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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Einspritzventil, insbesondere für Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. von einem Verfahren zur Herstellung eines Einspritzventils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Solche Einspritzventile sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 10 2004 058 803 A1 ein Einspritzventil mit einem Ventilsitzträger bekannt, mit einem am Ende des Ventilsitzträgers sich befindlichen, eine Ventilöffnung umschließenden Ventilsitz, mit einer im Ventilsitzträger koaxial angeordneten, axial verschiebbar geführten Ventilnadel, die an ihrem dem Ventilsitz zugekehrten Nadelende eine mit dem Ventilsitz zum Schließen und Freigeben der Ventilöffnung zusammenwirkendes Ventilschließglied trägt, mit einem Elektromagneten zur Hubbetätigung der Ventilnadel, der einen inneren, hohlzylindrischen Magnetkern, einen äußeren Magnettopf, eine dazwischenliegende, an einem Anschlussstecker angeschlossene Magnetspule und einen dem Magnetkern axial gegenüberliegenden Magnetanker aufweist, der an dem vom Ventilschließglied abgekehrten Nadelende der Ventilnadel angeordnet ist, wobei Ventilöffnung und Ventilsitz am einteiligen Ventilsitzträger selbst ausgebildet sind, wobei die axial verschiebbare Führung der Ventilnadel dem Ventilsitzträger zugewiesen ist, wobei Magnetspule und Anschlussstecker in einem kunststoffumspritzten separaten Spulenteil zusammengefasst sind.
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Weiterhin geht aus den Druckschriften
DE 42 30 376 C1 und
DE 44 15 850 A1 hervor, dass ein Ankerabschnitt und ein Ventilhülsenabschnitt einer Ventilnadel einteilig durch Spritzgießen und anschließendes Sintern nach dem Metal-Injection-Molding(MIM)-Verfahren hergestellt sind. Der Ventilsitzträger ist über ein unmagnetisches Zwischenstück an dem hohlzylindrischen Magnetkern, z. B. durch Schweißung befestigt.
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Weiterhin geht aus der Druckschrift
DE 10 2005 036 950 A1 hervor, dass zwei Verfahrensprozesse mit jeweils einem MIM-Verfahren zur Bildung eines Formteils als metallisches Bauteil bestehend aus zwei Teilen angewendet werden. Aus der Druckschrift
DE 10 2005 052 252 A1 geht hervor, dass eines der das Ventilgehäuse bildenden Bauteile mittels Metal-Injection-Molding ausgeformt ist.
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Aus der Druckschrift
US 2009/0127354 A1 ist ein Einspritzventil bekannt, wobei ein Rohr und ein Gehäuse als einteiliges Bauteil hergestellt sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Einspritzventil und das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem nebengeordneten Anspruch haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der Verlustfluss aufgrund eines magnetischen Kurzschlusses im Magnetkreis bestehend aus Magnetanker, Magnetkern, Magnettopf und Magnetspule vergleichsweise gering gehalten wird und dadurch eine höchstmögliche magnetische Kraft zur Hubbetätigung der Ventilnadel bzw. eine möglichst hohe Haltekraft erreichbar ist. Dadurch ist eine vergleichsweise hohe Dynamik der Ventile erreichbar.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Rohr mittels eines Metal-Injection-Molding-(MIM) Verfahren bevorzugt mittels eines Zwei-Komponenten-MIM-Verfahren gefertigt ist. Durch die Anwendung des MIM-Verfahrens sind die Fertigungskosten vergleichsweise erheblich reduzierbar. Mittels MIM-Verfahren lassen sich komplexe und komplizierte Geometrien herstellen und verschiedene Werkstoffe zu einem einteiligen Bauteil fertigen.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Rohr und der Magnetkern als einteiliges Bauteil gefertigt sind. Durch diese einteilige Bauweise ist mittels MIM-Technologie die Fertigung erheblich vereinfacht. Dadurch sind Fertigungsprozesse reduzierbar und es ist eine erhebliche Kosteneinsparung möglich.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Magnetkern auf einer in axialer Richtung dem Magnetanker zugekehrten Oberfläche ein drittes Material aufweist, wobei das dritte Material im Wesentlichen eine vergleichsweise große Härte aufweist. Eine harte Oberfläche führt zu einer vergleichsweise hohen Verschleißfestigkeit, die wegen des Anschlags des Ankers auf den Magnetkernnotwendig ist.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Magnetkern auf der in axialer Richtung dem Magnetanker zugekehrten Oberfläche eine Profilierung, bevorzugt eine Abschrägung aufweist. Durch diese Profilierung bzw. Abschrägung ist es in vorteilhafter Weise möglich, ein hydraulisches Kleben zwischen Magnetanker und Magnetkern zu verhindern und dadurch die Dynamik des Einspritzventils erheblich zu erhöhen.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Rohr im ersten Rohrbereich einen Radialflansch aufweist, wobei das Rohr und der Radialflansch als einteiliges Bauteil mittels eines MIM-Verfahrens gefertigt sind. Durch diese einteilige Bauweise ist mittels MIM-Technologie die Fertigung erheblich vereinfacht. Dadurch sind Fertigungsprozesse reduzierbar und es ist eine erhebliche Kosteneinsparung möglich.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Rohr im Bereich der Spulenwindungen der Magnetspule eine weitere Profilierung aufweist. Durch diese weitere Profilierung ist es in vorteilhafter Weise möglich, Spulenwindungen der Magnetspule auf dem Rohr anzuordnen. Diese Anordnung ist vergleichsweise bauraumsparend.
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Ein anderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Einspritzventils. In vorteilhafter Weise ist es durch dieses Verfahren möglich, dass der Verlustfluss aufgrund eines magnetischen Kurzschlusses im Magnetkreis bestehend aus Magnetanker, Magnetkern, Magnettopf und Magnetspule vergleichsweise gering gehalten wird und dadurch eine höchstmöglich magnetische Kraft zur Hubbetätigung der Ventilnadel bzw. eine möglichst hohe Haltekraft erreichbar ist. Dadurch ist eine vergleichsweise hohe Dynamik der Ventile erreichbar.
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Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Rohr, ein Radialflansch und ein Magnetkern mittels MIM-Technologie als einteiliges Bauteil hergestellt werden. Durch die Anwendung des MIM-Verfahrens sind die Fertigungskosten vergleichsweise erheblich reduzierbar. Mittels MIM-Verfahren lassen sich komplexe und komplizierte Geometrien herstellen und verschiedene Werkstoffe zu einem einteiligen Bauteil fertigen.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines Einspritzventils gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine schematische Darstellung eines Rohres gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3 eine schematische Darstellung eines Rohres gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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4 eine schematische Darstellung eines Spritzgießwerkzeuges zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Rohres und
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5 eine schematische Darstellung eines Magnetkreises eines Einspritzventils gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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Das in 1 im Längsschnitt schematisiert dargestellte Einspritzventil gemäß dem Stand der Technik wird in Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Es weist einen Ventilsitzträger 11, eine im Ventilsitzträger 11 koaxial angeordnete Ventilnadel 12, einen Elektromagneten 13 zum Betätigen der Ventilnadel 12, sowie einen Anschlussstutzen 14 zum Zuführen von Kraftstoff auf.
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Beim Herstellen des Ventilsitzträgers 11 wird in dessen Bodenbereich eine Ventilöffnung 15 und ein diese umschließender Ventilsitz 16 aus- bzw. angeformt. Im Boden des Ventilsitzträgers 11 ist auf der vom Ventilsitz 16 abgekehrten Außenseite eine Ausnehmung koaxial zur Ventilöffnung 15 eingeformt, in dereine Spritzlochscheibe 17 befestigt ist. An seinem vom Ventilsitz 16 abgekehrten Ende ist der Ventilsitzträger 11 mit einer außen umlaufenden Ringnut 18 versehen.
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Die hohlzylindrische Ventilnadel 12 ist an ihrem vom Ventilsitz 16 abgekehrten Ende zum Kraftstoffeintritt offen und trägt an ihrem dem Ventilsitz 16 zugekehrten anderen Ende ein Ventilschließglied 19, das mit dem Ventilsitz 16 zum Freigeben und Schließen der Ventilöffnung 15 zusammenwirkt. Zum Kraftstoffaustritt ist die Ventilnadel 12 mit einem radial durch die Zylinderwand hindurchgehenden Austrittsloch 20 versehen. An dem vom Ventilschließglied 19 abgekehrten Ende der Ventilnadel 12 ist ein Magnetanker 21 angeordnet, über den die Ventilnadel 12 in dem Ventilsitzträger 11 axial verschiebbar geführt ist. Eine innen am Ventilschließglied 19 ausgerichtete ebene Fläche 22 dient als Referenzfläche zur Einstellung des Ventilhubs des Ventilhubs.
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Der Elektromagnet 13 umfasst neben dem mit der Ventilnadel 12 einstückig ausgebildeten Magnetanker 21 einen innenliegenden, hohlzylindrischen Magnetkern 23, einen außenliegenden Magnettopf 24, der bevorzugt tiefgezogen ist, und eine zwischen Magnetkern 23 und Magnettopf 24 einliegende Magnetspule 25, die aus auf einen Spulenkörper aufgewickelten Erregerwicklungen besteht. Die Magnetspule 25 ist an einem Anschlussstecker 26 angeschlossen. Der hohlzylindrische Magnetkern 23 ist an dem vom Ventilsitz 16 abgekehrten Ende des Ventilsitzträgers 11 in diesen eingepresst. Seine Einpresstiefe bestimmt den Hub der Ventilnadel 12.
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Die Magnetspule 25 und der Anschlussstecker 26 sind zu einem kunststoffumspritzten Spulenteil 27 zusammengefasst, das auf den Ventilsitzträger 11 aufgeschoben wird. Auf das kunststoffumspritzte Spulenteil 27 wird der Magnettopf 24 aufgesetzt, der mit seinem Topfboden 241 den Ventilsitzträger 11 umschließt und mit seinem Topfmantel 242 am Topföffnungsrand einen am Ventilsitzträger 11 angeformten Radialflansch 111 nahezu spiellos übergreift. Der Radialflansch 111 ist in Höhe des Magnetankers 21 an der Ventilnadel 12 angeordnet.
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Die Ventilnadel 12 wird mit ihrem Ventilschließglied 19 durch eine als Druckfeder ausgebildete Ventilschließfeder 28 auf den Ventilsitz 16 aufgepresst. Hierzu stützt sich die Ventilschließfeder 28 einerseits in einer im Innern der Ventilnadel 12 ausgebildeten, radialen Ringschulter 121 und andererseits an einer Einstellhülse 29 ab, die in den Magnetkern 23 eingepresst ist. Die Einpresstiefe der Einstellhülse 29 bestimmt die Federvorspannung der Ventilschließfeder 28 und damit die Schließkraft der Ventilnadel 12. Bei geschlossenem Ventil ist zwischen den ringförmigen Stirnflächen von Magnetanker 21 und Magnetkern 23 ein Arbeitsluftspalt 30 vorhanden. Der Magnetkern 23, der Magnettopf 24, die Magnetspule 25 und der Magnetanker 21 bilden einen Magnetkreis.
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Der Anschlussstutzen 14 ist als separates Kunststoffspritzgussteil mit integriertem Filter 31 hergestellt. Er weist einerseits einen Ringsteg 141, der mit der Ringnut 18 am Ventilsitzträger 11 eine Klipsverbindung herstellt, und eine radial abstehende Montagenase 142 auf, die als Verdrehsicherung dient und zum lagerichtigen Einsetzen des Einspritzventils in eine Kraftstoffsammelleitung dient.
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Bei diesem Einspritzventil gemäß dem Stand der Technik wird der magnetische Kurzschluss dadurch reduziert, dass der Ventilsitzträger 11 eine Verengung 131 (Drosselstelle) aufweist. Beim erfindungsgemäßen Einspritzventil wird der magnetische Kurzschluss vermieden und durch ein einfaches Fertigungsverfahren eine magnetische Trennung dargestellt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Rohres 200 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Rohr 200 ist als zylindrischer Körper ausgebildet und weist in axialer Richtung hintereinander drei Rohrbereiche 201, 202, 203 auf. Der erste Rohrbereich 201 befindet sich an demjenigen Ende des Rohres 200, das der Ventilöffnung 15 zugekehrt ist, der dritte Rohrbereich 203 ist an demjenigen Ende des Rohres 200 angeordnet, das der Ventilöffnung 15 abgekehrt ist. Der zweite Rohrbereich 202 ist zwischen dem ersten und dem dritten Rohrbereich 201, 203 angeordnet. Die drei Rohrbereiche weisen unterschiedliche Werkstoffeigenschaften auf. Der erste Rohrbereich 201 und der dritte Rohrbereich 203 des Rohres 200 sind aus einem magnetischen ersten Material gefertigt, wobei das erste Material im Wesentlichen magnetisch leitende bzw. ferritische Eigenschaften aufweist. Der zweite Rohrbereich 202 des Rohres 200 ist aus einem unmagnetischen zweiten Material (magnetische Trennung) gefertigt, wobei das zweite Material im Wesentlichen nicht magnetisch leitend bzw. austenitisch ist.
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Die Herstellung des Polrohres erfolgt beispielsweise mittels eines 2-Komponenten Metall-Spritzguss-Verfahrens bzw. Metal-Injection-Molding (MIM). Die Herstellung mittels MIM-Verfahren bietet den Vorteil, dass auch komplexe bzw. komplizierte Geometrien herstellbar sind. Mittels MIM-Technologie sind beispielsweise Bohrungen mit einem minimalen Bohrungsdurchmesser von etwa 0,1 mm herstellbar. Es sind beispielsweise weiterhin mittels MIM-Technologie Wandstärken herstellbar, die weniger als etwa 1 mm betragen. Dabei sind die Fertigungstoleranzen vergleichsweise gering. Bei der Herstellung der Pulverspritzgießmassen werden Bindersysteme verwendet, um die Metallpulver für die Spritzgießmaschinen zu homogenisieren. Ziel der Aufbereitung ist die Ummantelung aller Metallpulverpartikel mit dem Bindersystem, die Verhinderung bzw. Zerstörung von Agglomeraten der Metallpulverkörner und die Herstellung eines möglichst homogenen Granulats (auch Feedstock genannt). Als Ausgangsmaterialien für das Spritzgießen von Metallpulver können beispielsweise alle sinterfähigen Pulver mit geeigneter Korngröße eingesetzt werden, wie beispielsweise Metalle, z. B. niedriglegierte Stähle, Edelmetalle, Hartmetalle wie Worlframcarbid mit 12 gew.-% Co. Möglich ist auch ein 2-K-CIM (Ceramic Injection Molding) Verfahren mit Keramiken wie z. B. Zirkoniumoxid. Die Körner des verwendeten Metallpulvers weisen bevorzugt eine mittlere Korngröße von etwa 4 μm bis etwa 20 μm auf.
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Zur Formgebung wird der Feedstock in gekühlte beispielsweise flüssigkeitsgekühlte (insbesondere Kühlung durch Wasser oder Öl) Werkzeuge eingespritzt. Förderschnecken und -zylinder sind bevorzugt aus vergleichsweise hartem Material gefertigt, insbesondere aus Stahlmaterial oder aus Bimetallmaterial. Nach dem Spritzgussprozess werden die Bauteile (auch Grünlinge genannt) aus dem Werkzeug entformt.
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Als Bindersystem sind Wachsmaterialien verwendbar. Durch vergleichsweiselangsames Erwärmen wird das Wachsmaterial aus dem Grünling ausgeschmolzen. Dieser Vorgang wird als Entbinderung und das dann vorliegende poröse Formteil als Braunling bezeichnet. Weiterhin sind als Bindersysteme Thermoplastmaterial, Polyalkohole, Polyoxymethylen (POM) oder Polyvinylalkohole verwendbar.
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Durch das abschließende Sintern entsteht aus dem Braunling das Endprodukt. In einem Sinterofen wird der Braunling erwärmt. Die Temperatur beträgt vorzugsweise etwa 1200°C bis etwa 1300°C. Das Sintern erfolgt bevorzugt in einer Schutzgasatmosphäre aus Stickstoff oder Wasserstoff weiterhin bevorzugt in einem Vakuum.
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Durch die Anwendung des MIM-Verfahrens sind die Fertigungskosten vergleichsweise erheblich reduzierbar. Mittels MIM-Verfahren lassen sich komplexe und komplizierte Geometrien herstellen und verschiedene Werkstoffe zu einem einteiligen Bauteil fertigen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung des Rohrs 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Mittels MIM-Technologie ist das Rohr 200, der Radialflansch 111 und der Magnetkern 23 als einteiliges Bauteil hergestellt. Das Rohr 200 weist den ersten, zweiten und dritten Rohrbereich 201, 202, 203 auf. Weiterhin weist das Rohr 200 einen Überdeckungsbereich 300 auf, in dem sich das unmagnetische zweite Material (magnetische Trennung) in radialer Richtung auf dem magnetischen ersten Material des Magnetkerns 23 befindet.
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Der Magnetkern 23 weist an einer dem Magnetanker 21 zugekehrten Oberfläche z. B. eine Abschrägung 301 auf. Diese Abschrägung 301 ermöglicht, dass ein hydraulisches Kleben des Magnetankers 21 am Magnetkern 23 verhindert wird. Weiterhin kann durch eine geeignete Gestaltung der Oberfläche der Anschlagimpuls (Geräusch) positiv beeinflusst werden. Alternativ ist es möglich, das hydraulische Kleben durch eine Aufrauhung der Oberfläche, durch eine stufenförmig ausgebildete Oberfläche oder durch eine profilierte Oberfläche des Magnetkerns 23 zu verhindern. Weiterhin ist es zur Reduzierung des hydraulischen Klebens möglich, mindestens eine Bohrung 303 in axialer Richtung durch den Magnetkern 23 anzuordnen. Weiterhin ist es möglich, die Abschrägung 301 beispielsweise durch ein Nitrierverfahren zu härten. Dieses Härten führt zu einer erhöhten Verschleißfestigkeit der Oberfläche des Magnetkerns 23. Alternativ ist es mittels MIM-Technologie möglich, die Abschrägung 301 aus einem Hartmaterial herzustellen, beispielsweise aus einem Hartmetall oder einem Keramikmaterial. Weiterhin ist es mittels MIM-Technologie möglich, auf der Außenfläche des Rohres 200 eine weitere Profilierung 302 herzustellen. Diese weitere Profilierung 302 ermöglicht die Anordnung von Spulenwicklungen der Magnetspule 25 und somit eine kompakte und Bauraum sparende Herstellung.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Spritzgießwerkzeugs zur erfindungsgemäßen Herstellung des Rohres 200. In ein Werkzeugmaterial 800 wird zunächst eine Kontur des Rohres 200 mit drei Konturteilbereichen 803, 804, 805 eingebracht. Weiterhin weist das Werkzeug Anspritzkanäle 801, 802 auf. Zur Fertigung des Rohres 200 wird in einem ersten Schritt mittels einer Förderschnecke in den Anspritzkanal 802 eine unmagnetische Pulvermetallformmasse eingebracht, die im Wesentlichen aus einem unmagnetischen insbesondere austenitischen Material (magnetische Trennung) besteht. Die austenitische Pulvermetallformmasse gelangt in den Konturbereich 804 und bildet die magnetische Trennung zwischen dem vorderen Bereich des Rohres 200 und dem Magnetkern 23. Zur Fertigung des Rohres 200 wird in einem zweiten Schritt mittels einer Förderschnecke in den Anspritzkanal 801 eine ferritische Pulvermetallformmasse eingebracht, die im Wesentlichen aus einem magnetischen insbesondere einem ferritischen Material besteht. Über die Kanalarme 806 bzw. 807 gelangt die ferritische Pulvermetallformmasse in die Konturbereiche 805 bzw. 803. Die ferritische Pulvermetallformmasse bildet im Konturbereich 803 den Magnetkern 23 und den hinteren Teil des Rohres 200. Die ferritische Pulvermetallformmasse bildet im Konturbereich 805 den vorderen Bereich des Rohres 200 und den Radialflansch 111. Nach dem Einspritzen der Pulvermetallformmassen erfolgen das Entbindern und das Sintern des gespritzten Bauteils.
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5 zeigt eine schematische Darstellung der Komplettierung der zweiten Ausführungsform aus 3 zu einem kompletten Magnetkreises. Der Magnettopf 24 ist auf das Rohr 200 außen aufgepresst und umgibt zumindest teilweise die Magnetspule 25. Das Rohr 200 weist den Radialflansch 111 und den Magnetkern 23 auf, wobei das Rohr 200 bevorzugt mittels 2-Komponenten-MIM-Technik hergestellt wird. Die magnetische Trennung im zweiten Rohrbereich 202 ist durch das unmagnetische zweite Material realisiert. Der Magnetkreis umfasst den Magnetanker 21, die Magnetspule 25, den Magnettopf 24 und den Magnetkern 23. Der magnetische Kurzschluss wird durch das unmagnetische zweite Material im zweiten Rohrbereich 202 verhindert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004058803 A1 [0002]
- DE 4230376 C1 [0003]
- DE 4415850 A1 [0003]
- DE 102005036950 A1 [0004]
- DE 102005052252 A1 [0004]
- US 2009/0127354 A1 [0005]
