DE102022000892A1

DE102022000892A1 - Structural design and manufacturing process of pneumatic ring or bellows actuators

Info

Publication number: DE102022000892A1
Application number: DE102022000892.0A
Authority: DE
Inventors: Dieter Mankau; Christian Ebert; Mirko Zobel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-02-10
Filing date: 2022-02-10
Publication date: 2023-08-10

Abstract

Pneumatische Faltenbalg Aktuatoren, insbesondere Ringaktuatoren, die eine räumliche und für ihre lineare Bewegungsrichtung hohe körpereigene Stabilität besitzen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem additiven Ferigungsprozess oder einem 3D-Druckverfahren für thermoplastische Kunststoffe oder Silikone in einem kontinuierlich durchlaufenden Druckprozess weiche, nachgiebige Bereiche (1,27) gemeinsam mit härteren Strukturelementen (2, 2.1,3,18,19,25,26,28,33), diese vorteilhaft zur Verwendung mit höheren Drücken, in Differentialbauweise mit formschlüssig ausgeformten Verbindungen zwischen dem weichen Material (1,18) und den härteren Strukturelementen (2,2.1,3,18,19,25,26,28,33) hergestellt werden.Pneumatic bellows actuators, in particular ring actuators, which have a spatial and high endogenous stability for their linear direction of movement, characterized in that in an additive manufacturing process or a 3D printing process for thermoplastics or silicones in a continuously running printing process, soft, flexible areas (1, 27) together with harder structural elements (2, 2.1,3,18,19,25,26,28,33), these advantageous for use with higher pressures, in differential construction with positively shaped connections between the soft material (1,18) and the harder structural elements (2,2,1,3,18,19,25,26,28,33) are produced.

Description

Es ist bekannt, dass Faltenbälge in unterschiedlicher Bauform vorwiegend als Staubschutz-Manschetten bei Maschinen, Fahrzeugen und anderen technischen Geräten eingesetzt werden.It is known that bellows of various designs are mainly used as dust protection sleeves on machines, vehicles and other technical devices.

Die Erfindung bezieht sich auf einen pneumatischen Linearantrieb mit Gewindetrieb mit mindestens einem Ring - oder Faltenbalgaktuator, der aus thermoplastischem oder elastomerem Material besteht und aus nachgiebigen, weichen und zugfesten, härteren Bereichen, die in einem 3D Druckvorgang gebildet werden, besteht. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, leistungsstarke pneumatische Ring - oder Faltenbalgaktuatoren zur Verfügung zu stellen, die vorzugsweise mit technisch unterschiedlichen Gewindetrieben kombiniert werden und vorwiegend in leichte Robotersysteme eingesetzt werden. Aufgabe der Erfindung ist, Aktuatoren genannter Bauart zur Verfügung zu stellen, die bei einer Druckbeaufschlagung nur in Richtung der linearen, mittelachsbezogenen Bewegungsrichtung die Faltenform bzw. Auffaltung verändern und ein aufblähen der Aktuatoren in Querrichtung zur Mittelachse minimiert wird. Bekannt ist, dass eine räumliche Stabilität eines unter Druck stehenden Faltenbalges dann gegeben ist, wenn er aus gewebeverstärktem thermoplastischen oder elastomeren Material mit dicker Wandstärke und hoher Shore - Härte besteht.The invention relates to a screw-drive pneumatic linear actuator having at least one ring or bellows actuator made of thermoplastic or elastomeric material and composed of resilient, soft and tensile harder areas formed in a 3D printing process. The object of the invention is to provide powerful pneumatic ring or bellows actuators which are preferably combined with technically different screw drives and are used primarily in light robot systems. The object of the invention is to provide actuators of the type mentioned which, when pressure is applied, change the fold shape or unfolding only in the direction of the linear, central axis-related direction of movement and bloating of the actuators in the transverse direction to the central axis is minimized. It is known that a pressurized bellows is spatially stable when it is made of fabric-reinforced thermoplastic or elastomeric material with a thick wall and high Shore hardness.

Nachteil dieser konstruktiven Auslegung ist, dass der Faltenbalg seine Leistung nur mit hohen Drücken abrufen kann und durch seine fehlende Flexibilität der Lineare Bewegungsraum stark eingeschränkt wird und die Baugröße des Aktuators insgesamt größer ausgelegt werden muss. Aufgabe der Erfindung ist es, Faltenbalg- und Faltenbalgringaktuatoren zur Verfügung zu stellen, die durch neue additive Produktionsverfahren, insbesondere durch den 3D-Druck diese heute bekannten Nachteile vermeiden.The disadvantage of this structural design is that the bellows can only call up its performance at high pressures and its lack of flexibility means that the linear movement space is severely restricted and the overall size of the actuator must be designed to be larger. The object of the invention is to provide bellows and bellows ring actuators that avoid these disadvantages that are known today by means of new additive production processes, in particular by means of 3D printing.

Bekannt ist, dass mit Kunststoff Spritzgussverfahren weiche und harte Strukturen in einem Arbeitsgang realisiert werden können. Auch bei Elastomeren, speziell bei Gummiteilen können feste Bauteile in das Material eingebracht werden. Der Nachteil dieser Verfahren ist, dass in einem Arbeitsgang keine geschlossenen Hohlkörper hergestellt werden können und jeweils aufwendige Spritzguss Werkzeuge und Formen für unterschiedliche Aktuator- Ausführungen benötigt werden. Diese Verfahren eignen sich wirtschaftlich nur bei hohen Stückzahlen von genormten Bauteilen. Mit neuen generativen Fertigungstechnologien insbesondere mit dem 3D -Druckverfahren können formstabile, leichte und differenziert ausgeformte Falten- und Ringaktuatoren hergestellt werden. Pneumatische Faltenbalgaktuatoren müssen auch bei einer hohen Druckbeaufschlagung ihre Formstabilität behalten und gleichzeitig aber eine Bewegungsrichtung zulassen. Um diese Funktionen erfindungsgemäß einzulösen, werden differenziert ausgebildete harte Strukturelemente, die in den unterschiedlichen Bereichszonen der Ring - oder Faltenbalgaktuatoren in das weiche, flexible Material eingebracht sind, vorgeschlagen.It is known that soft and hard structures can be realized in one operation with plastic injection molding processes. Solid components can also be incorporated into the material of elastomers, especially rubber parts. The disadvantage of this method is that it is not possible to produce a closed hollow body in one operation, and complex injection molding tools and molds are required for different actuator designs. These methods are only economically suitable for large quantities of standardized components. With new generative manufacturing technologies, in particular with the 3D printing process, dimensionally stable, light and differently shaped fold and ring actuators can be manufactured. Pneumatic bellows actuators must retain their dimensional stability even under high pressure and at the same time allow a direction of movement. In order to achieve these functions according to the invention, differentiated hard structural elements are proposed, which are introduced into the soft, flexible material in the different zones of the ring or bellows actuators.

Zwei unterschiedliche 3D-Druckverfahren können mit dem heutigen Stand der Technik für die Produktion von pneumatischen Ring- und Faltenbalgaktuatoren eingesetzt werden. In einem 3D-Druckverfahren können bereichsweise unterschiedliche Materialien mit unterschiedlicher Shore-Härte in einem Druckvorgang gedruckt werden.Two different 3D printing processes can be used with the current state of the art for the production of pneumatic ring and bellows actuators. In a 3D printing process, different materials with different Shore hardnesses can be printed in one printing process.

Mit diesen Druckverfahren können in einem Druckvorgang in Differenzialbauweise Ring- und Faltenbalgaktuatoren aus weichem, flexiblem Material und in das weiche Material integrierten härteren Strukturelementen aus einem anderen Material hergestellt werden. Vorzugsweise ist hier der Silikondruck, in Verbindung mit harten thermoplastischen Materialien zu sehen.With this printing process, ring and bellows actuators made of soft, flexible material and harder structural elements integrated into the soft material made of a different material can be produced in a differential construction in one printing process. Silicone printing is preferred here in connection with hard thermoplastic materials.

Mit einem anderen 3D-Druckverfahren können mit einem thermoplastischen oder elastomeren Kunststoffmaterial unterschiedliche Shore-Härten mit unterschiedlicher Flexibilität in einem Druckvorgang gedruckt werden.With another 3D printing process, different shore hardnesses with different flexibility can be printed in one printing process with a thermoplastic or elastomeric plastic material.

Der Vorteil dieser 3D-Drucktechnik ist, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem weichen und dem härteren Material besteht.The advantage of this 3D printing technique is that there is a material connection between the soft and the harder material.

Bei einer Differenzialbauweise können mit dem 3D-Druck unterschiedliche Materialien mit unterschiedlicher Shore-Härte gemeinsam in einem Arbeitsgang gedruckt werden. Dieses Druckverfahren, das unterschiedliche Kunststoffmaterialien verdruckt hat den Nachteil, dass die unterschiedlichen Materialien miteinander keine feste Verbindung eingehen. Es müssen entsprechende konstruktive Lösungen bereitgestellt werden, die eine formschlüssige Verbindung der unterschiedlichen Materialien, die zudem noch eine unterschiedliche Shore-Härte haben, ermöglichen.With a differential construction, different materials with different shore hardnesses can be printed together in one operation with 3D printing. This printing process, which prints different plastic materials, has the disadvantage that the different materials do not form a permanent bond with one another. Corresponding constructive solutions must be provided that enable a form-fitting connection of the different materials, which also have a different shore hardness.

Mit dem 3D-Druck ist es möglich geworden neue ingenieurwissenschaftliche Erkenntnisse, die aus der bionischen Grundlagenforschung stammen und sich speziell mit kraftflussoptimierten zwei- und dreidimensionalen Gitterstrukturen befassen, in den technischen Entwurf von gedruckten Ring- und Faltenbalgaktuatoren einzubeziehen. Der 3D-Druck ermöglicht individuelle und hoch differenzierte Produktausformungen wobei material- und funktionsoptimierte Erkenntnisse in das Gesamtsystem integriert werden. Die technisch praktischen Anforderungen bei der Konstruktion eines pneumatischen Ring- oder Faltenbalgaktuators führen unter diesen neuen Erkenntnissen zu bereichsspezifischen Ausformungen des Aktuators. Harte Gitterstrukturen in zwei oder drei Dimensionen bilden, im weichen Material integriert, ein Skelett mit unterschiedlichen Funktionsanforderungen wie Formstabilität, Unterstützung und Stabilisierung der Hubbewegung sowie Verschleißfreiheit im Gebrauch. Bei einfachen, für eine mittlere Druckbeaufschlagung entwickelten Aktuatoren, stellt die Differentialbauweise, in der verschiedene Materialien mit unterschiedlicher Shore-Härte gemeinsam in einem Druckvorgang gedruckt werden, eine kostengünstige Produktionslösung dar. Hochfeste und flexible Materialien wie Silikon können mit dieser Bauweise mit hartem, thermoplastischem Material formschlüssig miteinander verbunden werden. Diese formschlüssige Verbindung wird bei den Strukturelementen durch hinterschnittige Ausformungen, mit zwei- und dreidimensionalen Gitterstrukturen und dünnen fadenbesetzten Oberflächen hergestellt. Die unterschiedlichen Materialien können für sich eine unterschiedliche Shore-Härte besitzen. In einer Integralen Bauweise der Aktuatoren wird mit einem Material z.B. Silikon, Elastomer oder thermoplatischem Polyurethan mit unterschiedlicher Shore-Härte gedruckt. Die für die Differentialbauweise ausgeformten, einzelnen harten Strukturelemente können eins zu eins in das integrale Druckverfahren übernommen werden. Technisch vorteilhaft ist, dass die einzelnen Strukturelemente zu einem Gesamtskelett zusammengefügt werden.With 3D printing, it has become possible to include new engineering findings, which come from basic bionic research and deal specifically with power flow-optimized two- and three-dimensional lattice structures, in the technical design of printed ring and bellows actuators. 3D printing enables individual and highly differentiated product designs, with material and function-optimized findings being integrated into the overall system. The technical practical requirements in the construction of a pneumatic ring or bellows actuator, these new findings lead to area-specific configurations of the actuator. Hard lattice structures in two or three dimensions, integrated in the soft material, form a skeleton with different functional requirements such as dimensional stability, support and stabilization of the lifting movement and freedom from wear during use. For simple actuators designed for medium pressurization, the differential construction, in which different materials with different Shore hardnesses are printed together in one printing process, represents a cost-effective production solution. High-strength and flexible materials such as silicone can be combined with hard, thermoplastic material with this construction be positively connected to each other. This form-fitting connection is created in the structural elements by means of undercut shapes, with two- and three-dimensional lattice structures and thin, thread-covered surfaces. The different materials can have different Shore hardnesses. In an integral design of the actuators, a material such as silicone, elastomer or thermoplastic polyurethane with different Shore hardnesses is printed. The individual hard structural elements formed for the differential design can be adopted one-to-one in the integral printing process. It is technically advantageous that the individual structural elements are combined to form an overall skeleton.

Für große Stückzahlen von standardisierten Ring - und Faltenbalgaktuatoren können abschnittsweise die Aktuatoren in einem 2K- Spritzgießverfahren (Mehrkomponentenspritzguss) hergestellt werden und anschließend die einzelnen Teile durch entsprechende Schweiß oder Vulkanisierungsverfahren zusammengefügt werden. Mit diesen 2K- Spritzgussverfahren können unterschiedliche Materialien oder ein Material mit unterschiedlicher Shore-Härte verarbeitet werden. Thermoplastische Kunststoffe, Silikone oder Elastomere sind für die Herstellung der Aktuatoren vorgesehen. Die für den 3D-Druck gestalteten einzelnen Strukturelemente für den Ring- und Faltenbalgaktuator können prinzipiell für das Spritzgussverfahren übernommen werden. Ringaktuatoren mit einem großen Außendurchmesser und geringerem Hub als die mit Falten konzipierten Aktuatoren haben statt der Faltenform ringförmige und/oder tropfenförmige Ausbuchtungen mit im weichen Material eingebrachten harten aber federnden Gitterstrukturen. Die einzelnen Ausformungsbeispiele der Strukturelemente für die Verwendung im 3D-Druck sind in der Figurenbeschreibung und in den Patentansprüchen näher beschrieben.For large quantities of standardized ring and bellows actuators, the actuators can be manufactured in sections using a 2K injection molding process (multi-component injection molding) and the individual parts can then be joined together using appropriate welding or vulcanization processes. With this 2K injection molding process, different materials or a material with different shore hardness can be processed. Thermoplastics, silicones or elastomers are intended for manufacturing the actuators. The individual structural elements for the ring and bellows actuator designed for 3D printing can in principle be adopted for the injection molding process. Ring actuators with a large outer diameter and a smaller stroke than the actuators designed with folds have ring-shaped and/or teardrop-shaped bulges with hard but resilient lattice structures introduced into the soft material instead of the fold shape. The individual design examples of the structural elements for use in 3D printing are described in more detail in the description of the figures and in the patent claims.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.Further features, details and advantages of the invention result from the wording of the claims and from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawings.

Es zeigen

1 einen Längsschnitt einer Ausführungsform eines 3D gedruckten pneumatischen Ringaktuators mit weichen, nachgiebigen Bereichen und integrierten härteren Strukturelementen.
2 ein Detailausschnitt eines Abschluss- Strukturelementes mit einer räumlich versetzten, negativen Kugelstruktur.
3 ein Detailausschnitt eines Verbindungsstrukturelementes.
4 einen Längsschnitt einer Ausführungsform eines 3D gedruckten pneumatischen Ringaktuators mit weichen, nachgiebigen Bereichen mit integrierten härteren Strukturelementen und Flankenstabilisierungs- Strukturen in den Flanken.
5 ein Detailausschnitt einer Flankenstabilisierungs- Struktur in Form einer Gitterstruktur mit teilelastischen Knotenpunkten.
6 ein Detailausschnitt einer Flankenstabilisierungs- Struktur in Form einer Gitterstruktur mit teilelastisch, wellenförmig ausgebildeten, horizontal verlaufenden Verbindungsfedern zwischen den vertikal angeordneten federnden aber zugfesten Elementen.
7 einen Längsschnitt einer Ausführungsform eines 3D gedruckten pneumatischen Ringaktuators mit integrierten härteren Abschluss- Strukturelementen und einzelnen Verbindungsstegen zwischen den Faltenbalg- Tälern und den innenliegenden Faltenspitzen sowie in 45 grad Anordnung zwischen den Faltenflanken bestehend aus demselben Material aus dem der weiche Ringaktuator gedruckt ist.
8 eine perspektivische Darstellung eines Ringaktuators mit in das weiche Material des Ringaktuators integrierten Stegen an der tiefsten Balgstelle.
9 eine Seitenansicht von 8
10 einen Schnitt von 8 und 9 eines Ringaktuators mit in das weiche Material des Ringaktuators integrierten Stegen, welche an der tiefsten Balgstelle außen und an der tiefsten Stelle der Falten im vorgesehenen Gewindespindelbereich eingebracht sind.
11 einen Längsschnitt einer Ausführungsform von zwei 3D gedruckten pneumatischen Aktuatoren in einem Gehäuse mit Spindeltrieb und harten Verbindungs- Strukturelementen an den innenliegenden Faltenspitzen mit den entsprechenden Durchgangs-Öffnungen für die Spindel.

Show it

1 Figure 12 shows a longitudinal section of an embodiment of a 3D printed pneumatic ring actuator with soft, compliant areas and integrated harder structural elements.
2 a detail of a final structural element with a spatially offset, negative spherical structure.
3 a detail section of a connection structure element.
4 a longitudinal section of an embodiment of a 3D printed pneumatic ring actuator with soft, compliant areas with integrated harder structural elements and flank stabilization structures in the flanks.
5 a detail of a flank stabilization structure in the form of a lattice structure with partially elastic nodes.
6 a detail of a flank stabilization structure in the form of a lattice structure with partially elastic, wave-shaped, horizontally extending connecting springs between the vertically arranged resilient but tensile elements.
7 a longitudinal section of an embodiment of a 3D printed pneumatic ring actuator with integrated harder final structural elements and individual connecting webs between the bellows valleys and the inner fold tips as well as in a 45 degree arrangement between the fold flanks consisting of the same material from which the soft ring actuator is printed.
8th a perspective view of a ring actuator with webs integrated into the soft material of the ring actuator at the lowest point of the bellows.
9 a side view of 8th
10 a cut of 8th and 9 a ring actuator with webs integrated into the soft material of the ring actuator, which are placed on the outside at the lowest point of the bellows and at the lowest point of the folds in the intended threaded spindle area.
11 a longitudinal section of an embodiment of two 3D printed pneumatic actuators in a housing with a spindle drive and hard connecting structural elements at the inner pleat tips with the corresponding passage openings for the spindle.

In 1 ist ein Ringaktuator 1 gezeigt, der vorteilhaft für die Verwendung eines Gewindetriebs, der in dieser Darstellung nicht mit abgebildet ist, eingesetzt werden soll. Die hier gezeigte Ausführung ist für mittlere Drücke ausgelegt und besitzt daher in dieser Darstellung keine Flankenstabilisierungs- Strukturen 18, 19 in den Flanken 15, 16. Die Abschluss- Strukturelemente 2, 2.1 sind in dieser Ausführung mit einer negativ ausgeformten Kugelstruktur 2 mit Hinterschnitten ausgeformt, um eine hohe Flächenstabilität und eine optimale Einbindung der Abschluss- Strukturelemente in das weiche Material des Aktuators 1 zu erreichen. Für niedrige Drücke können die Abschluss- Strukturelemente 2, 2.1 in Form von groben periodisch angeordneten Kreuzstrukturen oder als dünne Scheiben mit dicht gesetzten Durchbrüchen bestehen, wobei der Druckluftanschluss 9 entsprechend der vorgesehenen Technik ausgeformt ist.In 1 a ring actuator 1 is shown, which is to be used advantageously for the use of a screw drive, which is not shown in this illustration. The embodiment shown here is designed for medium pressures and therefore has no flank stabilization structures 18, 19 in the flanks 15, 16 in this representation 2 formed with undercuts in order to achieve high surface stability and optimal integration of the final structural elements in the soft material of the actuator 1. For low pressures, the terminating structural elements 2, 2.1 can be in the form of coarse, periodically arranged cross structures or as thin discs with densely set openings, with the compressed air connection 9 being formed in accordance with the technology provided.

Die Abschluss- Strukturelemente 2, 2.1 haben außen, je nach ihrem Einsatzort Befestigungsmittel wie z.B. bajonettverschlussartige Elemente für einen ortsfesten Anschluss an den entsprechenden Aufnahmepunkten.Depending on where they are used, the final structural elements 2, 2.1 have attachment means such as bayonet-type elements for a stationary connection to the corresponding mounting points.

Die Verbindungs- Strukturelemente 3, in 1 und 3, zwischen den Faltenbalg Tälern 10 und 11 sind für die Formstabilität des Ringaktuators 1 notwendig und erhöhen bei längeren Ausführungen des Ringaktuators 1 seine Knickstabilität und Torsionssteifigkeit. Die Einbindung der Verbindungs- Strukturelemente 3 in das weiche flexible Material des Ringaktuators 1 in den Flanken 15, 16 ist abhängig vom Einsatzgebiet und der damit notwendigen Druckbeaufschlagung. Die Einbindung der Verbindungs- Strukturelemente 3 in das weiche, flexible Material des Ringaktuators 1 kann wie die Einbindung der Abschluss- Strukturelemente 2, 2.1 in das weiche flexible Material 1 erfolgen, wobei genügend Öffnungen für eine freie Luftzirkulation innerhalb des Ringaktuators 1 vorgesehen sind.The connecting structural elements 3, in 1 and 3 , between the bellows valleys 10 and 11 are necessary for the dimensional stability of the ring actuator 1 and increase its buckling stability and torsional rigidity in longer versions of the ring actuator 1. The integration of the connecting structural elements 3 in the soft, flexible material of the ring actuator 1 in the flanks 15, 16 depends on the area of application and the pressurization that is necessary as a result. The connection structural elements 3 can be integrated into the soft, flexible material of the ring actuator 1 in the same way as the closing structural elements 2, 2.1 can be integrated into the soft, flexible material 1, with sufficient openings being provided for free air circulation within the ring actuator 1.

Bei einer Differenzialbauweise können die Verbindungs- Strukturelemente 3 und die Abschluss - Strukturelemente 2, 2.1 mit hinterschnittig ausgeformten Vertiefungen 2.2 und 3.3 und zusätzlich mit einer borstenartigen Oberfläche versehen werden, um ihre formschlüssige Verbindung mit dem weichen flexiblen Material 1 einzugehen. Die Verbindungs- Strukturelemente 3 können, wie die Abschluss- Strukturelement 2 in das weiche Material 1 eigebettet werden.In a differential construction, the connecting structural elements 3 and the closing structural elements 2, 2.1 can be provided with undercut depressions 2.2 and 3.3 and additionally with a bristle-like surface in order to enter into their form-fitting connection with the soft, flexible material 1. The connecting structural elements 3 can be embedded in the soft material 1 like the closing structural element 2 .

Bei einer extrem hohen Druckluftbeaufschlagung des Ringaktuators 1 können zusätzlich Verbindungs- Strukturelemente 3 zwischen den äußeren und innenliegenden Falten Spitzen 12 und 13 eingebracht werden.If the ring actuator 1 is subjected to an extremely high level of compressed air, additional connecting structural elements 3 can be introduced between the outer and inner folds tips 12 and 13 .

Mit dem additiven Fertigungsverfahren, insbesondere dem 3D- Druckverfahren können leichte Ausführungen von Ring - und anderen Aktuatoren realisiert werden, indem die harten Strukturelemente 2,2.1,3,18,19,25,26,33 als 2D und 3D kraftflussangepasste Gitterstrukturen konzipiert werden. Die kraftflussangepassten Gitterstrukturen 2,2.1,3,18,19,25,26,33 werden durch Schotten innerhalb der Gitterstruktur räumlich von anderen Gitterstrukturbereichen getrennt und die verbliebenen, offenen Gitterstrukturzonen werden formschlüssig im weichen, flexiblen Material 1 eingebettet.With the additive manufacturing process, in particular the 3D printing process, lightweight versions of ring and other actuators can be realized by designing the hard structural elements 2,2.1,3,18,19,25,26,33 as 2D and 3D force flow-adapted lattice structures. The lattice structures 2, 2 .

Das weiche, flexible Material 1, das die Haut des Ringaktuators 1 bildet, kann aus einer innen - und außenliegenden, luftdichten Wand bestehen, die mit einer dazwischenliegenden Gitterstruktur verbunden ist oder auf einer dünnen weichen flexiblen Wand 1 können alternativ auf der Innen - oder Außenseite kraftflussangepasste Gitterstrukturen aus dem gleichen Material 1 oder einem anderen Material mit einer anderen Shore-Härte mitgedruckt werden.The soft, flexible material 1 that forms the skin of the ring actuator 1 can consist of an inner and outer airtight wall connected to an intermediate lattice structure or on a thin soft flexible wall 1 can alternatively be on the inside or outside flux-adapted lattice structures made of the same material 1 or another material with a different shore hardness are also printed.

In der 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Ringaktuators dargestellt, der zusätzlich zu den Strukturelementen 2,2.1,3 wie in 1 gezeigt, Flankenstabilisierungsstrukturen 18,19 aufweist. Als Detailausschnitt ist In 5 eine Flankenstabilisierungsstruktur 18,19 gezeigt, die nachgiebige, federnde Knotenpunkte 20 für eine kontrollierte Verformung der Seitenflanken in zwei Richtungen zulässt.In the 4 an embodiment of a ring actuator is shown, which in addition to the structural elements 2,2.1,3 as in 1 shown having flank stabilization structures 18,19. As a detail is In 5 a flank stabilization structure 18,19 is shown, which allows resilient, resilient nodes 20 for a controlled deformation of the side flanks in two directions.

In 6 ist eine Flankenstabilisierungsstruktur 18,19 gezeigt, die wellenförmig ausgeformte Verbindungsfedern 22 besitzt, die zwischen einzelnen zugfesten Bändern 21,21.1 angeordnet sind und eine kontrollierte Verformung der Seitenflanken, vorrangig in eine Richtung zulässt.In 6 a flank stabilization structure 18,19 is shown, which has wavy shaped connecting springs 22, which are arranged between individual tensile bands 21,21.1 and allows a controlled deformation of the side flanks, primarily in one direction.

Die ringförmig ausgeformten Bereiche 23 erlauben bei hohen Drücken eine geringe Längenveränderung der Bänder 21,21.1.The ring-shaped areas 23 allow a slight change in length of the bands 21, 21.1 at high pressures.

Für Aktuatoren, die mit geringen Drücken beaufschlagt werden, können, um ein Ausbrechen der Flanken zu verhindern, härtere einzelne Ringe rotationssymmetrisch in die äußeren 16 und inneren 17 Faltenbalgflanken in das weiche Material 1 eingebracht werden.For actuators that are subjected to low pressures, in order to prevent the flanks from breaking out, harder individual rings can be introduced rotationally symmetrically into the outer 16 and inner 17 bellows flanks in the soft material 1 .

Die Ringe können durch Verbindungsfedern 22 wie in 6 gezeigt verbunden werden. Bei großvolumigen Aktuatoren ist es vorteilhaft, eine zusammenhängende Flankenstabilisierungsstruktur in einer kraftflussangepassten, gewebeartigen Geometrie oder einer Gitterstruktur oder einer Kombination von beiden in die inneren 17 und äußeren 16 Faltenbalgflanken einzubringen.The rings can be connected by connecting springs 22 as in 6 shown to be connected. at large voluminous actuators, it is advantageous to introduce a coherent flank stabilization structure in a force flow-adapted, tissue-like geometry or a lattice structure or a combination of both in the inner 17 and outer 16 bellows flanks.

In 7 ist ein Ringaktuator 1 im Schnitt gezeigt, der seine Körperstabilität bei unterschiedlicher Druckbeaufschlagung dadurch beibehält, dass im gesamten Innenraum des Ringaktuators 1 zwischen den Flanken 16 und 17 mehrere dünne Verbindungsfäden 24, mit mindestens einen Durchmesser von 0,3 mm, vertikal zur Mittelachse rotationssymmetrisch aus dem gleichen Material wie der Ringaktuator 1 ausgeformt sind und dass bei hoher Druckbeaufschlagung zusätzlich diagonal verlaufende Verbindungsfäden 24 bestehen. Der Abstand der Verbindungsfäden 24 zueinander ist abhängig von der gewählten Größe, der Shore Härte des Aktuators 1 und dem Arbeitsdruck. Bei einem Außendurchmesser von ca. 80mm und einer Länge von ca. 100mm des Ringaktuators 1 mit einer Shore Härte von ca. 60 und einer mittleren Druckbeaufschlagung ist ein vorteilhafter Abstand der Verbindungsfäden 24 zueinander ca. 5,0 mm und einer Fadendicke von ca. o,4mm. Die Anordnung der Verbindungsfäden 24 erfolgt versetzt zueinander, damit im zusammengedrückten Zustand des Aktuators die Verbindungsfäden 24 sich nicht übereinander Stapeln, sondern ineinander fügen können.In 7 a ring actuator 1 is shown in section, which maintains its body stability under different pressure loads in that several thin connecting threads 24, with a diameter of at least 0.3 mm, vertical to the central axis, are rotationally symmetrical in the entire interior of the ring actuator 1 between the flanks 16 and 17 are formed from the same material as the ring actuator 1 and that there are additional connecting threads 24 running diagonally when high pressure is applied. The distance between the connecting threads 24 depends on the selected size, the Shore hardness of the actuator 1 and the working pressure. With an outer diameter of approx. 80 mm and a length of approx. 100 mm of the ring actuator 1 with a Shore hardness of approx. 60 and a medium pressure load, an advantageous distance between the connecting threads 24 is approx. 5.0 mm and a thread thickness of approx ,4mm. The arrangement of the connecting threads 24 is offset to one another, so that when the actuator is in the compressed state, the connecting threads 24 cannot stack one on top of the other, but can fit into one another.

8 zeigt perspektivisch einen Ringaktuator 1 mit ringförmigen Abstandshaltern 25, die mit mehreren Speichen an einer Trägerstruktur, die in den Faltenbalgtälern und Faltenbalgspitzen des Ringaktuators 1, im weichen Material 1 eingebettet ist, fest verbunden sind. Die Abstandshalter 25 sind vorzugsweise für längere Ringaktuatoren 1 einzusetzen, um bei einem eventuellen seitlichen ausbrechen des Ringaktuators 1 bei hohen Arbeitsdrücken noch ein reibungsarmes Gleiten des Ringaktuators 1 in dem zylindrischen Aufnahmegehäuse sicherzustellen. Bei geringeren Höhen des Ringaktuators 1 können alternativ nur die Abstandshalter 25, die in den Faltenbalgtiefen angeordnet sind oder die Abstandshalter 25, die an den Faltenbalgspitzen angeordnet sind, eingesetzt werden. Bei geringen Arbeitsdrücken kann auf den Verbindungsring, der die einzelnen Speichen miteinander Verbindet verzichtet werden. 8th Figure 12 shows in perspective a ring actuator 1 with annular spacers 25 fixedly connected to a plurality of spokes on a support structure embedded in the soft material 1 in the bellows valleys and bellows tips of the ring actuator 1 . The spacers 25 should preferably be used for longer ring actuators 1 in order to still ensure low-friction sliding of the ring actuator 1 in the cylindrical receiving housing in the event that the ring actuator 1 breaks out laterally at high working pressures. In the case of lower heights of the ring actuator 1, alternatively only the spacers 25, which are arranged in the bellows depths, or the spacers 25, which are arranged at the bellows tips, can be used. In the case of low working pressures, the connecting ring that connects the individual spokes to one another can be dispensed with.

In 9 ist eine Seitenansicht von 8 mit den Abstandshaltern 25 mit Überstand gegenüber dem Ringaktuator 1 dargestellt.In 9 is a side view of 8th shown with the spacers 25 overhanging the ring actuator 1 .

In der 10 ist ein Schnitt des Ringaktuators 1 mit zusätzlichen innenliegenden Abstandshaltern 26 zu sehen, die wie die in 9 beschrieben Formen der Befestigung und Anordnung der Abstandshalter 25 im Innenbereich des Ringaktuators angeordnet sind und eine direkte Berührung des Ringaktuators 1 mit dem Gewindetrieb verhindern. Ringaktuatoren die für große Arbeitsleistungen ausgelegt sind und einen entsprechend großen Außendurchmesser besitzen, haben statt der Faltenform Kreis- und/oder tropfenförmige Ausbuchtungen, mit im weichen Material eingebrachten harten aber federnden Gitterstrukturen. In einem integrativen 3D-Druckprozess sind vorzugsweise die Strukturelemente 2,2.1,3,18,19,25,26,33 als zusammenhängendes Skelett in das weiche Material 1, einzubringen.In the 10 a section of the ring actuator 1 can be seen with additional internal spacers 26 which, like those in 9 described forms of attachment and arrangement of the spacers 25 are arranged in the interior of the ring actuator and prevent direct contact of the ring actuator 1 with the screw drive. Ring actuators that are designed for high work rates and have a correspondingly large outer diameter have circular and/or teardrop-shaped bulges instead of the fold shape, with hard but resilient lattice structures incorporated in the soft material. In an integrative 3D printing process, the structural elements 2, 2, 1, 3, 18, 19, 25, 26, 33 are preferably introduced into the soft material 1 as a cohesive skeleton.

In 11 ist eine Prinzip Darstellung eines Doppelhub- Aktuators in einem zylindrischen Aufnahmegehäuse mit innenliegendem Gewindetrieb 29 , der in der Mitte der Aktoren 27 positioniert ist, dargestellt. Die Abstandshalter 28 aus hartem Material sind vorteilhaft als eine kraftflussangepasste Gitterstruktur ausgeformt und an den inneren Faltenbalgspitzen in das weiche Material 27 eingebracht. Bei einer hohen Druckbeaufschlagung können zusätzlich von den außenliegenden Faltenspitzen Abstandshalter 28 eingebracht sein. Bei Aktuatoren mit geringer Druckbeaufschlagung können die Abstandshalter 28 aus dem Material 27 gebildet werden. Die Abschluss- Strukturelemente 2, 2.1, 33 können in Form von groben periodisch angeordneten Kreuzstrukturen oder als dünne Scheiben mit dicht gesetzten Durchbrüchen Ausgeformt sein, wobei der Druckluftanschluss 9 entsprechend der vorgesehenen Technik ausgeformt ist.In 11 is a schematic representation of a double-stroke actuator in a cylindrical receiving housing with an internal screw drive 29, which is positioned in the middle of the actuators 27, is shown. The spacers 28 made of hard material are advantageously formed as a lattice structure adapted to the flow of force and are introduced into the soft material 27 at the inner tips of the bellows. In the event of high pressure being applied, spacers 28 can also be introduced from the outer fold tips. The spacers 28 can be formed from the material 27 in the case of actuators with low pressure loading. The final structural elements 2, 2.1, 33 can be shaped in the form of coarse, periodically arranged cross structures or as thin disks with densely set openings, with the compressed air connection 9 being shaped in accordance with the technology provided.

Die Abschluss- Strukturelemente 2, 2.1, 33 haben außen, je nach ihrem Einsatzort Befestigungsmittel wie z.B. bajonettverschlussartige Elemente für einen ortsfesten Anschluss an den entsprechenden Aufnahmepunkten.Depending on where they are used, the final structural elements 2, 2.1, 33 have attachment means on the outside, such as elements similar to a bayonet catch, for a stationary connection to the corresponding mounting points.

Der Gewindetrieb 29 wird entsprechen der spezifischen Anforderungen bestimmt. Einfache Gewindespindeln mit Mutter und einer mittleren Steigung von 65mm eignen sich besonders für den Einsatz in einfacheren Schwenksystemen im Roboterbau. Kugelgewindetriebe oder Planetenrollengewindetriebe sind vorteilhaft für Drehgelenke und Schwenksysteme, die eine hohe Ganggenauigkeit sowie eine hohe Arbeitsleistung erfordern einzusetzen. Die Gewindemutter oder die Rollenkäfige sind fest und drehsicher an einer Hubplatte, die mit Führungen im Gehäuse geführt wird befestigt und besitzen eine speziell ausgeformte, der jeweilig eingesetzten Gewindespindel angepasste, Luft absperrende Dichtungen, die in der Mitte 30 der Mutter 32 oder in ihren zwei Gewindeöffnungen eingesetzt werden. Zwei Luft absperrende Dichtungen sind im Bereich der Gewindespindel Lagerung 31 im Gehäuse eingebracht. Die in 11 gezeigten Faltenbälge haben auf der Hubplatte einen kleineren Durchmesser als an den zwei Führungsgehäuse- Abschlüssen, in denen die Gewindespindel drehbar gelagert ist. Dieser konvexe Verlauf beider Aktuatoren ist besonders dann vorteilhaft, wenn die einzelnen Aktuatoren aus mehr als 4 Falten gebildet werden. Das System wird bei hoher Druckbeaufschlagung stabiler und neigt weniger zum seitlichen Ausbrechen. Alternativ können die einzelnen Faltenbalg- Aktuatoren 27 auch einzeln konvex ausgeformt sein. Eine zylindrische Ausbildung der Aktuatoren ist für den Einsatz mit geringer Druckbeaufschlagung vorgesehen. Die in 1 bis 10 beschriebenen technischen Ausformungen der Strukturelemente 2,2.1,3,18,19,25,26,33 sind in ihrer Funktionsweise für die in der 11 gezeigte Lösung übertragbar.The screw drive 29 is determined according to the specific requirements. Simple threaded spindles with a nut and a mean pitch of 65mm are particularly suitable for use in simple swivel systems in robot construction. Ball screw drives or planetary roller screw drives are advantageous for rotary joints and swivel systems that require high accuracy and high work performance. The threaded nut or the roller cages are firmly and non-rotatably attached to a lifting plate, which is guided in the housing with guides and have a specially formed air-blocking seal, adapted to the respective threaded spindle used, which is in the middle 30 of the nut 32 or in its two threaded openings be used. Two air-blocking seals are installed in the area of the threaded spindle bearing 31 in the housing. In the 11 Bellows shown have on the hub plate has a smaller diameter than on the two guide housing ends in which the threaded spindle is rotatably mounted. This convex course of both actuators is particularly advantageous when the individual actuators are formed from more than 4 folds. The system becomes more stable under high pressure and is less prone to side swerving. Alternatively, the individual bellows actuators 27 can also be individually convex in shape. A cylindrical design of the actuators is intended for use with low pressurization. In the 1 until 10 technical forms of the structural elements 2,2.1,3,18,19,25,26,33 described are functional in the 11 solution shown is transferrable.

Claims

Pneumatic bellows actuators, in particular ring actuators, which have a spatial and high endogenous stability for their linear movement direction, characterized in that in an additive manufacturing process or a 3D printing process for thermoplastics or silicones in a continuously running printing process, soft, flexible areas (1, 27) together with harder structural elements (2, 2.1,3,18,19,25,26,28,33), these advantageous for use with higher pressures, in differential construction with form-fitting molded connections between the soft material (1,18) and the harder structural elements (2,2,1,3,18,19,25,26,28,33) are produced.

Pneumatic bellows actuators claim 1 , characterized in that the harder structural elements (2,2.1,3,18,19,25,26,28,33) are designed as 2D and 3D flux-adapted lattice structures and that the soft, flexible material (1,27), consists of two thin walls with lattice structures embedded between them which are adapted to the flow of force and which can be formed from the soft material (1.18) or from hard material with a different shore hardness.

Pneumatic bellows actuators claim 2 . characterized in that the harder structural elements (2,2.1,3,18,19,25,26,28,33) are designed as lattice structures adapted to the flow of force and that fixed areas within the lattice structure are spatially separated from other lattice structure areas by bulkheads and the remaining, open lattice structures are embedded in a form-fitting manner in the soft, flexible material (1.27), with thinner structures adapted to the flow of force being embedded overall in the soft material.

Pneumatic bellows actuators claim 2 , characterized in that the soft, flexible material (1,27) is formed from an airtight wall and that the force flow-adapted lattice structures are alternatively on the inner or outer wall made of the same soft, flexible material as (1) and (18) or of hard material with a different shore hardness.

Pneumatic bellows actuators claim 1 , characterized in that the harder structural elements (2,2.1,3,18,19,25,26,28,33) at the points that form a positive connection with the soft material (1,27), one or more circumferential , Have undercut formed depressions (2.2,3.2,3.4,3.5), wherein the distance at the narrowest point of the undercuts, through which the soft material (1.27) is introduced, is at least two pressure layer thicknesses.

Pneumatic bellows actuators claim 1 , characterized in that the harder structural elements (2, 2, 1, 3, 18, 19, 25, 26, 28, 33) have a fibrous structure at the points that form a positive connection with the soft material (1, 27). the surface, the fibers advantageously having a wavy shape or thickenings at certain points along the longitudinal axis and having a diameter of at least 0.2 mm and a length of at least 0.3 mm, and the distance between the fibers corresponds to the respective diameters of the fibers.

Pneumatic bellows actuators claim 1 and 6 , characterized in that, the harder structural elements (2,2.1,3,18,19,25,26,28,33) at the points that form a positive connection with the soft material (1,27), a fibrous structure on the surface and at least one or more circumferential, undercut depressions (2.2,3.2,3.4,3.5).

Pneumatic bellows actuators claim 1 , characterized in that the final structural elements (2,2.1,33) with a spatially offset negative spherical structure (2.3), with additional undercut structures in the inner and outer frame of the spherical structure with maximum undercut for an optimal form-fitting embedding of the final structural element ( 2,2.1,33) are fitted into the surrounding flexible material (1,27) and that appropriate attachment points for air inlet and outlet connections (for which ring factors are provided.

Pneumatic bellows actuators claim 1 , characterized in that to increase the buckling stability and torsional rigidity, hard connecting structural elements (3.28) with air passage holes (3.1), which are advantageously embedded in the soft material (1.27), between the bellows valleys (10.11) and at high pressure are also placed between the outer and inner fold tips (12,13).

Pneumatic bellows actuators claim 1 , characterized in that cage-like, rotationally symmetrical, expansion-inhibiting flank stabilization structures (18,19) are embedded in the flanks (15,16) and that the flank stabilization structures (18,19) are multidimensionally deformable and that they consist of partially elastic nodes (20 ) or consist of connections (20,21,21.1,22,23) designed to be flexible in the direction of the bellows movement and that the connected lattice structures (18,19) have a higher Shore hardness than the surrounding soft material (1,27) and that the structure alternatively formed in the flanks (15,16) from individual rings introduced in a rotationally symmetrical manner, the number, spacing and ring thickness of which is determined according to the selected wall thickness of the surrounding soft material (1,27), but at least a ring thickness of 0.3 and a spacing from one another of at least 0.8 mm.

Pneumatic bellows actuators claim 1 , characterized in that to increase the buckling stability and torsional rigidity, a large number of individual connecting webs (24) made of the soft material (1,27) between the bellows valleys (10,11) and the inner folds peaks (12,13) rotationally symmetrical, periodically is introduced and that the arrangement of the connecting webs (24) for actuators with high pressurization also runs in a 45-degree arrangement or in the entire hollow body perpendicular to the central axis from the inner fold flanks (15) to the inner fold flanks (16).

Pneumatic bellows actuators claim 1 , characterized in that with longer versions of the actuators, the possible lateral breaking out of the actuators is prevented by several structural elements (25) for protecting the soft material (1,27) from friction on a housing provided as webs made of the soft material at the lowest bellows points (6,7) or at the outer bellows tip (4,5), which in special cases can be connected to one another by a connecting ring and that the structural elements (26,28) in the threaded spindle area (29) can be designed to be rotationally symmetrical over their entire surface and that the structural element (28) has several openings for internal air circulation.

Pneumatic bellows actuators according to any preceding claim, characterized in that the harder structural elements (2, 2.1,3,18,19,25,26,28,33) form a coherent cage and that the joints at which the structural elements are deformed by bending are shaped like a hinge or with a lower material thickness.

Pneumatic bellows actuators according to one of the preceding claims, characterized in that a spatial and linear movement stability of the actuators is achieved by an additive manufacturing process, a 3D printing process with thermoplastics, elastomers or silicones, in which soft in a continuously running printing process Flexible areas (1.27) are printed together with harder structural elements (2.2.1.3.18.19.25.26.28.33) in an integral construction from a material with different shore hardness, a non-positive structure of fixed and flexible areas is created .

Pneumatic bellows actuators according to one of the preceding claims, characterized in that the use, shaping and arrangement of the harder structural elements (2, 2.1,3,18,19,25,26,28,33) together with the softer, flexible material (1 ; 27) can be selected differently depending on the purpose, shape and area of application of the actuators and can be used for products with similar product requirements such as soft grippers, endoscopes or adaptive systems, such as spoilers.