DE102021209068A1

DE102021209068A1 - Fluidbetätigter Arbeitszylinder und diesbezügliches Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102021209068A1
Application number: DE102021209068.0A
Authority: DE
Inventors: Oliver D. Jung
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2021-08-18
Filing date: 2021-08-18
Publication date: 2023-02-23
Also published as: US20230059879A1; CN115707878A; US11971055B2

Abstract

Es wird ein fluidbetätigter Arbeitszylinder (1) vorgeschlagen, der ein eine Zylinderkammer (6) umschließendes Zylindergehäuse (2) aufweist, das über ein Zylinderrohr (7) verfügt, dessen Innenumfangsfläche (12) eine Kolbenlauffläche (22) für einen in der Zylinderkammer (6) angeordneten Kolben (17) bildet. Das Zylinderrohr (7) ist ein Verbundkörper mit einer rohrförmigen Innenschicht (37) und einem die rohrförmige Innenschicht (37) mit radialer Stützwirkung umschließenden rohrförmigen Stützmantel (38). Die Innenschicht (37) besteht aus einem diffusionsdichten Glasmaterial oder Keramikmaterial, während der Stützmantel (38) einen cellulosehaltigen und/oder ligninhaltigen Materialaufbau hat. Ein solcher Arbeitszylinder kann nachhaltig hergestellt und nach Beendigung seiner Lebensdauer sehr einfach ressourcenschonend recycelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen fluidbetätigten Arbeitszylinder, insbesondere einen Pneumatikzylinder. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen fluidbetätigten Arbeitszylinders.
Aus der WO 2013/153079 A1 ist ein als Kolben-Zylindereinheit bezeichneter fluidbetätigter Arbeitszylinder bekannt, der über ein Zylindergehäuse verfügt, das einen rohrförmigen Zylindermantel, einen Zylinderboden und einen Zylinderkopf aufweist. Das Zylindergehäuse begrenzt eine Zylinderkammer, in der ein mit einer Kolbenstange verbundener Kolben angeordnet ist. Der Zylindermantel ist zumindest abschnittsweise aus einem wickelbaren, flächigen oder folienförmigen Werkstoff gefertigt. Bei diesem Werkstoff handelt es sich beispielsweise um Aluminium, Stahlblech, Edelstahl, Papier oder auch Kunststoff. Bei der Herstellung des Arbeitszylinders wird der wickelbare Werkstoff auf ein als Träger fungierendes Innenrohr aus Stahlblech aufgewickelt, das in weiterer Folge verbleibt oder entfernt wird.
Die DE 196 14 505 C1 offenbart einen Aktuator mit einem Zylindergehäuse, einem darin verschiebbaren Kolben und einer an dem Kolben befestigten Kolbenstange. Das Zylindergehäuse ist vollständig aus Keramik gefertigt, insbesondere aus SiSiC-Keramik.
Die EP 0 234 531 A2 offenbart einen Bewegungszylinder mit einem aus Glas bestehenden Zylindergehäuse, das außen mit einem transparenten Kunststoff beschichtet, mit einem Drahtgitter ummantelt oder sandwichartig mit einer Schichtenfolge aus Kunststoff und Metall umhüllt sein kann, um die Festigkeit des Glaszylindergehäuses zu erhöhen.
Aus der US 3 286 737 ist ein fluidbetätigter Arbeitszylinder bekannt, dessen Zylindergehäuse über ein Zylinderrohr verfügt, das eine Außenschicht aus mit organischen Verstärkungsfasern verstärktem Kunststoff und eine Innenschicht aus mit Schmierpartikeln versetzten aushärtbarem Kunststoff aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu treffen, die eine ressourcenschonende und zugleich kostengünstige Herstellung eines zuverlässig arbeitenden fluidbetätigten Arbeitszylinders ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen fluidbetätigten Arbeitszylinder, insbesondere Pneumatikzylinder,

- mit einem Zylindergehäuse und einem in einer von dem Zylindergehäuse umschlossenen Zylinderkammer durch Fluidbeaufschlagung verschiebbar angeordneten Kolben,
- wobei das Zylindergehäuse ein Zylinderrohr aufweist, dessen Innenumfangsfläche eine Kolbenlauffläche bildet, an der der Kolben gleitverschieblich anliegt,
- wobei das Zylinderrohr als ein Verbundkörper mit einer die Kolbenlauffläche bildenden rohrförmigen Innenschicht und einem die rohrförmige Innenschicht mit radialer Stützwirkung umschließenden rohrförmigen Stützmantel ausgebildet ist,
- wobei die Innenschicht aus einem diffusionsdichten Glasmaterial oder diffusionsdichten Keramikmaterial besteht,
- und wobei der Stützmantel einen cellulosehaltigen und/oder ligninhaltigen Materialaufbau hat.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines in dem vorgenannten Sinne ausgebildeten fluidbetätigten Arbeitszylinders, wobei das Zylinderrohr mittels folgender Verfahrensschritte erzeugt wird:

- Herstellen der rohrförmigen Innenschicht aus einem diffusionsdichten Glasmaterial oder diffusionsdichten Keramikmaterial,
- Herstellen des rohrförmigen Stützmantels aus einem cellulosehaltigen und/oder ligninhaltigen Material, und
- Erzeugung des Verbundkörpers durch (a) entweder jeweils gesonderte, voneinander unabhängige Herstellung und anschließende Vereinigung der rohrförmigen Innenschicht und des rohrförmigen Stützmantels oder durch (b) gesonderte Herstellung der rohrförmigen Innenschicht oder des rohrförmigen Stützmantels und anschließendes daran Anformen der jeweils anderen dieser beiden Komponenten bei ihrer Urformung.

Ein derart ausgebildeter und/oder hergestellter fluidbetätigter Arbeitszylinder bietet die gleichen Einsatzmöglichkeiten wie konventionelle Arbeitszylinder, verbindet dies jedoch mit einem von Nachhaltigkeit geprägten konstruktiven Aufbau. Das Zylinderrohr des Zylindergehäuses hat keinen materialeinheitlichen Aufbau, sondern ist als ein Verbundkörper konzipiert, der über sich koaxial umschließende Rohrstrukturen verfügt, die sich funktionsabhängig in ihrem Aufbau grundsätzlich voneinander unterscheiden. Eine innere Rohrstruktur besteht aus einer rohrförmigen Innenschicht, deren Hauptaufgabe darin besteht, die Zylinderkammer in radialer Richtung zur Umgebung hin gasdicht abzuschotten und gleichzeitig eine sehr glatte Kolbenlauffläche zu definieren, an der der in der Zylinderkammer angeordnete Kolben reibungsarm anliegt, sodass äußerst verschleißarme Hubbewegungen des Kolbens möglich sind. Um diese Eigenschaften zu gewährleisten, ist die Innenschicht aus einem über diffusionsdichte Eigenschaften verfügenden Glasmaterial oder Keramikmaterial hergestellt. Diese Materialien können die angestrebten Eigenschaften bereits mit einer sehr geringen Schichtdicke gewährleisten, sodass der Materialbedarf an diesen hochwertigen Materialien sehr gering gehalten werden kann, was sich wiederum positiv auf die Herstellungskosten niederschlägt. Die Innenschicht ist insbesondere derart dünn ausgebildet, dass sie allein nicht in der Lage wäre, den beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Arbeitszylinders auftretenden Belastungen und Beanspruchungen, insbesondere hinsichtlich Innendruckfestigkeit und mechanischer Stabilität, standzuhalten. Für diesen Aspekt zuständig ist der die Innenschicht umschließende rohrförmige Stützmantel, der die Innenschicht von außen her radial abstützt und der Innenschicht selbst bei extrem geringer Schichtdicke die erforderliche Formbeständigkeit verleiht. Indem der Stützmantel über einen cellulosehaltigen und/oder einen ligninhaltigen Materialaufbau verfügt, kann er ressourcenschonend mit nachhaltigen Produktionsmethoden aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt und nach Beendigung der Nutzungsdauer vollständig recycelt werden. Die radiale Dicke des Stützmantels kann bei der Herstellung des Arbeitszylinders entsprechend dem gewünschten Festigkeitsbedarf gewählt werden. Selbst bei einer relativ großen Manteldicke ermöglicht der voll recycelbare Materialaufbau die Einhaltung eines relativ geringen Gewichts. Da der Stützmantel nicht unmittelbar zur Definition der Zylinderkammer und der Kolbenlauffläche beiträgt, sind die an ihn gestellten Anforderungen hinsichtlich der Maßhaltigkeit und Toleranzen auf einem niedrigen Niveau, was sich ebenfalls in reduzierten Fertigungskosten niederschlägt.
Bei der Herstellung des Arbeitszylinders kann das Zylinderrohr insbesondere durch zwei alternative grundsätzliche Verfahrensweisen hergestellt werden. Entweder werden die rohrförmige Innenschicht und der rohrförmige Stützmantel unabhängig voneinander gesondert hergestellt und anschließend in geeigneter Weise zur Erzeugung des Verbundkörpers miteinander vereinigt, oder es wird nur eine dieser beiden Komponenten gesondert hergestellt und anschließend die andere Komponente bei ihrer Urformung an die zuvor gesondert gefertigte Komponente angeformt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die Schichtdicke der rohrförmigen Innenschicht ist bevorzugt extrem gering und liegt zweckmäßigerweise in einem Dickenbereich von 0,001 mm bis 0,1 mm. Derart dünne Schichten lassen sich vorteilhaft aus der Plasmaphase bei PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) oder CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition) erzeugen. Ein vor allem unter Berücksichtigung der Herstellungskosten bevorzugter Dickenbereich für die Schichtdicke der Innenschicht liegt zwischen 0,01 mm und 0,1 mm. Bei den Bereichsangaben sind die Bereichsgrenzen jeweils eingeschlossen. Die Schichtdicke der Innenschicht ist zweckmäßigerweise durchweg konstant.
Als günstig wird es angesehen, wenn der rohrförmige Stützmantel einen aus Naturfasern bestehenden Faserverbund aufweist. Insbesondere in diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der Stützmantel zumindest teilweise und zweckmäßigerweise in seiner Gesamtheit aus Papier und/oder Karton und/oder Pappe besteht. Bevorzugt enthalten die zur Herstellung des Faserverbundes verwendeten Faserstoffe Cellulose oder Lignin oder eine Kombination aus diesen beiden organischen Verbindungen.
Ein ebenfalls vorteilhafter Aufbau des Stützmantels basiert auf Gras und/oder Hanf und/oder Sisal als Grundstoff. Auch aus solchen Naturfasern kann ein sehr stabiler Faserverbund für den Stützmantel kostengünstig und recyclebar realisiert werden. Alternativ kann der Stützmantel aber beispielsweise auch aus einem Holzfaserverbundmaterial hergestellt sein oder werden.
Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung des Arbeitszylinders besteht der Stützmantel zumindest teilweise und vorzugsweise in seiner Gesamtheit aus einem gebeizten und/oder gebleichten Material. Dadurch besteht insbesondere die Möglichkeit zu einer einfach realisierbaren Farbgebung des Stützmantels. Beispielsweise können auf der Grundlage unterschiedlich farblich gebeizter Ausgangsmaterialien Stützmäntel mit unterschiedlicher Farbgebung realisiert werden, um beispielsweise Arbeitszylinder unterschiedlicher Größen sehr einfach optisch unterscheidbar zu machen.
Bei dem die Innenschicht bildenden Glasmaterial handelt es sich vorzugsweise um ein Silikatglas. Derartiges Glasmaterial zeichnet sich durch eine extrem große Härte und Verschleißfestigkeit unter Gewährleistung der angestrebten Diffusionsdichtigkeit aus.
Für eine Innenschicht aus Keramikmaterial empfiehlt sich insbesondere die Verwendung von Siliziumkarbid, insbesondere gesintertes Siliziumkarbid. Alternativ sind allerdings auch andere Keramikmaterialien verwendbar, beispielsweise basierend auf Aluminiumoxid oder Zirkonoxid.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Arbeitszylinders handelt es sich bei der rohrförmigen Innenschicht um einen unabhängig von dem Stützmantel gefertigten Rohrkörper. Die so vorgefertigte rohrförmige Innenschicht wird anschließend mit dem Rohrkörper kombiniert, wobei der Rohrkörper entweder ebenfalls separat vorgefertigt ist oder bei seiner Urformung direkt auf der rohrförmigen Innenschicht erzeugt wird.
Die von dem Stützmantel unabhängige, separate Herstellung der rohrförmigen Innenschicht erfolgt beispielsweise durch peripheres Auftragen eines Innenschicht-Ausgangsmaterials auf einen dornförmigen Formkern eines Formwerkzeuges. Dies kann beispielsweise durch formfreies Aufspritzen des Glasmaterials oder Keramikmaterials erfolgen oder durch Umhüllen mit diesem Material in einem dafür ausgebildeten, beispielsweise nach Art einer Spritzgießform gestalteten Formwerkzeug.
Bei der Innenschicht kann es sich um einen unabhängig von dem Stützmantel eigenstabilen Rohrkörper handeln. Die Festigkeit reicht zwar nicht aus, um den beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Arbeitszylinders auftretenden Beanspruchungen standzuhalten, ist jedoch ausreichend groß, um aufgrund der Formstabilität eine einfache Handhabung beim Herstellungsprozess des Zylinderrohrs zu gewährleisten.
Beispielsweise handelt es sich bei der aus Glasmaterial bestehenden Innenschicht um in Röhrenform gefertigtes Rohrglas. Derartiges Rohrglas wird bei seiner Herstellung aus der Glasschmelze rohrförmig gezogen und anschließend auf das für die rohrförmige Innenschicht gewünschte Längenmaß abgelängt. Rohrglas lässt sich mit sehr geringer Wanddicke herstellen, sodass es für die Realisierung des Verbund-Zylindergehäuses prädestiniert ist.
Alternativ kann es sich bei der aus Glasmaterial bestehenden rohrförmigen Innenschicht insbesondere um einen Rohrkörper handeln, der aus einer ursprünglich flächig hergestellten flexiblen Glasfolie geformt ist. Beispielsweise kann aus einer Endlos-Glasfolie ein Folienbogen abgetrennt werden, der anschließend zu einer Rohrform gebogen und an den einander zugewandten Bogenendabschnitten zusammengefügt wird, beispielsweise stoffschlüssig durch kurzzeitiges Erhitzen.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung besteht der Stützmantel aus einem bei seiner Urformung auf die Außenumfangsfläche der vorgefertigten rohrförmigen Innenschicht aufgetragenen und erst nach dem Auftragen verfestigten Stützmantelmaterial.
Beispielsweise kann eine schon rohrförmige Stützmantelstruktur im noch nicht verfestigten Zustand auf die rohrförmige Innenschicht aufgebracht werden, die sich beim Verfestigen unter Ausbildung des Stützmantels an den Außenumfang der rohrförmigen Innenschicht anschmiegt und selbige straff umschließt.
Als besonders zweckmäßig wird es angesehen, den rohrförmigen Stützmantel als bei seiner Urformung an der Außenumfangsfläche der rohrförmigen Innenschicht applizierten Spritzformkörper auszubilden. Das Aufspritzen des Stützmantelmaterials kann formfrei mittels eines Spritz- oder Sprühstrahls erfolgen oder aber formgebunden durch Spritzgießen in einem Spritzgießwerkzeug, in dem die vorgefertigte rohrförmige Innenschicht als Einlegeteil angeordnet ist.
Der Stützmantel ist nicht zwingend bei seiner Urformung auf der Innenschicht herzustellen. Alternativ kann der rohrförmige Stützmantel ein unabhängig von der Innenschicht gefertigter Rohrkörper sein. Bevorzugt handelt es sich in diesem Fall bei dem rohrförmigen Stützmantel um einen durch Extrudieren hergestellten Extrusionskörper oder um einen durch Spritzgie-ßen hergestellten Spritzgusskörper.
Vorteilhaft ist es, wenn der gesondert von der Innenschicht gefertigte Stützmantel auch ohne die Innenschicht eine seine Rohrform gewährleistende Eigenstabilität aufweist. Dies vereinfacht die Handhabung bei der anschließenden Kombination mit der Innenschicht beziehungsweise mit dem Innenschichtmaterial.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Innenschicht als eine Auftragsschicht realisiert, die durch ein Materialauftragsverfahren auf die Innenumfangsfläche des zuvor gefertigten rohrförmigen Stützmantels aufgebracht ist. Hierzu kann ein beliebiges bekanntes Beschichtungsverfahren zur Anwendung kommen. Bei der Auftragsschicht handelt es sich beispielsweise um eine Sputterschicht, wenn das Ausgangsmaterial der Innenschicht durch Sputtern appliziert wird. Weitere Ausführungsformen für eine besonders günstig herstellbare Auftragsschicht sind eine Vakuumabscheideschicht oder eine Rotationsbeschichtungssschicht. Die Vakuumabscheideschicht ist beispielsweise mittels eines der beiden schon oben erwähnten PVD-Verfahren oder CVD-Verfahren erzeugbar. Die Rotationsbeschichtungsschicht ist durch Rotationsbeschichtung, auch „Spin Coating“ genannt, erzeugbar oder erzeugt. Mit diesen Verfahren lassen sich extrem dünne Innenschichten verwirklichen, die in dem weiter oben erwähnten Dickenbereich liegen.
Der Zylinderrohr-Verbundkörper kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aus einem vorgefertigten rohrförmigen Stützmantel und einer vorgefertigten rohrförmigen Innenschicht bestehen, die koaxial ineinander eingesteckt und somit koaxial gefügt sind. Diese beiden rohrförmigen Komponenten haben beispielsweise vor dem Ineinandereinstecken derart aufeinander abgestimmte Durchmesser, dass zwischen den beiden ineinander eingesteckten Komponenten im ineinander eingesteckten Zustand eine Pressverbindung vorliegt. Zusätzlich oder alternativ kann in dem hohlzylindrischen Fügebereich zwischen dem Außenumfang der Innenschicht und dem Innenumfang des Stützmantels ein Stoffschluss vorliegen, beispielsweise Hervorgerufen durch eine Klebeverbindung und dabei insbesondere mittels einer hohlzylindrischen Klebemittelschicht.
Bevorzugt ist die rohrförmige Innenschicht nicht nur an ihrer die Kolbenlauffläche repräsentierenden Innenumfangsfläche, sondern auch an ihrer radialen Außenumfangsfläche zylindrisch und glattflächig ausgebildet. Diese Außenumfangsfläche kann gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung allerdings auch so strukturiert sein, dass radiale Erhebungen und Vertiefungen vorliegen, sodass sich ein radialer Eingriff zwischen der Innenschicht und dem Stützmantel ergibt, aus dem in der Längsrichtung des Zylinderrohrs ein Formschluss resultiert, der die beiden Komponenten unverrückbar zusammenhält.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung beinhaltet das Zylinderrohr einen aus dem rohrförmigen Stützmantel und aus der rohrförmigen Innenschicht bestehenden Koextrusionskörper. Beide Komponenten des Zylinderrohrs werden durch Extrudieren hergestellt und während des Extrudierens koaxial zusammengefügt, sodass man von einer Koextrusion sprechen kann. Derart koextrudierte Zylinderrohre lassen sich sehr einfach kundenspezifisch auf gewünschte Längenabmessungen herrichten.
Bei einer besonders kostengünstigen Ausgestaltung besteht das Zylinderrohr ausschließlich aus der rohrförmigen Innenschicht und dem diesbezüglich koaxialen rohrförmigen Stützmantel. Für besondere Anwendungen kann allerdings vorgesehen sein, dass der Stützmantel außen ringsum von einer gesonderten diffusionsdichten Hüllschicht umschlossen ist oder alternativ imprägniert ist. Auf diese Weise lässt sich bei Bedarf eine Medienbeständigkeit gegen in der näheren Umgebung befindliche Medien erzeugen. Eine diffusionsdichte Hüllschicht kann beispielsweise kostengünstig als Schrumpffolie aufgebracht sein.
Das Zylindergehäuse des Arbeitszylinders enthält zweckmäßigerweise zusätzlich zu dem Zylinderrohr zwei jeweils im Bereich einer der beiden axialen Stirnseiten des Zylinderrohres angeordnete Abschlusswände, die an dem Zylinderrohr befestigt sind und die Zylinderkammer stirnseitig begrenzen. Mindestens eine und bevorzugt jede Abschlusswand ist zweckmäßigerweise bezüglich des Zylinderrohres separat ausgebildet und als Zylinderdeckel angebracht. Die Befestigung kann beispielsweise durch eine stoffschlüssige Verbindung wie Schweißen oder Kleben erzeugt sein, oder aber durch mechanische Befestigungsmittel wie beispielsweise Schraubverbindungen oder Zuganker.
Mindestens eine Abschlusswand kann alternativ einstückig mit dem Zylinderrohr ausgebildet sein.
Mindestens eine und insbesondere jede Abschlusswand ist zweckmäßigerweise von einem die Zufuhr und Abfuhr eines fluidischen Druckmediums für den Antrieb des Kolbens ermöglichenden Antriebs-Fluidkanal durchsetzt. Mindestens ein solcher Antriebs-Fluidkanal kann alternativ auch als radiales Durchgangsloch am benachbarten Endbereich des Zylinderrohrs ausgebildet sein.
Die beiden Abschlusswände können einen konventionellen Aufbau haben und beispielsweise aus Metall wie Aluminium oder Edelstahl bestehen oder aus Kunststoffmaterial gefertigt sein.
Zweckmäßig ist allerdings auch bei den Abschlusswänden eine Realisierung als Verbundkörper vergleichbar dem Zylinderrohr. In diesem Zusammenhang hat bevorzugt mindestens eine und zweckmäßigerweise jede Abschlusswand eine der Zylinderkammer zugewandte diffusionsdichte Wandinnenschicht und eine diesbezüglich dickere, als Stützschicht für die Wandinnenschicht fungierende Wandaußenschicht. Während die Wandinnenschicht aus einem diffusionsdichten Glasmaterial oder diffusionsdichten Keramikmaterial besteht, hat die Wandaußenschicht einen cellulosehaltigen und/oder ligninhaltigen Materialaufbau. Hinsichtlich der Materialien und der gegenseitigen Verbindung von Wandinnenschicht und Wandaußenschicht gelten die weiter oben in Bezug auf das Zylinderrohr gemachten Ausführungen.
An dem Kolben ist zweckmäßigerweise eine das Zylindergehäuse durchsetzende und axial aus dem Zylindergehäuse herausragende Kolbenstange angeordnet. Die Kolbenstange durchsetzt zweckmäßigerweise eine Abschlusswand des Zylindergehäuses, wobei in dem Durchdringungsbereich bevorzugt eine Führungs- und Abdichtungseinrichtung zur abgedichteten Gleitführung der Kolbenstange vorhanden ist. Beispielsweise sind ein Dichtungsring und eine Führungsbuchse in zu der Kolbenstange koaxialer Anordnung in eine von der Kolbenstange durchsetzte axiale Wanddurchbrechung einer Abschlusswand eingesetzt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

1 eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen fluidbetätigten Arbeitszylinders in einem Längsschnitt gemäß Schnittebene I-I aus 2, wobei ein strichpunktiert umrahmter Bereich des Zylinderrohrs gesondert auch nochmals in einer Ausschnittsvergrößerung illustriert ist,
2 einen Querschnitt des Arbeitszylinders aus 1 gemäß Schnittebene II-II aus 1,
3 einen der Ausschnittsvergrößerung gemäß 1 entsprechenden Ausschnitt einer alternativen Ausgestaltung des Zylinderrohrs des fluidbetätigten Arbeitszylinders,
4 wiederum einen der Ausschnittsvergrößerung der 1 entsprechenden Ausschnitt des Zylinderrohrs einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des fluidbetätigten Arbeitszylinders,
5 einen Verfahrensschritt bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Arbeitszylinders, bei dem die rohrförmige Innenschicht ein unabhängig von dem Stützmantel gefertigter Rohrkörper ist,
6 einen Verfahrensschritt bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Arbeitszylinders, dessen Stützmantel bei seiner Urformung unmittelbar auf der vorgefertigten Innenschicht erzeugt wird,
7 einen Verfahrensschritt bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Arbeitszylinders, dessen Stützmantel ein unabhängig von der Innenschicht gefertigter Rohrkörper ist, wobei die Innenschicht nachträglich als Auftragsschicht am Innenumfang des vorgefertigten Stützmantels appliziert wird,
8 einen Verfahrensschritt bei der Fertigung eines erfindungsgemäßen Arbeitszylinders, bei dem die Innenschicht und der Stützmantel separat voneinander hergestellt und anschließend zusammengefügt werden,
9 einen Verfahrensschritt bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Arbeitszylinders, bei dem es sich um einen durch Koextrusion des Stützmantels und der Innenschicht hergestellten Koextrusionskörper handelt, und
10 und 11 bevorzugte Verfahrensabläufe bei einem Verfahren zur Herstellung des Arbeitszylinders in schematischer Darstellung.

In den 5 bis 9 sind die Bestandteile des Zylinderrohrs jeweils im Längsschnitt gezeigt.
In den 1 und 2 ist ein fluidbetätigter Arbeitszylinder 1 illustriert, der über ein Zylindergehäuse 2 und eine diesbezüglich durch Fluidkraft verschiebbare Abtriebseinheit 3 verfügt. Die 3 und 4 zeigen jeweils einen Ausschnitt eines Zylindergehäuses 2 eines Arbeitszylinders 1, dessen grundsätzlicher Aufbau demjenigen der 1 und 2 entspricht.
Der Arbeitszylinder 1 hat eine strichpunktiert angedeutete Längsachse 4, wobei die Abtriebseinheit 3 eine in der Achsrichtung der Längsachse 4 orientierte, durch einen Doppelpfeil angedeutete lineare Hubbewegung 5 relativ zum Zylindergehäuse 2 ausführen kann. Die Abtriebseinheit 3 ist dabei alternativ in jeweils einer der beiden axialen Richtungen der Längsachse 4 beweglich.
Die Antriebskraft zur Erzeugung der Hubbewegung 5 ist durch ein fluidisches Druckmedium hervorrufbar, das mittels einer nicht weiter abgebildeten Steuerventileinrichtung dem Arbeitszylinder 1 zuführbar und von dem Arbeitszylinder 1 abführbar ist. Dieses fluidische Druckmedium wird im Folgenden auch als Antriebsmedium bezeichnet. Bei dem Antriebsmedium handelt es sich bevorzugt um Druckluft, in welchem Fall der Arbeitszylinder 1 einen Pneumatikzylinder repräsentiert. Allerdings lässt sich der Arbeitszylinder 1 auch mit anderen Druckgasen oder auch mit einer Druckflüssigkeit betreiben.
Das Zylindergehäuse 2 hat bevorzugt eine Längserstreckung in der Achsrichtung der Längsachse 4. Es umschließt eine sich in der Achsrichtung der Längsachse 4 erstreckende Zylinderkammer 6, die einen runden und insbesondere einen kreisrunden Querschnitt hat, der aus 2 gut ersichtlich ist.
Radial außen ist die Zylinderkammer 6 ringsum von einem Zylinderrohr 7 des Zylindergehäuses 2 begrenzt. Das Zylinderrohr 7 hat eine Längsachse 8, die die gleiche Orientierung hat wie die Längsachse 4 des Arbeitszylinders 1 und die zweckmäßigerweise mit der Längsachse 4 des Arbeitszylinders 1 zusammenfällt.
Das Zylinderrohr 7 hat eine zylindrische Innenumfangsfläche 12, die die Zylinderkammer 6 radial außen ringsum umschließt.
Das Zylindergehäuse 2 hat zwei in der Achsrichtung der Längsachse 4 einander entgegengesetzte Stirnseiten 13, 14, die im Folgenden zur besseren Unterscheidung auch als Vorderseite 13 und Rückseite 14 des Zylindergehäuses 2 bezeichnet werden. Die Zylinderkammer 6 ist im Bereich der Vorderseite 13 durch eine vordere Abschlusswand 15 und im Bereich der Rückseite 14 durch eine hintere Abschlusswand 16 des Zylindergehäuses 2 verschlossen. Beide Abschlusswände 15, 16 sind dabei fluiddicht mit dem Zylinderrohr 7 verbunden. Das Zylinderrohr 7 erstreckt sich axial zwischen den beiden Abschlusswänden 15, 16.
Die Abtriebseinheit 3 hat einen in der Zylinderkammer 6 unter Ausführung der Hubbewegung 5 linear verschiebbar aufgenommenen Kolben 17. Bei der Arbeitsbewegung 5 kann der Kolben 17 mit seiner radial nach außen weisenden Kolbenumfangsfläche 18 an der Innenumfangsfläche 12 des Zylinderrohrs 7 entlanggleiten. Dementsprechend definiert die Innenumfangsfläche 12 eine Kolbenlauffläche 22, die entsprechend der Innenumfangsfläche eines Hohlzylinders gestaltet ist.
Die Abtriebseinheit 3 enthält zusätzlich zu dem Kolben 17 eine sich in der Achsrichtung der Längsachse 4 erstreckende Kolbenstange 23, die an dem Kolben 17 angebracht ist, sodass der Kolben 17 und die Kolbenstange 23 unter gemeinsamer Ausführung der Hubbewegung 5 stets nur einheitlich linear relativ zum Zylindergehäuse 2 beweglich sind. Exemplarisch ist die Kolbenstange 23 mit dem Kolben 17 in nicht weiter illustrierter Weise verschraubt oder verschweißt oder verpresst.
Der Kolben 17 unterteilt die Zylinderkammer 6 in einen von der vorderen Abschlusswand 15 begrenzten vorderen Arbeitsraum 6a und einen von der hinteren Abschlusswand 16 begrenzten hinteren Arbeitsraum 6b. Die Kolbenstange 23 erstreckt sich ausgehend vom Kolben 17 in Richtung zur Vorderseite 13 des Zylindergehäuses 2, wobei sie den vorderen Arbeitsraum 6a und die vordere Abschlusswand 15 durchsetzt. Die Kolbenstange 23 ragt dabei im Bereich der Vorderseite 13 aus dem Zylindergehäuse 2 heraus und hat einen unabhängig von der Hubposition der Abtriebseinheit 3 stets außerhalb des Zylindergehäuses 2 befindlichen äußeren Kolbenstangenendabschnitt 24.
Die Kolbenstange 23 durchsetzt axial beweglich eine Wanddurchbrechung 25 der vorderen Abschlusswand 15, in der sie bezüglich der vorderen Abschlusswand 15 radial abgestützt und zweckmäßigerweise auch dynamisch abgedichtet ist. Hierzu befindet sich in der Wanddurchbrechung 25 zweckmäßigerweise eine die Kolbenstange 23 umschließende, in der Zeichnung nur schematisch angedeutete Führungs- und Abdichtungseinrichtung 26.
Der illustrierte Arbeitszylinder 1 ist von einer doppeltwirkenden Bauform. In jeden Arbeitsraum 6a, 6b mündet einer von zwei das Zylindergehäuse 2 durchsetzenden Antriebs-Fluidkanälen 27a, 27b, durch die hindurch das Antriebsfluid zuführbar und abführbar ist, um den Kolben 17 mit einer die Hubbewegung 5 verursachenden Druckkraft zu beaufschlagen. Jeder Antriebs-Fluidkanal 27a, 27b hat eine an einer Außenfläche 28 des Zylindergehäuses 2 ausmündende Anschlussöffnung 32, an der eine zu der schon angesprochenen Steuerventileinrichtung führende Fluidleitung anschließbar ist.
Die beiden Antriebs-Fluidkanäle 27a, 27b erstrecken sich zweckmäßigerweise ausschließlich in einer der beiden Anschlusswände 15, 16. Exemplarisch ist die vordere Abschlusswand 15 vom vorderen Antriebs-Fluidkanal 27a und die hintere Abschlusswand 16 vom hinteren Antriebs-Fluidkanal 27b durchsetzt. Zweckmäßigerweise erstrecken sich die Antriebs-Fluidkanäle 27a, 27b ausschließlich in den Abschlusswänden 15, 16 und nicht im Zylinderrohr 7. Mit einem derart kanallosen Zylinderrohr 7 lässt sich der Arbeitszylinder 1 besonders kostengünstig herstellen.
Abweichend von dem illustrierten Ausführungsbeispiel kann der Arbeitszylinder 1 auch in einer einfachwirkenden Bauart realisiert sein. In diesem Fall wird nur einer der beiden Antriebs-Fluidkanäle 27a, 27b für eine gesteuerte Fluidbeaufschlagung genutzt, während in dem mit dem ungenutzten Antriebs-Fluidkanal 27b, 27a kommunizierenden Arbeitsraum 6a oder 6b eine Rückstellfeder angeordnet ist.
Die Hubbewegung 5 lässt sich an dem äußeren Kolbenstangenendabschnitt 24 abgreifen, um ein beliebiges Objekt zu betätigen, beispielsweise ein Maschinenelement.
Der Kolben 17 verfügt zweckmäßigerweise über einen ein- oder mehrteiligen Kolbengrundkörper 67, an dem die beispielsweise aus Metall oder aus Kunststoff bestehende Kolbenstange 23 angebracht ist. Um den Kolbengrundkörper 67 herum erstreckt sich im Bereich der radialen Kolbenumfangsfläche 18 eine zylindrische Führungsfläche 68, mit der der Kolben 17 gleitverschieblich an der Kolbenlauffläche 22 anliegt. Die Führungsfläche 68 ist exemplarisch an einem Führungsring ausgebildet, der den Kolbengrundkörper 67 umschließt.
Der Kolbengrundkörper 67 trägt zweckmäßigerweise auch noch eine ringförmige Dichtungseinrichtung 72, die ebenfalls gleitverschieblich an der Kolbenlauffläche 22 anliegt, sodass unabhängig von der Hubposition des Kolbens 17 eine fluiddichte Abtrennung zwischen den beiden Arbeitsräumen 6a, 6b gewährleistet ist. Exemplarisch besteht die Dichtungseinrichtung 72 aus zwei Dichtungsringen, die axial beidseits der Führungsfläche 68 am radialen Außenumfang des Kolbengrundkörpers 67 fixiert sind.
Obgleich mindestens eine Abschlusswand 15, 16 durchaus auch einstückig mit dem Zylinderrohr 7 ausgebildet sein kann, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn beide Abschlusswände 15, 16 als bezüglich des Zylinderrohrs 7 gesonderte Zylindergehäusekomponenten ausgebildet sind. Jede gesonderte Abschlusswand 15, 16 bildet dabei einen Abschlussdeckel, der unter Abdichtung im Bereich der zugeordneten Vorderseite 13 beziehungsweise Rückseite 14 am Zylinderrohr 7 angebracht ist. Ein solcher mehrteiliger Aufbau liegt bei dem beispielhaften Zylindergehäuse 2 vor.
Exemplarisch sind die beiden als individuelle Abschlussdeckel ausgebildeten Abschlusswände 15, 16 stirnseitig an das Zylinderrohr 7 angesetzt und durch eine Klebeverbindung abgedichtet am jeweils zugeordneten axialen Endabschnitt des Zylinderrohrs 7 befestigt. Bevorzugt hat jede Abschlusswand 15, 16 eine konzentrisch abgestufte axiale Innenseite, sodass sich ein mittiger, außen zylindrisch geformter axialer Zentriervorsprung 34 ergibt, der von einer dem Zylinderrohr 7 zugewandten ringförmigen Montagefläche 35 umrahmt ist. Jede Abschlusswand 15, 16 taucht mit ihrem Zentriervorsprung 34 radial abgestützt in den zugeordneten axialen Endabschnitt 32, 33 des Zylinderrohrs 7 ein, während sich gleichzeitig die benachbarte Montagefläche 35 an der ihr zugewandten ringförmigen Stirnfläche 36 des Zylinderrohrs 7 abstützt. Der für die erwähnte Klebeverbindung verwendete Klebstoff ist insbesondere zwischen jeder Montagefläche 35 und der dieser gegenüberliegenden ringförmigen Stirnfläche 36 appliziert.
Bei einem nicht illustrierten Ausführungsbeispiel sind die beiden als Abschlussdeckel ausgebildeten Abschlusswände 15, 16 mittels sich entlang des Zylinderrohrs 7 erstreckender Zuganker axial mit dem Zylinderrohr 7 verspannt. In diesem Fall kann auf eine Klebeverbindung verzichtet werden. Zweckmäßigerweise ist in diesem Fall allerdings eine Dichtung zwischen jeder Abschlusswand 15, 16 und dem Zylinderrohr 7 angeordnet.
Eine Besonderheit des Arbeitszylinders 1 besteht darin, dass das Zylinderrohr 7 als ein Verbundkörper ausgebildet ist, der über eine rohrförmige Innenschicht 37 und einen diese rohrförmige Innenschicht 37 radial außen umschließenden rohrförmigen Stützmantel 38 verfügt. Der rohrförmige Stützmantel 38 hat eine der Längsachse 8 zugewandte Innenumfangsfläche 42, die mit der ihr zugewandten, bezüglich der Längsachse 8 nach radial außen weisenden Außenumfangsfläche 43 der rohrförmigen Innenschicht 37 in Kontakt steht und dadurch ringsum eine radiale Stützwirkung bezüglich der Innenschicht 37 entfaltet.
Während die Innenumfangsfläche 42 des Stützmantels 38 zweckmäßigerweise entsprechend der Innenumfangsfläche eines Hohlzylinders gestaltet ist, hat die Außenumfangsfläche 43 der Innenschicht 37 zweckmäßigerweise eine zylindrische Formgebung. In beiden Fällen ist der Querschnitt zweckmäßigerweise kreisförmig konturiert.
Zur Vereinfachung wird im Folgenden die Bezeichnung „rohrförmig“ bei der Benennung der Innenschicht 37 und des Stützmantels 38 teilweise auch weggelassen.
Die Innenschicht 37 und der Stützmantel 38 sind zweckmäßigerweise fest miteinander verbunden, sodass zumindest beim bestimmungsgemäßen Gebrauch des Arbeitszylinders 1 keine Relativbewegungen zwischen diesen beiden rohrförmigen Strukturen möglich sind.
Zweckmäßigerweise sind die Innenschicht 37 und der Stützmantel 38 in der Achsrichtung der Längsachse 8 mit gleicher Länge ausgebildet. Bevorzugt enden sie beide jeweils bündig an den beiden ringförmigen Stirnflächen 36.
Gemeinsam bilden die Innenschicht 37 und der Stützmantel 38 eine im Querschnitt betrachtet radial innen und radial außen runde und insbesondere kreisrunde Rohrwandung 44 des Zylinderrohrs 7, die in radialer Richtung doppelwandig ausgebildet ist, wobei die Innenschicht 37 eine Rohrinnenwand und der Stützmantel 38 eine Rohraußenwand bildet.
Die Innenschicht 37 besteht entweder aus einem diffusionsdichten Glasmaterial oder aus einem diffusionsdichten Keramikmaterial. Diese sehr harten Materialien erlauben einen äußerst verschleißarmen Betrieb des Arbeitszylinders 1 und gewährleistet eine reibungsarme und leichtgängige Hubbewegung 5 beim Hinweggleiten des Kolbens 17 mit seiner radialen Führungsfläche 68 über die Kolbenlauffläche 22. Aufgrund der diffusionsdichten Eigenschaften der Materialien bewirkt das Zylinderrohr 7 mittels der Innenschicht 37 einen leckagefreien Verschluss der Zylinderkammer 6 an ihrem radialen Außenumfang, und zwar selbst bei Auferlegung hoher Betriebsdrücke.
Zu Gunsten eines geringen Gewichts und eines geringen Materialverbrauches des sehr hochwertigen Glas- oder Keramikmaterials ist die in bezüglich der Längsachse 8 radialer Richtung gemessene Schichtdicke der Innenschicht 37 zweckmäßigerweise äußerst gering gewählt. Die Schichtdicke ist bevorzugt durchweg konstant.
Bei den illustrierten Ausführungsbeispielen liegt die Schichtdicke der Innenschicht 37 in einem Bereich zwischen 0,01 mm und 0,05 mm. Zweckmäßigerweise wird eine Schichtdicke von 0,1 mm an keiner Stelle überschritten. Nach unten hingegen sind im Prinzip keine funktionellen Grenzen gesetzt, sondern nur herstellungsbedingte Grenzen. So kann die Schichtdicke durchaus lediglich in einem Bereich von 0,001 mm liegen. Solche Schichtdicken lassen sich beispielsweise durch PVD („Physical Vapour Deposition“) oder CVD („Chemical Vapour Deposition“) mit hoher Zuverlässigkeit erzeugen.
Grundsätzlich liegt die bevorzugte Schichtdicke für die Innenschicht 37, die Bereichsgrenzen eingeschlossen, zwischen 0,001 mm und 0,1 mm und dabei zweckmäßigerweise in einem Dickenbereich zwischen 0,01 mm und 0,1 mm.
Da eine derart dünne Innenschicht 37 für sich allein betrachtet nicht in der Lage ist, den im Betrieb des fluidbetätigten Arbeitszylinders 1 in der Zylinderkammer 6 üblicherweise auftretenden Fluiddrücken standzuhalten - maximale Betriebsdrücke liegen oftmals bei mindestens 6 bar -, ist die Innenschicht 37 radial außen von dem schon erwähnten Stützmantel 38 umschlossen, der die rohrförmige Innenschicht 37 ringsum radial abstützt und unter Verhinderung einer radialen Verformung in ihrer hohlzylindrischen Gebrauchsgestalt stabilisiert. Dadurch verfügt auch die Kolbenlauffläche 22 über eine sehr hohe Gestalttreue.
Eine Besonderheit des Stützmantels 38 besteht darin, dass er einen kostengünstigen, leichtgewichtigen und dennoch äußerst stabilen Aufbau hat, das Ganze kombiniert mit einer vollständigen Recycelbarkeit zum Ende der Nutzungsdauer. Das Zylinderrohr 7 ist ressourcenschonend insbesondere aus nachwachsenden Rohstoffen gefertigt. Ganz generell betrachtet hat der Stützmantel 38 in Abkehr von auf diesem Gebiet üblichen Metall- und Kunststoffkonzepten einen cellulosehaltigen und/oder ligninhaltigen Materialaufbau.
Unter Berücksichtigung dieser Materialeigenschaften weist der Stützmantel 38 bei allen illustrierten Ausführungsbeispielen einen aus Naturfasern bestehenden Faserverbund auf oder besteht aus einem solchen Faserverbund.
Ein besonders vorteilhafter Aufbau ist beim Zylinderrohr 7 des in den 1 und 2 illustrierten Arbeitszylinders 1 realisiert. Hier besteht der Stützmantel 38 in seiner Gesamtheit aus Papier oder Karton oder Pappe. Welche dieser drei Materialkategorien vorliegt, kann bei der Herstellung des Arbeitszylinders 1 unter Berücksichtigung der betrieblichen Anforderungen gewählt werden. Die Unterscheidung basiert hauptsächlich auf dem Flächengewicht (Gramm pro Quadratmeter), wobei das Flächengewicht von Papier unter dem von Karton und Pappe liegt. Meist wird bei einem Flächengewicht bis zu etwa 150 g/m² von Papier gesprochen und bei darüber liegenden Flächengewichten von Karton. Von Pappe spricht man meist ab einem spezifischen Gewicht von 300 g/m².
Bevorzugt ist der Stützmantel 38 einheitlich aus Papier oder Pappe oder Karton hergestellt, jedoch kann er auch Bereiche derart unterschiedlicher Flächengewichte aufweisen, dass der Faserverbund eine beliebige Kombination aus den drei genannten Materialkategorien oder auch nur zwei dieser Materialkategorien aufweisen kann. Auf diese Weise können beispielsweise bei über die gesamte Rohrlänge konstanter Wanddicke des Stützmantels 38 Bereiche unterschiedlicher Stabilität und radialer Abstützwirkung geschaffen werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 besteht der Stützmantel 38 auf einer Cellulosebasis. Im Unterschied dazu ist der Stützmantel 38 bei dem Ausführungsbeispiel der 3 ligninbasiert und der Stützmantel 38 des in 4 illustrierten Ausführungsbeispiels enthält eine Kombination aus sowohl Cellulose als auch Lignin.
Zur Gewinnung der für die Herstellung des Stützmantels 38 verwendeten Cellulose-Moleküle und/oder Lignin-Moleküle wird auf geeignete Pflanzen zurückgegriffen. Bevorzugt wird Holz als Ausgangsmaterial verwendet, wenngleich beispielsweise auch Gras oder Hanf oder Sisal als Basismaterial herangezogen werden kann.
Als ebenfalls vorteilhaft wird eine Ausführungsform angesehen, bei der der Stützmantel 38 aus einem Holzfaserverbundmaterial besteht. Dabei können Holzfasern geeigneter Größe miteinander vermengt und unter Verwendung eines insbesondere pflanzlichen oder sonstigen recycelbaren Klebstoffes zu einem äußerst stabilen Faserverbund gepresst werden.
Bei den Ausführungsbeispielen der 1, 2 und 4 besteht die rohrförmige Innenschicht 37 aus einem Glasmaterial. Bei dem Glasmaterial handelt es sich vorzugsweise um ein Silikatglas. Das hauptsächlich aus Siliziumdioxid bestehende Silikatglas kann mit besonderer Härte und dementsprechend hoher Verschleißfestigkeit hergestellt werden. Silikatglas wird bei der Realisierung des Arbeitszylinders 1 einem prinzipiell ebenfalls verwendbaren organischen Glas wie zum Beispiel Acrylglas vorgezogen.
Das Glasmaterial der Innenschicht 37 ist zweckmäßigerweise insgesamt ein Silikatglas, kann allerdings beispielsweise auch ein Glasmaterialverbund mit Silikatglas als Hauptbestandteil sein.
Bei dem Arbeitszylinder 1 gemäß 3 besteht die rohrförmige Innenschicht 37 aus einem Keramikmaterial. Bei dem Keramikmaterial handelt es sich vorzugsweise um Siliziumkarbid. Bevorzugt handelt es sich um eine technische Keramik wie beispielsweise ein gesintertes Siliziumkarbid (SSiC) oder um ein reaktionsgebundenes Siliziumkarbid (SiSiC).
Andere Keramiken können zur Realisierung der Innenschicht 37 ebenfalls verwendet werden, beispielsweise Aluminiumoxid oder Zirkonoxid.
Bei der Herstellung des doppelwandigen Zylinderrohrs 7 können die für die Innenschicht 37 und den Stützmantel 38 jeweils erwähnten Materialien beliebig miteinander kombiniert werden. Der Stützmantel 38 kann unabhängig von seinem Materialaufbau mit einer Innenschicht 37 aus Glasmaterial oder aus Keramikmaterial kombiniert sein. Ebenso kann die Innenschicht 37 unabhängig von ihrem Materialaufbau mit einem Stützmantel 38 kombiniert sein, der sich einer oder mehreren beliebigen der weiter oben beschriebenen Stützmantelmaterialien zusammensetzt.
So besteht exemplarisch beispielsweise die Möglichkeit, bei dem Arbeitszylinder 1 der 1, 2 und 4 die Innenschicht 37 anstatt aus einem diffusionsdichten Glasmaterial aus einem diffusionsdichten Keramikmaterial zu realisieren, und bei dem Arbeitszylinder 1 der 3 besteht die Möglichkeit, die dort aus einem Keramikmaterial bestehende Innenschicht 37 aus einem Glasmaterial herzustellen.
Insbesondere wenn eine von außerhalb des Arbeitszylinders 1 her sichtbare besondere Farbgebung des Arbeitszylinders 1 gewünscht ist, kann der Stützmantel 38 ganz oder teilweise aus einem gebeizten und/oder aus einem gebleichten Material bestehen. Exemplarisch ist dies bei dem Stützmantel 38 gemäß 3 der Fall, wobei die Beizung und/oder Bleichung 39 in der Zeichnung durch eine Punktierung angedeutet ist.
Insbesondere wenn erhöhte Anforderungen an eine Medienverträglichkeit des Zylindergehäuses 2 bezüglich externer Medien bestehen, beispielsweise bei einer Verwendung des Arbeitszylinders 1 in verschmutzungsanfälligen und/oder feuchten Bereichen, ist es vorteilhaft, wenn zumindest das Zylinderrohr 7 im Bereich seines Außenumfanges über einen geeigneten Schutz verfügt. Diesbezüglich ist in den 1 und 2 gestrichelt eine vorteilhafte Ausgestaltung angedeutet, bei der der Stützmantel radial außen ringsum von einer diffusionsdichten Hüllschicht 45 umschlossen ist. Bei der Hüllschicht 45 handelt es sich beispielsweise um eine aufgeschrumpfte Schutzfolie. Bei Bedarf kann sich die Hüllschicht 45 zusätzlich auch außen über die beiden Abschlusswände 15, 16 hinweg erstrecken, insbesondere wenn selbige einen vergleichbaren Verbundaufbau haben wie das Zylinderrohr 7.
Alternativ kann ein Schutz vor Umgebungseinflüssen auch durch eine nach der Herstellung erfolgte Imprägnierung des Stützmantels 38 erhalten werden. Exemplarisch ist dies bei dem Ausführungsbeispiel der 4 der Fall, wobei die Imprägnierung 40 durch eine Strichelung angedeutet ist. Wenn der Stützmantel 38 aus einem Faserverbund beziehungsweise aus Papier und/oder Karton und/oder Pappe besteht, ist er für eine Imprägnierbehandlung besonders gut geeignet, da das Imprägnierungsmittel sehr gut in das Stützmantelmaterial eindringt und selbiges gut durchtränken kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die rohrförmige Innenschicht 37 ein Rohrkörper, der bei der Herstellung des Arbeitszylinders unabhängig von dem Stützmantel 38 gefertigt wurde. Exemplarisch trifft dies auf das Ausführungsbeispiel der 1 und 2 zu. Die 5 zeigt in diesem Zusammenhang Momentaufnahmen bei der Ausführung eines Verfahrens zur Herstellung des fluidbetätigten Arbeitszylinders 1.
In der linken Bildhälfte der 5 ist illustriert, wie die Innenschicht 37 durch peripheres Auftragen eines Innenschicht-Ausgangsmaterial 46a oder 46b auf einen zuvor bereitgestellten dornförmigen Formkern 47 erzeugt wird. Bei einem möglichen Verfahrensablauf wird das Innenschicht-Ausgangsmaterial 46a formfrei auf den unumhüllten Formkern 47 in einem Sprühverfahren aufgespritzt. Beispielsweise wird fließfähiges Siliziumkarbid aufgesprüht und anschließend zur Verfestigung gebrannt. Zum Brennen wird der mit dem Innenschicht-Ausgangsmaterial 46a beschichtete Formkern 47 zweckmäßigerweise in einen nicht weiter illustrierten Brennofen gegeben.
Bei einem alternativen Herstellungsverfahren wird der in einem in 5 gestrichelt angedeuteten Formwerkzeug 48 platzierte Formkern 47 mit einem fließfähigen Innenschicht-Ausgangsmaterial 46b umhüllt, wobei das Innenschicht-Ausgangsmaterial 46b anschließend, wenn es sich um ein Keramikmaterial handelt, unmittelbar in dem Formwerkzeug 48 gesintert wird.
Nach der eigenständigen Fertigung liegt die rohrförmige Innenschicht 37 zweckmäßigerweise gemäß der rechten Bildhälfte der 5 als ein unabhängig von dem noch nicht applizierten Stützmantel 38 eigenstabiler Rohrkörper 37a vor. Dieser wird anschließend in weiter unten beschriebener Weise mit dem Stützmantel 38 oder dem Stützmantelmaterial kombiniert, um das Zylinderrohr 7 als Verbundkörper zu erhalten.
Eine aus Glasmaterial bestehende rohrförmige Innenschicht 37 kann mittels in Röhrenform gefertigtem Rohrglas realisiert sein. Das Rohrglas wird zweckmäßigerweise bei seiner Herstellung rohrförmig aus einer Glasschmelze gezogen und auf das gewünschte Maß des Zylinderrohrs 7 abgelängt, sodass wiederum der in der rechten Bildhälfte der 5 illustrierte eigenstabile Rohrkörper 37a vorliegt.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung der rohrförmigen Innenschicht 37 besteht in der entsprechenden Biegeumformung einer flexiblen Glasfolie. Diese Glasfolie wird zweckmäßigerweise nach dem Rundbiegen im Bereich der dann einander zugewandten Folienendbereiche stoffschlüssig verbunden, beispielsweise durch Verkleben oder Verschweißen.
Zur Endfertigung des Zylinderrohrs 7 kann der rohrförmige Stützmantel 38 gemäß 6 mit der als eigenstabiler Rohrkörper 37a vorgefertigten Innenschicht 37 kombiniert werden. Die 6 zeigt hierzu einen Verfahrensschritt, bei dem der rohrförmige Stützmantel 38 bei seiner Urformung durch ein Spritzverfahren auf den Außenumfang der vorgefertigten Innenschicht 37 aufgebracht wird. Der auf diese Weise hergestellte rohrförmige Stützmantel 38 kann somit als ein Spritzformkörper bezeichnet werden.
In 6 ist ein Herstellungsverfahren illustriert, das nach Art eines Spritzgießverfahrens abläuft. Die insbesondere gemäß den obigen Erläuterungen vorgefertigte rohrförmige Innenschicht 37 wird hier als Einlegeteil in einem strichpunktiert angedeuteten Gießformwerkzeug 52 platziert, sodass radial außen rings um die Innenschicht 37 herum ein hülsenförmiger Formgebungshohlraum 53 in dem Gießformwerkzeug 52 verbleibt, in den mit einem ausreichenden Überdruck das noch unverfestigte, fließfähige Stützmantelmaterial 54 eingespritzt wird. Nach der Verfestigung des eingespritzten Stützmantelmaterials 54 liegt zweckmäßigerweise eine Haftverbindung zwischen dem Material des Stützmantels 38 und der Innenschicht 37 vor, sodass sich ein bei den weiteren Fertigungsschritten sehr einfach handhabbares Zylinderrohr 7 ergibt.
Bei einem alternativen Herstellungsverfahren, das in 7 illustriert ist, wird zur Fertigung des Zylinderrohrs 7 der rohrförmige Stützmantel 38 unabhängig von der Innenschicht 37 gefertigt und erst anschließend mit der Innenschicht 37 kombiniert.
Der rohrförmige Stützmantel 38 wird dazu beispielsweise analog zu der anhand der 5 im Zusammenhang mit der fertigung der Innenschicht 37 geschilderten Verfahrensweise als Spritzgusskörper hergestellt. Alternativ kommt beispielsweise auch eine Herstellung durch Extrudieren als Extrusionskörper in Frage. Eine weitere Herstellungsmöglichkeit für den rohrförmigen Stützmantel 38 besteht darin, bei einem aus Papier oder Karton oder Pappe zu fertigenden Stützmantel 38 die noch forminstabile, als Fasersuspension vorliegende Rohmasse um einen Formkern 47 herum zu applizieren und anschließend zu verdichten und zu trocknen.
Auf diese Weise wird der rohrförmige Stützmantel 38 insbesondere als ein unabhängig von der Innenschicht 37 eigenstabiler Rohrkörper 38a erzeugt.
In einem darauffolgenden Verfahrensschritt wird auf die Innenumfangsfläche 42 des Rohrkörpers 38a des vorgefertigten Stützmantels 38 gemäß 7 ein Innenschicht-Ausgangsmaterial 46c aufgebracht, das nach seiner Verfestigung die Innenschicht 37 bildet. Dies geschieht gemäß der Pfeildarstellung in 7 vorzugsweise durch ein geeignetes Materialauftragsverfahren, sodass die fertiggestellte Innenschicht 37 eine Auftragsschicht ist.
Die Schichtbildung der Innenschicht 37 erfolgt beispielsweise durch Sputtern, durch Vakuumabscheidung oder durch Rotationsbeschichtung bzw. „spin coating“. Mittels der schon erwähnten Verfahren des PVD oder CVD lässt sich mit hoher Prozesssicherheit eine besonders dünne Innenschicht 37 auf der Innenumfangsfläche 42 des vorgefertigten Stützmantels 38 abscheiden.
In der 8 ist eine weitere Ausführungsform eines für die Herstellung des Arbeitszylinders 1 geeigneten Herstellungsverfahrens illustriert, wobei wiederum nur der Vorgang der Herstellung des Zylinderrohrs 7 abgebildet ist. Bei diesem Verfahren werden der rohrförmige Stützmantel 38 und die rohrförmige Innenschicht 37 auf eine der weiter oben schon geschilderten Arten unabhängig voneinander als eigenstabile Rohrkörper 37a, 38a hergestellt, worauf diese beiden Rohrkörper 37a, 38a gemäß Pfeil 55 durch koaxiales Ineinanderstecken zusammengefügt werden. Vor dem Ineinanderstecken hat der Stützmantel 38 zweckmäßigerweise einen Innendurchmesser, der geringfügig kleiner ist als der Außendurchmesser der Innenschicht 37, sodass die beiden ineinander eingesteckten Rohrkörper 37a, 38a bezüglich der Längsachse 8 diametral miteinander verpresst sind und auch ohne zusätzliche Haftschicht zuverlässig miteinander verbunden sind.
Zusätzlich oder alternativ kann in dem hohlzylindrischen Fügebereich 56 zwischen den beiden Rohrkörpern 37a, 38a eine Klebeschicht 57 angeordnet sein, durch die eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Stützmantel 38 und der Innenschicht 37 bewirkt wird, sodass eine besonders hohe Festigkeit der Fügeverbindung vorliegt.
Bei einem ebenfalls vorteilhaften, in der 9 illustrierten Herstellungsverfahren werden die rohrförmige Innenschicht 37 und der rohrförmige Stützmantel 38 wiederum unabhängig voneinander gefertigt, jedoch unmittelbar bei ihrer Fertigung durch Koextrusion zu einem das Zylinderrohr 7 ausbildenden Koextrusionskörper 58 vereinigt. Bei 62 ist schematisch ein Endabschnitt eines hierfür geeigneten Extrudierwerkzeuges angedeutet, das über zwei zueinander koaxiale, ringförmige Extrudierdüsen 63 verfügt, durch die das noch fließfähige Ausgangsmaterial der Innenschicht 37 und des Stützmantels 38 bei der Koextrusion hindurchgepresst wird.
Die vorstehend anhand der 5 bis 9 konkret geschilderten Verfahrensabläufe können bei einem Verfahren zur Herstellung des Arbeitszylinders 1 zur Anwendung kommen, das in den 10 und 11 mit dem Fokus auf die Zylinderrohrherstellung in unterschiedlichen Ausprägungen schematisch illustriert ist.
Zum einen wird in einem Innenschicht-Herstellungsschritt 74 die rohrförmige Innenschicht 37 aus einem diffusionsdichten Glasmaterial oder diffusionsdichten Keramikmaterial hergestellt. Zum anderen wird in einem Stützmantel-Herstellungsschritt 75 der rohrförmige Stützmantel 38 aus einem cellulosehaltigen und/oder ligninhaltigen Material hergestellt. Ein das Zylinderrohr 7 repräsentierender Verbundkörper wird entweder durch einen ersten Herstellungsablauf 76 oder durch einen zweiten Herstellungsablauf 77 erzeugt. Bei dem ersten Herstellungsablauf 76 wird das Zylinderrohr 7 durch jeweils gesonderte, voneinander unabhängige Herstellung und anschließende Vereinigung der rohrförmigen Innenschicht 37 und des rohrförmigen Stützmantels 38 erzeugt. Bei dem alternativen zweiten Herstellungsablauf 77 wird zunächst lediglich entweder die rohrförmigen Innenschicht 37 oder der rohrförmigen Stützmantel 38 gesondert hergestellt, worauf anschließend an die gesondert hergestellte Komponente 37 oder 38 die jeweils anderen Komponente, also der Stützmantel 38 oder die Innenschicht 37, bei ihrer Urformung angeformt wird. In einem abschließenden Fertigstellungsvorgang 78 erfolgt jeweils die Vereinigung des hergestellten Zylinderrohres 7 mit den übrigen Arbeitszylinder-Bestandteilen zur Fertigstellung des Arbeitszylinders 1.
Es ist vorteilhaft, wenn mindestens eine und bevorzugt jede der beiden Abschlusswände 15, 16 ebenfalls als Verbundkörper nach den gleichen Grundprinzipien wie das Zylinderrohr 7 aufgebaut sind. Bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel trifft dies zu.
Exemplarisch hat jede Abschlusswand 15, 16 eine der Zylinderkammer 6 zugewandte diffusionsdichte Wandinnenschicht 64 und eine diesbezüglich dickere, als Stützschicht für die Wandinnenschicht 64 fungierende Wandaußenschicht 65, die an der von der Zylinderkammer 6 axial abgewandten Außenfläche 66 der Wandinnenschicht 64 angeordnet ist.
Die Wandinnenschicht 64 mindestens einer Abschlusswand 15, 16 besteht vergleichbar der rohrförmigen Innenschicht 37 des Zylinderrohrs 7 aus einem diffusionsdichten Glasmaterial oder diffusionsdichten Keramikmaterial, während die Wandaußenschicht 65 entsprechend der Ausgestaltung des Stützmantels 38 des Zylinderrohrs 7 einen cellulosehaltigen und/oder ligninhaltigen Materialaufbau hat.
Auf diese Weise resultieren außer dem Zylinderrohr 7 auch die beiden Abschlusswände 15, 16 aus einer nachhaltigen Produktion und ermöglichen nach Ende der Nutzungsdauer ein problemloses Recycling zur Wiederverwertung bei der Herstellung eines neuen Arbeitszylinders 1 oder eines anderen Produktes.
Abweichend von dem illustrierten Ausführungsbeispiel können die Abschlusswände 15, 16 auch einen konventionellen Aufbau haben, beispielsweise insgesamt aus Metall wie zum Beispiel Aluminium oder Edelstahl bestehen oder aus einem Kunststoff gefertigt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2013153079 A1 [0002]
DE 19614505 C1 [0003]
EP 0234531 A2 [0004]
US 3286737 [0005]

Claims

Fluidbetätigter Arbeitszylinder, insbesondere Pneumatikzylinder, - mit einem Zylindergehäuse (2) und einem in einer von dem Zylindergehäuse (2) umschlossenen Zylinderkammer (6) durch Fluidbeaufschlagung verschiebbar angeordneten Kolben (17), - wobei das Zylindergehäuse (2) ein Zylinderrohr (7) aufweist, dessen Innenumfangsfläche (12) eine Kolbenlauffläche (22) bildet, an der der Kolben (17) gleitverschieblich anliegt, - wobei das Zylinderrohr (7) als ein Verbundkörper mit einer die Kolbenlauffläche (22) bildenden rohrförmigen Innenschicht (37) und einem die rohrförmige Innenschicht (37) mit radialer Stützwirkung umschließenden rohrförmigen Stützmantel (38) ausgebildet ist, - wobei die Innenschicht (37) aus einem diffusionsdichten Glasmaterial oder diffusionsdichten Keramikmaterial besteht, - und wobei der Stützmantel (38) einen cellulosehaltigen und/oder ligninhaltigen Materialaufbau hat.
Arbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Innenschicht in einem Dickenbereich von 0,001 mm bis 0,1 mm liegt und dabei zweckmäßigerweise in einem Dickenbereich von 0,01 mm bis 0,1 mm liegt, jeweils einschließlich der Bereichsgrenzen.
Arbeitszylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützmantel (38) einen aus Naturfasern bestehenden Faserverbund aufweist.
Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützmantel (38) zumindest teilweise und zweckmäßigerweise in seiner Gesamtheit aus Papier und/oder Karton und/oder Pappe besteht.
Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützmantel (38) einen grasbasierten und/oder hanfbasierten und/oder sisalbasierten Aufbau hat.
Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützmantel (38) aus einem Holzfaserverbundmaterial besteht.
Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützmantel (38) zumindest teilweise aus einem gebeizten und/oder gebleichten Material besteht.
Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasmaterial der Innenschicht (37) ein Silikatglas ist oder zumindest beinhaltet.
Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial der Innenschicht (37) Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid oder Zirkonoxid ist oder zumindest beinhaltet.
Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmige Innenschicht (37) ein unabhängig von dem Stützmantel (38) gefertigter Rohrkörper (37a) ist.
Arbeitszylinder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschicht (37) durch peripheres Auftragen eines Innenschicht-Ausgangsmaterials (46a, 46b) auf einen dornförmigen Formkern (47) erzeugt ist, beispielsweise durch formfreies Aufspritzen oder durch Umhüllen in einem Formwerkzeug (48).
Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschicht (37) ein unabhängig von dem Stützmantel (38) eigenstabiler Rohrkörper (37a) ist.
Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der aus Glasmaterial bestehenden Innenschicht (37) um in Röhrenform gefertigtes Rohrglas handelt, das insbesondere aus der Schmelze rohrförmig gezogen und auf das gewünschte Maß abgelängt ist.
Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der aus Glasmaterial bestehenden rohrförmigen Innenschicht (37) um einen aus einer flexiblen Glasfolie geformten Rohrkörper (37a) handelt.
Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Stützmantel (38) aus einem auf die Außenumfangsfläche (43) der vorgefertigten rohrförmigen Innenschicht (37) aufgetragenen und erst nach dem Auftragen verfestigten Stützmantelmaterial (54) besteht.
Arbeitszylinder nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Stützmantel (38) ein durch ein Spritzverfahren außen auf die rohrförmige Innenschicht (37) aufgebrachter Spritzformkörper ist.
Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Stützmantel (38) ein unabhängig von der Innenschicht (37) gefertigter Rohrkörper (38a) ist.
Arbeitszylinder nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Stützmantel (38) ein Extrusionskörper oder ein Spritzgusskörper ist.
Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Stützmantel (38) ein unabhängig von der Innenschicht (37) eigenstabiler Rohrkörper (38a) ist.
Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschicht (37) eine durch ein Materialauftragsverfahren auf die Innenumfangsfläche (42) des vorgefertigten rohrförmigen Stützmantels (38) aufgebrachte Auftragsschicht ist, beispielsweise eine Sputterschicht oder eine Vakuumabscheideschicht oder eine Rotationsbeschichtungsschicht.
Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 17 bis 19 in Verbindung mit einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Stützmantel (37) und die rohrförmige Innenschicht (37) koaxial ineinander eingesteckt sind.
Arbeitszylinder nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden ineinander eingesteckten Rohrkörper (37a, 38a) in ihrem hohlzylindrischen Fügebereich (68) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, beispielsweise durch eine Klebeverbindung.
Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 17 bis 19 in Verbindung mit einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Stützmantel (38) und die rohrförmige Innenschicht (37) einen durch Koextrusion hergestellten Koextrusionskörper bilden.
Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützmantel (38) radial außen ringsum von einer zweckmäßigerweise diffusionsdicht ausgebildeten Hüllschicht (45) umschlossen ist oder dass der Stützmantel (38) imprägniert ist.
Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylindergehäuse (2) zwei jeweils im Bereich einer der beiden axialen Stirnseiten (13, 14) des Zylinderrohres (7) angeordnete Abschlusswände (15, 16) aufweist, die an dem Zylinderrohr (7) befestigt sind und die Zylinderkammer (6) stirnseitig begrenzen, wobei zweckmäßigerweise mindestens eine und insbesondere jede Abschlusswand (15, 16) von einem die Zufuhr und Abfuhr eines fluidischen Druckmediums für den Antrieb des Kolbens (17) ermöglichenden Antriebs-Fluidkanal (27a, 27b) durchsetzt ist.
Arbeitszylinder nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass jede Abschlusswand (15, 16) eine der Zylinderkammer (6) zugewandte diffusionsdichte Wandinnenschicht (64) und eine diesbezüglich dickere, als Stützschicht für die Wandinnenschicht (64) fungierende Wandaußenschicht (65) hat, wobei die Wandinnenschicht (64) aus einem diffusionsdichten Glasmaterial oder diffusionsdichten Keramikmaterial besteht und wobei die Wandaußenschicht (65) einen cellulosehaltigen und/oder ligninhaltigen Materialaufbau hat.
Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kolben (17) eine das Zylindergehäuse (2) durchsetzende und axial aus dem Zylindergehäuse (2) herausragende Kolbenstange (23) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines fluidbetätigten Arbeitszylinders nach einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei das Zylinderrohr (7) mittels folgender Verfahrensschritte erzeugt wird: - Herstellen der rohrförmigen Innenschicht (37) aus einem diffusionsdichten Glasmaterial oder diffusionsdichten Keramikmaterial, - Herstellen des rohrförmigen Stützmantels (38) aus einem cellulosehaltigen und/oder ligninhaltigen Material, und - Erzeugung des das Zylinderrohr (7) bildenden Verbundkörpers durch (a) entweder jeweils gesonderte, voneinander unabhängige Herstellung und anschließende Vereinigung der rohrförmigen Innenschicht (37) und des rohrförmigen Stützmantels (38) oder durch (b) gesonderte Herstellung der rohrförmigen Innenschicht (37) oder des rohrförmigen Stützmantels (38) und anschließendes daran Anformen der jeweils anderen dieser beiden Komponenten (38, 37) bei ihrer Urformung.