PMBi-Pumpe mit Piezomotor

Weltweit einzigartige Laborpumpe

Für seine internationalen Kunden in der Medizintechnik hat das finnische Unternehmen Ginolis eine hochpräzise Dosierpumpe entwickelt: Ein Linearmotor, der mit Piezoelektrizität von PiezoMotor angetrieben wird, gewährleistet die erforderliche Nanoliterpräzision.

Präzises und wiederholbares Dosieren von Volumen: Mit der PMBi-Pumpe hat Ginolis in diesem Bereich einen Durchbruch erzielt. Die voll integrierbare Pumpe ist in Bezug auf Präzision und wartungsarmes Design auf dem Markt unübertroffen und in zwei Modellen für unterschiedliche Mengen erhältlich. PMB steht für PiezoMotor Bellows – das Herzstück der Pumpe: ein Balgsystem, das durch Piezoelektrizität angetrieben wird. Die Pumpen sind mit Motoren des schwedischen Herstellers PiezoMotor ausgestattet, die sich durch hohe Präzision und ein kompaktes Design mit enormer Leistung auszeichnen.

Ginolis mit Hauptsitz im finnischen Oulu bietet ein umfangreiches Spektrum an Lösungen auf der Basis modularer Automatisierungsplattformen, die von Standardprodukten bis hin zu maßgeschneiderten Systemen reichen. Das 2010 gegründete Unternehmen verfügt über Patente in den Bereichen Dosierung, Mikroproduktion und Präzisionsrobotik und arbeitet mit vielen weltweit führenden Diagnostikunternehmen zusammen.

Flexible, intelligente und wartungsarme Konstruktion

Die erst kürzlich auf den Markt gebrachte PMBi-Pumpe hat bereits zahlreiche Käufer gefunden. Sie ist flexibel, intelligent und wartungsarm. Sie wird für die Abgabe von Reagenzien und Flüssigkeiten in kleinem Maßstab verwendet und kann entweder in die von Ginolis hergestellten Automatisierungsplattformen integriert oder als eigenständiges Produkt verwendet werden. Sie ist als Startset mit Pumpe, Entgaser, Schläuchen, Ventilen und Keramik-Dosierdüsen erhältlich.

„Die Original-Pumpe haben wir 2013 auf der Grundlage einer Kundenanforderung entwickelt“, berichtet Markku Känsäkoski, technischer Leiter und Leiter der Entwicklung bei Ginolis. „Die Lösung, die der Kunde zu diesem Zeitpunkt verwendete, bot einfach nicht die erforderliche Präzision. Deshalb wurden wir gebeten, eine Pumpe zu entwickeln, die den Präzisionsanforderungen entspricht. Die Beteiligung des Unternehmens PiezoMotor wurde auch direkt durch den Kunden veranlasst.“ Das Ergebnis war eine einzigartige Spezialpumpe, die 2019 durch die Verbesserung der Kommunikationsschnittstellen modifiziert wurde, um sie für die Großserienproduktion geeignet zu machen.

PiezoMotor treibt den Balg an

Das Prinzip der Ginolis PMBi-Pumpe ist ein hochpräziser Piezomotor, der einen Balg zusammenzieht und ausdehnt. Der Balg verdrängt präzise das Volumen, das zuvor in eine geschlossene Kammer gesaugt wurde. Das Magnetventil öffnet sich für kurze Zeit (100 Mikrosekunden), um einen Tropfen freizusetzen. So können pro Sekunde bis zu 100 Tropfen abgegeben werden. Durch den Einsatz eines Piezomotors wird die Reibung im Balgsystem eliminiert, was die Lebensdauer der Pumpe erheblich verlängert und den Austausch von Dichtungen überflüssig macht. Die Pumpe hat eine Größe von nur 127 x 44,5 x 148,5 mm und ist mit RS-232- und RS-485-Schnittstellen ausgestattet; ein Ethernet-Anschluss ist optional erhältlich. Ein integrierter Drucksensor kontrolliert Verstopfungen, Lecks und Luft in der Flüssigkeitsleitung und überwacht die Vordruckerzeugung der Pumpe und die Druckstabilisierung während der Vordosierung.

„Die Pumpe gibt Flüssigkeit mit einer Tröpfchengröße von einem Nanoliter ab. Dies erfordert eine sehr hohe Präzision bei der Bewegung der Flüssigkeitskammer. Außerdem darf es keinerlei Rückstoß im Motor geben, was durch den Piezomotor erreicht wird“, betont Markku Känsäkoski von Ginolis. Die einzigartigen Pumpen sind mit den standardmäßigen Twin LT20 und Twin LT40 Linearmotoren ausgestattet, die jeweils eine Stillstandskraft von 20 N bzw. 40 N haben.

Hohe Kraft pro Volumen

Piezoelektrische Motoren kommen typischerweise in Anwendungen zum Einsatz, die maximale Präzision und Miniaturisierung erfordern. Die robusten, hochpräzisen Motoren verwenden die innovative, aber bewährte Piezo LEGS Technologie für spielfreie Bewegungen im Nanometer- und sogar Subnanometerbereich. Der inverse piezoelektrische Effekt verursacht eine Verformung bestimmter keramischer Materialien, wenn Spannung an diese angelegt wird.

Application of voltage starts up a brushed DC motor. Die Piezo LEGS-Beine, die aus Keramik gefertigt und paarweise angeordnet sind – in der Regel insgesamt vier oder sechs Beine – können sowohl Linear- als auch Rotationsmotoren antreiben. Die Motoren eignen sich besonders für Move-&-Hold-Anwendungen, da die Antriebsstange immer von mindestens einem Paar gehalten wird. Dadurch wird keine zusätzliche Kraft für die Halteposition benötigt und auch im ausgeschalteten Zustand wird eine hohe Haltekraft gewährleistet. Gegenüber herkömmlichen Elektromotoren bieten sie zahlreiche Vorteile, darunter eine hohe Kraft pro Volumen – von wenigen Newton bis zu 450 N –, eine hervorragende Dynamik und Miniaturisierbarkeit sowie eine hohe Flexibilität in Bezug auf die Geschwindigkeit und eine einzigartige Präzision.

Die Zusammenarbeit soll in Zukunft ausgeweitet werden

„Wir haben eine Pumpe mit einem technologisch einzigartigen Design entwickelt, das wir auch patentiert haben“, sagt Känsäkoski. Die Pumpe ist als serienmäßige Ausstattung in der Dosierplattform „Cecilia-L“ von Ginolis installiert, einer kompakten, hochpräzisen und berührungslosen Dosier- und Aspirationsplattform. Cecilia-L ist ideal für zahlreiche medizintechnische Anwendungen, für mikrofluidische Chips und den Kartuschendruck sowie für das automatisierte Fluidhandling für Biochips und miniaturisierte Assays. Die Plattform ist mit zwei bis vier PMBi Dosierpumpen ausgestattet.

Die Zusammenarbeit mit PiezoMotor war von der Entwicklungsphase bis hin zur Großserienproduktion sehr zufriedenstellend und konstruktiv. Die Verfügbarkeit geeigneter Encoder machte es zudem möglich, die Entwicklungszeit zu verkürzen. „Derzeit liegt unser Fokus auf Robotik und Automatisierung“, merkt Känsäkoski an. „Aber wir sehen auch eine Nachfrage nach Hochpräzisions-Lösungen. Wir werden in Zukunft auf jeden Fall noch häufiger mit PiezoMotor zusammenarbeiten.“