DE102020123324A1

DE102020123324A1 - Verbundmembran und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102020123324A1
Application number: DE102020123324.8A
Authority: DE
Inventors: Dominik Walz; Joachim Öhrle; Leon Radom
Original assignee: ULMAN Dichtungstechnik GmbH
Current assignee: ULMAN Dichtungstechnik GmbH
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2022-03-10

Abstract

Verbundmembran für Membranpumpen mit einem tellerförmigen Elastomerkörper (1), der einen Umfangsrand (2) mit einer Einspannfläche (3), einen Boden (4) und einen den Umfangsrand (2) mit dem Boden (4) verbindenden biegsamen Membranabschnitt (5) aufweist, wobei der Boden (4) eine Kammer (7) bildet, in der ein Einsatz (8) zumindest bereichsweise angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist der Einsatz (8) zumindest abschnittsweise aus einem offenporigen Material gebildet und der Elastomerkörper (1) greift zumindest teilweise in das offenporige Material ein.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbundmembran insbesondere für Membranpumpen mit einem Elastomerkörper, der einen Umfangsrand mit einer Einspannfläche, einen Boden und einen den Umfangsrand mit dem Boden verbindenden biegsamen Membranabschnitt aufweist, wobei der Boden eine obere und eine untere Wandung aufweist und wobei ein Einsatz zumindest bereichsweise zwischen der oberen und der unteren Wandung angeordnet ist. Demnach bilden die untere und obere Wandung eine Kammer aus, die dazu vorgesehen ist, den Einsatz aufzunehmen.
Derartige Verbundmembranen sind üblicherweise kreisrund ausgebildet und weisen eine tellerförmige Grundform auf. Vor diesem Hintergrund werden sie auch als Tellerformmembran bezeichnet. Die Erfindung ist aber nicht auf solche Ausgestaltungen beschränkt sondern betrifft auch Rollmembrane, Sickenformmembrane, Kalottenformmembrane und Flachmembrane. Die entsprechende Verbundmembran kann in einer Membranpumpe randseitig eingespannt werden, während der Boden der Verbundmembran Hubbewegungen ausführt, wobei mit jeder Hubbewegung der biegsame Membranabschnitt umgestülpt wird, so dass in einem radialen Schnitt Abrollbewegungen des biegsamen Materials beobachtet werden können. Vor diesem Hintergrund wird der biegsame Membranabschnitt im Stand der Technik auch als Rollschlaufe bezeichnet.
Der in dem Boden angeordnete Einsatz ist im Gegensatz zu dem Elastomerkörper aus einem unflexiblen bzw. formbeständigen Material gebildet, so dass der Boden selbst nicht an der Rollbewegung teilnimmt sondern lediglich über eine an dem Einsatz befestigte Kolbenstange die Hubbewegungen auf den biegsamen Materialabschnitt überträgt. Hierzu ist der Einsatz zwischen der oberen und unteren Wandung angeordnet, wobei sich die obere Wandung auf eine im bestimmungsgemäßen Gebrauch dem zu fördernden Medium zugewandte Wandung handelt. Entsprechend betrifft die hintere Wandung im bestimmungsgemäßen Gebrauch eine dem Medium abgewandte Wandung.
Der Elastomerkörper weist üblicherweise eine medienseitige Auflage aus Polytetrafluorethylen (PTFE) auf, um hierdurch eine chemische Beständigkeit gegenüber den geförderten Medien zu gewährleisten.
Der Elastomerkörper ist aus einem elastomeren Material gebildet, wobei üblicherweise Kautschuk verwendet wird und wobei der Einsatz in dem Elastomerkörper zur Ausbildung eines stabilen Haftverbundes einvulkanisiert ist. Um diesen Herstellungsprozess zu vereinfachen, kommen vermehrt thermoplastische Elastomere (TPE) für den Elastomerkörper zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um Polymere, die im Normalzustand elastomere Eigenschaften aufweisen. Durch Wärmezufuhr lassen sie sich jedoch plastisch verformen und somit in nahezu jede erwünschte Form bringen.
Eine solche Ausgestaltung lehrt beispielsweise die US 2011/0311379 A1 , wobei dann der Elastomerkörper aus dem thermoplastischen Elastomer um eine Einlage herum gespritzt ist. Insbesondere bei der Einbindung von thermoplastischen Elastomeren ist es allerdings problematisch, dass diese Materialien mit dem üblicherweise aus Metall gebildeten Einsatz ohne zusätzliches chemisches Haftsystem keine ausreichende Bindung eingehen. Gerade bei größeren Membrandurchmessern führen die hohen Flächenkräfte und -belastungen dazu, dass sich der Elastomerkörper aus thermoplastischem Elastomer von dem Einsatz löst. Hierbei kann diese Problematik grundsätzlich auch bei anderen Kunststoffmaterialien auftreten, wobei dies jedoch besonders bei thermoplastischen Elastomeren besonders problematisch ist. Durch das Ablösen des Elastomerkörpers kann darüber hinaus auch Druckluft in den hierdurch entstehenden Spalt zwischen dem Einsatz und dem Elastomerkörper eintreten, wodurch der zuvor genannte Prozess noch weiter beschleunigt wird und beispielsweise zu einem Ausreißen des Einsatzes führen kann.
Gemäß der US 2011/0311379 A1 kann diese Problematik dadurch gelöst werden, dass der Elastomerkörper aus thermoplastischem Elastomer über eine zusätzliche Haftschicht an dem Einsatz befestigt wird. Darüber hinaus weist der Einsatz Durchbrüche auf, in die das flüssige Elastomer im Zuge der Herstellung eingespritzt wird, so dass insbesondere radiale Kräfte zu einem gewissen Maße ausgeglichen werden können. Diese Durchbrüche verhindern aber nicht, dass Druckluft in den Bereich zwischen dem Elastomerkörper und dem Einsatz eindringen kann bzw. können die Durchbrüche zumindest nicht wesentlich zu einer Verringerung der Luftmenge beitragen. Somit ist es ohne die zusätzliche Haftschicht nicht möglich, einen dauerhaften Verbund zwischen dem Elastomerkörper und dem Einsatz zu gewährleisten.
Die Einbindung einer solchen Haftschicht ist jedoch sowohl produktions- als auch kostenintensiv, so dass der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde liegt, eine Verbundmembran anzugeben, die sich möglichst einfach herstellen lässt und zugleich eine ausreichende Widerstandsfähigkeit im laufenden Betrieb aufweist.
Lösung dieser Aufgabe und Gegenstand der Erfindung ist eine Verbundmembran für Membranpumpen gemäß Patentanspruch 1. Demnach ist vorgesehen, dass der Einsatz zumindest abschnittsweise aus einem offenporigen Material gebildet ist und der Elastomerkörper zumindest teilweise in das offenporige Material eingreift.
In diesem Zusammenhang ist unter einem offenporigen Material ein Material zu verstehen, welches eine Vielzahl zu einer Oberfläche hin geöffneter und miteinander verbundener Poren bzw. Hohlräume aufweist, die im Wesentlichen chaotisch innerhalb des Materials angeordnet sind und sich üblicherweise auch in ihrer Größe und Form innerhalb eines gewissen Rahmens voneinander unterscheiden.
Das offenporige Material bildet demnach eine netzartige Struktur mit einer Vielzahl an zusammenhängenden Poren aus, die dazu geeignet sind, das Material des Elastomerkörpers aufzunehmen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Elastomerkörper um den Einsatz gegossen bzw. gespritzt ist, so dass im Zuge des Gieß- bzw. Spritzvorgangs das schmelzflüssige Material des Elastomerkörpers in die Hohlräume des offenporigen Materials eindringt und sich im Zuge des Abkühlens in den Poren bzw. an der netzartigen Struktur des Materials verhakt und einen festen Verbund zwischen dem Elastomerkörper und dem Einsatz ausbildet.
Alternativ ist es auch möglich, dass der Elastomerkörper zunächst aufgeweicht wird und sodann in das offenporige Material bzw. in die Hohlkammern des offenporigen Materials eingepresst wird. Vor diesem Hintergrund sind also zumindest die an den Boden angrenzenden Abschnitte des Einsatzes aus dem offenporigen Material bzw. aus dem Material mit einer offenporigen Struktur ausgebildet, da nur so der Elastomerkörper mit dem Boden in ausreichendem Maße in die von dem offenporigen Material gebildeten Kanäle eindringen und verhaken kann.
Die Idee, ein offenporiges Bauteil mit einem Polymer zu umgießen, ist beispielsweise aus der DE 20 2010 017 549 U1 bekannt, wobei ein Metallschaumbauteil aus Aluminium mit einem Polyamid umgossen wird, um so einen Verbundwerkstoff zu schaffen, welcher sehr gut im Automobilbau und im Flugzeugbau einsetzbar ist und sich insbesondere durch eine gute Verschleißbeständigkeit, eine geringe Korrosionsgefahr sowie eine chemische Beständigkeit auszeichnet. Durch die Übertragung dieses Grundgedankens auf eine Verbundmembran mit einem Elastomerkörper kann ein fester Verbund zwischen dem Elastomerkörper und dem Einsatz geschaffen werden, der ohne den Einsatz von zusätzlichen Haftschichten einen Verbund über einen möglichst langen Betriebszeitraum sicherstellt.
Grundsätzlich bieten sich verschiedene Ausgestaltungen für den Einsatz an, wobei beispielsweise der Einsatz vollständig aus dem offenporigen Material gebildet sein kann. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Material des Elastomerkörpers im Zuge des Umgießens möglichst tief in den Elastomerkörper eindringt, so dass sich eine maximal große zusammenwirkende Oberfläche zwischen dem Einsatz und dem Elastomerkörper ergibt. Zugleich können auch Bereiche im Kern des Einsatzes, welcher entsprechend weit von der Oberfläche entfernt ist frei von dem Material des Elastomerkörpers verbleiben, wobei sich dann jedoch ein relativ leichter Körper ergibt, so dass sich insgesamt das notwendige Material des Einsatzes im Vergleich zu einem Körper aus Vollmaterial reduzieren lässt. Hierdurch werden die Materialkosten einerseits gesenkt und andererseits das Gewicht der Verbundmembran reduziert. Ein solcher Einsatz ist allerdings nur geeignet, wenn die auf die Verbundmembran wirkenden Belastungen nicht zu hoch sind, da aufgrund des offenporigen Materials im Vergleich zu einem Vollmaterial eine wesentliche Materialschwächung vorgesehen ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Einsatz daher einen Grundkörper aus einem Vollmaterial auf, auf dem zumindest abschnittsweise ein Verbundabschnitt aus dem offenporigen Material angeordnet ist. Demnach lässt sich der Einsatz insgesamt in zwei verschiedene Bereiche unterteilen, die insbesondere formschlüssig miteinander verbunden sind und wobei der Verbundabschnitt ausschließlich zur Sicherstellung einer Verbundhaftung zwischen dem Elastomerkörper und dem Einsatz dient. Durch den Grundkörper aus Vollmaterial wird ferner sichergestellt, dass die Verbundmembran auch bei einer hohen Anzahl von dynamischen Belastungen eine ausreichende Festigkeit aufweist. Bei einer solchen Ausgestaltung weist der Verbundabschnitt eine Dicke zwischen 1 mm und 10 mm, bevorzugt zwischen 1,5 mm und 8 mm auf.
Hinsichtlich der Lage des Verbundabschnittes hat sich eine Ausgestaltung als besonders bevorzugt herausgestellt, bei der der Verbundabschnitt zumindest an die untere Wandung anschließt bzw. bei der das Material des Elastomerkörpers über die untere Wandung in das offenporige Material des Verbundabschnittes eingreift. Durch eine solche Ausgestaltung wird verhindert, dass die aufgrund der Hubbewegung hervorgerufenen radialen Kräfte eine Ablösung zwischen der unteren Wandung und dem Einsatz verhindern. Zugleich werden durch das Eindringen des Materials des Elastomerkörpers in die Hohlräume des Verbundabschnittes diese wirksam versperrt, so dass der Eintritt von Druckluft sowohl durch die Hohlräume als auch durch etwaig gebildete Kanäle zwischen der unteren Wandung und dem Verbundabschnitt wirksam verringert oder sogar vollständig verhindert wird. Durch den Eintritt von Druckluft erhöht sich die Gefahr eines Ablösens des Elastomerkörpers von dem Einsatz, wodurch die Betriebszeit der Verbundmembran bis hin zu einem Bauteilversagen verlängert wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Verbundabschnitt auch an beide Wandungen anschließen. Dementsprechend ist dann der Grundkörper zumindest an den an die Wandungen angrenzenden Bereichen vollständig mit dem Verbundabschnitt umgeben. Bei einer solchen Ausgestaltung bildet demnach der Grundkörper einen Kern aus einem Vollmaterial. Gemäß einer solchen Ausgestaltung kann das Material des Elastomerkörpers sowohl an der oberen und unteren Wandung in den Verbundabschnitt eingreifen, so dass sich diesbezüglich eine Übereinstimmung mit einem Einsatz ergibt, der vollständig aus dem offenporigen Material gebildet ist. Somit bildet sich also auch zwischen der oberen Wandung und dem Einsatz eine Verbundhaftung aus, die insbesondere auch die auf die Verbundmembran wirkenden Oberflächenkräfte aufnimmt, welche im Zuge der Hubbewegungen durch einen zeitlich begrenzten Unterdruck entstehen. Somit wird bei einer solchen Ausgestaltung ein Ablösen des Elastomerkörpers sowohl infolge der in axialer Richtung wirkenden Oberflächenkräfte als auch infolge der radialen Kräfte wirksam verhindert. In diesem Zusammenhang meint eine axiale Richtung eine Richtung parallel zur Mittelachse der Verbundmembran.
Hinsichtlich des offenporigen Materials bieten sich grundsätzlich verschiedene Ausgestaltungen an, wobei bevorzugt Aluminium eingesetzt wird. Auch bei dem Vollmaterial für den Einsatz handelt es sich bevorzugt um Aluminium. Jedoch können auch unterschiedliche Materialkombinationen eingesetzt werden. Beispielsweise kann das Vollmaterial für den Grundkörper auch aus Messing oder Stahl, insbesondere Edelstahl gebildet sein.
Damit das Material des Elastomerkörpers im Zuge der Herstellung möglichst tief und über eine möglichst große Fläche in das offenporige Material eindringen kann, ist eine ausreichend große Porengröße erforderlich. Zugleich lässt sich mit Verringerung der Porengröße eine höhere Anzahl von Poren in dem Material realisieren, wodurch sich eine feinere netzartige Struktur in dem offenporigen Material ausbildet, wodurch die Verbundhaftung zwischen dem Material des Elastomerkörpers und dem Einsatz erhöht wird. Besonders bevorzugt ist hierbei eine Ausgestaltung, bei der das offenporige Material eine mittlere Porengröße zwischen 0,05 und 5 mm, bevorzugt zwischen 0,1 und 3 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,14 und 1 mm aufweist. Ausgehend von einer solchen Porengröße weist das offenporige Material eine flächenspezifische Anzahl an Poren zwischen 1 × 10⁶ und 12 × 10⁶ Poren/m² auf, wobei entsprechend eine hohe Anzahl von Poren gleichzeitig eine geringe Porengröße bedingt und umgekehrt. In diesem Zusammenhang meint eine flächenspezifische Anzahl eine Anzahl an Poren auf der den Wandungen des Bodens angrenzenden Oberfläche des Einsatzes bzw. des Verbundabschnittes des Einsatzes. Demnach wird durch die Anzahl der Poren auf der Oberfläche des Einsatzes und auch durch deren Größe das Eindringen des Materials des Elastomerkörpers in das offenporige Material wesentlich beeinflusst.
Neben dem grundsätzlichen Eindringen des Materials des Elastomerkörpers ist aber auch die volumenspezifische Verteilung der Poren von besonderer Bedeutung, da diese die netzartige Struktur definieren und somit das Verhaken des Elastomermaterials maßgeblich bestimmen. Ein Maß hierfür ist die Porosität, welche das Maß der Poren in Bezug auf ein Vollmaterial beschreibt. Hierbei liegt die Porosität bevorzugt zwischen 0,45 und 0,6, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 0,55. Hierbei bedeutet eine Porosität von 0,5, dass die Hälfte des von dem offenporigen materialdefinierten Volumens durch Poren bzw. Hohlräume definiert ist und lediglich weitere 50% tatsächlich das eigentliche Material ausmachen. Entsprechend ist auch die Dichte um die Hälfte reduziert. Mit zunehmender Porosität erhöht sich demnach auch der Anteil der Hohlräume bzw. reduziert sich die Dichte des Einsatzes bzw. des Verbundabschnittes des Einsatzes.
Hinsichtlich des Elastomerkörpers selbst kommen grundsätzlich verschiedene Elastomere als Material in Betracht, wobei der Elastomerkörper bevorzugt aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE), beispielsweise aus thermoplastischen Polyurethan (TPU) gebildet ist. Grundsätzlich sind aber aller Arten von thermoplastischen Polymeren geeignet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält der Einsatz ferner eine Anschlusseinrichtung für eine Kolbenstange, wobei diese Kolbenstange grundsätzlich über eine Schraubverbindung, einen Presssitz oder einen Formschluss an dem Einsatz befestigt werden kann. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang eine Schraubverbindung, da die Kolbenstange so in einfacher Art und Weise lösbar mit der Verbundmembran verbunden werden kann. Gemäß einer solchen Ausgestaltung weist der Einsatz ein Innengewinde auf, welches entsprechend mit einem Außengewinde auf der Kolbenstange zusammenwirken kann. Dieses Innengewinde kann unmittelbar in dem Einsatz bzw. in dem Material des Einsatzes gebildet sein. Alternativ kann aber auch eine Gewindehülse in dem Einsatz angeordnet sein, wobei dann das Innengewinde in der Gewindehülse vorgesehen ist. Die Gewindehülse ist wiederum mit dem Einsatz verbunden, wobei dies über einen Presssitz oder auch über Formschluss möglich ist. Beispielsweise kann im Zuge der Herstellung des Einsatzes die Gewindehülse unmittelbar von dem Material für den Einsatz umgossen werden.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Verbundmembran gemäß Patentanspruch 10. Demnach wird zunächst ein Einsatz bevorzugt aus Aluminium bereitgestellt, welcher zumindest bereichsweise aus einem offenporigen Material gebildet ist und wobei anschließend der Einsatz zur Ausbildung des Elastomerkörpers mit einem schmelzflüssigen Elastomer umgossen wird. Die offenporigen Abschnitte sind hierbei zumindest an der Oberfläche des Einsatzes vorgesehen. In diesem Zusammenhang sind hinsichtlich der Ausgestaltung des Einsatzes alle zuvor beschriebenen Varianten denkbar, so dass entsprechend das offenporige Material lediglich in außen liegenden Verbundabschnitten vorliegen kann oder aber auch der Einsatz vollständig aus dem offenporigen Material gebildet ist. Auch das offenporige Material ist bevorzugt aus Aluminium gebildet.
Im Zuge des Umgießens mit dem schmelzflüssigen Elastomer, z. B. einem thermoplastischen Elastomer, dringt das Material in die offenporige Struktur ein und führt so zu einem Formschluss zwischen dem Einsatz und dem Elastomerkörper, da sich im Zuge des Erkaltens das Material des Elastomerkörpers in dem offenporigen Material verhakt bzw. in dieses offenporige Material eingreift.
Wenngleich der Einsatz grundsätzlich vollständig aus dem offenporigen Material gebildet werden kann, so ist gemäß einem bevorzugten Verfahren zur Ausbildung des Einsatzes vorgesehen, dass zunächst ein Grundkörper aus einem Vollmaterial, z. B. Aluminium, in einer Gussform bereitgestellt wird und Gussbereiche zwischen der Gussform und dem Vollmaterial mit hitzebeständigen und löslichen, insbesondere wasserlöslichen Füllpartikeln ausgefüllt werden. Als Füllpartikel eignen sich in diesem Zusammenhang insbesondere Salzpartikel, bevorzugt NaCI-Partikel. Nachdem die Gussbereiche mit den Füllpartikeln ausgefüllt worden sind, wird sodann ein schmelzflüssiges Gussmaterial z.B. Aluminium in die Gussbereiche eingebracht. Durch die Struktur der Füllpartikel wird eine Art Matrix in den Gussbereichen geschaffen, die durch Füllpartikel und Hohlräume zwischen den Füllpartikeln definiert ist. Die Hohlräume zwischen den Füllpartikeln werden sodann von dem schmelzflüssigen Gussmaterial durchdrungen und bilden demnach die Struktur für das offenporige Material. Nachdem das schmelzflüssige Gussmaterial erkaltet ist, können die Füllpartikel aus dem Gussmaterial entfernt werden. Dies erfolgt üblicherweise über eine Behandlung mit Wasser, wobei Füllpartikel sich in dem Wasser lösen und so in einfacher Art und Weise aus dem Material gespült werden können. Anschließend kann auch eine Bearbeitung der Oberfläche erfolgen.
Gemäß einem solchen Verfahren sind also die Füllpartikel maßgeblich für die Ausgestaltung des offenporigen Materials, wobei sich die Größe der Poren nach der Größe der Füllpartikel richtet. Demnach weisen die hitzebeständigen und löslichen Füllpartikel einen mittleren Durchmesser zwischen 0,05 und 5 mm, bevorzugt zwischen 0,1 und 3 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,14 und 1 mm auf.
Alternativ kann der Einsatz bzw. das offenporige Material für den Einsatz auch in Form eines Aufschäumens gebildet werden, wobei dann dem schmelzflüssigen Gussmaterial ein Treibmittel zugesetzt wird, welches ursächlich für die Ausbildung der Poren ist. Entscheidend ist allerding hierbei, dass die Menge und Art dieses Treibmittels und auch die Verfahrensführung zu einer offenporigen Struktur in dem Material führt, da nur so das Elastomer in das offenporige Material eindringen kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines lediglich exemplarischen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Verbundmembran in einem Querschnitt,
2 eine makroskopische Detailansicht an der Grenzfläche zwischen dem Elastomerkörper und dem offenporigen Material,
3A, 3B, 3C alternative Ausgestaltungsformen des Einsatzes.

Die 1 zeigt die erfindungsgemäße Verbundmembran in einer Schnittdarstellung. Die Verbundmembran weist einen Elastomerkörper 1 aus einem thermoplastischen Elastomer, einen Umfangsrand 2 mit einer Einspannfläche 3, einen Boden 4 und einen den Umfangsrand 2 mit dem Boden 4 verbindenden biegsamen Materialabschnitt 5 auf. Der Boden 4 ist aus einer oberen und einer unteren Wandung 6a, 6b die gebildet, wobei die Wandungen 6a, 6b eine zwischen den Wandungen 6a, 6b angeordnete Kammer 7 ausbilden, in der ein Einsatz 8 bereichsweise angeordnet ist.
Der Einsatz 8 erstreckt sich durch eine Öffnung 9 in der unteren Wandung 6b und bildet an einem unteren Ende eine mit der unteren Wandung 6b fluchtende Anordnung.
Der Einsatz 8 ist darüber hinaus aus einem Grundkörper 10 und aus einem Verbundabschnitt 11 gebildet, wobei in dem gezeigten Beispiel der Verbundabschnitt 11 den Grundkörper 10 nahezu vollständig umschließt. Der Grundkörper 10 und der Verbundabschnitt 11 unterscheiden sich dahingehend voneinander, dass der Grundkörper 10 aus einem Vollmaterial und der Verbundabschnitt 11 aus einem offenporigen Material gebildet ist, wobei in beiden Fällen dasselbe Grundmaterial - nämlich Aluminium - zum Einsatz kommt.
Durch die Ausgestaltung des Verbundabschnittes 11 aus einem offenporigen Material kann eine besonders gute Verbundhaftung mit den angrenzenden Wandungen 6a, 6b die des Elastomerkörpers 1 erreicht werden, welche durch Umgießen des Einsatzes 8 mit einem thermoplastischen Elastomer erzeugt wird. Im Zuge dieses Gießvorgangs kann das thermoplastische Elastomer in die Hohlräume des offenporigen Materials eindringen, so dass der Elastomerkörper 1 zumindest teilweise in das offenporige Material eingreift und sich durch die netzförmige Struktur des offenporigen Materials mit diesem verhakt.
Dies geht insbesondere deutlich aus der 2 hervor, welche eine schematische Darstellung in einer makroskopischen Ansicht im Grenzbereich zwischen der unteren Wandung 6b des Elastomerkörpers 1 und dem Verbundabschnitt 11 des Einsatzes 8 zeigt. Demnach weist der Verbundabschnitt 11 durch die offenporige Struktur insbesondere an der Grenzfläche zu der unteren Wandung 6b, aber auch zu der oberen Wandung 6a eine Vielzahl von durch Poren gebildeten Kanälen auf, in die das Material des Elastomerkörpers 1 im noch schmelzflüssigen Zustand eindringen kann. Durch die offenporige Struktur wird ferner sichergestellt, dass die Poren gut durchlüftet werden können, so dass das thermoplastische Elastomer möglichst tief und über eine große Fläche in das offenporige Material eindringen kann.
Damit das schmelzflüssige thermoplastische Elastomer einerseits gut in dieses offenporige Material eindringt und zugleich ein hohes Maß an Verbundhaftung zwischen dem Einsatz 8 und dem Elastomerkörper 1 geschaffen wird, weist das offenporige Material eine Porengröße zwischen 0,05 und 5 mm, bevorzugt zwischen 0,1 und 3 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,14 mm und 1 mm auf, wobei die Anzahl der Poren auf der Oberfläche des Einsatzes 8 bzw. des Verbundabschnittes 11 zwischen 1·10⁶ und 12·10⁶ Poren/m² beträgt. Durch eine hohe Anzahl von Poren bei einem zugleich vergleichsweise geringen Durchmesser wird eine Vielzahl von Stegen zwischen den einzelnen Poren ausgebildet, so dass sich das thermoplastische Elastomer über eine vergleichsweise große Fläche an dem offenporigen Material verhaken kann.
Gemäß der Ausgestaltung der Verbundmembran in den 1 und 2 grenzt der Verbundabschnitt 11 sowohl an die obere Wandung 6a als auch an die untere Wandung 6b an, so dass sowohl die auf die obere Wandung 6a wirkenden Oberflächenkräfte A als auch die auf die untere Wandung 6a wirkenden radialen Kräfte F durch die Verbundhaftung zwischen dem offenporigen Material und dem thermoplastischen Elastomer aufgenommen werden können. Wesentlich sind hierbei insbesondere die in radialer Richtung R einwirkenden Kräfte, da diese bei einer unzureichenden Verbundhaftung zu einem Ablösen des Einsatzes 8 vom Elastomerkörper 1 führen können, was zwingendermaßen den Austausch der Verbundmembran in der Membranpumpe erforderlich machen würde.
Vor diesem Hintergrund zeigen die 3A, 3B eine Ausgestaltung, bei der lediglich auf der unteren Seite des Einsatzes 8 ein Verbundabschnitt 11 vorgesehen ist, der somit ausschließlich an der unteren Wandung 6b anliegt bzw. bei dem lediglich das Material des Elastomerkörpers 1 über die untere Wandung 6b in das offenporige Material eindringen könnte. Gemäß der 3C ist der gesamte Einsatz 8 aus dem offenporigen Material gebildet, so dass einerseits eine Verbundhaftung sowohl über die untere Wandung 6b als auch über die obere Wandung 6a möglich ist. Zugleich weist der Einsatz 8 eine leichte Struktur auf, da das Gewicht der Verbundmembran im Vergleich zu einer Ausgestaltung gemäß den 1 bis 3B wesentlich reduziert ist.
Die unterschiedlichen Ausgestaltungsformen unterscheiden sich darüber hinaus auch hinsichtlich der Ausgestaltung der Anschlusseinrichtung 12, wobei diese gemäß der 3A in Form eines unmittelbar in den Grundkörper 8 eingebrachten Innengewindes realisiert ist. Gemäß der 3B ist hierfür eine Gewindehülse vorgesehen, welche über einen Presssitz mit dem Grundkörper 8 verbunden ist und ein Innengewinde zum Anschluss einer Kolbenstange aufweist. Die Ausgestaltung der Anschlusseinrichtung 12 ist unabhängig von der Ausgestaltung und der Lage des Verbundabschnittes 11, so dass diese frei innerhalb der gezeigten Ausführungsbeispiele austauschbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2011/0311379 A1 [0006, 0007]
DE 202010017549 U1 [0013]

Claims

Verbundmembran für Membranpumpen mit einem tellerförmigen Elastomerkörper (1), der einen Umfangsrand (2) mit einer Einspannfläche (3), einen Boden (4) und einen den Umfangsrand (2) mit dem Boden (4) verbindenden biegsamen Membranabschnitt (5) aufweist, wobei der Boden (4) eine Kammer (7) bildet, in der ein Einsatz (8) zumindest bereichsweise angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (8) zumindest abschnittsweise aus einem offenporigen Material gebildet ist und der Elastomerkörper (1) zumindest teilweise in das offenporige Material eingreift.
Verbundmembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (8) vollständig aus dem offenporigen Material gebildet ist.
Verbundmembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (8) einen Grundkörper (10) aus einem Vollmaterial und einen zumindest abschnittsweise darauf angeordneten Verbundabschnitt (11) aufweist, wobei der Verbundabschnitt (11) aus dem offenporigen Material gebildet ist.
Verbundmembran nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastomerkörper (1) eine die Kammer (7) bildende obere und eine untere Wandung (6a, 6b) aufweist und der Verbundabschnitt (11) zumindest an die untere Wandung (6a) anschließt.
Verbundmembran nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundabschnitt (11) an beide Wandungen (6a, 6b) anschließt.
Verbundmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Vollmaterial und/oder das offenporige Material Aluminium ist.
Verbundmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass offenporige Material eine mittlere Porengröße zwischen 0,05 und 5 mm, bevorzugt zwischen 0,1 und 3 mm aufweist.
Verbundmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das offenporige Material eine flächenspezifische Anzahl an Poren zwischen 1·10⁶ und 12·10⁶ pro m² aufweist.
Verbundmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastomerkörper (1) aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE) insbesondere aus thermoplastischen Polyurethan (TPU) gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Verbundmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einsatz (8) bereitgestellt wird, welcher zumindest bereichsweise aus einem offenporigen Material gebildet ist und wobei anschließend der Einsatz (8) zur Ausbildung des Elastomerkörpers (1) mit einem schmelzflüssigen Elastomer umgossen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Einsatzes (8) ein Grundkörper (10) aus einem Vollmaterial in einer Gussform bereitgestellt wird und Gussbereiche zwischen der Gussform und dem Vollmaterial mit hitzebeständigen und löslichen Füllpartikeln, insbesondere Salzpartikel ausgefüllt werden, wobei ein schmelzflüssiges Gussmaterial in die Gussbereiche eingebracht und die Füllpartikel aus dem erkalteten Gussmaterial entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die hitzebeständigen und wasserlöslichen Füllpartikel einen mittleren Durchmesser zwischen 0,05 und 5 mm, bevorzugt zwischen 0,1 und 3 mm aufweisen.