AT503442B1 - Verfahren zur herstellung eines bauteils mit einem mikroloch und nach diesem verfahren hergestelltes bauteil - Google Patents

Description

2 AT 503 442 B1

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Mikroloch mit kleinem Durchmesser und großem Aspektverhältnis gemäß Anspruch 1, sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Bauteil.

Derartige Bauteile mit kleinen Löchern und relativ großer Länge spielen in verschiedenen Anwendungen, wie beispielsweise Hydraulikbauteilen und Medizintechnikartikel zur Erzielung eines definierten Druckverlustes eine große Rolle. Anwendung finden derartige Bauteile auch zum Homogenisieren bzw. Mischen von Fluiden. Geeignete Fluide können Gase, Flüssigkeiten, aber auch Pasten sein.

Der allgemeine Trend zur Miniaturisierung in vielen Anwendungen ebenso Bauteile mit kleinen Löchern großer Länge erfordert.

Das bekannteste Verfahren zur Herstellung von Löchern, das mechanische Bohren ist, welches aber bei Durchmessern unter 1 mm und gleichzeitigen Bohrlängen über 15D an seine technischen Grenzen stößt.

Weitere bekannte Verfahren zur Herstellung speziell kleiner Löcher beispielsweise mechanisch mit Nadeln, oder elektrochemisch mittels ätzen sind. In letzter Zeit verstärkt auch Lasertechnologien mit verschiedenen Strahlquellen zur Herstellung von Mikrolöchern eingesetzt werden.

Die oben genannten, bekannten Techniken für Löcher kleiner 1 mm, haben den Nachteil, dass ein maximales Aspektverhältnis (Bohrdurchmesser zu Länge) von maximal ca. 15D erzielbar ist. Weiters ist die Anwendung dieser Verfahren in der Großserienproduktion oft aufwändig und unwirtschaftlich.

Neben dem nachträglichen Einbringen der Löcher in Bauteile, wie oben beschrieben, ist es natürlich auch möglich, diese bereits in formgebenden Herstellprozessen, wie beispielsweise dem Spritzgießen zu fertigen.

Die Fertigung von Bauteilen mit derartigen Langlöchern im Spritzgießprozess aber werkzeugtechnisch mit herkömmlichen Spritzgießwerkzeugen ähnlich wie mechanische Bohrverfahren einen Mindestdurchmesser von ca. 1 mm Lochdurchmesser technisch bedingen.

Ein Ansatz zur Fertigung von kleineren Löchern im Spritzgießverfahren, beispielsweise bei Pipettenspitzen in der DE10239109A1 offenbart wird.

Einerseits sind die bekannten Techniken nur zur Herstellung von Löchern über 1 mm gut geeignet. Andererseits es geeignete Technologien für kleinere Durchmesser gibt, jedoch das Aspektverhältnis auf ca. 15D beschränkt ist, was für viele Anwendungen nicht ausreicht.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren ist, dass die Querschnittsgeometrie des Lochs nur bedingt wählbar ist, bzw. eine Geometrieänderung über die Bauteillänge nicht oder sehr aufwändig realisierbar ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der beschriebenen Verfahren zu eliminieren und ein Verfahren zu finden, mit dem es möglich ist, ein oder mehrere Löcher, deren Querschnittsgeometrie frei gestaltbar ist in Bauteilen einfach und wirtschaftlich zu realisieren.

Durch die Erfindung ist es möglich selbst bei sehr kleinen Durchmessern Aspektverhältnisse von größer 15D bis zu beliebig großen Verhältnissen zu realisieren.

Weiters ist eine wirtschaftliche Fertigung, speziell auch von Großserien durch den Einsatz von Standardverarbeitungstechnologien (Spritzgießen, Extrusion, Pressen oder Sintern) gewährleistet. 3 AT 503 442 B1

Somit ist es durch die Erfindung möglich relativ kostengünstig ein oder mehrere sehr kleine Löcher mit entsprechender Länge und beliebiger Geometrie in Bauteilen zu fertigen, was Zielsetzung ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, welches die technischen Merkmale von Anspruch 1 aufweist. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind Gegenstand der weiteren abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 einen Innenteil (20) mit einer Kanalgeometrie (21) in der äußeren Mantelfläche (22)

Fig. 2 einen Außenteil (30) mit einer Kanalgeometrie (31) in der inneren Mantelfläche (32)

Fig. 3 einen durch Fügen von Innenteil (20) und Außenteil (30) hergestellten Bauteil (10), welcher zumindest ein Loch (11) aufweist, welches sich durch zumindest einen Kanal (21), (31) ergibt. Die Fügefläche (12) sich jeweils auf die äußere Mantelfläche (22) des Innenteils (20), sowie die innere Mantelfläche (32) des Außenteils (30) bezieht.

Fig. 4 zeigt einen Bauteil (10) welcher mehrere Löcher (11) aufweist, welche nur durch Kanäle (21) am Innenteil (20) erzeugt werden und einen rechteckigen Fügequerschnitt (12) aufweist.

Sowohl der in der Fig. 1 gezeigte Innenteil 20 mit keiner, einer oder mehreren Kanalgeometrien 21, als auch der in der Fig. 2 dargestellte Außenteil 30 mit keiner, einer oder mehreren Kanalgeometrien 31 werden durch bekannte Herstellungsverfahren hergestellt.

Ein Verfahren welches sich besonders dann eignet, wenn zusätzliche Funktionselemente, wie beispielsweise Gewinde an zumindest einem der beiden Teile angebracht werden, ist das Spritzgießen.

Zusätzliche Funktionselemente an einem oder beiden Teilen 20, 30 neben einem Gewinde, beispielsweise auch Schnappverbindungselemente, ein Flansch, und dergleichen darstellen können. Diese Funktionselemente dienen beispielsweise zum einfacheren Einbau bzw. zur Befestigung des Bauteils 10 in einem Schlauch- oder Rohrsystem.

Neben dem Spritzgießen eignet sich auch das Extrudieren, Pressen und Sintern, sowie andere Fertigungsverfahren zur Herstellung dieser Teile.

Sowohl beim Spritzgießen, wie auch bei den anderen angeführten Verfahren eine Materialkombination mehrerer Werkstoffe möglich ist.

Es ist natürlich genauso möglich die Teile 20 und 30 aus Halbzeugen herzustellen und/oder die mit einem oben angeführten Verfahren hergestellten Teile zusätzlich nachzubearbeiten, insbesondere die Kanalgeometrie 21, 31 nachträglich mittels verschiedenster Bearbeitungsverfahren einzubringen.

Als mögliche mechanische Bearbeitungsverfahren eignen sich beispielsweise Drehen, Fräsen, Schleifen, Räumen, und Hobeln.

Weitere Verfahren sind Erodieren, elektrochemisches Ätzen, photochemischer Abtrag oder Bearbeitung mittels verschiedenster am Markt befindlicher Laserquellen.

Zur Herstellung der Teile ist selbstverständlich auch jede Kombination der unterschiedlichen Fertigungsverfahren möglich und gebräuchlich.

Die Fertigung der Werkzeuge zur Teileherstellung, insbesondere von Spritzgießwerkzeugen erfolgt ebenso nach den bekannten, oben bereits genannten Technologien. 4 AT 503 442 B1

Als Materialien für die Teile 20 und 30, kommen alle verfügbaren Materialien in Frage.

Es können sowohl der Innenteil 20, wie auch der Außenteil 30 aus Kunststoff bestehen, wobei neben den Thermoplasten, wie beispielsweise PP, ABS, PC, POM, etc. auch Duromere und Elastomere zum Einsatz kommen.

Sowohl der Außenteil 30, als auch der Innenteil 20 können aber auch aus Stahl, Metall- und Leichtmetalllegierungen, oder Keramiken bestehen.

Werden die Teile mittels PIM (powder-injection-moulding) gefertigt, kommen vorzugsweise Keramik- oder Metallrohstoffe zum Einsatz.

Es können selbstverständlich auch unterschiedliche Materialien für den Innenteil 20 und den Außenteil 30 verwendet werden.

Eine Materialkombination im Innenteil 20 oder Außenteil 30 selbst ist ebenso möglich. Insbesondere der Außenteil 30 kann aus einer Kombination von mehreren Materialien bestehen.

Die Kanalgeometrie der Kanäle 21 und 31 kann verschiedenste Formen aufweisen, um je nach gewünschter Anwendung wiederum verschiedene Löcher 11 im Bauteil zu erzeugen.

Der Kanalquerschnitt kann halbkreisförmig, oval, dreieckig, rechteckig oder jede andere geometrische Form aufweisen.

Der Querschnitt kann über die gesamte Länge des Teils gleich bleibend oder sich verändernd ausgebildet sein. Neben beliebigen Querschnittsänderungen in der Größe, ist ein Querschnittsverlauf unterschiedlicher geometrischer Formen ebenso einfach realisierbar. So kann beispielsweise ein Verlauf von halbrund auf dreieckig realisiert werden.

Neben verlaufenden Geometrien können auch abgestufte Kanalgeometrien verwirklicht werden.

Der Kanal 21, 31 kann über die gesamte Bauteillänge, oder nur über einen Bruchteil der Länge der Mantelfläche 22, 32 ausgebildet sein.

Somit ist der Kanalverlauf in der Querschnittsfläche und der -geometrie leicht an die gewünschte Anwendung anzupassen.

Es ist neben eines entlang der Bauteillängsachse geradlinigen Verlaufs auch möglich beispielsweise einen gewendelten oder mäanderförmigen Kanal 21, 31 oder jede beliebige, poly-gone Kurve sehr einfach zu realisieren.

Bei einem gewendelten Kanal 21, 31 sich beispielsweise ein Loch 11 mit einem Drall ergibt.

Eine Mäanderform sich besonders für hohe Druckreduktionen bei geringer Bauteillänge, wie auch für Misch- und Dosieraufgaben eignet.

In Fig. 3 ist ein Bauteil 10 gezeigt, welches zumindest ein Loch 11 aufweist, welches vorher als Kanal 21 auf dem Innenteil 20 oder/und als Kanal 31 auf dem Außenteil 30 Vorgelegen ist und durch Fügen der Mantelflächen 22, 32 der beiden Teile 20 und 30 entstanden ist.

Durch das erfindungsgemäße Verbinden des Innenteils 20 mit dem Außenteil 30 entstehen im Bauteil 10 Löcher 11, welche betreffend Geometrie (Länge, Durchmesser, Querschnitt) nahezu beliebig gestaltbar sind.

Das Verbinden der beiden Teile kann kraftschlüssig, form- oder stoffschlüssig durch verschie- 5 AT 503 442 B1 dene Verbindungstechniken erfolgen.

Eine Möglichkeit ist die Teile durch Kraftschluss, welcher durch unterschiedliche Schwindung erzeugt wird zu fügen. Die unterschiedliche Schwindung kann durch unterschiedliche Temperaturen von Innen- 20 und Außenteil 30 realisiert werden, sodass der Außenteil 30 auf den Innenteil 20 aufschwindet.

Eine andere Möglichkeit ist, bewusst Werkstoffe mit unterschiedlichem Schwindungsverhalten zu wählen und das Material des Außenteils 30 so zu wählen, dass es einen höheren Schwindungswert hat und nach dem Fügen auf den Innenteil 20 aufschwindet.

Unterschiedliches Schwindungsverhalten bei Sintermaterialien und Materialien für PIM auch durch unterschiedliche Bindergehalte und Sintergrade eingestellt werden kann.

Zur Bauteilherstellung können auch formschlüssige Verbindungen, wie beispielsweise Schnappelemente verwendet werden.

Die Teile 20 und 30 können auch eine unterschiedliche Länge aufweisen. Dabei ist es auch möglich, dass ein Teil 20, 30 sich über einen Absatz am anderen Teil 20, 30 abstützt.

Die Teile 20, 30 können ganz oder nur partiell miteinander gefügt werden, wodurch sich die Länge des Lochs 11 einfach einstellen lässt.

Die Teile 20 und 30 können entweder zylindrisch, kegelförmig oder bauchig ausgebildet sein, wobei bei kegelförmiger oder bauchiger Ausgestaltung eine formschlüssige Verbindung leicht durch Druckunterstützung des Fluids realisiert werden kann.

Die Verbindung kann auch mittels Verschrauben von Innen- 20 und Außenteil 30 stattfinden. Beim Verschrauben ist es notwendig an den Fügeflächen 22, 32 jeweils ein Gewinde ausgebildet zu haben. Dieses ist selbstverständlich bei den Kanälen 21,31 unterbrochen.

Es ist jede stoffschlüssige Verbindung, wie teilweises oder vollflächiges Verkleben, Verschweißen, Versintern usw. der Teile 20, 30 ebenso Inhalt der Erfindung.

Zum einfacheren Fügen der Teile 20 und 30 ist eine Fase an mindestem einem der beiden Teile am Ende der Mantelfläche 22, 32 vorteilhaft vorgesehen.

Das Fügen der Teile kann voll- oder teilautomatisiert, bzw. manuell erfolgen.

Die Verbindung beider Teile kann bei einer Fertigung mittels Spritzgießens auch direkt im Spritzgießwerkzeug erfolgen. Speziell Drehtisch-, Index- oder Würfelwerkzeuge eignen sich dafür, eine freie Werkzeugposition für das Fügen von Innen- 20 und Außenteil 30 zu verwenden.

Beispielsweise wird zuerst der Innenteil 20 gespritzt und während der Abkühlung der Außenteil 30 gespritzt. Während der Außenteil 30 erstarrt, kann der Innenteil 20 noch weiter abkühlen, sodass beim Fügen beider Teile der Außenteil 30 noch auf einer höheren Temperatur ist und somit stärker nachschwindet. Dadurch ergibt sich, dass der Außenteil 30 auf den Innenteil 20 aufschrumpft und einen Kraftschluss erzeugt, wodurch in einfacherWeise ein Bauteil 10 hergestellt wird. Für ein manuelles, oder zur Teileherstellung zeitversetztes Fügen mittels aufschrumpfen, ist es notwendig den Außenteil 30 zu erwärmen und/oder den Innenteil 20 zu kühlen.

Sind Innen- 20 und/oder Außenteil 30 mittels PIM gefertigt, ist es möglich den sogenannten 6 AT 503 442 B1

Grünling zu fügen oder erst nach dem Entbindern den Bräunling zu fügen und während des Sinterns zum Fertigteil die kraftschlüssige Verbindung zu realisieren.

Die Fügefläche 12 ergibt sich aus der inneren Mantelfläche 32 des Außenteils 30 und der äußeren Mantelfläche 22 des Innenteils 20, ohne der jeweiligen Kanäle 21, 31. Bei der Konstruktion und Fertigung der Teile sind die Mantelflächen 22 und 32 entsprechend abzustimmen, dass eine passende Fügefläche 12 entsteht.

Die Fügefläche 12 kann als Querschnitt verschiedene geometrische Formen aufweisen. Der Fügequerschnitt 12 kann kreisförmig, oval, elliptisch, dreieckig, rechteckig oder jede andere beliebige Geometrie darstellen.

Haben die Mantelflächen 22 und 32 keinen kreisrunden Querschnitt (ausgenommen der Kanalgeometrie 21, 31), ist eine Positionierung der einzelnen Kanäle 21, 31 zueinander einfach realisierbar.

Zur einfachen Positionierung verschiedener Lochpositionen kann ein ovaler, dreieckiger, rechteckiger oder mehreckiger Fügequerschnitt 12 gewählt werden, sodass eine einfache Positionierung der Kanäle 21, 31 zueinander gegeben ist.

Eine exakte Positionierung ist auch dann von Vorteil, wenn ein oder mehrere exakt runde Löcher 11 im Bauteil 10 ausgebildet sind. Hier müssen die beiden halbrunden Kanäle 21 und 31 exakt zusammenpassen.

Die Geometrie der Löcher 11 im Bauteil 10 kann fix, stufenlos einstellbar oder über verschiedene Rastpositionen verstellbar ausgeführt sein.

Die Einstellung der Lochgeometrie 11 durch unterschiedliche Positionierung von Innen- 20 und Außenteil 30 kann in Radial- und/oder in Axialrichtung erfolgen.

Bei einer stufenlosen Einstellmöglichkeit in Radialrichtung ist ein runder Fügequerschnitt 12 erforderlich.

Falls verschiedene Einstellmöglichkeiten der Löcher vorgegeben sein sollen, ist es möglich mit einem runden Querschnitt der Fügefläche zu arbeiten und einzelne Rastpositionen im Innenteil 20 und/oder Außenteil 30 entweder an der Mantelfläche 22, 32 oder im Bodenbereich vorzusehen.

Bei einer radialen Einsteilbarkeit der Lochgeometrie und damit des Druckverlustes befinden sich Kanäle 21,31 sowohl am Innenteil 20, wie auch am Außenteil 30.

Bildet jeder Kanal 21, 31 ein eigenes Loch 11 ist der Druckverlust für Fluide höher, wie durch entsprechende Positionierung zueinander. Bilden beide Kanäle 21 und 31 ein gemeinsames Loch 11, so wie in Fig. 3 gezeigt, ist der Druckabfall des Bauteils am geringsten. Durch unterschiedliche Anordnung der Kanäle 21, 31 ist es möglich verschiedenste Druckverluste an einem Bauteil 10 zu realisieren.

Die Verstellung kann aber auch in Axialrichtung erfolgen, sodass die Lochlänge variiert wird und dadurch sich ein unterschiedlicher Druckabfall erzielt wird.

Es müssen die Kanäle 21 und 31 auch nicht über die gesamte Mantelfläche 22, 32 angeordnet sein. Somit kann das Bauteil 10 so ausgeführt sein, dass in einer Position es vollständig geschlossen ist und erst eine entsprechende Positionierung der Kanäle 21, 31 zueinander ein Loch 11 freigibt.

Claims (21)

1. 7 AT 503 442 B1 Es können auch mehrere Innenteile 20 in Serie geschalten werden und in einen Außenteil 30 eingebaut werden. Selbstverständlich können für unterschiedliche Druckverluste auch mehrere relativ einfache Innenteile 20 mit unterschiedlichen Kanalgeometrien 21 gefertigt werden und je nach benötigtem Druckabfall mit dem Außenteil 30 verbunden werden. Bei diesen Ausführungsbeispielen ist es möglich ein modulares Baukastensystem zu erstellen, welches Bauteile 10 je nach Fluid und benötigter Druckreduktion einfach und schnell herzustellen erlaubt. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen (10), die von einem oder mehreren Kanälen durchzogen sind, wobei die Kanäle Durchmesser von weniger als 1 mm aufweisen, gekennzeichnet durch folgende Schritte: • Herstellen eines Innenteils (20), wobei auf dem Innenteil ein oder mehrere Kanäle (21) vorgesehen sein können, • Herstellen eines hohlen Außenteils (30), dessen Innendurchmesser in etwa dem Außendurchmesser des Innenteils (20) entspricht, wobei im Inneren des Außenteils (30) ein oder mehrere Kanäle (31) vorgesehen sein können, • Einfügen des Innenteils (20) in den Außenteil (30), wobei bei Vorhandensein von Kanälen (21, 31) am Innenteil (20) und im Außenteil (30), die Kanäle fluchtend ausgebildet werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenteil (20) und/oder der Außenteil (30) mittels Spritzgießen aus Kunststoff gefertigt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenteil (20) und/oder der Außenteil (30) mittels PIM aus Keramik- oder Metallpulver gefertigt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenteil (20) und/oder der Außenteil (30) mittels Pressen, Sintern oder einer Halbzeugbearbeitung gefertigt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Innenteil (20) und/oder Außenteil (30) zusätzliche Funktionselemente, wie ein Gewinde, Schnappelemente, ein Flansch oder dergleichen angebracht sind.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Kanäle (21, 31) eine beliebige geometrische Form, beispielsweise halbkreisförmig, oval, elliptisch, dreieckig, rechteckig oder mehreckig aufweist.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Kanäle (21, 31) über die Bauteillänge konstant bleibt.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Kanäle (21, 31) sich über die Kanallänge verlaufend oder stufenförmig in seiner Querschnittsgeometrie ändert.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Kanäle (21, 31) an der Mantelfläche (22, 32) geradlinig, gewendelt, mäanderförmig oder einer polygonen Kurve verlaufend erfolgt.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 8 AT 503 442 B1 eine Mantelfläche (22, 32) zumindest eine Fase aufweist.
11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von Innen- (20) und Außenteil (30) kraftschlüssig durch unterschiedliche Schwindung der beiden Teile erfolgt.
12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von Innen- (20) und Außenteil (30) formschlüssig durch Schnappelemente oder gegenseitige geometrische Abstützung der beiden Teile erfolgt.
13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von Innen- (20) und Außenteil (30) stoffschlüssig durch Verkleben, Verschweißen oder Versintern der beiden Teile erfolgt.
14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von Innen- (20) und Außenteil (30) vollautomatisch während der Fertigung der beiden Teile erfolgt.
15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die vollautomatische Verbindung von Innen- (20) und Außenteil (30) in einem Spritzgießwerkzeug erfolgt.
16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenteil (20) und der Außenteil (30) zueinander radial und/oder axial verstellbar ausgeführt sind und somit der Druckverlust eingestellt werden kann.
17. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlust durch Zusammenbau von einem oder mehreren Innenteilen (20) und Außenteilen (30) mit verschiedenen Kanalstrukturen (21, 31) eingestellt wird.
18. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlust durch Zusammenbau von einem oder mehreren Innenteilen (20) mit unterschiedlicher Länge und einem Außenteil (30) eingestellt wird.
19. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der hergestellte Bauteil ein oder mehrere Löcher (11) mit beliebiger Querschnittsgeometrie aufweist.
20. 20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der hergestellte Bauteil ein oder mehrere Löcher (11) mit einem hydraulischen Durchmesser kleiner 1 mm aufweist.
21. 21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der hergestellte Bauteil ein oder mehrere Löcher (11) mit einem Aspektverhältnis größer 15D aufweist. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen