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Die Erfindung betrifft einen Permanentmagnetrotor (20) mit einem aus einem spritzgusstechnisch verarbeitbaren thermoplastischen Kunststoffmaterial bestehenden permanentmagnetischen Kern und einer aus einem spritzgusstechnisch verarbeitbaren thermoplastischen Kunststoffmaterial bestehenden nichtmagnetischen Hautschicht, wobei die Hautschicht eine erste Materialkomponente (2) und der Kern eine zweite Materialkomponente (3) darstellt und die zweite Materialkomponente (3) aus einer Kunststoffmatrix besteht in welcher NdFeB-Magnetpartikel eingebettet sind.
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NdFeB-Permanentmagnetmaterial ist als hocheffizientes Magnetmaterial bekannt, das jedoch ungünstige Korrosionseigenschaften besitzt, insbesondere wenn es in korrosiven Medien wie Harnstoff oder auch Wasser eingesetzt wird, z. B. in Form eines Pumpenrotors. Als Korrosionsschutzmaßnahme sind Beschichtungen aus Zink und anderen Metallen bekannt oder es wird eine Kunststoffschicht auf das Magnetmaterial aufgebracht. NdFeB wird auch in kunststoffgebundener Form als Magnetrotor eingesetzt, wobei geringere Korrosionsprobleme auftreten. Dennoch kann es auch hierbei sinnvoll oder notwendig sein eine zusätzliche Korrosionsschutzbeschichtung aufzubringen. Der Beschichtungs-/Umspritz-Vorgang erfordert dabei teilweise mehrere aufwändige Prozessschritte und/oder Handhabungsvorgänge, um eine mediendichte Schutzschicht zu gewährleisten. Bei der Spritzgussverarbeitung von kunststoffgebundenem NdFeB kommt es an den Kontaktflächen zwischen Füllstoffpartikeln und den Einsätzen zu abrasivem und korrosivem Verschleiß. Dies verringert die Standzeit des Spritzgusswerkzeugs und ist daher aus wirtschaftlichen Gründen nachteilig.
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Aufgabe der Erfindung ist eine deutliche Prozesszeitverkürzung und eine erhebliche Verschleißminderung bei der Fertigung von im Einsatz Medienangriffen ausgesetzten kunststoffgebundenen NdFeB-Magneten, sowie die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften im Fertigteil.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst.
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Um eine innige Verbindung zwischen der Kunststoffmatrix des Permanentmagneten und dem Kunststoffmaterial der ersten Materialkomponente zu erreichen ist vorgesehen dass beide aus miteinander verträglichen und/oder aneinander haftbaren Kunststoffmaterialien bestehen. Ein sicherer Korrosionsschutz ergibt sich in der Regel nur, wenn Dichtigkeitsfehler vermieden werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Hautschicht des Permanentmagnetrotors nahtlos geschlossen ist und aus der ersten Materialkomponente ohne Permanentmagnetpartikel besteht. Dies ist weiter eine Voraussetzung für eine Verschleißverringerung bei der Herstellung, weil die abrasiven Magnetpartikel des NdFeB-Materials nicht in der Hautschicht eingebettet sind. Die Verwendung zweier verträglicher thermoplastischer Kunststoffschmelzen wird eine stoffschlüssigen Verbindung der beiden Komponenten begünstigt, wodurch die mechanische Belastbarkeit des Rotors verglichen mit herkömmlichen umspritzten Magneten deutlich erhöht ist.
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Aus dem gleichen Grund sollte die erste Materialkomponente selbst möglichst aus einem Kunststoffmaterial mit keiner oder nur geringer abrasiver Wirkung bestehen.
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Durch die Materialkombination einer ersten Hautkomponente aus niederviskosem und einer Kernkomponente aus hochviskosem Material wird die Ausbildung einer möglichst dünnen Hautschicht begünstigt. Dies wirkt sich positiv auf den Motorwirkungsgrad aus.
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Durch geeignete Wahl der Angusspositionen sowie der Menge der ersten Komponente ist es zudem möglich massive Geometrien aus der ersten Komponente am Fließwegende zu realisieren. Die Hautschicht lässt sich insbesondere auch aufgrund ihres kostengünstigeren Materials wirtschaftlich für Teile des Permanentmagnetrotors verwenden, die nicht notwendigerweise aus einem kostbaren Permanentmaterial bestehen müssen. Bei Permanentmagnetrotoren, die als Nassläufer eines Pumpenmotors dienen, ist es daher vernünftig diese aus der ersten Materialkomponente, aus der auch die Hautschicht besteht, auszubilden. Vorteile hat der erfindungsgemäße Permanentmagnetrotor insbesondere bei der Förderung eines Mediums, wie Wasser oder Harnstoff, gegen welches das NdFeB-Magnetmaterial unbeständig ist und gegen welches die erste Materialkomponente (2) der Hautschicht beständig ist.
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Der der Permanentmagnetrotor kann auch eine Schnittstelle zur Montage zumindest eines Pumpenflügels aufweisen, welche Schnittstelle aus der ersten Materialkomponente (2) besteht.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung des beschriebenen Permanentmagnetrotors gelöst. Dieses Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
- a) Bereitstellen einer Spritzgussmaschine und eines Spritzgusswerkzeugs;
- b) Einspritzen einer ersten Materialmenge der magnetpartikelfreien ersten Materialkomponente in eine Kavität eines Spritzgusswerkzeuges, welche Materialmenge wesentlich geringer ist als das Volumen der Kavität, wobei die Kavität nur zum Teil gefüllt wird;
- c) Einspritzen einer zweiten Materialmenge der mit NdFeB-Magnetpartikeln gefüllten zweiten Materialkomponente in denselben Einspritzkanal in die erste noch fließfähige Materialmenge der ersten Materialkomponente, wobei die zweite Materialkomponente nicht mit den Wänden des Spritzgusswerkzeugs in Berührung kommt;
- d) Weiteres Einspritzen der zweiten Materialmenge der zweiten Materiakomponente in die erste Materialkomponente, wobei die erste Materialkomponente von der zweiten Materialkomponente weiter in die noch nicht vollständig gefüllte Kavität gedrängt wird und ausschließlich die erste Materialkomponente mit den Wänden des Spritzgusswerkzeugs in Berührung kommt;
- e) Einspritzen einer dritten Materialmenge, wobei diese aus der ersten Materialkomponente besteht, in denselben Einspritzkanal und vollständige Füllung der Kavität, wobei die beiden ersten Materialmengen in ihre Endgültige Form gedrängt werden.
- f) Auswerfen des Permanentmagnetrotors aus dem Spritzgusswerkzeug.
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Dieses Verfahren wird auch Sandwichspritzguss genannt. Dadurch ist es möglich den Permanentmagnetrotor auf Standard-2K-Spritzgießmaschinen in einem Arbeitsgang herzustellen, wobei die Materialmengen genau abmessbar sind und daher auch weitere Funktionskomponenten, wie Pumpenflügel mitgespritzt werden können. Da zunächst ein Teil der ersten Materialkomponente in die Kavität gefüllt wird, kommt nur dieses weniger abrasive Material mit der Werkzeugoberfläche in Berührung. In diesem Zustand ist die Kavität nur zum Teil gefüllt. Das deutlich abrasivere Permanentmagnetmaterial wird mit der zweiten Materialkomponente unmittelbar in die noch fließfähige Masse der ersten Materialkomponente gespritzt, wobei diese stets von einer Schicht der ersten Materialkomponente umgeben ist und nicht mit den Wänden des Spritzgusswerkzeugs in Berührung kommt. Die erste Materialkomponente wird nun indirekt über die zweite Materialkomponente weiter in die Kavität gedrängt. Aufgrund der Kohäsionskräfte der ersten Materialkomponente bildet dieses stets eine Schutzschicht zu den Wänden des Spritzgusswerkzeuges hin, die auch unter Druck in der Endphase des Einspritzvorgangs nicht von der zweiten Materialkomponente durchdrungen wird. In einem weiteren Arbeitsschritt wird eine dritte Materialmenge, bestehend aus der ersten magnetpartikelfreien Materialkomponente in denselben Einspritzkanal gespritzt, wobei die Kavität vollständig gefüllt wird. Hierbei wird die anfänglich eingespritzte erste Materialmenge und die zweite Materialmenge durch die nun zusätzlich eingespritzte dritte Materialmenge in den letzten verbleibenden Raum der Kavität gedrängt und hermetisch dicht abgeschlossen. Die erste Materialmenge und die dritte Materialmenge bilden eine innig verbundene einheitliche, in sich geschlossene und nahtlose Haut als hermetisch dichte Schutzschicht um die zweite Materialmenge.
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Durch das gleichzeitige Einspritzen zweier verträglicher thermoplastischer Kunststoffschmelzen kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung der beiden Komponenten. Die mechanische Belastbarkeit des Rotors ist verglichen mit umspritzten Magneten deutlich erhöht.
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Für das vorgeschlagene Verfahren wird eine 2K-Anlage mit 2-Kanal-Düse und nur einem Anschnitt verwendet. Die Einspritzdüsen sind dabei hintereinander angeordnet und können abwechselnd Material über den gleichen Angusskanal/Anschnitt in das Werkzeug einspritzen. Aus der äußeren Einspritzdüse strömt die erste Materialkomponente und aus der inneren Einspritzdüse die mit Magnetpartikeln gefüllte zweite Materialkomponente.
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Bei komplizierten Formen kann es sinnvoll sein mehrere Einspritzkanäle zu verwenden, wobei das gleiche Verfahren für alle Einspritzkanäle Verwendung findet.
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Die beiden Kunststoffkomponenten sind so zu wählen, dass sie möglichst eine stoffschlüssige Verbindung eingehen. Die Hautschicht kann zur Anpassung der Schwindungswerte speziell modifiziert sein.
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Es ist vorgesehen, dass die Einspritzmengen und Einspritzgeschwindigkeiten der beiden Materialkomponenten, sowie die Werkzeugwandtemperaturen und die Schmelztemperaturen derart aufeinander abgestimmt werden, dass eine gleichmäßig dünne Hautkomponente entsteht, eine stoffschlüssige Verbindung der Komponenten gewährleistet ist und Unwuchten des Rotors vermieden werden.
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Sinnvollerweise sollte die Verweilzeit des NdFeB durch geeignete Aggregatauswahl möglichst kurz gehalten werden, um die für diesen Werkstoff bekannte Problematik des Materialabbaus gering zu halten.
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Grundsätzlich ist es möglich die Magnetisierung des Permanentmagneten in der Spritzgießmaschine vorzunehmen, vorzugsweise in einem noch nicht vollständig ausgehärteten Zustand, dies ist aber insbesondere für einen multipolaren Rotor im Spritzgusswerkzeug kaum zu realisieren. Denkbar wäre aber eine Partikel-Vorausrichtung durch ein schwächeres Dauermagnetfeld.
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Der besondere Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass eine sehr dünne und dennoch dichte und vor Korrosion schützende Hautschicht herstellbar ist, welche eine großvolumige Kernkomponente nahtlos umgibt. Die so hergestellte Hautschicht ist äußerst robust und auch unter hohen thermischen und mechanischen Belastungen beständig.
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Um eine geringere Verdichtung des Kunststoffmaterials zu bewirken ist vorgesehen, eine Niederkompressionsschnecke in der Spritzgussmaschine zu verwenden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1a eine vereinfachte Darstellung einer Spritzgussmaschine,
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1b die Spritzgussmaschine unmittelbar nach Schließen eines Einspritzkanals,
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1c die Spritzgussmaschine beim Einspritzen einer ersten Materialkomponente,
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1d die Spritzgussmaschine gemäß 2c in einem fortgeschrittenen Stadium,
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1e die Spritzgussmaschine beim Einspritzen einer zweiten Materialkomponente,
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1f, die Spritzgussmaschine am Ende des Füllvorgangs der zweiten Komponente
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1g die Spritzgussmaschine beim Befüllen mit einer dritten Materialmenge,
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1h, die Spritzgussmaschine nach Beendigung des Einspritzvorgangs,
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1i die Spritzgussmaschine kurz vor Auswurf des Werkstücks,
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2 ein umspritzter Permanentmagnetrotor aus dem Stand der Technik,
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3 einen erfindungsgemäßen Permanentmagnetrotor und
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4 einen permanentmagnetischen Pumpenrotor.
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Hinweis: Bezugszeichen mit Apostroph und entsprechende Bezugszeichen ohne Apostroph bezeichnen namensgleiche Einzelheiten in den Zeichnungen und der Zeichnungsbeschreibung. Es handelt sich dabei um die Verwendung in einer anderen Ausführungsform, dem Stand der Technik und/oder die Einzelheit ist eine Variante. Die Ansprüche, die Beschreibungseinleitung, die Bezugszeichenliste und die Zusammenfassung enthalten der Einfachheit halber nur Bezugszeichen ohne Apostroph.
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Die 1a bis 1i zeigen zum besseren Verständnis einen an sich bekannten Sandwich-Spritzgussvorgang zur Herstellung eines Werkstücks aus zwei unterschiedlichen Komponenten mittels zusätzlicher Werkzeugplatte mit Düsen-Verschlussmechanismen. Die vorliegende Erfindung wendet dieses Verfahren auf kunststoffgebundene Permanentmagnetrotoren an.
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1a zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Spritzgussmaschine 1 vor dem Einspritzvorgang, umfassend ein zweiteiliges Spritzgusswerkzeug 14 mit einer Kavität 13 und einem Einspritzkanal 17, einer ersten Fluidquelle 11 einer ersten Materialkomponente 2 (Hautmaterial), einer zweiten Fluidquelle 12 einer zweiten Materialkomponente 3 (Kernmaterial), einem beweglichen Düsenblock 15, welche einen äußeren Fluidkanal 4 für die erste Materialkomponente 2, einen zweiten, anfänglich rechtwinklig dazu verlaufenden, inneren Fluidkanal 5 für die zweite Materialkomponente 3 und ein Ventil 6, bestehend aus einem Ventilschieber 7, einer Ventilhülse 8 und einem Ventilschließer 9 trägt. In der Darstellung sind beide Fluidquellen 11, 12 vom Düsenblock 15 und der Düsenblock 15 vom Spritzgusswerkzeug 14 abgekoppelt.
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1b zeigt die Spritzgussmaschine 1 unmittelbar nach Schließen eines Einspritzpfads für die erste Materialkomponente 2, welcher von der ersten Fluidquelle 11 ausgeht, welche am Düsenblock 15 anliegt, sich über den äußeren Fluidkanal 4 und einer Einspritzdüse 16, welche am Spritzgusswerkzeug 14 anliegt, fortsetzt und über einen Einspritzkanal 17 des Spritzgusswerkzeugs in die Kavität 13 mündet.
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1c zeigt die Spritzgussmaschine 1 beim Einspritzen der ersten Materialkomponente 2 in den Einspritzkanal 17 und die Kavität 13. Die Fließrichtung des Kunststoffmaterials ist durch dunkle Pfeile verdeutlicht. Der äußere Fluidkanal 4 umgibt die Ventilhülse 8 und eine Ventildüse 10. Das Ventil 6 ist durch den Ventilschließer 9 geschlossen, so dass kein Kunststoffmaterial vom äußeren Fluidkanal 4 in den Inneren Fluidkanal 5 gedrückt werden kann.
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1d zeigt die Spritzgussmaschine gemäß 1c in einem fortgeschrittenen Stadium. Dieser Vorgang wird fortgesetzt bis die erste abgemessene Materialmenge vollständig eingespritzt ist. Die Kavität 13 ist in diesem Zustand nur zum Teil gefüllt. Der Füllgrad ist abhängig davon, wie das Verhältnis der beiden Materialbestandteile gewählt ist. Soll lediglich eine dünne äußere Schicht auf das eigentliche Kernmaterial gelegt werden, wird in diesem Stadium nur ein Bruchteil der Kavität 13 gefüllt sein. Gegen Ende des ersten Einspritzvorgangs wird vorbereitend für einen zweiten Einspritzvorgang die zweite Fluidquelle 12 an den Düsenblock 15 herangeführt
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1e zeigt die Spritzgussmaschine 1 beim Einspritzen der zweiten Materialkomponente 3. Die hellen Pfeile deuten den Materialfluss an. Hier ist die Ventilhülse 8 in Richtung Einspritzdüse 16 verschoben. Sie schließt damit den Durchgang vom äußeren Fluidkanal 4 zur Einspritzdüse 16 ab. Zugleich ist sie vom Ventilschließer 9 abgehoben, wodurch ein zweiter Einspritzpfad von der zweiten Fluidquelle 12, über den inneren Fluidkanal 5 durch die Ventilhülse 8 über die Ventildüse 10, die Einspritzdüse 16 und den Einspritzkanal 17 zur Kavität 13 geschlossen ist. Bei der zweiten Materialkomponente 3 handelt es sich um das Kernmaterial, das mit NdFeB-Permanentmagnetpartikeln gefüllt ist. Dieses Material ist sehr abrasiv, weshalb es nicht mit der Wandung des Spritzgusswerkzeugs in Berührung kommen sollte. Diese Berührung wird durch die bereits teilweise in die Kavität 13 eingebrachte erste Materialkomponente 2 verhindert, da sie durch Kohäsionskräfte in sich geschlossen bleibt und die Wandung des Spritzgusswerkzeuges 14 abdeckt. Die zweite Materialkomponente 3 wird dabei unmittelbar in die erste Materialkomponente 2 hineingespritzt, ohne mit dem Spritzgusswerkzeug 14 in Berührung zu kommen. Die Einspritzdüse 16 weist hierfür einen etwas geringeren Durchmesser als der Einspritzkanal 17 auf (in der Zeichnung nicht zu erkennen). Die erste Materialkomponente 2 wird durch die zweite Materialkomponente 3 weiter in die Kavität 13 verdrängt.
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1f zeigt die Spritzgussmaschine 1 am Ende des Füllvorgangs der zweiten Komponente 3. Die zweite Fluidquelle 12 ist hier bereits vom Düsenblock 15 abgehoben.
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1g zeigt die Spritzgussmaschine 1 beim Befüllen mit einer dritten Materialmenge die jetzt wieder aus der ersten Fluidquelle 11 stammt, welche die erste Materialkomponente 2 zuführt. Die Ventilhülse 8 ist hierzu wieder zurückgeschoben und der Einspritzpfad der zweiten Materialkomponente 3 ist durch den Ventilschließer 9 erneut unterbrochen. Ein Zurückdrängen der zweiten Materialkomponente 3 durch die erste Materialkomponente 2 ist dadurch ausgeschlossen, obwohl der Einspritzpfad der ersten Materialkomponente 2 wieder freigegeben ist. Hier ist die Einspritzdüse 16 bereits mit der ersten Materialkomponente 2 gefüllt. Die zweite Materialkomponente 3 wird von der ersten Materialkomponente 2 weiter in die Kavität 13 verdrängt.
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1h zeigt die Spritzgussmaschine 1 nach Beendigung des Einspritzvorgangs. Das Ventil 6 ist in Richtung Einspritzdüse 16 verschoben und schließt diese mit der Ventildüse 10 für die erste Materialkomponente 2 und hält dabei auch den Einspritzpfad der zweiten Materialkomponente 3 geschlossen. Die Kavität 13 ist jetzt komplett gefüllt. Die zweite Materialkomponente 3 ist vollständig von der ersten Materialkomponente 2 umgeben und der Einspritzkanal 17 mit der ersten Materialkomponente 2 befüllt.
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1i zeigt die Spritzgussmaschine 1 kurz vor Auswurf des Werkstücks. Der Düsenblock 15 ist vom Spritzgusswerkzeug 14 und die erste Fluidquelle 11 vom Düsenblock 15 abgehoben. Während dieses Verfahrensschrittes kühlt die eingespritzte Masse soweit ab, dass sie aus der Kavität 13 entnommen werden kann. Anschließend beginnt der nächste Spritzgusszyklus.
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2 zeigt einen umspritzten Permanentmagnetrotor 20‘ aus dem Stand der Technik, mit einem kunststoffgebundenen Seltenerd-Permanentmagneten 21‘, einem ersten spritzgusstechnisch hergestellten Überzug 18‘ aus PPS-Material (Polyphenylen-Sulfid) und einem zweiten spritzgusstechnisch hergestellten Überzug 19‘ der ebenfalls aus PPS-Material besteht. An einer Materialgrenze weist der erste Überzug 18‘ einen sich verjüngenden Bereich 22‘ auf, dessen Form bei einem zweiten Spritzgussvorgang ein aufzuschmelzen begünstigen soll um eine möglichst gute Verbindung mit dem zweiten Überzug 19‘ einzugehen. Ein zweiter Verbindungsbereich ist als Schwalbenschwanz 23‘ ausgebildet um auch eine mechanisch stabile Verbindung zu erreichen. Bei dem bekannten Permanentmagnetrotor, bei dem der Überzug 18‘, 19‘ in zwei Schritten aufgebracht wird verbleiben in jedem Fall Nähte zwischen dem ersten Überzug 18‘ und dem zweiten Überzug 19‘. Diese Nähte bilden eine Schwachstelle und können bei schwankenden Prozessbedingungen oder unter ungünstigen Einsatzbedingungen, wie extremen Temperaturwechselbedingungen zu Leckagen und damit zu Korrosion des Seltenerdmagneten führen. Weiter sind viele Verfahrensschritte notwendig, weshalb die Fertigung im Vergleich zur Erfindung unwirtschaftlicher ist.
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3 zeigt eine einfache Ausführung eines erfindungsgemäßen Permanentmagnetrotors 20, bestehend aus einer ersten Materialkomponente 2 als Hautmaterial und einer zweiten Materialkomponente 3 als Kernmaterial, welches NdFeB-Permanentmagnetpartikel enthält. Der wesentliche Unterschied zum Stand der Technik ist die nahtlose und in einem Arbeitsgang um die zweite Materialkomponente hergestellte Umhüllung aus der ersten Materialkomponente 3. Die Beschichtung kann wesentlich dünner ausgeführt sein als bei der herkömmlichen 2K-Spritzgussmethode.
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4 zeigt einen Permanentmagnetrotor 20‘‘ für eine Pumpe, mit einem Pumpenlaufrad 24‘‘, Pumpenflügeln 25‘‘, einem Lagertragrohr 26‘‘, einer Hautschicht, welche aus einer ersten Materialkomponente 2‘‘ besteht und einem kunststoffgebundenen Permanentmagnet 21‘‘, der aus einer zweiten Materialkomponente 3‘‘ besteht. Das Lagertragrohr 26‘‘ dient hier zur Aufnahme von Gleitlagern (nicht dargestellt).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spritzgussmaschine
- 2
- erste Materialkomponente
- 3
- zweite Materialkomponente
- 4
- äußerer Fluidkanal
- 5
- innerer Fluidkanal
- 6
- Ventil
- 7
- Ventilschieber
- 8
- Ventilhülse
- 9
- Ventilschließer
- 10
- Ventildüse
- 11
- erste Fluidquelle
- 12
- zweite Fluidquelle
- 13
- Kavität
- 14
- Spritzgusswerkzeug
- 15
- Düsenblock
- 16
- Einspritzdüse
- 17
- Einspritzkanal
- 18
- erster Überzug
- 19
- zweiter Überzug
- 20
- Permanentmagnetrotor
- 21
- Permanentmagnet
- 22
- verjüngter Bereich
- 23
- Schwalbenschwanz
- 24
- Pumpenlaufrad
- 25
- Pumpenflügel
- 26
- Lagertragrohr
