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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung eines Ventilkörpers eines Ventils einer Brennkraftmaschine sowie einen entsprechenden Ventilkörper eines Ventils einer Brennkraftmaschine.
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Es ist bekannt, dass Brennkraftmaschinen Ventile aufweisen müssen, um Fluidströme zu steuern bzw. zu regeln. Insbesondere handelt es sich dabei um die Einlassventile und die Auslassventile für den Zuluftstrom bzw. den Abluft- oder Abgasstrom. Diese Ventile weisen üblicherweise ein festes Bauteil mit einem entsprechenden Dichtsitz sowie ein bewegliches Bauteil mit einer Dichtfläche auf. Das bewegliche Bauteil wird im Sinne dieser vorliegenden Anmeldung als Ventilkörper bezeichnet. Die mechanische Belastung auf den Ventilkörper beruht zum einen auf der ausgeführten Bewegung und zum anderen auf der Dichtkraft, welche sich beim Ausbilden der Dichtung zwischen dem Dichtsitz des Ventils und der Dichtfläche des Ventilkörpers ausbildet.
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Nachteilhaft bei den bekannten Ventilkörpern ist es, dass diese für die notwendige mechanische Stabilität mit hohem Herstellaufwand und vor allem hohem Gewicht hergestellt werden müssen. Dafür sind üblicherweise Stahlmaterialien oder Titanmaterialien notwendig, welche durch Schmiedeverfahren oder Gießverfahren oder ähnliche Verfahrensschritte mit hohem Herstellaufwand und hohem Gewicht die Ventilkörper zur Verfügung stellen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise den Ventilkörper mit gleichen oder besseren mechanischen Eigenschaften zur Verfügung zu stellen und durch die Realisierung von Innenstrukturen im normalerweise massiv ausgeführten Ventilkörper Gewicht zu reduzieren.
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Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen Ventilkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Ventilkörper und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient der Herstellung eines Ventilkörpers eines Ventils einer Brennkraftmaschine. Hierfür weist das Verfahren die folgenden Schritte auf:
- – Vorgeben einer Volumenkontur des Ventilkörpers,
- – Schichtweises, insbesondere selektives, Ausfüllen der Volumenkontur durch Erzeugen von Materialschichten in einem aufbauenden Verfahren.
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Erfindungsgemäß wird also nun eine unterschiedliche Herstellmethode zur Verfügung gestellt, welche es erlaubt, ein anderes Ergebnis für den Ventilkörper zu erzielen. Während bekannte Verfahren üblicherweise durch Gießen und/oder Schmieden oder andere mechanische Bearbeitung zum Ventilkörper führen, wird in einem ersten erfindungsgemäßen Schritt nun eine Volumenkontur des Ventilkörpers definiert vorgegeben. Die Volumenkontur ist dabei die Außenfläche bzw. die gesamte Oberfläche, welche der Ventilkörper später aufweisen soll. Dabei kann eine solche Volumenkontur selbstverständlich auch die Oberflächen von innenliegenden Hohlräumen oder teilweise ausgebildeten Hohlräumen mit umfassen.
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Das Vorgeben der Volumenkontur kann zum Beispiel rechnergestützt erfolgen. So kann die Volumenkontur zum Beispiel in Form von CAD-Daten vorgegeben werden, um dies als technische Grundlage und Basis für die nachfolgenden aufbauenden Schritte für das Ausfüllen der Volumenkontur zu sichern.
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Die Schritte des schichtweisen Ausfüllens der Volumenkontur mit aufbauendem Verfahren können durch sogenannte additive Fertigungsverfahren, wie das Rapid-Prototyping-Verfahren, erzielbar sein. Darunter zählen insbesondere die Verfahren wie ein Lasersinterverfahren oder das später noch erläuterte selektive Laserschmelzen. Jedoch ist ein erfindungsgemäßes Verfahren nicht auf diese Verfahrensschritte eingeschränkt, sondern kann vielmehr durch jedes beliebige existierende oder noch zu entwickelnde aufbauende Verfahren zur Verfügung gestellt werden.
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Ein entscheidender Vorteil eines erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Korrelation der Vorgabe einer Volumenkontur und dem schichtweisen Ausfüllen. Dies führt zum einen dazu, dass für das aufbauende Verfahren eine deutlich größere Wahlfreiheit hinsichtlich der einzusetzenden Materialien besteht. Dies erlaubt es, demnach bei gleichen mechanischen Belastungseigenschaften durch die Auswahl leichterer Materialien ein geringeres Endgewicht für den Ventilkörper zur Verfügung zu stellen. Auch können auf diese Weise kostengünstiger Materialien, insbesondere im Vergleich zu den Stand-der-Technik-Materialien wie Titan, eingesetzt werden, um die Herstellkosten hinsichtlich des Materials für ein erfindungsgemäßes Verfahren zu reduzieren. Durch schichtweises, insbesondere selektives, Ausfüllen der Volumenkontur durch Erzeugen von Materialschichten in einem aufbauenden Verfahren kann ein gezieltes Aussparen bestimmter Bereiche zur Generierung von Innenstrukturen erzielt werden.
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Nicht zuletzt wird auch der Energieaufwand sowie der Zeitaufwand für die Herstellung des Ventilkörpers durch ein erfindungsgemäßes Verfahren reduziert. Ein weiterer Vorteil, welcher durch das schichtweise Ausfüllen mithilfe eines aufbauenden Verfahrens erzielbar wird, ist die relativ freie bzw. sogar vollständig freie geometrische Ausbildbarkeit. Neben den definierten Positionen hinsichtlich der notwendigen Bewegungsansteuerung und der Dichtfläche kann dabei im Wesentlichen frei hinsichtlich einer Reduktion des Materialbedarfs und des Gewichts sowie hinsichtlich einer Verbesserung der mechanischen Stabilität die Geometrie gewählt werden. Insbesondere können Hohlräume oder zumindest teilweise offene Hohlräume innerhalb des Ventilkörpers durch die Volumenkontur vorgegeben und durch das aufbauende Verfahren ausgebildet werden. Um die Materialschwächung durch diese Hohlräume und Materialreduzierungen auszugleichen, können definiert gesetzte, verstärkende mechanische Strukturen zur Verfügung gestellt werden, welche zum Beispiel in Form von Rippen oder Verstärkungsstrukturen diese mechanische Schwächung wieder ausgleichen oder sogar überkompensieren. Es bleibt zusammenzufassen, dass neben einer Reduktion von Materialaufwand, Gewicht und Herstellkosten unter Gleichbehaltung der mechanisch notwendigen Eigenschaften sogar eine Verbesserung der mechanischen Stabilität durch ein erfindungsgemäßes Verfahren erzielbar ist.
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Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Erzeugung der Materialschichten in einer Leichtbauinnengeometrie im Ventilkörper mündet, die insbesondere mit einem der folgenden Materialien hergestellt wird:
- – Aluminiumlegierungen
- – Magnesiumlegierungen
- – Titanlegierungen
- – Stahllegierungen
- – Keramik
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Bei der voranstehenden Liste handelt es sich um eine nicht abschließende Aufzählung. Die Leichtmetallbauweise bzw. die Leichtbaumaterialbauweise bezieht sich dabei insbesondere auf einen Vergleich zum spezifischen Gewicht von Stahl bzw. Edelstahl. Erst durch die erfindungsgemäße Auswahl eines aufbauenden Verfahrens in Korrelation zur Vorgabe einer definierten Volumenkontur wird diese Freiheit überhaupt möglich. Diese Freiheit wird nach dieser Ausführungsform des Verfahrens unter anderem dazu genutzt, Leichtbaumaterial für die Materialschichten einzusetzen. Selbstverständlich können dabei auch unterschiedliche Materialschichten mit unterschiedlichen Einzelmaterialien versehen werden, um in unterschiedlichen Abschnitten des Ventilkörpers unterschiedlichen Eigenschaften gerecht zu werden. So ist es beispielsweise denkbar, dass die Bereiche der Dichtfläche mit Materialschichten versehen werden, welche die entsprechenden Kontaktkräfte im Bereich der Dichtfläche mit höherer Wahrscheinlichkeit bzw. mit höherer Stabilität aushalten. Andere Abschnitte können dementsprechend mit mechanisch geringer stabilen und damit minderwertigeren und vor allem leichteren Baustoffen für die einzelnen Materialschichten versehen werden. Auch hier wird nochmals deutlich, wie ein erhöhter Freiheitsgrad zu vielfältigen Vorteilen im Herstellverfahren und für den Ventilkörper führen kann.
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Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren für das schichtweise Ausfüllen wenigstens eines der folgenden aufbauenden Verfahren eingesetzt wird:
- – Selektives Laserschmelzen (SLM)
- – Laserauftragschweißen (LMD)
- – Elektronenstrahlschmelzen
- – Selektives Lasersintern
- – Und sonstigen 3D-Druckverfahren
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Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Insbesondere wird durch das thermische Beeinflussen des grundlegenden Materials, welches insbesondere in Pulverform vorliegt, eine Verbindung der einzelnen Partikel untereinander innerhalb einer Materialschicht zur Verfügung gestellt. Durch zusätzliche thermische Beeinflussung oder durch thermische Restwirkung nach dem Ausbilden der jeweiligen Materialschicht erfolgt auch eine Verbindung zwischen den einzelnen Materialschichten zur Verbindung derselben miteinander. Die beschriebenen Verbindungen sind dabei insbesondere in stoffschlüssiger Weise oder zumindest teilweise in stoffschlüssiger Weise ausgebildet. Bevorzugt ist es, wenn durch dieses einfache, schnelle und kostengünstige Verfahren sogar zwei oder mehr Ventilkörper gleichzeitig hergestellt werden, wie dies unter besserer Ausnutzung des Platzes später noch näher erläutert wird.
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Ein weiterer Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wenigstens ein Teilabschnitt der Oberfläche des Ventilkörpers, insbesondere die Dichtfläche des Ventilkörpers, mit einer Schutzschicht gegen Verschleiß ausgestattet ist. Dabei handelt es sich insbesondere um eine Schutzschicht gegen mechanischen Verschleiß. Selbstverständlich kann die Schutzschicht auch eine andere Funktion oder eine zusätzliche Funktion aufweisen, wie zum Beispiel die Abdeckung einzelner stufenförmiger Oberflächenabschnitte der einzelnen Materialschichten. Diese Schutzschicht kann zum Beispiel eine Mischung aus unterschiedlichen Materialien aufweisen. So ist insbesondere eine Mischung aus Stahl und Wolfram-Carbid denkbar, um den mechanischen Verschleiß mithilfe einer solchen Schutzschicht zu reduzieren. Selbstverständlich kann je nach Beschichtungsverfahren auch eine komplette Beschichtung der gesamten oder im Wesentlichen der gesamten Oberfläche des Ventilkörpers stattfinden.
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Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das schichtweise Ausfüllen unter Beibehaltung von wenigstens einem Hohlraum im Ventilkörper zur Gewichtsreduzierung erfolgt. Dieser Hohlraum ist vorzugsweise mit zumindest einer kleinen Öffnung versehen, um pulverförmiges Ausgangsmaterial für die Materialschichten aus diesem Hohlraum nach der Beendigung des Herstellverfahrens wieder zu entfernen. Der Hohlraum kann jedoch theoretisch auch abgeschlossen sein und in Form einer verlorenen Form durch entsprechende schichtweise Herstellung mit erzeugt werden. Dabei wird auch hier nochmals die große Freiheit durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen aufbauenden Verfahrens deutlich. Insbesondere kann durch den Hohlraum eine Reduktion des Gewichts und des Materialverbrauchs zur Verfügung gestellt werden, so dass neben der Einsatzsituation auch eine Kostensituation optimierbar wird.
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Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren beim Ausfüllen der Volumenkontur eine mechanische Stützstruktur ausgebildet wird, insbesondere innerhalb eines Hohlraums im Ventilkörper. Wie bereits erläutert worden ist, kann durch eine erfindungsgemäße Ausführung des Verfahrens eine Reduktion von vielfältigen Produkteigenschaften des Ventilkörpers erzeugt werden. Um sicherzustellen, dass zum Beispiel trotz der Verwendung von Leichtbaumaterial und/oder der Erzeugung von Hohlräumen oder verdünnten Abschnitten die ausreichende oder sogar verbesserte mechanische Stabilität des Ventilkörpers erzielt wird, sind solche mechanische Stützstrukturen einsetzbar. Beispielsweise können hier rippenförmige Elemente oder Stege ausgebildet werden, welche innerhalb eines Hohlraums oder an speziellen hochbelasteten Abschnitten des Ventilkörpers die entsprechende zusätzliche mechanische Versteifung mit sich bringen. Insbesondere ist diese mechanische Stützstruktur jeweils auf die Hauptbelastungsrichtung des Ventilkörpers ausgerichtet, um entsprechend hier eine Materialversteifung zur Verfügung zu stellen. Unter der Hauptbelastungsrichtung ist bei einem Ventilkörper insbesondere die Abstützung des Dichtsitzes, also damit die Dichtkraft, welche durch den Ventilkörper geleitet wird, zu verstehen. Selbstverständlich kann auch eine Abstützung hinsichtlich zusätzlicher Belastungsformen, also insbesondere hinsichtlich der Bewegungsbelastung durch das Öffnen und Schließen des Ventilkörpers und möglicherweise entstehende Vibrationen am Ventilkörper vorgesehen sein.
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Ein weiterer Vorteil kann erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Materialschichten in parallelen oder im Wesentlichen parallelen Ebenen aufgetragen werden, wobei die Hauptbelastungsrichtung des Ventilkörpers senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu diesen Ebenen ausgerichtet ist. Unter einer Hauptbelastungsrichtung ist dabei die Ausrichtung bzw. Erstreckung des Ventilkörpers zu verstehen, in welcher in der Einsatzsituation die größten Kräfte übertragen werden. Dies ist als Hauptbelastungsrichtung die Richtung mit der höchsten Gefahr hinsichtlich eines Risses oder eines Bruchs des Ventilkörpers. Um sicherzustellen, dass mit möglichst wenig Aufwand hinsichtlich Material und Gewicht diese Hauptbelastungsrichtung mit höchster Sicherheit und entsprechender Pufferwirkung eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist, sind bei dieser Ausführungsform die Materialschichten in senkrechten Ebenen zu dieser Hauptbelastungsrichtung ausgerichtet. Dies führt dazu, dass die größte Belastung entlang der Hauptbelastungsrichtungen quer und eben nicht entlang der seitlichen Flächen der Materialschichten eingebracht wird. Eine Scherbelastung entlang der Kontaktabschnitte zwischen den einzelnen Materialschichten wird dabei vollständig oder im Wesentlichen vollständig vermieden. Dies führt zu einer weiteren mechanischen Stabilisierung des Gesamtsystems des Ventilkörpers, ohne zusätzliches Material und zusätzliches Gewicht zu benötigen.
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Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zwei Ventilkörper gleichzeitig, insbesondere mit versetzter Ausrichtung, hergestellt werden. Die versetzte Ausrichtung erlaubt eine weitere Reduktion des notwendigen Platzbedarfs in einer entsprechenden Herstellvorrichtung für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Damit kann eine deutliche Beschleunigung der Herstellung erzielt werden, nämlich bei der gemeinsamen Herstellung von zwei Ventilkörpern gleichzeitig eine Verdopplung der Herstellgeschwindigkeit. Die Reduktion des Ausschussmaterials reduziert auf diese Weise entweder den Abfall oder den notwendigen Aufwand für die Aufbereitung für die Wiederverwendung dieses Ausschussmaterials. Die versetzte Ausrichtung reduziert den Platzbedarf für die Fertigung dabei weiter. Selbstverständlich können parallel gemeinsam hergestellte Ventilkörper Sollbruchverbindungen miteinander aufweisen, welche eine erleichterte Entnahme am Ende des Herstellvorgangs zur Verfügung stellt.
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Ein weiterer Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wenigstens ein Teilabschnitt des Ventilkörpers, insbesondere die Dichtfläche des Ventilkörpers, abschließend geglättet wird. Ein Glätten kann zum Beispiel durch eine mechanische Beeinflussung oder eine spanende Bearbeitung erfolgen. So kann ein Abschleifen zu der geglätteten Dichtfläche führen. Auch ein aufbauendes Verfahren, zum Beispiel in Form eines Beschichtens mit einer Oberflächenbeschichtung ist im Sinne der vorliegenden Erfindung als Glätteabschnitt oder als Glätteschritt denkbar. Das Glätten reduziert zum einen die Kerbwirkung an den Stufenabschnitten der einzelnen Materialschichten, so dass eine Stabilisierungswirkung erzielbar wird. Weiter kann zum Beispiel in Korrelation zu einem Dichtsitz die Kontaktfläche geglättet werden, welche die Dichtfläche zur Verfügung stellt, so dass die Dichtung mit geringerer Dichtkraft in ausreichender Qualität zur Verfügung gestellt werden kann.
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Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Ventilkörper eines Ventils einer Brennkraftmaschine, wobei eine Volumenkontur des Ventilkörpers schichtweise aufeinander aufgebaute Materialschichten aufweist. Insbesondere ist dieser Ventilkörper durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt und bringt damit die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren erläutert worden sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
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1 eine Volumenkontur beim ersten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine Situation während der Durchführung des Verfahrens bei der Herstellung des Ventilkörpers,
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3 den fertig hergestellten Ventilkörper,
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4 eine mögliche Anordnung zur Herstellung mehrerer Ventilkörper gleichzeitig,
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5 einen Ventilkörper in einem Ventil und
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6 eine Detaildarstellung eines Abschnitts eines erfindungsgemäßen Ventilkörpers.
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Anhand der 1 bis 3 ist schematisch die Durchführung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zu erkennen. So wird hier in virtueller Weise, zum Beispiel in Form von CAD-Daten, eine dreidimensionale Volumenkontur 20 vorgegeben, wobei mit einem Pfeil die Aufbaurichtung von unten nach oben dargestellt ist. 2 zeigt eine Situation während der aufbauenden Herstellung, bei der bereits einige Schichten zur Verfügung gestellt worden sind und von unten her die Auffüllung der Volumenkontur 20 durchlaufen wird. 3 zeigt das Endergebnis nach Beendigung des Auffüllschrittes, also nach vollständigem Ausfüllen der Volumenkontur 20 mit den entsprechenden Materialschichten 12. Damit ist der Ventilkörper 10 fertig hergestellt.
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In 4 ist dargestellt, wie parallel und damit gleichzeitig insgesamt hier vier Ventilkörper 10 hergestellt werden können. Dabei sind diese Ventilkörper 10 hinsichtlich ihrer Volumenkontur 20 bzw. hinsichtlich ihrer tatsächlichen Ausbildung versetzt zueinander ausgerichtet, so dass eine Kompaktierung weniger Platzbedarf in der entsprechenden Herstellvorrichtung benötigt. Bei dieser Ausführungsform und dieser Anordnung kann dementsprechend eine gleichzeitige Herstellung von vier Ventilkörpern 10 erfolgen.
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5 zeigt einen Ventilkörper 10 im Einsatz in einem Ventil 100. In entsprechenden Dichtabschnitten des Ventils 100 kann die Dichtfläche 14, welche radial umlaufend ausgebildet ist, eine entsprechende Dichtkraft übertragen, so dass in dieser Richtung auch als Hauptbelastungsrichtung 40 die Dichtkraft innerhalb des Ventilkörpers 10 überfragen wird. Die Hauptbelastungsrichtung 40 wird also hier mit der maximalen Dichtkraft als mechanische Hauptbeeinflussung des Ventilkörpers 10 definiert.
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6 zeigt schematisch eine Möglichkeit, wie ein Ventilkörper 10 im Teilschnitt aussehen kann. Hier ist eine Vielzahl von Materialschichten 12 in im Wesentlichen waagerechten Ebenen aufeinander aufgestapelt, wobei die einzelnen Materialschichten 12 sich hinsichtlich ihrer gemeinsamen parallelen Ebenen senkrecht zur Hauptbelastungsrichtung 40 erstrecken. Damit werden mögliche Scherkräfte zwischen den einzelnen Materialschichten reduziert bzw. auf ein Minimum verringert. Bei dieser Ausführungsform sind darüber hinaus zwei Hohlräume 16 zu erkennen, welche innerhalb des Ventilkörpers 10 ausgebildet worden sind. Um eine zusätzliche Versteifung innerhalb des unteren Hohlraums 16 zu erzielen, ist hier eine Stützstruktur 18 in Form einer Versteifungsrippe vorgesehen. Auf der Oberseite und Oberfläche des Ventilkörpers 10 ist hier eine Schutzschicht 30 vorgesehen, welche insbesondere gegen mechanischen Verschleiß wirkt. Sie deckt dabei hier sogar die Dichtfläche 14 ab. Dabei ist zu erkennen, dass durch das Abdecken der stufenförmig nebeneinander angeordneten Materialschichten 12 diese Kerben ausgefüllt werden, so dass auch eine mechanische Stabilisierungswirkung durch die Schutzschicht 30 hier erzielbar wird. Darüber hinaus ist eine Kontaktfläche in glatterer Weise vorgegeben, so dass der Dichtsitz durch die Dichtfläche 14 im Ventil 100 in verbesserter Weise und vorzugsweise mit geringerer Dichtkraft erzielbar wird.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ventilkörper
- 12
- Materialschicht
- 14
- Dichtfläche
- 16
- Hohlraum
- 18
- Stützstruktur
- 20
- Volumenkontur
- 30
- Schutzschicht
- 40
- Hauptbelastungsrichtung
- 100
- Ventil
