DE102021134342A1 - Fluidic block and method of manufacturing a fluidic block - Google Patents

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Ralf Scheibe
Christoph Hettinger
Vinoth Pathmanathan
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Buerkert Werke GmbH and Co KG
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Abstract

Ein fluidischer Block wird hergestellt, indem ein einstückiger Grundkörpers (12) mit mehreren Fluidkanälen (18) in einem additiven Verfahren gefertigt wird und elektrische Leitungen (33) während der Fertigung in den Grundkörper (12) eingebettet werden und außerdem wenigstens ein Ventil (14) oder ein zusätzliches Funktionselement (16) während der Fertigung in den Grundkörper (12) eingebettet wird. Alternativ wird wenigstens ein Abschnitt des Ventils (14) oder des zusätzlichen Funktionselements (16) mit der Fertigung des Grundkörpers (12) hergestellt, sodass das Ventil (14) oder das zusätzliche Funktionselement (16) abschnittsweise einstückig in den Grundkörper (12) übergeht.A fluidic block is produced by manufacturing a one-piece base body (12) with a plurality of fluid channels (18) in an additive process and embedding electrical lines (33) in the base body (12) during manufacture and also at least one valve (14) or an additional functional element (16) is embedded in the base body (12) during manufacture. Alternatively, at least one section of the valve (14) or of the additional functional element (16) is produced when the base body (12) is manufactured, so that the valve (14) or the additional functional element (16) merges into the base body (12) in one piece in sections.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines fluidischen Blocks sowie einen fluidischen Block.The invention relates to a method for producing a fluidic block and a fluidic block.

Herkömmlich ist eine Baugruppe mit mehreren Ventilen und anderen Funktionselementen, z.B. eine Ventilinsel, so aufgebaut, dass an einem Grundkörper, der teilweise die notwendigen Fluidkanäle enthält, die Ventile und anderen Funktionselemente als vorgefertigte Einheiten über Schraub- oder Steckverbindungen montiert werden.Conventionally, an assembly with several valves and other functional elements, e.g. a valve island, is constructed in such a way that the valves and other functional elements are mounted as prefabricated units via screw or plug connections on a base body, which partly contains the necessary fluid channels.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung eines derartigen Baugruppe zu vereinfachen.The object of the invention is to simplify the production of such an assembly.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines fluidischen Blocks gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:

  • - Fertigen eines einstückigen Grundkörpers mit mehreren Fluidkanälen in einem additiven Verfahren,
  • - Einbetten von elektrischen Leitungen in den Grundkörper während der Fertigung des Grundkörpers,
  • - Einbetten wenigstens eines Ventils in den Grundkörper während der Fertigung des Grundkörpers oder Herstellen wenigstens eines Abschnitts des Ventils mit der Fertigung des Grundkörpers, sodass das Ventil abschnittsweise einstückig in den Grundkörper übergeht, und
  • - Einbetten wenigstens eines zusätzlichen Funktionselements in den Grundkörper während der Fertigung des Grundkörpers oder Herstellen wenigstens eines Abschnitts des einen zusätzlichen Funktionselements mit der Fertigung des Grundkörpers, sodass das Funktionselement abschnittsweise einstückig in den Grundkörper übergeht.
This object is achieved by a method for producing a fluidic block, which comprises the following steps:
  • - Manufacture of a one-piece base body with several fluid channels in an additive process,
  • - embedding of electrical lines in the base body during the manufacture of the base body,
  • - Embedding at least one valve in the base body during manufacture of the base body or manufacture of at least one section of the valve during manufacture of the base body, so that the valve merges into the base body in one piece in sections, and
  • - Embedding at least one additional functional element in the base body during the manufacture of the base body or producing at least a section of the one additional functional element with the manufacture of the base body, so that the functional element merges into the base body in one piece in sections.

Ein fluidischer Block erfüllt die Funktion einer oben beschriebenen Baugruppe und ist ein mit fluidischen und elektrischen Anschlüssen versehener Körper, der ein oder mehrere Ventile sowie ein oder mehrere weitere Funktionselemente enthält, die z.B. für die Steuerung eines Fluidflusses durch den fluidischen Block und/oder der Messung von Eigenschaften eines durch den fluidischen Blocks strömenden Fluids erforderlich sind. Meist umfasst ein fluidischer Block mehrere Fluidkanäle, gegebenenfalls für unterschiedliche Medien wie etwa Steuer- und Prozessmedien, sowie elektrische Leitungen, die als Versorgungsleitungen und Datenleitungen mit den Ventilen und anderen Funktionselementen verbunden sind. Der fluidische Block fasst dabei die einzelnen Komponenten in einem einzigen Bauteil zusammen und lässt sich als Gesamtheit in einer Anlage montieren.A fluidic block fulfills the function of an assembly described above and is a body provided with fluidic and electrical connections, which contains one or more valves and one or more other functional elements, e.g. for controlling a fluid flow through the fluidic block and/or the measurement properties of a fluid flowing through the fluidic block are required. A fluidic block usually includes a plurality of fluid channels, possibly for different media such as control and process media, as well as electrical lines that are connected to the valves and other functional elements as supply lines and data lines. The fluidic block combines the individual components in a single component and can be installed as a whole in a system.

Das additive Verfahren, also beispielsweise ein 3D-Druck oder ein anderes schichtweises Herstellungsverfahren, bei dem der Grundkörper in dreidimensionaler Form direkt und einstückig erzeugt wird, ermöglicht unter anderem eine flexible Anpassung des fluidischen Blocks an unterschiedliche Anwendungsbedingungen auch in Kleinserien. Außerdem können Toträume vermieden werden, und die Fluidkanäle können nahezu beliebig durch den Grundkörper gelegt werden, wobei ihre Querschnitte und Kreuzungspunkte frei wählbar sind. Ebenfalls lässt sich der Schutz der Ventile und Funktionselemente gegen Umgebungseinflüsse, insbesondere gegen das Eindringen von Wasser und Staub, durch das Einbetten verbessern, da weniger Nahtstellen vorhanden sind. Die Integrationsdichte im Fluidblock lässt sich erhöhen, da Schnittstellen zwischen Fluidkanälen und den Ventilen oder anderen Funktionselementen im Grundkörper gebildet werden können. Dies reduziert die Anzahl der fluidischen Schnittstellen und spart Bauraum ein. Außerdem ist eine verrohrungsfreie Gestaltung möglich, was wiederum die Zahl der Komponenten verringert und die Fertigungszeit reduziert.The additive process, for example 3D printing or another layered manufacturing process in which the base body is produced directly and in one piece in three-dimensional form, enables, among other things, a flexible adaptation of the fluidic block to different application conditions, even in small series. In addition, dead spaces can be avoided, and the fluid channels can be laid through the base body in almost any way, with their cross sections and crossing points being freely selectable. The protection of the valves and functional elements against environmental influences, in particular against the ingress of water and dust, can also be improved by embedding, since there are fewer seams. The integration density in the fluid block can be increased since interfaces can be formed between fluid channels and the valves or other functional elements in the base body. This reduces the number of fluidic interfaces and saves installation space. In addition, a tubing-free design is possible, which in turn reduces the number of components and reduces manufacturing time.

Im fluidischen Block sind beispielsweise zwei bis zehn Ventile und bis zu zehn zusätzliche Funktionselemente vorhanden, wobei sowohl die Zahl der Ventile als auch die der zusätzlichen Funktionselemente höher liegen kann.In the fluidic block there are, for example, two to ten valves and up to ten additional functional elements, with both the number of valves and the number of additional functional elements being able to be higher.

In einer ersten möglichen Variante ist zumindest ein Ventil und/oder zumindest ein zusätzliches Funktionselement ein vorgefertigtes Bauteil, das während der Fertigung des Grundkörpers in den Grundkörper eingebracht wird. Insbesondere wird in diesem Fall ausschließlich der Grundkörper im additiven Verfahren hergestellt, während sämtliche Ventile und zusätzlichen Funktionselemente vorgefertigt sind und an entsprechenden geeigneten Prozessabschnitten, an denen das additive Verfahren kurz unterbrochen wird, in den Grundkörper eingelegt und dann in weiteren additiven Fertigungsschritten in den Grundkörper eingebettet werden, indem sie ganz oder teilweise sukzessive vom Material des Grundkörpers während dessen Fertigung umschlossen werden.In a first possible variant, at least one valve and/or at least one additional functional element is a prefabricated component that is introduced into the base body during manufacture. In this case, in particular, only the base body is produced using the additive process, while all valves and additional functional elements are prefabricated and inserted into the base body at corresponding suitable process sections where the additive process is briefly interrupted, and then embedded in the base body in further additive manufacturing steps be by being completely or partially successively surrounded by the material of the base body during its manufacture.

Insbesondere ist es möglich, zumindest das Ventil vollständig in den Grundkörper einzubetten, sodass es von Grundkörper an allen Seiten umgeben ist. Alternativ oder zusätzlich ist auch für das zusätzliche Funktionselement eine solche Vorgehensweise möglich.In particular, it is possible to embed at least the valve completely in the base body, so that it is surrounded on all sides by the base body. Alternatively or additionally, such a procedure is also possible for the additional functional element.

Falls das Ventil oder das zusätzliche Funktionselement eine Bedienerinteraktion erfordert, sollten natürlich die jeweiligen Komponenten nur so weit vom Material des Grundkörpers umschlossen sein, dass die betreffenden Aktionselemente wie Schalter, Tasten oder Displays an einer Außenseite des Fluidblocks liegen und für den Bediener zugänglich sind.If the valve or additional functional element requires operator interaction, it should Of course, the respective components should only be surrounded by the material of the base body to such an extent that the action elements in question, such as switches, buttons or displays, are on the outside of the fluid block and are accessible to the operator.

Die elektrischen Anschlüsse des Ventils und/oder des zusätzlichen Funktionselements lassen sich dabei so in den Grundkörper einbetten, dass sie an einer Außenseite des Grundkörpers enden, vorzugsweise in einer gemeinsamen elektrischen Schnittstelle, oder aus dem Grundkörper herausgeführt sind.The electrical connections of the valve and/or the additional functional element can be embedded in the base body in such a way that they end on an outside of the base body, preferably in a common electrical interface, or are led out of the base body.

Die Fluidschnittstellen zwischen dem Ventil und/oder dem zusätzlichen Funktionselement und dem Grundkörper werden vorzugsweise im additiven Verfahren hergestellt, wobei der Fluidkanal im Grundkörper direkt an eine Fluidleitung des Ventils bzw. des zusätzlichen Funktionselements anschließt. Die Abdichtung der Schnittstelle wird dabei vom Material des Grundkörpers oder durch eine eingelegte, eingebettete, vorgefertigte Dichtung übernommen.The fluid interfaces between the valve and/or the additional functional element and the base body are preferably produced in an additive process, with the fluid channel in the base body connecting directly to a fluid line of the valve or the additional functional element. The interface is sealed by the material of the base body or by an inserted, embedded, prefabricated seal.

In einer zweiten möglichen Variante, in der wenigstens ein Abschnitt des Ventils und/oder des zusätzlichen Funktionselements während der Fertigung des Grundkörpers zusammen mit dem Grundkörper im additiven Verfahren gefertigt wird, können unterschiedliche Materialien für die Abschnitte des Ventils und/oder des zusätzlichen Funktionselements sowie den restlichen Grundkörper verwendet werden. Die Materialien können sich beispielsweise hinsichtlich ihrer Elastizität, ihrer Korrosionsbeständigkeit oder anderer Eigenschaften, beispielsweise auch ihrer elektrischen Leitfähigkeit oder ihres magnetischen Verhaltens unterscheiden.In a second possible variant, in which at least one section of the valve and/or the additional functional element is manufactured together with the main body in an additive process during the production of the base body, different materials can be used for the sections of the valve and/or the additional functional element as well as the rest of the body can be used. The materials can differ, for example, with regard to their elasticity, their corrosion resistance or other properties, for example their electrical conductivity or their magnetic behavior.

Beispielsweise lässt sich eine Membran des Ventils zusammen mit dem Grundkörper im additiven Verfahren fertigen. Hierbei wird vorzugsweise ein elastisches Material, z.B. ein Elastomer, für die Membran sowie ein starres Material für den Grundkörper verwendet.For example, a membrane of the valve can be manufactured together with the base body in an additive process. An elastic material, e.g. an elastomer, is preferably used for the membrane and a rigid material for the base body.

Generell ist es vorteilhaft, für den Grundkörper ein Kunststoffmaterial zu verwenden, da dies kostengünstig und einfach zu verarbeiten ist sowie ein geringes Gewicht aufweist.In general, it is advantageous to use a plastic material for the base body, since this is inexpensive and easy to process and has a low weight.

Sämtliche Fluidkanäle lassen sich grundsätzlich im additiven Verfahren im Grundkörper herstellen.In principle, all fluid channels can be produced in the base body using the additive process.

Vorzugsweise wird ein Ventilsitz des Ventils einstückig mit dem Grundkörper gefertigt, sodass der Ventilsitz nahtlos mit den zu- und ableitenden Fluidkanälen, die zum Ventil führen, ausgebildet ist.A valve seat of the valve is preferably manufactured in one piece with the base body, so that the valve seat is formed seamlessly with the supply and discharge fluid channels that lead to the valve.

Es ist möglich, den Ventilsitz in einem anderen Material zu fertigen als die anschließenden Fluidkanäle, um beispielsweise Verschleiß zu verringern oder den Korrosionsschutz zu erhöhen.It is possible to manufacture the valve seat in a different material than the connecting fluid channels, for example to reduce wear or increase corrosion protection.

Es ist denkbar, in einer dritten Variante das Ventil und/oder das zusätzliche Funktionselement vollständig zusammen mit dem Grundkörper im additiven Verfahren zu fertigen, sodass wenigstens ein Ventil und/oder wenigstens ein zusätzliches Funktionselement komplett zusammen mit dem Grundkörper im additiven Verfahren hergestellt werden. Hier kommen dann natürlich diverse unterschiedliche Materialien zum Einsatz, insbesondere auch elektrisch leitfähige oder magnetische Materialien für die elektrischen Leitungen, Spulen oder magnetischen Elemente des Ventils. Auf diese Weise wäre es möglich, den gesamten fluidischen Block in einem Arbeitsgang im additiven Verfahren herzustellen.In a third variant, it is conceivable to manufacture the valve and/or the additional functional element completely together with the base body using the additive method, so that at least one valve and/or at least one additional functional element can be manufactured completely together with the base body using the additive method. Various different materials are then of course used here, in particular also electrically conductive or magnetic materials for the electrical lines, coils or magnetic elements of the valve. In this way it would be possible to produce the entire fluidic block in one operation using the additive process.

Die oben genannte Aufgabe wird auch mit einem fluidischen Block gelöst, der nach einem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist, wobei der Grundkörper einstückig ist und die elektrischen Leitungen in den Grundkörper eingebettet sind, und das wenigstens eine Ventil und/oder das wenigstens eine zusätzliche Funktionselement in den Grundkörper eingebettet sind, oder wobei wenigstens ein Abschnitt des Ventils und/oder des zusätzlichen Funktionselements zusammen mit dem Grundkörper gefertigt ist, sodass das Ventil und/oder das zusätzliche Funktionselement abschnittsweise einstückig in den Grundkörper übergeht.The above-mentioned object is also achieved with a fluidic block that is produced using a method as described above, the base body being in one piece and the electrical lines being embedded in the base body, and the at least one valve and/or the at least one additional functional element in are embedded in the base body, or at least one section of the valve and/or the additional functional element is manufactured together with the base body, so that the valve and/or the additional functional element transitions into the base body in one piece in sections.

Die zusätzlichen Funktionselemente umfassen beispielsweise Sensorelemente, Pumpen, Heizelemente, Kühlelemente und/oder elektrische oder elektronische Komponenten. Unter anderem können Durchflusssensoren, Blasendetektoren, Fluidverteiler, Spannungswandler, Spannungs- und/oder Stromverteiler, Stromschienen, WLAN-Module, Anzeigevorrichtungen, Kommunikationseinrichtungen, Steuereinheiten, Kommunikationsschnittstellen oder Schalter als Funktionselemente vorgesehen sein. Die verwendeten Ventile können beliebiger Natur sein, unter anderem On/Off-Ventile oder Stellventile.The additional functional elements include, for example, sensor elements, pumps, heating elements, cooling elements and/or electrical or electronic components. Among other things, flow sensors, bubble detectors, fluid distributors, voltage converters, voltage and/or current distributors, busbars, WLAN modules, display devices, communication devices, control units, communication interfaces or switches can be provided as functional elements. The valves used can be of any type, including on/off valves or control valves.

Die Fluidkanäle lassen sich durch die Verwendung unterschiedlicher Materialien im additiven Verfahren für unterschiedliche Medien, beispielsweise Prozess- und Steuermedien mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften, auslegen, wobei sowohl gasförmige als auch flüssige oder pastöse Medien verwendbar sind.The fluid channels can be designed by using different materials in the additive process for different media, for example process and control media with different chemical properties, with both gaseous and liquid or pasty media being usable.

Vorzugsweise ist eine gesamte Funktionsgruppe im fluidischen Block zusammengefasst, beispielsweise eine gesamte Ventilinsel, die sowohl eine Vielzahl von Ventilen als auch die gesamte gewünschte Mess- und Sensortechnik beherbergt. Mittels additiver Fertigung lassen sich auf diese Weise Baugruppe herstellen, die sowohl eine Vielzahl an Fluidkanälen als auch eine Vielzahl an Ventilen und zusätzlichen Funktionselementen aufweist. Ventile und/oder zusätzliche Funktionselemente sind in den fluidischen Block integriert, wobei sie abschnittsweise direkt zusammen mit dem Grundkörper des fluidischen Blocks im additiven Verfahren hergestellt sein können. Die elektrischen Anschlüsse lassen sich an eine Außenseite des fluidischen Blocks führen, sodass durch den einstückigen, vorzugsweise nahtlosen, Grundkörper die gesamte Elektrik und Elektronik gegen Umwelteinflüsse, insbesondere gegen das Eindringen von Wasser und Staub, geschützt ist.An entire functional group is preferably combined in the fluidic block, for example an entire valve terminal, which has both a large number of valves and the entire desired measurement and sensor technology. In this way, additive manufacturing can be used to produce assemblies that have a large number of fluid channels as well as a large number of valves and additional functional elements. Valves and/or additional functional elements are integrated into the fluidic block, and they can be produced in sections directly together with the base body of the fluidic block using the additive method. The electrical connections can be routed to an outside of the fluidic block, so that the one-piece, preferably seamless, base body protects the entire electrics and electronics against environmental influences, in particular against the ingress of water and dust.

Durch das additive Fertigungsverfahren ist es auf einfache Weise auch möglich, die fluidischen und elektrischen Anschlüsse an beliebige, gewünschte Stellen zu legen. So können beispielsweise die fluidischen Anschlüsse für ein Medium alle an einer Seite zusammengefasst sein, wo sie einfach zum Anschluss externer Leitungen von außen zugänglich sind. Genauso können elektrische Anschlüsse an anderer Stelle angeordnet sein, um z.B. einen Kontakt mit den fluidischen Medien zu verhindern.The additive manufacturing process also makes it easy to place the fluidic and electrical connections at any desired locations. For example, the fluidic connections for a medium can all be combined on one side, where they are easily accessible from the outside for connecting external lines. In the same way, electrical connections can be arranged at a different point, for example to prevent contact with the fluidic media.

Die fluidischen sowie die elektrischen Anschlüsse sind vorzugsweise jeweils in einer oder mehreren Schnittstellen an der Außenseite des Grundkörpers zusammengefasst.The fluidic as well as the electrical connections are preferably each combined in one or more interfaces on the outside of the base body.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. In den Figuren zeigen:

  • - 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen fluidischen Blocks, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, gemäß einer ersten Variante;
  • - 2 bis 5 eine schematische Darstellung von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des fluidischen Blocks aus 1;
  • - 6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen fluidischen Blocks, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, gemäß einer zweiten Variante; und
  • - 7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen fluidischen Blocks, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, gemäß einer dritten Variante.
The invention is described in more detail below using several exemplary embodiments with reference to the attached figures. In the figures show:
  • - 1 a schematic representation of a fluidic block according to the invention, produced by a method according to the invention, according to a first variant;
  • - 2 until 5 a schematic representation of steps of the method according to the invention for the production of the fluidic block 1 ;
  • - 6 a schematic representation of a fluidic block according to the invention, produced by a method according to the invention, according to a second variant; and
  • - 7 a schematic representation of a fluidic block according to the invention, produced by a method according to the invention, according to a third variant.

1 zeigt einen fluidischen Block 10 gemäß einer ersten Variante. 1 shows a fluidic block 10 according to a first variant.

Der fluidische Block 10 besteht aus einem Grundkörper 12 (siehe auch 3 bis 5) sowie einem oder mehreren Ventilen 14 und zusätzlichen Funktionselementen 16.The fluidic block 10 consists of a base body 12 (see also 3 until 5 ) and one or more valves 14 and additional functional elements 16.

Innerhalb des fluidischen Blocks 10 sind die Ventile 14 und die zusätzlichen Funktionselemente 16, die in Fluidkontakt sind, über im Grundkörper 12 verlaufende Fluidkanäle 18 verbunden.Within the fluidic block 10, the valves 14 and the additional functional elements 16, which are in fluid contact, are connected via fluid channels 18 running in the base body 12.

Der fluidische Block 10 kann nach Belieben aufgebaut sein und kann beliebige Ventile 14 und zusätzliche Funktionselemente 16 aufweisen, die auf eine gewünschte Weise durch Fluidkanäle 18 untereinander verbunden sind. Prinzipiell kann ein hier dargestellter fluidischer Block 10 jede herkömmliche Ventilinsel ersetzen.The fluidic block 10 can be constructed as desired and can have any valves 14 and additional functional elements 16 which are interconnected by fluid channels 18 in a desired manner. In principle, a fluidic block 10 shown here can replace any conventional valve terminal.

Die zusätzlichen Funktionselemente 16 sind beispielsweise Sensorelemente, Pumpen, Heizelemente, Kühlelemente und/oder elektrische oder elektronische Komponenten, wie beispielsweise Anzeigevorrichtungen oder Kommunikations- oder Steuereinheiten. Unter anderem können Durchflusssensoren, Blasendetektoren, Fluidverteiler, Spannungswandler, Spannungs- und/oder Stromverteiler, Stromschienen, Displays, WLAN-Module, Kommunikationsschnittstellen oder Schalter als Funktionselemente vorgesehen sein.The additional functional elements 16 are, for example, sensor elements, pumps, heating elements, cooling elements and/or electrical or electronic components, such as display devices or communication or control units. Among other things, flow sensors, bubble detectors, fluid distributors, voltage converters, voltage and/or current distributors, busbars, displays, WLAN modules, communication interfaces or switches can be provided as functional elements.

1 skizziert ein einfaches Beispiel, das nur eine beliebige Möglichkeit zur Konfiguration eines fluidischen Blocks 10 abbildet. 1 outlines a simple example that depicts just one arbitrary way of configuring a fluidic block 10 .

Hier sind drei Ventile 14 vorgesehen, die jeweils einem als Fluideinlass dienenden Fluidanschluss 20 zugeordnet sind. Die Fluidanschlüsse 20 sind in einer gemeinsamen fluidischen Schnittstelle 22 an einer Seite des fluidischen Blocks 10 zusammengefasst.Three valves 14 are provided here, each of which is assigned to a fluid connection 20 serving as a fluid inlet. The fluid connections 20 are combined in a common fluidic interface 22 on one side of the fluidic block 10 .

Über eine Pumpe 24 als eines der zusätzlichen Funktionselemente 16 sind diese Ventile 14 mit einem weiteren Ventil 14, das als Verteiler 26 dient, verbunden, über den zwei Fluidauslässe 28 bedient werden, über die das Fluid den fluidischen Block 10 wieder verlässt.Via a pump 24 as one of the additional functional elements 16, these valves 14 are connected to a further valve 14, which serves as a distributor 26, via which two fluid outlets 28 are served, via which the fluid leaves the fluidic block 10 again.

Zwischen dem Verteiler 26 und den Fluidauslässen 28 sind hier als weitere zusätzliche Funktionselemente 16 ein Durchflusssensor 30 sowie ein Blasendetektor 32 angeordnet.A flow sensor 30 and a bubble detector 32 are arranged here as further additional functional elements 16 between the distributor 26 and the fluid outlets 28 .

In diesem Beispiel sind die gezeigten Fluidkanäle 18 Leitungen für ein Prozessmedium. Zusätzlich können (hier nicht dargestellte) Leitungen für ein Steuermedium im Grundkörper 12 ausgebildet sein.In this example, the fluid channels 18 shown are lines for a process medium. In addition, lines (not shown here) for a control medium can be formed in the base body 12 .

Elektrische Leitungen 33 der Ventile 14 und der zusätzlichen Funktionselemente 16 sind hier zu einer gemeinsamen elektrischen Schnittstelle 35 an der Außenseite des Grundkörpers 12 geführt, sodass sie von außen kontaktierbar sind.Electrical lines 33 of the valves 14 and the additional functional elements 16 are closed here a common electrical interface 35 out on the outside of the base body 12 so that they can be contacted from the outside.

Der beispielhaft gezeigte fluidischer Block 10 kann somit eine Verteilung eines Fluids in unterschiedlichen Dosierungen auf verschiedene Fluidauslässe 28 vornehmen, wobei eine Mengendosierung über den Durchflusssensor 30 und eine Qualitätskontrolle über den Blasendetektor 32 möglich ist.The fluidic block 10 shown as an example can thus distribute a fluid in different dosages to different fluid outlets 28 , with quantity dosage via the flow sensor 30 and quality control via the bubble detector 32 being possible.

Die 2 bis 5 zeigen die Herstellung des fluidischen Blocks 10 aus 1.The 2 until 5 show the production of the fluidic block 10 from 1 .

Der Grundkörper 12 wird in einem additiven Verfahren gefertigt, beispielsweise einem 3D-Druckverfahren oder einem anderen Herstellungsverfahren, bei dem aufeinanderfolgende Schichten des Grundkörpers 12 durch Aufbringen oder Verfestigen von Material hergestellt werden.The base body 12 is manufactured in an additive process, for example a 3D printing process or another manufacturing process in which successive layers of the base body 12 are produced by applying or solidifying material.

Als Material des Grundkörpers 12 wird beispielsweise ein geeigneter Kunststoff verwendet, der insbesondere in einer Drucktechnik verarbeitet werden kann. Gegebenenfalls wäre aber auch ein Einsatz von sinterbaren Pulvern, auch Metallpulvern, denkbar.A suitable plastic is used as the material of the base body 12, for example, which can be processed in particular using a printing technique. If necessary, however, the use of sinterable powders, including metal powders, would also be conceivable.

In dieser Variante wird nur der Grundkörper 12 in dem additiven Verfahren hergestellt, während die Ventile 14 und zusätzlichen Funktionselemente 16 vorgefertigte Bauteile sind, die während der Fertigung des Grundkörpers 12 in diesen eingebracht und zumindest abschnittsweise im Material des Grundkörpers 12 eingebettet werden.In this variant, only the base body 12 is produced in the additive process, while the valves 14 and additional functional elements 16 are prefabricated components that are introduced into the base body 12 during its manufacture and embedded at least in sections in the material of the base body 12.

Die 2 bis 5 zeigen den Vorgang beispielhaft für ein Ventil 14, hier ein Membranventil mit einem Magnetantrieb, das einen Ventilkörper 34 sowie eine daran befestigte elastische Membran 36 aufweist. Die Spulen 38 des Antriebs sind mit elektrischen Leitungen 33 verbunden, die eine Stromversorgung sowie eine Ansteuerung des Ventils 14 ermöglichen.The 2 until 5 show the process as an example for a valve 14, here a membrane valve with a magnetic drive, which has a valve body 34 and an elastic membrane 36 attached thereto. The coils 38 of the drive are connected to electrical lines 33 which enable power supply and control of the valve 14 .

Außerdem ist zumindest ein (hier nicht dargestelltes) zusätzliches Funktionselement 16 vorhanden, das analog zum Ventil 14 in den Grundkörper 12 eingebettet wird.In addition, there is at least one additional functional element 16 (not shown here), which is embedded in the base body 12 analogously to the valve 14 .

In 2 ist das vorgefertigte Ventil 14 separat dargestellt.In 2 the prefabricated valve 14 is shown separately.

Ein Abschnitt des Grundkörpers 12 wird in einem additiven Verfahren bis zu einem bestimmten Punkt gefertigt, zu dem das Ventil 14 eingesetzt werden soll.A portion of the body 12 is additively manufactured to a point at which the valve 14 is to be inserted.

Zu diesem Zeitpunkt sind im Grundkörper 12 bereits ein Ventilsitz 40 sowie Fluidkanäle 18, die Fluid zum Ventilsitz 40 und von diesem weg führen, einstückig mit dem Grundkörper 12 ausgebildet. Auch eine Aufnahme 42 für das Ventil 14 ist bereits ausgespart.At this point, the body 12 already has a valve seat 40 integrally formed with the body 12 and fluid passages 18 which conduct fluid to and from the valve seat 40 . A receptacle 42 for the valve 14 has already been cut out.

Das Ventil 14 wird in die Aufnahme 42 eingesetzt, in diesem Fall so, dass die Membran 36 auf dem Ventilsitz 40 zu liegen kommt.The valve 14 is inserted into the seat 42, in this case in such a way that the membrane 36 comes to rest on the valve seat 40.

Die Abdichtung zwischen Membran 36 und Grundkörper 12 erfolgt hier durch die Geometrie der Aufnahme 42.The seal between membrane 36 and base body 12 is achieved here by the geometry of receptacle 42.

Nach dem Einsetzen des Ventils 14 wird das additive Fertigungsverfahren des Grundkörpers 12 fortgesetzt und dieser der Pfeilrichtung in den 3 bis 5 folgend schichtweise aufgebaut, wobei das Ventil 14 immer weiter in den Grundkörper 12 eingebettet und vom Material des Grundkörpers 12 umschlossen und somit in den fluidischen Block 10 integriert wird.After inserting the valve 14, the additive manufacturing process of the base body 12 is continued and this the direction of the arrow in the 3 until 5 subsequently built up in layers, the valve 14 being embedded further and further into the base body 12 and surrounded by the material of the base body 12 and thus being integrated into the fluidic block 10 .

In diesem Beispiel wird das Ventil 14 vollständig in das Material des Grundkörpers 12 eingebettet, sodass das Ventil 14 vollständig vom Grundkörper 12 umschlossen ist, wie 5 zeigt.In this example, the valve 14 is completely embedded in the material of the base body 12, so that the valve 14 is completely surrounded by the base body 12, such as 5 shows.

Lediglich die elektrischen Leitungen 33 werden bis an eine Außenoberfläche 44 des Grundkörpers 12 geführt, wo sie in der elektrischen Schnittstelle 35 enden.Only the electrical lines 33 are routed to an outer surface 44 of the base body 12 where they end in the electrical interface 35 .

Mit allen anderen Ventilen 14 und zusätzlichen Funktionselementen 16, die im Grundkörper 12 verbaut werden sollen, wird an entsprechenden Orten und zu entsprechenden Zeitpunkten im additiven Fertigungsverfahren des Grundkörpers 12 entsprechend verfahren.All other valves 14 and additional functional elements 16 that are to be installed in the base body 12 are processed accordingly at the appropriate locations and at the appropriate times in the additive manufacturing process of the base body 12 .

Die Ventile 14 und zusätzlichen Funktionselemente 16 sind dabei so in den Grundkörper 12 eingebettet, dass sie von diesem nicht mehr zerstörungsfrei getrennt werden können.The valves 14 and additional functional elements 16 are embedded in the base body 12 in such a way that they can no longer be separated from it without being destroyed.

Nach Abschluss des Herstellungsverfahrens ist der in 1 gezeigte fluidische Block 10 fertiggestellt und kann verwendet werden.After completion of the manufacturing process, the in 1 fluidic block 10 shown completed and can be used.

6 zeigt eine zweite Variante eines fluidischen Blocks 10. 6 shows a second variant of a fluidic block 10.

Im Unterschied zur ersten Variante sind hier wenigstens ein Abschnitt eines Ventils 14 oder wenigstens ein Abschnitt eines zusätzlichen Funktionselements 16 zusammen mit dem Grundkörper 12 in einem additiven Verfahren gefertigt.In contrast to the first variant, at least one section of a valve 14 or at least one section of an additional functional element 16 is manufactured here together with the base body 12 in an additive process.

In diesem Fall betrifft dies die Membran 36 eines der Ventile 14. Die Membran 36 wird also so in den Grundkörper 12 eingeformt, dass das Ventil 14 abschnittsweise einstückig in den Grundkörper 12 übergeht.In this case, this relates to the membrane 36 of one of the valves 14. The membrane 36 is thus molded into the base body 12 in such a way that the valve 14 merges into the base body 12 in one piece in sections.

Zur Herstellung der Membran 36 wird ein anderes Material als das Material des Grundkörpers 12 verwendet, z.B. ein Elastomer, das herkömmlich für Ventilmembrane eingesetzt wird.Diaphragm 36 is made from a material other than the material of body 12, such as an elastomer conventionally used for valve diaphragms.

Das restliche Ventil 14 wird hier wie oben beschrieben separat vorgefertigt und nach der Fertigung der Membran 36 in den Grundkörper 12 eingesetzt, dabei mit der Membran 36 verbunden und anschließend vollständig in den Grundkörper 12 eingebettet.The rest of the valve 14 is prefabricated separately as described above and, after the membrane 36 has been manufactured, is inserted into the base body 12 , connected to the membrane 36 and then completely embedded in the base body 12 .

Diese Vorgehensweise wird bei dieser Variante für alle geeigneten Komponenten von Ventilen 14 und zusätzlichen Funktionselementen 16 durchgeführt.In this variant, this procedure is carried out for all suitable components of valves 14 and additional functional elements 16 .

7 zeigt eine dritte Variante, bei der sämtliche Ventile 14 und zusätzlichen Funktionselemente 16 zusammen mit dem Grundkörper 12 im additiven Verfahren hergestellt werden. 7 shows a third variant, in which all valves 14 and additional functional elements 16 are produced together with the base body 12 in an additive process.

Wie weiter oben für die Fertigung der Membran 36 beschrieben, werden sämtliche Komponenten der Ventile 14 und zusätzlichen Funktionselemente 16 aus geeigneten Materialien direkt während der additiven Herstellung des Grundkörpers 12 zusammen mit diesem gefertigt.As described above for the manufacture of the membrane 36, all the components of the valves 14 and additional functional elements 16 are manufactured from suitable materials directly during the additive manufacturing of the base body 12 together with the latter.

Auch die elektrischen Leitungen 33 werden in diesem Fall additiv aus einem geeigneten elektrisch leitfähigen Material hergestellt und auf diese Weise in den Grundkörper 12 eingebettet.In this case, the electrical lines 33 are also produced additively from a suitable electrically conductive material and are embedded in the base body 12 in this way.

Insbesondere lässt sich hier PEEK (Polyetheretherketon) als Material für den Grundkörper 12 einsetzen, da es einen relativ hohen Schmelzpunkt hat, was auch die Fertigung von metallischen Komponenten wie elektrischen Leitungen, Ventilankern oder Magnetspulen der Ventile 14 ermöglicht. In den anderen beschriebenen Varianten ist PEEK natürlich auch als Material für den Grundkörper 12 verwendbar.In particular, PEEK (polyether ether ketone) can be used here as the material for the base body 12 since it has a relatively high melting point, which also enables the production of metallic components such as electrical lines, valve armatures or magnet coils of the valves 14 . In the other variants described, PEEK can of course also be used as the material for the base body 12 .

Gleiche Bezugszeichen in den Figuren benennen identische oder im Wesentlichen identische Komponenten und Bauteile. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht immer alle identischen Komponenten mit Bezugszeichen versehen.The same reference numbers in the figures denote identical or substantially identical components and parts. For reasons of clarity, not all identical components are always provided with reference numbers.

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung eines fluidischen Blocks, mit den Schritten: - Fertigen eines einstückigen Grundkörpers (12) mit mehreren Fluidkanälen (18) in einem additiven Verfahren, - Einbetten von elektrischen Leitungen (33) in den Grundkörper (12) während der Fertigung des Grundkörpers (12), - Einbetten wenigstens eines Ventils (14) in den Grundkörper (12) während der Fertigung des Grundkörpers (12) oder Herstellen wenigstens eines Abschnitts des Ventils (14) mit der Fertigung des Grundkörpers (12), sodass das Ventil (14) abschnittsweise einstückig in den Grundkörper (12) übergeht, und - Einbetten wenigstens eines zusätzlichen Funktionselements (16) in den Grundkörper (12) während der Fertigung des Grundkörpers (12) oder Herstellen wenigstens eines Abschnitts des eines zusätzlichen Funktionselements (16) mit der Fertigung des Grundkörpers (12), sodass das zusätzliche Funktionselement (16) abschnittsweise einstückig in den Grundkörper (12) übergeht.Method for producing a fluidic block, with the steps: - Manufacturing a one-piece base body (12) with a plurality of fluid channels (18) in an additive process, - embedding electrical lines (33) in the base body (12) during the manufacture of the base body (12), - Embedding at least one valve (14) in the base body (12) during manufacture of the base body (12) or manufacture of at least one section of the valve (14) during manufacture of the base body (12), so that the valve (14) is in one piece in sections the base body (12) goes over, and - Embedding at least one additional functional element (16) in the base body (12) during the manufacture of the base body (12) or producing at least a section of the one additional functional element (16) during the manufacture of the base body (12), so that the additional functional element (16 ) in sections merges into the base body (12) in one piece. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Ventil (14) und/oder zumindest ein zusätzliches Funktionselement (16) ein vorgefertigtes Bauteil ist, das während der Fertigung des Grundkörpers (12) in den Grundkörper (12) eingebracht wird.procedure after claim 1 , wherein at least one valve (14) and/or at least one additional functional element (16) is a prefabricated component which is introduced into the base body (12) during manufacture of the base body (12). Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ventil (14) vollständig in den Grundkörper (12) eingebettet wird, sodass es vom Grundkörper (12) an allen Seiten umgeben ist.procedure after claim 2 , wherein the valve (14) is completely embedded in the base body (12) so that it is surrounded on all sides by the base body (12). Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das zusätzliche Funktionselement (16) vollständig in den Grundkörper (12) eingebettet wird, sodass es vom Grundkörper (12) an allen Seiten umgeben ist.procedure after claim 2 or 3 , wherein the additional functional element (16) is completely embedded in the base body (12) so that it is surrounded on all sides by the base body (12). Verfahren nach Anspruch 1, wobei für den Abschnitt des Ventils (14) und/oder des zusätzlichen Funktionselements (16) ein anderes Material verwendet wird als für den Grundkörper (12).procedure after claim 1 , A different material being used for the section of the valve (14) and/or the additional functional element (16) than for the base body (12). Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine Membran (36) des Ventils (14) zusammen mit dem Grundkörper (12) im additiven Verfahren gefertigt wird.procedure after claim 5 , wherein a membrane (36) of the valve (14) is manufactured together with the base body (12) in the additive process. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 5 und 6, wobei ein Ventilsitz (40) des Ventils (14) einstückig mit dem Grundkörper (12) gefertigt wird.Procedure according to one of Claims 1 , 5 and 6 , wherein a valve seat (40) of the valve (14) is manufactured in one piece with the base body (12). Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Ventil (14) und/oder wenigstens ein zusätzliches Funktionselement (16) komplett zusammen mit dem Grundkörper (12) im additiven Verfahren hergestellt werden.procedure after claim 1 , At least one valve (14) and/or at least one additional functional element (16) being produced completely together with the base body (12) in an additive process. Fluidischer Block, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (12) einstückig ist und die elektrischen Leitungen (33) in den Grundkörper (12) eingebettet sind und wobei das wenigstens eine Ventil (14) und/oder das wenigstens eine zusätzliche Funktionselement (16) in den Grundkörper (12) eingebettet sind oder wenigstens ein Abschnitts des Ventils (14) und/oder des zusätzlichen Funktionselements (16) zusammen mit dem Grundkörper (12) gefertigt ist, sodass das Ventil (14) und/oder das Funktionselement (16) abschnittsweise einstückig in den Grundkörper (12) übergeht.Fluidic block, produced by a method according to one of the preceding claims, the base body (12) being in one piece and the electrical lines (33) being embedded in the base body (12) and the at least one valve (14) and/or the at least one additional functional element (16) being embedded in the base body (12). or at least a section of the valve (14) and/or the additional functional element (16) is manufactured together with the base body (12), so that the valve (14) and/or the functional element (16) is integrally integrated into the base body (12 ) transforms. Fluidischer Block nach Anspruch 9, wobei die zusätzlichen Funktionselemente (16) Sensorelemente, Pumpen, Heizelemente, Kühlelemente und/oder elektrische oder elektronische Komponenten umfassen.Fluidic block after claim 9 , wherein the additional functional elements (16) include sensor elements, pumps, heating elements, cooling elements and/or electrical or electronic components.
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