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Die Erfindung betrifft eine Kartusche zum Befüllen mit einer Masse mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie eine derartige Kartusche nach dem Befüllen mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2019 113 410 A1 ist eine Kartusche bekannt zum Befüllen mit einer Masse, die hier aus zwei Komponenten besteht, worauf es im Weiteren jedoch nicht ankommt. Die Kartusche weist ein Rohr mit einem Auslass an einem vorderen Ende sowie einen Kolben zum Auspressen der Masse auf. Um nach dem Befüllen der Kartusche mit der Masse den Kolben derart in das Rohr einbringen zu können, dass möglichst wenig Luft bei der Masse verbleibt, ist am Kolben, und zwar speziell an dessen Dichtelement, eine Entlüftungs- und Verschlusseinrichtung vorgesehen. Diese weist einen dünnen Steigkanal auf, der sich von der Vorderseite des Kolbens nach hinten erstreckt. Beim Setzen des Kolbens kann Luft aus dem Raum zwischen der Masse und dem Kolben durch den Steigkanal entweichen, da der Steigkanal nach hinten offen ist. Bei einer derartigen Entlüftungs- und Verschlusseinrichtung wird der Kolben soweit zur Masse bewegt, bis die Luft im Wesentlichen vollständig entwichen ist und die Masse idealerweise bereits beginnt, in den Steigkanal zu fließen. Dann wird der Steigkanal verschlossen.
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Im Gegensatz zu mehrstückigen Entlüftungs- und Verschlusseinrichtungen mit Ventilkörpern, wie sie beispielsweise aus der Druckschrift
EP 0 396 689 A1 bekannt ist, werden einstückige Entlüftungs- und Verschlusseinrichtungen, wie die Druckschrift
DE 10 2019 113 410 A1 vorschlägt, beispielsweise durch Verschweißen geschlossen.
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Es hat sich herausgestellt, dass es notwendig ist, den Setzvorgang des Kolbens zu stoppen, noch bevor die Masse durch das hintere Ende des Steigkanals fließt, damit das hintere Ende zuverlässig dicht verschlossen werden kann. Allerdings ist es nicht einfach, in einem automatisierten Prozess sicherzustellen, dass die Luft möglichst weitgehend entwichen ist und trotzdem noch keine Masse durch das hintere Ende des Steigkanals fließt.
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Die Druckschrift
DE 10 2019 118 627 A1 schlägt hierzu vor, dass eine lange, komplexe Entlüftungsstrecke mit mehreren Umlenkungen vorgesehen ist, die in einen rohrartigen Steigkanal mündet. Allerdings erfordert dieser Aufbau ein weiteres Bauteil und ist somit aufwändiger.
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Aufgabe der Erfindung ist daher, die bekannten Kartuschen für eine automatisierte Befüllung so zu verbessern, dass die Kartusche einfach aufgebaut ist sowie eine möglichst weitgehende Entlüftung und einen zuverlässigen Verschluss ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die unbefüllte Kartusche mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Kartusche dient zum Befüllen mit einer Masse, die in der Kartusche aufbewahrt wird, bis sie ausgepresst werden kann. Die Kartusche weist hierzu ein Rohr auf, das an einem vorderen Ende in einen Auslass mündet. Mit „vorne“ ist im Weiteren immer die Richtung zum Auslass und mit „hinten“ die entgegengesetzte Richtung gemeint. Das Rohr kann innen in mehrere Kammern eingeteilt sein, beispielsweise wenn mehrere Komponenten einer aushärtbaren Masse gemeinsam aufbewahrt und ausgepresst werden sollen. Statt mehrerer Kammern, kann die Kartusche auch mehrere Rohre aufweisen. Weiterhin weist die Kartusche zum Auspressen der Masse einen Kolben zur verschieblichen Anordnung im Rohr entlang einer Längserstreckung der Kartusche auf. Vor dem Befüllen des Rohrs mit der Masse ist der Kolben insbesondere noch außerhalb des Rohrs und wird nach dem Befüllen von einem dem vorderen Ende gegenüberliegenden hinteren Ende in das Rohr eingebracht, was nachfolgend als „Setzen“ des Kolbens bezeichnet wird. Der Kolben kann insbesondere ein- oder mehrstückig sein, er kann im Ein- oder Mehrkomponentenspritzguss hergestellt sein, er kann eine Dichtung aufweisen und es können im Falle mehrerer Kammern oder mehrerer Rohre mehrere Kolben vorgesehen sein.
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Zur Entlüftung der Kartusche beim Setzen des Kolbens weist der Kolben eine Entlüftungs- und Verschlusseinrichtung auf, die nach dem Setzen verschlossen wird. Die Entlüftungs- und Verschlusseinrichtung weist einen Steigkanal auf, der sich von einer Vorderseite des Kolbens nach hinten erstreckt und der an der Vorderseite offen ist. Ein hinteres Ende des Steigkanals ist verschließbar. Die Entlüftungs- und Verschlusseinrichtung ist einstückig und ist auch einstückig verschließbar, weist also keinen separaten Ventilkörper, Deckel oder dergleich auf. Die Entlüftungs- und Verschlusseinrichtung kann einstückig mit dem restlichen Kolben, jedoch auch als separates Bauteil des Kolbens augeführt sein. Insbesondere ist der Steigkanal durch Schweißen verschließbar, wobei alternativ beispielsweise auch ein Abknicken oder sonstiges Umformen denkbar wäre. Das Schweißen erfolgt insbesondere als Ultraschallschweißen, was sich als besonders prozesssicher herausgestellt hat.
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Insbesondere kann der Kolben mehrere, vorzugsweise 3 bis 6, Steigkanäle aufweisen. Diese können jeweils als eine Entlüftungs- und Verschlusseinrichtung oder als eine gemeinsame Entlüftungs- und Verschlusseinrichtung aufgefasst werden.
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Die erfindungsgemäße Kartusche zeichnet sich dadurch aus, dass der Steigkanal eine lochartige Engstelle aufweist, an die sich dahinter ein im Querschnitt gegenüber der Engstelle erweiterter Aufnahmeraum anschließt. Die Engstelle ist die Stelle des Steigkanals mit der kleinsten Querschnittsfläche. Sie kann direkt an eine Vorderseite des Kolbens angrenzen oder zurückversetzt sein. Beispielsweise kann sich der Steigkanal ausgehend von einer ebenen Vorderseite des Kolbens konisch zur Engstelle verengen. Mit „lochartig“ ist gemeint, dass die Engstelle keinen ringförmigen Querschnitt, sondern eine vollflächige, beispielsweise kreisförmige oder quadratische, Querschnittsfläche aufweist. Mit dem „Querschnitt“ ist hier stets eine Erstreckung senkrecht zur Längserstreckung der Kartusche gemeint.
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Durch den Aufnahmeraum ist das Setzen des Kolbens erleichtert. Zunächst strömt die Luft, die zwischen der Masse und der Vorderseite des Kolbens eingeschlossen ist, durch den Steigkanal. Wenn der Kolben auf die Masse trifft und der Kolben weiter nach vorne gedrückt wird, beginnt die Masse in den Steigkanal zu fließen. Idealerweise befindet sich in diesem Augenblick keine Luft mehr vor dem Kolben. Insbesondere wenn die Masse die Engstelle erreicht, kann die Kraft, die zum weiteren Schieben des Kolbens notwendig ist, deutlich ansteigen, was man zur Steuerung des Setzvorgangs nutzen kann. Allerdings ist dies nicht unbedingt notwendig, sondern der Setzvorgang kann auch rein Weg-gesteuert beendet werden. So kann die Masse nach Passieren der Engstelle in den Aufnahmeraum fließen. Da dieser im Querschnitt gegenüber der Engstelle erweitert ist, erhöht sich die Füllhöhe des Steigkanals relativ langsam, verglichen mit einem Steigkanal mit einem durchgehenden Engstellen-Querschnitt. Mit der „Füllhöhe“ ist eine Erstreckung der Masse in Richtung zum hinteren Ende des Steigkanals gemeint. Durch die langsame Erhöhung der Füllhöhe bleibt relativ viel Zeit, um den Setzvorgang zu stoppen, bevor der Steigkanal vollständig gefüllt ist. Bei einem Weg-gesteuert Setzvorgang ist dieser toleranter gegenüber Volumenschwankungen der Masse, Schwankungen beim Setzweg oder anderen Prozessschwankungen, als dies bei einem Steigkanal mit einem durchgehenden Engstellen-Querschnitt der Fall wäre. Nach dem Setzen wird der Steigkanal wie erwähnt verschlossen.
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Anspruch 6 beansprucht eine mit Masse befüllte erfindungsgemäße Kartusche, bei der der Kolben gesetzt und das hintere Ende des Steigkanals einstückig verschlossen ist. Dem beschriebenen Setzvorgang entsprechend befindet sich vorzugsweise im Aufnahmeraum ein Teil der Masse und Gas, also insbesondere Luft.
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Vorzugsweise ändert sich der Querschnitt des Steigkanals von der Engstelle zum Aufnahmeraum unstetig, insbesondere sprunghaft. Hierdurch kann ein Strömungsverhalten ähnlich wie bei einem Sprungdiffusor erreicht werden, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit in diesem Bereich stark reduziert wird. Hierdurch sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass die Masse das hintere Ende des Steigkanals erreicht und dadurch das Verschließen behindert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein maximaler Querschnitt des Aufnahmeraums mindestens 2,5 mal, insbesondere mindestens 4 mal, größer als ein minimaler Querschnitt der Engstelle. Dadurch wird erreicht, dass der Aufnahmeraum relativ groß ist, was sich wie oben beschrieben günstig auf die Toleranz gegenüber möglichen Prozessschwankungen beim Setzen auswirkt. Außerdem ist der Steigkanal relativ kurz und somit muss die Gesamtlänge des Kolbens nicht aufgrund des Steigkanals erhöht werden. Gleichzeitig braucht das hintere Ende des Steigkanals nicht gegenüber dem maximalen Querschnitt verengt werden, was schwer herstellbar wäre, und ist dennoch sicher durch Ultraschallschweißen verschließbar.
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Vorzugsweise ist die Längserstreckung des Aufnahmeraums zwischen 2 und 10 mal, insbesondere zwischen 3 und 5 mal, größer als die Längserstreckung der Engstelle. Hierdurch wird einerseits ein ausreichend großer Aufnahmeraum gewährleistet, wobei sich ein zu langer Aufnahmeraum negativ auf die Gesamtlänge des Kolbens auswirkt und die Gefahr besteht, dass zu viel Luft im Aufnahmeraum verbleibt. Andererseits gewährleistet das angegebene Verhältnis aber auch eine ausreichend lange Engstelle. Dies ist zum einen für die Herstellbarkeit und Stabilität der Engstelle wichtig, zum anderen aber auch, da die Engstelle gewährleistet, dass Luft, die sich gegebenenfalls im Aufnahmeraum nach dem Befüllen befindet, nicht in den Bereich vor den Kolben gelangt. Vor dem Kolben könnte die Luft zu einem ungleichmäßigen Mischungsverhältnis und dies wiederum zu einer unzureichenden Aushärtung führen. Die Angaben zur Längserstreckung des Aufnahmeraums beziehen sich dabei auf den Zustand vor dem Verschließen.
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Damit der Steigkanal sicher durch Verschweißen, vorzugsweise durch Ultraschallschweißen, verschließbar ist, schlägt die Erfindung vor, dass das Verhältnis eines maximalen Querschnitts des Aufnahmeraums zum Querschnitt einer an dieser Stelle den Aufnahmeraum umschließenden Wand maximal 0,6, insbesondere maximal 0,3, beträgt.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, Ausführungen und Ausgestaltungen der Erfindung, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in einer Figur gezeichneten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen oder gezeichneten Kombination, sondern auch in grundsätzlich beliebigen anderen Kombinationen oder aber einzeln verwendbar. Es sind Ausführungen der Erfindung möglich, die nicht alle Merkmale eines abhängigen Anspruchs aufweisen. Auch können einzelne Merkmale eines Anspruchs durch andere offenbarte Merkmale oder Merkmalskombinationen ersetzt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Kartusche zu Beginn des Setzens des Kolbens;
- 2 dieselbe Kartusche nach dem Setzen des Kolbens; und
- 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus 2 vor und nach dem Schließen des Steigkanals.
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Die in den Figuren vereinfacht dargestellte Kartusche 1 dient dem späteren Auspressen einer Masse 2. Die Kartusche 1 weist dazu ein zylindrisches Rohr 3 auf, das sich an einem vorderen Ende 4 zu einem Auslass 5 verengt, also in den Auslass 5 mündet. Der Auslass 5 ist bis zum Ausbringen der Masse 2 mit einem Schraubdeckel 6 verschlossen. Im Bereich eines dem Auslass 5 abgewandten hinteren Endes 7 des Rohrs 3 ist das Rohr 3 durch einen Kolben 8 verschlossen, der verschieblich entlang der Längserstreckung des Rohrs 3 in diesem geführt, also verschieblich ist. Die Längserstreckung des Rohrs 3 wird im Folgenden auch als „Längsrichtung“ bezeichnet. Beim späteren Ausbringen der Masse 2 wird der Kolben 8 mittels einer nicht dargestellten Auspresspistole nach vorne geschoben und damit die Masse 2 durch den Auslass 5 gepresst. Der Kolben 8 ist stark vereinfacht dargestellt. Er kann insbesondere eine umaufende Dichtung (nicht dargestellt) und eine ebene nach hinten weisende Rückwand (nicht dargestellt) für den Auspressströßel der Auspresspistole aufweisen. Das Rohr 3, der Schraubdeckel 6 und der Kolben 8 sind aus Kunststoff hergestellt.
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In Richtung zum Auslass 5 weist eine ebene Vorderseite 9 des Kolbens 8, die sich senkrecht, also quer zur Längserstreckung des Rohrs 3, erstreckt. Axial mittig weist der Kolben eine Entlüftungs- und Verschlusseinrichtung 10 in Form eines Steigkanals 11 auf. Der Steigkanal 11 beginnt an der Vorderseite des Kolbens 8 mit einer lochartigen, kreisförmigen, sich in Längsrichtung erstreckenden Öffnung, die eine Engstelle 12 des Steigkanals 11 bildet (3). Die Engstelle 12 weist einen Durchmesser DE von 0,5 mm und eine Längserstreckung LE von 1,5 mm auf. Die Längserstreckung LE entspricht der Dicke der Wandung des Kolbens 8 in diesem Bereich. An die Engstelle 12 schließt sich ein Aufnahmeraum 13 an, der durch ein zylindrisches Rohrstück 14 gebildet ist, das sich auf der der Vorderseite 9 gegenüberliegenden Seite in Längsrichtung einstückig anschließt. Der Aufnahmeraum 13 weist mit der Länge des Rohrstücks 14 eine Längserstreckung LA von 4,5 mm und mit dem Innendurchmesser des Rohrstücks 14 einen Durchmesser DA von 1 mm auf. Das Rohrstück 14 muss weder innen noch außen ideal-zylindrisch sein. Insbesondere zur Entformbarkeit im Kunststoffspritzguss können Entformungsschrägen vorgesehen sein. Die Wand des Rohrstücks 14 bildet gleichzeitig die Wand 15 des Aufnahmeraums 13. Die Wanddicke W des Aufnahmeraums 13 beträgt 1,25 mm. Somit liegt das Verhältnis des maximalen Querschnitts des Aufnahmeraums 13 zum minimalen Querschnitt der Engstelle 12 bei 4,0 und das Verhältnis der Längserstreckung LA des Aufnahmeraums 13 zur Längserstreckung LE der Engstelle 12 bei 3,0, während das Verhältnis des maximalen Querschnitts des Aufnahmeraums 13 zum Querschnitt der an dieser Stelle den Aufnahmeraum 13 umschließenden Wand 15 bei 0,09 liegt.
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Zur Herstellung der Kartusche 1 wird das Rohr 3 mit aufgeschraubtem Schraubdeckel 6 nach unten vom hinteren Ende 7 des Rohrs 3 aus mit der Masse 2 befüllt. Dann wird der Kolben 8 in das hintere Ende 7 des Rohrs 3 gesteckt und in Richtung der Masse 2 verschoben. Luft 16, die sich zwischen der Masse 2 und der Vorderseite 9 des Kolbens 8 befindet, kann durch den Steigkanal 11 entweichen. Dies ist der Zustand, der in 1 dargestellt ist. Der Kolben 8 wird weiter nach vorne geschoben, bis die Luft 16 - idealerweise restlos - aus dem Bereich vor der Vorderseite 9 des Kolbens 8 entwichen ist und die Masse 2 in den Steigkanal 11 dringt. Die Masse 2 fließt zunächst durch die Engstelle 12 und dann in den Aufnahmeraum 13. Kraft- oder Weg-gesteuert wird das Einschieben des Kolbens 8 gestoppt, wenn der Zustand wie in 2 dargestellt erreicht ist, also noch bevor die Masse 2 ein hinteres Ende 17 des Steigkanals 11 erreicht. Aufgrund der Größe des Aufnahmeraums 13 braucht das Stoppen des Einschiebens weniger genau zu erfolgen, als dies bei einem Steigkanal mit einheitlichem kleinen Durchmesser (nicht dargestellt) entsprechend der Engstelle 12 notwendig wäre. Würde man einen Steigkanal mit einheitlichem größeren Durchmesser verwenden (nicht dargestellt), so bestünde die Gefahr, dass verbleibende Luft 16 im Steigkanal bis zum Ausbringen der Masse 2 zurück in den Bereich vor der Vorderseite 9 des Kolbens 8 gelangt. Dagegen verhindert bei der erfindungsgemäßen Kartusche 1 die Engstelle 12 das Zurückfließen der Luft 16.
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Ausgehend vom in 2 dargestellten Zustand wird das hintere Ende 17 des Steigkanals 11 verschlossen, nämlich durch Ultraschallschweißen mit einer Sonotrode (nicht dargestellt), die eine konische Anlagefläche aufweist. Dieser Vorgang wird im Folgenden auch als „Abschweißen“ bezeichnet. Die Konizität bewirkt, dass das aufgeschmolzene Material der Wand 15 des Aufnahmeraums 13 radial nach innen fließt. Der verschlossene Aufnahmeraum 13 ist in 3 vereinfacht mit Strichlinien dargestellt. Tatsächlich wird die Kontur etwas ungleichmäßiger sein. Neben der Masse 2 bleibt etwas Luft 16 im Aufnahmeraum 13. Das Abschweißen kann über die Kraft, die Geschwindigkeit, den Weg, die Zeit oder die eingebrachte Energie gesteuert sein.
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Statt eines einzigen Steigkanals 11 könnte der Kolben 8 auch mehrere Steigkanäle aufweisen (nicht dargestellt), die gemeinsam eine Entlüftungs- und Verschlusseinrichtung bilden. Zum Abschweißen mehrerer Steigkanäle kann eine Sonotrode die Steigkanäle nacheinander anfahren, oder es können mehrere Sonotroden die Steigkanäle gleichzeitig abschweißen, oder eine gemeinsame Sonotrode schweißt mehrere Steigkanäle gemeinsam ab. Beispielsweise können mit einer ringförmigen Sonotrode, die eine Ring-Anlagefläche mit einem V-förmigen Hohlquerschnitt aufweist, mehrere im Kreis angeordnete Steigkanäle gleichzeitig abgeschweißt werden (nicht dargestellt).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kartusche
- 2
- Masse
- 3
- Rohr
- 4
- vorderes Ende des Rohrs 3
- 5
- Auslass
- 6
- Schraubdeckel
- 7
- hinteres Ende des Rohrs 3
- 8
- Kolben
- 9
- Vorderseite des Kolbens 8
- 10
- Entlüftungs- und Verschlusseinrichtung
- 11
- Steigkanal
- 12
- Engstelle
- 13
- Aufnahmeraum
- 14
- Rohrstück
- 15
- Wand des Aufnahmeraums 13
- 16
- Luft
- 17
- hinteres Ende des Steigkanals 11
- DA
- Durchmesser des Aufnahmeraums 13
- DE
- Durchmesser der Engstelle 12
- LA
- Längserstreckung des Aufnahmeraums 13
- LE
- Längserstreckung der Engstelle 12
- W
- Wanddicke des Aufnahmeraums 13
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019113410 A1 [0002, 0003]
- EP 0396689 A1 [0003]
- DE 102019118627 A1 [0005]
