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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Verschließen
einer Behälteröffnung,
insbesondere der Öffnung
eines in der medizinischen Diagnostik eingesetzten Probengefäßes.
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Auf
verschiedenen Gebieten der Technik ist es erforderlich, Flüssigkeiten
in Behältern
zu transportieren und zu lagern. Dabei besteht regelmäßig die
Notwendigkeit, daß die
Behälter
dicht verschlossen werden können,
um ein unbeabsichtigtes Austreten der Flüssigkeit und eine Verunreinigung
der Flüssigkeit
in dem Behälter
zu verhindern. Die zu diesem Zweck eingesetzten Verschlußvorrichtungen
müssen so
ausgestaltet sein, daß sie
nicht nur die Verschlußfunktion
zuverlässig
erfüllen,
sondern sich auch in einfacher Weise wieder öffnen lassen, um die Flüssigkeit
aus dem Behälter
entnehmen zu können. Zahlreiche
technische Anwendungen setzen darüber hinaus voraus, daß sich die
Behälter
und die Verschlußvorrichtungen
halb- oder vollautomatisch mit hoher Zuverlässigkeit und hoher Geschwindigkeit handhaben
lassen. Entsprechende Erfordernisse bestehen auch für Behälter zum
Transport und zur Lagerung von Gasen und festen Stoffen.
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So
werden etwa in der Labormedizin Flüssigkeitsproben für die medizinische
Diagnostik, wie zum Beispiel Blut- oder Urinproben, üblicherweise
in zylindrischen Probengefäßen mit
1 bis 10 ml Inhalt, Außendurchmessern
zwischen 12 und 17 mm und Innendurchmessern zwischen 9 und 15 mm
transportiert und verarbeitet. Die Probengefäße erreichen das Labor im verschlossenen
Zustand und werden dann zur Durchführung verschiedener Analysen
geöffnet. Üblicherweise
werden die Probengefäße anschließend nicht
sofort entleert und entsorgt oder recycled. Vielmehr erfolgt regelmäßig eine
Archivierung für
einen bestimmten Zeitraum von beispielsweise mehreren Tagen. Um Änderungen
der diagnostischen Parameter während
des Archivierungszeitraums zu vermeiden, werden die Proben meist
gekühlt
gelagert. In jedem Fall ist es erforderlich, die Proben für die Archivierung
zu verschließen,
um eine Kontamination, eine Verdunstung oder ein Auslaufen zu verhindern. Da
in medizinischen Laboren ein hoher Probendurchsatz herrscht, ist
eine automatische Verarbeitung mit hoher Geschwindigkeit von größter Bedeutung,
d.h. einschließlich
des Verschließens
der Probengefäße zur Archivierung
und gegebenenfalls der erneuten Öffnung
der Probengefäße.
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Im
Stand der Technik kamen vor diesem Hintergrund zwei Vorgehensweisen
in automatischen Verarbeitungsverfahren zum Einsatz. Zum einen wurden
die Probengefäße mit einem
Folienstück
verschlossen, das mit Hilfe eines geeigneten Heißklebers über die Öffnung eines Probengefäßes geklebt wurde.
Diese Technik hat den Nachteil, daß die auf diese Weise verschlossenen
Probengefäße sich
nur mit großen
Schwierigkeiten automatisch weiterverarbeiten lassen. So ist es
nicht zu vermeiden, daß die Folienstücke über den
die Probengefäßöffnung begrenzenden
Rand des Probengefäßes überstehen und
eine dichte Packung und das Rollen der zylindrischen Probengefäße verhindern.
Außerdem
kann durch diese Technik keine ausreichende Dichtigkeit gewährleistet
werden, und es ist schwierig, die Probengefäße wieder zu öffnen. Zum
anderen ist es bekannt, eine Weichgummikugel in die Öffnung eines Probengefäßes einzudrücken. Diese
Technik hat den Nachteil, daß die
Gummikugel bei sehr vollem Gefäß durch
den beim Eindrücken
entstehenden Überdruck selbsttätig wieder
aus dem Probengefäß herausgepreßt wird
und daß auch
hier das erneute Öffnen
des Probengefäßes problematisch
ist. Außerdem
sind die benötigten
Gummikugeln verhältnismäßig teuer.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Verschließen einer
Behälteröffnung so auszugestalten,
daß ein
zuverlässiger
Verschluß und
eine automatische Verarbeitung möglich
sind und daß die
genannten Nachteile beseitigt werden. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens anzugeben.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe dienen die Merkmale von Patentanspruch 1, von Patentanspruch
14 und von Patentanspruch 26. Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung,
des Verfahrens und der Einrichtung sind Gegenstand der jeweiligen
zugehörigen
Unteransprüche.
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Nach
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß eine Verschlußvorrichtung
zum Verschließen
einer Behälteröffnung einen
Verschlußabschnitt
zum Einführen
in die Behälteröffnung aufweist.
Der Verschlußabschnitt
weist einen inneren Hohlraum und eine elastische Wandung auf, die
den inneren Hohlraum begrenzt und definiert. In der elastischen
Wandung ist eine Durchgangsbohrung vorgesehen, die den inneren Hohlraum
mit dem Außenraum
verbindet. Über
die Durchgangsbohrung kann eine Druckdifferenz zwischen dem inneren
Hohlraum und der Umgebung hergestellt werden, indem zum Beispiel
mit einer Pumpe durch die Durchgangsbohrung Luft aus dem inneren
Hohlraum abgesaugt oder in diesen eingepumpt wird, um einen Unterdruck
bzw. einen Überdruck
zu erzeugen. Es ist bevorzugt, daß der Verschlußabschnitt
nur eine Durchgangsbohrung aufweist, d.h. daß die elastische Wandung des
Verschlußabschnitts
den inneren Formhohlraum mit Ausnahme einer Durchgangsbohrung vollständig umschließt.
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Die
elastische Wandung ist in der Weise geformt und ausgebildet, daß der Verschlußabschnitt
in dem Fall, daß der
Druck im inneren Hohlraum gleich dem Umgebungsdruck ist, in eine
vorbestimmte Form vorgespannt ist, d.h. in eine Form, in die der Verschlußabschnitt
bei einer Verformung durch äußere Kraftein- Wirkung nach Beendigung
der äußeren Krafteinwirkung
durch die von der elastischen Wandung aufgebrachten elastischen
Kräfte
zurückkehrt.
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Ferner
ist die elastische Wandung in der Weise geformt und ausgebildet,
daß der
Verschlußabschnitt
durch Herstellen einer Druckdifferenz zwischen dem inneren Hohlraum
und der Umgebung aus der vorbestimmten Form in einen kontrahierten Zustand
gebracht werden kann, in dem über
die gesamte Länge
des Verschlußabschnitts
entlang zumindest einer Raumrichtung der maximale Querschnittsdurchmesser
des Verschlußabschnitts
bezüglich
dieser Raumrichtung kleiner als in der vorbestimmten Form ist. Mit
anderen Worten weist der Verschlußabschnitt zumindest eine Achse
auf, bezüglich derer
der maximale Querschnittsdurchmesser senkrecht zu dieser Achse kleiner
als der maximale Querschnittsdurchmesser des Verschlußabschnitts
in der vorbestimmten Form bezüglich
derselben Achse ist. Dabei kann sich der maximale Querschnittsdurchmesser
in der vorbestimmten Form und in dem kontrahierten Zustand an unterschiedlichen
Punkten entlang der zumindest einen Raumrichtung oder Achse befinden.
Entscheidend ist, daß der
Verschlußabschnitt
durch diese Ausgestaltung dann, wenn ein Behälter mit einem rohrabschnittförmigen Öffnungsabschnitt
bereitgestellt wird, dessen Durchmesser kleiner als der maximale
Querschnittsdurchmesser in der vorbestimmten Form des Verschlußabschnitts und
größer als
der maximale Querschnittsdurchmesser in dem kontrahierten Zustand
des Verschlußabschnitts
ist, im kontrahierten Zustand – anders
als in der vorbestimmten Form – entlang
der zumindest einen Raumrichtung in den rohrabschnittförmigen Öffnungsabschnitt
eingeführt
werden kann und sich nach Druckausgleich in der Öffnung ausdehnen und dichtend
gegen die Wandung des Öffnungsabschnitts
drücken
kann, um die Öffnung
zuverlässig
zu verschließen.
Dazu muß natürlich die
Form des Verschlußabschnitts
unter Berücksichtigung
seiner elastischen Eigenschaften in geeigneter Weise an die Form
der zu verschließenden Öffnung an gepaßt sein,
damit sich der Verschlußabschnitt
umlaufend an die Öffnungswandung
anlegen kann.
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Diese
Verschlußvorrichtung,
die einen Stopfen darstellt, hat den Vorteil, daß – abhängig von dem Ausmaß der durch
Herstellen einer Druckdifferenz erreichbaren Verringerung des maximalen
Querschnittsdurchmessers – Behälteröffnungen
unterschiedlichen Durchmessers in einfacher und zuverlässiger Weise
automatisch mit hoher Geschwindigkeit verschlossen werden können. Lediglich
während des
Einbringens des Verschlußabschnitts
der Verschlußvorrichtung
in eine Behälteröffnung muß ein Differenzdruck
zwischen innerem Hohlraum und Umgebung aufrecht erhalten werden.
Die eigentliche dichtende Befestigung der Verschlußvorrichtung
in der Behälteröffnung erfolgt
durch Druckausgleich, und im befestigten Zustand muß keine
Druckdifferenz aufrecht erhalten werden. Vielmehr kann der innere
Hohlraum mit der Umgebung über
die Durchgangsbohrung in Verbindung stehen. Die Verformung des Verschlußabschnitts
durch Herstellen einer Druckdifferenz kann in vorteilhafter Weise
schnell und mit hoher Genauigkeit reproduzierbar bewerkstelligt
werden. Durch die mögliche
Durchmesserverringerung während
des Einbringens in die Behälteröffnung kann
Luft bzw. Gas während
des Einbringens an dem Verschlußabschnitt
vorbei aus dem Behälter entweichen,
so daß der
Aufbau eines Überdrucks verhindert
wird. Aufgrund der hohlen Ausgestaltung des Verschlußabschnitts
ist zudem der Materialbedarf bei der Herstellung in vorteilhafter
Weise gering.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Verschlußabschnitt
so ausgestaltet, daß er
bei Herstellung eines Unterdrucks in dem inneren Hohlraum in den
kontrahierten Zustand übergeht.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die Verschlußvorrichtung
von der zur Herstellung des Unterdrucks verwendeten Einrichtung
festgehalten wird und auf diese Weise sicher und einfach transportiert
werden kann. In einer vorteil haften Ausgestaltung ist der Verschlußabschnitt
für Druckwerte
angepaßt,
die im kontrahierten Zustand etwa 10 kPa bis etwa 25 kPa absolut
betragen. Diese Drücke
lassen sich mit üblichen
Injektor-Vakuumpumpen bzw. kleinen Membranpumpen realisieren. Die
Erzeugung geringerer Drücke
führt zwar
zu etwas größeren Kontraktionskräften, erhöht aber
auch die Kosten erheblich. Es ist aber auch möglich, daß der Verschlußabschnitt
so ausgestaltet ist, daß er
bei Herstellung eines Überdrucks
in dem inneren Hohlraum in den kontrahierten Zustand übergeht.
Zweckmäßige Druckwerte
für die Anwendung
von in der Laborautomation verwendeten Probengefäße bzw. -röhrchen betragen etwa 0,15 Mpa
bis etwa 0,25 Mpa. Je nach Art des zu verschließenden Behälters und seiner Wandmaterialien und
Wandstärke
können
aber auch größere Drücke von
Vorteil sein, wie zum Beispiel Drücke bis 0,6 Mpa. Es ist in
jedem Fall darauf zu achten, daß der gewählte Überdruck
nicht zu einer Beschädigung
der zu verschließenden
Behälter
führt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Verschlußabschnitt
in der vorbestimmten Form kugelförmig
oder kugelabschnittförmig.
Zusätzlich oder
unabhängig
davon ist es vorteilhaft, wenn der innere Hohlraum in der vorbestimmten
Form des Verschlußabschnitts
kugelförmig
oder kugelabschnittförmig
ist. Diese Formen sind besonders gut an die üblicherweise kreisförmigen Querschnitte
der in der medizinischen Diagnostik verwendeten zylindrischen Probengefäße angepaßt und stellen
eine in radialer Richtung gleichmäßige Kraftverteilung sicher.
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In
Abhängigkeit
von den Querschnittsformen der zu verschließenden Behälteröffnungen kann es vorteilhaft
sein, wenn der Verschlußabschnitt
in der vorbestimmten Form in der Ebene maximalen Querschnittsdurchmessers
bezüglich
der zumindest einen Raumrichtung einen kreisförmigen Umriß, einen ovalen Umriß, einen
quadratischen Umriß mit
abgerundeten Ecken oder einen rechteckigen Umriß mit abgerundeten Ecken aufweist.
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Der
Verschlußabschnitt
kann beispielsweise so ausgestaltet sein, daß nach dem Druckausgleich eine
Kraft von 1 bis 2 N aufgewendet werden muß, um ihn aus der Öffnung der
Behälter
herauszuziehen, für
deren Verschluß die
Verschlußvorrichtung bestimmt
ist. Für
eine Verschlußvorrichtung,
die für den
Verschluß eines
Glasbehälters
vorgesehen ist und deren Verschlußabschnitt ein Elastomer mit
einem Haftreibungskoeffizienten gegenüber Glas von etwa 0,5 aufweist,
kann demnach eine Gesamtumfangskraft von 2 bis 4 N vorgesehen werden.
Bei den in der Labormedizin vermehrt eingesetzten Probengefäßen aus
Polycarbonat, Polyethylen oder ähnlichen
Kunststoffen variieren die Haftreibungskoeffizienten und somit die
benötigten
Auszugkräfte
dann geringfügig.
Dies ist jedoch für
die praktische Anwendung ohne Bedeutung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Verschlußvorrichtung
einen Ansatz auf, der von dem Verschlußabschnitt ausgeht und durch
den sich die Durchgangsbohrung erstreckt. Mit anderen Worten ist
im Bereich der Durchgangsbohrung ein Vorsprung an dem Verschlußabschnitt
vorgesehen, der sich von dem Verschlußabschnitt nach außen erstreckt
und der eine Bohrung aufweist, die mit der Durchgangsbohrung durch
die elastische Wandung des Verschlußabschnitts in Verbindung steht
oder in diese übergeht.
Ein derartiger Ansatz oder Vorsprung hat den Vorteil der leichteren
Handhabbarkeit in einem automatischen Verfahren, da die Verschlußvorrichtung
an dem Ansatz ergriffen werden kann. So ist es in einfacher Weise
möglich,
die Verschlußvorrichtung
aus einer Behälteröffnung zu
entfernen, wenn der Ansatz nach außen aus der Behälteröffnung vorsteht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Ansatz im entspannten
Zustand bezüglich
der zumindest einen Raumrichtung einen maximalen Querschnittsdurchmesser
auf, der kleiner als der maximale Querschnittsdurchmesser des Verschlußabschnitts
ist.
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Dabei
ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ansatz einstückig mit
dem Verschlußabschnitt ausgebildet.
Auf diese Weise läßt sich
die Verschlußvorrichtung
in besonders einfacher Weise durch Gießen herstellen. Weiterhin ist
es vorteilhaft, wenn der Ansatz rohrförmig ausgebildet ist, wobei
zwecks einfacherer automatischer Handhabung am dem Verbindungsbereich
mit dem Verschlußabschnitt
gegenüberliegenden
Ende des Ansatzes ein Bund vorgesehen sein kann, d.h. der Ansatz
kann flanschförmig ausgebildet
sein. Ein entsprechender Bund weist bei nicht rohrförmiger Ausgestaltung
des Ansatzes dieselben Vorteile auf. In dem Fall eines kugelförmigen oder
kugelabschnittförmigen
Verschlußabschnitts
ist die Verschlußeinrichtung
dann birnenförmig.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist der Verschlußabschnitt
so ausgebildet, daß er
in seiner vorbestimmten Form in der Ebene maximalen Querschnittsdurchmessers
bezüglich
der zumindest einen Raumrichtung einen maximalen Querschnittsdurchmesser
von mindestens 16 mm und bevorzugt ungefähr gleich 16 mm hat. In einer
vorteilhaften Ausführungsform
ist der Verschlußabschnitt
so ausgebildet, daß er
in einen kontrahierten Zustand gebracht werden kann, in dem in der
Ebene maximalen Querschnittsdurchmessers bezüglich der zumindest einen Raumrichtung
der maximale Querschnittsdurchmesser kleiner oder gleich 8,5 mm
und bevorzugt kleiner oder gleich 8 mm ist. Mit den obigen Werten
kann in vorteilhafter Weise eine einzige Verschlußvorrichtung
zum Verschließen
von Behälteröffnungen
mit Innendurchmessern in einem Bereich von etwa 9 mm bis etwa 15
mm eingesetzt werden, wie sie bei Probengefäßen vorkommen, die üblicherweise
in der Laborautomation eingesetzt werden. In jedem Fall reicht bereits
0,5 mm Untermaß gegenüber dem Durchmesser
der Behälteröffnung im
kontrahierten Zustand aus, um ein problemloses Einführen des Verschlußabschnitts
in die Öffnung
zu gewährleisten, und
1 mm Übermaß im vorbestimmten
Zustand reicht – abhängig auch
von den elastischen Eigenschaften – aus, um in jedem Fall einen
sicheren Verschluß zu gewährleisten.
In der Laborautomation liegt der Innendurchmesser der Behälteröffnung derzeit
in den allermeisten Fällen
zwischen 9,5 und 11 mm oder zwischen 13 und 15 mm. Daher ist es
auch möglich, zwei
verschiedene Typen von Verschlußvorrichtung vorzusehen,
von denen einer einen Verschlußabschnitt
mit einem maximalen Querschnittsdurchmesser im kontrahierten Zustand
von maximal 8 mm und bevorzugt ungefähr 8 mm und einem maximalen Querschnittsdurchmesser
in der vorbestimmten Form von mindestens 12 mm und bevorzugt ungefähr 12 mm
aufweist, und von denen der andere einen Verschlußabschnitt
aufweist, für
den die entsprechenden Werte 12 mm und 16 mm betragen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Wandung des Verschlußabschnitts
ein elastomeres Material auf oder besteht aus einem elastomeren Material.
Bevorzugte elastomere Materialien sind Kunststoff, vulkanisierter
Kautschuk oder Silikonkautschuk und Latex. Ein geeignetes Material
ist z.B. der zweikomponentige Silikonkautschuk Elastosil LR, das
von Wacker Chemie erhältlich
ist und von dem spezielle Varianten für medizinische Zwecke verfügbar sind,
die gegen alle üblicherweise
in diesem Bereich vorkommenden Probenmaterialien beständig sind,
eine geringe Gasdurchlässigkeit
aufweisen und die Probe nicht verändern.
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Unter
Verwendung einer derartigen Verschlußvorrichtung können Behälteröffnungen
in vorteilhafter Weise durch das folgende Verfahren verschlossen
werden. Zunächst
werden ein Behälter
mit einer Öffnung,
die einen rohrabschnittsförmigen Öffnungsabschnitt
aufweist, d.h. einen u.U. sehr kurzen Öffnungsabschnitt mit einer
Innenwandung, an die sich der Verschlußabschnitt nach Druckausgleich zum
Verschließen
der Öffnung
dichtend anlegen kann, und eine Verschlußvorrichtung mit der vorstehend
beschriebenen Ausgestaltung bereitgestellt. Dabei wird eine Verschlußvorrichtung
gewählt,
bei der der maximale Quer schnittsdurchmesser des Verschlußabschnitts
bezüglich
der zumindest einen Raumrichtung in der vorbestimmten Form größer als der
Durchmesser des rohrabschnittsförmigen Öffnungsabschnitts
ist. Nur dann kann der Verschlußabschnitt
nach dem Einbringen in kontrahiertem Zustand und der Ausdehnung
bei Druckausgleich die Öffnung
verschließen.
Es ist auch möglich,
Behälter mit
konisch verlaufenden rohrabschnittsförmigen Öffnungsabschnitten zu verschließen. Die
maximal mögliche
Konizität
ist dabei unter anderem vom Reibungskoeffizienten zwischen Gefäß- und Verschlußabschnittmaterial
abhängig,
da der Verschlußabschnitt
bei zu geringer Reibung und/oder zu großer Konizität keine stabile Lage aufweist.
Zur Verbesserung der Lagestabilität des Verschlußabschnitts
können
in der Innenwandung des Öffnungsabschnitts des
Behälters
geeignete Strukturen vorgesehen sein, die zu einem Formschluß des Verschlußabschnitts führen.
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Anschließend wird
die Durchgangsbohrung in der elastischen Wandung des Verschlußabschnitts der
Verschlußvorrichtung
mit einer Einrichtung zum Erzeugen einer Druckdifferenz zwischen
dem inneren Hohlraum des Verschlußabschnitts und der Umgebung
in Verbindung gebracht und in dem inneren Hohlraum des Verschlußabschnitts
in der Weise eine Druckdifferenz zur Umgebung hergestellt, daß der Verschlußabschnitt
in einen kontrahierten Zustand übergeht,
in dem er entlang der zumindest einen Raumrichtung in den rohrförmigen Öffnungsabschnitt eingeführt und
in diesem angeordnet werden kann. Wie oben beschrieben wurde, ist
der Verschlußabschnitt
so ausgebildet, daß er
nur in dem kontrahierten Zustand entlang der zumindest einen vorbestimmten
Raumrichtung in den Öffnungsabschnitt eingeführt werden
kann, da in der vorbestimmten Form sein Durchmesser zu groß ist.
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Schließlich wird
der Verschlußabschnitt
in dem kontrahierten Zustand in dem rohrförmigen Öffnungsabschnitt angeordnet
und der Druckausgleich zwischen dem inneren Hohlraum des Verschlußabschnitts
und der Umgebung hergestellt. Dies bewirkt, daß sich der Verschlußabschnitt
in dem rohrförmigen Öffnungsabschnitt
ausdehnt, dichtend gegen die Wandung des Öffnungsabschnitts drückt und
die Behälteröffnung auf
diese Weise verschließt.
Zur Bewirkung des Druckausgleichs oder nach Herstellung des Druckausgleichs
wird die Einrichtung zum Erzeugen einer Druckdifferenz von der Verschlußvorrichtung getrennt.
Es ist ersichtlich, daß bei
dem Einführen und
Anordnen des im kontrahierten Zustand befindlichen Verschlußabschnitts
die Durchgangsbohrung bevorzugt so angeordnet wird, daß sie auch
bei in der Öffnung
angeordnetem Verschlußabschnitt
von außen
zugänglich
ist.
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Das
Verfahren kann in vorteilhafter Weise für Behälter angewendet werden, deren
rohrförmiger Öffnungsabschnitt
einen kreisförmigen
Querschnitt mit einem Durchmesser von bevorzugt 9 mm bis 15 mm hat.
Derartige Behälter
mit zylindrischer Form werden üblicherweise
in der Labormedizin zur automatischen Verarbeitung verwendet.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens umfaßt das Verbinden
der Durchgangsbohrung in der elastischen Wandung des Verschlußabschnitts
mit einer Einrichtung zum Erzeugen einer Druckdifferenz das Anordnen
einer zu der Einrichtung gehörenden
Leitung durch die Durchgangsbohrung verlaufend in dem inneren Hohlraum,
indem zum Beispiel die Leitung durch die Durchgangsbohrung in den
inneren Hohlraum eingeführt
wird. Die Einrichtung zum Erzeugen einer Druckdifferenz weist somit
beispielsweise eine Pumpe auf, die mit der Leitung in Verbindung
steht, und nach Einführen
der Leitung in den inneren Hohlraum des Verschlußabschnitts kann mit Hilfe
der Pumpe durch die Leitung Luft oder ein anderes Gas oder Gasgemisch
zur Erzeugung eines Unterdrucks aus dem inneren Hohlraum abgepumpt
oder zur Erzeugung eines Überdrucks
in den inneren Hohlraum gepumpt werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung
hat die Leitung oder eine Endabschnitt der Leitung die Form einer Hohlnadel.
Die Erzeugung eines Unterdrucks hat den Vorteil, daß die Verschlußvorrichtung
an der Leitung festgehalten wird und ohne weitere Befestigungsmaßnahmen
mit Hilfe der Leitung bewegt werden kann. In jedem Fall kann die
Leitung dazu verwendet werden, die Verschlußvorrichtung der Behälteröffnung zuzuführen und
sie in dieser anzuordnen. Dazu muß die Leitung selbst bewegbar
ausgestaltet sein.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Verschlußvorrichtung
in der folgenden Weise bereitgestellt. Zunächst wird ein flüssiges Material,
das durch Verfestigung in ein elastomeres Material überführt werden
kann, in den Hohlraum einer Form eingebracht. Dies kann beispielsweise durch
eine Leitung oder Düse
erfolgen, die in den Formhohlraum hineinbewegt und aus diesem zurückgezogen
werden kann oder über
dem Formhohlraum angeordnet ist oder werden kann. Anschließend wird das
flüssige
Material in dem Hohlraum der Form in der Weise zu einem elastomeren
Material verfestigt, daß sich
das flüssige
Material von außen
nach innen verfestigt, d.h. beginnend von der Wandung des Formhohlraums.
Dann wird eine Leitung oder Blasdüse während der Verfestigung in dem
noch flüssigen
Teil des Materials angeordnet bzw. in diesen eingeführt, d.h.
in den Innenbereich des Materials in dem Formhohlraum, das außen bereits
verfestigtes Material und innen noch flüssiges Material umfaßt. Durch
diese Leitung oder Blasdüse
wird während
der Verfestigung ein Gas in den Formhohlraum geleitet, so daß sich in
dem noch flüssigen
Teil des Materials ein gasgefüllter
Hohlraum ausbildet, der nach der vollständigen Verfestigung zu einem
elastomeren Material den inneren Hohlraum des Verschlußabschnitts
bildet. Auf diese Weise entsteht die Verschlußvorrichtung mit ihrem in dem
Verschlußabschnitt
angeordneten inneren Hohlraum und gegebenenfalls weiteren Abschnitten
und Teilen der Verschlußvorrich tung,
wie zum Beispiel dem oben beschriebenen Ansatz oder Vorsprung. Dadurch,
daß sich
nach der vollständigen
Verfestigung die Leitung oder Blasdüse noch durch einen Bereich
der Verschlußvorrichtung
und eine Wandung des Verschlußabschnitts
in den inneren Hohlraum erstreckt, wird ohne weiteres auch die Durchgangsbohrung
ausgebildet. Auch wenn die oben beschriebene Verwendung zweier separater
Leitungen vorteilhaft ist, ist es aber auch möglich, daß die eine einzige Leitung
bzw. Düse
zum Einbringen des flüssigen
Materials in den Formhohlraum und zum Durchleiten eines Gases zur Erzeugung
des gasgefüllten
Hohlraums verwendet wird. Es ist ersichtlich, daß in diesem Fall das Anordnen
der Leitung zum Durchleiten eines Gases nicht durch Einführen in
den Formhohlraum in dem flüssigen
Material angeordnet werden muß,
da dieser Schritt bereits durch das Anordnen der Fülleitung
in dem Formhohlraum vorgenommen wird. Schließlich wird die Verschlußvorrichtung
aus der Form entfernt. Dies kann in vorteilhafter Weise dadurch
geschehen, daß der
Verschlußabschnitt
durch Herstellen eines Unterdrucks in seinem inneren Hohlraum in
einen kontrahierten Zustand gebracht wird, so daß die Verschlußvorrichtung
durch die Öffnung
des Formhohlraums aus diesem herausgezogen werden kann. Dieser Vorgang
kann ggf. durch eine Einblasen von Gas oder Luft durch eine oder
mehrere in den Formhohlraum mündende
Bohrungen unterstützt
werden, die sich z.B. im Formboden befinden können.
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Bei
dieser Ausgestaltung des Verfahrens ist es besonders vorteilhaft,
wenn die Leitung oder Blasdüse
zum Durchleiten eines Gases zur Ausbildung des gasgefüllten Hohlraums
auch zum Herstellen einer Druckdifferenz zum Überführen des Verschlußabschnitts
in den kontrahierten Zustand verwendet wird. Auf diese Weise wird
vermieden, daß die
Leitung oder Blasdüse
zunächst
aus dem inneren Hohlraum der Verschlußvorrichtung vollständig zurückgezogen
und von der Verschlußvorrichtung
gelöst
und anschließend
eine neue Leitung durch die Durchgangsbohrung in den inneren Hohlraum
eingeführt werden
muß. Diese
Ausge staltung verringert in vorteilhafter Weise die Anzahl erforderlicher
Schritte und Teile der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und gewährleistet
eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit. In diesem Fall erfolgt das
Anordnen einer Leitung zur Herstellung einer Druckdifferenz in dem
inneren Hohlraum nicht durch Einführen dieser Leitung, sondern
wird bereits durch das Anordnen der Blasdüse bis zum Abschluß der Verfestigung
vorgenommen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist das flüssige Material
ein einkomponentiges, heißvulkanisierendes
Material, und die Form wird auf eine Temperatur oberhalb der Vulkanisierungstemperatur
des Materials erwärmt,
so daß sich das
flüssige
Material im Inneren des Hohlraums der Form von der Hohlraumwandung
aus verfestigt. Alternativ kann das flüssige Material zwei Komponenten
aufweisen, die gleichzeitig oder nacheinander in den Hohlraum der
Form eingebracht werden und ein vulkanisierendes Gemisch bilden,
und die Form wird auf eine Temperatur erwärmt, die so gewählt ist,
daß sich
das flüssige
Material im Inneren des Hohlraums der Form von der Hohlraumwandung
aus verfestigt.
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Zur
Erhöhung
der Verarbeitungsgeschwindigkeit ist es vorteilhaft, das Verfahren
so auszugestalten, daß eine
Vielzahl von Behälteröffnungen gleichzeitig
mit einer entsprechenden Vielzahl von Verschlußvorrichtungen verschlossen
wird. Mit anderen Worten wird in einem Schritt ein Vielzahl von
Verschlußvorrichtungen
gleichzeitig einer entsprechenden Anzahl von Behälteröffnungen zugeführt und
jeweils eine der Verschlußvorrichtungen
in jeweils einer Behälteröffnung angeordnet.
Dabei wird für
jede einzelne der Verschlußvorrichtungen
das oben beschriebene Verfahren durchgeführt. In dieser Verfahrensausgestaltung
wird eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit durch parallele Verarbeitung
mehrerer Behälter
erreicht.
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In
diesem Fall, und insbesondere bei Verwendung vorgefertiger Verschlußvorrichtungen,
ist es besonders vorteilhaft, wenn die Vielzahl von Verschlußvorrichtungen
als Einheit bereitgestellt wird, in der jeweils zwei benachbarte
Verschlußvorrichtungen
durch einen Verbindungsabschnitt miteinander verbunden sind, wobei
zwischen dem Verbindungsabschnitt und jedem der beiden Verschlußvorrichtungen
eine Sollbruchstelle vorgesehen ist, so daß die Verschlußvorrichtungen
aus der Einheit gelöst
werden können.
So können
die Verschlussvorrichtungen beispielsweise als Rollenware bereitgestellt
werden. Das Lösen
der Verschlußvorrichtungen
aus der Einheit kann beispielsweise durch Stempel erfolgen, die auf
die über
den jeweiligen Behälteröffnungen
angeordneten Verschlußvorrichtungen
drücken,
diese in die jeweilige Öffnung
hineindrücken
und dabei die Sollbruchstellen durchtrennen.
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Ferner
ist es in diesem Fall vorteilhaft, wenn die Einrichtung zum Erzeugen
einer Druckdifferenz eine Vielzahl von Leitungen umfaßt, die
gleichzeitig durch die Durchgangsbohrungen in der elastischen Wandung
der Verschlußabschnitte
einer entsprechenden Vielzahl der Verschlußvorrichtungen in deren innere
Hohlräume
eingeführt
werden, um die Durchgangsbohrungen mit der Einrichtung zum Erzeugen
einer Druckdifferenz zu verbinden.
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Schließlich ist
es in diesem Fall und bei der Herstellung von Verschlussvorrichtungen
in einer Form unmittelbar vor dem Verschließen von Behälteröffnungen vorteilhaft, wenn
die Form eine der Vielzahl von Verschlußvorrichtungen entsprechende Vielzahl
von Hohlräumen
aufweist, in die das flüssige Material
gleichzeitig eingefüllt
und verfestigt wird. Dann wird eine der Vielzahl von Verschlußvorrichtungen
entsprechende Vielzahl von Leitungen gleichzeitig in die Hohlräume der
Form eingeführt,
um in jedem Hohlraum der Form in dem noch flüssigen Material einen gasgefüllten Hohlraum
zu bilden und anschließend
Unterdrücke
zu erzeugen, um die Verschlußvorrichtungen
in den kontrahierten Zustand zu bringen. Der letztere Schritt kann
auch mit Hilfe separater Leitungen durchgeführt werden. Auf diese Weise
wird gleichzeitig eine Vielzahl in eine entsprechende Vielzahl von
Behälteröffnungen
einzuführende Verschlußvorrichtungen
hergestellt.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren kann in vorteilhafter Weise mit
einer im folgenden beschriebenen Einrichtung zum Verschließen einer
Behälteröffnung durchgeführt werden.
Eine solche Einrichtung weist eine Behälteraufnahmeeinrichtung zum
Anordnen eines Behälters
mit einer zu verschließenden
Behälteröffnung in
einer vorbestimmten Position auf. Ferner weist die Einrichtung eine
Zuführeinrichtung
zum Zuführen
einer Verschlußvorrichtung zu
der Öffnung
eines in der Behälteraufnahmeeinrichtung
angeordneten Behälters
und zum Einbringen der Verschlußvorrichtung
in die Öffnung
und eine Einrichtung zum Erzeugen einer Druckdifferenz zwischen
dem inneren Hohlraum des Verschlußabschnitts einer von der Zuführeinrichtung
zugeführten Verschlußvorrichtung
und der Umgebung auf. Dabei umfaßt die Einrichtung zum Erzeugen
einer Druckdifferenz ein Mittel, mit dem die Einrichtung zum Erzeugen
einer Druckdifferenz mit der Durchgangsbohrung in der elastischen
Wandung des Verschlußabschnitts der
Verschlußvorrichtung
in Verbindung gebracht und von ihr gelöst werden kann. Außerdem ist
eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, die angepaßt ist, um
die Zu führeinrichtung
und die Einrichtung zum Erzeugen einer Druckdifferenz in der Weise
zu steuern, daß die
Einrichtung zum Erzeugen einer Druckdifferenz vor dem Einbringen
einer Verschlußvorrichtung
in die zu verschließende Öffnung eines
in der Behälteraufnahmeeinrichtung
angeordneten Behälters
mit der Durchgangsbohrung der Verschlußvorrichtung in Verbindung
gebracht und zwischen dem inneren Hohlraum der Verschlußvorrichtung
und der Umgebung eine Druckdifferenz hergestellt und gehalten wird,
um die Verschlußvorrichtung
während des
Einbringens der Verschlußvorrichtung
in die Öffnung
in einem kontra hierten Zustand zu halten. Ferner ist die Steuerungseinrichtung
angepaßt,
um die Einrichtung zum Erzeugen einer Druckdifferenz in der Weise
zu steuern, dass sie nach dem Einbringen der Verschlußvorrichtung
in die zu verschließende Öffnung von
der Durchgangsbohrung der Verschlußvorrichtung gelöst wird,
um in dem inneren Hohlraum den Druckausgleich herzustellen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist eine solche Einrichtung zum Verschließen einer Behälteröffnung eine
Form mit einem Hohlraum, eine Leitung, die in den Hohlraum der Form
eingeführt
und aus diesem zurückgezogen
werden kann und angepaßt
ist, um ein flüssiges
Material, das durch Verfestigung in ein elastomeres Material überführt werden kann,
in den Hohlraum der Form einzubringen, eine Leitung, die in den
Hohlraum der Form eingeführt
und aus diesem zurückgezogen
werden kann und angepaßt
ist, um nach dem Einbringen eines flüssigen Materials, das durch
Verfestigung in ein elastomeres Material überführt werden kann, in den Hohlraum
der Form während
der Verfestigung des flüssigen
Materials ein Gas in das noch flüssige
Material einzuleiten, so daß sich
ein gasgefüllter
Hohlraum ausbildet, und eine Erwärmungseinrichtung
zum Erwärmen
der Form auf eine vorbestimmte Temperatur auf. Dabei ist die Steuerungseinrichtung
angepaßt,
um die Leitung zum Einbringen des flüssige Material in den Hohlraum
der Form in den Hohlraum einzuführen, das
flüssige
Material einzubringen und die Leitung zurückzuziehen. Ferner ist die
Steuerungseinrichtung angepaßt,
um die Leitung oder Blasdüse
zum Einleiten von Gas in den Hohlraum der Form nach dem Einbringen
des flüssigen
Materials und während der
Verfestigung in das flüssige
Material in dem Formhohlraum einzuführen und Gas durch die Leitung
oder Blasdüse
zu leiten. Schließlich
ist die Steuerungseinrichtung angepaßt, um die Erwärmungseinrichtung
zu steuern, und die Form auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen.
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In
diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Leitung zur Durchleitung
eines Gases ein Teil der Einrichtung zum Erzeugen einer Druckdifferenz
ist und die Einrichtung zum Erzeugen einer Druckdifferenz und die
Steuerungseinrichtung angepaßt
sind, um nach der Ausbildung einer Verschlußvorrichtung in dem Hohlraum
der Form in dem inneren Hohlraum des Verschlußabschnitts der Verschlußvorrichtung eine
Druckdifferenz zur Umgebung herzustellen, durch die die Verschlußvorrichtung
in den kontrahierten Zustand gebracht wird. Alternativ weist die
Einrichtung zum Erzeugen einer Druckdifferenz eine separate Leitung
auf, die durch die Durchgangsbohrung einer von der Zuführeinrichtung
zugeführten Verschlußvorrichtung
in deren inneren Hohlraum eingeführt
werden und aus diesem zurückgezogen
werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Einrichtung zum Verschließen einer
Behälteröffnung ist die
Behälteraufnahmeeinrichtung
angepaßt,
um gleichzeitig eine Vielzahl von Behältern mit einer zu verschließenden Behälteröffnung in
vorbestimmten Positionen anzuordnen. Die Zuführeinrichtung ist angepaßt, um den Öffnungen
einer Vielzahl von in der Behälteraufnahmeeinrichtung
angeordneten Behältern
unter der Steuerung der Steuerungseinrichtung gleichzeitig eine
entsprechende Vielzahl von Verschlußvorrichtungen zuzuführen und
diese in die Öffnungen
einzubringen. Die Einrichtung zum Erzeugen einer Druckdifferenz
ist angepaßt,
um unter der Steuerung der Steuerungseinrichtung gleichzeitig mit
den Durchgangsbohrungen einer der Vielzahl in der Behälteraufnahmeeinrichtung
angeordneter Behälter entsprechenden
Vielzahl von der Zuführeinrichtung zugeführter Verschlußvorrichtungen
in Verbindung gebracht zu werden und eine Druckdifferenz zwischen
den inneren Hohlräumen
der Verschlußvorrichtungen
und der Umgebung herzustellen und um von den Durchgangsbohrungen
gelöst
zu werden.
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In
diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Form ein Vielzahl von Hohlräumen zur
Ausbildung einer Vielzahl von Verschlußvorrichtungen aufweist und
eine der Vielzahl von Formhohlräumen
entsprechende Vielzahl von Leitungen vorgesehen ist, die gleichzeitig
jeweils in einen Formhohlraum eingeführt und aus diesem zurückgezogen
werden können
und angepaßt
sind, um gleichzeitig ein flüssiges
Material, das durch Verfestigung in ein elastomeres Material überführt werden
kann, in den jeweiligen Hohlraum der Form einzubringen. Ferner ist
eine der Vielzahl von Formhohlräumen
entsprechende Vielzahl von Leitungen vorgesehen, die gleichzeitig
jeweils in einen Formhohlraum eingeführt und aus diesem zurückgezogen
werden können
und angepaßt
sind, um gleichzeitig nach dem Einbringen eines flüssigen Materials,
das durch Verfestigung in ein elastomeres Material überführt werden
kann, in die Formhohlräume
während
der Verfestigung des flüssigen
Materials ein Gas in das noch flüssige
Material einzuleiten, so daß sich
jeweils ein gasgefüllter
Hohlraum ausbildet.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
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1 zeigt
einen ersten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verschließen einer Behälteröffnung.
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2 zeigt
einen weiteren Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verschließen einer
Behälteröffnung.
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3 zeigt
einen weiteren Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verschließen einer
Behälteröffnung.
-
4 zeigt
einen weiteren Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verschließen einer
Behälteröffnung.
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5 zeigt
einen weiteren Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verschließen einer
Behälteröffnung.
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6 zeigt
eine Einrichtung zur automatischen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Verschließen
einer Behälteröffnung.
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In
den 1 bis 5 ist ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt, in dem eine Verschlußvorrichtung in Form eines
Stopfens unmittelbar vor ihrer Verwendung zum Verschließen der
rohrabschnittförmigen Öffnung eines
in der Labormedizin verwendeten Probenbehälters hergestellt wird. In
einem ersten, in 1 gezeigten Schritt wird eine
hohlnadelförmige
Düse 1 in einen
um eine Achse 2 rotationssymmetrischen Hohlraum 3 einer
Form 4 hineinbewegt und mit ihrer Hilfe ein flüssiges,
vulkanisierbares Polymer oder ein flüssiges Polymervorprodukt 5 in
den Hohlraum 3 eingebracht. Mögliche Materialien sind einkomponentige,
heißvulkanisierende
Produkte wie zum Beispiel Kautschuk, Latex oder Silikonkautschuk.
In jedem Fall ist unabhängig
von dem speziellen Ausführungsbeispiel
darauf zu achten, daß das
Material vor der Vulkanisation bzw. Polymerisation fließfähig und von
nicht zu hoher Viskosität
ist. Auch zweikomponentige Materialien können verwendet werden, wobei
die beiden Komponenten dann bevorzugt mittels einer auswechselbaren
Mischdüse
in die Form eingebracht werden. Die Viskosität eines vorteilhaften unvulkanisierten
Polymers beträgt
etwa 103 bis etwa 106 mPa
s. Wie bereits oben angegeben wurde, ist ein geeigneter heißvulkanisierender
zweikomponentiger Silikonkautschuk Elastosil LR, das von Wacker Chemie
erhältlich
ist. Elastosil LR weist im gemischten Zustand eine relativ hohe
Viskosität
von 500 Pa s auf, so daß zum
Einbringen des gemischten Materials in den Hohlraum der Form und
zur Erzeugung des gasgefüllten
Hohlraums in der flüssigen
Phase relativ hohe Drücke
von mehr als 10 bar notwendig sind. Bevorzugte Materialien weisen
eine Polymerisations- bzw. Vulkanisierungsgeschwindigkeit von etwa
0,2 mm/s bei 190°C
auf. Diese Materialien sind für
alle Ausführungsformen
der Erfindung von Vorteil.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, ist der Hohlraum 3 annähernd birnenförmig und
weist einen kugelabschnittförmigen,
in 1 unteren Abschnitt 3a und einen sich
in 1 nach oben anschließenden zylindrischen Abschnitt 3b auf.
Während
des gesamten Verfahrens wird die Form 4 mit Hilfe einer
in 1 nicht dargestellten thermostatgesteuerten Heizung
dauerhaft auf eine Temperatur erwärmt, die eine Verfestigung
des flüssigen
Materials 5 durch Vulkanisation bzw. Polymerisation innerhalb
weniger Sekunden ermöglicht.
Für Kautschuk
beträgt
eine geeignete Temperatur 150 bis 200°C. Die schnelle Verfestigung
innerhalb weniger Sekunden ist von großer Bedeutung, da zum Beispiel
in der Labormedizin der gesamte Verschlußvorgang einschließlich der
Herstellung der Verschlußvorrichtungen
in einem automatisierten Verfahren nicht mehr als fünf Sekunden
betragen sollte.
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Die
Fülldüse 1 wird
nur zum Einbringen des flüssigen
Materials 5 kurzzeitig in die in 1 gezeigt Position
in den Hohlraum 3 eingeführt und anschließend sofort
wieder zurückgezogen.
Es ist aber auch möglich,
daß die
Fülldüse 1 so
ausgestaltet ist, daß sie
auch die Funktionen der weiter unten beschriebenen Leitung 6 übernimmt.
Dann muß keine
separate Leitung 6 vorgesehen werden, und eine solche Fülldüse verbleibt
nach dem Einbringen des flüssigen Materials
in dem Hohlraum 3. In jedem Fall wird der Hohlraum 3 nicht
vollständig
mit dem flüssigen
Material 5 gefüllt,
sondern lediglich bis zu etwa ¾ der Höhe des kugelabschnittförmigen Hohlraumabschnitts 3a.
Ferner wird bei dem Einfüllvorgang
bei Verwendung einer von der Fülldüse 1 separaten
Leitung 6 darauf geachtet, daß die Fülldüse 1 nicht in das
flüssige
Material 5 eintaucht, um – insbesondere in Betriebspausen – eine Verfestigung
des Materi als 5 in der Düse 1 infolge einer
Erwärmung der
Düse 1 zu
vermeiden. Die Dosierung des eingebrachten Materials 5 kann
beispielsweise durch Druckluftbeaufschlagung des Vorratsbehälters oder der
Vorratsbehälter
für das
flüssige
Material 5, durch geeignete Dosierpumpen (z. B. Kolben-,
Zahnrad-, Drehflügeloder
Peristaltikpumpen) oder – insbesondere
bei im flüssigen
Zustand hochviskosen Materialien – durch Förderschnecken erfolgen, wie
sie bei Spritzgießmaschinen
Verwendung finden.
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Aufgrund
der Erwärmung
der Form 4 auf eine geeignete Temperatur erwärmt sich
das flüssige Material 5 unmittelbar
nach dem Einbringen in den Hohlraum 3 durch den Kontakt
mit der Form von außen
beginnend. Dementsprechend verfestigt sich das flüssige Material 5 von
außen
nach innen beginnend an der Wandung des Hohlraums, so daß sich in einer
Zwischenstufe radial außen
im Bereich der Hohlraumwandung ein bereits verfestigter Bereich ausbildet,
während
das Material 5 in einem inneren Bereich noch flüssig ist.
Im weiteren Verlauf wächst der
verfestigte Bereich nach innen auf Kosten des flüssigen Bereichs.
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Noch
bevor die Verfestigung mehr als etwa 1 mm von der Wandung des Hohlraums 3 der
Form 4 fortgeschritten ist, wird nach dem Zurückziehen
der Fülldüse 1 aus
dem Hohlraum 3 eine hohlnadelförmige Leitung 6 entlang
der Achse 2 in den Hohlraum 3 der Form 4 eingeführt. Dies
ist in 2 dargestellt. Wie 2 zu entnehmen
ist, wird die Leitung 6 durch den zylindrischen Hohlraumabschnitt 3b so
weit in den Hohlraum 3 eingeführt, daß ihr vorderes Ende 6a ungefähr in dem
Mittelpunkt des kugelabschnittförmigen
Hohlraumabschnitts 3a angeordnet ist. Dieses Ende 6a befindet
sich dann in dem noch flüssigen Bereich
des Materials 5. Anschließend wird mit Hilfe eines (nicht
dargestellten) elektronisch gesteuerten Magnetventils und eines
Druckreglers dosiert Luft durch die Leitung 6 geleitet,
so daß sich
um ihr Ende 6a in dem noch flüssigen Bereich des Materials 5 eine
Luftblase 7 ausbildet und das durch diese verdräng te Material 5 in
dem Formhohlraum 3 nach oben steigt und auch den Hohlraumabschnitt 3b vollständig ausfüllt.
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Die
Leitung 6 ist mit einer, beispielsweise kreisförmigen,
Platte 8 versehen, die als Anschlag zur einfachen Positionierung
des Endes 6a der Leitung 6 dient. Dabei ermöglicht der
zwischen Platte 8 und der oberen Oberfläche 9 der Form 4 verbleibende
Spalt 10 das Austreten von aus dem Formhohlraum 3 verdrängter Luft,
falls die durch die Leitung 6 eingebrachte Luftmenge zu
groß war,
jedoch nicht das Austreten des flüssigen Materials 5.
Die Luftzufuhr wird während
des gesamten weiteren Verfestigungsvorgangs so gesteuert, daß sich nach
dessen Beendigung ein fester, elastischer Stopfen 11 mit
der in 2 gezeigten Form und gummiähnlicher Konsistenz ausgebildet
hat. Dieser Stopfen 11 weist einen kugelabschnittförmigen,
in 2 unteren Abschnitt 11a mit einem inneren,
gasgefüllten
Hohlraum 12 und einen rohrförmigen, in 2 oberen
Abschnitt 11b auf. Der Hohlraum 12 ist mit Ausnahme
einer Bohrung 13a vollständig durch eine Wandung 14 umschlossen.
Diese Bohrung 13a ist einteilig mit einer Bohrung 13b in
dem Stopfenabschnitt 11b ausgebildet. Die Bohrung 13a, 13b verläuft entlang
der Achse 2. Da sich der Stopfen 11 um die Leitung 6 gebildet hat,
verläuft
die Leitung 6 durch die Bohrung 13a, 13b,
die sich in den Hohlraum 12 des Stopfens 11 erstreckt.
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Der
Stopfen 11 weist aufgrund seiner elastischen Ausgestaltung
eine vorbestimmte Form auf, die der in 2 gezeigten
entspricht und die der Stopfen 11 bei einem Fehlen äußerer Kräfte annimmt. 3 zeigt
die Entnahme des Stopfens 11 aus der Form 4. Zu
diesem Zweck wird die Leitung 6 mit Hilfe einer geeigneten
Pumpe (nicht gezeigt) mit Unterdruck beaufschlagt, so daß Luft aus
dem Stopfenhohlraum 12 abgesaugt wird. Dadurch geht der Stopfen 11 oder
genauer sein Abschnitt 11a aus der in 2 gezeigten
Gleichgewichtsform in den in 3 gezeigten
kontrahierten Zustand über.
In diesem kontrahierten Zu stand verschwindet der innere Hohlraum 12 nahezu
vollständig,
und die Wandung 14 des Stopfenabschnitts 11a legt
sich an die Leitung 6 an. Entscheidend ist, daß der Stopfen 11 so
ausgestaltet ist, daß sich
der maximale Querschnittsdurchmesser bezüglich der Achse 2,
d.h. der maximale Querschnittsdurchmesser in den Ebenen senkrecht zu
der Achse 2, gegenüber
der Gleichgewichtsform der 2 verkleinert.
Wie aus 3 ersichtlich ist, ist er dann
geringer als der Querschnittsdurchmesser des zylindrischen Stopfenabschnitts 11b,
so daß der Stopfen 11 durch
Verfahren der Leitung 6 entlang der Achse 2 nach
oben durch den Formhohlraumabschnitt 3b aus dem Formhohlraum 3 herausbewegt
werden kann. Um die Trennung des Stopfens 11 von der Form 4 zu
erleichtern, kann zusätzlich
Luft oder ein anderes Gas durch die im Boden der Form 4 vorgesehene
Belüftungsbohrung 15 in
den Formhohlraum 3 eingeblasen werden.
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Im
folgenden wird die Unterdruckbeaufschlagung der Leitung 6 aufrecht
erhalten. Dadurch wird der Stopfen 11 im kontrahierten
Zustand sicher an der Leitung 6 festgehalten und kann durch
Verfahren der Leitung 6 transportiert und in ein zu verschließendes Probengefäß eingebracht
werden (siehe 4). Der Stopfen 11 wird
im kontrahierten Zustand in dem rohrabschnittförmigen Öffnungsabschnitt 16a des Probengefäßes 16 angeordnet.
Die Stopfendimensionen im kontrahierten Zustand sind so gewählt, daß der Stopfen 11 aufgrund
des im kontrahierten Zustand verringerten Querschnittsdurchmessers
des Stopfenabschnitts 11a ohne weiteres in das Gefäß 16 eingeführt werden
kann und daß zwischen
dem Stopfen 11 und der Wandung des Gefäßes 16 ein Zwischenraum 17 besteht,
durch den durch das Einbringen des Stopfens 11 aus dem
Gefäß 16 verdrängte Luft
entweichen kann und ein Überdruck
in dem Gefäß 16 verhindert
wird.
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Anschließend wird
die Leitung 6 mit der Umgebung verbunden oder, zur Beschleunigung
des Druckausgleichs und ggf. zum zu verlässigeren Herausziehen der Leitung 6,
mit Druckluft beaufschlagt, so daß sich der Stopfenabschnitt 11a ausdehnt
und sich seine Wandung 14, wie in 5 gezeigt
ist, an die Innenwandung des Probengefäßes 16 anlegt. Die Stopfendimensionen
sind so gewählt,
daß der
maximale Querschnittsdurchmesser bezüglich der Achse 2 in
der Gleichgewichtsform der 2 kleiner
als der Durchmesser des Öffnungsabschnitts 16a des
Gefäßes 16 ist.
Auf diese Weise wird der Stopfen 11 nach Herstellen des
Druckausgleichs zwischen dem inneren Stopfenhohlraum 12 und
der Umgebung außerhalb
des Probengefäßes 16 durch
seinen Abschnitt 11a sicher in dem Probengefäß 16 festgehalten,
und der Abschnitt 11a verschließt das Probengefäß 16 dicht.
Der Abschnitt 11a bildet daher einen Verschlußabschnitt
des Stopfens 11. 5 zeigt
den Zustand nach Herstellen des Druckausgleichs. Nun kann die Leitung 6 mit
der Platte 8 aus dem das Probengefäß 16 verschließenden Stopfen 11 herausgezogen
werden. Um die Trennung des Stopfens 11 von der Platte 8 zu
erleichtern, können
an deren Unterseite zusätzliche
Ausblasöffnungen
(nicht dargestellt) vorgesehen sein, die beim Herausziehen der Leitung 6 aus
dem Stopfen 11 ebenfalls mit Druckluft beaufschlagt werden.
Nach der Entfernung der Leitung 6 aus dem Stopfen 11 ist
dessen innerer Hohlraum 12 über die Bohrungen 13a, 13b mit
der Umgebung verbunden.
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Zur
Erhöhung
der in einem gegebenen Zeitintervall erzeugten Stopfenanzahl (insbesondere
bei relativ langen Vulkanisierungs- bzw. Polymerisationszeiten)
ist es möglich,
in der Form 4 mehrere, in einer Linie oder einer zweidimensionalen
Matrix angeordnete Formhohlräume
vorzusehen und über
einer solchen Form ebenso viele und entsprechend angeordnete Fülldüsen 1 und
Leitungen 6 vorzusehen, mit denen gleichzeitig in jedem
Formhohlraum in der oben beschriebenen Weise ein Stopfen 11 hergestellt werden
kann. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind dann alle Fülldüsen 1 und
alle Leitungen 6 an einem gemeinsamen Träger montiert,
die Fülldüsen 1 in
einer und die Leitun gen 6 in einer benachbarten Linie oder
Matrix. Der Träger
kann automatisch sowohl nach oben und unten parallel zu den Achsen 2 der einzelnen
Formhohlräume 3,
als auch seitlich senkrecht zu diesen Achsen bewegt werden. Alle
Leitungen 6 sind bevorzugt an eine gemeinsame Druckluft- bzw.
Saugleitung angeschlossen. Die Fülldüsen 1 müssen ggf.
durch je eine Dosiereinheit beschickt werden. Mit dieser Anordnung
ist es möglich,
mehrere Stopfen gleichzeitig herzustellen und in die Probengefäße einzuführen, so
daß mehrere
Probengefäße parallel
verarbeitet werden können.
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In 6 ist
schematisch ein Ausführungsbeispiel
einer Einrichtung bzw. Apparatur 18 zur Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
gezeigt. Die im wesentlichen hohlzylindrischen zu verschließenden Probengefäße 16 sind
in einer Aufnahmevorrichtung 19 angeordnet, die als Halte-
und Transportvorrichtung dient und beispielsweise als Förderkette oder
Racktransportsystem ausgestaltet sein kann. Die Aufnahmevorrichtung 19,
von der in 6 ein Ausschnitt gezeigt ist,
kann zur Erfüllung
dieser Funktionen mit Hilfe eines Antriebs 20 in die durch
einen Pfeil gekennzeichnete Richtung bewegt werden. In 6 sind
die rechten beiden Probengefäße 16 bereits
mit Stopfen 11 verschlossen, und die Probengefäße weisen
unterschiedliche Querschnittsdurchmesser auf, werden aber mit identischen
Stopfen 11 verschlossen.
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Zur
Herstellung der Stopfen 11 unmittelbar vor ihrer Verwendung
weist die Einrichtung 18, wie bereits unter Bezugnahme
auf die 1 bis 5 beschrieben,
eine Form 4 mit einem birnenförmigen Hohlraum 3 auf.
Zur Erwärmung
der Form 4 auf eine gewünschte
Temperatur ist eine geregelte Heizung 21 vorgesehen. Eine über dem
Formhohlraum 3 angeordnete Mischdüse 1 dient zur Befüllung des Formhohlraums 3 mit
zwei flüssigen
Polymerkomponenten, die der Mischdüse 1 aus zwei Vorratsbehältern 22a, 22b über Leitungen 23 bzw. 24 und
Dosierpumpen 25a bzw. 25b zugeführt werden
können.
Die Mischdüse 1 ist
mit Hilfe eines Antriebs 26 verfahr- und/oder verschwenkbar,
um die Mischdüse 1 in
den Formhohlraum 3 hinein und aus diesem heraus bewegen
zu können
und eine Kollision mit der Leitung 6 zu vermeiden. In diesem
Ausführungsbeispiel
muß die
Mischdüse 1 aber
nicht zwingend in den Formhohlraum 3 hineinbewegt werden
können,
sondern es reicht aus, wenn sie so über dem Formhohlraum 3 angeordnet
ist, daß das
flüssige
Material eingebracht werden kann. Zur Erleichterung des Lösens eines fertig
ausgebildeten Stopfens 11 aus der Form 4 weist
diese in ihrem Boden eine Bohrung 15 auf, über die
mit Hilfe einer Druckgasversorgung 27, die z.B. durch einen
an eine Druckluftversorgung angeschlossenen Druckregler gebildet
werden kann, und eines Magnetventils 28 Gas von unten in
den Formhohlraum 3 eingeblasen werden kann.
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Die
Einrichtung 18 weist ferner eine mit einer Anschlagplatte 8 versehene
Hohlnadel 6 auf, die über
zwei Magnetventile 29 und 30 wahlweise mit einer
Druckgasversorgung 31, z.B. in Form eines an eine Druckluftversorgung
angeschlossenen Druckreglers, oder einer Unterdruckquelle 32,
z.B. in Form einer Vakuumpumpe, verbunden werden kann. Die Hohlnadel 6 kann
mit Hilfe eines Antriebs 33a in horizontaler Richtung (in 6)
und mit Hilfe eines Antriebs 33b in senkrechter Richtung
verfahren werden, um die Hohlnadel 6 zwischen der Form 4 und
einem zu verschließenden
Probengefäß 16 hin-
und herzubewegen und die Hohlnadel 6 in den Formhohlraum 6 und
den Öffnungsabschnitt 16a eines
Probengefäßes 16 hinein
und aus diesen herauszubewegen.
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Der
Antrieb 20, die Heizung 21, die Dosierpumpen 25a, 25b,
der Antrieb 26, die Magnetventile 28, 29 und 30 und
die Antriebe 33a, 33b sind, beispielsweise über Leitungen
oder drahtlos, mit einer gemeinsamen Steuerungseinrichtung 34 verbunden, die
angepaßt
ist, um ihren Betrieb zur Ausführung des
erfindungs gemäßen Verfahrens
zu steuern. In einem Verfahrenszyklus steuert die Steuerungseinrichtung 34 die
Heizung 21, um die Form 4 auf eine vorbestimmte
Temperatur von z.B. 190°C
zu erwärmen, und
den Antrieb 26, um die Mischdüse 1 in den Formhohlraum 3 hineinzubewegen.
Anschließend
betreibt sie die beiden Dosierpumpen 25a, 25b um
flüssige Polymerkompenenten
aus den Vorratsbehältern 22a, 22b in
den Formhohlraum 3 einzubringen. Während die Verfestigung des
flüssigen
Materials in dem Formhohlraum 3 von der Hohlraumwandung
aus beginnt, steuert die Steuerungseinrichtung 34 die Antriebe 26, 33a und 33b in
der Weise, daß die
Mischdüse 1 nach
oben von dem Formhohlraum 3 weg oder ggf. aus diesem heraus
verfahren und die Hohlnadel 6 zunächst nach rechts über den
Formhohlraum 3 verfahren und dann nach unten in den Formhohlraum 3 hineinbewegt
wird. Dann öffnet
die Steuerungseinrichtung 34 das Magnetventil 29,
um die Hohlnadel 6 mit der Druckgasversorgung 31 zu
verbinden und Gas durch die Hohlnadel 6 in das noch flüssige Material
im Formhohlraum 3 einzublasen.
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Nach
der Verfestigung des flüssigen
Materials zu einem Stopfen 11 schließt die Steuerungseinrichtung
das Magnetventil 29 und öffnet das Magnetventil 30,
um die Hohlnadel 6 mit der Unterdruckquelle 32 zu
verbinden und auf diese Weise einen Unterdruck in dem inneren Hohlraum
des Stopfens 11 in dem Formhohlraum 3 zu erzeugen
und ihn in einen kontrahierten Zustand zu bringen. Anschließend öffnet die
Steuerungseinrichtung 34 das Magnetventil 28,
um Gas aus der Druckgasversorgung 27 durch die Bohrung 15 in
den Formhohlraum 3 einzublasen, und betreibt den Antrieb 33b,
um die Hohlnadel 6 zusammen mit dem durch Unterdruck an
dieser festgehaltenen Stopfen 11 nach oben aus dem Formhohlraum 3 herauszubewegen.
Dann schließt
die Steuerungseinrichtung 34 das Magnetventil 28 und
steuert den Antrieb 33a so an, daß er die Hohlnadel 6 nach links
bewegt und über
der nach oben weisenden Öffnung
eines zu verschließenden
Probengefäßes 16 anordnet.
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Das
Verschließen
erfolgt dann, indem die Steuerungseinrichtung 34 den Antrieb 33b ansteuert, um
die Hohlnadel 6 zusammen mit dem um diese kontrahierten
Stopfen 11 nach unten in den Öffnungsabschnitt 16a des
zu verschließenden
Probengefäßes 16 zu
bewegen und den Verschlußabschnitt des
Stopfens 11 in dem Öffnungsabschnitt 16a anzuordnen.
Schließlich
schließt
die Steuerungseinrichtung 34 das Magnetventil 30 und öffnet das
Magnetventil 29, um den inneren Hohlraum des Stopfens 11 zur
Beschleunigung des Druckausgleichs mit der Umgebung mit Hilfe der
Druckgasversorgung 31 zu belüften und den Stopfen 11 in
dem Öffnungsabschnitt 16a zu
fixieren, schließt
das Magnetventil 29 wieder und betreibt den Antrieb 33b,
um die Hohlnadel 6 nach oben aus dem fixierten Stopfen 11 herauszuziehen.