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Die
Erfindung betrifft eine Einbaugarnitur mit einem Armaturenbetätigungsgestänge
und mit einer Kuppelmuffe, bei dem die Kuppelmuffe aus einem Material
besteht, das Kunststoff aufweist, bei dem die Kuppelmuffe einen
Körper mit einer Drehachse und zwei senkrecht zur Achse
des Körpers stehende Abschlussflächen besitzt,
und bei dem symmetrisch zur Achse des zylindrischen Körpers
von beiden Abschlussflächen mehreckige Ausnehmungen in
das Innere der Kuppelmuffe geführt sind.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen
Kuppelmuffe.
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Wasserleitungen
für Trinkwasser, anderes Zu- und Abwasser, Gasleitungen
und andere Hausversorgungsleitungen werden regelmäßig
unterhalb der Erdoberfläche verlegt. Sie weisen Armaturen
auf, beispielsweise als Hausanschlussarmaturen, die gelegentlich
betätigt werden müssen und darum in einem Schacht
angeordnet werden, um zugänglich zu bleiben. Die Armaturen
weisen zur Betätigung an ihrer Oberseite einen Vierkant
auf, durch dessen Drehung die Armatur geschlossen oder geöffnet
werden kann, um den Durchfluss des entsprechenden Fluides in der
Leitung zu ermöglichen.
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An
den Vierkant ist ein Armaturenbetätigungsgestänge
mit einer Schlüsselstange aus einem meist quadratischen
Stahlrohr anschließbar, da der Vierkant sich in einer Entfernung
von 1 bis 2 m unterhalb der Erdoberfläche in dem meist
recht engen Schacht befindet und damit von dem Bedienpersonal vergleichsweise
schwer erreichbar ist. Am unteren Ende der Schlüsselstange
ist ein üblicherweise aus Stahlguss bestehender Adapter
vorgesehen, der auf den Vierkant passt und als Kuppelmuffe bezeichnet wird.
Das Armaturenbetätigungsgestänge kann dann von
dem Bedienpersonal von der Erdoberfläche aus auf den Vierkant
gesteckt werden. Mittels einer Drehbewegung von einem oberhalb der
Erdoberfläche gelegenen Punkt aus kann das Armaturenbetätigungsgestänge
gedreht und damit die Drehbewegung auch auf den Vierkant übertragen
werden. Es ist auch bekannt, die Armaturenbetätigungsgestänge
teleskopierbar auszubilden.
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Problematisch
ist es, dass durch das Armaturenbetätigungsgestänge
die möglicherweise oberhalb der Erdoberfläche
befindlichen Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes mittels einer
Kältebrücke auf die Armatur übertragen
werden können. Gerade bei Wasserleitungen wird dadurch
die Gefahr verstärkt, dass es zum Einfrieren dieser ohnehin schon
weniger geschützten Rohrabschnitte kommen kann. Durch das
quadratische Stahlrohr und die aus Stahlguss bestehende Kuppelmuffe
wird die Kälte dann direkt über den Vierkant in
die Armatur eingeleitet, was gerade an dieser Schwachstelle besonders gefährlich
ist.
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In
der
DE 202 17 513
U1 wird daher vorgeschlagen, die Kältebrücke
zu unterbrechen, indem derjenige Bereich des Armaturenbetätigungsgestänges,
der auf den Vierkant aufgesetzt wird, aus einem nicht näher
bezeichneten faserverstärkten Kunststoff mit einem sehr
geringen Wärmeleitkoeffizienten besteht. Dies soll nicht
nur die Kältebrücke unterbrechen, sondern auch
die benötigte Festigkeit ergeben, um die auftretenden Kräfte
beziehungsweise Drehmomente von bis zu 300 Nm und mehr beim Drehen des
Armaturenbetätigungsgestänges aufzunehmen und
zu übertragen.
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Eine
verbesserte Lösung hierzu schlägt unter Anderem
die
DE 20 2004
009 931 U1 vor, bei der die Verbindungsmuffe wenigstens
zweischalig mit einer Außenhülse und einer Innenhülse
ausgebildet ist, wobei die Innenhülse im Wesentlichen torsionsfrei
in der Außenhülse aufgenommen wird. In dem Kunststoff
werden als Verstärkungsmaterial Glasfasern oder Kohlefasern
vorgeschlagen, um die Festigkeit weiter zu erhöhen.
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Als
besonders geeignet hat sich ein aus der
DE 10 2005 042 447 A1 bekanntes
Konzept herausgestellt. Hier wird vorgeschlagen, die Kuppelmuffe
einer solchen Einbaugarnitur aus einem glasfaserverstärkten
Polyamid mit Langglasfasern in einem Anteil zwischen 40% und 60%
aufzubauen.
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Obwohl
insbesondere mit der zuletzt genannten Konzeption einer Kuppelmuffe
wesentliche Fortschritte hinsichtlich der Festigkeit und Praxistauglichkeit
erzielt werden konnten und auch eine rationelle Fertigung möglich
ist und die bei herkömmlichen reinmetallischen Kuppelmuffen
aufgetretenen Probleme mit Kältebrücken auf diese
Weise zuverlässig vermieden werden können, besteht
unverändert ein Bedürfnis an Verbesserungen derartiger
Einbaugarnituren. So beseht insbesondere ein Bedarf an Einbaugarnituren,
bei denen noch höhere Drehmomente zuverlässig übertragen
werden können, wobei die aus der
DE 10 2005 042 447 A1 bekannt gewordenen
Vorteile nicht verlassen werden sollen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine weitere Verbesserung an Einbaugarnituren
zu ermöglichen, bei denen die Vorteile von faserverstärkten Kunststoffen
beibehalten werden sollen, gleichwohl aber hohe Drehmomente übertragbar
sein sollen.
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Eine
weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer
dazu geeigneten Kuppelmuffe zu geben.
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Die
erste Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einbaugarnitur
erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
in der Kuppelmuffe mindestens ein Einlegeteil aus einem Werkstoff
mit einer höheren Druckfestigkeit verglichen mit dem Kunststoff
angeordnet ist.
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Die
zweite Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung
einer Einbaugarnitur nach einem der vorstehenden Ansprüche,
bei dem zunächst ein metallisches Einlegeteil in einer
Metall-Gießkavität einer Metallgießmaschine
gegossen wird, bei dem danach das gegossene metallische Einlegeteil
durch eine Transfereinrichtung zu einer von der Metall-Gießkavität
räumlich entfernt angeordneten Kunststoff-Gießkavität
einer Kunststoffspritgießmaschine transferiert wird, und
bei dem ein Spritzgussverfahren mit dem in die Kunststoff-Gießkavität
eingebrachtes metallisches Einlegeteil zur Bildung der Kuppelmuffe
durchgeführt wird.
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Mit
dieser Möglichkeit wird die Festigkeit der Kuppelmuffe
gegenüber der Anwendung von Drehmomenten gerade bei einer
Verwendung mit Einbaugarnituren erheblich verbessert. Man kann auf
diese Weise nämlich die Druckfestigkeit deutlich steigern.
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Herkömmlich
bekannt ist nämlich, dass ganz allgemein unter der Einwirkung
von Druckbelastungen Kunststoffe die Neigung haben, zu „kriechen”.
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Dieses „Kriechen” bzw.
der damit verbundene Fließprozess würde tendenziell
bei Kuppelmuffen in Einbaugarnituren dort beginnen, wo eine hohe Druckbelastung
auftritt. Dies ist im Bereich der Ausnehmungen oder Aussparungen
der Fall, und zwar besonders dort, wo die Kuppelmuffe in der Einbaugarnitur
auf den erwähnten Vierkant aufgesetzt wird. Die Kontaktzone
zwischen diesem Spindelvierkant und der Kuppelmuffe besitzt nur
relativ geringe Flächeninhalte. Während der Torsionsbelastung
der Kuppelmuffe neigen daher die Kontaktzonen dazu, ein Fließen
zu beginnen. Im Extremfall könnte dann die Kuppelmuffe über
die Ecken des Spindelvierkantes rutschen.
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Dieses
Fließverhalten wird nun reduziert, indem ein oder in besonderen
Fällen auch mehrere Einlegeteile aus einem insbesondere
metallischen Werkstoff oder auch aus spröden Materialien
oder Textilgeweben eingebracht werden. Dadurch kann das Kriechverhalten
der Kunststoffe entsprechend reduziert werden. Auch das Ermüdungsverhalten verbessert
sich auf diese Weise.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn für das oder gegebenenfalls auch
die Einlegeteile Zink-Druckgussbauteile eingesetzt werden. Diese sind
vor allem in Kostenhinsicht interessant, da es sich bei den Kuppelmuffen
für die Einbaugarnituren um stückzahlintensive
Bauteile handelt.
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Denkbar
und funktionsgerecht sind aber auch andere Materialkombinationen
mit hohen Druckfestigkeitswerten, die für die Einlegeteile
zum Einsatz kommen können. Es gibt hier mehrere Möglichkeiten,
für die Herstellung des Einlegeteils produktive Fertigungsverfahren
für eine endkonturnahe und nachbearbeitungsfreie Herstellung
anzuwenden.
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Dazu
gehören auch Ausführungsformen, bei denen das
Einlegeteil die Form eines Vierkantschoners für Einbaugarnituren
besitzt.
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Das
oder die Einlegeteile können sowohl zur Verstärkung
derjenigen Ausnehmung eingesetzt werden, die für den Anschluss
eines quadratischen Stahlrohres vorgesehen ist, als auch für
die Ausnehmung, die für das Aufstecken auf den Spindelvierkant vorgesehen
ist. Es ist auch möglich, mehrere Einlegeteile in einer
oder auch in beiden Hälften der Kuppelmuffe einzusetzen.
Bevorzugt ist es jedoch, genau ein Einlegeteil einzusetzen, das
sich durch beide Hälften erstreckt.
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Die
Form des Einlegeteils kann oval, quaderartig oder auch anders sein.
Zur verbesserten Haftung können auch Verzahnungen am Einlegeteil
vorgesehen werden. Insbesondere sind die Einlegeteil so eingelegt,
dass Drehmomente in der ganzen Kuppelmuffe gleichmäßig
verteilt werden. Die Kontur des Einlegeteils könnte dabei
so gewählt werden, dass ein hoher Formschlussanteil zum
Kunststoff besteht.
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Das
Einlegeteil kann so ausgebildet sein, dass es den Kernbereich der
Kuppelmuffe bildet, während der faserverstärkte
Bereich des Kunststoffs in der Kuppelmuffe vor allem den äußeren
Bereich und eine der beiden Ausnehmungen vollständig ausbildet,
da auf diese Weise die thermische Entkopplung sichergestellt werden
kann.
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Die
Lage des Einlegeteils sollte so gewählt werden, dass es
bei einer thermischen Entkopplung zwischen den beiden Ausnehmungen
bleibt.
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Dies
kann bevorzugt dadurch sichergestellt werden, dass zwischen dem
Einlegeteil und zumindest einer der beiden Ausnehmungen ein nicht durchbrochener
Volumenbereich mit dem faserverstärkten Kunststoff angeordnet
ist.
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Der
Formschluss zwischen Kunststoff und Einlegeteil kann etwa über
einen vorhandenen Anguss des Einlegers erreicht werden. Möglich
ist es auch, Abstandshalter zur Fixierung im Werkzeug vorzusehen.
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Mit
der erfindungsgemäßen Konzeption können
wesentlich höhere Drehmomente als im Stand der Technik übertragen
werden. Fertigungsunterschiede in der Spindelgeometrie und Flächenpressungen
können deutlich besser kompensiert werden. Die Ummantelung
insbesondere mit der noch im folgenden erwähnten speziellen
Faserorientierung trägt deutlich zur Stabilität
bei.
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Die
Kuppelmuffe ist insbesondere zylindrisch ausgebildet. Bevorzugt
besitzt sie einen kreisförmigen Querschnitt. Denkbar ist
aber auch eine Ausbildung mit anderen, etwa ovalen oder quadratischen Querschnitten.
Der Querschnitt ist auch nicht notwendig konstant, sondern die Kuppelmuffe
kann auch konisch oder gestuft ausgebildet sein.
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Es
ist ferner bevorzugt, wenn eine Bohrung parallel zu den Abschlussflächen
durch eine der Ausnehmungen zur Aufnahme eines Sicherungsstiftes vorgesehen
ist. Dieser Sicherungsstift kann die Kuppelmuffe mit dem Betätigungsgestänge
und/oder dem Spindelvierkant fixieren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass
parallel zur Achse der Kuppelmuffe eine Bohrung durch die Kuppelmuffe
und das oder die Einlegeteile vorgesehen ist, wobei die Bohrung insbesondere
von einer Ausnehmung bis zur anderen Ausnehmung reicht.
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Mit
einer derartigen Bohrung bzw. einem auf diese Weise entstehenden
Loch insbesondere zwischen den beiden Ausnehmungen in der Kuppelmuffe
kann sichergestellt werden, dass sich in den Ausnehmungen kein Wasser
sammelt. Zu berücksichtigen ist nämlich, dass
die Kuppelmuffen üblicherweise in dem Schacht auf den Armaturen
verbleiben und nur das Gestänge der Einbaugarnitur jeweils
zur Benutzung von oben in die Ausnehmung eingeführt wird.
Während der langen Ruhezeiten zwischen zwei Eingriffen
mit einer Einbaugarnitur kann sich demzufolge Kondenswasser oder
auch witterungsbedingt anderes Wasser in den Ausnehmungen der Kuppelmuffe
sammeln und während Frostperioden im Winter zu der Gefahr
führen, dass die Kuppelmuffe durch Gefrieren des Wassers
gesprengt wird. Mit der bevorzugt vorzusehenden Bohrung kann sichergestellt werden,
dass sich möglicherweise bildendes Wasser jeweils direkt
durch das entstehende Loch abfließt.
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Als
sehr günstig für die Festigkeit und die Übertragbarkeit
hoher Drehmomente hat es sich herausgestellt, wenn das Einlegeteil
die Form eines Vierkantschoners für Einbaugarnituren besitzt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Fasern des faserverstärkten Kunststoffes in der
Kuppelmuffe mehrheitlich tangential im Körper relativ zur
Drehachse orientiert sind.
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Mit
dieser Ausführungsform wird von einer überraschenden
und für den Fachmann nicht nahe liegenden Möglichkeit
Gebrauch gemacht, in einem faserverstärkten Kunststoff
die Orientierung der Faser selbst zur Verbesserung der Festigkeit
zu nutzen.
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Dabei
ist es besonders bevorzugt, wenn die Kuppelmuffe im Spritzgussverfahren
hergestellt ist, und wenn die Anspritzpunkte für das Einspritzen
des faserverstärkten Kunststoffwerkstoffes auf dem Umfang
des insbesondere zylindrischen Körpers liegen.
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Betrachtet
man sich nämlich eine Kuppelmuffe mit einem zylindrischen
Körper mit kreisförmigem Querschnitt und weitgehend
achssymmetrisch zur Zylinderachse angeordneten mehreckigen Ausnehmungen,
so wird der Fachmann möglicherweise eine Herstellung im
Spritzgussverfahren in Betracht ziehen. Er wird dann aufgrund seiner
Erfahrung den Anguss für das Material so legen und wählen,
dass eine besonders gute Entformbarkeit aus der Spritzgussform und
zugleich eine besonders kurze Zykluszeit entsteht, also eine möglichst
rasche und zuverlässige Füllung der Spritzgussform.
Dies kann man erzielen, indem man den Anguss genau in die Achse des
herzustellenden ungefähr rotationssymmetrischen Bauteils,
also der Kuppelmuffe, legt, beispielsweise in das Zentrum der Fläche
einer der mehreckigen Ausnehmungen hinein, und die Kunststoffmasse dann
in Achsrichtung einspritzt. Von diesem Einspritzpunkt aus wird sich
dann die faserverstärkte Kunststoffmasse wie vom Fachmann
gewünscht gleichmäßig von der Achse aus
nach außen verbreiten und dort in die ringähnlichen
Außenwandungen um die mehreckigen Ausnehmungen herum hinein begeben.
Die Faserorientierung wird dadurch mehr oder weniger zufällig
sein und insbesondere sich in diese Fließrichtung des Kunststoffes
legen, also von der Achse in Richtung zu den Extrempunkten hin.
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Dies
führt dann auch wie angestrebt zu einer sehr guten Entformbarkeit
und kurzen Zykluszeit im Herstellungsverfahren.
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Insbesondere
liegen aufgrund der verschiedenen Verwirbelungen beim Spritzgussprozess
damit die Fasern im Wesentlichen horizontal in den Trennflächen
zwischen den beiden, von den Abschlussflächen nach Innen
ragenden mehreckigen Ausnehmungen und außerdem vertikal
in den Seitenflanken der oberen und unteren Ausnehmung.
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Betrachtet
man sich nun rückwirkend die näheren Eigenschaften
des so entstandenen zylindrischen Körpers der Kuppelmuffe,
so zeigt sich, dass diese für den Produktionsprozess optimale
und daher für den Fachmann nahe liegende Möglichkeit
und die sich dabei zwangsläufig ergebende Orientierung der
Fasern überraschend weniger optimal für die Funktionsfähigkeit
und den Anwendungsfall der Kuppelmuffe ist. Das faserverstärkte
Material ist nämlich anisotrop, wobei die Eigenschaften
von der Orientierung der Fasern abhängig sind. Ein faserverstärkter Kunststoff
kann bei einer Beanspruchung längs der Faserrichtung mehr
als drei mal so hohen Zugbelastungen Stand halten, wie bei einer
Beanspruchung quer zur Faserrichtung.
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Betrachtet
man sich nun die anwendungsgemäße Belastung der
Kuppelmuffe näher, so wird diese auf Torsion belastet,
also auf Drehung um die Zylinderachse nach dem Einstecken des Armaturenbestätigungsgestänges
in eine der mehreckigen Ausnehmungen. Bei der beschriebenen, für
den Herstellungsvorgang optimalen Anordnung der Fasern wird die
Mehrheit dieser Fasern senkrecht beansprucht.
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Werden
jedoch erfindungsgemäß die Fasern des Kunststoffes
mehrheitlich oder vorwiegend tangential, also parallel zum Umfang
des zylindrischen Körpers angeordnet, so entsteht eine
optimale und kraftflussgerechte Faserlage, die zu genau der wesentlichen
Belastung bei einer Torsionsbeanspruchung der Kuppelmuffe passt.
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Dadurch
wird der Werkstoff bei unveränderter Zusammensetzung gleichwohl
zu einer wesentlich höher belastbaren zylindrischen Kuppelmuffe führen.
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Dies
lässt sich zweckmäßig und bevorzugt durch
die erfindungsgemäße, oben erwähnte Lage der
Angussstellen tangential auf dem Umfang des zylindrischen Körpers
der Kuppelmuffe erreichen. Dann werden die durch den Spritzgussprozess
entstehenden Wirbel ausgenutzt, um eine tangentiale oder jedenfalls
mehrheitlich oder vorwiegend tangentiale Orientierung der Fasern
im Bauteil zu erreichen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Einspritzrichtung des
faserverstärkten Kunststoffmaterials so orientiert ist,
dass der von der Einspritzrichtung mit den Kanten der mehreckigen
Ausnehmungen, die dem jeweiligen Anspritzpunkt benachbart sind,
eingeschlossene Winkel zwischen 20° und 70° beträgt.
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Es
entsteht erfindungsgemäß eine Kuppelmuffe aus
Kunststoff für hohe Drehmomente. Dabei werden die verwendeten
faserverstärkten Kunststoffe bevorzugt so gewählt,
dass Polyamid mit einer Faserverstärkung durch Langfasern
mit einem Anteil von 40% bis 60% eingesetzt wird.
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Bei
dem Verfahren zur Herstellung einer Einbaugarnitur gemäß der
Erfindung wird insbesondere ein spezielles Verfahren eingesetzt,
um die Kuppelmuffe herzustellen. Zu diesem Zweck wird zunächst ein
metallisches Einlegeteil in einer Metall-Gießkavität
einer Metallgießmaschine gegossen, danach das gegossene
metallische Einlegeteil durch eine Transfereinrichtung zu einer
von der Metall-Gießkavität räumlich entfernt
angeordneten Kunststoff-Gießkavität einer Kunststoffspritgießmaschine
transferiert, und dann ein Spritzgussverfahren mit dem in die Kunststoff-Gießkavität
eingebrachten metallischen Einlegeteil zur Bildung der Kuppelmuffe
durchgeführt.
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Bevorzugt
wird ein Spritzgussverfahren eingesetzt, bei dem die Einspritz-
bzw. Angussstellen des Spritzgussverfahrens tangential auf dem Umfang des
zylindrischen Körpers der Kuppelmuffe angeordnet sind.
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Die
Einspritzrichtung des faserverstärkten Kunststoffmaterials
ist dabei bevorzugt so orientiert, dass der von der Einspritzrichtung
mit den Kanten der mehreckigen Ausnehmungen, die dem Anspritzpunkt
benachbart sind, eingeschlossene Winkel zwischen 20° und
70° beträgt.
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Mit
einer derart ausgewählten Einspritzrichtung lässt
sich besonders zielgerichtet und mit besonders gutem Ergebnis die
entsprechende Faserorientierung erzielen. Es geht also um einen
Winkel, der hinreichend von 90°, aber auch hinreichend
von 0° unterschieden ist.
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Wenn
das Verfahren verwendet wird, um eine Ausführungsform einer
Kuppelmuffe herzustellen, die mit einem Einleger versehen ist, wird
mit ähnlichen Spritzgussverfahren und Einspritzrichtungen gearbeitet.
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Es
wird hier mit Nutzen ein allgemeines Verfahren eingesetzt, das in
einer nachveröffentlichten, am 21. Dezember 2007 eingereichten
deutschen Patentanmeldung mit dem Titel „Gießmaschinensystem und
Verfahren zur Herstellung von Metall-Kunststoff-Hybridbauteilen” erörtert
wird. Ein derartiges Verfahren dient zur Herstellung von Hybridbauteilen, die
einerseits metallische Werkstücke und andererseits eine
Kunststoffmasse enthalten, und kann daher mit Nutzen auch für
die Herstellung von Kuppelmuffen mit Einlegeteilen modifiziert werden.
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Dabei
wird ein metallisches Werkstück in einer Metall-Gießkavität
einer Metallgießmaschine gegossen, dann das gegossene metallische
Werkstück durch eine Transfereinrichtung zu einer von der
Metall-Gießkavität räumlich entfernt
angeordneten Kunststoff-Gießkavität einer Kunststoffspritzgießmaschine
transferiert und schließlich der Kunststoffspritzgießvorgang
mit dem in die Kunststoff-Gießkavität eingebrachten
metallischen Werkstück zur Bildung des Hybridbauteils,
hier also der Kuppelmuffe mit dem metallischen Einleger und der
faserverstärkten Kunststoffummantelung mit der bevorzugten
Faserorientierung, durchgeführt.
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Die
Konzeption mit einem Einlegeteil gibt noch eine zusätzliche
Möglichkeit, wie die Erfindung besonders effektiv eingesetzt
werden kann.
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Dies
kann dadurch geschehen, dass das Einlegeteil genau so ausgebildet
wird, dass es die Form eines so genannten Vierkantschoners erhält. Diese
Vierkantschoner sind in der Praxis dazu vorgesehen, an einem ganz
anderen Bereich eine Einbaugarnitur eingesetzt zu werden, um im
oberen Bereich eines Schachtes einen Anschluss zu schützen,
der einen Vierkant besitzt.
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Da
die Einlegeteile in der Kuppelmuffe so ausgebildet werden können,
dass sie gerade den Vierkant im Bereich der einen Ausnehmung gut
umgreifen und andererseits ihre äußere Form etwa
zylindrisch ausgebildet werden kann, kann genau berücksichtigt
werden, wie die äußere Form eines Vierkantschoners
bevorzugt wird. Tatsächlich sind in der Praxis die äußeren
Formen derartiger Vierkantschoner deutlich kleiner als die von Kuppelmuffen,
so dass der Differenzbereich bei einem räumlichen Vergleich
genau für den Bereich genutzt werden kann, der in der Kuppelmuffe
mit den Fasern des faserverstärkten Kunststoffes angefüllt
wird.
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Das
bedeutet, dass bei einer Herstellung der Einlegeteile für
die Kuppelmuffen einfach eine zusätzliche Stückzahl
hergestellt wird, die dann sehr kostengünstig gleich als
Vierkantschoner im gleichen Anwendungsbereich an die gleichen Kunden
in qualitativ einwandfreier Form veräußert werden
kann.
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Im
Folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
schematischen Schnitt durch einen Schacht mit darin eingesetzter
erfindungsgemäßer Einbaugarnitur;
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2 eine
vergrößerte Darstellung einer Kuppelmuffe in teilweise
durchscheinender Wiedergabe;
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3 einen
Anblick der Kuppelmuffe aus 2 von außen;
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4 eine
perspektivische Ansicht einer Kuppelmuffe gemäß der
Erfindung;
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5 einen
Schnitt durch die Ausführungsform aus 4;
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6 eine
Draufsicht auf die Stirnseite der Ausführungsform aus den 4 und 5;
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7 schematisch
eine Schnittdarstellung durch eine nicht erfindungsgemäße
Kuppelmuffe; und
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8 einen
schematischen Schnitt durch eine vereinfachte Darstellung einen
erfindungsgemäßen Ausführungsform der
Kuppelmuffe;
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In
der 1 ist die Gesamtsituation schematisch dargestellt,
in der sich die erfindungsgemäße Einbaugarnitur
in Gebrauchsstellung befindet. Zu sehen ist ein Schacht 11 innerhalb
des Erdbodens 12. Der Erdboden 12 reicht nach
oben bis zur Erdoberfläche 13. Aus dem Erdboden 12 von
der Seite aus in den Schacht 11 horizontal hinein und ebenso
aus diesem wieder hinaus führt eine Rohrleitung 14.
Innerhalb des Schachtes 11 weist die Rohrleitung 14 eine Armatur 15 auf,
die hier nur schematisch dargestellt ist. Die Armatur kann zum Abstellen
des Durchflusses des Fluides durch die Leitung 14 dienen,
sie kann aber auch den Zustrom durch eine Zweigleitung einschränken
oder regeln oder zu anderen Zwecken dienen. Zu diesem Zweck besitzt
die Armatur 15 ein Gewinde 16, das in ein nicht
dargestelltes Gegengewinde der. Armatur 15 hinein- und
herausschraubbar ist. Auf dem Gewinde 16 ist oben ein Vierkant 17 zu
erkennen.
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Außerhalb
des Gebrauchszeitraums der Einbaugarnitur befindet sich diese nicht
in dem Schacht 11; in dem Fall ragt lediglich der Vierkant 17 nach oben
unbenutzt heraus.
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Um
die Armatur zum Beispiel zum Abstellen oder zum Ermöglichen
des Durchflusses zu betätigen, muss der Vierkant 17 und
damit das Gewinde 16 gedreht werden. Da sich der Benutzer
oberhalb der Erdoberfläche 13 befindet und der
Schacht 11 im Regelfall zu eng ist um hineinsteigen zu
können, wird eine Einbaugarnitur 20 verwendet.
Diese Einbaugarnitur 20 weist ein Hülsrohr 21 und
ein Betätigungselement 22 auf, das oberhalb der
Erdoberfläche 13 zugänglich ist. Das
Betätigungselement 22 ist mit einem Armaturenbetätigungsgestänge
mit einer Schlüsselstange 23 verbunden, die innerhalb
des Hülsrohres 21 verläuft und im Wesentlichen
aus einem quadratischen Stahlrohr besteht. Das quadratische Stahlrohr der
Schlüsselstange 23 endet unten auch mit einem Viereck.
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Um
mit dem Betätigungselement 22 über die Schlüsselstange 23 nun
tatsächlich auch den Vierkant 17 der Armatur 15 erfassen
und das Gewinde 16 drehen zu können, wird ein
Adapter 30 benötigt, der auf das untere Ende der
Schlüsselstange 23 gesteckt und dann von einem
Benutzer oberhalb der Erdoberfläche 13 auf den
Vierkant 17 gesteckt werden kann.
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Dabei
muss das Drehmoment, das der Benutzer über das Betätigungselement 22 auf
die Schlüsselstange 23 gibt, über den
Adapter beziehungsweise die Kuppelmuffe 30 auf den Vierkant 17 übertragen
werden können, und zwar zuverlässig.
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Während
die Kuppelmuffe 30 herkömmlich aus Stahlguss besteht,
ist sie erfindungsgemäß aus einem faserverstärkten
Kunststoff, insbesondere einem Polyamid hergestellt. Wie man in
der 1 erkennen kann, besteht bei einer metallischen
Kuppelmuffe von oberhalb der Erdoberfläche 13 bei
kalten Temperaturen unter dem Gefrierpunkt eine Kältebrücke,
die von dem Betätigungselement 22 über
die Schlüsselstange 23, die Kuppelmuffe 30 in
den Vierkant 17, das Gewinde 16 und damit die
Armatur 15 sowie die Rohrleitung 14 gelangen kann.
Eine derartige Kältebrücke ist sehr gefährlich,
da sie zum Einfrieren beispielsweise des Trinkwassers in der Rohrleitung 14 führen
kann.
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Es
entsteht durch den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen
noch ein weiterer Effekt. Die erwähnte Verbindung ist nämlich
bei metallischer Kuppelmuffe auch elektrisch leitfähig
und kann daher dazu führen, dass bei versehentlichem Berühren
von Stromleitungen oder fehlerhaftem Bedienen von elektrischen Aggregaten
im Bereich des Betätigungselements 22 Strom über
die metallische Verbindung der Schlüsselstange 23 in
den Bereich der Kuppelmuffe 30 gelangt. Ist auch diese
metallisch, kann es zu einer Übertragung dieser Spannungs-
oder Stromspitzen auf das Aggregat und/oder Funkenschlag durch die
Berührung von Metall auf Metall kommen. Das ist speziell
im Falle von Gasleitungen sehr gefährlich, die es hier
im ungünstigsten Falle zu Entzündungen und damit
zu unter Umständen schweren Unfällen kommen kann.
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Sowohl
die Kältebrücke als auch die Gefahr dieser Übertragung
des elektrischen Stromes werden jedoch durch die Materialwahl des
faserverstärkten Kunststoff für die Kuppelmuffe 30 vollständig
beseitigt.
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In
der 2 ist der Aufbau der Kuppelmuffe 30 in
seinen äußeren Umrissen gezeigt, die für
die erfindungsgemäße Einbaugarnitur geeignet ist.
Bisherige Alternativvorschläge zu Kuppelmuffen 30 aus Stahlguss
sahen entweder Verbundkuppelmuffen vor, die doch die Gefahr von
Kältebrücken oder elektrischer Leitfähigkeit
besaßen, oder sie wiesen schlicht nicht die erforderliche
Stabilität für die Übertragung von Drehmomenten
in der benötigten Größenordnung von etwa
200 Nm bis 300 Nm auf.
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Durch
eine völlig neue Materialwahl und insbesondere die Anordnung
der Fasern ist die Erfindung jedoch mit einer Kuppelmuffe 30 ausgestattet, die
derartige Drehmomente übertragen kann und trotzdem weder
Kältebrücken noch elektrische Leitfähigkeit
verursacht.
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Die
Kuppelmuffe 30 ist in dieser Ausführungsform kreiszylindrisch
und. symmetrisch zu ihrer Längsachse. Diese Längsachse
ist im Einsatzfall zugleich die Achse der Schlüsselstange 23 und
des Gewindes 16.
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Die
kreiszylindrische Umfangsfläche 31 beziehungsweise
der Mantel der Kuppelmuffe 30 bildet die äußere
Begrenzung des Zylinders zwischen zwei kreisförmigen Abschlussflächen 32 und 33,
die dementsprechend senkrecht auf der Achse 34 stehen.
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Von
der einen Abschlussfläche 32 aus ragt symmetrisch
zur Achse 34 eine Ausnehmung 35 mit konstantem
viereckigem Querschnitt nach innen bis etwa zur Hälfte
des Abstandes der beiden kreisförmigen Abschlussflächen 32 und 33.
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Diese
viereckige Ausnehmung 35 passt genau auf den Vierkant 16 der
Armatur 15.
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Von
der anderen Abschlussfläche 33 her ragt eine weitere
Ausnehmung 36 symmetrisch zur Achse 34 in das
Innere der Kuppelmuffe 30, und zwar ebenfalls bis etwa
zur Hälfte des Abstandes der beiden Abschlussflächen 32 und 33,
also fast oder ganz bis zur Berührung mit der ersten Ausnehmung 35.
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Diese
Ausnehmung 36 passt genau zum unteren Ende der Schlüsselstange 23.
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Die
Ausnehmungen können auch vom konstanten und/oder quadratischen
Querschnitt abweichen, um an bestimmte Typen von Vierkant 16 oder Durchmesser
der Schlüsselstange 23 angepasst zu sein.
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Es
ist auch möglich, kleine Löcher senkrecht zur
Achse 34 der Kuppelmuffe 30 von dem äußeren zylindrischen
Umfang 31 aus einzubringen, um zum Beispiel ein axiales
Abrutschen des Adapters beziehungsweise der Kuppelmuffe 30 vom unteren
Ende der Schlüsselstange 23 während des
Einbringens in den Schacht 11 zu vermeiden.
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In
der 3 ist das Aussehen der Kuppelmuffe 30 von
außen zu sehen, also ohne die durchsichtigen angedeuteten
Linien der Ausnehmungen 35 und 36 in der 2.
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Wie
man erkennen kann, muss der Durchmesser des Zylinders beziehungsweise
des zylindrischen Umfanges 31 nicht durchweg konstant sein, sondern
kann zu einer Verjüngung des Zylinders in der einen oder
anderen Richtung führen.
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Die
hohe Stabilität und die sehr gute Übertragung
des Drehmoments wird unter anderem durch die sehr stabile Konfiguration
gefördert, die in Zusammenhang mit 6 noch erörtert
wird. Zwischen der äußeren Umfangsfläche 31 und
den beiden inneren quadratischen Ausnehmungen 35 und 36 entstehen
formschlüssige Übertragungsflächen des
Drehmoments.
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Das
Material faserverstärkter Kunststoff hat sich darüber
hinaus auch als außerordentlich schlagfest und temperaturbeständig
erwiesen, so dass auch in soweit allen Anforderungen Genüge
getan wird. Dies gilt besonders für mit Langglasfasern
verstärktes Polyamid, speziell mit relativ hohen Faseranteilen
von 30% bis 70%, insbesondere von 40% bis 60%. Die Langglasfasern
können ihre stabilisierende Wirkung gerade aufgrund der
Formgebung der Kuppelmuffe mit ihren auch senkrecht zur Achse vergleichsweise
großen Längenabmessungen gut entfalten.
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Zwischen
den beiden Ausnehmungen 35 und 36 wird bevorzugt
Material stehen gelassen. Dadurch wird die thermische Entkopplung
von Schlüsselstange 23 und Vierkant 16 ebenso
wie die elektrische Entkopplung besonders sicher bewirkt und zusätzlich
ein weiterer stabilisierender Effekt erzielt.
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Die
kompakte Gestaltung der Kuppelmuffe erlaubt auch deren besonders
einfache Aufbewahrung, da keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen
getroffen werden müssen. Schließlich ist auch
die Herstellung erleichtert.
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In
der 4 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Kuppelmuffe 30 in einer perspektivischen Ansicht schräg
von der Seite dargestellt. Man erkennt wiederum die unverändert
bleibenden äußeren Konturen der Kuppelmuffe 30 mit der
zylindrischen Umfangsfläche 31 und den Stirnseiten
oder Abschlussflächen 32 und 33. Die
Abschlussfläche 32 ist ebenso wie die erste Ausnehmung 35 für
den Betrachter an sich verdeckt und damit nur gestrichelt dargestellt.
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Die
zweite Abschlussfläche 33 und die zweite Ausnehmung 36 sind
für den Betrachter sichtbar und in der 4 auf
der oberen Seite der Kuppelmuffe 30 zu erkennen.
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Die
Achse 34 der Kuppelmuffe 30 verläuft
in der 4 senkrecht und mittig durch die beiden Ausnehmungen 35 und 36.
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Anders
als bei der ersten dargestellten Ausführungsform ist hier
ein Einlegeteil 50 zu erkennen. Das Einlegeteil 50 ist
ein insbesondere metallisches Bauteil.
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Wie
man angedeutet sieht, ist das Einlegeteil 50 so ausgebildet,
dass es die zylindrische Umfangsfläche 31 nicht
berührt und auch keinen Kontakt mit der Abschlussfläche 33 und
der zweiten Ausnehmung 36 hat.
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Das
Einlegeteil 50 umgibt die zweite Ausnehmung 36 in
einer im Querschnitt U-förmigen Anordnung. Das Einlegeteil
ragt darüber hinaus in der Darstellung in der 4 von
der Ausnehmung 36 nach unten und umgibt dort die erste
Ausnehmung 35 rundum.
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Dieser
gesamte Bereich ist für den Betrachter in der 4 natürlich
verdeckt und daher nur gestrichelt dargestellt.
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In
der 5 kann man in einer Schnittdarstellung dies verdeutlichend
erkennen. Der Schnitt verläuft parallel zur Achse 34 der
Kuppelmuffe 30 in der 4 in einer
Ebene, in der auch die Achse 34 verläuft. Zugleich
ist in der 4 diese Ebene von vorne rechts
nach hinten links zu denken. Sie schneidet das Einlegeteil 50 mithin
so, dass man in der 5 sehr gut die U-förmige
Umrahmung erkennt, die von den beiden aufwärts ragenden
Schenkeln 51, 52 des Einlegeteils 50 rund
um die zweite Ausnehmung 36 der Kuppelmuffe 30 ausgebildet
wird.
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Zu
erkennen ist auch, dass die Ausnehmungen 35, 36 so
ausgebildet sind, dass sie die spindelförmigen Flächen
der oberen Anschlusszapfen der Armaturen einerseits und auch der
Armaturengestänge andererseits gut aufnehmen können
und eine sichere Übertragung des Drehmoments gewährleisten.
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In
der 6 sieht man eine Draufsicht auf die Abschlussfläche 32 mit
der ersten Ausnehmung 35. In Übereinstimmung mit
dem Schnitt in der 5 kann man erkennen, dass die
Form des Einlegeteils 50 unten kreiszylindrisch ist, was
die Faserorientierung der Kunststofffasern in dem umgebenden Bereich
unterstützt, und das andererseits die Ausnehmung 35 einen
in dieser Ausführungsform quadratischen Querschnitt besitzt.
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Ferner
erkennt man eine Bohrung 53, die parallel zur Achse 34 der
Kuppelmuffe 30, aber versetzt zur Achse 34 in
einer Ecke der quadratischen Querschnittsfläche der Ausnehmung 35 angeordnet
ist. Diese Bohrung 53 bildet ein Loch, dass bis zur anderen
Ausnehmung 36 durch die Kuppelmuffe 30 läuft. Durch
diese Bohrung 53 kann Wasser ablaufen, das sich sonst in
der in der Praxis oben liegenden Ausnehmung 36 ansammeln
würde.
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In
der 7 ist eine schematische, vereinfachte Schnittdarstellung
durch eine Kuppelmuffe 30 dargestellt. Dabei ist hier eine
Herstellung vorgesehen, wie sie ein Fachmann an sich vornehmen würde,
um zu einer besonders gut entformbaren und eine niedrige Zykluszeit
besitzenden Ausführungsform zu kommen.
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Die
Kuppelmuffen 30 können beispielsweise im Spritzgießverfahren
gefertigt werden.
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Man
sieht, dass der Fachmann hier einen Anguss 42 in die Mitte
der Fläche einer Ausnehmung 35, 36 setzen
würde, um hier die Kunststoffe mit den bevorzugten Langglasfasern
einzuspritzen.
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Auch
die Langglasfasern 41 sind angedeutet. Sie legen sich in
die Fließrichtung des Kunststoffes beginnend vom Anguss
oder Einspritzpunkt 42 aus und laufen daher zunächst
symmetrisch vom Anguss aus nach außen zur Zylinderwandung
und dort in die Flanken um die beiden Ausnehmungen 35, 36 herum
hinein, sind also an den Flanken parallel zur Zylinderachse 34 und
im mittleren Bereich der Kuppelmuffe 30 etwa senkrecht
dazu.
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Hieran
erkennt man die Problematik, die sich rückwirkend bei genauerer
Betrachtung erschließt. Die Torsionsbelastung der dargestellten
Kuppelmuffe 30 führt nun dazu, dass in dem Belastungsfall
nur sehr wenige der dargestellten Fasern 41 in Faserlängsrichtung
belastet werden. Die Mehrheit der Fasern 41 wird senkrecht
zur Faserlängsrichtung beansprucht werden. Das bedeutet,
dass die Kuppelmuffe 30 die durch die Fasern 41 potenziell
ermöglichte Drehmomentbelastung gar nicht ausnutzen kann.
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In
der 8 wird nun eine im Aufbau identische Kuppelmuffe 30 dargestellt,
bei der die Angussstellen 42 jedoch ganz anders aufgebaut
sind. Hier sind die Angussstellen 42 tangential außen
auf der Zylinderfläche der Kuppelmuffe 30 vorgesehen,
also im Spritzgusswerkzeug auch in diesem Bereich angeordnet.
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Insbesondere
schließen die Richtungen des Einspritzens einen Winkel α mit
der nächstliegenden Kante der mehreckigen Ausnehmung 35, 36 ein.
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Hier
werden die durch den Spritzgussprozess entstehenden Wirbel dazu
führen, dass die mit dem Kunststoff eingespritzten Fasern 41 eine
tangentiale Orientierung im Bauteil erreichen. Es erfolgt eine Faserorientierung
etwa in Umfangsrichtung der Kuppelmuffe 30. Real sind die
Fasern kürzer als in der rein schematischen Darstellung
und liegen vorwiegend tangential zu einem Kreis, der ihren Abstand vom
Mittelpunkt beschreibt.
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Betrachtet
man sich nun wieder den Belastungsfall, so erfolgt eine kraftflussgerechte
Faserlage in der Kuppelmuffe 30. Eine optimale Belastung
erfolgt längs der Fasern 41, so dass es zu einer Übertragung
eines deutlich größeren Drehmomentes kommen kann.
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Tests
haben ergeben, dass selbst Temperaturen von weniger als –15°C
kaum einen Abfall der erreichbaren Festigkeitswerte der Kuppelmuffen
und damit der Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Einbaugarnitur
zur Folge hatten.
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Als
Faserverstärkung werden insbesondere sogenannte Langglasfasern
verwendet, und zwar mit Anteilen von 30 bis 70% am gesamten Kunststoffmaterial,
insbesondere von 40 bis 60%.
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Bei
Tests zeigte sich auch schon, dass die maximalen Festigkeitswerte
entgegen den Erwartungen des Fachmannes jetzt von den Grenzfestigkeiten des
verwendeten Gestänges, also der Schlüsselstange 23,
begrenzt werden.
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- 11
- Schacht
- 12
- Erdboden
- 13
- Erdoberfläche
- 14
- Rohr
- 15
- Armatur
- 16
- Gewinde
- 17
- Vierkant
- 20
- Einbaugarnitur
- 21
- Hülsrohr
- 22
- Betätigungselement
- 23
- Schlüsselstange
- 30
- Kuppelmuffe
- 31
- zylindrische
Umfangsfläche
- 32
- Abschlussfläche
- 33
- Abschlussfläche
- 34
- Achse
der Kuppelmuffe
- 35
- erste
Ausnehmung
- 36
- zweite
Ausnehmung
- 41
- Faser
- 42
- Anguss
bzw. Einspritzpunkt
- 50
- Einlegeteil
- 51
- Schenkel
des Einlegeteils
- 52
- Schenkel
des Einlegeteils
- 53
- Bohrung
- α
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 20217513
U1 [0006]
- - DE 202004009931 U1 [0007]
- - DE 102005042447 A1 [0008, 0009]