EP3988790A1 - Kartuschensystem und exzenterschneckenpumpe - Google Patents
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- F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
- F04C2/10—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member
- F04C2/107—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member with helical teeth
- F04C2/1071—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member with helical teeth the inner and outer member having a different number of threads and one of the two being made of elastic materials, e.g. Moineau type
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04C13/00—Adaptations of machines or pumps for special use, e.g. for extremely high pressures
Definitions
- the present invention relates to a cartridge system for an eccentric screw pump and an eccentric screw pump, in particular a 3D print head, with such a cartridge system.
- Progressing cavity pumps include a stator and a rotor rotating in the stator.
- a medium to be metered is conveyed by the interaction of the rotor with the stator in a longitudinal direction of the eccentric screw pump away from a drive device of the eccentric screw pump according to the endless piston principle.
- the delivery volume per unit of time depends on the speed, size, pitch and geometry of the rotor.
- a component is built up in layers from a liquid, powder or paste-like material or medium.
- a liquid, powder or paste-like material or medium For example, if different formulations of the medium to be printed are tested, it is usually necessary to disassemble the entire progressing cavity pump, which is laborious and time-consuming, and to clean the components that come into contact with the medium, such as the rotor and the stator. It is therefore desirable for the eccentric screw pump to be cleaned as quickly and easily as possible.
- one object of the present invention is to provide an exchangeable cartridge system for an eccentric screw pump.
- the cartridge system comprises a cartridge for receiving a medium to be metered, a stator provided on the cartridge, which cooperates with a rotor unit of the eccentric screw pump to meter the medium, and a plug movably mounted in the cartridge for fluid-tight sealing of the cartridge, the plug having a rotor opening includes, through which the rotor unit can be passed.
- the movably mounted stopper is provided in the cartridge prevents the medium to be metered from being contaminated.
- all components in contact with the medium can be replaced by simply replacing the entire cartridge system. Contamination of the drive unit is not to be expected. This significantly simplifies the cleaning of the progressing cavity pump.
- the progressing cavity pump preferably includes the rotor unit.
- the rotor unit can also be part of the cartridge.
- the rotor unit comprises a flexible shaft or flex shaft which is coupled to the drive mechanism of the progressing cavity pump.
- the flex shaft can also be referred to as a flexible shaft or cardan shaft.
- the flex shaft can also be a flexible rod, in particular a plastic flexible rod, or be referred to as such.
- the flex shaft can be made of a polyetheretherketone (PEEK), polyethylene (PE) or the like, for example.
- a rotor is provided on the front side of the flexible shaft, which interacts with the stator.
- the stator preferably comprises an elastically deformable inner part or elastomer part with a central opening.
- the breakthrough preferably includes a helical or snail-shaped inner contour.
- the rotatable rotor which includes a corresponding to the inner part screw-shaped or snail-shaped outer contour.
- the progressing cavity pump also includes the previously mentioned drive device.
- the rotor is driven via the flexible shaft by a drive unit, in particular an electric motor, of the drive device.
- the drive unit drives a drive shaft of the drive device, which is coupled to the rotor unit.
- the drive shaft can be rigidly connected to the rotor by means of the aforementioned flexible shaft or flex shaft.
- the rotor unit preferably performs an eccentric movement in the rotor opening.
- this is not mandatory.
- a purely rotational movement could also be provided.
- a joint or the aforementioned flex shaft is to be provided after stuffing, i.e. in the medium.
- the cartridge is preferably cylindrical.
- the cartridge is a disposable syringe.
- the cartridge system is preferably a disposable item.
- the cartridge system can also be used several times.
- the cartridge preferably has a Luer lock connection on the front side. This makes it easy to connect a nozzle to the cartridge.
- the cartridge can also be filled via the Luer lock connection.
- stator is “provided” on the cartridge
- stator is firmly connected to the cartridge.
- stator can also simply be inserted into the cartridge or the like. This means that the stator can also be detachably connected to the cartridge.
- the stopper is mounted in the cartridge so that it can move linearly along the aforementioned longitudinal direction. The stopper follows the medium when dosing the medium.
- the rotor breakthrough is preferably provided centrally on the plug.
- the rotor breakthrough can be a stepped bore.
- the medium can be, for example, an adhesive or sealant, water, an aqueous solution, a paint, a suspension, a viscous raw material, an emulsion or a fat.
- the medium can also be a gel or alginate.
- the medium can comprise cells, in particular human, animal or plant cells.
- the medium can be liquid or pasty.
- a paste or a pasty product is to be understood as meaning a solid-liquid mixture, in particular a suspension, with a high solids content.
- the product can contain fillers, for example so-called microballoons, fibrous, in particular short-fibrous, fractions or the like.
- the cartridge system or the cartridge can include an RFID chip (Radio Frequency Identification).
- RFID chip Radio Frequency Identification
- a geometry of the stator can be recognized in order to be able to assign the appropriate rotor to the stator, for example. It is thus possible, for example, to identify a size. Furthermore, this also makes batch recognition of the medium received in the cartridge possible.
- the cartridge system or the cartridge can also have a QR code (Quick Response) that is lasered into the cartridge, for example.
- QR code Quick Response
- Information can then be read out, for example be, which allows conclusions to be drawn about the contents of the cartridge, namely the medium. For example, a batch recognition, a statement about the service life or the durability of the medium, a product tracking or the like is possible.
- stator and the cartridge are designed in one piece, in particular in one piece of material, or the stator and the cartridge are connected to one another in a form-fitting, force-fitting and/or cohesive manner.
- stator and the cartridge form a common component and are not composed of different components.
- One-piece material means here that the stator and the cartridge are made of the same material throughout. Alternatively, however, the stator and the cartridge can also be two separate components which are connected to one another in a form-fitting, force-fitting and/or cohesive manner.
- a form-fitting connection is created by the meshing or rear engagement of at least two connection partners, in this case the stator and the cartridge.
- connection partners for example, snap hooks or the like can be provided on the stator and on the cartridge.
- a non-positive connection requires a normal force on the surfaces to be connected. Force-locking connections can be realized by frictional locking. The mutual displacement of the surfaces is prevented as long as the counterforce caused by the static friction is not exceeded.
- the stator is pressed into the cartridge.
- the connection partners are held together by atomic or molecular forces.
- Cohesive connections are non-detachable connections that can only be broken by destroying the connection means and/or the connection partner separate.
- the stator is glued or vulcanized into the cartridge.
- the stator can be made in one piece.
- the stator can also be designed in two pieces and has, for example, an inner part made of silicone, which has the snail-shaped opening, and an outer part, which is made of a different plastic material than the inner part.
- the stator can have an elastomer on the inside and any desired thermoplastic on the outside.
- the stator can also be made from two different thermoplastics.
- the rear of the stator, ie facing the plug, can have a cone-shaped geometry. However, this is not mandatory.
- the rotor opening is closed with the aid of a diaphragm facing the stator.
- the membrane can be pierced with the help of the rotor unit as soon as the cartridge system is mounted on the drive device.
- the rotor can have a tip, with the help of which the membrane is pierced.
- the membrane can also be pierced with the help of the rotor unit before the cartridge system is mounted on the drive device. In this case, the rotor unit is only connected to the drive device after the rotor unit has been inserted into the rotor opening.
- the membrane comprises a perforation, the perforation preferably dividing the membrane into a plurality of membrane sections.
- the number of membrane sections is fundamentally arbitrary. For example, two, three or four membrane sections are provided. With the help of perforation it is possible to prevent parts of the membrane from tearing off when the rotor pierces the same and contaminating the medium. The perforation ensures that the membrane tears open evenly.
- the perforation can be cross-shaped, for example, and have two perforation sections crossing one another.
- the stopper comprises a pressure ring through which the rotor opening is passed and on which the membrane is provided.
- the pressure ring preferably has the geometry of half an O-ring.
- the membrane is in one piece, in particular in one piece of material, connected to the pressure ring.
- the pressure ring runs completely around the rotor unit and constricts it. This provides a reliable sealing of the plug with respect to the rotor unit on the medium side.
- the pressure ring also acts as a tear stop if the membrane is pierced with the help of the rotor unit.
- the plug comprises a stiffening ring, remote from the pressure ring, through which the rotor opening is passed.
- the stiffening ring preferably has a rectangular geometry in cross section.
- a rounding is provided at a transition from the stiffening ring into the rotor opening. The rounding makes it easier to insert the rotor unit into the rotor opening.
- At least one circumferential annular groove is provided on the rotor opening.
- the number of annular grooves is basically arbitrary. For example, two or three annular grooves are provided.
- the annular grooves together form a labyrinth seal which provides a reliable seal of the plug against the rotating rotor assembly.
- the annular grooves also serve as a receiving area for displaced material of the plug when the rotor unit performs an eccentric movement in the rotor opening. That is, the plug follows the movement of the rotor unit. This is achieved by selecting the appropriate material for the stopper.
- the plug has a circumferential first sealing lip facing away from the stator, which rests on the inside of the cartridge, and/or the plug has a circumferential second sealing lip facing the stator, which also rests on the inside of the cartridge.
- the first sealing lip is preferably acted upon by compressed air and is thus pressed against the cartridge on the inside.
- the second sealing lip ensures, on the one hand, that the plug is sealed radially in relation to the cartridge and, on the other hand, that the medium is wiped off on the inside of the cartridge.
- the second sealing lip has greater rigidity than the first sealing lip.
- the “stiffness” is to be understood as meaning the resistance of the respective sealing lip to deformation.
- the rigidity can be influenced, for example, by a suitable geometry or a suitable choice of material.
- the second sealing lip has thicker walls than the first sealing lip. This results in a higher rigidity of the second sealing lip.
- the first sealing lip extends further out of the plug at the end face than the second sealing lip.
- the first sealing lip is higher than the second sealing lip.
- the first sealing lip preferably has thinner walls than the second sealing lip.
- the cartridge system also includes the rotor unit, which is guided through the rotor opening.
- the rotor unit can be an integral part of the cartridge system.
- the rotor unit is detachably connected to the drive device.
- the connection between the rotor unit and the drive device is preferably also released at the same time.
- the rotor unit is permanently connected to the cartridge and/or the plug.
- the rotor unit can also be detachably connected to the cartridge and the plug. In the latter case, the rotor unit can be used several times.
- a cover closing the cartridge at the back can be provided, for example, which has an opening through which the rotor unit is passed.
- the rotor unit can have latching hooks or snap hooks, which can be pushed through the opening. As soon as the snap hooks have passed through the opening, the rotor unit is firmly connected to the cartridge and can no longer be separated from it.
- the rotor assembly is completely encapsulated by the cartridge.
- the rotor unit cannot be separated from the cartridge and, on the other hand, that direct contact between the rotor unit and the drive device is not possible and not necessary.
- the rotor unit can be driven by the drive device, for example with the aid of a magnetic coupling.
- the encapsulation can take place by sealing the cartridge in a fluid-tight manner at the rear. A cover can be provided for this purpose.
- the rotor unit includes an interface for coupling the rotor unit to a counter-interface of the drive device of the eccentric screw pump.
- the interface and the counter-interface serve to transmit torque from the drive device to the rotor unit.
- the interface can have, for example, two wrench flats arranged parallel to one another. In this case, the mating interface has two key faces that correspond to it.
- the cross-section of the rotor unit can be rectangular, star-shaped, triangular or square, or round.
- the interface and the counter-interface may include magnets to implement the aforementioned magnetic coupling.
- the interface comprises a latching lug which latches into the counter-interface when the rotor unit is connected to the drive device.
- the detent With the help of the detent, a form-fitting connection of the rotor unit to the mating interface is thus achieved.
- the counter interface is provided on the drive shaft of the drive device.
- the detent is designed such that this is sheared off or broken off when the rotor unit is separated from the drive device. This means that the rotor unit can no longer be connected to the drive device.
- the detent can also deform elastically. In this case, the rotor unit can be used repeatedly.
- the interface comprises a plurality of elastically deformable arm sections on which the latching lug is provided.
- two or four arm sections are provided.
- the number of arm sections is basically arbitrary. Slots are provided between the arm portions. This results in a slit-shaped or cross-slit-shaped geometry.
- the interface can also have a polygonal, rectangular, triangular or star-shaped geometry.
- the cartridge system also includes the medium accommodated in the cartridge.
- the medium can be, for example, an alginate, bone wax or any other biological or medicinal material.
- the medium can contain human, animal or plant cells.
- the medium can furthermore also comprise bacteria or viruses.
- a suitable medium can be selected depending on the use of the cartridge system in biomedicine, pharmaceutical technology or industry.
- the medium can also be a cyanoacrylate, for example.
- the stopper comprises an indicator which changes its state after the cartridge system has been used.
- the indicator changes its status after a single use of the cartridge system.
- the indicator can be a dye, for example be.
- the change in state can be a color change.
- the condition may change with exposure to light and/or moisture.
- the indicator can thus be used to show that the cartridge system has already been used once.
- the indicator can only change its state after a predetermined time.
- the indicator can also be designed in such a way that it only changes its status after a predetermined number of uses of the cartridge system.
- the stopper is made of an air-permeable or air-impermeable material.
- the plug In the event that the plug is made of an air-permeable material, degassing of the medium is possible under the pressure of the plug on the medium. This is particularly important when processing liquid silicones or acrylates. Thus, bubbles formed in the medium can pass through the air-permeable material.
- the stopper consists of a porous, open-pored, gas-permeable material.
- PTFE polytetrafluoroethylene
- PE polyethylene
- the porosity of the material is selected, for example, in the range from 1 ⁇ m to 50 nm, preferably in the range from 10 ⁇ m to 50 nm, more preferably in the range from 20 ⁇ m to 50 nm.
- the stopper may also have a built-in air-permeable membrane.
- an eccentric screw pump in particular a 3D print head, with a drive device and such an exchangeable cartridge system is proposed, which is detachably connected to the drive device.
- a bayonet catch for example, can be provided for the detachable connection of the cartridge system to the drive device.
- the medium is pressurized via the stopper with the help of compressed air or a spring element.
- an eccentric insert can also be provided in the stopper. The pitch of this insert is adapted to the volumetric quantity and therefore also to the stopper speed. A spindle drive is thus realized. The stopper is then positively controlled and thus follows the medium.
- the progressing cavity pump can be mains-operated.
- the eccentric screw pump can also be battery operated.
- the progressing cavity pump is independent of a power grid.
- the progressing cavity pump can thus work independently as a handheld device.
- the progressing cavity pump can be used to dose soldering paste at a manual workstation.
- the eccentric screw pump can thus be used in the manner of a pipetting device or pipetting aid, with the difference that the eccentric screw pump can also be used to meter highly viscous media.
- such a self-sufficient eccentric screw pump can also be used to treat quick wounds, for example to treat emergency personnel in the field, or in the operating room.
- waxes in particular bone waxes, adhesives, denture materials, artificial skin or the like can be dosed.
- the 1 shows a schematic perspective view of an embodiment of an eccentric screw pump 1 for metering a liquid or pasty medium.
- the 2 shows a schematic sectional view of the eccentric screw pump 1.
- the 3 shows a further schematic perspective view of the eccentric screw pump 1.
- the 4 shows a further schematic perspective view of the eccentric screw pump 1.
- the figure 5 shows a further schematic perspective view of the eccentric screw pump 1.
- the eccentric screw pump 1 includes a drive device 2.
- the drive device 2 has a drive unit 3, which can include an electric motor.
- the drive unit 3 is accommodated in a housing 4 .
- the housing 4 can be tubular.
- a bearing housing 5 is attached to the front of the housing 4 .
- the bearing housing 5 can be screwed to the housing 4 with the aid of a connecting element 6, for example.
- the drive unit 3 drives a drive shaft 7 of the drive device 2 .
- the drive shaft 7 in turn drives a rotor unit 8 .
- the rotor unit 8 comprises a flexible shaft or flex shaft 9, which is coupled to the drive shaft 7 by means of an interface, and a helical rotor 10, which is attached to the front of the flexible shaft 9. The rotor 10 is thus driven by the flex shaft 9 .
- the flex shaft 9 is elastically deformable and enables an eccentric movement of the rotor 10.
- the flex shaft 9 is used to transmit torque from the drive unit 3 to the rotor 10.
- the flex shaft 9 can be a wire cable which is coated or encased with a plastic material, for example.
- a universal joint or cardan joint can also be provided, which also enables an eccentric movement of the rotor 10.
- the flex shaft 9 can also be a flexible rod, in particular a plastic flexible rod, or be designated as such.
- the flex shaft 9 can be made of a polyetheretherketone (PEEK), polyethylene (PE) or the like, for example.
- the flexible shaft 9 can have a diameter of 3 mm, for example.
- the rotor 10 has a tip 11 at the front.
- the rotor 10 and the flexible shaft 9 can, for example, be designed in one piece, in particular in one piece of material. "In one piece” or “in one piece” means here that the flex shaft 9 and the rotor 10 form a common component and are not composed of different components. In the present case, “in one piece” means that the flex shaft 9 and the rotor 10 are made of the same material throughout.
- the rotor unit 8 is preferably a plastic component.
- the rotor unit 8 can be a one-piece plastic injection molded component.
- the flexible shaft 9 and the rotor 10 can also be two separate components that are plugged into one another, for example, and are thus either detachably or non-detachably connected to one another.
- the flexible shaft 9 can be made of a metallic material and the rotor 10 can be made of a plastic.
- the flex shaft 9 can be coated with an elastomer.
- the rotor 10 can be made of a metallic material.
- the rotor 10 can be made of stainless steel, for example.
- the rotor 10 can also be designed as a plastic component or ceramic component and can have a wide variety of coatings.
- the eccentric screw pump 1 also includes a preferably at least partially elastically deformable stator 12.
- the stator 12 is an elastically deformable elastomeric part with a central opening 13.
- the opening 13 preferably includes a helical or snail-shaped inner contour.
- the rotatable rotor 10 is accommodated in the stator 12 and comprises a helical or snail-shaped outer contour corresponding to the stator 12 .
- An air supply line 14 is provided on the bearing housing 5 and is in fluid communication with an air duct 15 provided in the bearing housing 5 and leading out of the end face of the bearing housing 5 .
- the medium is conveyed away from the drive shaft 7 according to the endless piston principle through the interaction with the opening 13 of the stator 12 in a longitudinal direction L, which is oriented from the drive device 2 in the direction of the rotor 10 .
- the delivery volume per unit of time is dependent on the speed, size, pitch and geometry of the rotor 10.
- Eccentric screw pumps 1 are particularly suitable for conveying a large number of media, in particular viscous, highly viscous and abrasive media.
- the progressing cavity pump 1 belongs to the group of rotating displacement pumps.
- the main parts of the progressing cavity pump 1 are the drive device 2, the rotatable rotor 10 and the fixed stator 12 in which the rotor 10 rotates.
- the rotor 10 is designed as a type of round thread screw with an extremely large pitch, large thread depth and small core diameter.
- the at least partially elastically deformable stator 12 preferably has one more thread turn than the rotor 10 and twice the pitch length of the rotor 10. This leaves conveying chambers between the stator 12 and the rotor 10 rotating therein and also moving radially, which continuously extend from an inlet side of the Stators 12 move to an exit side thereof. Valves to limit the pumping chambers are not required.
- the size of the delivery chambers and thus the theoretical delivery rate depends on the pump size.
- a 360° rotation of the rotor unit 8 with a free outlet results in the volumetric flow rate per revolution. The pump delivery rate can thus be changed via the speed.
- the actual flow rate depends on the back pressure that occurs.
- the medium to be metered always tries to equalize the pressure from high to low pressure. Since the seal between the rotor 10 and the stator 12 is not static, medium will always flow from the pressure side to the suction side. These "slip losses" can be seen on the basis of a characteristic curve as the difference between the theoretical and the actual flow rate.
- the shape of the pumping chambers is constant so that the medium is not compressed.
- such an eccentric screw pump 1 can be used to convey not only fluids but also solids.
- the shearing forces that act on the material to be conveyed are very small, so that plant, animal and human cells, for example, can also be conveyed without being destroyed.
- a particular advantage of such an eccentric screw pump 1 is that the eccentric screw pump 1 delivers continuously and with little pulsation. This makes them suitable for use in potting plants. Even highly viscous and abrasive media can be pumped without any problems.
- the progressing cavity pump 1 With the progressing cavity pump 1, a wide variety of media can be conveyed gently and with low pulsation.
- the spectrum of media ranges from water to media that no longer flow by themselves. Since the flow rate is proportional to the speed of the rotor 10, the eccentric screw pump 1 can be used very well for dosing tasks in conjunction with appropriate measurement and control technology.
- the progressing cavity pump 1 combines many positive properties of other pump systems. Like the centrifugal pump, the progressing cavity pump 1 has no suction and pressure valves. Like the piston pump, the progressive cavity pump 1 has excellent self-priming performance. Like the diaphragm or peristaltic pump, the eccentric screw pump 1 can convey any type of inhomogeneous and abrasive media, including solids and fibrous materials.
- Multi-phase mixtures are also conveyed safely and gently by the eccentric screw pump 1.
- the eccentric screw pump 1 is able to cope with the highest viscosities of the medium.
- the progressing cavity pump 1 has a speed-dependent, continuous delivery flow and is therefore able to perform high-precision dosing tasks.
- the eccentric screw pump 1 can in principle be used in all industrial sectors in which special conveying tasks have to be solved. Examples are environmental technology, especially pumping in the area of sewage treatment plants, the food industry, especially for high-viscosity media such as syrup, quark, yoghurt and ketchup, in the various low-germ processing stages, and the chemical industry, especially for safe pumping and dosing of aggressive, high-viscosity media and abrasive products.
- the eccentric screw pump 1 With the eccentric screw pump 1, the exact dosing of different media is possible. A repeat accuracy of up to ⁇ 1% can be achieved. Various embodiments of the eccentric screw pump 1 also allow two-component media to be discharged. Because of its design, namely that the rotor 10 moves in the medium and the interior volume of the suction side must be filled, such an eccentric screw pump 1 always has a certain dead space.
- the rotor unit 8 includes the flex shaft 9 which is elastically deformable. This allows the rotor 10 to move eccentrically in the stator 12. It is also possible to implement this eccentric movement with the aid of joints, in particular universal joints or cardan joints.
- the stator 12 is subjected to a continuous load during operation, which is why it is subject to wear. This wear is compensated for by regularly replacing the stator 12, with the replacement intervals being determined by the media used and the process parameters.
- eccentric screw pump 1 With an eccentric screw pump 1 of this type, the medium to be conveyed has hitherto always been supplied from outside the eccentric screw pump 1 .
- Cartridges, hoses or the like can be provided for this purpose.
- the drive shaft 7 is sealed at an interface thereof with the drive unit 3 and must at least withstand the feed pressure or the pressure which is generated by the drive device 2 running backwards.
- the eccentric screw pump 1 is cleaned both by flushing it with cleaning liquid and by dismantling and manual cleaning. In many cases, heating or cooling of the eccentric screw pump 1 is possible.
- the eccentric screw pump 1 includes a cartridge system 16 which is detachably connected to the drive device 2 .
- the cartridge system 16 includes a cartridge 17 which is designed as a plastic component, in particular as a plastic injection molded component.
- the cartridge 17 is in the form of a disposable syringe, for example.
- the cartridge 17 has a Luer lock connection 18 on the front.
- the rotor unit 8 can be part of the cartridge system 16 .
- the cartridge 17 encloses a cylindrical interior 19 in which the medium to be explained later is accommodated.
- the interior 19 is a cartridge interior or can be referred to as such.
- the air duct 15 also opens into the interior space 19 . This means that the air supply 14 is in fluid connection with the interior space 19 via the air duct 15 provided in the bearing housing 5 and leading out of the end face of the bearing housing 5 .
- Stator 12 is accommodated in interior space 19 .
- Stator 12 can be formed in one piece, in particular in one piece of material, with cartridge 17 .
- the cartridge 17 and the stator 12 form a one-piece, in particular a one-piece plastic injection molded component.
- the stator 12 can also be made of a different material from the cartridge 17 .
- the stator 12 is made of liquid silicone rubber or LSR, any elastomer, an engineering plastic, or the like.
- the stator 12 can be molded onto the cartridge 17 in a plastic injection molding process.
- a two-component plastic injection molding process can be used for this purpose, for example.
- the stator 12 can, for example, also simply be pressed into the cartridge 17 and thus be connected to it in a non-positive and/or positive manner.
- a form-fitting one Connection is created by at least two connection partners engaging in one another or behind, in this case the stator 12 and the cartridge 17.
- snap-in hooks or snap-in hooks can be provided on the stator 12 and/or the cartridge 17.
- a non-positive connection requires a normal force on the surfaces to be connected. Force-locking connections can be realized by frictional locking. The mutual displacement of the surfaces is prevented as long as the counterforce caused by the static friction is not exceeded.
- the stator 12 is preferably pressed into the cartridge 17 .
- the stator 12 can also be connected to the cartridge 17 with a material connection. This can be done, for example, by the previously mentioned two-component plastic injection molding process. In the case of material connections, the connection partners are held together by atomic or molecular forces. Cohesive connections are non-detachable connections that can only be separated by destroying the connection means and/or the connection partner. For example, the stator 12 can be glued into the cartridge 17 .
- the stator 12 is provided on the front side of the cartridge 17 .
- the cartridge 17 comprises two arm sections 20 , 21 which can be brought into positive engagement with the bearing housing 5 in order to connect the cartridge system 16 to the drive device 2 .
- the cartridge 17 has a cone-shaped engagement section 22 ( 7 ).
- the bearing housing 5 comprises a conical counter-engagement portion 23 which is suitable for engaging in the engagement portion 22.
- Conical counter-section 23 includes a central opening 24 through which the drive shaft 7 is passed.
- annular groove 25 runs around the counter-engagement section 23, in which an O-ring 26 ( 7 ) recorded.
- the bearing housing 5 also includes a bayonet lock 27 which enables the cartridge system 16 to be connected to the drive device 2 quickly and easily.
- the bayonet catch 27 comprises two slot-shaped recesses 28, 29 provided on the bearing housing 5.
- the cartridge system 16 is first attached to the cone-shaped counter-engagement portion 23, as a result of which it engages in the engagement portion 22 of the cartridge 17.
- the cartridge system 16 is then rotated 90° clockwise relative to the drive device 2 .
- the arm sections 20, 21 come into engagement with the recesses 28, 29 of the bayonet catch 27, as a result of which the engagement section 22 of the cartridge 17 is pushed further onto the counter-engagement section 23 until the O-ring 26 seals against the cartridge 17 and ends 30 ( 7 ) of the arm sections 20, 21 on an end face 31 ( Figures 6 and 7 ) of the bearing housing 5.
- the O-ring 26 is compressed in the process, as a result of which a fluid-tight sealing of the bearing housing 5 with respect to the cartridge 17 is achieved.
- “fluid-tight” means in particular both gas-tight and liquid-tight.
- the interior 19 of the cartridge 17 can now be pressurized via the air duct 15 .
- the sealing of the cartridge system 16 with the aid of the O-ring 26 on the cone-shaped counter-engagement section 23 makes it easy to mount the cartridge system 16 on the drive device 2 .
- the cartridge system 16 is rotated in relation to the bearing housing 5, the cartridge system 16 is pulled against the bearing housing 5 due to the bayonet lock 27 and thus seals off the cartridge 17 with the aid of the O-ring 26.
- the cone-shaped counter-engagement section 23 also enables the cartridge system 16 to be centered on the bearing housing 5.
- the counter-engagement section 23 thus fixes the cartridge system 16 on the drive device 2.
- the use of the bayonet lock 27 reliably prevents the cartridge system 16 from becoming detached from the drive device 2 unintentionally. Sealing takes place via the conical engagement section 22 and the conical counter-engagement section 23 and the O-ring 26.
- the bayonet catch 27 can be used to exert uniform pressure on the cartridge 17 so that the end faces 30, 31 are pressed against one another.
- the geometry of the counter-engagement section 23 is adapted to the engagement section 22 of the cartridge 17 .
- the 8 shows a further schematic perspective view of the eccentric screw pump 1, wherein the cartridge 17 is not shown.
- an interface 32 ( 10 and 11 ) intended.
- the interface 32 comprises two key faces 33 arranged opposite one another and a plurality of elastically deformable arm sections 34, 35. In this way, as in FIG 10 shown, two such arm portions 34, 35 may be provided.
- each arm section 34 to 37 can also be provided. Slots 38, 39 are provided between the arm portions. This enables an elastic deformation of the arm sections 34 to 37.
- the detent 40 is interrupted at the slots 38,39.
- the provision of two slots 38, 39 or four arm cuts 34 to 37 is optional and is particularly suitable for rotor units 8 that are made of a harder plastic.
- the drive shaft 7 comprises a counter-interface 41 corresponding to the interface 32.
- the counter-interface 41 comprises key surfaces 42, 43 corresponding to the key surfaces 33.
- the key surfaces 33 and the key surfaces 42, 43 serve to transmit torque from the drive shaft 7 to the flexible shaft 9.
- the mating interface 41 also includes a shoulder 44 which is designed as a circumferential annular groove. The detent 40 engages in the paragraph 44 in a form-fitting manner.
- the interface 32 of the rotor unit 8 is pushed into the interface 41 of the drive shaft 7, as in FIGS 8 and 9 shown.
- the arm sections 34 to 37 of the interface 32 deform in a spring-elastic manner until the detent 40 engages in the shoulder 44 of the counter-interface 41 in a form-fitting manner.
- the rotor unit 8 is pulled out of the drive shaft 7 so that the interface 32 and the counter-interface 41 separate from one another.
- the detent 40 can be sheared off the interface 32 or break off. As a result, it is no longer possible to reconnect the rotor unit 8 to the drive device 2 .
- the arm sections 34 to 37 deform elastically when the rotor unit 8 is pulled out of the drive shaft 7, so that the locking lug 40 no longer engages positively with the shoulder 44 of the counter interface 41.
- the rotor unit 8 can now be pulled off the drive device 2 . Due to the fact that the detent 40 does not shear off in this case, the rotor unit 8 can also be used several times.
- the cartridge system 16 includes a plug 45 accommodated in the cartridge 17.
- the plug 45 is mounted in the cartridge 17 in a linearly displaceable manner along the longitudinal direction L. That is, the plug 45 can move along the longitudinal direction L and counter to the longitudinal direction L in the cartridge 17 .
- the rotor unit 8 in particular the rotor 10 , is guided through the plug 45 .
- a rotor opening 46 that breaks through the plug 45 is provided.
- the cartridge system 16 with the cartridge 17, the stator 12 and the plug 45 preferably forms a disposable or a disposable item.
- the cartridge system 16 can also include the rotor unit 8 , in particular the rotor 10 . However, this is not mandatory. Alternatively, the cartridge system 16 can also be used several times. In the latter case, the cartridge system 16 can be refilled.
- Disposable process solutions also known as single-use technologies, are used in particular to manufacture biopharmaceutical products. This means complete solutions from one-way systems, which are also referred to as single-use systems, for an entire process line. This may include, for example, media and buffer preparation, bioreactors, cell harvest, depth filtration, tangential flow filtration, chromatography, and virus inactivation.
- biotechnical processes include nutrient solutions, cells, buffers for stabilizing the pH value, as well as acids and bases for adjusting and regulating the pH value during cultivation. All media used must be sterilized before use.
- two main processes are used in biotechnology: heat sterilization at at least 121 °C at 1 bar overpressure for at least 20 minutes and sterile filtration.
- heat sterilization at at least 121 °C at 1 bar overpressure for at least 20 minutes
- sterile filtration is the method of choice.
- the disposable process solutions available are each to be regarded as a self-contained module.
- the basic process engineering operations required for the production and purification of the target product are connected in series.
- the preconfigured single-use systems which consist of hoses, single-use tanks, pump pots and filtration or chromatography modules, are self-contained. Sterile connection technologies, usually hose connections, are therefore required to connect two consecutive process steps.
- thermoplastic hoses can be welded together in a sterile manner or existing connections can be severed and the hose ends can be welded.
- hybrid processes in which single-use systems are combined with conventional stainless steel and glass systems.
- closed systems in which the one-way systems are linked together in the order of the process steps, and station systems, in which the intermediate products are transported to the next process step using mobile containers.
- single use (often also referred to as “disposable”) defines an item that is intended for single use. Usually this consists of a plastic material such as polyamide (PA), polycarbonate (PC), polyethylene (PE), polyethersulfone (PESU), polyoxymethylene (POM), polypropylene (PP), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinyl chloride (PVC) , cellulose acetate (CA) or ethylene vinyl acetate (EVA), and is discarded after use.
- PA polyamide
- PC polycarbonate
- PE polyethylene
- PESU polyethersulfone
- POM polyoxymethylene
- PP polypropylene
- PTFE polytetrafluoroethylene
- PVC polyvinyl chloride
- CA cellulose acetate
- EVA ethylene vinyl acetate
- the plug 45 includes the rotor opening 46, through which the rotor unit 8, in particular the rotor 10, is passed.
- the stator 12 comprises an inner part 47, in particular an elastomer part, on which the opening 13 with the helical inner geometry is provided, and an outer part 48, which accommodates the inner part 47.
- the outer part 48 is tubular and takes the inner part 47 in itself.
- the inner part 47 is elastically deformable.
- the inner part 47 can be made of a thermoplastic elastomer (TPE) and the outer part 48 can be made of a polyurethane (PU).
- the stator 12 can be a one-piece or a multi-piece component.
- the inner part 47 can be pressed into the outer part 48 .
- the inner part 47 and the outer part 48 can also be produced as a one-piece component in a two-component injection molding process.
- the elastomer part 47 is made of a liquid silicone or LSR.
- the outer part 48 can be made of any thermoplastic material, such as PE, ABS, PP or the like.
- the elastomer part 47 can also be made of a thermoplastic material.
- the stator 12 is inserted, clipped, glued into the cartridge 17 or connected to it in some other way.
- the stator 12 can, as mentioned above, be designed in one piece, in particular in one piece of material, with the cartridge 17 .
- the stator 12 can also be removed from the cartridge 17 .
- the plug 45 can be subjected to an overpressure.
- a sterile filter or moisture filter can be provided on the air supply 14 . This can be provided both inside the bearing housing 5 and outside, for example in the air supply 14 .
- plug 45 as shown in FIGS Figures 14 and 15 shown, a cylindrical or barrel-shaped geometry.
- the stopper 45 is constructed rotationally symmetrically to a central or symmetrical axis 49 .
- the stopper 45 can be made, for example, from an LSR, a two-component silicone, PE, POM, PP, PTFE or from an elastomer.
- the stopper 45 can also be made of a porous, open-pored, gas-permeable material such as PTFE or PE. As a result, gas bubbles trapped in the medium can escape via the porous plug 45 .
- the porosity of the material is preferably in the range from 1 ⁇ m to 50 nm, for example in the range from 10 ⁇ m to 50 nm, more preferably in the range from 20 ⁇ m to 50 nm.
- the plug 45 can also include a built-in membrane.
- the plug 45 Facing away from the stator 12 , the plug 45 includes a first sealing lip 50 that runs completely around the axis of symmetry 49 .
- the first sealing lip 50 rests against the cartridge 17 on the inside.
- the plug 45 includes a second sealing lip 51 , which also bears against the cartridge 17 on the inside.
- the second sealing lip 51 is placed on the medium side.
- the first sealing lip 50 is placed away from the medium.
- the second sealing lip 51 has a wiping function and is more rigid than the first sealing lip 50. Viewed along the axis of symmetry 49, the more flexible first sealing lip 50 extends further out of the plug 45 than the second sealing lip 51.
- the rotor opening 46 comprises a plurality of annular grooves 52, 53 running around the axis of symmetry 49, which together form a labyrinth seal 54 in order to seal the flex shaft 9 and/or the rotor 10 against the plug 45 in a fluid-tight manner.
- a labyrinth seal 54 in order to seal the flex shaft 9 and/or the rotor 10 against the plug 45 in a fluid-tight manner.
- the plug 45 On the upper side, ie facing away from the medium, the plug 45 comprises a stiffening ring 55 which runs completely around the axis of symmetry 49 and which is broken through by the rotor opening 46 .
- a rounding 56 is provided in a transition between the stiffening ring 45 and the rotor opening 46 , which makes it easier to insert the rotor unit 8 into the rotor opening 46 .
- a pressure ring 57 Facing the medium, ie facing away from the stiffening ring 55, a pressure ring 57 is provided.
- the pressure ring 57 constricts itself around the rotor unit 8 and seals it off.
- the pressure ring 57 is in the form of a halved O-ring.
- the rotor opening 46 is closed with the aid of a membrane 58 which is connected to the pressure ring 57 .
- the membrane 58 can be pierced with the help of the rotor 10, in particular with the help of the tip 11 of the rotor 10. If the membrane 58 is punctured, the pressure ring 57 ensures that the stopper 45 does not tear any further.
- the membrane 58 comprises a plurality of membrane sections 59 to 62.
- the number of membrane sections 59 to 62 is arbitrary. For example, two, three or four membrane sections 59 to 62 can be provided.
- a performance 63 which is cross-shaped is provided between the membrane sections 59 to 62 .
- the perforation 63 comprises a first perforation section 64 and a second perforation section 65 which are placed perpendicular to each other and form the cross-shaped perforation 63 .
- the provision of the perforation 63 makes it possible to prevent parts of the membrane 58 from becoming detached when the rotor 10 pierces it.
- the plug 45 seals both on the first sealing lip 50 and on the second sealing lip 51 with an overlap. This means that the sealing lips 50, 51 are compressed radially in the cartridge 17. At the same time, a wiping function on the side of the medium and on the inside of the cartridge 17 is realized.
- the stopper 45 or the material used for the stopper 45 can include an indicator which changes its state when the stopper 45 is used or after a certain period of time.
- the indicator can be a dye, for example. That is, the plug 45 changes color with a single use. For example, plug 45 discolor on contact with air or moisture or the medium. For example, the plug 45 changes color after a certain time, for example eight hours.
- the 17 and 18 show another embodiment of a plug 45.
- the plug 45 according to FIGS 17 and 18 is particularly suitable for low to medium-viscosity media.
- the plug 45 comprises two sealing lips 50, 51.
- the plug 45 according to FIGS Figures 14 to 16 includes the plug 45 according to 17 and 18 three annular grooves 52, 53, one of which in the 18 only two are provided with a reference number. Facing the medium, the plug 45 comprises a conical section 66 which bulges out of the plug 45.
- the stator 12 has a cone-shaped geometry corresponding to the cone section 66 of the plug 45, in particular a counter-cone section 67, as for example in FIG 13 is shown.
- the 19 and 20 show a further embodiment of a plug 45.
- the plug 45 according to FIG 19 and 20 only one sealing lip 51 facing the medium. Furthermore, no annular grooves 52, 53, as mentioned above, are provided on the rotor opening 46.
- the plug 45 according to 19 and 20 is particularly suitable for low to high viscosity media.
- the stopper 45 is particularly preferably suitable for highly viscous media.
- the rotor opening 46 is designed as a stepped bore.
- the 21 and 22 show another embodiment of a plug 45.
- the plug 45 according to FIGS 21 and 22 is particularly suitable for low to high viscosity materials.
- the plug 45 according to 21 and 22 differs from the plug 45 according to the 19 and 20 characterized in that the rotor breakthrough 46 is designed such that the plug 45 only in the area thin-walled membrane 58 is in contact with the plug 45.
- the plug 45 comprises only one circumferential sealing lip 51 facing the medium.
- the plug 45 is preferably made of a particularly elastic material.
- the eccentric screw pump 1 can be used in particular for additive or generative manufacturing. That is, the progressive cavity pump 1 is a 3D print head or can be referred to as such. 3D printing is a comprehensive term for all manufacturing processes in which material can be applied layer by layer to create three-dimensional objects.
- the layered structure is computer-controlled from one or more liquid or solid materials according to specified dimensions and shapes.
- 3D printing Physical or chemical hardening or melting processes take place during construction.
- Typical materials for 3D printing are plastics, synthetic resins, ceramics and metals.
- carbon and graphite materials have also been developed for 3D printing carbon parts.
- it is a primary forming process no special tools are required for a specific product that have stored the respective geometry of the workpiece, such as casting molds.
- 3D printers are used in industry, model making and research to produce models, samples, prototypes, tools, end products or the like. Furthermore, these are also used for private use. There are also applications in home and entertainment, construction, and art and medicine.
- 3D printing has the advantage that the time-consuming production of molds and mold changes are no longer necessary.
- 3D printing has the advantage that there are no additional processing steps after the primary shaping. In most cases, the process is energetically cheaper, especially if the material is only built up once in the required size and mass.
- post-processing may be necessary depending on the area of application.
- the eccentric screw pump 1 can be used for so-called bioprinting.
- bioprinting The field of application of bioprinting is still very young and represents the latest step in cell culture technology. It can be seen as a special form of additive manufacturing at the interface between medical technology and biotechnology.
- the topic of "bioprinting” is often introduced with words about the great need for donor organs. It is essential that tissue and organs are artificially produced in the future in order to meet the enormous demand. Realistically, this vision is still a long way off if it should ever become reality.
- mini-organs are printed, which can depict all the essential functions of a shelf organ. Using microfluidic techniques, these mini-organs can be combined into multi-organ systems and the systemic effects of active substances can thus be tested without the need for animal experiments.
- cell-loaded gels or matrices are produced for maintaining and cultivating the same with the aid of the eccentric screw pump 1, in particular with the aid of a bioprinter.
- This is done through a layered structure, which is known from additive manufacturing. Since most of the media used in bioprinting are loaded with living cells, which can only be produced with considerable expenditure of time and money, gentle application is essential. The stress on the deployed cells increases with the cell density and the viscosity of the medium. For meaningful constructs, however, the highest possible cell density and stability are required. This creates a tension between cell concentration and application technology.
- the special feature of the eccentric screw pump 1 consists in the design of the cartridge system 16 as a disposable item.
- the cartridge system 16 containing the stator 12 is replaced after it has been used once.
- the drive device 2 itself remains. It is also necessary to replace the plug 45, which is part of the cartridge system 16. It is also possible to exchange the rotor 10 in the event that this is part of the cartridge system 16 .
- cartridge system 16 as a single-use printhead has many advantages over established methods.
- a high level of precision and resolution can be achieved during the application. Process fluctuations are compensated and enable consistent and reproducible printing results. Ambient parameters are leveled. It is a gentle product Delivery of low to high-viscosity media possible. There is no clogging of a dosing needle.
- the application can be done without pulsation. Active withdrawal of medium into the cartridge system 16 is possible in order to prevent thread formation or dripping.
- the hygienic implementation or sterilization enables a contamination-free process. This is guaranteed by the one-time use. A low dead volume enables almost complete extrusion of the medium. Easy integration into existing bioprinters is possible. The design does not require a separate controller and is geometrically optimized for bioprinters. It is easy to handle without additional tools.
- both the interior 19 of the cartridge 17 can be sealed off from the environment and the drive unit 3 can be protected against contamination with the medium. Because the medium is not supplied via a hose or pipeline, but is held directly in the cartridge system 16, the dead volume can be reduced since the medium is very expensive and even the smallest amounts are too valuable to use as dead volume to lose. Loss-free feeding and at least almost complete emptying of the cartridge system 16 are ensured.
- the cartridge system 16 is a disposable item, it can be easily sterilized. Due to the fact that the cartridge system 16 can be replaced, the drive device 2 itself does not have to be cleaned. It is therefore not necessary to completely dismantle the drive device 2 in order to clean the eccentric screw pump 1 .
- the cartridge system 16 can be changed very easily and quickly are, whereby the eccentric screw pump 1 is ready for use again in a very short time.
- Biological media are usually dosed within a working range of + 4 °C to + 40 °C, since most cells can only survive in a narrow temperature range.
- the media to be printed are very often subject to a temperature-controlled gelation mechanism that ensures dimensional stability during printing. This requires precise temperature control. Refrigeration is also important so that some cell types do not die and certain gels can be printed.
- the medium can be sealed off from the interior space 19 with the aid of the eccentrically sealing plug 46 .
- the plug 45 serves not only for sealing, but also fulfills the function of power transmission to the medium in order to supply a preliminary pressure for the metering of the same. This form can be applied, for example, by compressed air supplied via the air supply 14 or by a spring.
- the 23 12 schematically shows a filling concept for filling the cartridge system 16.
- the plug 45 is pushed into the cartridge 17.
- FIG. The membrane 58 of the plug 45 faces the stator 12 .
- the plug 45 is pushed into the cartridge 17 until the plug 45 is in contact with the stator 12 .
- a syringe 68 filled with a medium M is then connected to the Luer lock connection 18 of the cartridge 17 via an adapter 69 .
- the cartridge system 16 is now filled with the medium M, with the plug 45 moving away from the stator 12 .
- the cartridge system 16 is connected to the drive device 2 .
- the membrane 58 is pierced by the rotor 10 .
- a nozzle 70 is attached to the Luer lock connection 18 .
- the cartridge system 16 is connected to the drive device 2 with the aid of the bayonet lock 27 .
- the dosing of the medium M can now be started.
- the plug 45 To fill the cartridge 17 and to protect the medium M from the environment, it is necessary for the plug 45 to be closed. This is solved in that the stopper 45 is provided with the perforable membrane 58 in the middle. After the cartridge system 16 has been filled, this should still be tight when the rotor 10 pierces the membrane 58 from above. Furthermore, the plug 45 must allow the eccentric movement of the rotor 10 while the cartridge system 16 is being completely emptied and still remain sealed. This is achieved by an appropriate choice of material for the plug 45.
- the medium M In order to largely eliminate dead space, it is necessary for the medium M to be able to remain in as few indentations, cavities or undercuts as possible. A product-contacting inner geometry of the cartridge 17 that is as simple as possible is therefore well suited. Therefore, the cartridge 17 is also cylindrical on the inside.
- the potential disadvantage that the rotor 10 has to be guided through the center of the cartridge 17 and that medium M can potentially stick to the rotor unit 8 is compensated for by the wiping function of the plug 45 .
- An optimal emptying of residues is achieved by a conically tapering stator 12 and a correspondingly shaped plug 45, as is also the case, for example, in FIGS 13 and 18 is shown.
- the rotor-stator combination can be designed for a small dosing volume up to failure.
- the stopper 45 can be irreversibly destroyed after a single use, for example by puncturing the membrane 58. It is possible for the rotor 10 to snap into the cartridge 17 so that it cannot be separated from the cartridge system 16. An irreversible closure of the cartridge 17 is possible, so that the damaged stopper 45 cannot be replaced. Furthermore, a color indication is possible, which indicates a single use.
- the handling of the cartridge system 16 is simplified to such an extent that a user only has to fill the cartridge system 16 , insert the rotor unit 8 into the drive device 2 and tighten the cartridge system 16 on the drive device 2 . Dismantling and assembly are possible without tools.
- the cartridge system 16 can be filled, operated and exchanged in a sterile manner without leaving any residue.
- the rotor 10, in particular the rotor unit 8 is automatically removed from the drive device 2 when the cartridge system 16 is pulled off.
- the handling is therefore largely the same as that of a regular cartridge.
- the extrusion is controlled via stepper motor signals from a controller. No separate control is required, which improves handling in practice.
- a reduction in weight and size is desirable.
- the greatest savings are possible by selecting a suitable drive unit 3. Since the sealing of the drive unit 3 does not have to withstand high pressures, it can also be made smaller.
- the materials for the drive device 2 are chosen so that they are as light as possible.
- the housing 4 can be partially made of metal or plastic. Since the components rotor 10, stator 12, plug 45 and cartridge 17 are made of plastic, the weight is further reduced.
- the temperature of the medium M can be regulated via an external element that can be plugged onto the cartridge system 16 .
- the cooling or heating takes place directly on an outer surface of the cartridge 17 and can be kept constant over the entire length of the cartridge 17 by means of an adapted shape.
- This is implemented on the one hand by the relatively large distance between the drive unit 3 and the cartridge system 16, on the other hand by a suitable choice of materials.
- Plastic prevents the conduction from the drive unit 3 to the medium M.
- Metal provided on the drive unit 3 promotes heat dissipation to the environment.
- the eccentric screw pump 1 in the field of bioprinting, other areas of application are also conceivable.
- the use of the progressing cavity pump 1 does not have to be limited to bioprinting. Materials such as silicones, epoxy resins, polyurethanes, ceramic, metal and solder pastes can also be printed. With a compact design, it is also conceivable to open up the market for amateur 3D printers.
- cartridge system 16 also makes sense in a laboratory environment in which small quantities are tested and rapid product changes take place. If, for example, different formulations of an adhesive compound are tested, the entire eccentric screw pump would always have to be dismantled and cleaned in the case of an eccentric screw pump without such a cartridge system 16 . Since there are no sterility requirements for adhesives, it would also be conceivable to only change the cartridge 17 and not the rotor unit 8 . Different cartridge sizes ensure usability in different areas.
- the cartridge system 16 can be used for the precise application of material in wound care, in the body, in operations, in dental treatments or for dispensing medication.
- One The interface between additive manufacturing and medical technology is, for example, the printing of tablets. Problems with interactions, overdosing and underdosing as well as forgetting to take a tablet can be counteracted by individually creating tablets with patient-specific active ingredients and active ingredient contents.
- the eccentric screw pump 1 can also be used for printing tablets.
- the 24 shows a schematic sectional view of a further embodiment of an eccentric screw pump 1.
- the 25 shows the detailed view C according to FIG 24 .
- the eccentric screw pump 1 according to the 24 differs from the eccentric screw pump 1 according to the 1 and 2 only in that the cartridge system 16 has a spring element 71 which is arranged between the plug 45 and the bearing housing 5 . Ring-shaped pressure pieces 72, 73 are provided on both sides of the spring element 71. In addition, pressurization via the air supply 14 is also possible.
- the interior 19 of the cartridge 17 can also be subjected to a negative pressure, in particular a vacuum.
- the spring element 71 In contrast to the eccentric screw pump 1 according to the 1 and 2 this task is taken over by the spring element 71 instead of pressurizing the plug 45 with air.
- the spring element 71 has a linear characteristic.
- the exertion of force on the plug 45 can take place on the one hand via air pressure, with the aid of a spring force of the spring element 71 or with the aid of a spindle drive (not shown).
- an eccentric insert in the plug 45 is provided.
- the pitch of this eccentric insert is adapted to the volumetric quantity and therefore also to the stopper speed. That is, the plug 45 is positively guided.
- a slide bushing 74 for supporting the drive shaft 7 in the bearing housing 5 is provided.
- the slide bushing 74 includes a first sealing ring 75 and a second sealing ring 76. It is also possible for only one sealing ring 75, 76 to be provided.
- the sealing ring 75 seals against a vacuum in the interior space 19 .
- the 26 shows a schematic sectional view of a further embodiment of a cartridge system 16.
- the 27 shows the detailed view D according to FIG 26 .
- latching hooks or snap hooks 77 , 78 are provided on the inside of the cartridge 17 .
- a cover 79 closing the cartridge 47 is provided.
- the cover 79 can be plate-shaped and includes a central opening 80 through which the rotor unit 8 is passed.
- the cover 79 includes a peripheral engagement section 81 which engages behind the latching hooks 77 , 78 . That is, the cover 79 can, as in the 27 indicated by arrows, are pressed into the cartridge 17, the engagement section 81 snapping in behind the snap hooks 77, 78.
- the cover 79 can no longer be separated from the cartridge 17.
- Latch hooks or snap hooks 82, 83 can be provided on the rotor unit 8, in particular on the flexible shaft 9.
- the number of snap hooks 82, 83 is arbitrary.
- the snap hooks 82, 83 can engage behind the cover 79.
- the snap hooks 82, 83 protrude radially further out of the rotor unit 8 than the diameter of the opening 80 is large.
- the rotor unit 8 can be guided through the opening 80 . As soon as the snap hooks 82, 83 have passed through the opening 80, they engage behind the cover 79. Now the rotor unit 8 can no longer be separated from the cartridge system 16 either.
- the cartridge system 16 and all components of the cartridge system 16 can actually only be used once.
- the rotor unit 8 and the plug 45 could also be cleaned and repeatedly be reused.
- the cover 79 can at least ensure that the cartridge 17 is only used once. The advantage here can be seen in single use or contamination, for example in the case of toxic or carcinogenic active substances, as well as in cleaning and self-protection.
- the 28 shows a schematic sectional view of a further embodiment of a cartridge system 16.
- the cartridge system 16 according to FIG 28 is fully encapsulated.
- a cover 84 is provided on the back of the cartridge 17 for this purpose.
- the cover 84 is glued or fused to the cartridge 17, for example.
- the cover 84 is connected to the cartridge 17 in a fluid-tight manner.
- the cartridge system 16 is thus completely encapsulated and, in addition to the cartridge 17, includes the stator 12, the rotor unit 8 and the plug 45 (not shown).
- the interface 32 of the rotor unit 8, in particular the flex shaft 9, is designed as a non-contact interface.
- the interface 32 is provided on the flexible shaft 9 . Accordingly, a corresponding counterpart interface is provided on the drive device 2 .
- the interface 32 can be a magnetic coupling or part of a magnetic coupling, for example.
- all embodiments of the cartridge system 16 or the cartridge 17 can have an RFID chip (Radio Frequency Identification).
- RFID chip Radio Frequency Identification
- a geometry of the stator 12 can be recognized in order, for example, to be able to assign the appropriate rotor 10 to the stator 12 . It is thus possible, for example, to identify a size.
- batch recognition of the medium M contained in the cartridge 17 is also possible.
- the cartridge system 16 or the cartridge 17 can also have a QR code (English: Quick Response), which is lasered into the cartridge 17, for example.
- QR code English: Quick Response
- Information can then be read out, for example, which allows conclusions to be drawn about the contents of the cartridge 17, namely the medium M. For example, a batch recognition, a statement about the service life or the durability of the medium M, a product tracking or the like is possible.
- the eccentric screw pump 1 can be mains operated or battery operated. This means that battery operation of the drive unit 3 is possible. As a result, the eccentric screw pump 1 is independent of a power grid.
- the eccentric screw pump 1 can thus work independently as a handheld device.
- the eccentric screw pump 1 can be used to meter soldering paste at a manual workstation.
- the eccentric screw pump 1 can thus be used in the manner of a pipetting device or pipetting aid, with the difference that the eccentric screw pump 1 can also be used to dose highly viscous media M.
- a self-sufficiently working eccentric screw pump 1 can also be used to treat quick wounds, for example for field treatment by emergency services, in doctors' surgeries or in the operating room.
- waxes in particular bone waxes, adhesives, medicines, denture materials, artificial skin or the like can be dosed.
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kartuschensystem für eine Exzenterschneckenpumpe und eine Exzenterschneckenpumpe, insbesondere einen 3D-Druckkopf, mit einem derartigen Kartuschensystem.
- Exzenterschneckenpumpen umfassen einen Stator sowie einen sich in dem Stator drehenden Rotor. Bei einem Drehen des Rotors wird ein zu dosierendes Medium durch das Zusammenspiel des Rotors mit dem Stator in einer Längsrichtung der Exzenterschneckenpumpe weg von einer Antriebseinrichtung der Exzenterschneckenpumpe nach dem Endloskolbenprinzip gefördert. Das Fördervolumen pro Zeiteinheit ist dabei abhängig von der Drehzahl, der Größe, der Steigung und der Geometrie des Rotors. Mit derartigen Exzenterschneckenpumpen sind hochpräzise Dosiervorgänge mit einer hohen Wiederholgenauigkeit möglich. Aus diesem Grund eignen sich Exzenterschneckenpumpen für einen Einsatz als Druckköpfe für die additive oder generative Fertigung.
- In der additiven Fertigung oder beim 3D-Druck wird aus einem flüssigen, pulverförmigen oder pastenförmigen Werkstoff oder Medium schichtweise ein Bauteil aufgebaut. Werden beispielsweise verschiedene Formulierungen des zu druckenden Mediums getestet, ist es zumeist erforderlich, die gesamte Exzenterschneckenpumpe arbeits- und zeitaufwändig zu zerlegen und deren mit dem Medium in Kontakt stehende Komponenten, wie beispielsweise den Rotor und den Stator, zu reinigen. Daher ist es wünschenswert, dass eine möglichst einfache und schnelle Reinigung der Exzenterschneckenpumpe möglich ist.
- Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein austauschbares Kartuschensystem für eine Exzenterschneckenpumpe zur Verfügung zu stellen.
- Demgemäß wird ein Kartuschensystem für eine Exzenterschneckenpumpe vorgeschlagen. Das Kartuschensystem umfasst eine Kartusche zum Aufnehmen eines zu dosierenden Mediums, einen an der Kartusche vorgesehenen Stator, welcher zum Dosieren des Mediums mit einer Rotoreinheit der Exzenterschneckenpumpe zusammenwirkt, und einen in der Kartusche beweglich gelagerten Stopfen zum fluiddichten Verschließen der Kartusche, wobei der Stopfen einen Rotordurchbruch umfasst, durch welchen die Rotoreinheit hindurchführbar ist.
- Dadurch, dass in der Kartusche der beweglich gelagerte Stopfen vorgesehen ist, wird zum einen verhindert, dass das zu dosierende Medium verunreinigt wird. Zum anderen wird gewährleistet, dass auch eine Antriebseinrichtung der Exzenterschneckenpumpe nicht mit dem Medium verunreinigt werden kann. Somit können durch einen einfachen Austausch des gesamten Kartuschensystems alle mit dem Medium in Kontakt befindlichen Bauteile ausgetauscht werden. Eine Verunreinigung der Antriebseinrichtung ist nicht zu erwarten. Dies vereinfacht die Reinigung der Exzenterschneckenpumpe signifikant.
- Die Exzenterschneckenpumpe umfasst bevorzugt die Rotoreinheit. Die Rotoreinheit kann jedoch auch Teil der Kartusche sein. Die Rotoreinheit umfasst eine biegsame Welle oder Flexwelle, die mit der Antriebseinrichtung der Exzenterschneckenpumpe gekoppelt ist. Die Flexwelle kann auch als Biegewelle oder Gelenkwelle bezeichnet werden. Die Flexwelle kann auch ein Biegestab, insbesondere ein Kunststoffbiegestab, sein oder als solcher bezeichnet werden. In diesem Fall kann die Flexwelle beispielsweise aus einem Polyetheretherketon (PEEK), Polyethylen (PE) oder dergleichen gefertigt sein. Vorderseitig an der Flexwelle ist ein Rotor vorgesehen, welcher mit dem Stator zusammenwirkt.
- Vorzugsweise umfasst der Stator ein elastisch verformbares Innenteil oder Elastomerteil mit einem mittigen Durchbruch. Der Durchbruch umfasst vorzugsweise eine schrauben- oder schneckenförmige Innenkontur. In dem Stator ist der drehbare Rotor aufgenommen, der eine zu dem Innenteil korrespondierende schrauben- oder schneckenförmige Außenkontur umfasst. Die Exzenterschneckenpumpe umfasst neben dem austauschbaren Kartuschensystem auch die zuvor erwähnte Antriebseinrichtung.
- Der Rotor wird über die Flexwelle von einer Antriebseinheit, insbesondere einem Elektromotor, der Antriebseinrichtung angetrieben. Die Antriebseinheit treibt eine Antriebswelle der Antriebseinrichtung an, welche mit der Rotoreinheit gekoppelt ist. Die Antriebswelle kann mit Hilfe der zuvor erwähnten flexiblen Welle oder Flexwelle fest mit dem Rotor verbunden sein. Bei dem Drehen des Rotors in dem Stator wird das Medium durch das Zusammenspiel mit dem Innenteil des Stators in einer Längsrichtung der Exzenterschneckenpumpe weg von der Antriebswelle nach dem Endloskolbenprinzip gefördert. Das Fördervolumen pro Zeiteinheit ist dabei abhängig von der Drehzahl, der Größe, der Steigung und der Geometrie des Rotors.
- Im Betrieb der Exzenterschneckenpumpe führt die Rotoreinheit in dem Rotordurchbruch bevorzugt eine exzentrische Bewegung durch. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Es könnte auch eine reine Rotationsbewegung vorgesehen sein. In diesem Fall ist ein Gelenk oder die zuvor erwähnte Flexwelle nach dem Stopfen, das heißt in dem Medium, vorzusehen.
- Die Kartusche ist vorzugsweise zylinderförmig. Insbesondere ist die Kartusche eine Einwegspritze. Das heißt, das Kartuschensystem ist bevorzugt ein Einmalartikel (Engl.: Disposable). Alternativ kann das Kartuschensystem auch mehrfach verwendet werden. Die Kartusche weist vorderseitig vorzugsweise einen Luer-Lock-Anschluss auf. Hierdurch kann einfach eine Düse an die Kartusche angeschlossen werden. Auch ein Befüllen der Kartusche über den Luer-Lock-Anschluss ist möglich.
- Dass der Stator an der Kartusche "vorgesehen" ist, kann vorliegend bedeuten, dass der Stator fest mit der Kartusche verbunden ist. Alternativ kann der Stator jedoch auch einfach in die Kartusche eingelegt oder dergleichen sein. Das heißt, der Stator kann auch lösbar mit der Kartusche verbunden sein. Der Stopfen ist in der Kartusche entlang der zuvor erwähnten Längsrichtung linear beweglich gelagert. Der Stopfen wird bei dem Dosieren des Mediums dem Medium nachgeführt. Der Rotordurchbruch ist vorzugsweise mittig an dem Stopfen vorgesehen. Der Rotordurchbruch kann eine Stufenbohrung sein.
- Das Medium kann beispielsweise ein Kleb- oder Dichtstoff, Wasser, eine wässrige Lösung, eine Farbe, eine Suspension, ein viskoser Rohstoff, eine Emulsion oder ein Fett sein. Das Medium kann auch ein Gel oder Alginat sein. Das Medium kann Zellen, insbesondere menschliche, tierische oder pflanzliche Zellen, umfassen. Das Medium kann flüssig oder pastös sein. Unter einer Paste oder einem pastösen Produkt ist ein Feststoff-Flüssigkeitsgemisch, insbesondere eine Suspension, mit einem hohen Gehalt an Festkörpern zu verstehen. Beispielsweise kann das Produkt einen Gehalt an Füllstoffen, beispielsweise sogenannte Microballons, faserige, insbesondere kurzfaserige, Anteile oder dergleichen, aufweisen.
- Das Kartuschensystem beziehungsweise die Kartusche kann einen RFID-Chip (Engl.: Radio Frequency Identification) umfassen. Hierdurch kann insbesondere eine Geometrie des Stators erkannt werden, um beispielsweise dem Stator den passenden Rotor zuordnen zu können. Es ist somit beispielsweise eine Größenerkennung möglich. Ferner ist hierdurch auch eine Chargenerkennung des in der Kartusche aufgenommenen Mediums möglich.
- Das Kartuschensystem beziehungsweise die Kartusche kann ferner auch einen QR-Code (Engl.: Quick Response) aufweisen, der beispielsweise in die Kartusche eingelasert ist. Hiermit kann beispielsweise das in der Kartusche aufgenommene Medium identifiziert werden. Es kann dann beispielsweise eine Information ausgelesen werden, die Rückschlüsse auf den Inhalt der Kartusche, nämlich das Medium, ermöglicht. So ist beispielsweise eine Chargenerkennung, eine Aussage über die Lebensdauer beziehungsweise die Haltbarkeit des Mediums, eine Produktnachverfolgung oder dergleichen möglich.
- Gemäß einer Ausführungsform sind der Stator und die Kartusche einstückig, insbesondere materialeinstückig, ausgebildet oder der Stator und die Kartusche sind formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden.
- Unter "einstückig" oder "einteilig" ist vorliegend insbesondere zu verstehen, dass der Stator und die Kartusche ein gemeinsames Bauteil bilden und nicht aus unterschiedlichen Bauteilen zusammengesetzt sind. "Materialeinstückig" bedeutet vorliegend, dass der Stator und die Kartusche durchgehend aus demselben Material gefertigt sind. Alternativ können der Stator und die Kartusche jedoch auch zwei voneinander getrennte Bauteile sein, die formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
- Eine formschlüssige Verbindung entsteht durch das Ineinander- oder Hintergreifen von mindestens zwei Verbindungspartnern, vorliegend dem Stator und der Kartusche. Hierzu können beispielsweise an dem Stator und an der Kartusche Schnapphaken oder dergleichen vorgesehen sein. Eine kraftschlüssige Verbindung setzt eine Normalkraft auf die miteinander zu verbindenden Flächen voraus. Kraftschlüssige Verbindungen können durch Reibschluss verwirklicht werden. Die gegenseitige Verschiebung der Flächen ist verhindert, solange die durch die Haftreibung bewirkte Gegenkraft nicht überschritten wird. Beispielsweise ist der Stator in die Kartusche eingepresst. Bei stoffschlüssigen Verbindungen werden die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten. Stoffschlüssige Verbindungen sind nicht lösbare Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel und/oder der Verbindungspartner trennen lassen. Beispielsweise ist der Stator in die Kartusche eingeklebt oder einvulkanisiert.
- Der Stator kann einstückig ausgeführt sein. Der Stator kann jedoch auch zweistückig ausgeführt sein und weist beispielsweise ein aus einem Silikon gefertigtes Innenteil, welches den schneckenförmigen Durchbruch aufweist, und ein Außenteil auf, welches aus einem anderen Kunststoffmaterial als das Innenteil gefertigt ist. Beispielsweise kann der Stator innen ein Elastomer und außen einen beliebigen thermoplastischen Kunststoff aufweisen. Alternativ kann der Stator auch aus zwei unterschiedlichen Thermoplasten gefertigt sein. Der Stator kann rückseitig, das heißt dem Stopfen zugewandt, eine konusförmige Geometrie aufweisen. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Rotordurchbruch mit Hilfe einer dem Stator zugewandten Membran verschlossen.
- Die Membran kann mit Hilfe der Rotoreinheit durchstochen werden, sobald das Kartuschensystem an der Antriebseinrichtung montiert wird. Hierzu kann der Rotor eine Spitze aufweisen, mit deren Hilfe die Membran durchstoßen wird. Die Membran kann alternativ auch mit Hilfe der Rotoreinheit durchstochen werden, bevor das Kartuschensystem an der Antriebsvorrichtung montiert wird. In diesem Fall wird die Rotoreinheit erst dann mit der Antriebseinrichtung verbunden, nachdem die Rotoreinheit in den Rotordurchbruch eingesteckt wurde.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Membran eine Perforation, wobei die Perforation die Membran bevorzugt in mehrere Membranabschnitte unterteilt.
- Die Anzahl der Membranabschnitte ist grundsätzlich beliebig. Beispielsweise sind zwei, drei oder vier Membranabschnitte vorgesehen. Mit Hilfe der Perforation kann verhindert werden, dass Teile der Membran bei dem Durchstoßen derselben mit Hilfe des Rotors abreißen und das Medium verunreinigen. Die Perforation sorgt für einen gleichmäßigen Aufriss der Membran. Die Perforation kann beispielsweise kreuzförmig sein und zwei einander kreuzende Perforationsabschnitte aufweisen.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Stopfen einen Druckring, durch welchen der Rotordurchbruch hindurchgeführt ist und an welchem die Membran vorgesehen ist.
- Vorzugsweise weist der Druckring die Geometrie eines halben O-Rings auf. Die Membran ist einteilig, insbesondere materialeinstückig, mit dem Druckring verbunden. Der Druckring läuft vollständig um die Rotoreinheit um und schnürt um diese ein. Hierdurch ist eine zuverlässige Abdichtung des Stopfens gegenüber der Rotoreinheit mediumseitig vorgesehen. Der Druckring fungiert weiterhin als Einreißstopp bei einem Durchstoßen der Membran mit Hilfe der Rotoreinheit.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Stopfen dem Druckring abgewandt einen Versteifungsring, durch welchen der Rotordurchbruch hindurchgeführt ist.
- Der Versteifungsring weist vorzugsweise im Querschnitt eine rechteckförmige Geometrie auf. Bei einem Übergang von dem Versteifungsring hinein in den Rotordurchbruch ist eine Verrundung vorgesehen. Die Verrundung erleichtert das Einführen der Rotoreinheit in den Rotordurchbruch.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist an dem Rotordurchbruch zumindest eine umlaufende Ringnut vorgesehen.
- Die Anzahl der Ringnuten ist grundsätzlich beliebig. Beispielsweise sind zwei oder drei Ringnuten vorgesehen. Die Ringnuten bilden zusammen eine Labyrinthdichtung, welche eine zuverlässige Abdichtung des Stopfens gegenüber der rotierenden Rotoreinheit bildet. Ferner dienen die Ringnuten auch als Aufnahmebereich für verdrängtes Material des Stopfens, wenn die Rotoreinheit in dem Rotordurchbruch eine exzentrische Bewegung durchführt. Das heißt, der Stopfen folgt der Bewegung der Rotoreinheit. Dies wird durch eine entsprechende Materialwahl des Stopfens erreicht.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Stopfen dem Stator abgewandt eine umlaufende erste Dichtlippe, welche innenseitig an der Kartusche anliegt, und/oder der Stopfen umfasst dem Stator zugewandt eine umlaufende zweite Dichtlippe, welche ebenfalls innenseitig an der Kartusche anliegt.
- Die erste Dichtlippe ist vorzugsweise mit Druckluft beaufschlagt und wird so umfänglich innenseitig gegen die Kartusche gepresst. Die zweite Dichtlippe sorgt zum einen für eine Abdichtung des Stopfens radial gegenüber der Kartusche und zum anderen für ein Abstreifen des Mediums innenseitig an der Kartusche.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die zweite Dichtlippe eine größere Steifigkeit als die erste Dichtlippe auf.
- Unter der "Steifigkeit" ist vorliegend der Widerstand der jeweiligen Dichtlippe gegen eine Verformung zu verstehen. Die Steifigkeit kann beispielsweise durch eine geeignete Geometrie oder eine geeignete Materialwahl beeinflusst werden. Beispielsweise ist die zweite Dichtlippe dickwandiger als die erste Dichtlippe. Hierdurch ergibt sich eine höhere Steifigkeit der zweiten Dichtlippe.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich die erste Dichtlippe stirnseitig weiter aus dem Stopfen heraus als die zweite Dichtlippe.
- Das heißt, die erste Dichtlippe ist höher als die zweite Dichtlippe. Dabei ist die erste Dichtlippe jedoch bevorzugt dünnwandiger als die zweite Dichtlippe.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Kartuschensystem ferner die Rotoreinheit, welche durch den Rotordurchbruch hindurchgeführt ist.
- Das heißt, die Rotoreinheit kann integraler Bestandteil des Kartuschensystems sein. In diesem Fall ist die Rotoreinheit lösbar mit der Antriebseinrichtung verbunden. Bei einem Entfernen des Kartuschensystems von der Antriebseinrichtung wird bevorzugt gleichzeitig auch die Verbindung zwischen der Rotoreinheit und der Antriebseinrichtung gelöst.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Rotoreinheit unlösbar mit der Kartusche und/oder dem Stopfen verbunden.
- Hierdurch kann verhindert werden, dass die Rotoreinheit mehrfach verwendet wird. Alternativ kann die Rotoreinheit jedoch auch lösbar mit der Kartusche und dem Stopfen verbunden sein. In dem letztgenannten Fall ist die Rotoreinheit mehrfach verwendbar. Zum unlösbaren Verbinden der Rotoreinheit mit der Kartusche kann beispielsweise ein die Kartusche rückseitig verschließender Deckel vorgesehen sein, welcher einen Durchbruch aufweist, durch den die Rotoreinheit hindurchgeführt ist. Die Rotoreinheit kann Rasthaken oder Schnapphaken aufweisen, welche durch den Durchbruch hindurchdrückbar sind. Sobald die Schnapphaken durch den Durchbruch hindurchgeführt sind, ist die Rotoreinheit fest mit der Kartusche verbunden und kann nicht mehr von dieser getrennt werden.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Rotoreinheit vollständig von der Kartusche eingekapselt.
- Das heißt zum einen, dass die Rotoreinheit nicht von der Kartusche trennbar ist, zum anderen, dass ein direkter Kontakt der Rotoreinheit mit der Antriebseinrichtung nicht möglich und nicht erforderlich ist. Die Rotoreinheit kann in diesem Fall von der Antriebseinrichtung beispielsweise mit Hilfe einer Magnetkupplung angetrieben sein. Das Einkapseln kann dadurch erfolgen, dass die Kartusche rückseitig fluiddicht abgeschlossen wird. Hierzu kann ein Deckel vorgesehen sein.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Rotoreinheit eine Schnittstelle zum Koppeln der Rotoreinheit mit einer Gegenschnittstelle der Antriebseinrichtung der Exzenterschneckenpumpe.
- Die Schnittstelle und die Gegenschnittstelle dienen der Drehmomentübertragung von der Antriebseinrichtung auf die Rotoreinheit. Die Schnittstelle kann beispielsweise zwei parallel zueinander angeordnete Schlüsselflächen aufweisen. In diesem Fall weist die Gegenschnittstelle zwei dazu korrespondierende Schlüsselflächen auf. Die Rotoreinheit kann im Querschnitt rechteckförmig, sternförmig, dreieckig oder viereckig sowie rund sein. Die Schnittstelle und die Gegenschnittstelle können Magneten umfassen, um die zuvor erwähnte Magnetkupplung zu verwirklichen.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schnittstelle eine Rastnase, welche bei einem Verbinden der Rotoreinheit mit der Antriebseinrichtung in die Gegenschnittstelle einrastet.
- Mit Hilfe der Rastnase erfolgt somit eine formschlüssige Verbindung der Rotoreinheit mit der Gegenschnittstelle. Die Gegenschnittstelle ist an der Antriebswelle der Antriebseinrichtung vorgesehen. Für den Fall, dass das Kartuschensystem ein Einwegartikel ist, ist die Rastnase derart ausgelegt, dass diese bei einem Trennen der Rotoreinheit von der Antriebseinrichtung abgeschert oder abgebrochen wird. Das heißt, die Rotoreinheit kann nicht mehr mit der Antriebseinrichtung verbunden werden. Alternativ kann sich die Rastnase auch elastisch verformen. In diesem Fall kann die Rotoreinheit mehrfach verwendet werden.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schnittstelle mehrere elastisch verformbare Armabschnitte, an welchen die Rastnase vorgesehen ist.
- Beispielsweise sind zwei oder vier Armabschnitte vorgesehen. Die Anzahl der Armabschnitte ist grundsätzlich beliebig. Zwischen den Armabschnitten sind Schlitze vorgesehen. Es ergibt sich somit eine schlitzförmige oder kreuzschlitzförmige Geometrie. Alternativ kann die Schnittstelle auch eine polygone, rechteckförmige, dreieckförmige oder sternförmige Geometrie aufweisen.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Kartuschensystem ferner das in der Kartusche aufgenommene Medium.
- Das Medium kann beispielsweise ein Alginat, Knochenwachs oder ein beliebiges anderes biologisches oder medizinisches Material sein. Das Medium kann menschliche, tierische oder pflanzliche Zellen enthalten. Das Medium kann weiterhin auch Bakterien oder Viren umfassen. Je nach Einsatz des Kartuschensystems in der Biomedizin, Pharmatechnik oder Industrie kann ein geeignetes Medium gewählt werden. Das Medium kann beispielsweise auch ein Cyanacrylat sein.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Stopfen einen Indikator, welcher nach einer Verwendung des Kartuschensystems seinen Zustand ändert.
- Insbesondere ändert der Indikator nach einer einmaligen Verwendung des Kartuschensystems seinen Zustand. Der Indikator kann beispielsweise ein Farbstoff sein. Die Änderung des Zustands kann eine Farbänderung sein. Der Zustand kann sich dadurch ändern, dass der Indikator Licht und/oder Feuchtigkeit ausgesetzt wird. Mit Hilfe des Indikators kann somit angezeigt werden, dass das Kartuschensystem bereits einmal verwendet wurde. Ferner kann der Indikator auch erst nach einer vorbestimmten Zeit seinen Zustand ändern. Weiterhin kann der Indikator auch so ausgelegt sein, dass dieser seinen Zustand erst nach einer vorbestimmten Anzahl von Verwendungen des Kartuschensystems ändert.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Stopfen aus einem luftdurchlässigen oder luftundurchlässigen Material gefertigt.
- In dem Fall, dass der Stopfen aus einem luftdurchlässigen Material gefertigt ist, ist ein Entgasen des Mediums unter dem Druck des Stopfens auf das Medium möglich. Dies ist insbesondere bei der Verarbeitung von Flüssigsilikonen oder Acrylaten wichtig. Somit können in dem Medium gebildete Blasen durch das luftdurchlässige Material hindurchtreten. Der Stopfen besteht hierzu aus einem porösen, offenporigen gasdurchlässigen Werkstoff. Beispielsweise kann Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyethylen (PE) oder ein anderes geeignetes Material Anwendung finden. Dadurch können in dem Medium eingeschlossene Gasblasen über den porösen Werkstoff entweichen. Die Porosität des Werkstoffs ist beispielsweise im Bereich von 1 µm bis 50 nm, bevorzugt im Bereich von 10 µm bis 50 nm, weiter bevorzugt im Bereich von 20 µm bis 50 nm, gewählt. Somit kann das viskose Medium nicht durch den Stopfen hindurch entweichen. Der Stopfen kann alternativ auch eine eingebaute luftdurchlässige Membran aufweisen.
- Weiterhin wird eine Exzenterschneckenpumpe, insbesondere ein 3D-Druckkopf, mit einer Antriebseinrichtung und einem derartigen austauschbaren Kartuschensystem vorgeschlagen, welches lösbar mit der Antriebseinrichtung verbunden ist.
- Zum lösbaren Verbinden des Kartuschensystems mit der Antriebseinrichtung kann beispielsweise ein Bajonettverschluss vorgesehen sein. Das Medium wird über den Stopfen mit Hilfe von Druckluft oder einem Federelement mit Druck beaufschlagt. Ferner kann auch ein exzentrischer Einsatz im Stopfen vorgesehen sein. Die Steigungshöhe dieses Einsatzes ist der volumetrischen Menge angepasst und somit auch der Stopfengeschwindigkeit. Es wird somit ein Spindeltrieb verwirklich. Der Stopfen ist dann zwangsgesteuert und folgt somit dem Medium.
- Die Exzenterschneckenpumpe kann netzbetrieben sein. Die Exzenterschneckenpumpe kann jedoch auch akkubetrieben sein. Hierdurch ist die Exzenterschneckenpumpe unabhängig von einem Stromnetz. Die Exzenterschneckenpumpe kann somit autark als Handgerät arbeiten. Beispielsweise kann die Exzenterschneckenpumpe so zum Dosieren von Lötpaste an einem Handarbeitsplatz eingesetzt werden. Die Exzenterschneckenpumpe kann so in der Art einer Pipettiereinrichtung oder Pipettierhilfe eingesetzt werden, mit dem Unterschied, dass mit Hilfe der Exzenterschneckenpumpe bevorzugt auch hochviskose Medien dosiert werden können. Ferner kann eine derart autark arbeitende Exzenterschneckenpumpe auch zur Schnellwundversorgung, beispielsweise zur Feldversorgung von Einsatzkräften, oder im Operationssaal eingesetzt werden. In diesem Fall können beispielsweise Wachse, insbesondere Knochenwachse, Klebstoffe, Zahnersatzmaterialien, künstliche Haut oder dergleichen dosiert werden.
- "Ein" ist vorliegend nicht zwingend als beschränkend auf genau ein Element zu verstehen. Vielmehr können auch mehrere Elemente, wie beispielsweise zwei, drei oder mehr vorgesehen sein. Auch jedes andere hier verwendete Zählwort ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Beschränkung auf genau die genannte Anzahl von Elementen gegeben ist. Vielmehr sind zahlenmäßige Abweichungen nach oben und nach unten möglich, sofern nichts Gegenteiliges angegeben ist.
- Weitere mögliche Implementierungen des Kartuschensystems und/oder der Exzenterschneckenpumpe umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform des Kartuschensystems und/oder der Exzenterschneckenpumpe hinzufügen.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte des Kartuschensystems und/oder der Exzenterschneckenpumpe sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel des Kartuschensystems und/oder der Exzenterschneckenpumpe. Im Weiteren werden das Kartuschensystem und/oder die Exzenterschneckenpumpe anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
- Fig. 1
- zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Exzenterschneckenpumpe;
- Fig. 2
- zeigt eine schematische Schnittansicht der Exzenterschneckenpumpe gemäß
Fig. 1 ; - Fig. 3
- zeigt eine weitere schematische perspektivische Ansicht der Exzenterschneckenpumpe gemäß
Fig. 1 ; - Fig. 4
- zeigt eine weitere schematische perspektivische Ansicht der Exzenterschneckenpumpe gemäß
Fig. 1 ; - Fig. 5
- zeigt eine weitere schematische perspektivische Ansicht der Exzenterschneckenpumpe gemäß
Fig. 1 ; - Fig. 6
- zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Lagergehäuses für die Exzenterschneckenpumpe gemäß
Fig. 1 ; - Fig. 7
- zeigt die Detailansicht A gemäß
Fig. 2 ; - Fig. 8
- zeigt eine weitere schematische perspektivische Ansicht der Exzenterschneckenpumpe gemäß
Fig. 1 ; - Fig. 9
- zeigt eine weitere schematische perspektivische Ansicht der Exzenterschneckenpumpe gemäß
Fig. 1 ; - Fig. 10
- zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Schnittstelle einer Rotoreinheit für die Exzenterschneckenpumpe gemäß
Fig. 1 ; - Fig. 11
- zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Schnittstelle einer Rotoreinheit für die Exzenterschneckenpumpe gemäß
Fig. 1 ; - Fig. 12
- zeigt die Detailansicht B gemäß
Fig. 2 ; - Fig. 13
- zeigt eine schematische Teilschnittansicht einer Ausführungsform eines Kartuschensystems für die Exzenterschneckenpumpe gemäß
Fig. 1 ; - Fig. 14
- zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Stopfens für das Kartuschensystem gemäß
Fig. 13 ; - Fig. 15
- zeigt eine schematische Schnittansicht des Stopfens gemäß
Fig. 14 ; - Fig. 16
- zeigt eine schematische Unteransicht des Stopfens gemäß
Fig. 14 ; - Fig. 17
- zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Stopfens für das Kartuschensystem gemäß
Fig. 13 ; - Fig. 18
- zeigt eine schematische Schnittansicht des Stopfens gemäß
Fig. 17 ; - Fig. 19
- zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Stopfens für das Kartuschensystem gemäß
Fig. 13 ; - Fig. 20
- zeigt eine schematische Schnittansicht des Stopfens gemäß
Fig. 19 ; - Fig. 21
- zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Stopfens für das Kartuschensystem gemäß
Fig. 13 ; - Fig. 22
- zeigt eine schematische Schnittansicht des Stopfens gemäß
Fig. 21 ; - Fig. 23
- zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Befüllkonzept zum Befüllen des Kartuschensystems gemäß
Fig. 13 ; - Fig. 24
- zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Exzenterschneckenpumpe;
- Fig. 25
- zeigt die Detailansicht C gemäß
Fig. 24 ; - Fig. 26
- zeigt eine schematische Teilschnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Kartuschensystems für die Exzenterschneckenpumpe gemäß
Fig. 1 oderFig. 24 ; - Fig. 27
- zeigt die Detailansicht D gemäß
Fig. 26 ; und - Fig. 28
- zeigt eine schematische Teilschnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Kartuschensystems für die Exzenterschneckenpumpe gemäß
Fig. 1 oderFig. 24 . - In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
- Die
Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Exzenterschneckenpumpe 1 zum Dosieren eines flüssigen oder pastösen Mediums. DieFig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht der Exzenterschneckenpumpe 1. DieFig. 3 zeigt eine weitere schematische perspektivische Ansicht der Exzenterschneckenpumpe 1. DieFig. 4 zeigt eine weitere schematische perspektivische Ansicht der Exzenterschneckenpumpe 1. DieFig. 5 zeigt eine weitere schematische perspektivische Ansicht der Exzenterschneckenpumpe 1. Nachfolgend wird auf dieFig. 1 bis 5 gleichzeitig Bezug genommen. - Die Exzenterschneckenpumpe 1 umfasst eine Antriebseinrichtung 2. Die Antriebseinrichtung 2 weist eine Antriebseinheit 3 auf, welche einen Elektromotor umfassen kann. Die Antriebseinheit 3 ist in einem Gehäuse 4 aufgenommen. Das Gehäuse 4 kann rohrförmig sein. Vorderseitig an dem Gehäuse 4 ist ein Lagergehäuse 5 angebracht. Das Lagergehäuse 5 kann beispielsweise mit Hilfe eines Verbindungselements 6 mit dem Gehäuse 4 verschraubt sein.
- Die Antriebseinheit 3 treibt eine Antriebswelle 7 der Antriebseinrichtung 2 an. Die Antriebswelle 7 wiederum treibt eine Rotoreinheit 8 an. Die Rotoreinheit 8 umfasst eine Biegewelle oder Flexwelle 9, welche mit Hilfe einer Schnittstelle mit der Antriebswelle 7 gekoppelt ist, sowie einen schneckenförmigen Rotor 10, der vorderseitig an der Flexwelle 9 angebracht ist. Der Rotor 10 wird somit von der Flexwelle 9 angetrieben.
- Die Flexwelle 9 ist elastisch verformbar und ermöglicht eine exzentrische Bewegung des Rotors 10. Die Flexwelle 9 dient der Drehmomentübertragung von der Antriebseinheit 3 auf den Rotor 10. Die Flexwelle 9 kann ein Drahtseil sein, welches beispielsweise mit einem Kunststoffmaterial beschichtet oder ummantelt ist. Anstatt der Flexwelle 9 kann auch ein Kreuzgelenk oder Kardangelenk vorgesehen sein, welches ebenfalls eine exzentrische Bewegung des Rotors 10 ermöglicht. Die Flexwelle 9 kann auch ein Biegestab, insbesondere ein Kunststoffbiegestab, sein oder als solcher bezeichnet werden. In diesem Fall kann die Flexwelle 9 beispielsweise aus einem Polyetheretherketon (PEEK), Polyethylen (PE) oder dergleichen gefertigt sein. Die Flexwelle 9 kann beispielsweise einen Durchmesser von 3 mm aufweisen. Der Rotor 10 weist vorderseitig eine Spitze 11 auf.
- Der Rotor 10 und die Flexwelle 9 können beispielsweise einteilig, insbesondere materialeinstückig, ausgebildet sein. "Einteilig" oder "einstückig" bedeutet vorliegend, dass die Flexwelle 9 und der Rotor 10 ein gemeinsames Bauteil bilden und nicht aus unterschiedlichen Bauteilen zusammengesetzt sind. "Materialeinstückig" bedeutet vorliegend, dass die Flexwelle 9 und der Rotor 10 durchgehend aus demselben Material gefertigt sind. Bevorzugt ist die Rotoreinheit 8 ein Kunststoffbauteil. Beispielsweise kann die Rotoreinheit 8 ein einteiliges Kunststoffspritzgussbauteil sein.
- Alternativ können die Flexwelle 9 und der Rotor 10 auch zwei voneinander getrennte Bauteile sein, die beispielsweise ineinandergesteckt und so entweder lösbar oder unlösbar miteinander verbunden sind. Beispielsweise kann die Flexwelle 9 aus einem metallischen Werkstoff und der Rotor 10 aus einem Kunststoff gefertigt sein. Die Flexwelle 9 kann mit einem Elastomer ummantelt sein. Auch der Rotor 10 kann aus einem metallischen Werkstoff gefertigt sein. Der Rotor 10 kann beispielsweise aus Edelstahl gefertigt. Allerdings ist der Rotor 10 auch als Kunststoffbauteil oder Keramikbauteil ausführbar und kann verschiedenste Beschichtungen aufweisen.
- Die Exzenterschneckenpumpe 1 umfasst weiterhin einen vorzugsweise zumindest teilweise elastisch verformbaren Stator 12. Insbesondere ist der Stator 12 ein elastisch verformbares Elastomerteil mit einem mittigen Durchbruch 13. Der Durchbruch 13 umfasst vorzugsweise eine schrauben- oder schneckenförmige Innenkontur. In dem Stator 12 ist der drehbare Rotor 10 aufgenommen, welcher eine zu dem Stator 12 korrespondierende schrauben- oder schneckenförmige Außenkontur umfasst. An dem Lagergehäuse 5 ist eine Luftzuführung 14 vorgesehen, welche mit einem in dem Lagergehäuse 5 vorgesehenen Luftkanal 15, welcher stirnseitig aus dem Lagergehäuse 5 herausführt, in Fluidverbindung ist.
- Bei einem Drehen des Rotors 10 wird das Medium durch das Zusammenspiel mit dem Durchbruch 13 des Stators 12 in einer Längsrichtung L, welche von der Antriebseinrichtung 2 in Richtung des Rotors 10 orientiert ist, weg von der Antriebswelle 7 nach dem Endloskolbenprinzip gefördert. Das Fördervolumen pro Zeiteinheit ist dabei abhängig von der Drehzahl, der Größe, der Steigung und der Geometrie des Rotors 10.
- Exzenterschneckenpumpen 1 sind insbesondere zur Förderung einer Vielzahl von Medien, insbesondere von dickflüssigen, hochviskosen und abrasiven Medien geeignet. Die Exzenterschneckenpumpe 1 zählt zur Gruppe der rotierenden Verdrängerpumpen. Die Hauptteile der Exzenterschneckenpumpe 1 sind die Antriebseinrichtung 2, der drehbare Rotor 10 und der feststehende Stator 12, in dem sich der Rotor 10 drehend bewegt. Der Rotor 10 ist als eine Art Rundgewindeschraube mit extrem großer Steigung, großer Gangtiefe und kleinem Kerndurchmesser ausgebildet.
- Der zumindest teilweise elastisch verformbare Stator 12 hat bevorzugt einen Gewindegang mehr als der Rotor 10 und die doppelte Steigungslänge des Rotors 10. Dadurch bleiben zwischen dem Stator 12 und dem sich darin drehenden und zusätzlich radial bewegenden Rotor 10 Förderräume, die sich kontinuierlich von einer Eintrittsseite des Stators 12 zu einer Austrittsseite desselben bewegen. Ventile zur Begrenzung der Förderräume werden nicht benötigt. Die Größe der Förderräume und damit die theoretische Fördermenge hängt von der Pumpengröße ab. Eine 360°-Drehung der Rotoreinheit 8 bei freiem Auslauf ergibt die volumetrische Fördermenge pro Umdrehung. Die Pumpenfördermenge lässt sich somit über die Drehzahl verändern. Die tatsächliche Fördermenge ist von einem sich einstellenden Gegendruck abhängig.
- Das zu dosierende Medium ist immer bemüht, einen Druckausgleich vom hohen zum niedrigen Druck zu erreichen. Da die Abdichtung zwischen dem Rotor 10 und dem Stator 12 nicht statisch ist, wird immer Medium von der Druckseite zu der Saugseite strömen. Diese "Schlupfverluste" sind anhand einer Kennlinie als Differenz zwischen dem theoretischen und dem tatsächlichen Förderstrom ersichtlich.
- Die Form der Förderräume ist dabei konstant, so dass das Medium nicht komprimiert wird. Bei passender Auslegung können mit einer derartigen Exzenterschneckenpumpe 1 daher nicht nur Fluide, sondern auch Festkörper gefördert werden. Die Scherkräfte, die auf das Fördergut einwirken, sind dabei sehr klein, so dass zum Beispiel auch pflanzliche, tierische und menschliche Zellen zerstörungsfrei gefördert werden können. Ein besonderer Vorteil einer derartigen Exzenterschneckenpumpe 1 besteht darin, dass die Exzenterschneckenpumpe 1 kontinuierlich und pulsationsarm fördert. Dies macht sie für die Verwendung in Vergussanlagen geeignet. Auch hochviskose und abrasive Medien können problemlos gefördert werden.
- Mit der Exzenterschneckenpumpe 1 können die verschiedensten Medien somit schonend und pulsationsarm gefördert werden. Das Spektrum der Medien reicht von Wasser bis zu nicht mehr von selbst fließenden Medien. Da die Fördermenge proportional zu der Drehzahl des Rotors 10 ist, lässt sich die Exzenterschneckenpumpe 1 in Verbindung mit entsprechender Mess- und Regeltechnik sehr gut für Dosieraufgaben einsetzen.
- Die Exzenterschneckenpumpe 1 vereint in sich viele positive Eigenschaften anderer Pumpensysteme. Wie die Kreiselpumpe hat die Exzenterschneckenpumpe 1 keine Saug- und Druckventile. Wie die Kolbenpumpe hat die Exzenterschneckenpumpe 1 ein hervorragendes Selbstansaugvermögen. Wie die Membran- oder Schlauchpumpe kann die Exzenterschneckenpumpe 1 jede Art von inhomogenen und abrasiven Medien fördern, auch mit Fest- und Faserstoffen versetzt.
- Mehrphasengemische werden von der Exzenterschneckenpumpe 1 ebenfalls sicher und schonend gefördert. Wie die Zahnrad- oder Schraubenspindelpumpe ist die Exzenterschneckenpumpe 1 in der Lage, höchste Viskositäten des Mediums zu bewältigen. Wie die Kolben-, Membran-, Zahnrad- oder Schraubenspindelpumpe hat die Exzenterschneckenpumpe 1 einen drehzahlabhängigen, kontinuierlichen Förderstrom und ist dadurch in der Lage, hochpräzise Dosieraufgaben zu erfüllen.
- Die Exzenterschneckenpumpe 1 kann grundsätzlich in allen Industriebereichen eingesetzt werden, in denen spezielle Förderaufgaben zu lösen sind. Beispiele sind die Umwelttechnik, insbesondere die Förderung im Bereich von Kläranlagen, die Lebensmittelindustrie, insbesondere für hochviskose Medien, wie Sirup, Quark, Jogurt und Ketchup, in den verschiedenen keimarmen Verarbeitungsstufen, und die chemische Industrie, insbesondere zum sicheren Fördern und Dosieren aggressiver, hochviskoser und abrasiver Produkte.
- Mit der Exzenterschneckenpumpe 1 ist somit das exakte Dosieren verschiedenster Medien möglich. Es kann eine Wiederholgenauigkeit von bis zu ± 1 % erreicht werden. Verschiedene Ausführungsformen der Exzenterschneckenpumpe 1 ermöglichen auch das Ausbringen von zweikomponentigen Medien. Aufgrund ihrer Bauform, nämlich dass sich der Rotor 10 in dem Medium bewegt und das Innenvolumen der Saugseite gefüllt sein muss, hat eine derartige Exzenterschneckenpumpe 1 immer einen gewissen Totraum.
- Wie zuvor erwähnt, umfasst die Rotoreinheit 8 die Flexwelle 9, welche elastisch verformbar ist. Dies ermöglicht die exzentrische Bewegung des Rotors 10 in dem Stator 12. Ebenfalls möglich ist es, diese exzentrische Bewegung mit Hilfe von Gelenken, insbesondere von Kreuzgelenken oder Kardangelenken, zu verwirklichen. Der Stator 12 ist während des Betriebs einer kontinuierlichen Belastung ausgesetzt, weshalb er einem Verschleiß unterliegt. Dieser Verschleiß wird durch regelmäßigen Austausch des Stators 12 kompensiert, wobei die Austauschintervalle von den verwendeten Medien und den Prozessparametern bestimmt werden.
- Bei einer derartigen Exzenterschneckenpumpe 1 wird das zu fördernde Medium bislang immer von außerhalb der Exzenterschneckenpumpe 1 zugeführt. Hierzu können Kartuschen, Schläuche oder dergleichen vorgesehen sein. Die Abdichtung der Antriebswelle 7 erfolgt an einer Schnittstelle derselben zur Antriebseinheit 3 und muss mindestens dem Zuführdruck standhalten beziehungsweise dem Druck, welcher durch ein Rückwärtslaufen der Antriebseinrichtung 2 erzeugt wird. Die Reinigung der Exzenterschneckenpumpe 1 erfolgt sowohl durch Durchspülen mit Reinigungsflüssigkeit als auch durch Zerlegung und manuelle Reinigung. In vielen Fällen ist eine Beheizung oder Kühlung der Exzenterschneckenpumpe 1 möglich.
- Die Exzenterschneckenpumpe 1 umfasst neben der Antriebseinrichtung 2 ein Kartuschensystem 16, welches lösbar mit der Antriebseinrichtung 2 verbunden ist. Das Kartuschensystem 16 umfasst eine Kartusche 17, welche als Kunststoffbauteil, insbesondere als Kunststoffspritzgussbauteil, ausgebildet ist. Die Kartusche 17 weist beispielsweise die Form einer Einwegspritze auf. Die Kartusche 17 weist vorderseitig einen Luer-Lock-Anschluss 18 auf. Die Rotoreinheit 8 kann Teil des Kartuschensystems 16 sein.
- Die Kartusche 17 umschließt einen zylinderförmigen Innenraum 19, in welchem das später noch zu erläuternde Medium aufgenommen ist. Der Innenraum 19 ist ein Kartuscheninnenraum oder kann als solcher bezeichnet werden. In den Innenraum 19 mündet auch der Luftkanal 15 ein. Das heißt, dass die Luftzuführung 14 über den in dem Lagergehäuse 5 vorgesehenen Luftkanal 15, welcher stirnseitig aus dem Lagergehäuse 5 herausführt, in Fluidverbindung mit dem Innenraum 19 ist.
- In dem Innenraum 19 aufgenommen ist der Stator 12. Der Stator 12 kann einstückig, insbesondere materialeinstückig, mit der Kartusche 17 ausgebildet sein. Beispielsweise bilden die Kartusche 17 und der Stator 12 ein einteiliges, insbesondere ein materialeinstückiges, Kunststoffspritzgussbauteil. Der Stator 12 kann jedoch auch aus einem sich von der Kartusche 17 unterscheidenden Werkstoff gefertigt sein. Beispielsweise ist der Stator 12 aus einem Flüssigsilikon oder LSR (Engl.: Liquid Silicone Rubber, LSR), einem beliebigen Elastomer, einem technischen Kunststoff oder dergleichen gefertigt.
- Der Stator 12 kann in einem Kunststoffspritzgussverfahren an die Kartusche 17 angespritzt werden. Hierzu kann beispielsweise ein Zweikomponenten-Kunststoffspritzgussverfahren verwendet werden. Der Stator 12 kann jedoch beispielsweise auch lediglich in die Kartusche 17 eingepresst sein und so kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit dieser verbunden sein. Eine formschlüssige Verbindung entsteht durch das Ineinander- oder Hintergreifen von mindestens zwei Verbindungspartnern, vorliegend dem Stator 12 und der Kartusche 17. Hierzu können beispielsweise an dem Stator 12 und/oder der Kartusche 17 Schnapphaken oder Rasthaken vorgesehen sein.
- Eine kraftschlüssige Verbindung hingegen setzt eine Normalkraft auf die miteinander zu verbindenden Flächen voraus. Kraftschlüssige Verbindungen können durch Reibschluss verwirklicht werden. Die gegenseitige Verschiebung der Flächen ist verhindert, solange die durch die Haftreibung bewirkte Gegenkraft nicht überschritten wird. Bevorzugt ist der Stator 12 in diesem Fall in die Kartusche 17 eingepresst.
- Der Stator 12 kann auch stoffschlüssig mit der Kartusche 17 verbunden werden. Dies kann beispielsweise durch das zuvor erwähnte Zweikomponenten-Kunststoffspritzgussverfahren durchgeführt werden. Bei stoffschlüssigen Verbindungen werden die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten. Stoffschlüssige Verbindungen sind nicht lösbare Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel und/oder der Verbindungspartner trennen lassen. Beispielsweise kann der Stator 12 in die Kartusche 17 eingeklebt sein.
- Der Stator 12 ist stirnseitig an der Kartusche 17 vorgesehen. Dem Luer-Lock-Anschluss 18 abgewandt umfasst die Kartusche 17 zwei Armabschnitte 20, 21, welche in formschlüssigem Eingriff mit dem Lagergehäuse 5 gebracht werden können, um das Kartuschensystem 16 mit der Antriebseinrichtung 2 zu verbinden. Ferner umfasst die Kartusche 17 dem Luer-Lock-Anschluss 18 abgewandt einen konusförmigen Eingriffsabschnitt 22 (
Fig. 7 ). - Wie die
Fig. 6 zeigt, umfasst das Lagergehäuse 5 einen konusförmigen Gegeneingriffsabschnitt 23, der geeignet ist, in den Eingriffsabschnitt 22 einzugreifen. Der konusförmige Gegenabschnitt 23 umfasst einen zentralen Durchbruch 24, durch den die Antriebswelle 7 hindurchgeführt ist. Außenseitig läuft um den Gegeneingriffsabschnitt 23 eine Ringnut 25 um, in welcher ein O-Ring 26 (Fig. 7 ) aufgenommen. Das Lagergehäuse 5 umfasst weiterhin einen Bajonettverschluss 27, der ein einfaches und schnelles Verbinden des Kartuschensystems 16 mit der Antriebseinrichtung 2 ermöglicht. Der Bajonettverschluss 27 umfasst zwei an dem Lagergehäuse 5 vorgesehene schlitzförmige Ausnehmungen 28, 29. - Wie die
Fig. 3 bis 5 zeigen, wird das Kartuschensystem 16 zunächst auf den konusförmigen Gegeneingriffsabschnitt 23 aufgesteckt, wodurch dieser in den Eingriffsabschnitt 22 der Kartusche 17 eingreift. Anschließend wird das Kartuschensystem 16 gegenüber der Antriebseinrichtung 2 um 90° im Uhrzeigersinn verdreht. Hierbei geraten die Armabschnitte 20, 21 mit den Ausnehmungen 28, 29 des Bajonettverschlusses 27 in Eingriff, wodurch der Eingriffsabschnitt 22 der Kartusche 17 weiter auf den Gegeneingriffsabschnitt 23 aufgeschoben wird, bis der O-Ring 26 gegenüber der Kartusche 17 abdichtet und bis Stirnseiten 30 (Fig. 7 ) der Armabschnitte 20, 21 an einer Stirnseite 31 (Fig. 6 und 7 ) des Lagergehäuses 5 anliegen. Der O-Ring 26 wird dabei verpresst, wodurch eine fluiddichte Abdichtung des Lagergehäuses 5 gegenüber der Kartusche 17 erzielt wird. "Fluiddicht" bedeutet vorliegend insbesondere sowohl gasdicht als auch flüssigkeitsdicht. Der Innenraum 19 der Kartusche 17 ist nun über den Luftkanal 15 mit Druck beaufschlagbar. - Durch die Abdichtung des Kartuschensystems 16 mit Hilfe des O-Rings 26 an dem konusförmigen Gegeneingriffsabschnitt 23 ist eine leichte Montage des Kartuschensystems 16 an der Antriebseinrichtung 2 möglich. Bei dem Verdrehen des Kartuschensystems 16 gegenüber dem Lagergehäuse 5 wird das Kartuschensystem 16 aufgrund des Bajonettverschlusses 27 gegen das Lagergehäuse 5 gezogen und dichtet somit mit Hilfe des O-Rings 26 gegenüber der Kartusche 17 ab. Der konusförmige Gegeneingriffsabschnitt 23 ermöglicht ferner eine Zentrierung des Kartuschensystems 16 an dem Lagergehäuse 5.
- Der Gegeneingriffsabschnitt 23 fixiert somit das Kartuschensystem 16 an der Antriebseinrichtung 2. Durch die Verwendung des Bajonettverschlusses 27 wird ein unbeabsichtigtes Lösen des Kartuschensystems 16 von der Antriebseinrichtung 2 zuverlässig verhindert. Die Abdichtung erfolgt über den konusförmigen Eingriffsabschnitt 22 und den konusförmigen Gegeneingriffsabschnitt 23 sowie den O-Ring 26. Mit Hilfe des Bajonettverschlusses 27 kann ein gleichmäßiger Druck auf die Kartusche 17 ausgeübt werden, so dass die Stirnseiten 30, 31 gegeneinandergepresst werden. Die Geometrie des Gegeneingriffsabschnitts 23 ist an den Eingriffsabschnitt 22 der Kartusche 17 angepasst.
- Die
Fig. 8 zeigt eine weitere schematische perspektivische Ansicht der Exzenterschneckenpumpe 1, wobei die Kartusche 17 nicht gezeigt ist. Wie zuvor erwähnt, ist zwischen der Rotoreinheit 8, insbesondere der Flexwelle 9, und der Antriebswelle 7 eine Schnittstelle 32 (Fig. 10 und11 ) vorgesehen. Wie dieFig. 10 und11 zeigen, umfasst die Schnittstelle 32 zwei einander gegenüberliegend angeordnete Schlüsselflächen 33 sowie mehrere elastisch verformbare Armabschnitte 34, 35. Dabei können, wie in derFig. 10 gezeigt, zwei derartige Armabschnitte 34, 35 vorgesehen sein. - Wie die
Fig. 11 zeigt, können jedoch auch beispielsweise vier Armabschnitte 34 bis 37 vorgesehen sein. Zwischen den Armabschnitten sind Schlitze 38, 39 vorgesehen. Dies ermöglicht eine elastische Verformung der Armabschnitte 34 bis 37. An den Armabschnitten 34 bis 37 ist eine ringförmig umlaufende Rastnase 40 vorgesehen. Die Rastnase 40 ist an den Schlitzen 38, 39 unterbrochen. Das Vorsehen von zwei Schlitzen 38, 39 beziehungsweise von vier Armschnitten 34 bis 37 ist optional und ist insbesondere für Rotoreinheiten 8 geeignet, die aus einem härteren Kunststoff gefertigt sind. - Wie die
Fig. 12 zeigt, umfasst die Antriebswelle 7 eine zu der Schnittstelle 32 korrespondierende Gegenschnittstelle 41. Die Gegenschnittstelle 41 umfasst zu den Schlüsselflächen 33 korrespondierende Schlüsselflächen 42, 43. Die Schlüsselflächen 33 und die Schlüsselflächen 42, 43 dienen der Drehmomentübertragung von der Antriebswelle 7 auf die Flexwelle 9. Die Gegenschnittstelle 41 umfasst ferner einen Absatz 44, der als umlaufende Ringnut ausgebildet ist. In den Absatz 44 greift die Rastnase 40 formschlüssig ein. - Zum Verbinden der Rotoreinheit 8 mit der Antriebseinrichtung 2 wird die Schnittstelle 32 der Rotoreinheit 8 in die Schnittstelle 41 der Antriebswelle 7 eingeschoben, wie in den
Fig. 8 und9 gezeigt. Dabei verformen sich die Armabschnitte 34 bis 37 der Schnittstelle 32 federelastisch, bis die Rastnase 40 in den Absatz 44 der Gegenschnittstelle 41 formschlüssig einrastet. Zum Trennen der Rotoreinheit 8 von der Antriebseinrichtung 2 wird die Rotoreinheit 8 aus der Antriebswelle 7 herausgezogen, so dass sich die Schnittstelle 32 und die Gegenschnittstelle 41 voneinander trennen. - Dabei kann, für den Fall, dass die Rotoreinheit 8 ein Einwegartikel ist, die Rastnase 40 von der Schnittstelle 32 abgeschert werden oder abbrechen. Hierdurch ist eine erneute Verbindung der Rotoreinheit 8 mit der Antriebseinrichtung 2 nicht mehr möglich. Für den Fall, dass die Rotoreinheit 8 mehrfach verwendet wird, verformen sich die Armabschnitte 34 bis 37 bei dem Herausziehen der Rotoreinheit 8 aus der Antriebswelle 7 federelastisch, so dass die Rastnase 40 außer formschlüssigen Eingriff mit dem Absatz 44 der Gegenschnittstelle 41 gerät. Die Rotoreinheit 8 kann nun von der Antriebseinrichtung 2 abgezogen werden. Dadurch, dass die Rastnase 40 in diesem Fall nicht abschert, kann die Rotoreinheit 8 auch mehrfach verwendet werden.
- Nun zurückkehrend zu der
Fig. 2 umfasst das Kartuschensystem 16 einen in der Kartusche 17 aufgenommenen Stopfen 45. Der Stopfen 45 ist entlang der Längsrichtung L in der Kartusche 17 linear verschieblich gelagert. Das heißt, der Stopfen 45 kann sich in der Kartusche 17 entlang der Längsrichtung L und entgegen der Längsrichtung L bewegen. Durch den Stopfen 45 ist die Rotoreinheit 8, insbesondere der Rotor 10, hindurchgeführt. Hierzu ist ein den Stopfen 45 durchbrechender Rotordurchbruch 46 vorgesehen. - Das Kartuschensystem 16 mit der Kartusche 17, dem Stator 12 und dem Stopfen 45 bildet bevorzugt ein Disposable beziehungsweise einen Einwegartikel. Das Kartuschensystem 16 kann dabei auch die Rotoreinheit 8, insbesondere den Rotor 10, umfassen. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Alternativ kann das Kartuschensystem 16 auch mehrfach verwendet werden. Im letztgenannten Fall kann das Kartuschensystem 16 wieder befüllt werden.
- Einwegprozesslösungen, auch Single-Use-Technologien genannt, werden insbesondere zur Herstellung biopharmazeutischer Produkte verwendet. Hierunter versteht man komplette Lösungen aus Einwegsystemen, welche auch als Single-Use-Systeme bezeichnet werden, für eine gesamte Prozesslinie. Diese kann zum Beispiel Medien- und Pufferherstellung, Bioreaktoren, Zellernte, Tiefenfiltration, Tangentialflussfiltration, Chromatographie und Virusinaktivierung umfassen.
- Für biotechnische Prozesse werden diverse definierte Medien benötigt. Dazu zählen Nährlösungen, Zellen, Puffer zur pH-Wert-Stabilisierung sowie Säuren und Basen für die Einstellung und Regelung des pH-Werts während der Kultivierung. Alle verwendeten Medien müssen vor ihrer Verwendung sterilisiert werden. Dazu kommen in der Biotechnologie im Wesentlichen zwei Verfahren zum Einsatz, die Hitzesterilisation bei mindestens 121 °C bei 1 bar Überdruck für mindestens 20 min und die Sterilfiltration. Für Medien, die hitzeempfindliche Komponenten, wie Vitamine, Proteine und Peptide enthalten, ist die Sterilfiltration die Methode der Wahl.
- Der Unterschied von Einwegmedien- und Pufferherstellung zu konventionellen Verfahren liegt in der Verwendung entsprechender Einwegprodukte, welche speziell für diesen Zweck entwickelt werden, beispielsweise spezielle Beutel, Einwegmischsysteme und -filter sowie entsprechende Pumpen. Die verwendeten Filter sind im Gegensatz zu konventionellen Filtern vorsterilisiert. Teilweise sind Beutel, Filter und Pumpenköpfe als komplettes Einwegsystem bereits miteinander verbunden. Das gesamte System wird verbunden und vorsterilisiert geliefert, um Kontaminationen zu vermeiden. Neben den vorgenannten Einwegverfahren, von denen jedes für sich genommen auf einer verfahrenstechnischen Grundoperation beruht, wurden in der Welt der biopharmazeutischen Einwegproduktion spezielle Methoden und Geräte entwickelt, die überwiegend nur hier zum Einsatz kommen, wie beispielsweise sterile Kupplungen und Schlauchschweißgeräte.
- Die verfügbaren Einwegprozesslösungen sind jede für sich als abgeschlossenes Modul zu betrachten. Im Rahmen eines Einwegproduktionsprozesses werden die für die Erzeugung und Aufreinigung des Zielprodukts notwendigen verfahrenstechnischen Grundoperationen hintereinandergeschaltet. Die vorkonfigurierten Einwegsysteme, die aus Schläuchen, Einwegtanks, Pumpentöpfen sowie Filtrations- oder Chromatographiemodulen bestehen, sind in sich geschlossen. Zur Verbindung zweier aufeinanderfolgender Verfahrensschritte werden daher sterile Verbindungstechnologien, in der Regel Schlauchverbindungen, benötigt.
- Es existieren einerseits mechanische Einwegkupplungen, andererseits gibt es Geräte, mit welchen thermoplastische Schläuche steril zusammengeschweißt werden oder bestehende Verbindungen durchtrennt und die Schlauchenden verschweißt werden können. Für Verbindungen durch eine Wand hindurch sind spezielle Schnelltransfersysteme entwickelt worden. Gegenwärtig sind die meisten Produktionsprozesse, bei denen Einwegprodukte verwendet werden, noch sogenannte Hybridprozesse, in denen Einwegsysteme mit konventionellen Systemen aus rostfreiem Stahl und Glas kombiniert werden. Unterschieden wird hierbei zwischen den geschlossenen Systemen, bei denen die Einwegsysteme in der Reihenfolge der Prozessschritte aneinandergekoppelt sind, und Stationssysteme, bei denen die Zwischenprodukte mittels mobiler Behälter zum nächsten Prozessschritt transportiert werden.
- Der Begriff "Single Use" (häufig auch als "Disposable" bezeichnet) definiert in der biopharmazeutischen Produktion einen Gegenstand, der für den einmaligen Gebrauch bestimmt ist. In der Regel besteht dieser aus einem Kunststoffmaterial, wie beispielsweise Polyamid (PA), Polycarbonat (PC), Polyethylen (PE), Polyethersulfon (PESU), Polyoxymethylen (POM), Polypropylen (PP), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylchlorid (PVC), Celluloseacetat (CA) oder Ethylenvinylacetat (EVA), und wird nach seinem Gebrauch entsorgt. Demzufolge ist unter Single-Use-Technologie (SUT) eine auf Single-Use-Systemen (SUS) basierende Technologie zu verstehen.
- Wie die
Fig. 13 zeigt, umfasst der Stopfen 45 den Rotordurchbruch 46, durch den die Rotoreinheit 8, insbesondere der Rotor 10, hindurchgeführt ist. Wie dieFig. 13 weiterhin zeigt, umfasst der Stator 12 ein Innenteil 47, insbesondere ein Elastomerteil, an dem der Durchbruch 13 mit der schneckenförmigen Innengeometrie vorgesehen ist, sowie ein Außenteil 48, welches das Innenteil 47 aufnimmt. Das Außenteil 48 ist rohrförmig und nimmt das Innenteil 47 in sich auf. Das Innenteil 47 ist elastisch verformbar. Beispielsweise kann das Innenteil 47 aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE) und das Außenteil 48 aus einem Polyurethan (PU) gefertigt sein. - Der Stator 12 kann ein einteiliges oder ein mehrteiliges Bauteil sein. Beispielsweise kann das Innenteil 47 in das Außenteil 48 eingepresst sein. Alternativ können das Innenteil 47 und das Außenteil 48 auch als einteiliges Bauteil in einem Zweikomponenten-Spritzgussverfahren hergestellt sein. Beispielsweise ist das Elastomerteil 47 aus einem Flüssigsilikon oder LSR gefertigt. Das Außenteil 48 kann aus einem beliebigen thermoplastischen Kunststoff, wie beispielsweise PE, ABS, PP oder dergleichen gefertigt sein. Alternativ kann auch das Elastomerteil 47 aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gefertigt sein.
- Beispielsweise ist der Stator 12 in die Kartusche 17 eingeschoben, eingeclipst, eingeklebt oder auf sonstige Art und Weise mit dieser verbunden. Insbesondere kann der Stator 12, wie zuvor erwähnt, einteilig, insbesondere materialeinstückig, mit der Kartusche 17 ausgeführt sein. Der Stator 12 kann jedoch auch aus der Kartusche 17 entnehmbar sein.
- Mit Hilfe der Luftzuführung 14 kann der Stopfen 45 mit einem Überdruck beaufschlagt werden. Hierbei kann an der Luftzuführung 14 ein Sterilfilter oder Feuchtigkeitsfilter vorgesehen sein. Dieser kann sowohl innerhalb des Lagergehäuses 5 als auch außerhalb, beispielsweise in der Luftzuführung 14, vorgesehen sein.
- Nun zurückkehrend zu dem Stopfen 45 umfasst dieser, wie in den
Fig. 14 und 15 gezeigt, eine zylinderförmige oder walzenförmige Geometrie. Insbesondere ist der Stopfen 45 rotationssymmetrisch zu einer Mittel- oder Symmetrieachse 49 aufgebaut. Der Stopfen 45 kann beispielsweise aus einem LSR, einem Zweikomponentensilikon, PE, POM, PP, PTFE oder aus einem Elastomer gefertigt sein. Der Stopfen 45 kann auch aus einem porösen, offenporigen, gasdurchlässigen Werkstoff, wie beispielsweise PTFE oder PE, gefertigt sein. Dadurch können in dem Medium eingeschlossene Gasblasen über den porösen Stopfen 45 entweichen. Die Porosität des Werkstoffs liegt beispielsweise im Bereich von 1 µm bis 50 nm, bevorzugt im Bereich von 10 µm bis 50 nm, weiter bevorzugt im Bereich von 20 µm bis 50 nm. Somit kann das Medium selbst nicht durch den Stopfen 45 entweichen. Alternativ kann der Stopfen 45 auch eine eingebaute Membran umfassen. - Der Stopfen 45 umfasst dem Stator 12 abgewandt eine vollständig um die Symmetrieachse 49 umlaufende erste Dichtlippe 50. Die erste Dichtlippe 50 liegt innenseitig an der Kartusche 17 an. Der ersten Dichtlippe 50 abgewandt umfasst der Stopfen 45 eine zweite Dichtlippe 51, welche ebenfalls innenseitig an der Kartusche 17 anliegt. Die zweite Dichtlippe 51 ist mediumseitig platziert. Die erste Dichtlippe 50 ist mediumabgewandt platziert. Die zweite Dichtlippe 51 hat eine Abstreiffunktion und weist eine größere Steifigkeit auf als die erste Dichtlippe 50. Entlang der Symmetrieachse 49 betrachtet erstreckt sich die flexiblere erste Dichtlippe 50 weiter aus dem Stopfen 45 heraus als die zweite Dichtlippe 51.
- Der Rotordurchbruch 46 umfasst mehrere um die Symmetrieachse 49 umlaufende Ringnuten 52, 53, welche zusammen eine Labyrinthdichtung 54 bilden, um die Flexwelle 9 und/oder den Rotor 10 gegenüber dem Stopfen 45 fluiddicht abzudichten. Bei einer exzentrischen Bewegung der Flexwelle 9 in dem Rotordurchbruch 46 wird verdrängtes Stopfenmaterial in die Ringnuten 52, 53 eingedrückt. Die Anzahl der Ringnuten 52, 53 ist beliebig. Beispielsweise können zwei derartige Ringnuten 52, 53 vorgesehen sein. Es kann jedoch auch nur eine Ringnut 52, 53 vorgesehen sein.
- Oberseitig, das heißt dem Medium abgewandt, umfasst der Stopfen 45 einen vollständig um die Symmetrieachse 49 herum verlaufenden Versteifungsring 55, welcher von dem Rotordurchbruch 46 durchbrochen wird. In einem Übergang zwischen dem Versteifungsring 45 und dem Rotordurchbruch 46 ist eine Verrundung 56 vorgesehen, welche ein Einführen der Rotoreinheit 8 in den Rotordurchbruch 46 erleichtert.
- Dem Medium zugewandt, das heißt dem Versteifungsring 55 abgewandt, ist ein Druckring 57 vorgesehen. Der Druckring 57 schnürt sich um die Rotoreinheit 8 ein und dichtet gegenüber dieser ab. Der Druckring 57 weist die Form eines halbierten O-Rings auf. Der Rotordurchbruch 46 ist mit Hilfe einer Membran 58 verschlossen, welche mit dem Druckring 57 verbunden ist. Die Membran 58 kann mit Hilfe des Rotors 10, insbesondere mit Hilfe der Spitze 11 des Rotors 10, durchstoßen werden. Der Druckring 57 sorgt bei einem Durchstoßen der Membran 58 dafür, dass der Stopfen 45 nicht weiter einreißt.
- Wie die
Fig. 16 zeigt, umfasst die Membran 58 mehrere Membranabschnitte 59 bis 62. Die Anzahl der Membranabschnitte 59 bis 62 ist beliebig. Beispielsweise können zwei, drei oder vier Membranabschnitte 59 bis 62 vorgesehen sein. Zwischen den Membranabschnitten 59 bis 62 ist eine Performation 63 vorgesehen, welche kreuzförmig ist. Die Perforation 63 umfasst einen ersten Perforationsabschnitt 64 und einen zweiten Perforationsabschnitt 65, welche senkrecht zueinander platziert sind und die kreuzförmige Perforation 63 bilden. Durch das Vorsehen der Perforation 63 kann verhindert werden, dass sich Teile der Membran 58 bei dem Durchstoßen derselben mit Hilfe des Rotors 10 ablösen. - Der Stopfen 45 dichtet sowohl an der ersten Dichtlippe 50 als auch an der zweiten Dichtlippe 51 mit einer Überdeckung ab. Das heißt, die Dichtlippen 50, 51 sind in der Kartusche 17 radial verpresst. Zugleich wird eine Abstreiffunktion zur Seite des Mediums und innenseitig zu der Kartusche 17 verwirklich.
- Der Stopfen 45 beziehungsweise das für den Stopfen 45 verwendete Material kann einen Indikator umfassen, welcher seinen Zustand bei einer Benutzung oder bei einer gewissen Zeit der Benutzung des Stopfens 45 ändert. Der Indikator kann beispielsweise ein Farbstoff sein. Das heißt, der Stopfen 45 wechselt seine Farbe bei einer einmaligen Verwendung. Beispielsweise kann sich der Stopfen 45 bei Kontakt mit Luft oder Feuchtigkeit oder dem Medium verfärben. Beispielsweise verfärbt sich der Stopfen 45 nach einer gewissen Zeit von beispielsweise acht Stunden.
- Die
Fig. 17 und 18 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Stopfens 45. Der Stopfen 45 gemäß denFig. 17 und 18 ist insbesondere für nieder- bis mittelviskose Medien geeignet. Der Stopfen 45 umfasst, wie zuvor erwähnt, zwei Dichtlippen 50, 51. Im Unterschied zu dem Stopfen 45 gemäß denFig. 14 bis 16 umfasst der Stopfen 45 gemäß denFig. 17 und 18 drei Ringnuten 52, 53, von denen in derFig. 18 nur zwei mit einem Bezugszeichen versehen sind. Mediumzugewandt umfasst der Stopfen 45 einen sich aus dem Stopfen 45 herauswölbenden Konusabschnitt 66. Bei der Verwendung des Stopfens 46 gemäß denFig. 17 und 18 weist der Stator 12 eine zu dem Konusabschnitt 66 des Stopfens 45 korrespondierende konusförmige Geometrie, insbesondere einen Gegenkonusabschnitt 67, auf, wie beispielsweise in derFig. 13 gezeigt ist. - Die
Fig. 19 und 20 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Stopfens 45. Im Unterschied zu den zuvor erläuterten Stopfen 45 umfasst der Stopfen 45 gemäß denFig. 19 und 20 nur eine mediumzugewandte Dichtlippe 51. Ferner sind an dem Rotordurchbruch 46 keine wie zuvor erwähnten Ringnuten 52, 53 vorgesehen. Der Stopfen 45 gemäß denFig. 19 und 20 ist insbesondere für nieder- bis hochviskose Medien geeignet. Besonders bevorzugt ist der Stopfen 45 jedoch für hochviskose Medien geeignet. Der Rotordurchbruch 46 ist in diesem Fall als Stufenbohrung ausgeführt. - Die
Fig. 21 und 22 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Stopfens 45. Der Stopfen 45 gemäß denFig. 21 und 22 ist insbesondere für nieder- bis hochviskose Materialien geeignet. Der Stopfen 45 gemäß denFig. 21 und 22 unterscheidet sich von dem Stopfen 45 gemäß denFig. 19 und 20 dadurch, dass der Rotordurchbruch 46 derart ausgeführt ist, dass der Stopfen 45 nur im Bereich der dünnwandigen Membran 58 in Kontakt mit dem Stopfen 45 ist. Der Stopfen 45 umfasst nur eine umlaufende Dichtlippe 51, die dem Medium zugewandt ist. In diesem Fall ist der Stopfen 45 bevorzugt aus einem besonders elastischen Material gefertigt. - Die Exzenterschneckenpumpe 1 kann insbesondere für die additive oder generative Fertigung verwendet werden. Das heißt, die Exzenterschneckenpumpe 1 ist ein 3D-Druckkopf oder kann als solcher bezeichnet werden. Der 3D-Druck ist eine umfassende Bezeichnung für alle Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen und so dreidimensionale Gegenstände erzeugt werden können. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen.
- Bei dem Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle. Inzwischen wurden auch Carbon- und Graphitmaterialien für den 3D-Druck von Teilen aus Kohlenstoff entwickelt. Obwohl es sich um ein urformendes Verfahren handelt, sind für ein konkretes Erzeugnis keine speziellen Werkzeuge erforderlich, die die jeweilige Geometrie des Werkstücks gespeichert haben, wie beispielsweise Gussformen. 3D-Drucker werden in der Industrie, im Modellbau und der Forschung zur Fertigung von Modellen, Mustern, Prototypen, Werkzeugen, Endprodukten oder dergleichen eingesetzt. Ferner werden diese auch für die private Nutzung verwendet. Daneben gibt es Anwendungen im Heim- und Unterhaltungsbereich, dem Baugewerbe sowie in der Kunst und Medizin.
- Der Einsatz dieser Verfahren erfolgt bei der parallelen Fertigung sehr kleiner Bauteile in größeren Stückzahlen, für Unikate bei Schmuck oder in der Medizin und Dentaltechnik sowohl in der Kleinserienfertigung als auch in der Einzelfertigung von Teilen mit einer hohen geometrischen Komplexität, auch mit zusätzlicher Funktionsintegration. Im Gegensatz zum Urformen, Umformen oder subtraktiven Fertigungsverfahren, wie beispielsweise Trennen, erhöht sich beim 3D-Druck die Wirtschaftlichkeit mit steigender Komplexität der Bauteilgeometrie und sinkender benötigter Stückzahl. In den letzten Jahren wurden die Anwendungsgebiete für diese Fertigungsverfahren auf weitere Felder ausgedehnt. 3D-Drucker dienten zunächst vor allem der Herstellung von Prototypen und Modellen, dann der Herstellung von Werkzeugen und schließlich von Fertigteilen, von denen nur geringe Stückzahlen benötigt werden.
- Einige grundlegende Vorteile gegenüber konkurrierenden Herstellungsverfahren führen zu einer zunehmenden Verbreitung der Technik, auch in der Serienproduktion von Teilen. Gegenüber dem Spritzgussverfahren hat das 3D-Drucken den Vorteil, dass das aufwendige Herstellen von Formen und das Formenwechseln entfällt. Gegenüber allen materialabtragenden Verfahren, wie Schneiden, Drehen, Bohren oder dergleichen, hat das 3D-Drucken den Vorteil, dass zusätzliche Bearbeitungsschritte nach dem Urformen entfallen. Meist ist der Vorgang energetisch günstiger, insbesondere wenn das Material nur einmal in der benötigten Größe und Masse aufgebaut wird. Wie bei anderen automatisierten Verfahren kann je nach Anwendungsbereich jedoch eine Nachbearbeitung notwendig sein.
- Weitere Vorteile bestehen darin, dass unterschiedliche Bauteile auf einer Maschine gefertigt und komplizierte Geometrien erzeugt werden können. Die Verwendung der Exzenterschneckenpumpe 1 für den 3D-Druck ist ein extrusionsbasiertes Verfahren. Mit Hilfe der Exzenterschneckenpumpe 1 lassen sich beispielsweise Silikone, Polyurethane, Keramik- und Metallpasten, Epoxidharze sowie Acrylate verarbeiten.
- Die Vorteile gegenüber anderen Technologien, die in der Lage sind, Flüssigkeiten zu drucken, bestehen in der Anwendbarkeit für hohe Viskositäten, der hohen Präzision und Prozessstabilität, dem großen verwendbaren Materialspektrum und der hohen Auftragsgeschwindigkeit. Andere Technologien sind auf teilweise starke Materialanpassungen angewiesen, um einen sinnvollen Druckprozess zu bewerkstelligen. Lichtbasierte Technologien für Flüssigkeiten sind beispielsweise immer von der Anwesenheit eines Photonen-Vernetzers abhängig, wohingegen die Exzenterschneckenpumpe 1 völlig unabhängig vom Härtungsmechanismus drucken kann.
- Insbesondere kann die Exzenterschneckenpumpe 1 für das sogenannte Bioprinting eingesetzt werden. Das Anwendungsgebiet des Bioprinting ist noch sehr jung und stellt den neuesten Schritt in der Zellkulturtechnik dar. Es ist als Sonderform der additiven Fertigung an der Schnittstelle zwischen Medizintechnik und Biotechnologie zu sehen. Oft wird das Thema "Bioprinting" mit Worten zum großen Bedarf an Spenderorganen eingeleitet. Es sei unverzichtbar, dass in Zukunft Gewebe und Organe künstlich hergestellt werden, um den enormen Bedarf zu decken. Diese Vision liegt realistisch betrachtet noch in weiter Ferne, so sie denn jemals Realität werden sollte.
- Nichtsdestotrotz rückt der Einsatz von einfacheren Gewebekonstrukten immer näher. Denkbar sind beispielsweise Knorpelimplantate oder nachgebildete Hautpartien zur schnelleren Wundversorgung. Ferner sind auch Knochenwachse und Knochenersatzmaterialien möglich. Bereits in Verwendung sind individuell angefertigte Knochenimplantate aus körperkompatiblen Materialien. Dies ist jedoch nicht als Bioprinting im engeren Sinne zu sehen, da keine biologischen Materialien verwendet werden.
- Großes Potenzial ist im Forschungsfeld des "Drug Discovery" zu sehen. Hier können innerhalb kürzester Zeit Kenntnisse zu Nebenwirkungen und Wechselwirkungen verschiedener Wirkstoffe gewonnen werden. Hierzu werden "Mini-Organe" gedruckt, die alle wesentlichen Funktionen eines regalen Organs abbilden können. Über Techniken der Mikrofluidik können diese Mini-Organe zu Multi-Organ-Systemen zusammengeschlossen werden und somit systemische Auswirkungen von Wirkstoffen getestet werden, ohne dass Tierversuche benötigt werden.
- Beim Bioprinting werden mit Hilfe der Exzenterschneckenpumpe 1, insbesondere mit Hilfe eines Bioprinters, zellbeladene Gele oder Matrizen zur Erhaltung und Kultivierung derselben erzeugt. Dies geschieht durch einen schichtweisen Aufbau, welcher aus der additiven Fertigung bekannt ist. Da die meisten Medien beim Bioprinting mit lebenden Zellen beladen sind, die nur mit erheblichem Zeit- und Kostenaufwand hergestellt werden können, ist eine schonende Ausbringung unerlässlich. Der Stress auf die ausgebrachten Zellen steigt mit der Zelldichte und der Viskosität im Medium an. Für sinnvolle Konstrukte sind jedoch eine möglichst hohe Zelldichte und Standfestigkeit erforderlich. Es entsteht also ein Spannungsfeld aus Zellkonzentration und Ausbringungstechnologie.
- Die Besonderheit der Exzenterschneckenpumpe 1 besteht in der Ausführung des Kartuschensystems 16 als Einmalartikel. Dabei wird das den Stator 12 beinhaltende Kartuschensystem 16 nach einmaligem Gebrauch ausgetauscht. Die Antriebseinrichtung 2 selbst verbleibt. Nötig dabei ist auch ein Tausch des Stopfens 45, der Teil des Kartuschensystems 16 ist. Möglich ist auch ein Austausch des Rotors 10, für den Fall, dass dieser Teil des Kartuschensystems 16 ist.
- Die Verwendung des Kartuschensystems 16 als Single-Use-Druckkopf hat gegenüber etablierten Methoden viele Vorteile. Es kann eine hohe Präzision und Auflösung bei der Auftragung erreicht werden. Prozessschwankungen werden ausgeglichen und ermöglichen gleichbleibende und reproduzierbare Druckergebnisse. Umgebungsparameter werden nivelliert. Es ist eine produktschonende Förderung von nieder- bis hochviskosen Medien möglich. Es erfolgt kein Verstopfen einer Dosiernadel.
- Es ergibt sich kein Kompromiss aus einer zellschonenden Auftragung und Präzision. Die Auftragung kann pulsationsfrei erfolgen. Es ist ein aktiver Rückzug von Medium in das Kartuschensystem 16 möglich, um Fadenbildung oder Nachtropfen zu unterbinden. Die hygienegerechte Umsetzung beziehungsweise Sterilisation ermöglicht einen kontaminationsfreien Prozess. Dies ist durch den einmaligen Gebrauch gewährleistet. Ein geringes Totvolumen ermöglicht die nahezu vollständige Extrusion des Mediums. Es ist eine einfache Integration in bestehende Bioprinter möglich. Die Auslegung erfordert keine separate Steuerung und ist geometrisch für Bioprinter optimiert. Es ist einfaches Handling ohne zusätzliches Werkzeug möglich.
- Mit Hilfe des Stopfens 45 ist sowohl eine Abdichtung des Innenraums 19 der Kartusche 17 zur Umgebung hin möglich als auch ein Schutz der Antriebseinheit 3 vor Verschmutzungen mit Medium gegeben. Dadurch, dass die Zufuhr des Mediums nicht über eine Schlauch- oder Rohrleitung erfolgt, sondern dieses direkt in dem Kartuschensystem 16 aufgenommen ist, kann das Totvolumen reduziert werden, da das Medium sehr kostspielig ist und bereits geringste Mengen zu wertvoll sind, um sie als Totvolumen zu verlieren. Es ist eine verlustfreie Zuführung und eine zumindest nahezu vollständige Entleerbarkeit des Kartuschensystems 16 gewährleistet.
- Da das Kartuschensystem 16 ein Einmalartikel ist, kann dieses gut sterilisiert werden. Dadurch, dass das Kartuschensystem 16 austauschbar ist, ist eine Reinigung der Antriebseinrichtung 2 selbst nicht erforderlich. Es ist also keine vollständige Zerlegung der Antriebseinrichtung 2 zur Reinigung der Exzenterschneckenpumpe 1 nötig. Das Kartuschensystem 16 kann sehr einfach und schnell gewechselt werden, wodurch die Exzenterschneckenpumpe 1 in kürzester Zeit wieder einsatzbereit ist.
- Biologische Medien werden üblicherweise in einem Arbeitsbereich von + 4 °C bis + 40 °C dosiert, da die meisten Zellen nur in einem schmalen Temperaturbereich lebensfähig sind. Die zu verdruckenden Medien unterliegen sehr oft einem temperaturgesteuerten Gelierungsmechanismus, der für die Formstabilität beim Drucken sorgt. Hierzu ist eine präzise Temperaturkontrolle nötig. Eine Kühlung ist ebenso wichtig, damit einige Zelltypen nicht absterben und bestimmte Gele gedruckt werden können.
- Mit Hilfe des exzentrisch abdichtenden Stopfens 46 ist eine Abdichtung des Mediums gegenüber dem Innenraum 19 möglich. Dies führt zu einer Kontaminationsfreiheit und gewährleistet, dass empfindliche Bauteile, beispielsweise die Antriebseinheit 3, geschützt sind. Der Stopfen 45 dient nicht nur zur Abdichtung, sondern erfüllt auch die Funktion der Kraftübertragung auf das Medium, um einen Vordruck für die Dosierung desselben zu liefern. Dieser Vordruck kann beispielsweise durch über die Luftzuführung 14 zugeführte Druckluft oder eine Feder aufgebracht werden.
- Die
Fig. 23 zeigt schematisch ein Befüllkonzept zum Befüllen des Kartuschensystems 16. Zunächst wird der Stopfen 45 in die Kartusche 17 eingeschoben. Dabei ist die Membran 58 des Stopfens 45 dem Stator 12 zugewandt. Der Stopfen 45 wird so weit in die Kartusche 17 eingeschoben, bis der Stopfen 45 an dem Stator 12 anliegt. - Anschließend wird eine mit einem Medium M befüllte Spritze 68 über einen Adapter 69 mit dem Luer-Lock-Anschluss 18 der Kartusche 17 verbunden. Das Kartuschensystem 16 wird nun mit dem Medium M befüllt, wobei sich der Stopfen 45 von dem Stator 12 wegbewegt. Sobald das Kartuschensystem 16 mit dem Medium M gefüllt ist, wird das Kartuschensystem 16 mit der Antriebseinrichtung 2 verbunden. Hierbei wird die Membran 58 von dem Rotor 10 durchstochen. Ferner wird an den Luer-Lock-Anschluss 18 eine Düse 70 angebracht. Mit Hilfe des Bajonettverschlusses 27 wird das Kartuschensystem 16 mit der Antriebseinrichtung 2 verbunden. Das Dosieren des Mediums M kann nun gestartet werden.
- Zum Befüllen der Kartusche 17 und zum Schutz des Mediums M gegen die Umgebung ist es erforderlich, dass der Stopfen 45 geschlossen ist. Dies wird dadurch gelöst, dass der Stopfen 45 mittig mit der perforierbaren Membran 58 versehen ist. Diese soll nach dem Befüllvorgang des Kartuschensystems 16 auch noch dicht sein, wenn der Rotor 10 von oben die Membran 58 durchstößt. Weiterhin muss der Stopfen 45 während der kompletten Entleerdauer des Kartuschensystems 16 die exzentrische Bewegung des Rotors 10 zulassen und trotzdem dicht bleiben. Dies wird durch eine entsprechende Materialwahl für den Stopfen 45 erzielt.
- Um den Totraum weitgehend zu eliminieren, ist es erforderlich, dass das Medium M in möglichst wenigen Vertiefungen, Hohlräumen oder Hinterschneidungen zurückbleiben kann. Gut geeignet ist daher eine möglichst einfache produktberührende Innengeometrie der Kartusche 17. Daher ist die Kartusche 17 innen auch zylinderförmig ausgebildet. Der potenzielle Nachteil, dass der Rotor 10 durch die Mitte der Kartusche 17 geführt werden muss und damit potenziell Medium M an der Rotoreinheit 8 haften bleiben kann, wird durch die Abstreiffunktion des Stopfens 45 kompensiert. Eine optimale Restentleerung wird durch einen konisch zulaufenden Stator 12 und einen entsprechend geformten Stopfen 45 erreicht, wie dies beispielsweise auch in den
Fig. 13 und18 gezeigt ist. - Die vollständige Reinigung und Sterilisierbarkeit einer Exzenterschneckenpumpe unter Berücksichtigung der Durchführbarkeit im Laboralltag ist schwer möglich. Dieses Problem kann jedoch durch die Einführung des Kartuschensystems 16 als Einmalartikel behoben werden. Die einmalige Verwendung der für die Dosierung wesentlichen Pumpenteile garantiert absolute Sicherheit bezüglich Sterilität und Kontaminationsfreiheit. Alle produktberührenden Teile können nach einmaliger Verwendung, das heißt nach einer einmaligen Entleerung des Kartuschensystems 16, getauscht werden. Sowohl der fest mit der Kartusche 17 verbundene Stator 12 als auch der Rotor 10 und der Stopfen 45 können ausgetauscht werden.
- Um die Einmalbenutzung sicherzustellen, können folgende Maßnahmen angesetzt werden. Die Rotor-Stator-Kombination kann für ein geringes Dosiervolumen bis zum Versagen ausgelegt werden. Der Stopfen 45 kann nach einmaligem Gebrauch irreversibel zerstört sein, beispielsweise durch das Durchstoßen der Membran 58. Es ist möglich, den Rotor 10 in der Kartusche 17 einrasten zu lassen, so dass dieser nicht von dem Kartuschensystem 16 trennbar ist. Es ist ein irreversibler Verschluss der Kartusche 17 möglich, so dass der beschädigte Stopfen 45 nicht getauscht werden kann. Ferner ist eine Farbindikation möglich, die eine einmalige Verwendung anzeigt.
- Das Handling des Kartuschensystems 16 ist so weit vereinfacht, dass ein Anwender das Kartuschensystem 16 nur noch befüllen, die Rotoreinheit 8 in die Antriebseinrichtung 2 einstecken und das Kartuschensystem 16 an der Antriebseinrichtung 2 festdrehen muss. Die Zerlegung und der Zusammenbau sind werkzeuglos möglich. Das Kartuschensystem 16 kann steril befüllt, betrieben und getauscht werden, ohne dass Rückstände verbleiben. Nach Gebrauch wird der Rotor 10, insbesondere die Rotoreinheit 8, automatisch beim Abziehen des Kartuschensystems 16 von der Antriebseinrichtung 2 mit entfernt. Das Handling entspricht somit weitgehend dem einer regulären Kartusche. Die Steuerung der Extrusion erfolgt über Schrittmotorsignale eines Controllers. Es wird keine eigene Steuerung benötigt, was das Handling in der Praxis verbessert.
- Um die Exzenterschneckenpumpe 1 in vorhandenen 3D-Druckern verwenden zu können, ist eine Gewichts- und Größenreduktion wünschenswert. Die größte Einsparung ist durch die Auswahl einer geeigneten Antriebseinheit 3 möglich. Da die Abdichtung der Antriebseinheit 3 keinen hohen Drücken standhalten muss, kann diese auch kleiner dimensioniert werden. Die Materialien für die Antriebseinrichtung 2 werden dahingehend gewählt, dass diese möglichst leicht sind. Das Gehäuse 4 kann teilweise aus Metall oder aus Kunststoff gefertigt sein. Da die Komponenten Rotor 10, Stator 12, Stopfen 45 und Kartusche 17 aus Kunststoff gefertigt sind, verringert sich das Gewicht nochmals zusätzlich.
- Die Temperaturregulation des Mediums M kann über ein externes Element erfolgen, das auf das Kartuschensystem 16 aufgesteckt werden kann. Die Kühlung oder Erwärmung erfolgt direkt an einer Außenfläche der Kartusche 17 und kann über eine angepasste Form über die gesamte Länge der Kartusche 17 konstant gehalten werden. Zwischen der Antriebseinheit 3 und dem Kartuschensystem 17 besteht keine Wärmebrücke, wodurch sich die Erhöhung der Motortemperatur nicht unmittelbar auf den Kartuscheninhalt auswirkt. Dies wird zum einen durch den verhältnismäßig großen Abstand der Antriebseinheit 3 zu dem Kartuschensystem 16 umgesetzt, zum anderen durch eine geeignete Werkstoffauswahl. Kunststoff verhindert die Konduktion von der Antriebseinheit 3 zu dem Medium M. An der Antriebseinheit 3 vorgesehenes Metall fördert die Wärmeabgabe an die Umgebung.
- Neben dem Einsatz der Exzenterschneckenpumpe 1 im Bereich des Bioprintings sind noch weitere Einsatzgebiete denkbar. In der additiven Fertigung muss sich der Einsatz der Exzenterschneckenpumpe 1 nicht auf das Bioprinting beschränken. Der Druck von Materialien, wie Silikonen, Epoxidharzen, Polyurethanen, Keramik-, Metall- und Lotpasten ist ebenfalls möglich. Mit einer kompakten Bauform ist es auch denkbar, den Markt für Amateur-3D-Drucker zu erschließen.
- Eine weitere mögliche Anwendung stellt den Druck von Fleischersatzprodukten dar. Hier gelten ebenfalls strenge hygienische Vorschriften. Viele verschiedene Materialien kommen zum Einsatz, und die Viskosität kann sehr hoch sein. Dabei ist es unerheblich, ob die Ersatzprodukte direkt über tierische Quellen generiert wurden oder durch pflanzliche Quellen nachgebildet oder ersetzt werden.
- Ferner ist auch ein Einsatz in der chemischen Industrie möglich. Manche Chemikalien eignen sich aufgrund ihrer Neigung zum Verkleben grundsätzlich nicht zum Verdrucken mit Exzenterschneckenpumpen. Beispielsweise stellen Cyanoacrylate ein Problem dar, da diese in der Gegenwart von Feuchtigkeit aushärten und die Exzenterschneckenpumpe komplett zerstören können. Ein abgeschlossenes System in Form des zuvor erläuterten Kartuschensystems 16, das bei einem Störfall ohne größeren Schaden schnell getauscht werden kann, ist von Vorteil.
- Auch in einer Laborumgebung, in der kleine Mengen getestet werden und schnelle Produktwechsel erfolgen, ist der Einsatz des Kartuschensystems 16 sinnvoll. Werden beispielsweise verschiedene Formulierungen einer Klebstoffverbindung getestet, müsste bei einer Exzenterschneckenpumpe ohne ein derartiges Kartuschensystem 16 immer die gesamte Exzenterschneckenpumpe zerlegt und gereinigt werden. Da die Anforderungen bei Klebstoffen an die Sterilität nicht gegeben sind, wäre es auch denkbar, nur die Kartusche 17 und nicht die Rotoreinheit 8 zu wechseln. Verschiedene Kartuschengrößen sichern die Einsetzbarkeit in unterschiedlichen Gebieten ab.
- In der Medizintechnik wäre unter anderem die Anwendung als Handapplikator denkbar. Zur präzisen Auftragung von Material bei der Wundversorgung, im Körper, bei Operationen, bei zahnmedizinischen Behandlungen oder zur Abgabe von Medikamenten kann das Kartuschensystem 16 Anwendung finden. Eine Schnittstelle von additiver Fertigung und Medizintechnik ist beispielsweise der Druck von Tabletten. Durch die individuelle Erstellung von Tabletten mit patientenspezifischen Wirkstoffen und Wirkstoffgehalten können Probleme mit Wechselwirkungen, Über- und Unterdosieren sowie Vergessen der Einnahme entgegengewirkt werden. Auch für den Druck von Tabletten kann die Exzenterschneckenpumpe 1 eingesetzt werden.
- Die
Fig. 24 zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Exzenterschneckenpumpe 1. DieFig. 25 zeigt die Detailansicht C gemäß derFig. 24 . Die Exzenterschneckenpumpe 1 gemäß derFig. 24 unterscheidet sich von der Exzenterschneckenpumpe 1 gemäß derFig. 1 und2 nur dadurch, dass das Kartuschensystem 16 ein Federelement 71 aufweist, welches zwischen dem Stopfen 45 und dem Lagergehäuse 5 angeordnet ist. Beidseitig des Federelements 71 sind ringförmige Druckstücke 72, 73 vorgesehen. Zusätzlich ist noch eine Druckbeaufschlagung über die Luftzuführung 14 möglich. Der Innenraum 19 der Kartusche 17 kann auch mit einem Unterdruck, insbesondere einem Vakuum, beaufschlagt sein. - Im Unterschied zu der Exzenterschneckenpumpe 1 gemäß den
Fig. 1 und2 wird anstatt der Druckbeaufschlagung des Stopfens 45 mit Luft diese Aufgabe von dem Federelement 71 übernommen. Das Federelement 71 umfasst eine lineare Kennlinie. Die Kraftausübung auf den Stopfen 45 kann zum einen über Luftdruck erfolgen, mit Hilfe einer Federkraft des Federelements 71 oder mit Hilfe eines nicht gezeigten Spindeltriebs. Im letztgenannten Fall ist ein exzentrischer Einsatz im Stopfen 45 vorgesehen. Die Steigungshöhe dieses exzentrischen Einsatzes ist der volumetrischen Menge angepasst und somit auch der Stopfengeschwindigkeit. Das heißt, der Stopfen 45 ist zwangsgeführt. - Wie die
Fig. 25 zeigt, ist eine Gleitbuchse 74 zum Lagern der Antriebswelle 7 in dem Lagergehäuse 5 vorgesehen. Die Gleitbuchse 74 umfasst einen ersten Dichtring 75 sowie einen zweiten Dichtring 76. Es kann auch lediglich ein Dichtring 75, 76 vorgesehen sein. Der Dichtring 75 dichtet gegen ein Vakuum in den Innenraum 19 ab. - Die
Fig. 26 zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Kartuschensystems 16. DieFig. 27 zeigt die Detailansicht D gemäß derFig. 26 . Bei dieser Weiterbildung des Kartuschensystems 16 sind innenseitig an der Kartusche 17 Rasthaken oder Schnapphaken 77, 78 vorgesehen. Ferner ist ein die Kartusche 47 verschließender Deckel 79 vorgesehen. Der Deckel 79 kann plattenförmig sein und umfasst einen mittige Durchbruch 80, durch den die Rotoreinheit 8 hindurchgeführt ist. Der Deckel 79 umfasst einen umlaufenden Eingriffsabschnitt 81, welcher die Rasthaken 77, 78 hintergreift. Das heißt, der Deckel 79 kann, wie in derFig. 27 mit Hilfe von Pfeilen angedeutet, in die Kartusche 17 eingedrückt werden, wobei der Eingriffsabschnitt 81 hinter die Schnapphaken 77, 78 einrasten. Der Deckel 79 ist nun nicht mehr von der Kartusche 17 trennbar. - An der Rotoreinheit 8, insbesondere an der Flexwelle 9, können Rasthaken oder Schnapphaken 82, 83 vorgesehen sein. Die Anzahl der Schnapphaken 82, 83 ist beliebig. Die Schnapphaken 82, 83 können den Deckel 79 hintergreifen. Insbesondere ragen die Schnapphaken 82, 83 radial weiter aus der Rotoreinheit 8 heraus als ein Durchmesser des Durchbruchs 80 groß ist. Die Rotoreinheit 8 kann durch den Durchbruch 80 hindurchgeführt werden. Sobald die Schnapphaken 82, 83 den Durchbruch 80 durchquert haben, rasten diese hinter den Deckel 79 ein. Nun ist auch die Rotoreinheit 8 nicht mehr von dem Kartuschensystem 16 trennbar.
- Das heißt, das Kartuschensystem 16 und sämtliche Bauteile des Kartuschensystems 16 können tatsächlich nur einmal benutzt werden. Alternativ könnten jedoch auch die Rotoreinheit 8 und der Stopfen 45 gereinigt werden und mehrfach wiederverwendet werden. Durch den Deckel 79 kann jedoch zumindest sichergestellt werden, dass die Kartusche 17 nur einmal verwendet wird. Vorteil hierbei ist bei der Einmalanwendung oder Kontamination, beispielsweise bei toxischen oder krebserregenden Wirkstoffen, wie auch bei der Reinigung und Selbstschutz zu sehen.
- Die
Fig. 28 zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Kartuschensystems 16. Das Kartuschensystem 16 gemäß derFig. 28 ist vollständig gekapselt. Hierzu ist rückseitig an der Kartusche 17 ein Deckel 84 vorgesehen. Der Deckel 84 ist beispielsweise mit der Kartusche 17 verklebt oder verschmolzen. Der Deckel 84 ist fluiddicht mit der Kartusche 17 verbunden. - Das Kartuschensystem 16 ist somit vollständig gekapselt und umfasst neben der Kartusche 17 den Stator 12, die Rotoreinheit 8 und den Stopfen 45 (nicht gezeigt). Die Schnittstelle 32 der Rotoreinheit 8, insbesondere der Flexwelle 9, ist hierbei als berührungslose Schnittstelle ausgebildet. Insbesondere ist die Schnittstelle 32 an der Flexwelle 9 vorgesehen. Dementsprechend ist eine korrespondierende Gegenschnittstelle an der Antriebseinrichtung 2 vorgesehen. Die Schnittstelle 32 kann beispielsweise eine Magnetkupplung oder Teil einer Magnetkupplung sein.
- Grundsätzlich können alle Ausführungsformen des Kartuschensystems 16 beziehungsweise der Kartusche 17 einen RFID-Chip (Engl.: Radio Frequency Identification) aufweisen. Hierdurch kann insbesondere eine Geometrie des Stators 12 erkannt werden, um beispielsweise dem Stator 12 den passenden Rotor 10 zuordnen zu können. Es ist somit beispielsweise eine Größenerkennung möglich. Ferner ist auch eine Chargenerkennung des in der Kartusche 17 aufgenommenen Mediums M möglich.
- Das Kartuschensystem 16 beziehungsweise die Kartusche 17 kann auch einen QR-Code (Engl.: Quick Response) aufweisen, der beispielsweise in die Kartusche 17 eingelasert ist. Hiermit kann beispielsweise das in der Kartusche 17 aufgenommene Medium M identifiziert werden. Es kann dann beispielsweise eine Information ausgelesen werden, die Rückschlüsse auf den Inhalt der Kartusche 17, nämlich das Medium M, ermöglicht. So ist beispielsweise eine Chargenerkennung, eine Aussage über die Lebensdauer beziehungsweise die Haltbarkeit des Mediums M, eine Produktnachverfolgung oder dergleichen möglich.
- Die Exzenterschneckenpumpe 1 kann netzbetrieben oder akkubetrieben sein. Das heißt, dass ein Akkubetrieb der Antriebseinheit 3 möglich ist. Hierdurch ist die Exzenterschneckenpumpe 1 unabhängig von einem Stromnetz. Die Exzenterschneckenpumpe 1 kann somit autark als Handgerät arbeiten. Beispielsweise kann die Exzenterschneckenpumpe 1 so zum Dosieren von Lötpaste an einem Handarbeitsplatz eingesetzt werden. Die Exzenterschneckenpumpe 1 kann so in der Art einer Pipettiereinrichtung oder Pipettierhilfe eingesetzt werden, mit dem Unterschied, dass mit Hilfe der Exzenterschneckenpumpe 1 auch hochviskose Medien M dosiert werden können. Ferner kann eine derart autark arbeitende Exzenterschneckenpumpe 1 auch zur Schnellwundversorgung, beispielsweise zur Feldversorgung von Einsatzkräften, in Arztpraxen oder im Operationssaal eingesetzt werden. In diesem Fall können beispielsweise Wachse, insbesondere Knochenwachse, Klebstoffe, Medikamente, Zahnersatzmaterialien, künstliche Haut oder dergleichen dosiert werden.
- Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar.
-
- 1
- Exzenterschneckenpumpe
- 2
- Antriebseinrichtung
- 3
- Antriebseinheit
- 4
- Gehäuse
- 5
- Lagergehäuse
- 6
- Verbindungselement
- 7
- Antriebswelle
- 8
- Rotoreinheit
- 9
- Flexwelle
- 10
- Rotor
- 11
- Spitze
- 12
- Stator
- 13
- Durchbruch
- 14
- Luftzuführung
- 15
- Luftkanal
- 16
- Kartuschensystem
- 17
- Kartusche
- 18
- Luer-Lock-Anschluss
- 19
- Innenraum
- 20
- Armabschnitt
- 21
- Armabschnitt
- 22
- Eingriffsabschnitt
- 23
- Gegeneingriffsabschnitt
- 24
- Durchbruch
- 25
- Ringnut
- 26
- O-Ring
- 27
- Bajonettverschluss
- 28
- Ausnehmung
- 29
- Ausnehmung
- 30
- Stirnseite
- 31
- Stirnseite
- 32
- Schnittstelle
- 33
- Schlüsselfläche
- 34
- Armabschnitt
- 35
- Armabschnitt
- 36
- Armabschnitt
- 37
- Armabschnitt
- 38
- Schlitz
- 39
- Schlitz
- 40
- Rastnase
- 41
- Gegenschnittstelle
- 42
- Schlüsselfläche
- 43
- Schlüsselfläche
- 44
- Absatz
- 45
- Stopfen
- 46
- Rotordurchbruch
- 47
- Innenteil
- 48
- Außenteil
- 49
- Symmetrieachse
- 50
- Dichtlippe
- 51
- Dichtlippe
- 52
- Ringnut
- 53
- Ringnut
- 54
- Labyrinthdichtung
- 55
- Versteifungsring
- 56
- Verrundung
- 57
- Druckring
- 58
- Membran
- 59
- Membranabschnitt
- 60
- Membranabschnitt
- 61
- Membranabschnitt
- 62
- Membranabschnitt
- 63
- Perforation
- 64
- Perforationsabschnitt
- 65
- Perforationsabschnitt
- 66
- Konusabschnitt
- 67
- Gegenkonusabschnitt
- 68
- Spritze
- 69
- Adapter
- 70
- Düse
- 71
- Federelement
- 72
- Druckstück
- 73
- Druckstück
- 74
- Gleitbuchse
- 75
- Dichtelement
- 76
- Dichtelement
- 77
- Schnapphaken
- 78
- Schnapphaken
- 79
- Deckel
- 80
- Durchbruch
- 81
- Eingriffsabschnitt
- 82
- Schnapphaken
- 83
- Schnapphaken
- 84
- Deckel
- A
- Detailansicht
- B
- Detailansicht
- C
- Detailansicht
- D
- Detailansicht
- L
- Längsrichtung
- M
- Medium
Claims (20)
- Kartuschensystem (16) für eine Exzenterschneckenpumpe (1), mit
einer Kartusche (17) zum Aufnehmen eines zu dosierenden Mediums (M),
einem an der Kartusche (17) vorgesehenen Stator (12), welcher zum Dosieren des Mediums (M) mit einer Rotoreinheit (8) der Exzenterschneckenpumpe (1) zusammenwirkt, und
einem in der Kartusche (17) beweglich gelagerten Stopfen (45) zum fluiddichten Verschließen der Kartusche (17), wobei der Stopfen (45) einen Rotordurchbruch (46) umfasst, durch welchen die Rotoreinheit (8) hindurchführbar ist. - Kartuschensystem nach Anspruch 1, wobei der Stator (12) und die Kartusche (17) einstückig, insbesondere materialeinstückig, ausgebildet sind, oder wobei der Stator (12) und die Kartusche (17) formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
- Kartuschensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Rotordurchbruch (46) mit Hilfe einer dem Stator (12) zugewandten Membran (58) verschlossen ist.
- Kartuschensystem nach Anspruch 3, wobei die Membran (58) eine Perforation (63) umfasst, wobei die Perforation (63) die Membran (58) bevorzugt in mehrere Membranabschnitte (59 - 62) unterteilt.
- Kartuschensystem nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Stopfen (45) einen Druckring (57) umfasst, durch welchen der Rotordurchbruch (46) hindurchgeführt ist und an welchem die Membran (58) vorgesehen ist.
- Kartuschensystem nach Anspruch 5, wobei der Stopfen (45) dem Druckring (57) abgewandt einen Versteifungsring (55) umfasst, durch welchen der Rotordurchbruch (46) hindurchgeführt ist.
- Kartuschensystem nach einem der Ansprüche 1 - 6, wobei an dem Rotordurchbruch (46) zumindest eine umlaufende Ringnut (52, 53) vorgesehen ist.
- Kartuschensystem nach einem der Ansprüche 1 - 7, wobei der Stopfen (45) dem Stator (12) abgewandt eine umlaufende erste Dichtlippe (50) umfasst, welche innenseitig an der Kartusche (17) anliegt, und/oder wobei der Stopfen (45) dem Stator (12) zugewandt eine umlaufende zweite Dichtlippe (51) umfasst, welche ebenfalls innenseitig an der Kartusche (17) anliegt.
- Kartuschensystem nach Anspruch 8, wobei die zweite Dichtlippe (51) eine größere Steifigkeit als die erste Dichtlippe (50) aufweist.
- Kartuschensystem nach Anspruch 8 oder 9, wobei sich die erste Dichtlippe (50) stirnseitig weiter aus dem Stopfen (45) herauserstreckt als die zweite Dichtlippe (51).
- Kartuschensystem nach einem der Ansprüche 1 - 10, ferner umfassend die Rotoreinheit (8), welche durch den Rotordurchbruch (46) hindurchgeführt ist.
- Kartuschensystem nach Anspruch 11, wobei die Rotoreinheit (8) unlösbar mit der Kartusche (17) und/oder dem Stopfen (45) verbunden ist.
- Kartuschensystem nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Rotoreinheit (8) vollständig von der Kartusche (17) eingekapselt ist.
- Kartuschensystem nach einem der Ansprüche 11 - 13, wobei die Rotoreinheit (8) eine Schnittstelle (32) zum Koppeln der Rotoreinheit (8) mit einer Gegenschnittstelle (41) einer Antriebseinrichtung (2) der Exzenterschneckenpumpe (1) umfasst.
- Kartuschensystem nach Anspruch 14, wobei die Schnittstelle (32) eine Rastnase (40) umfasst, welche bei einem Verbinden der Rotoreinheit (8) mit der Antriebseinrichtung (2) in die Gegenschnittstelle (41) einrastet.
- Kartuschensystem nach Anspruch 15, wobei die Schnittstelle (32) mehrere elastisch verformbare Armabschnitte (34 - 37) umfasst, an welchen die Rastnase (40) vorgesehen ist.
- Kartuschensystem nach einem der Ansprüche 1 - 16, ferner umfassend das in der Kartusche (17) aufgenommene Medium (M).
- Kartuschensystem nach einem der Ansprüche 1 - 17, wobei der Stopfen (45) einen Indikator umfasst, welcher nach einer Verwendung des Kartuschensystems (16) seinen Zustand ändert.
- Kartuschensystem nach einem der Ansprüche 1 - 18, wobei der Stopfen (45) aus einem luftdurchlässigen oder luftundurchlässigen Material gefertigt ist.
- Exzenterschneckenpumpe (1), insbesondere 3D-Druckkopf, mit einer Antriebseinrichtung (2) und einem austauschbaren Kartuschensystem (17) nach einem der Ansprüche 1 - 19, welches lösbar mit der Antriebseinrichtung (2) verbunden ist.
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