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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Grünlings für eine Membran einer Ventileinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Herstellung des Grünlings für eine Membran einer Ventileinrichtung nach dem Oberbegriff eines nebengeordneten Anspruchs.
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Es ist bekannt, dass man zur Herstellung eines Formteils aus Polytetrafluorethylen das entsprechende Granulat händisch oder automatisch mittels eines Schiebers in eine Kavität füllt und abstreift. Insbesondere bei feinkörnigen Granulaten bereitet die Abstreifung Schwierigkeiten, da das feinkörnige Granulat nur bedingt rieselfähig ist und zur Klumpenbildung neigt. Entsprechend ergibt sich eine ungleichmäßige Verteilung des Granulats in der Kavität. Nach dem nachfolgenden Press- und Sintervorgang entsteht ein Formteil, das keine gleichmäßige Struktur aufweist und somit von minderer Qualität ist. Ein derartiges Formteil kann beispielsweise einfacher reißen, da die ungleichmäßige Struktur zu ungleichen Kraftbeanspruchungen führt.
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Aus der Druckschrift
DE 22 32 962 A ist ein Verfahren und eine Schleuderform zum Sintern von Formkörpern aus Polytetrafluorethylen bekannt. Eine nachgiebige Wandung aus einem zylindrischen Blechmantel, dessen Längsränder sich überlappen, kann sich aufweiten, wenn eine sich in einer Formkammer befindende Sintermasse beim Schleudern komprimiert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Qualität des herzustellenden Formteils zu verbessern. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach einem nebengeordneten Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals hingewiesen wird.
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Vorteilhaft wird eine Form vor einer Pressung während eines Einbringens eines Granulats in eine Kavität der Form derart um eine Rotationsachse rotiert, dass sich das Granulat im Wesentlichen gleichmäßig innerhalb der Kavität verdichtet. Durch diese gleichmäßige Verdichtung des Granulats kann nach dem Pressen und dem Sintern ein Formteil hergestellt werden, das eine im Wesentlichen gleichmäßige Struktur aufweist. Darüber hinaus sind auch komplexe Geometrien des Formteils herstellbar. Insbesondere kann auch ein feinkörniges Granulat, insbesondere ein pulverförmiges Granulat, verwendet werden. Weitergehend ist auch eine vorteilhafte Automatisierung zur Herstellung des Formteils möglich.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Rotationsgeschwindigkeit der Form mit einem zunehmenden Füllungsgrad der Kavität erhöht. Dadurch wird erreicht, dass die Zentrifugalkraft, die jeweils auf die sich im Anlagerungsprozess befindlichen Granulatstücke wirkt, im Verlauf im Wesentlichen radial gleich bestimmt werden kann. Die sich in der Anlagerungsphase befindlichen Granulatstücke werden damit mit einer stets gleichen Kraft an die bereits angelagerten Granulatstücke gedrückt, wodurch sich die im Wesentlichen gleichmäßige Verdichtung des Granulats innerhalb der Kavität ergibt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Granulat im Bereich der Rotationsachse der Kavität zugeführt. Durch diese mittige Einbringung des Granulats kann die gleichmäßige Verteilung innerhalb der Kavität unterstützt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens lagert das Granulat beim Einbringen in der Kavität im Wesentlichen in einer ersten, insbesondere radialen Richtung, an. Zur Pressung des Granulats wird eine Dicke der Kavität in einer zweiten Richtung verringert. Die zweite Richtung ist im Wesentlichen orthogonal zur ersten Richtung, insbesondere im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform begrenzt ein Einfüllanschlag eine Dicke der Kavität zum Einbringen des Granulats, wobei der Einfüllanschlag zum Pressen des Granulats entfernbar ist. Vorteilhaft kann durch den Einfüllanschlag die Dicke der Kavität und damit sowohl Dichte als auch Dicke des herzustellenden Formteils beeinflusst werden. Des Weiteren kann dadurch die Automatisierung vereinfacht werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich die Kavität im Wesentlichen quer zur Rotationsachse. Dadurch wird vorteilhaft die Anlagerung des Granulats bei der Rotation der Form unterstützt.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Hierbei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Für funktionsäquivalente Größen und Merkmale werden in allen Zeichnungen auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zur Herstellung eines Grünlings während eines Einfüllvorgangs;
- 2 eine schematische Schnittansicht der Vorrichtung in einem befüllten Zustand; und
- 3 eine schematische Schnittansicht der Vorrichtung während eines Pressvorgangs.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung 2 zur Herstellung eines Grünlings für ein Formteil. Insbesondere wird ein Grünling für eine Membran einer Ventileinrichtung mittels der Vorrichtung 2 hergestellt. Die Vorrichtung 2 befindet sich in 1 in einem Einfüllvorgang. Ein Granulat 4a wird über eine Dosiereinrichtung 6 einer Kavität 8 zugeführt. Die Dosiereinrichtung 6 ist vorliegend als Trichter ausgeführt, dessen Öffnung 9 im Wesentlichen mittig zu einer Rotationsachse 10 angeordnet ist. Damit wird das Granulat 4a im Bereich der Rotationsachse 10 der Kavität 8 mittels der Dosiereinrichtung 6 zugeführt. Damit fällt das Granulat 4a aus der Dosiereinrichtung 6 entgegen der z-Richtung durch die Schwerkraft in die Kavität 8. Das Granulat 4a kann selbstverständlich sowohl grobkörnig als auch pulverförmig vorliegen. In der pulverförmigen Form kann das Granulat 4a mittels eines Siebes im Bereich der Öffnung 9 der Dosiereinrichtung 6 der Kavität 8 zugeführt werden.
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Die Kavität 8 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Rotationsachse 10 ausgebildet. Im gezeigten Querschnitt weist die Kavität 8 von außen hin zur Rotationsachse 10 einen Außenabschnitt 12, einen Wölbungsabschnitt 14, und einen Mittenabschnitt 16 auf. Der Außenabschnitt 12 erstreckt sich im Wesentlichen quer zur Rotationsachse 10 und weist eine Dicke 18 auf. Von der Rotationsachse 10 ausgehend schließt eine Wandung 19 den Außenabschnitt 12 und damit die Kavität 8 radial nach außen ab. Selbstverständlich kann die Kavität 8 auch eine andere als die gezeigte Form aufweisen, um einen anders geformten Grünling für ein Formteil herzustellen.
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Die Kavität 8 ist Teil einer Form 20. Die Form 20 umfasst eine erste Formhälfte 22 und eine zweite Formhälfte 24. Die erste Formhälfte 22 umfasst einen ersten radial außen liegenden Teil 26 und einen zweiten radial innen liegenden Teil 28. Des Weiteren umfasst die erste Formhälfte 22 eine Öffnung 30, durch die das Granulat 4a in die Kavität 8 eingeführt werden kann. Des Weiteren ist die Wandung 19 ebenfalls der ersten Formhälfte 22 zugeordnet. Somit begrenzt die erste Formhälfte 22 die Kavität 8 sowohl radial nach außen als auch im Wesentlichen in z-Richtung.
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Die zweite Formhälfte 24 umfasst ein drittes radial innen liegendes Teil 32 und ein viertes radial außen liegendes Teil 34. Die zweite Formhälfte 24 begrenzt somit die Kavität 8 im Wesentlichen entgegen der z-Richtung. Des Weiteren umfasst die zweite Formhälfte 24 eine Ausnehmung 36, die sich längs der Rotationsachse 10 erstreckt. In dem Mittenabschnitt 16 der Kavität 8 befindet sich ein erster Stempel 38 und ein zweiter Stempel 40. Der erste Stempel 38 und der zweite Stempel 40 geben in dem Mittenabschnitt 16 einen Raum der Kavität 8 frei, der später einen Befestigungsabschnitt für eine Ventilstange der herzustellenden Membran darstellt. Der erste Stempel 38 und der zweite Stempel 40 sind entlang der Rotationsachse 10 verschiebbar und festlegbar. Während des Einfüllvorgangs befinden sich der Stempel 38 und der Stempel 40 in der in 1 gezeigten Position und begrenzen mit der zweiten Formhälfte 24 einen Teil des Mittenabschnitts 16.
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In z-Richtung ist die erste Formhälfte 22 mit einer Scheibe 46 verbunden. Die zweite Formhälfte 24 ist entgegen der z-Richtung mit einer Scheibe 48 verbunden. Im Bereich 44 kann die erste Formhälfte 22 im Wesentlichen spielfrei über die zweite Formhälfte 24 gleiten. Mittels eines Einfüllanschlags 50 wird die Bewegung der ersten Formhälfte 22 entgegen der z-Richtung begrenzt. Damit begrenzt der Einfüllanschlag 50 die Dicke 18 der Kavität 8 zum Einbringen des Granulats 4 in die Kavität 8 insbesondere parallel zur Rotationsachse entgegen der z-Richtung. Für einen auf den Einfüllvorgang folgenden Pressvorgang ist der Einfüllanschlag 50 zum Pressen des Granulats 4 entfernbar.
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Mittels eines Pressanschlages 52 kann nach dem Entfernen des Einfüllanschlags 50 die Dicke beim Pressvorgang entgegen der z-Richtung begrenzt werden.
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Während des Einfüllens des Granulats 4a in die Kavität 8 dreht sich die Vorrichtung 2 um die Rotationsachse 10 gemäß dem Pfeil 54. Die Drehrichtung gemäß dem Pfeil 54 kann selbstverständlich auch entgegengesetzt gewählt werden. Dadurch, dass die Form 20 vor der Pressung während des Einbringens des Granulats 4 in die Kavität 8 der Form 20 um die Rotationsachse 10 rotiert wird, wirkt eine Zentrifugalkraft auf einzelne Granulatstücke 4b, die sich somit radial nach außen bewegen. Selbstverständlich wird auch der Mittenabschnitt 16 mit Granulatstücken 4b gefüllt. Spätestens nach dem Auffüllen des Mittenabschnitts 16 mit Granulat 4 erfahren die Granulatstücke 4b, die seitlich von der Mittenachse 10 einem radial nach außen geöffneten Raum der Kavität 8 ausgesetzt sind, eine Zentrifugalkraft radial nach außen. Die ersten Granulatstücke 4b, die an der Wandung 19 auftreffen, lagern sich an der Wandung 19 durch die Zentrifugalkraft an. Nach dem Anlagern einiger Granulatstücke bildet sich somit ein erster verdichteter Granulatabschnitt 56 in der Kavität 8. Damit lagert sich das Granulat 4 beim Einbringen in die Kavität 8 im Wesentlichen in einer ersten radialen Richtung an eine radial nach innen laufende Grenze 58 des Granulatabschnitts 56 an, wobei das Granulat 4 im Wesentlichen umfänglich an der Grenze 58 im Wesentlichen gleichmäßig verdichtet wird. Eine nachfolgend zu 3 erläuterte Pressung geschieht in einer zweiten Richtung entgegen der z-Richtung, wobei zur Pressung des Granulats 4 die Dicke der Kavität in der zweiten Richtung verringert wird. Die zweite Richtung ist im Wesentlichen orthogonal zur ersten Richtung, insbesondere im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse.
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Auf die Granulatkörner 4b bzw. Granulatpulverkörner 4b wirken radial innen eine kleinere Zentrifugalkraft und radial außerhalb eine größere Zentrifugalkraft, wenn sich die Vorrichtung 2 bzw. die Form 20 mit einer gleichen Rotationsgeschwindigkeit dreht. Hierzu ist die Form 20 mit einem nicht gezeigten Rotationsantrieb verbunden. Um eine Verdichtung des Granulats 4 radial, beispielsweise in einer x-Richtung, im Wesentlichen gleichmäßig zu halten, wird die Rotationsgeschwindigkeit der Form 20 mit einem zunehmenden Füllungsgrad der Kavität 8 erhöht. Der Füllungsgrad entspricht hierbei im Wesentlichen der Grenze 58, die sich beim Befüllen radial nach innen bewegt. Die Grenze 58 des Granulatabschnitts 56 wandert mit zunehmendem Füllungsgrad der Kavität 8 radial nach innen. Durch die Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit mit zunehmendem Füllungsgrad der Kavität 8 wird im Bereich der Grenze 58 sichergestellt, dass über den Füllungsverlauf hinweg eine im Wesentlichen gleiche Zentrifugalkraft auf die Granulatkörner 4b wirkt, die sich an der Grenze 58 an den Granulatabschnitt 56 anlagern. Die Beziehung zwischen Füllungsgrad und Rotationsgeschwindigkeit kann als lineare Funktion ausgestaltet sein.
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Vor der Pressung wird die Form 20 während des Einbringens des Granulats 4 in die Kavität 8 somit derart um die Rotationsachse 10 rotiert, dass sich das Granulat 4 im Wesentlichen gleichmäßig innerhalb der Kavität 8 verdichtet. Insbesondere ergibt sich dadurch eine Vorverdichtung des Granulats 4 in der Kavität 8 vor dem Pressen zur Herstellung des Grünlings. Die Vorverdichtung ist derart ausgestaltet, dass die gleichmäßige Verteilung des Granulats 4 in der Kavität 8 zu einer im Wesentlichen gleichen Materialdichte des Granulats 4 innerhalb der Kavität 8 führt. Insbesondere ergibt sich im Wesentlichen eine gleiche Materialdichte des Granulats 4 innerhalb der Kavität 8 in einer radialen Richtung. Die im Wesentlichen gleichmäßige Verdichtung des Granulats 4 in der Kavität 8 entspricht im Wesentlichen einer gleichen Dichte des Granulats 4 in der Kavität 8 in radialer Richtung.
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Das Granulat 4 wird vor dem Einbringen in die Dosiereinrichtung 6 abgewogen. Das Granulat 4 ist ein Polymer und insbesondere Polytetrafluorethylen oder modifiziertes Polytetrafluorethylen. Selbstverständlich können auch andere Thermoplaste wie Polyamide oder Polyethylene zur Herstellung des Grünlings dienen.
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Die Kavität 8 erstreckt sich im Wesentlichen quer zur Rotationsachse 10. Während des Einfüllvorgangs wird die Form 20 um die Rotationsachse 10 bewegt, wobei die Dosiereinrichtung 6 bevorzugt nicht um die Rotationsachse 10 bewegt, sondern feststehend ausgeführt ist.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht der Vorrichtung 2 aus 1 in einem befüllten Zustand. In diesem befüllten Zustand füllt das Granulat 4 die Kavität 8 im Wesentlichen gänzlich aus. In diesem befüllten Zustand wird die Form 20 nicht mehr um die Rotationsachse 10 bewegt. Der Einfüllvorgang, der in der 1 gezeigt ist, ist damit in dem in 2 gezeigten befüllten Zustand abgeschlossen. Ein dritter Stempel 60 schließt die Kavität im Bereich des Mittenabschnitts 16 in z-Richtung ab. Des Weiteren wird der dritte Stempel 60 zu der ersten Formhälfte 22 festgelegt.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht der Vorrichtung 2 während eines Pressvorgangs. Während des Pressvorgangs werden die erste Formhälfte 22 und die zweite Formhälfte 24 aufeinander zu bewegt, so dass sich die Dicke 18 der Kavität 8 verringert und das Granulat 4, das sich in der Kavität 8 befindet, in der z-Dimension gepresst wird. Der Pressanschlag 52 beschränkt eine Bewegung der ersten Formhälfte 22 entgegen der z-Richtung. Selbstverständlich kann auch kein Pressanschlag 52 vorgesehen sein und die Pressung wird durch einen nicht gezeigten Pressantrieb mittels einer definierten Presszeit und eines definierten Pressdrucks durchgeführt.
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Für die Pressung werden auch der erste und der zweite Stempel 38 und 40 hin zu dem dritten Stempel 60 bewegt. Der Pressvorgang folgt auf den befüllten Zustand. Die Stempel 38 und 40 werden derart auf den Stempel 60 hin zubewegt, dass sich zwischen dem Stempel 38 und dem Stempel 60 eine Dicke ausbildet, die im Wesentlichen gleich ist wie eine Dicke zwischen dem Stempel 38 und 40, jeweils in der z-Dimension. Selbstverständlich können auch unterschiedliche Dicken vorgesehen sein. Hierzu können die Stempel 38 und 40 abhängig oder unabhängig voneinander unterschiedlich weit auf den Stempel 60 hin zubewegt werden. Nach der ersten Verdichtung des Granulats 4 während des Einfüllvorgangs erfolgt nun eine zweite Verdichtung während des Pressvorgangs durch Pressen, wobei die erste Verdichtung eine Anlagerung in der ersten Richtung bedeutet, und die Pressung des Granulats 4 in der Kavität 8 in einer zweiten Richtung geschieht. Die Scheibe 48 ist in 3 nur schematisch als Block ohne den Schieber 42 dargestellt.
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Ist der Pressvorgang abgeschlossen, so werden die erste Formhälfte 22 und die zweite Formhälfte 24 voneinander so weit entfernt, dass sich der durch die Pressung entstandene Grünling von der Form 20 entfernen lässt und einem Sintervorgang zugeführt wird.
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Die vorgestellte Vorrichtung 2 und die beschriebenen Verfahrensschritte sind zur automatisierten Fertigung ausgestaltet. Insbesondere sind hierfür eine Befüllstation, eine Pressstation und eine Sinterstation vorgesehen. In der Befüllstation wird gemäß der 1 der Einfüllvorgang mit einer ersten Verdichtung des Granulats 4 durchgeführt. In der Pressstation wird der Pressvorgang aus der 3 zur Erzeugung des Grünlings durchgeführt. Der erzeugte Grünling wird dann der Sinterstation zugeführt. In der Sinterstation wird der entstandene Grünling im Wesentlichen auf zwei Drittel der Schmelztemperatur des verwendeten Polymers erhitzt, so dass eine feste Verbindung der Granulatkörner 4b entsteht und damit das Formteil entsteht. Selbstverständlich können nach dem Pressvorgang und dem Sintervorgang ein weiterer Nachpressvorgang und ein weiterer Nachsintervorgang erfolgen. Darüber hinaus ist es noch möglich, dass das Formteil einem Kalibriervorgang zugeführt wird, nachdem die Sintervorgänge bzw. der Sintervorgang abgeschlossen ist. Selbstverständlich sind auch noch weitere Nachbehandlungsschritte denkbar.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß der 1 bis 3 wird ein Grünling für eine Membran, für eine Ventileinrichtung hergestellt, wobei als Granulat modifiziertes Polytetrafluorethylen verwendet wird. Eine derartige Membran weist Vorteile auf, da eine Anlagerung von Schmutzteilen durch das Material Polytetrafluorethylen im Betrieb der Ventileinrichtung verhindert werden kann und die Membran des Weiteren eine genügende Flexibilität aufweist. Damit können beispielsweise Ventileinrichtungen geschaffen werden, die beispielsweise im Bereich der Medizin, Chemie, Nahrungsmittelindustrie oder der Biotechnologie anwendbar sind.
