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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Werkzeug zur Herstellung einer mehrere Rotorschaufeln aufweisenden Rotorscheibe eines Rotorelements insbesondere für Turbomolekularpumpen, sowie eine Rotorscheibe die vorzugsweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
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Vakuumpumpen insbesondere Turbomolekularpumpen weisen ein von einer Rotorwelle getragenes Rotorelement auf. Bei Turbomolekularpumpen handelt es sich um mehrere Rotorscheiben, zwischen denen Statorscheiben angeordnet sind. Die Rotorscheiben weisen jeweils mehrere Rotorschaufeln auf. Die Herstellung derartiger Rotorscheiben erfolgt üblicherweise aus Aluminium durch spanabhebende Bearbeitung aus dem Vollen. Zur Erzeugung von Hochvakuum ist es erforderlich, dass die Rotorelemente der Turbomolekularpumpe mit sehr hohen Geschwindigkeiten rotieren. Die Geschwindigkeit der Rotorschaufeln liegt hierbei vorzugsweise mindestens in dem Bereich der thermischen Geschwindigkeit von Stickstoff. Wünschenswert wäre eine weitere Erhöhung der Geschwindigkeit, um der thermischen Geschwindigkeit von Wasserstoff oder Helium näherzukommen. Dies ist mit bekannten Rotorelementen aus Aluminium jedoch nicht möglich, da die Rotationsgeschwindigkeit der Rotorelemente durch die Festigkeit der verwendeten Aluminiumlegierung beschränkt ist. Die in dem Rotorelement auftretenden Spannungen müssen stets niedriger sein als die für die Aluminiumlegierung zulässigen Spannungen. Einfluss auf die auftretenden Spannungen hat insbesondere die Drehgeschwindigkeit, der Rotordurchmesser und das spezifische Gewicht des Werkstoffes.
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DE 11 2011 100 402 T5 beschreibt eine Hochvakuumpumpe mit einer Mehrzahl von Pumpenstufen. Die Druckschrift beschreibt ferner ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vakuumpumpe, wobei die Pumpstufen zumindest aus einem Statorelement und einem Rotorelement bestehen, wobei zumindest eines dieser Elemente aus einem mit verstärkenden Kunstfasern bestickten Kunststoffmaterial hergestellt wird.
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WO 2005/001294 A1 beschreibt einen Impeller einer Turbomolekularpumpe. Der Impeller besteht aus einer Vielzahl aus Polymerwerkstoff bestehender Schaufeln.
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Aufgabe der Erfindung ist es eine Rotorscheibe eines Rotorelements insbesondere für Turbomolekularpumpen zu schaffen, die mit hohen Geschwindigkeiten der Rotorschaufeln betrieben werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Rotorelements sowie ein Werkzeug für das Herstellungsverfahren zu schaffen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, ein Werkzeug gemäß Anspruch 8 sowie eine Rotorscheibe gemäß Anspruch 12.
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Erfindungsgemäß ist die Rotorscheibe aus faserverstärktem Kunststoff insbesondere CFK hergestellt. Die Rotorscheibe ist hierbei vorzugsweise eine von mehreren Rotorscheiben eines Rotorelements einer Turbomolekularpumpe. Derartige Rotorscheiben weisen mehrere zu einer Rotorebene geneigt angeordnete Rotorschaufeln auf. Bspw. sind mehrere Rotorscheiben abwechselnd zu in einem Pumpengehäuse stationär angeordneten Statorscheiben angeordnet, wobei die Rotorscheiben auf einer Rotorwelle fixiert sind. Die einzelnen Rotorscheiben weisen hierbei ein ringförmiges Nabenelement auf. Das Nabenelement ist somit als ringförmiger Hohlzylinder ausgebildet, wobei die Nabenelemente mehrerer Rotorscheiben entweder auf einer Rotorwelle fixiert werden oder eine Rotorwelle ausbilden, indem die Nabenelemente miteinander verbunden werden. Ausgehend von den Nabenelementen erstrecken sich radial nach außen mehrere Rotorschaufeln, die gegenüber einer Rotorebene geneigt sind, d. h. einen definierten Neigungswinkel aufweisen. Dieser verändert sich üblicherweise in Strömungsrichtung der Turbomolekularpumpe von einem relativ großen Winkel zu einem sehr flachen Winkel.
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Zur Herstellung einer Rotorscheibe aus faserverstärktem Kunststoff erfolgt erfindungsgemäß ein Führen der Fasern zur Ausbildung des Nabenelements zunächst teilringförmig. Anschließend werden die Fasern zur Ausbildung der Rotorschaufeln radial nach außen und wieder radial zurück nach innen zum Nabenelement geführt. Im nächsten Schritt werden sodann wiederum die Fasern teilringförmig insbesondere zur Ausbildung eines anderen Teils des Nabenelements geführt. Anschließen erfolgt wiederum ein Führen der Fasern radial nach außen und zurück nach innen. Diese Schritte werden bis zur Fertigstellung der Rotorscheibe wiederholt. Bevorzugt ist es hierbei mit einem entsprechenden Harz getränkte Fasern zu verwenden, so dass nach Fertigstellung der Rotorscheibe das Harz aushärten kann und allenfalls ein zusätzliches Tränken der Fasern mit Harz erforderlich ist.
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Bevorzugt ist es, dass das Nabenelement eine größere Anzahl an Faserlagen beziehungsweise Fasern als die einzelnen Rotorschaufeln aufweist. Insofern ist es bei der Herstellung der Rotorscheibe besonders bevorzugt, dass der teilringförmige Bereich des Nabenelements zwischen dem Wickeln von zwei Rotorschaufeln durch Führen der Fasern radial nach außen und zurück nach innen dazwischen angeordnete Rotorschaufeln überbrückt. Die Faser wird somit zunächst zur Ausgestaltung einer Faserlage einer Rotorschaufel radial nach außen und zurück nach innen geführt, sodann zur Ausbildung des Nabenelements bis zur übernächsten Rotorschaufel und erst dann wieder radial nach außen und zurück nach innen zur Ausbildung dieser Rotorschaufel geführt. Ebenso können bei der Führung der Fasern mehr als eine Rotorschaufel ausgelassen werden. Beim Auslassen einer Rotorschaufel und einer ungeraden Anzahl an Rotorschaufeln führt dies dazu, dass das Nabenelement deutlich mehr Fasermaterial als die Rotorschaufeln aufweist. Hierdurch kann ein verstärktes Nabenelement hergestellt werden.
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An den äußeren Enden der Rotorschaufel, d. h. an den Schaufelspitzen werden die Fasern umgelenkt, um wieder zurück zum Nabenelement geführt werden zu können. Die hierbei entstehende Schlaufe wird vorzugsweise nach Fertigstellung der Rotorscheibe durch Abschneiden, Abfräsen o. dgl. entfernt. Um eine hohe Festigkeit im Bereich der Schaufelspitze erzielen zu können ist es bevorzugt, dass die Fasern in diesem Bereich gekreuzt werden.
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Ferner ist es möglich die Wickelrichtung insbesondere in regelmäßigen Abständen zu verändern. Beispielsweise erfolgt bezogen auf das Nabenelement ein Wickeln im Uhrzeigersinn, wobei die Fasern in regelmäßigen Abständen zur Ausbildung der Rotorschaufeln nach außen und zurück nach innen geführt sind. Eine Änderung der Wickelrichtung kann insbesondere nach dem Zurückführen der Faser nach innen in Richtung des Nabenelements erfolgen, indem sodann der Bereich der Fasern auf dem Nabenelement entgegen dem Uhrzeigersinn gewickelt wird.
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Zur Herstellung der Rotorscheibe können Justageelemente wie Justagestifte vorgesehen sein, um die Fasern zu justieren. Derartige Justageelemente sind insbesondere im Übergangsbereich zwischen dem Nabenelement und den Rotorschaufeln vorgesehen, so dass die Faser definiert vom Nabenelement weg radial nach außen geführt ist. Entsprechende Justageelemente insbesondere Justagestifte können an den Schaufelspitzen vorgesehen sein. Hierdurch ist die Herstellung vereinfacht, da die Fasern zur Herstellung der Schaufelspitze um diese herumgeführt werden können. Hierdurch ist es ebenso in einfacher Weise möglich ein Kreuzen der Fasern in diesem Bereich zu realisieren. Insbesondere werden die Justageelemente zumindest teilweise geneigt angeordnet, wobei die Neigung der Justageelemente der Neigung der Rotorschaufeln gegenüber der Rotorebene entspricht.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Rotorscheibe, die insbesondere nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Eine erfindungsgemäße Rotorscheibe ist somit aus faserverstärktem Kunststoff insbesondere CFK hergestellt und weist entsprechend angeordnete Fasern zur Ausbildung des ringförmigen Nabenelements sowie der radial nach außen zur Rotorebene geneigt verlaufenden Rotorschaufeln auf. Die Faseranordnung erfolgt hierbei wie vorstehend anhand des Verfahrens beschrieben.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Werkzeug zur Herstellung einer mehrere Rotorschaufeln aufweisenden Rotorscheibe, bei der es sich insbesondere um eine Rotorscheibe wie vorstehend beschrieben und besonders bevorzugt eine Rotorscheibe entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt.
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Das Werkzeug weist einen insbesondere scheiben- oder plattenförmig ausgebildeten Grundkörper auf. An dem Grundkörper ist ein vorzugsweise zentral oder mittig angeordneter kreisförmiger Mittelteil angeordnet. Der Durchmesser des Mittelteils entspricht hierbei im Wesentlichen dem Durchmesser des herzustellenden Nabenelements, wobei der Durchmesser des Mittelteils gegebenenfalls etwas kleiner ist als der Innendurchmesser des herzustellenden Nabenelements, so dass dieses nach der Herstellung noch bearbeitet werden kann, um sodann das geforderte Endmaß zu haben.
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Des Weiteren sind mit dem Grundkörper Justageelemente zur Führung der Fasern verbunden. Der insbesondere scheiben- oder plattenförmige Grundkörper kann bspw. auch sternförmig ausgebildet sein oder lediglich Stege bzw. Verbindungselemente aufweisen, die die Justageelemente tragen und mit dem Mittelteil verbunden sind.
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Vorzugsweise kann ein Teil der Justageelemente als verlorene Justageelemente ausgebildet sein. Derartige Justageelemente können somit nicht mehr aus dem fertigen Werkstück herausgezogen werden, ohne beschädigt oder zerstört zu werden. Insbesondere Justageelemente im Bereich der Schaufelspitzen, die von den Fasern umschlungen sind, sind als verlorene Justageelemente ausgebildet. Die Justageelemente werden bspw. beim Bearbeiten der Schaufelspitzen, bei denen die Schlaufen entfernt werden, mit entfernt.
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Vorzugsweise weisen die Justageelemente einen Anlagefläche für die Fasern auf, so dass die Fasern insbesondere in den Übergangsbereichen zwischen dem Nabenelement und den Rotorschaufeln nahe oder sogar entsprechend der zu erzielenden Endform der Rotorscheibe geführt sind. Die Anlageflächen weisen hierbei vorzugsweise entsprechende Krümmungsradien auf, so dass ein gleichmäßiges Umlenken der Fasern realisiert ist, um Kerbwirkungen in den Fasern zu vermeiden.
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Die Neigung der Justageelemente ist vorzugsweise an die Neigung der Rotorschaufeln angepasst.
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In besonders bevorzugter Ausführungsform. ist zur Ausbildung der Schaufelspitzen eine Gruppe an Justageelementen vorgesehen. Hierbei kann es sich vorzugsweise um drei stiftartige Justageelemente handeln. Hierbei erfolgt das Führen der Fasern zunächst zwischen zwei Justageelementen hindurch, wobei diese beiden Justageelemente in einem äußeren Bereich der Rotorschaufel insbesondere innerhalb der später durch Bearbeitung hergestellten Schaufelspitze angeordnet sind. Ein drittes Justageelement, das ebenfalls bevorzugt als Pin ausgebildet ist, ist radial außerhalb der späteren Schaufelspitze angeordnet und wird von den Fasern umschlungen.
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Des Weiteren ist es bevorzugt für die Ausbildung der Rotorschaufeln zwei weitere Justageelemente vorzusehen. Diese sind vorzugsweise jeweils im Übergangsbereich zwischen dem Nabenelement und der Rotorschaufel angeordnet und in besonders bevorzugter Ausführungsform ebenfalls entsprechend der Neigung der Rotorschaufel geneigt.
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Das Entformen der ausgehärteten Rotorscheibe aus dem Werkzeug erfolgt insbesondere durch Herausdrehen des Werkzeugs aus der hergestellten Rotorscheibe, wobei ggf. einige der Justageelemente insbesondere die im Bereich der Schaufelspitze umschlungenen Justageelemente verloren sind. Anschließend erfolgt ein Bearbeiten der Schaufelspitzen, wodurch in bevorzugter Ausführungsform die entsprechenden verlorenen Justageelemente entfernt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Draufsicht des Werkzeugs zur Herstellung der Rotorscheibe,
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2 eine schematische perspektivische Ansicht des Werkzeuges und
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3 eine schematische Darstellung einer Gruppe an Justageelementen im Bereich einer Schaufelspitze.
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Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäß ausgebildeten Rotorscheibe aus faserverstärktem Kunststoff weist einen Grundkörper 10 auf. Dieser ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als plattenförmiger zylindrischer Körper ausgebildet. Auf einer Oberseite 12 des Grundkörpers 10 ist bspw. wie im Aufführungsbeispiel ein kreiszylindrisch ausgebildetes Mittelteil 14 vorgesehen, das insbesondere einstückig mit dem Grundkörper 10 ausgebildet ist. Des Weiteren sind als Justagestife oder Justagepins ausgebildete innere Justageelemente 16 sowie äußere Justageelemente 18, 20 mit dem Grundkörper 10 verbunden. Die Justgageelemente sind hierbei insbesondere in in dem Grundkörper 10 vorgesehene Bohrungen eingesetzt. Sämtliche Justageelemente 16, 18, 20 weisen gegenüber einer Rotorebene, die parallel zu der Oberseite 12 des Grundkörpers 10 verläuft einen Winkel bzw. eine Neigung auf, die der Neigung der herzustellenden Rotorschaufeln entspricht.
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Zur Herstellung der Rotorscheibe werden insbesondere mit Harz getränkte Kohlenstoffasern zur Ausbildung eines Nabenelements 22 um das Mittelteil 14 und zur Ausbildung der Rotorschaufeln 24 radial nach außen geführt. Beispielsweise werden eine oder mehrere Fasern ausgehend von einem Bereich, in dem die Rotorscheibe 24a ausgebildet wird im Uhrzeigersinn teilringförmige bis zu einem Bereich, in dem die übernächste Rotorschaufel 24b ausgebildet wird, geführt. Anschließend wird die Faser um das erste innere Justageelement 16 teilweise herumgeführt, so dass die Faser radial nach außen zu dem äußeren Justageelement 20 geführt ist. Sodann erfolgt ein Führen der Fasern um das äußere Justageelement 20 herum und sodann wieder zwischen den beiden äußeren Justageelementen 18 zurück nach innen in Richtung des Nabenelements 22. Die Fasern werden wiederum teilringförmig entlang des Mittelteils 14 weiterhin im Uhrzeigersinn wiederum zu der übernächsten Rotorschaufel 24c geführt. In diesem Bereich erfolgt wiederum ein Umlenken der Fasern durch eines der inneren Justageelemente 16 nach außen zu den äußeren Justageelementen 18, 20 und dann wieder zurück nach innen in Richtung des Nabenelements 22. Hier wird die Phase wiederum durch eines der inneren Justageelemente 16 umgelenkt. Diese Schritte werden sodann weiter durchgeführt um wiederum die übernächste Rotorschaufel 24d auszubilden. Dann werden mit denselben Verfahrensschritten die Rotorschaufeln 24e, 24f, 24f, 24h und 24j ausgebildet. Anschließend erfolgt sodann wieder das Herstellen der Rotorschaufel 24a und usw. Diese Vefahrensschritte werden bis zur Fertigstellung der Rotorschaufel wiederholt.
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Anschließend erfolgt ein Aushärten des Faserverbundwerkstoffs und sodann ein Entfernen des Werkzeugs. Hierbei wird das Werkzeug in dem genannten Ausführungsbeispiel im Gegenurzeigersinn (2) herausgedreht. Insbesondere die äußeren Justageelemente 20, die von den Fasern umschlungen sind werden hierbei nicht aus der fertigen Rotorschaufel herausgedreht und bleiben als verlorene Justageelemente in diesem Bereich. Im nächsten Schritt erfolgt ein Entfernen der äußeren Justageelemente 20 zusammen mit dem schlaufenförmigen Bereich der Fasern durch Abschneiden oder dergleichen. Sodann kann eine Nachbearbeitung der Rotorschaufel erfolgen.
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Ebenso ist es möglich anstatt der beschriebenen Herstellung der stets übernächsten Rotorschaufel jeweils jede dritte Rotorschaufel herzustellen. Auch andere Abstände sind möglich. Diese sind abhängig von der Anzahl der Rotorschaufeln, wobei der Abstand zwischen aufeinander folgend gewickelten Rotorschaufeln derart gewählt ist, dass eine gleichmäßige Verteilung der Fasern erfolgt, so dass sämtliche Rotorscheiben die gleiche Dicke bzw. die gleiche Anzahl an Fasern aufweisen. Auch ist es möglich, die Wickelrichtung im Bereich der Rotornabe zu variieren.
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Zur Erhöhung der Festigkeit im Bereich der Schaufelspitzen 26 ist es auch möglich die Fasern wie schematisch in 3 dargestellt zu führen, so dass sich diese kreuzen. Ein entsprechendes Kreuzen kann bei jedem Umwickeln der äußeren Justageelemente 20 oder nur in insbesondere regelmäßigen Abständen des Wickelns erfolgen.
