DE102005023791A1

DE102005023791A1 - Fluidische Steuereinrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102005023791A1
Application number: DE102005023791A
Authority: DE
Inventors: Günter Baldauf; Andreas TSCHÜRTZ; Theo Paulus
Original assignee: Norgren GmbH
Current assignee: Norgren GmbH
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2006-11-23
Also published as: CN101175923A; EP1882103A1; US20090211238A1; JP2008545922A; MX2007014200A; WO2006122520A1

Abstract

Bei einer fluidischen Steuereinrichtung mit wenigstens einem, wenigstens einen fluidischen Aktuator, wie Kolben, Membrane, Schieber, Kombinationen aus diesen oder dergleichen, aufweisenden Grundkörper und mit wenigstens einem Deckelelement, wobei in dem Grundkörper und/oder in dem Deckelelement Steuer-/Versorgungskanäle angeordnet sind, die mit in dem Grundkörper angeordneten Fluidkanälen fluidisch verbunden sind, sind die Steuer-/Versorgungskanäle durch mittels Laserschweißen hergestellte Schweißnähte zwischen dem Grundkörper und dem wenigstens einen Deckelelement begrenzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine fluidische Steuereinrichtung sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und 3.

Eine Steuereinrichtung für eine Kolben-Zylinder-Einheit geht beispielsweise aus der EP 0 316 500 A1 hervor. Zur Steuerung wird hier eine mit dem Zylinder mechanisch verbundene Zwischenplatte verwendet, welche Durchtrittsöffnungen aufweist, die von einer ihrer Flächen zu der anderen gehen, um die Austrittsöffnung des Ventils mit den Räumen des Zylinders in Verbindung zu setzen. Durch eine derartige Zwischenplatte sind unterschiedliche Schaltmöglichkeiten realisierbar.

Eine Druckmittelverbindung zwischen einem Ventilblock und einem zumindest einen doppelt wirkenden Druckmittelmotor aufweisenden Verbraucher ist ferner aus der DE 29 33 704 A1 bekannt. Auch hier wird eine Dichtplatte verwendet, die Durchbrechungen aufweist, welche als in der Plattenebene verlaufende Steuerkanäle wirken, die in unterschiedlichen Arbeitsstellungen un terschiedliche Anschlußöffnungen eines Ventilblockgehäuses und eines Verbrauchergehäuses verbinden.

Fluidische Steuereinrichtungen, beispielsweise realisiert durch pneumatische oder pneumatisch betätigte Ventile umfassen unterschiedliche pneumatische Einheiten. Sehr oft ist einer sogenannten Hauptstufe oder einem Hauptventil eine Vorstufe oder ein sogenanntes Pilotventil vorgeschaltet. Pneumatische Druck- oder Steuersignale werden auf die Hauptstufe gegeben, welche daraufhin ihre Lage-/Schaltstellung ändert. Das Pilotventil oder die Vorsteuerung ist hierzu mit der Hauptstufe über sogenannte Steuer- oder Signalleitungen/-kanäle verbunden. Die Versorgung des Vorsteuerkreises wie auch der Hauptstufe erfolgt über fluidische, insbesondere pneumatische Leitungen oder Volumina. Sowohl die Steuerkanäle, als auch die Versorgungsleitungen, nachfolgend kurz Fluidkanäle genannt, werden durch Bohrungen oder Nuten im Deckelelement und/oder im Grundkörper realisiert, welche mittels Dichtelementen, wie z.B. Gitterdichtungen, abgedichtet werden. Aufgrund der vorgefertigten Gitterdichtungen ist nur eine beschränkte Variation der Verläufe der Steuerkanäle realisierbar. Darüber hinaus ist die erforderliche hohe Anzahl an Dichtungen nicht nur störanfällig, sondern erfordert auch einen hohen Montage-/Herstellungs- bzw. Handhabungsaufwand und damit auch entsprechend hohe Kosten. Bei mehrfachen Ventilanordnungen, z.B. sogenannten Ventilinseln, ist aufgrund der großen Anzahl der Schnittstellen eine große Anzahl von Dichtungen erforderlich, woraus besonders hohe Kosten resultieren. Darüber hinaus muß zum Erzielen einer Flächenpressung, welche erforderlich ist, um eine Vorspannung der Dichtelemente zu bewirken, eine Vielzahl von Schrauben und Gewinden vorgesehen sein, die einen erheblichen Montageaufwand erfordern. Die Vorspannung ist erforderlich, da Gitterdichtungen oder auch einfache O-Ringe sehr große Vorspannkräfte erfordern, um eine Druckdichtheit zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine fluidische Steuereinrichtung, beispielsweise ein pneumatisches oder pneumatisch betätigtes Ventil und ein Verfahren zu ihrer/seiner Herstellung derart weiterzubilden, daß die vorstehend genannten Probleme beseitigt werden und unterschiedlichste Steuerkanalverläufe mit geringem Montageaufwand und folglich geringen Kosten realisierbar sind. Dabei soll insbesondere auch eine optimale Abdichtung der Steuerkanäle realisiert werden.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch eine fluidische Steuereinrichtung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 3 realisiert.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der auf diese Ansprüche rückbezogenen abhängigen Ansprüche.

Grundidee der Erfindung ist es, die Steuerkanäle durch mittels Laserschweißen hergestellte Schweißnähte zu begrenzen und abzudichten. Durch die Schweißnaht wird nämlich ohne das Erfordernis von Gitterdichtungen eine optimale hermetische Abdichtung der Steuerkanäle realisiert. Darüber hinaus lassen sich durch Laserschweißen auch die unterschiedlichsten Steuer- bzw. Versorgungskanäle realisieren. Hierdurch können auch Schaltvolumina, welche die Abstimmung unterschiedlicher Schaltzeiten ergeben, leicht und einfach verändert oder variiert werden. Von besonderem Vorteil ist ferner, daß durch die Anordnung der Schweißnähte kein zusätzlicher spanender Aufwand zu bewältigen ist. Ein entscheidender Vorteil ist auch, daß der Fertigungsprozeß automatisierbar ist.

Vorteilhafterweise dienen die Schweißnähte nicht nur der Abdichtung der Steuer-/Versorgungskanäle, sondern auch der Befestigung des Deckelelements auf dem Grundkörper. Durch die Befestigung des Deckenelements auf dem Grundkörper mittels der Schweißnähte können zusätzliche Befestigungselemente, beispielsweise in Form von Schrauben oder Spannelementen oder dergleichen entfallen, durch die bei an sich bekannten Steuerein richtungen die Vorspannung für die bei diesen erforderlichen Gitterdichtungen, O-Ringe und dergleichen realisiert wird. Hierdurch reduziert sich auch der Montageaufwand erheblich. Auch die Langzeitwirkung der Dichtungen ist gegenüber Gitterdichtungen, O-Ringen und dergleichen wesentlich verbessert, da Schweißnähte über sehr lange Zeiträume praktisch nicht verschleißen und so eine hermetische Abdichtung ermöglichen.

Bevorzugt besteht das Deckelelement aus einem Kunststoff, der eine Transmission des Laserstrahls erlaubt.

Der Laserstrahl wird vorteilhafterweise dabei so fokussiert, daß sein Fokus im Bereich der Kanalränder liegt. Zur Erzeugung der Schweißnaht wird der Laserstrahl längs der Kanalränder – vorzugsweise automatisiert – verfahren.

Um eine unterschiedliche „Programmierung" der Steuer-/Versorgungsleitung zu erzielen, kann vorgesehen sein, daß die Steuer-/Versorgungskanäle bzw. die Fluidkanäle gezielt entfernbare Fluidsperren aufweisen. Die gezielte Entfernung kann dabei durch Wegbrechen an Sollbruchstellen, durch Durchstoßen, Aufbohren, Wegschmelzen, Wechseleinsätze im Kunststoffwerkzeug, das der Herstellung des Grundkörpers/Deckelelements dient, und dergleichen erfolgen. Im Falle des Wegschmelzens wird hierbei vorzugsweise der Laserstrahl eingesetzt, mit dem auch die Schweißnähte zur Abdichtung der Steuer-/Versorgungskanäle realisiert werden.

Zeichnung

Weitere Vorteile und Merkmale sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.

In der Zeichnung zeigen:

1a, b eine Draufsicht und eine geschnittene Seitenansicht einer von der Erfindung Gebrauch machenden fluidischen Steuereinrichtung;

2 eine Draufsicht eines Grundkörpers der in 1 dargestellten fluidischen Steuereinrichtung;

3a ein Ausführungsbeispiel eines Deckelelements einer von der Erfindung Gebrauch machenden fluidischen Steuereinrichtung;

3b ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Deckelelements einer von der Erfindung Gebrauch machenden fluidischen Steuereinrichtung;

4 eine entlang IV-IV geschnittene Ansicht des in 2 dargestellten Grundkörpers und

5 eine entlang der Linie V-V geschnittene Ansicht des in 2 dargestellten Grundkörpers.

Eine fluidische Steuereinrichtung in Form eines pneumatischen Ventils, dargestellt in 1a, b, weist einen Grundkörper 100 auf, auf dem ein Deckelelement 200 befestigt ist. In dem Deckelelement 200 oder in dem Grundkörper 100 sind Steuer-/Versorgungskanäle 210, 212 vorgesehen, die mit Steuer-/Versorgungskanälen 110, 112 verbunden sind. In dem Grundkörper ist beispielsweise ein Zylinderraum 120 angeordnet, in dem ein Kolben oder Schieber 130 oder eine Membrane oder eine Kombination aus diesen beweglich geführt ist.
Der fluidischen Steuereinrichtung kann ein sogenanntes Pilotventil oder eine Vorsteuerung 300 vorgeschaltet sein, die über Fluidkanäle 114, 115, 116 mit den Steuer-/Versorgungskanälen 210, 212 wahlweise verbunden werden kann. Dies kann, wie in 1b dargestellt, beispielsweise durch Aufbohren, Aufbrechen oder Durchstoßen von Fluidsperren in Form von Barrieren, die zwischen dem Kanal 114 und den Kanälen 115, 116 angeordnet sind, geschehen. Es ist hervorzuheben, daß die Steuerkanäle 210, 212 nicht nur in dem Deckelelement 200 angeordnet sein können, sondern auch in der dem Deckelelement 200 zugewandten Oberfläche des Grundkörpers 100 oder auch teilweise in der Oberfläche des Grundkörpers 100 und in dem Deckelelement 200. Die Steuerkanäle 210, 212 werden durch Schweißnähte 700 begrenzt, die im Bereich der Kanalränder angeordnet sind.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Grundkörpers 400 aus Kunststoff mit Bohrungen 405, 410, 415 und 420 für die Druckversorgung ist in 2 dargestellt. Die Bohrungen 410, 420 münden in einen Zylinderraum 430 (4), wohingegen die Bohrungen 405, 415 – wie oben bereits erläutert – durch Wegbrechen oder Aufbohren von Fluidsperren in Form von Barrieren 407, 409 in einen Steuerkanal 414 münden. Wie aus 2 ersichtlich, weist der Grundkörper 400 Stege 450 auf, welche die herzustellenden Steuerkanäle begrenzen. Auf den Grundkörper 400 wird ein in 3a dargestelltes Dekkelelement 500 oder ein in 3b dargestelltes Deckelelement 600 derart aufgelegt, daß das in 3a und 3b dargestellte Deckelelement 500, 600 gedreht um 180° auf dem Grundkörper 400 zum Liegen kommt.
Die Deckelelemente 500, 600 sind aus einem für den Laserstrahl durchlässigen Kunststoff gefertigt, so daß ein Laserstrahl, wie er zum Laserschweißen verwendet wird, durch das Deckelelement 500, 600 zu den Stegen 450 hindurchgelangt. Dieser Laserstrahl wird im Bereich der Stege 450 fokussiert und schmilzt die Stege 450 auf. Die Erwärmung kann dabei zum einen durch die Fokussierung erfolgen, zum anderen durch die Absorption an dem Grundkörper 400. Der Grundkörper 400 ist nämlich in diesem Fall für den Laserstrahl undurchlässig, so daß durch das Auftreffen des Laserstrahls und der entsprechenden Reflexion der Steg aufgeschmolzen wird. Durch den gleichzeitig auf das Deckelelement 500, 600 aufgebrachten Druck wird die Wärme auf das Deckelelement 500, 600 übertragen und führt dort zu einer partiellen Erwärmung. Durch diese Erwärmung und den Anpreßdruck verbinden sich der Grundkörper 400 und das Deckelelement 500, 600. Die hierbei entstehende Schweißnaht dichtet die in den Deckelelementen 500, 600 angeordneten Kanäle 510, 520 bzw. 610, 620, 630 ab und befestigt gleichzeitig das Deckelelement 500, 600 auf dem Grundkörper 400. Statt eines für den Laserstrahl durchlässigen Deckelelements 500, 600 und eines undurchlässigen Grundkörpers 400 kann auch umgekehrt ein für den Laserstrahl durchlässiger Grundkörper 400 und in diesem Falle ein für den Laserstrahl undurchlässiges Deckelelement 500, 600 vorgesehen sein.
Um unterschiedliche Steuerkanalverläufe zu realisieren, kann -wie in 2 und 3b dargestellt – in dem Grundkörper ein Steg 455 im Bereich des später auszubildenden Steuerkanals 620, 630 angeordnet sein. In ähnlicher Weise weist das Deckelelement 600 eine Fluidsperre 645 in Form einer Wandung auf. Diese Wandung kann mit Sollbruchstellen versehen sein und durch Durchstoßen, Wegbrechen und dergleichen entfernt werden, so daß aus den Kanälen 620, 630 ein einziger durchgängiger Kanal wird. Wird die Fluidsperre 645 nicht weggebrochen, bildet sich im Bereich des Stegs 455 ebenfalls eine Schweißnaht aus, so daß die Kanäle 620, 630 voneinander getrennt sind, wodurch sich eine andere Steuermöglichkeit der Steuereinrichtung ergibt. Dieses Entfernen von Fluidsperren kann als „Programmierung" verstanden werden. Hierdurch ist es möglich, sowohl Steuerkanäle als auch Versorgungskanäle zu verbinden oder zu trennen. Auf diese Weise können unterschiedlichste Steuereinrichtungen, beispielsweise 3/2-Wege-Ventile oder 5/3-Wege-Ventile mit den gleichen Grundkörpern und Deckelelementen realisiert werden. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung von Teilen und Werkzeugen bei der Herstellung der Grundkörper und Deckelelemente und damit zu einer kostengünstigen Realisierung derartiger Steuereinrichtungen.

Claims

Fluidische Steuereinrichtung mit wenigstens einem, wenigstens einen fluidischen Aktuator, wie Kolben (130), Membrane, Schieber, Kombinationen aus diesen oder dergleichen aufweisenden Grundkörper (100; 400) und mit wenigstens einem Deckelelement (200; 500; 600), wobei in dem Grundkörper (100, 400) und/oder in dem wenigstens einen Deckelelement (200; 500; 600) Steuer-/Versorgungskanäle (210, 212; 510, 520; 610, 620, 630) angeordnet sind, die mit in dem Grundkörper (100; 400) angeordneten Fluidkanälen (110, 112; 405, 410, 415, 420) fluidisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer-/Versorgungskanäle (210, 212; 510, 520; 610, 620, 630) durch mittels Laserschweißen hergestellte Schweißnähte (700) zwischen dem Grundkörper (100; 400) und dem wenigstens einen Deckelelement (200; 500; 600) abgedichtet sind.
Fluidische Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Deckelelement (200; 500; 600) auf dem Grundkörper (100; 400) durch die Schweißnähte (700) befestigt ist.
Verfahren zur Herstellung einer fluidischen Steuereinrichtung mit wenigstens einem, wenigstens einen fluidischen Aktuator, wie Kolben (130), Membrane, Schieber, Kombinationen aus diesen oder dergleichen aufweisenden Grundkörper (100; 400) und mit wenigstens einem Deckelelement (200; 500; 600), wobei in dem Grundkörper (100; 400) und/oder in dem wenigstens einen Deckelelement (200; 500; 600) Steuer-/Versorgungskanäle (210, 212; 510, 520; 610, 620, 630) angeordnet sind, die mit in dem Grundkörper (100; 400) angeordneten Fluidkanälen (110, 112; 405, 410, 415, 420) fluidisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer-/Versorgungskanäle (210, 212; 510, 520; 610, 620, 630) durch Aufbringen einer Schweißnaht (700) zwischen dem Grundkörper (100; 400) und dem wenigstens einen Deckelelement (200; 500; 600) mittels Laserschweißen im Bereich der Kanalränder abgedichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Deckelelement (200; 500; 600) auf dem Grundkörper (100; 400) durch die Schweißnähte (700) befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (100; 400) oder das wenigstens eine Deckelelement (200; 500; 600) aus einem Kunststoff besteht, der eine Transmission des Laserstrahls erlaubt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl so fokussiert wird, daß sein Fokus im Bereich der Kanalränder liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl längs der Kanalränder verfahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer-/Versorgungskanäle (210, 212; 510, 520; 610, 620, 630) und/oder die Fluidkanäle (110, 112; 405, 410, 415, 420) wahlweise entfernbare Fluidsperren (407, 409; 645) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidsperren (407, 409; 645) durch Wegbrechen und/oder Durchstoßen und/oder Aufbohren und/oder Wegschmelzen und/oder mittels Wechseleinsätzen in einem Kunstoff-Werkzeug entfernt werden.