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Membran und Verfahren zu deren Herstellung Beschreibung Die Erfindung
betrifft eine elastische Membran, insbesondere Elastomermembran oder Gummimembran
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
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Speziell betrifft die Erfindung eine Gummimembran für Stellglieder
wie beispielsweise Membranventile oder pneumatisch beaufschlagbare Stellglieder
oder pneumatisch beaufschlagbare Antriebe oder Servoglieder. Gemeinsam ist allen
diesen Bauteilen, daß eine elastische Membran in einem Gehäuse, gegebenenfalls sogar
einseitigem Gehäuse, eingespannt ist, wobei eine solche Einspannung bei zweiteiligem
Gehäuse häufig zwischen den beiden Gehäuseteilen erfolgt. Die Membran selbst kann
dabei über die gesamte Fläche geschlossen ausgebildet sein, so daß also die Membran
selbst die gewünschte Wirkung unmittelbar erzeugt, also beispielsweise im Fall eines
Membranventils, bei dem die Membran selbst als Verschlußteil wirkt, oder kann, meist
mittig, Ubertragungsglieder angeschlossen aufweisen
oder Öffnungen
zum Anschließen solcher übertragungsglieder aufweisen, die die Aktion der Membran
auf einen entfernter liegenden Wirkungsbereich übertragen. Solche übertragungsglieder
können beispielsweise durch Verschraubung mit der Membran befestigte Stellstangen
sein, die beispielsweise einen entfernter liegenden Riegel betätigen, können einvulkanisierte
und speziell ausgebildete Verschlußteile für Membranventile sein oder in anderer
prinzipiell beliebiger Weise angekoppelte Teller, Stangen, Platten oder Schienen
sein, die in an sich bekannter Weise mit der Membran verbunden sind, beispielsweise
durch Anvulkanisieren, Ankleben, Verschrauben oder durch eine prinzipiell beliebige
andere Art der Ankopplung und Befestigung.
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Da solche dehnbaren elastischen Membranen meist durchaus beachtlichen
Krafteinwirkungen ausgesetzt sind, sind sie häufig durch flächige Gewebeeinlagen,
meist eine, nicht selten jedoch durch mehrere übereinander geschichtete Gewebeeinlagen,
verstärkt.
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Mit fortschreitender Automation in der Fertigungstechnik werden solche
zum Einbau bestimmte elastische Membranen wie sie Gegenstand der vorliegenden Erfindung
sind, in zunehmendem Maße automatisch maschinell ihrem Einsatzort zugeführt, dort
positioniert und dann durch Zuführen eines Verschlußteils, beispielsweise einer
zweiten Gehäusehälfte, funktionsfertig eingespannt. So wird beispielsweise im Falle
eines aus zwei Gehäuseteilen und der Membran als Verschlußteil bestehenden Membranventilszunächst
eines der beiden Gehäuseteile, beispielsweise das Unterteil, in der Montageposition
vorgelegt, wird dann automatisch, beispielsweise durch einen Greiffer oder über
eine Rinne eine Membran zugeführt und in das Unterteil eingelegt. Anschließend
wird
das Oberteil des Membranventils so aufgesetzt, daß die Membran zwischen beiden Gehäuseteilen
so eingespannt oder peripher verpreßt wird, daß die in beiden Gehäuseteilen gebildeten
Teilräume des Gehäuses hermetisch voneinander abgetrennt sind. Anschließend werden
beide Gehäuseteile fest miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt.
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Automatische Montageprozesse dieser Art sind nach-dem heutigen Stand
der Automationstechnik prinzipiell problemlos ausführbar. Wenn heute dennoch bei
praktisch allen Baugruppen, insbesondere Stellgliedern der genannten Art, die elastische
Membran in Handarbeit montiert wird, so liegt dies daran, daß die Gummimembranzuschnitte
kaum oder nur mit nicht vertretbarem Kostenaufwand so präzis maßhaltig gefertigt
werden können, daß sie bei der automatischen Montage der Stellglieder, die überwiegend
Präzisionsbauteile sind, an die höchste Zuverlässigkeitsanforderungen gestellt werden,
zu einer tragbar geringen Produktionsausschußquote führen. Dies gilt insbesondere
für solche elastischen Membranen, die durch Gewebeeinlagen verstärkt sind.
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Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zu Grunde, eine elastische Membran der eingangs beschriebenen Art, insbesondere
eine Gummimembran, vor allem gewebeverstärkte Gummimembranen, speziell für den automatischen
Einbau in Stellglieder und Antriebsglieder der oben beschriebenen Art, zu schaffen,
die mit wirtschaftlich tragbarem Aufwand mit einer so großen Maßhaltigkeit und mit
verbesserter Automatenhandhabbarkeit ausgestattet sind, daß sie problemlos in automatischen
Montageprozessen im Rahmen der Massenfertigung von Bauteilen oder Aggregaten eingesetzt
werden können.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Membran, die die im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale aufweist.
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Die Erfindung weiter ausgestaltende Merkmale sind Gegenstand der Unteranspüche.
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Der wesentliche Gedanke der Erfindung beruht also darauf, eine im
Rahmen industrieller Fertigungsprozesse bestimmte elastische Membran mit einem formstabilen
oder formsteifen maßhaltigen Rahmen zu versehen, der fest mit der Membran, vor allem
und insbesondere mit deren Rand, verbunden ist, und zwar in der Weise, daß die eigentliche
elastische Membran mit dem Rahmen als fest verbundenes einheitliches Montageteil
handhabbar sind. Dieses Montageteil weist an seiner Außenkontur die für Montagezwecke,
insbesondere für die automatische Montage erforderliche Formbeständigkeit und hohe
Maßhaltigkeit auf, während es im übrigen unverändert die jeweils benötigten Membrankenndaten,
beispielsweise Elastizität, Flexibilität und Dauerhaftigkeit, beibehält. Speziell
für Stellgliedmembranen und Antriebsgliedmembranen aus Gummi führt eine solche Ausgestaltung
der Membran zu einer bislang nicht erreichten Handhabbarkeit bei der Montage.
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Der seiner Funktion nach als Halterahmen und / oder Montage rahmen
und / oder Zentrierrahmen zu bezeichnende Membranrahmen kann prinzipiell auf jedem
beliebigen formbeständigen Werkstoff bestehen, beispielsweise Metall oder Spezialkeramik,
besteht aber vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere Polyamid, Polypropylen oder
ABS.
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Die Befestigung der Membran im Rahmen kann selbstverständlich auch
auf prinzipiell beliebige Weise erfolgen, beispielsweise durch Einknüpfen, Verkleben,
Verschweißen oder
Einklippsen mit und ohne Hilfselementen, und erfolgt
vorzugsweise durch Anvulkanisieren der Elastomermembran am Rahmen.
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Wenn die Membran durch Anvulkanisieren im oder am Rahmen befestigt
werden soll, weist der Rahmen vorzugsweise Ausnehmungen oder insbesondere zumindest
im wesentlichen radiale durchgehende Durchbrechungen auf, die mit der plastifizierten
Elastomermasse,aus der die Membran geformt werden soll, durchsetzt werden und in
denen die Elastomermasse anschließend, sei dies unter Erwärmen, katalytisch oder
bei Raumtemperatur, vernetzt wird. Um trotz des Anvulkanisierens der Membran am
Rahmen dabei unbeabsichtigtes oder unbefugtes Herausgreifen der Membran aus dem
Rahmen zumindest zu erschweren, sind die Rahmendurchbrechungen vorzugsweise durch
Stufungen, Hinterschnitte und / oder Verjüngungen in Richtung von radial außen nach
radial innen so profiliert, daß die die solcher Art ausgestalteten Durchbrechungen
durchsetzenden Membranabschnitte nicht nach radial innen, zumindest nicht ohne weiteres,
aus den Durchbrechungen herausziehbar sind.
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Der große Vorteil der vorstehend beschriebenen speziellen Ausgestaltung
der Erfindung liegt dabei darin, daß auf diese Weise auch gewebeverstärkte Elastomermembranen
in solche Justierrahmen einspannbar sind. Solche mit Justierrahmen versehenen gewebeverstärkten
Gummimembranen werden nach einer besonderes vorteilhaften Ausgestaltung der Er -findung
in der Weise hergestellt, daß in das Formnest eines Formwerkzeugs bei geöffnetem
Formwerkzeug zunächst der die radialen Durchbrechungen aufweisende Rahmen eingelegt
wird, in den dann, insbesondere eingepaßt, die Gewebeverstärkung eingelegt wird.
Anschließend wird das Formwerkzeug verschlossen und die plastifizierte unvernetzte
oder vorvernetzte Elastomermasse in das Formnest eingedrückt.
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Dabei fließt die Elastomermasse den Formhohlraum ausfüllend und die
Gewebeverstärkung einbettend auch in die Durchbrechungen des im Formnest liegenden
Rahmens, w,obei diese Durchbrechungen unter dem üblicherweise und regelmäßig hohen
Einspritzdruck, mit dem die unvernetzte plastifizierte Elastomermasse in das Formnest
eingespritzt wird, vollständig ausgefüllt. Die gewebeverstärkte Membran, die bei
Einbau in einem Gehäuseteil im gewebeverstärkten Randbereich senkrecht zur Hauptfläche
der gewebeverstärkten Membran eingespannt wird, ist auf diese Weise also ohne die
Verstärkung bis in die Durchbrechungen führen zu müssen homogen mit und über ihre
Gummimatrix in den Rahmendurchbrechungen fixiert. Eine solche Fixierung der Membran
im Rahmen-wäre mit bis in die Durchbrechungen hineingeführter Gewebeverstärkung
überhaupt nicht möglich, zumindest nicht mit wirtschaftlich vernünftigem Aufwand.
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Andererseits werden aber an diese Halterungen und Fixie.-rungen der
Membran im Rahmen nur so geringe Festigkeitsanforderungen gestellt, daß in diesen
Halterungsbereichen eine Gewebeverstärkung ohnehin nicht erforderlich ist.
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Die Fixierung der Membran im Rahmen braucht lediglich so fest zu sein,
daß Rahmen und elastischer Teil der Membran bei jeder bestimmungsgemäßen Handhabung
des Bauteils, nämlich der Membran gemäß der Erfindung, als integrales Membranbauteil
erhalten bleiben.
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Die Durchbrechungen sind im Rahmen vorzugsweise mit gleichem Winkelabstand
voneinander angeordnet. Meist werden bereits zwei oder drei Durchbrechungen zur
Fixierung der Membran im Rahmen ausreichen. Vorzugsweise weist der Rahmen vier bis
acht solcher Durchbrechungen, je nach Durchmesser des Rahmens auf, wobei jedoch
selbstverständlich bei Rahmen mit größerem Umfang mehr Durchbrechungen als bei Rahmen
mit kleinem Umfang vorgesehen sein werden.
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In gleicher Weise können selbstverständlich auch ohne Gewebeverstärkung
ausgerüstete Elastomermembranen mit einem Justierrahmen oder Halterahmen gemäß der
Erfindung versehen werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der den elastischen
Teil der Membran ungebende Rahmen vorzugsweise mit einem im Axialschnitt zumindest
im wesentlichen L-förmigen Profil in der Weise ausgebildet, daß der axial stehende
Zargenteil des Profils die Membran radial außen vollständig umschließt, während
der nach Art eines Innenflansches ausgebildate in der Radialebene liegende Schenkel
des L-förmigen Profils die Membran in einem Randbereich untergreift. Diese Ausgestaltung
des Rahmens ist insbesondere für die automatische Montage der Membran vorteilhaft,
da die elastische Membran dadurch in allen drei Raumdimensionen exakt fixierbar
und positionierbar ist. Dabei kann der Flansch des Rahmenprofils gleichzeitig so
ausgebildet sein, daß er beim bestimmungsgemäßen Einbau der Membran in ein Aggregat
oder Bauteil als Widerlager für die in die Membran eingedrückte Dichtkante eines
angreifenden Bauteils, beispielsweise eines aufgesetzten Gehäuseteils, dienen kann.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in
Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung teils im Axialschnitt,
teils perspektivisch, ein erstes Ausführungsbeispiel der Membran; und Fig. 2 in
gleicher schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel der Membran.
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Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Membran dient der
Veranschaulichung des der Erfindung zu Grunde liegenden Gedankens. Eine Membran
1 ist von einem Rahmen 2 , der als Halterahmen, Montagerahmen und / oder Zentrierrahmen
dient, genauer gesagt dienen kann, umschlossen und mit diesem in der Weise fest
verbunden, daß die elastische Membran 1 und der formsteife Rahmen 2 eine integrierte
Einheit, also gleichsam ein einstückiges Bauteil bilden. Der Rahmen 2 weist im gleichen
Winkelabstand voneinander mehrere Durchbrechungen 3 auf, die von Randabschnitten
4 der Membran 1 ausfüllend und formschlüssig durchsetzt sind. In den übrigen Bereichen,
in denen die elastische Membran 1 den aus Polypropylen bestehenden Rahmen 2 berührt,
ist die Membran 1 am Rahmen 2' anvulkanisiert.
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Zur weiteren Verbesserung des mechanischen Zusammenhalts der Membran
1' mit dem Rahmen 2 sind die zumindest im wesentlichen in der Radialebene der Membran
und des Rahmens liegenden Durchbrechungen 3 des Rahmens 2 so profiliert, daß sich
diese Durchbrechungen 3 von radial außen nach radial innen verjüngen, so daß eine
Verankerung des Randabschnitts 4 der Membran 1 im Durchbruch 3 des Rahmens 2 erfolgt,
die einem axialen Herausdrücken der Membran 1 aus dem Rahmen 2 entgegenwirkt.
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Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist
in der Gummimatrix der Membran 1 weiterhin eine Gewebeverstärkung .5 eingelagert.
In der dargestellten Weise liegt die Gewebeverstärkung 5 mehr oder minder paßgenau
im Rahmen 2 , bohne jedoch in die Durchbrechungen 3 hineinzugreifen.
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Das in der Fig. 1 gezeigte Membranbauteil 1,2 wird in der Weise hergestellt,
daß bei geöffnetem Formwerkzeug zunächst
der Rahmen 2 in ein Formnest
eingelegt wird. Sodann wird in den im Formnest liegenden Rahmen 2 die Gewebeverstärkung
5 eingelegt. Anschließend wird das Formwerkzeug verschlossen und in an sich bekannter
und üblicher Weise, beispielsweise durch Formpressen, eine plastifizierte Elastomermasse
in das Formnest eingedrückt.
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Dabei umfließt die unvernetzte plastifizierte Elastomermasse die Gewebeeinlage
5 , bettet diese dabei ein, und strantweiterhin in die kanalartigen Durchbrechungen
3 wobei diese Durchbrechungen auf Grund des hohen Drucks und der bekanntermaßen
ungewöhnlich hohen Fließfähigkeit solcher plastifizierter Elastomermischungen vollständig
mit der Elastomermasse ausgefüllt werden Ein Ausfließen der Elastomermasse nach
radial außen hin wird dabei durch die anliegende Innenwand des Formnests verhindert.
Alternativ kann die Durchbrechung 3 aber selbstverständlich auch als Blindkanal,
also radial außen verschlossen, ausgebildet sein. Eine solche Ausgestaltung ist
jedoch vor allem bei der Herstellung des Rahmens 2 als Spritzgießteil formwerkzeugtechnisch
nur schlecht realisierbar.
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Nach dem beschriebenen Ausfüllen des beschickten Formnests mit der
Elastomermasse wird die Masse zum Elastomer vernetzt, beispielsweise durch Erhitzen
unmittelbar im Formnest.
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Anschließend wird das Formwerkzeug geöffnet und das in Fig. 1 gezeigte
fertige Bauteil entnommen. Dabei ist das auf diese Weise mit hoher Produktivität
herstellbare Bauteil eine mit einem Halterahmen oder Montagerahmen oder Zentrierrahmen
höchster Präzision und Maßhaltigkeit eingefaßte gewebeverstärkte Gummimembran, die
in dieser Ausgestaltung insbesondere für die Herstellung von Stellgliedern, beispielsweise
Membranventilen, speziell für deren vollautomatische Fertigung, eingesetzt werden
kann.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel der Membran ist in der
Fig.
2 dargestellt. Der Rahmen 2 ist als Ring mit einem L-förmigen Profil ausgebildet,
wobei der axial stehendes nach Art einer Zarge 6 ausgebildete eine Schenkel des
L-förmigen Profils die Elastomermembran 1 radial außen vollständig umschließt und
der andere Schenkel des L-förmigen Profils als zumindest im wesentlichen in der
Radialebene liegender und nach radial innen vorspringender Flansch 7 ausgebildet
ist, der die Membran 1 in einem Randbereich untergreift. Die Radialdurchbrüche 3
des Rahmens 2 sind mit Stufungen 8 versehen, um ein Herausziehen der die Durchbrechungen
3 ausfüllend und formschlüssig durchsetzenden Randabschnitte 4 der Elastomermembran
1 aus dem Durchbruch 3 zu verhindern oder zumindest zu erschweren.
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Die Ausgestaltung der Membran nach dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
weist vor allem den Vorteil auf, daß die Membran auch in axialer Richtung mit außerordentlich
guter Maßhaltigkeit positionierbar oder justierbar wird, und zwar wesentlich exakter
als dies bei der einfachen Ausgestaltung gemäß Fig. 1 möglich ist. Dabei kann bei
dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der innere Flansch 7 des Rahmens 2 gleichzeitig
als Widerlager für eine, bezogen auf die Darstellung der Fig. 2, von oben nach senkrecht
unten im Randbereich der Elastomermembran 1 eingepreßte Dichtkante dienen. Dabei
kann selbstverständlich auch bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel in
der in Fig. 1 gezeigten Weise die Elastomermembran 1 mit einer oder mehreren Lagen
flächiger Gewebeverstärkung versehen sein, wobei dann die Gewebeverstärkung bis
an den Innenrand der Zarge 6 heranreicht, ohne jedoch in die Radialdurchbrüche 3
hineinzugreifen.