DE102005056846B4

DE102005056846B4 - Linear drive with an actuator that can be filled with a medium

Info

Publication number: DE102005056846B4
Application number: DE200510056846
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl.-Ing. Becker; Andrzej Dipl.-Ing. Grzesiak
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2005-11-28
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2025-11-29
Also published as: DE102005056846A1

Abstract

Linearantrieb mit einem mit einem Medium befüllbaren Aktor, der in Art wenigstens eines, ein Volumen einschließenden Faltenbalges ausgebildet ist und sich bei Befüllen mit dem Medium längs einer durch die faltenbalgartige Ausbildung vorgegebenen Linearachse auszudehnen und bei Entleerung des Volumens in entgegengesetzter Richtung längs der Linearachse selbsttätig zusammenzuziehen vermag, sowie mit zwei Befestigungsflansche, die längs der Linearachse an gegenüberliegenden Bereichen mit dem Aktor verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsflansche sowie der wenigstens eine Faltenbalg einstückig unter Verwendung eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt sind.linear actuator with a fillable with a medium Actuator, in the manner of at least one, a volume-enclosing bellows is formed and refilling along with the medium a predetermined by the bellows training linear axis expand and in emptying the volume in opposite Direction along the linear axis automatically can contract, as well as with two mounting flanges, the along the Linear axis on opposite Areas associated with the actuator, characterized that the mounting flanges and the at least one bellows one piece produced using a generative manufacturing process are.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf einen Linearantrieb mit einem mit einem Medium befüllbaren Aktor, der in Art wenigstens eines, ein Volumen einschließenden Faltenbalges ausgebildet ist und sich bei Befüllen mit dem Medium längs einer durch die faltenbalgartige Ausbildung vorgegebenen Linearachse auszudehnen und bei Entleerung des Volumens in entgegengesetzter Richtung längs der Linearachse selbsttätig zusammenzuziehen vermag, sowie mit zwei Befestigungsflansche, die längs der Linearachse an gegenüberliegenden Bereichen mit dem Aktor verbunden sind.The The invention relates to a linear actuator with a with a Medium fillable Actuator, in the manner of at least one, a volume-enclosing bellows is formed and refilling along with the medium a predetermined by the bellows training linear axis expand and in emptying the volume in opposite Direction along the linear axis automatically can contract, as well as with two mounting flanges, the along the Linear axis on opposite Areas are connected to the actuator.

Stand der TechnikState of the art

Linearantriebe werden vorwiegend zur industriellen, automatisierten Handhabung von Werkstücken, Vorrichtungen oder Anlagenteile eingesetzt, um diese zu positionieren und/oder längs einer Linearachse zu transportieren. Der Anwendungsbereich derartiger Antriebe reicht als integrale Bestandteile von Fertigungs- oder Montageeinrichtungen bis hin für Antriebe von Spann- oder Greifvorrichtungen, wie sie in der Robotik zum Einsatz kommen. Insbesondere in der Fertigungsautomatisierung spielt das Gewicht derartiger Linearantriebe, die zumeist in Form pneumatisch oder hydraulisch betriebener Linearzylinder ausgebildet sind, eine wesentliche Rolle, zumal die heutzutage geforderten hohen Beschleunigungen, die zumeist an Manipulatorendbereichen von Roboterarmen auftreten, sehr schnelle Positioniervorgänge zu realisieren vermögen, die durch hochgewichtige Antriebskomponenten aufgrund hoher Trägheitskräfte beeinträchtigt würden.linear actuators are mainly used for industrial, automated handling of workpieces, Devices or equipment used to position them and / or along to transport a linear axis. The scope of such Drives are sufficient as integral components of manufacturing or Assembly facilities up to Drives of clamping or gripping devices, as used in robotics be used. Especially in factory automation plays the weight of such linear drives, usually in the form of pneumatic or hydraulically operated linear cylinder are formed, a essential role, especially since today's high accelerations, which mostly occur at manipulator end regions of robot arms, very fast positioning processes to realize which would be affected by high-weight drive components due to high inertial forces.

Pneumatisch bzw. fluidisch angetriebene Linearantriebe weisen typischerweise ein stabiles Gehäuse mit einer zylindrischen Bohrung auf, längs der ein Kolben mit entsprechender Dichtung linear verfahrbar gelagert ist, an dem eine oder zwei Kolbenstangen angelenkt sind, die die Kraft und die Bewegung des Kolbens nach außen, d.h. außerhalb der zylindrischen Bohrung führen. Systembedingt bedarf es einer Reihe von Dichtungsmaßnahmen, um zu verhindern, dass das Arbeitsmedium, das den Kolben antreibt, außerhalb des stabilen Gehäuses gelangen kann. Ein derartiger, aus einzelnen Bestandteilen bestehender Linearantrieb wird in mehreren Montageschritten unter strengen Qualitätskontrollen montiert, um die Leichtgängigkeit sowie die Langlebigkeit gewährleisten zu können. Unvermeidbar unterliegen die Dichtungskomponenten sowie Lagerungs- und Führungselemente bei derartigen Linearantrieben einem gewissen Verschleiß, der lastabhängig zunimmt und insbesondere beträchtliche Ausmaße annimmt, sofern die Qualität der montierten Bauteile zu gering ist. Aus diesen Gründen sind kostenintensive Montagearbeiten sowie auch Qualitätskontrollen erforderlich.Pneumatic or fluidically driven linear drives are typically a stable housing with a cylindrical bore, along which a piston with corresponding Seal is mounted linearly movable, on the one or two piston rods are hinged to the force and movement of the piston after Outside, i.e. outside lead the cylindrical bore. Due to the system, a number of sealing measures are required, to prevent the working fluid that drives the piston from outside the stable housing can get. Such, consisting of individual components Linear drive is mounted in several assembly steps under strict quality controls, for ease of movement as well as to ensure the longevity to be able to. Unavoidably, the sealing components and storage and guide elements In such linear drives a certain wear, the load-dependent increases and especially considerable ones dimensions assumes the quality the assembled components is too low. For these reasons are costly assembly work as well as quality controls required.

Üblicherweise werden bei Linearantrieben für jede Modellreihe unterschiedlich skalierte Größen angeboten. Die Linearantriebe sind typischerweise mit Standardflanschen bzw. Befestigungsflanschen erhältlich, an denen Gewindebohrungen, Kugelgelenkköpfe oder Gewindeaugen, um nur einige Verbindungsmöglichkeiten zu nennen, vorgesehen sind. Je nach kundenspezifischem Einsatz und zu adaptierenden Anlagenteilen gilt es, entsprechende Adapterteile zwischen Linearantrieb und den entsprechenden kundenseitigen, mechanischen Schnittstellen zu konstruieren, anzufertigen bzw. zu montieren. Insbesondere bei kleinen Stückzahlen fällt der hierfür erforderliche Aufwand, den es zur Implementierung eines Linearantriebes zu bewältigen gilt, im Hinblick auf die Gesamtkosten des Antriebssystems stark ins Gewicht. Zudem kommt, dass die für die Implementierung anzufertigenden Verbindungsteile zumeist nicht gewichtsoptimiert sind, wodurch insbesondere die Dynamik von schnell beweglichen Roboterendbereichen, wie vorstehend erläutert, in Mitleidenschaft gezogen wird.Usually be used with linear drives for each model range offered different scaled sizes. The linear drives are typically available with standard flanges or mounting flanges, where threaded holes, ball joint heads or threaded eyes to only some connection possibilities to name. Depending on customer specific application and To be adapted system parts, it is appropriate adapter parts between linear drive and the corresponding customer, mechanical Design, manufacture and mount interfaces. Especially for small quantities he falls therefor required effort to implement a linear actuator to manage something applies, in view of the total cost of the drive system strong in the weight. In addition comes that to be prepared for the implementation Connecting parts are usually not weight optimized, which in particular the dynamics of fast moving robotic end zones, as above explains be affected.

Derartige, aus einer Vielzahl einzelner Bestandteilen zusammengesetzter Linearantriebe eignen sich darüber hinaus weder in medizinischen Anwendungen noch unter Reinraumbedingungen, zumal sie bestehende Sterilitätsanforderungen nicht oder nur bedingt einzuhalten vermögen.such, from a variety of individual components composite linear drives are suitable for it neither in medical applications nor under clean room conditions, especially since they have existing sterility requirements can not or only partially comply.

Auf einem neuartigen Antriebsprinzip beruht der von der Fa. Festo AG & CoKG, siehe Firmenkatalog zu Fluidic Muscle DMSP/MAS – Produkte 2004/2005 beziehbar unter https://xdki.festo.com/xdki/data/PDF/DE/MAS_DE.PDF, vorgestellte „Pneumatische Muskel", der im Wesentlichen aus einem in radialer Richtung dehnbaren Schlauchstück besteht, in das ein diagonal verlaufendes, undehnbares Gewebe eingearbeitet ist, das an beiden Enden von stabilen, zumeist aus Metall gefertigten Abschlussstücken fest eingespannt ist. Wird das Schlauchstück mit Druckluft beaufschlagt, dehnt es sich in radialer Richtung aus und verkürzt sich zugleich aufgrund des diagonalen Gewebes um einen gewissen Prozentsatz seiner Ausgangslänge. Ein derartiger Linearantrieb bietet gegenüber anderen Bauformen von Linearantrieben den Vorteil, dass er keine beweglichen Teile sowie offen liegende, schmutzempfindliche Kolbenstangen aufweist und stellt letztlich aufgrund einer gewissen Eigenelastizität bezüglich der Genauigkeit einer mechanischen Ankopplung keine allzu großen Ansprüche. Neben einer Reihe weiterer Vorteile, wie beispielsweise die Realisierbarkeit eines derartig, auf pneumatischen Wirkprinzip beruhenden Linearantriebes unter Zugrundelegung einer nur geringen Anzahl von Komponenten, arbeitet dieser Linearantrieb lediglich in einer Richtung kraftwirkend, so dass nach entsprechender Dehnung bzw. Auslenkung das druckbeaufschlagte, dillatierte Schlauchstück durch eine externe Kraft, beispielsweise mit Hilfe einer Gewichtskraft, wieder in die Ausgangslage gezogen werden muss.Festo AG & CoKG is based on a novel drive principle, see company catalog for Fluidic Muscle DMSP / MAS - Products 2004/2005 available at https://xdki.festo.com/xdki/data/PDF/DE/MAS_DE. PDF, presented "Pneumatic Muscle", which consists essentially of a radially expandable piece of tubing into which is incorporated a diagonal, inextensible fabric which is firmly clamped at both ends by sturdy, mostly metallic end caps Compressed air expands in the radial direction and at the same time shortens due to the diagonal tissue by a certain percentage of its initial length.This linear drive has the advantage over other types of linear drives that it has no moving parts and exposed, dirt-sensitive piston rods and ultimately, due to a certain inherent elasticity regarding the exactness With a mechanical coupling no great demands. In addition to a number of other advantages, such as the feasibility of such based on pneumatic operating principle linear drive based on only a small number of components, this Linearan works drove force acting only in one direction, so that after appropriate expansion or deflection, the pressurized, dillated hose piece by an external force, for example by means of a weight force, must be pulled back into the starting position.

In der DE 103 45 587 A1 ist ein fluidischer Antrieb beschrieben, der einen faltenbalgartig ausgebildeten Hohlkörper aufweist. In der EP 0 581 445 B1 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Realisierung eines generativen Herstellungsverfahrens beschrieben, mit dem die Herstellung eines dreidimensionalen Objektes im Wege eines iterativen Schichtabscheidens möglicht ist.In the DE 103 45 587 A1 a fluidic drive is described, which has a bellows-shaped hollow body. In the EP 0 581 445 B1 a method and an apparatus for realizing a generative manufacturing method is described, with which the production of a three-dimensional object by means of an iterative layer deposition is possible.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linearantrieb mit einem mit einem Medium befüllbaren Aktor derart auszubilden, dass die Herstellung eines derartigen Linearantriebes im Unterschied zu den bisherigen Montagetechniken vereinfacht, kostengünstiger und schneller durchgeführt werden soll. Insbesondere gilt es, einen Linearantrieb auch trotz sehr geringer Stückzahl mit einem wirtschaftlich vertretbaren Aufwand herzustellen und dies mit einer Produktqualität, die keinerlei Anlass zur Kritik hinsichtlich Funktionalität und Lebensdauer des Linearantriebes gibt. So soll es überdies möglich sein, einen Linearantrieb auch mit beliebig gewählter Skalierung herzustellen, ohne dabei einen großen montagebedingten sowie kostenbedingten Aufwand in Kauf nehmen zu müssen. Zugleich gilt es, einen Linearantrieb zu schaffen, der multifunktional einsetzbar und an beliebige, kundenspezifische Anlageteile mit geringem Aufwand anpassbar und implementierbar ist.Of the Invention is based on the object, a linear drive with a fillable with a medium Actuator in such a way that the production of such Linear drive in contrast to the previous assembly techniques simplified, cheaper and done faster shall be. In particular, it is also a linear drive despite very small quantity to produce with an economically justifiable effort and this with a product quality, which does not raise any criticism regarding functionality and durability of the linear drive gives. So it should also be possible, a linear drive also with arbitrarily chosen Scaling without having a major assembly as well cost-related effort to accept. At the same time, there is one To create linear drive, the multifunctional use and to any customer-specific system components can be adapted with little effort and is implementable.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 14 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Linearantriebes nach den Merkmalen des Anspruches 11.The solution the object underlying the invention is specified in claim 1. The subject of claim 14 is a method according to the invention for producing a linear drive according to the features of the claim 11th

Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke geht vom Einsatz eines generativen Fertigungsverfahrens zur Herstellung eines Linearantriebes aus, mit dem der Linearantrieb mit all seinen funktionellen Komponenten sowie mit den zur Implementierung an beliebig gestaltete Montageschnittstellen erforderlichen Befestigungsflanschen in einstückiger Weise auf der Grundlage konstruktiv vorgegebener CAD-Daten im Rahmen eines generativen Fertigungsverfahrens herstellbar ist.Of the The idea underlying the invention is based on the use of a generative Manufacturing process for producing a linear drive, with the linear drive with all its functional components as well as with the installation interfaces of any design required mounting flanges in one piece on the basis structurally specified CAD data in the context of a generative manufacturing process can be produced.

So ermöglichen generative Fertigungsverfahren die dreidimensionale Ausbildung von Objekten, direkt unter Zugrundelegung konstruktiv vorgegebener CAD-Daten in einem einzigen Arbeitsgang derart, so dass nach Beendigung des Arbeitsganges das dreidimensionale Objekt funktionsvollkommen ohne weiteren Montageaufwand sofort einsatzbereit ist.So enable generative manufacturing process the three-dimensional education of Objects, directly on the basis of structurally specified CAD data in a single operation in such a way so that after completion of the Operation of the three-dimensional object functionally without further assembly effort is immediately ready for use.

Mit Hilfe eines derartigen, generativen, d.h. schichtweisen Fertigungsverfahren ist es möglich, einfach, doppelt oder mehrfach wirkende Linearantriebe herzustellen, mit geeignet an kundenspezifische Maschinenschnittstellen angepassten Befestigungsflanschen.With Help of such generative, i. layered manufacturing process is it possible, simply, To produce double or multi-acting linear drives, with adapted to customer-specific machine interfaces Mounting flanges.

Typischerweise sieht ein Linearantrieb mit einem, mit einem Medium befüllbaren Aktor ein Ausdehnungselement vor, das vorzugsweise in Art wenigstens eines, ein Volumen einschließenden Faltenbalges ausgebildet ist, der sich bei Befüllung mit dem Medium längs einer durch die faltenbalgartige Ausbildung vorgegebenen Linearachse auszudehnen und bei Entleerung des Volumens in entgegen gesetzter Richtung aufgrund der Eigenelastizität des Faltenbalges längs der Linearachse selbsttätig zusammenzuziehen vermag. Zur Implementierung des Linearantriebes in bereits bestehende Anlagenteilbereiche dienen jeweils zwei Befestigungsflansche, die längs der Linearachse an gegenüberliegenden Bereichen des faltenbalgartig ausgebildeten Aktors vorgesehen sind. So lassen sich lösungsgemäß die Komponenten des Linearantriebes, nämlich insbesondere die Befestigungsflansche sowie der einstückig mit den Befestigungsflanschen verbundene Faltenbalg ganzheitlich unter Verwendung eines generativen Fertigungsverfahrens herstellen, so dass unter Zugrundelegung kundenspezifischer, den jeweiligen Linearantrieb beschreibenden CAD-Datensatz bedarfsgerechte Linearantrieb herstellbar sind. Je nach Wunsch und Anforderungen durch den Kunden können Linearsysteme hergestellt werden, die eins, zwei oder mehr kinematisch miteinander gekoppelte faltenbalgartig ausgebildete Aktoren vorsehen und die sich zudem beliebig in der Größe skalieren lassen und auf diese Weise optimal an bestimmte Transport- und Manipulationsanforderungen anpassen lassen. Durch die grundsätzliche Freiheit im Hinblick auf Größe und Formgebung der Linearantriebe können durch geeignete Konstruktion Antriebe geschaffen werden, die über ein optimiertes Gewicht verfügen und somit eine Leichtgängigkeit im Einsatz mit hochdynamischen Manipulatorsystemen gewährleisten.typically, sees a linear drive with a, fillable with a medium Actuator before an expansion element, preferably at least in kind one, including a volume Bellows is formed, which when filled with the medium along a to expand by the bellows-like training given linear axis and when emptying the volume in the opposite direction due the inherent elasticity the bellows along the linear axis automatically can contract. For implementation of the linear drive in existing plant sub-areas are each two mounting flanges, along the Linear axis on opposite Areas of the bellows-shaped actuator are provided. This is how the components can be solved in solution of the linear drive, namely in particular the mounting flanges and the one piece with hollows the bellows connected to the mounting flanges Using a generative manufacturing process, so that on the basis of customized, the respective linear actuator descriptive CAD dataset can be produced according to requirements are. Depending on the wishes and requirements of the customer, linear systems can be used be made one, two or more kinematically with each other provide coupled bellows trained actuators and the also scale arbitrarily in size and optimally adapted to specific transport and handling requirements let adjust. By the fundamental freedom with regard to on size and shape the linear drives can through suitable construction drives are created, which have a have optimized weight and thus a smooth running in use with highly dynamic manipulator systems.

Generative Fertigungsverfahren bieten enorme gestalterische Freiheiten, zumal keinerlei Rücksicht auf konstruktiv bedingte Endformschrägen, Hinterschnitte sowie auch gleich bleibende Wandstärken genommen werden muss. Vielmehr ist es möglich, durch Variation der Wandstärke von Bauteilbereichen hochfeste und elastische Bereiche vorzusehen und diese direkt miteinander zu kombinieren.generative Manufacturing processes offer enormous creative freedom, especially no consideration on constructive Endformschrägen, undercuts and also taken constant wall thicknesses must become. Rather, it is possible through Variation of the wall thickness To provide high-strength and elastic areas of component areas and combine them directly.

Gegenüber konventionellen Montagetechniken können die Gesamtkosten zu den verglichen mit marktüblichen Systemen erheblich reduziert werden. Eine weitere Anwendung der lösungsgemäß angegebenen Linearantriebe könnte der Einsatz in voll automatisierten Fertigungen sein, in denen sich die Fertigungslinien selbsttätig auf die jeweils zu produzierenden Teile einstellen. Automaten wären in der Lage, auch die zur Handhabung erforderlichen Linearantriebe autonom und selbständig zu fertigen, in Betrieb zu nehmen und nach Auslaufen der Serie wieder zu recyclen.Compared to conventional assembly techniques, the total cost can be compared to considerably reduced in the marketplace. Another application of the linear drives specified in the solution could be the use in fully automated production in which the production lines automatically adjust to the parts to be produced in each case. Automata would be able to autonomously and autonomously manufacture the linear actuators required for handling, to put them into operation and to recycle them after the series had run out.

Als Beispiele für generative Fertigungsverfahren seien beispielsweise das Rapid-Prototyping genannt, das unter Verwendung eines fotolithografischen Systems dreidimensionale Objektstrukturen durch gezielten lokalen Energieeintrag innerhalb eines Werkstoffes einzubeschreiben vermag. Hierbei erfolgt der fotolithografische Belichtungsvorgang zumeist schichtweise innerhalb eines Körpers, bestehend aus einem fotoempfindlichen Werkstoff, der durch Belichtung in bestimmten Werkstoffregionen eine Werkstoffumwandlung, beispielsweise im Wege einer gezielten Polymerisation oder Verschmelzung erfährt. Des Weiteren sind Polymerisationsprozesse durch schichtweises Aushärten innerhalb eines Flüssigkeitsbades bekannt, um dreidimensionale Objekte zu fertigen. Auch ist es möglich, durch schichtweises Auftragen und Verfestigen von Pulverschichten entsprechende Objekte zu generieren.When examples for generative manufacturing processes are for example called rapid prototyping, that using a photolithographic system three-dimensional Object structures through targeted local energy input within to write down a material. Here, the photolithographic takes place Exposure process mostly in layers within a body, consisting of a photosensitive material exposed by exposure Material regions a material conversion, for example by way of a undergoes targeted polymerization or fusion. Furthermore, polymerization processes are due layered hardening within a liquid bath known to make three-dimensional objects. Also it is possible through layer by layer application and solidification of powder layers corresponding Generate objects.

Nicht notwendigerweise, jedoch bevorzugt bedienen sich generative Fertigungsverfahren eines einheitlichen Werkstoffes, aus dem die jeweils zu generierenden realen Objekte gefertigt werden. Gleichfalls ist es denkbar, durch entsprechende Materialschichtung unterschiedliche Materialien für unterschiedliche Objektbereiche zu verwenden. Typischerweise werden metallische oder keramische Werkstoffe bzw. Kunststoffe für derartige generative Fertigungsverfahren eingesetzt.Not necessarily, but preferably, use additive manufacturing processes of a uniform material, from which the respectively to be generated real objects are made. Likewise, it is conceivable through appropriate material stratification different materials for different To use object areas. Typically, metallic or ceramic materials or plastics for such generative manufacturing processes used.

Es konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe des lösungsgemäßen Linearantriebes ein hohes Verbesserungspotential gegenüber bekannten Linearantrieben erzielbar ist, indem der in konventionellen Linearantrieben vorgesehene Antriebskolben durch einen faltenbalgartig ausgebildeten Aktor gleich wirkend wie ein Federelement, im Weiteren als Faltenbalg bezeichnet, ersetzt worden ist. Konstruktionsbedingt bzw. systemimmanent mit dem Faltenbalg verbunden, konnte die bisher bei konventionellen Linearantrieben erforderliche Rückstellfeder zur Rückführung des Antriebskolbens in seine Ausgangsstellung durch die elastische Rückstellkraft des Faltenbalges ersetzt werden. Schließlich ermöglicht das generative Fertigungsverfahren die einstückige Ausbildung des Faltenbalges mit den jeweiligen Befestigungsflanschen, die eine individuelle Implementierung an bereits vorhandene mechanische Schnittstellen zu Anlageteilen gewährleisten.It could be shown that with the help of the solution according to the linear drive a high Room for improvement known linear actuators can be achieved by the conventional Linear drives provided drive piston through a bellows trained actuator same acting as a spring element, hereinafter as bellows, has been replaced. Design-related or Systemimmanent connected to the bellows, which was previously at Conventional linear actuators required return spring for returning the Drive piston in its initial position by the elastic restoring force be replaced by the bellows. Finally, the generative manufacturing process allows the one-piece Formation of the bellows with the respective mounting flanges, the one individual implementation to already existing mechanical Ensure interfaces to system components.

Im Weiteren sei unter Bezugnahme auf die nachstehenden Figuren eine Reihe von Ausführungsbeispielen beschrieben, die Linearantriebe darstellen, die im Wege jeweils eines generativen Fertigungsverfahrens herstellbar sind.in the Further, with reference to the following figures, a Series of embodiments described that represent linear drives in each case a generative manufacturing process can be produced.

Kurze Beschreibung der ErfindungShort description of invention

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The Invention will be described below without limiting the general inventive concept of exemplary embodiments described by way of example with reference to the drawings. It demonstrate:

1a, b einfachste Ausführungsform eines Linearantriebes in a) perspektivischer und b) Querschnittsdarstellung, 1a , b most simple embodiment of a linear drive in a) perspective and b) cross-sectional view,

2a, b einfach wirkender Linearantrieb in a) perspektivischer Darstellung und b) Längsschnittdarstellung, 2a , b single-acting linear drive in a) perspective view and b) longitudinal sectional view,

3a, b doppelt wirkender Linearantrieb in a) Längsschnittdarstellung und b) perspektivischer Darstellung, sowie 3a , b double-acting linear drive in a) longitudinal section and b) perspective view, as well as

4 Querschnittsdarstellung durch einen längs zwei sich senkrecht schneidenden Raumachsen angeordneter Linearantriebe. 4 Cross-sectional view through a longitudinally two perpendicularly intersecting spatial axes arranged linear drives.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWays to execute the Invention, industrial applicability

In 1a ist in perspektivischer Betrachtungsweise ein lösungsgemäß ausgebildeter Linearantrieb dargestellt, der in Bilddarstellung gemäß 1b in perspektivischer Schnittbilddarstellung gezeigt ist. Der Linearantrieb weist als Ausdehnungselement ein torusförmig ausgebildetes Federelement 1 auf, das mit einer biegeelastischen Wand ein mit einem Medium befüllbares Volumen V einschließt.In 1a is a perspective view of a solution trained trained linear actuator shown in the image representation according to 1b is shown in a perspective sectional view. The linear drive has an expansion element as a torus-shaped spring element 1 which encloses a volume V which can be filled with a medium with a flexurally elastic wall.

– Nur aus Gründen der Übersichtlichkeit halber sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die in der Beschreibungseinleitung verwendete Formulierung „Faltenbalg" in einer einfachsten Ausführungsweise dem in 1 dargestellten Federelement 1 entspricht, das ein mit einem Medium befüllbares Volumen umschließt. Wie die weiteren Ausführungsbeispiele zeigen werden, setzen sich die dort gezeigten Faltenbalge aus einer Vielzahl des in 1 gezeigten Federelementes 1 zusammen. –- For the sake of clarity, it should be pointed out at this point that the wording "bellows" used in the introduction to the description in a simplest embodiment is the same as in 1 illustrated spring element 1 corresponds enclosing a volume that can be filled with a medium. As the other embodiments will show, the bellows shown there are made up of a plurality of in 1 shown spring element 1 together. -

Beidseitig schließt das torusförmig ausgebildete Federelement 1 fluiddicht und einstückig an Befestigungsflansche 2, 3 an, die gemeinsam mit dem Federelement 1 das innen liegende Volumen V fluiddicht abschließen, siehe hierzu auch die Querschnittsbilddarstellung in 1b. Der Befestigungsflansch 2 sieht neben geeignet ausgebildeten Befestigungsvertiefungen 4 wenigstens eine Durchgangsöffnung 5 vor, über die ein Medium, vorzugsweise Druckluft, in das innen liegende Volumen V, das von dem Federelement 1 sowie beiden Befestigungsflanschen 2, 3 fluiddicht eingeschlossen wird, druckbeaufschlagt einfüllbar ist. Selbstverständlich ist es möglich, den in 1a, b dargestellten Linearantrieb auch mit einem flüssigen Medium zu befüllen. Bei geeigneter druckbeaufschlagter Befüllung durch die Öffnung 5 werden die Befestigungsflansche 2, 3 längs der in 1b eingetragenen Linearachse A in entgegengesetzt orientierten Raumrichtungen ausgelenkt. Wird einer der beiden Befestigungsflansche 2, 3 beispielsweise an ein festes Gegenlager montiert, das räumlich stationär ist, so führt eine Befüllung des Volumens V zu einer entsprechend linear gerichteten Distanzierung des jeweils gegenüber liegenden Befestigungsflansches mit einem daran befestigten Anlagenteil. Wird nach entsprechender Auslenkung das mit dem Medium befüllte Volumen V durch die entsprechende Öffnung 5 entleert, so erfolgt aufgrund der Eigenelastizität und der damit verbundenen Rückstellkraft des Federelementes 1 eine lineare Rückführung des jeweils ausgelenkten Befestigungsflansches.On both sides closes the toroidally shaped spring element 1 fluid-tight and in one piece on mounting flanges 2 . 3 on, in common with the spring element 1 complete the inside volume V fluid-tight, see also the cross-sectional image representation in 1b , The mounting flange 2 looks next to suitably trained Befes actuating wells 4 at least one passage opening 5 via which a medium, preferably compressed air, into the internal volume V, that of the spring element 1 as well as two mounting flanges 2 . 3 is sealed fluid-tight, pressurized fillable. Of course it is possible to use the in 1a , Linear actuator shown to fill also with a liquid medium. With suitable pressurized filling through the opening 5 become the mounting flanges 2 . 3 along the in 1b registered linear axis A in oppositely oriented spatial directions deflected. Will be one of the two mounting flanges 2 . 3 For example, mounted on a fixed abutment, which is spatially stationary, so performs a filling of the volume V to a corresponding linearly directed distancing of the respective opposite mounting flange with an attached part of the plant. If, after appropriate deflection, the volume V filled with the medium passes through the corresponding opening 5 deflated, it is due to the inherent elasticity and the associated restoring force of the spring element 1 a linear return of each deflected mounting flange.

Form und Größe des in 1 einstückig dargestellten Linearantriebes lassen sich in Abhängigkeit der jeweiligen Spezifikation aufgrund vorhandener Umgebungsperipherien beliebig im Rahmen eines CAD-Datensatzes festlegen. Nach entsprechender Konfektionierung des Linearantriebes lässt sich dieser einstückig im Rahmen eines generativen Fertigungsverfahrens fertigen.Shape and size of in 1 As a function of the respective specification, due to the presence of surrounding peripherals, the linear drive can be defined in any desired way as part of a CAD data set. After appropriate assembly of the linear drive, this can be manufactured in one piece as part of a generative manufacturing process.

In 2a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen einfach wirkenden Linearantrieb in perspektivischer Darstellung gezeigt. 2b zeigt eine diesbezügliche offene Querschnittsdarstellung. Der in den 2a und 2b dargestellte Linearantrieb verfügt gleichsam dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 über ein Ausdehnungselement 1, das sich aus einer Vielzahl einzelner Federelemente gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1, siehe Bezugszeichen 1, zusammensetzt und gleichsam die Gestalt eines Faltenbalges annimmt, der gemäß Längsschnittdarstellung in 2b über einen wellig ausgebildeten Wandverlauf verfügt. Der als Ausdehnungselement dienende Faltenbalg 1 schließt einseitig gasdicht mit einem unteren Befestigungsflansch 3 ab, der zur weiteren Befestigung an einer nicht weiter dargestellten Anlagenkomponente einen geeignet ausgebildeten Befestigungssteg 3' vorsieht. Längs der Linearachse A zum Befestigungsflansch 3 gegenüberliegend ist einstückig mit dem Faltenbalg 1 ein weiterer Befestigungsflansch 2 verbunden, der wenigstens eine Öffnung 5 vorsieht, über die das von dem Faltenbalg 1 eingeschlossene Volumen V mit einem entsprechenden Arbeitsmedium befüllbar ist. Ferner ist am Befestigungsflansch 2 ein Rahmenelement 6 angelenkt, das den Faltenbalg 1 berührungslos zumindest teilweise umfasst und mit einem unteren Rahmenelementende 6' den stegartigen Fortsatz 3' des Befestigungsflansches 3 linear längsbeweglich gleitend umfasst. Wird das von dem Faltenbalg 1 umfasste innere Volumen V mit einem Arbeitsmedium, beispielsweise mittels Druckluft, befüllt, so dehnt sich der Faltenbalg 1 längs zur Linearachse A aus, wodurch die Befestigungsflansche 2, 3 voneinander beabstandet werden. Die strenge Linearführung beider Befestigungsflansche 2, 3 wird überdies durch das steif ausgebildete Rahmenelement 6 unterstützt, das linearbeweglich längs der Seitenflanken 3'' des stegartig ausgebildeten Fortsatzes 3' des Befestigungsflansches 3 geführt ist. Gleichsam dem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 1 vermag auch das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel nach entsprechender Entleerung des von dem Faltenbalg 1 eingeschlossenen Volumens V aufgrund der dem Faltenbalg 1 inne wohnende Rückstellkraft in seine Ausgangsstellung selbststätig überzuführen. Insbesondere der Längsschnittdarstellung in 2b ist zu entnehmen, dass der gesamte Linearantrieb aus einstückig zusammenhängenden Komponentenabschnitten gebildet ist, die im Wege eines generativen Fertigungsverfahrens herstellbar sind.In 2a is another embodiment of a single-acting linear actuator shown in perspective. 2 B shows an open cross-sectional view in this respect. The in the 2a and 2 B illustrated linear actuator has as it were the embodiment according to 1 via an expansion element 1 , which consists of a plurality of individual spring elements according to the embodiment in 1 , see reference number 1 , composed and, so to speak, takes the form of a bellows, which according to longitudinal section in 2 B has a wavy trained course of the wall. The bellows serving as an expansion element 1 closes gas-tight on one side with a lower mounting flange 3 from, for further attachment to a non-illustrated system component a suitably formed fastening web 3 ' provides. Along the linear axis A to the mounting flange 3 Opposite is integral with the bellows 1 another mounting flange 2 connected, the at least one opening 5 provides over that of the bellows 1 enclosed volume V can be filled with a corresponding working medium. Further, on the mounting flange 2 a frame element 6 hinged, which is the bellows 1 non-contact at least partially and with a lower frame element end 6 ' the bridge-like extension 3 ' of the mounting flange 3 linearly longitudinally slidably includes. Will that be from the bellows 1 encompassed inner volume V with a working fluid, for example by means of compressed air, filled, so the bellows expands 1 along the linear axis A, whereby the mounting flanges 2 . 3 be spaced apart. The strict linear guide of both mounting flanges 2 . 3 is also due to the rigidly formed frame element 6 supports, linearly movable along the side edges 3 '' the web-like extension 3 ' of the mounting flange 3 is guided. Like the embodiment with reference to 1 can also do that in 2 illustrated embodiment after appropriate emptying of the bellows 1 enclosed volume V due to the bellows 1 inherent resettable force to be converted into its original position selbsttätig. In particular, the longitudinal sectional view in 2 B It can be seen that the entire linear drive is formed of integrally connected component sections that can be produced by way of a generative manufacturing process.

Im Unterschied zu den einfach wirkend arbeitenden Linearantrieben gemäß der Ausführungsbeispiele in den 1 und 2 ist in 3a und b ein doppelt wirkender Linearantrieb dargestellt. In der Bilddarstellung gemäß 3a ist eine dazugehörige Längsschnittdarstellung, in 3b eine entsprechende perspektivische Gesamtdarstellung des doppelt wirkend arbeitenden Linearantriebes gezeigt. In diesem Falle sind zwei Faltenbalge 1, 1' längs einer gemeinsamen Linearachse A ausgerichtet und an ihren sich unmittelbar gegenüberliegenden Enden mit einem gemeinsamen, so genannten Kraftübertragungselement 7 fluiddicht verbunden. Mit ihren jeweils zum Kraftübertragungselement 7 abgewandten Endbereichen sind die Faltenbalge 1, 1' jeweils mit einem Befestigungsflansch 2, 3 einstückig verbunden, wobei beide Faltenbalge 1, 1' durch jeweils eine Verbindungsöffnung 5, 5' getrennt voneinander mit einem fluidischen Arbeitsmedium, vorzugsweise Druckluft, befüllbar bzw. entleerbar sind. Beide Befestigungsflansche 2, 3 sind ihrerseits über einen Rahmen 6 miteinander verbunden, gegenüber dem das Kraftübertragungselement 7 längs zur Linearachse A linearbeweglich geführt ist. So liegt ein mit dem Kraftübertragungselement 7 verbundenes Rahmenteil 7' jeweils linear gleitend an den mit den Befestigungsflanschen 2, 3 verbundenen Linearflächen 2' und 3' gleitend auf.In contrast to the single-acting linear actuators according to the embodiments in the 1 and 2 is in 3a and b shows a double-acting linear actuator. In the image representation according to 3a is an associated longitudinal sectional view, in 3b a corresponding overall perspective view of the double acting linear actuator shown. In this case, there are two bellows 1 . 1' aligned along a common linear axis A and at their immediately opposite ends with a common, so-called power transmission element 7 connected fluid-tight. With their respective to the power transmission element 7 remote end areas are the bellows 1 . 1' each with a mounting flange 2 . 3 integrally connected, both bellows 1 . 1' by a respective connection opening 5 . 5 ' can be filled or emptied separately from each other with a fluidic working medium, preferably compressed air. Both mounting flanges 2 . 3 are in turn about a frame 6 connected to each other, opposite to the power transmission element 7 is linearly guided along the linear axis A. So is one with the power transmission element 7 connected frame part 7 ' each linearly sliding on the with the mounting flanges 2 . 3 connected linear surfaces 2 ' and 3 ' sliding up.

Es sei beispielsweise angenommen, dass der in 3 dargestellte Linearantrieb über das fest mit dem Kraftübertragungselement 7 verbundene Rahmenteil 7' an einem stationären Gegenlager befestigt ist. In diesem Fall können durch wechselseitiges und taktweises Entleeren bzw. Befüllen der Faltenbalge 1, 1' die Befestigungsflansche 2, 3 längs zur Linearachse A in entgegen gesetzte Richtungen kontrolliert bewegt werden. So wird stets nur ein Faltenbalg mit Druckluft beaufschlagt, um den Linearantrieb an eine Endposition zu verfahren. Will man von dort den Linearantrieb in die jeweils längs der Linearachse gegenüber liegende Endposition überführen, so wird der entsprechend befüllte Faltenbalg drucklos geschaltet und der jeweils gegenüber liegende Faltenbalg mit Druckluft beaufschlagt.For example, suppose that the in 3 illustrated linear drive over the fixed to the power transmission element 7 connected frame part 7 ' on a stationary counter bearing be is solidified. In this case, by mutual and cyclic emptying or filling of the bellows 1 . 1' the mounting flanges 2 . 3 be moved in a controlled manner along the linear axis A in opposite directions. Thus, only one bellows is always subjected to compressed air in order to move the linear drive to an end position. If you want to convert from there the linear drive in each case along the linear axis opposite end position, the correspondingly filled bellows is depressurized and the respective opposing bellows acted upon with compressed air.

Werden beide Faltenbalge drucklos geschaltet, so werden die Faltenbalge aufgrund der ihnen innewohnenden Verformungskräfte in ihre ursprüngliche Position zurückkehren, in der der Linearantrieb bei der Fertigung positioniert worden ist.Become Both bellows depressurized, so are the bellows due to their inherent deformation forces in their original Return position, in which the linear drive has been positioned during production.

Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 zeigt einen Längsschnitt durch einen Linearantrieb gleichsam jenem, der in 3 dargestellt ist, jedoch erweitert durch einen senkrecht zur Linearachse A wirkenden dritten Faltenbalg 1'', der eine Linearbewegung längs einer orthogonal zur Linearachse A orientierten Linearachse B ermöglicht. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden verglichen zum Ausführungsbeispiel gemäß 3 bereits erklärte und gleich funktionierende Bauteile mit den entsprechend eingeführten Bezugszeichen versehen. Fest mit dem Kraftübertragungselement 7 ist ein weiterer Faltenbalg 1'' verbunden, der sich längs einer zur Linearachse A orthogonal orientierten Linearachse B auszudehnen vermag. Über eine Durchgangsöffnung 5'' ist der Faltenbalg 1'' mit einem entsprechenden Arbeitsmedium, vorzugsweise Druckluft, zu befüllen, wodurch ein einseitig mit dem Faltenbalg 1'' verbundener Befestigungsflansch 2'' längs zur Linearachse B auslenkbar ist.The embodiment according to 4 shows a longitudinal section through a linear drive so to speak, that in 3 is shown, but expanded by acting perpendicular to the linear axis A third bellows 1'' , which allows a linear movement along an orthogonal to the linear axis A oriented linear axis B. To avoid repetition, compared to the embodiment according to 3 already explained and equal functioning components provided with the correspondingly introduced reference numerals. Hard with the power transmission element 7 is another bellows 1'' connected, which is able to extend along a linear axis A oriented orthogonal to the linear axis A. Via a passage opening 5 '' is the bellows 1'' with a corresponding working fluid, preferably compressed air to fill, creating a one-sided with the bellows 1'' connected mounting flange 2 '' along the linear axis B is deflectable.

Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 zeigt die beliebige Kombinierbarkeit und letztlich Ausführbarkeit eines im Wege eines generativen Fertigungsverfahrens herstellbaren Linearantriebes, der in Abhängigkeit von nutzerseitigen Spezifikationen individuell konzipierbar ist. Gerade in der konstruktiv beliebigen Variierbarkeit und Skalierbarkeit derartiger Linearantriebe ist der erfindungsgemäße Nutzen zu sehen, zumal durch leicht und ohne großen Kostenaufwand durchzuführende Modifikationen am CAD-Datensatz eine Neubeschreibung eines konstruktiv auszuführenden Linearantriebes möglich ist, die unmittelbar der Herstellung eines dreidimensional ausgebildeten Linearantriebes unter Nutzung eines generativen Fertigungsverfahrens zugrunde gelegt werden kann.The embodiment according to 4 shows the arbitrary combinability and ultimately feasibility of a manufacturable in the way of a generative manufacturing process linear drive, which can be individually designed depending on user-side specifications. Especially in the constructive arbitrary variability and scalability of such linear drives benefit of the invention is to be seen, especially by easily and without much cost to be performed modifications to the CAD data record a rewriting a structurally executed linear drive is possible directly to the production of a three-dimensionally formed linear drive using a generative manufacturing process can be used.

Die erfindungsgemäßen Linearantriebssysteme können somit schnell und ohne jede Montage, angepasst an die jeweilige Aufgabe und den nutzerseitigen Rahmenbedingungen direkt aus dem CAD-System hergestellt werden. Hierdurch sind die für die Herstellung erforderlichen Gesamtkosten verglichen zu den marktüblichen Systemen durchaus konkurrenzfähig. Hinzu kommt, dass durch die entsprechende stufenlose Skalierbarkeit hinsichtlich der Größe eines Linearantriebes ein gewichtsoptimiertes System geschaffen werden kann. Durch entsprechende Materialwahl ist es überdies möglich, Linearantriebe in aggressiven Umgebungen oder mit aggressiven Betriebsmedien einzusetzen sowie aufgrund der Möglichkeit einer vollständigen Autoklavierbarkeit den Einsatz in Reinräumen oder medizinischen Sterilräumen zu schaffen. Gerade bei speziellen Anwendungen mit kleinen Stückzahlen bieten sich die erfindungsgemäß herstellbaren Linearantriebe an, zumal diese mit geringem Aufwand und Kosten herstellbar sind.The Linear drive systems according to the invention can thus fast and without any assembly, adapted to the respective Task and the user-related conditions directly from the CAD system getting produced. As a result, the necessary for the production Total costs compared to the usual systems quite competitive. in addition that comes by the corresponding stepless scalability regarding the size of one Linear drive a weight-optimized system can be created can. By appropriate choice of materials, it is also possible, linear drives in aggressive Use environments or aggressive media as well because of the possibility a complete Autoclave the use in clean rooms or sterile medical rooms too create. Especially for special applications with small quantities offer the invention can be produced Linear drives, especially since they can be produced with little effort and cost are.

1, 1', 1''1, 1 ', 1' ': Faltenbalg, Federelementbellows, spring element
2, 32, 3: Befestigungsflanschmounting flange
3'3 ': Stegartiger Fortsatzbridge-like extension
3''3 '': Seitenflankeside flank
44: Befestigungsöffnungenmounting holes
55: Zuleitungsupply
66: Rahmenframe
6'6 ': RahmenelementendeFrame element end
77: KraftübertragungselementPower transmission element
VV: Volumenvolume

Claims

Linear drive with a fillable with a medium actuator, which is in the form of at least one, a volume enclosing bellows and expand when filled with the medium along a given by the bellows-like training linear axis and contract automatically when emptying the volume in the opposite direction along the linear axis and with two attachment flanges connected along the linear axis to the actuator at opposite areas, characterized in that the attachment flanges and the at least one bellows are made in one piece using a generative manufacturing process.

Linear drive according to claim 1, characterized in that that the mounting flanges and the at least one bellows made of a uniform material.

Linear drive according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one bellows has a flexurally elastic wall which has a wavy or fold-like wall course in a longitudinal section and an opposite the spatial direction, along which the actuator expands, has restoring spring force.

Linear drive according to one of claims 1 to 3, characterized in that a first mounting flange with a bellows at least partially comprehensive frame element connected, the longitudinal to the linear axis relative to the second mounting flange linearly movable is arranged.

Linear drive according to claim 4, characterized in that that the frame element at least the second mounting flange partially surrounds such that the frame member through the second mounting flange linearly guided is.

Linear drive according to claim 4 or 5, characterized that the bellows, the mounting flanges and the frame element one piece are manufactured by the generative manufacturing process.

Linear drive according to one of claims 1 to 6, characterized in that on at least one mounting flange an opening for the filling the actuator or is provided from the actuator emptying medium.

Linear drive according to one of claims 1 to 7, thereby in that at least two bellows each enclosing a volume along one common linear axis, separated by a respective force transmission element are provided in series, that the the power transmission element facing end portions of the bellows are integrally connected thereto, that the axial to the power transmission element opposite end portions of both bellows each with a mounting flange are connected, and that the two mounting flanges over a frame connected to each other, relative to the power transmission element is linearly movable.

Linear drive according to claim 8, characterized in that that the force transmission element with a frame part is connected, which is in the end of the Bellows extends and linearly movable relative to both end portions guided is.

Linear drive according to claim 9, characterized in that that the bellows, the mounting flanges, the frame, the Power transmission element and the frame part in one piece are manufactured by a generative manufacturing process.

Linear drive according to one of claims 3 to 10, characterized in that the flexurally elastic wall respectively the bellows is made of a fluid-tight material, and that the bellows-shaped actuator fluid-tight with the Closing mounting flanges.

Linear drive according to one of claims 1 to 11, characterized in that the linear drive in one piece a metallic material or made of plastic.

Linear drive according to one of claims 1 to 12 characterized in that the to be manufactured linear drive according to shape and size as a CAD dataset present, one of the subsequent generative manufacturing processes underlying is: - Rapid Prototyping by photolithographic method - Photopolymerization by layered hardening from a liquid bath - Layer by layer Application and solidification of powder coatings - Layer by layer Discharging a binder into a powder composite - Energy beam deposition method in metal powder - Plastic extruder technology (FDM, Fused Deposition Modeling).

Method for producing a linear drive according to one of the claims 1 to 13, characterized in that at least the mounting flanges, the frame and the actuator in one piece be produced within the framework of a generative manufacturing process.