem entstehen. Dies führt zu einer längeren Lebensdauer der Pumpe, sowie des gesamten Systems und seiner Komponenten, was letztlich die Gesamtanlageneffektivität (Overall Equipment Effectiveness, OEE) des Kundensystems erhöht.
Welche Branchen profitieren von pulsationsarmen Pumpen?
Ursprünglich sahen wir ein großes Potenzial für die Smooth Flow Technologie im Digitaldruck, beispielsweise beim Drop on Demand (DoD) und Continuous Inkjet Printing (CIJ), was sich auch bestätigt hat. Mittlerweile stelle ich jedoch fest, dass Kunden aus allen Branchen in hohem Maße von unseren pulsationsarmen Pumpen profitieren. Dazu gehören beispielsweise medizinische Geräte, Industriewaschmaschinen und Laborgeräte.
Kannst du einen konkreten Anwendungsfall beschreiben, bei dem Smooth Flow Pumpen einen Unterschied machen?
Ich kann eine Anwendung aus dem Digitaldruck nennen, bei dem eine maßgeschneiderte FP Pumpe zum Einsatz kommt. In Digitaldruckern werden winzige Tröpfchen aus einem Druckkopf ausgestoßen und zu einem hochauflösenden Druckprodukt, beispielsweise einem Poster, zusammengefügt. Um sicherzustellen, dass diese Tröpfchen in gleichbleibender Qualität ausgegeben werden, muss die Tinte ohne Pulsation zum und vom Druckkopf transportiert werden. Der Druckkopf wird häufig mit einem System, das Druck zum Flüssigkeitstransfer nutzt, versorgt. Da so ein System zusätzliche Komponenten erfordert, um einen reibungslosen Rückfluss und ein stabiles Vakuum zu gewährleisten, ist es komplex und kostspielig. Durch den Einsatz einer maßgeschneiderten Smooth Flow Pumpe können wir die sehr strengen Pulsationsanforderungen erfüllen ohne zusätzliche Komponenten zur Pulsationsdämpfung zu installieren. Dadurch können unsere Kunden kostengünstigere und einfachere Tintenstrahldrucksysteme entwickeln. Wenn Sie mehr über die Entwicklungen in Tintenzufuhrsystemen erfahren möchten, lesen Sie unseren Blog Pumpen für Drop on Demand Systeme.
Hatte Smooth Flow rückblickend auch einen positiven Einfluss auf zukünftige Entwicklungsprojekte?
Auf jeden Fall. Wir haben erkannt, dass der gezielte Einsatz von Simulationstools zum Design von beispielsweise Pulsationsdämpfern oder Antrieben die Produktentwicklung erheblich beschleunigt. Wir haben zum Beispiel ein von meinem Kollegen Raphael Frey entwickeltes proprietäres Tool zur Modellierung von Hydrauliksystemen sowie zusätzliche Tools für die nichtlineare Finite-Element-Analyse, die numerische Strömungsmechanik und Lagerberechnungen verwendet, genutzt. Unsere Prototypen werden zwar noch immer in zahlreichen Experimenten getestet, aber dank der Simulationen können wir die Grenzen ausloten und herausfinden, ob etwas funktionieren wird, bevor wir mit dem Prototyping beginnen.
Außerdem war die führzeitige Kundenbemusterung sehr wertvoll. Durch die Funktionsbeobachtung unserer Prototypen in einer bestehenden Anwendung konnten wir uns direkt mit Ingenieuren austauschen, wodurch wir fundierte Anwendungskenntnisse gewonnen haben. So konnten wir die entsprechenden Kundenanforderungen direkt in die Produktentwicklung einfließen lassen. Kooperationen wie diese erfordern viel Vertrauen auf beiden Seiten, das wir nicht als selbstverständlich ansehen. Es basiert auf langjährigen Beziehungen zu unseren Kunden, die dadurch weiter gestärkt wurden.
Aus einer Entwicklungsperspektive: Warum ist Smooth Flow so wichtig?
Diese Technologie ebnet den Weg für unsere erste Pumpe mit intelligenten Funktionen. Durch die Reduzierung von Pulsation in Flüssigkeits-Transfersystemen auf ein Minimum haben wir einen Meilenstein in der Membran-Pumpentechnologie erreicht. Jetzt wollen wir die Grenzen noch weiter verschieben und unseren Kunden ermöglichen, die gewünschte Durchflussrate selbst zu definieren und einzustellen. Die Technologie, die wir derzeit entwickeln, kombiniert unsere FP Pumpen mit Sensoren, wodurch die Durchflussmenge automatisch reguliert werden kann – selbst unter wechselnden Umgebungsbedingungen wie Druck oder Temperatur. Die Kombination mit einem Sensor ist nur dank der deutlichen Reduzierung von Pulsation möglich, die unsere Smooth Flow Pumpen erreichen. Bei herkömmlichen Membranpumpen wäre die Pulsation zu hoch, um die Durchflussmenge zu messen.
Spiegelt die Entwicklung von Smooth Flow den Innovationsansatz von KNF wider?
Bei KNF ist eine Innovation mehr als nur eine herausragende technologische Lösung. Nur wenn das Produkt unseren Kunden auch einen greifbaren Mehrwert bietet, betrachten wir es als echte Innovation. Ich bin fest davon überzeugt, dass wir dies mit unseren Smooth Flow Pumpen erreicht haben, denn die enorme Reduzierung der Strömungspulsation hat die Grenzen der Leistungsfähigkeit von Membranpumpen neu definiert.
