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Die
Erfindung betrifft eine Ventileinheit, mit einem Ventilgehäuse, das
eine zur Aufnahme wenigstens eines Ventilschiebers vorgesehene,
umfangsseitig von einer Gehäusewand
begrenzte, längliche
Gehäuseausnehmung
aufweist, wobei der Ventilschieber ein Steuerglied besitzt, das über wenigstens
einen, mit dem Steuerglied antriebsmäßig zusammenwirkenden, mittels
eines Druckmediums beaufschlagbaren, verschiebbar angeordneten Antriebskolben
zwischen verschiedenen Funktionsstellungen in der Gehäuseausnehmung
verschiebbar ist, wobei der Antriebskolben bei dessen Verschiebung entlang
einer an einem Laufflächenkörper ausgebildeten
Lauffläche
läuft.
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Derartige
Ventile sind beispielsweise aus der
EP 0 678 676 B1 bekannt und besitzen quasi
als "Herzstück" einen Ventilschieber,
der seinerseits wenigstens einen Antriebskolben und einen Steuerschieber
bzw. ein Steuerglied aufweist. Der Antriebskolben ist mit Druckluft
beaufschlagbar, um das Steuerglied in die gewünschte Funktionsstellung zu
bringen. Der Antriebskolben läuft
dabei eine Lauffläche entlang,
die in bekannter Weise an einem Gehäusedeckel vorgesehen sein kann.
Der Gehäusedeckel und
das Ventilgehäuse
werden in der Regel aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt,
um deren Festigkeit zu erhöhen,
damit Anbauteile, wie Vorsteuerventile, Schlauchanschlüsse o. dgl.
zuverlässig
daran befestigt werden können,
ohne dass der Kunststoff Risse bekommt oder bricht. Ein Problem
ist, dass Faserelemente in die Lauffläche hineinragen können, und
so eine exakte, gleichmäßige Verschiebung
des Antriebskolbens behindern. Ein weiteres Problem ist, dass die
in die Lauffläche
hineinragenden Faserelemente die am Antriebskolben befindliche Dichtung,
die zur Druckhaltung der die Antriebsseite des Antriebskolbens anströmenden Druckluft benötigt wird,
beschädigen
können.
Ist diese Dichtung beschädigt,
kann Druckluft entweichen, was dazu führt, dass sich der Antriebskolben
nicht in der vorgegebenen Weise oder gar nicht bewegt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Ventileinheit der eingangs erwähnten Art
zu schaffen, die zuverlässig
betätigbar
ist. Insbesondere soll die Ventileinheit einfach aufgebaut sein.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Ventileinheit mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
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Die
erfindungsgemäße Ventileinheit
zeichnet sich dadurch aus, dass die Lauffläche durch eine am Laufflächenkörper angeformte
Beschichtung aus unverstärktem
Beschichtungsmaterial gebildet ist.
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Auf
dem Laufflächenkörper befindet
sich also eine stoffschlüssig,
angeformte Schicht, die eine relativ glatte Oberfläche besitzt
und insbesondere kein in die Lauffläche hineinragendes Verstärkungsmaterial,
insbesondere Fasermaterial aufweist. Dadurch ist gewährleistet,
dass der Antriebskolben exakt und gleichmäßig laufen kann und seine Dichtung,
beispielsweise ein O-Ring, nicht beschädigt wird. Die Reibung zwischen
dem Antriebskolben und der Lauffläche kann durch die Laufflächenkörper-Beschichtung
vermindert werden.
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Unter
unverstärktem
Beschichtungsmaterial im Sinne der Anmeldung wird insbesondere solches verstanden,
das keine eingelagerten, festigkeitserhöhenden Fremdelemente, wie beispielsweise
Fasern, Kugeln oder dergleichen, aufweist, und sich dadurch vom
eventuell festigkeitsverstärkten
Laufflächenkörpermaterial
unterscheidet. Der Antriebskolben wirkt mit dem Steuerglied antriebsmäßig zusammen.
Dies kann bedeuten, dass Antriebskolben und Steuerglied einstückig miteinander
verbunden sind. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die
Beaufschlagung mit Druckmedium nur einenends erfolgt und der Antriebskolben
die Hin- und Rückbewegung
des Ventilschiebers übernimmt.
Es ist auch möglich,
dass Antriebskolben und Steuerglied zwei separate Bauteile sind,
wobei der Antriebskolben das Steuerglied lediglich zum Zwecke einer
impulsgebenden Bewegung berührt.
Unter Funktionsstellungen des Steuerglieds werden insbesondere Schaltstellungen
verstanden, in denen jeweils verschiedene Arbeitsanschlüsse der Ventileinheit
miteinander verbunden werden.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist der Laufflächenkörper aus einem festigkeitsverstärktem Polymer,
insbesondere aus festigkeitsverstärktem Kunststoff hergestellt.
Alternativ ist es möglich,
das Ventilgehäuse
aus Metall zu fertigen. Zur Festigkeitsverstärkung des Kunststoffs werden
vorzugsweise Fasern eingesetzt. Als Fasern können Kunstfasern, Glasfasern
oder Naturfasern, insbesondere Kohlefasern, verwendet werden. Alternativ
ist es möglich,
anstelle oder zusätzlich
zu den Fasern Elemente anderer Form einzulagern, beispielsweise
Kugeln, insbesondere Glaskugeln, o. dgl..
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Besonders
bevorzugt ist als Beschichtungsmaterial ein unverstärktes Polymer,
insbesondere Kunststoff vorgesehen. Alternativ ist es möglich, eine Metallbeschichtung
anzuformen. Es sind also verschiedene Varianten von Laufflächenkörpermaterial und
Beschichtungsmaterial möglich,
beispielsweise ein Laufflächenkörper aus
festigkeitsverstärktem Kunststoff
mit einer Metallbeschichtung oder ein Laufflächenkörper aus Metall mit einer Beschichtung aus
unverstärktem
Kunststoff. Bevorzugt wird jedoch ein Laufflächenkörper aus festigkeitsverstärktem Kunststoff
mit einer angeformten Beschichtung aus unverstärktem Kunststoff eingesetzt.
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Von
Vorteil ist es, wenn der Laufflächenkörper und
die Beschichtung aus dem gleichen Kunststoff hergestellt sind. Es
ist dann gewährleistet,
dass die Beschichtung eine besonders innige Verbindung mit dem Laufflächenkörper eingeht.
Alternativ ist es möglich,
Laufflächenkörper und
die Beschichtung aus voneinander verschiedenen Kunststoffen herzustellen.
Dabei sollte darauf geachtet werden, dass die Kunststoffe aufeinander
abgestimmt sind, damit sie eine innige Verbindung miteinander eingehen
können.
Als Kunststoff wird vorzugsweise ein Thermoplast verwendet, beispielsweise
Polyamid (PA) oder Polyoxymethylen (POM). In bevorzugter Weise ist der
Laufflächenkörper also
aus Polyamid mit Faseranteil und die Be schichtung aus Polyamid ohne
Faseranteil oder ist der Laufflächenkörper aus
Polyoxymethylen mit Faseranteil und die Beschichtung aus Polyoxymethylen
ohne Faseranteil.
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Als
Laufflächenkörper ist
vorzugsweise das Ventilgehäuse
oder ein am Ventilgehäuse
befestigbarer Gehäusedeckel
vorgesehen. Das Ventilgehäuse
kann derart gefertigt werden, dass ein bestimmter Bereich, insbesondere
ein Endbereich der Gehäuseausnehmung
den Laufflächenkörper für den Antriebskolben
bildet. Dieser Bereich kann dann mit der Beschichtung aus unverstärktem Beschichtungsmaterial,
insbesondere mit Kunststoff, beschichtet werden. Eine Alternative
ist, dass der Gehäusedeckel den
Laufflächenkörper für den Antriebskolben
bildet. Beispielsweise kann eine Art Führungsbuchse vorgesehen sein,
die einstückig
mit dem Gehäusedeckel verbunden
ist und im montierten Zustand in die Gehäuseausnehmung des Ventilgehäuses hineinragt. Die
Beschichtung kann an der Führungsbuchse
angeformt werden. Eine andere Möglichkeit
ist es, in einem flach mit dem Ventilgehäuse abschließenden Deckel
eine Ausnehmung vorzusehen, in der der Antriebskolben läuft, wobei
die Ausnehmung mit unverstärktem
Beschichtungsmaterial beschichtet ist.
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In
besonders bevorzugter Weise wird die Beschichtung mittels Spritzgießen oder
Aufsprühen
an den Laufflächenkörper angeformt.
Es kann ein Zwei-Komponenten-Spritzgießverfahren eingesetzt werden,
bei dem vorzugsweise zunächst
in einem ersten Arbeitsschritt ein festigkeitsverstärktes Ventilgehäuse bzw.
ein festigkeitsverstärkter
Gehäusedeckel
gespritzt wird und in einem zweiten Arbeitsschritt die Beschichtung
aus unver stärktem
Kunststoffmaterial angespritzt wird. Laufflächenkörper und Beschichtung können also
mit einem Herstellungsprozess in einer Maschine hergestellt werden.
Damit entfällt
der bei herkömmlichen
Ventileinheiten mit separater Antriebskolben-Laufhülse benötigte zusätzliche
Herstellungsprozess für
die Laufhülse,
bei dem neben dem Mehraufwand an Zeit auch beträchtliche Kosten für dementsprechend
Laufhülsen-Werkzeuge anfallen.
Alternativ ist es möglich,
das Beschichtungsmaterial nicht anzuspritzen, sondern mittels geeigneter
Aufsprühverfahren
aufzusprühen.
Dies eignet sich insbesondere für
das Aufsprühen
einer Metallbeschichtung, beispielsweise durch Pulverbeschichten.
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Die
Beschichtung weist im Vergleich zum Laufflächenkörper eine geringe Dicke auf.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im
Folgenden näher
erläutert.
Die Zeichnungen zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Ventileinheit
im Längsschnitt,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Ventileinheit, dargestellt durch die Einzelheit X von 1,
und
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3 schematisch die Herstellung der Ventileinheit
anhand von vier aufeinanderfolgende Verfahrensschritten.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Ventileinheit 11.
Die Ventileinheit 11 dient zur Steuerung von Fluidströmen und ist
als Mehrwegeventil ausgeführt.
Es wird im Folgenden beispielhaft anhand eines 4/2-Wegeventils erläutert. Es
sind jedoch auch andere Ventilarten einsetzbar, beispielsweise 3/2-
oder 5/2-Wegeventile. Bei dem zu steuernden Druckmedium handelt
es sich insbesondere um Druckluft, wobei es sich allerdings auch
um ein sonstiges gasförmiges
oder hydraulisches Medium handeln kann.
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Die
Ventileinheit 11 verfügt über ein
Ventilgehäuse 12,
in dem wenigstens eine sich linear erstreckende, längliche
Gehäuseausnehmung 13 vorgesehen
ist. Umfangsseitig ist die Gehäuseausnehmung 13 von
einer Gehäusewand 14 des
Ventilgehäuses 12 begrenzt.
Die Gehäusewand 14 und
insbesondere das gesamte Ventilgehäuse 12 bestehen bei
den dargestellten Ausführungsbeispielen
aus festigkeitsverstärktem
Kunststoff. Die Festigkeitsverstärkung des
Kunststoffs ist u. a. deshalb notwendig, damit Peripheriebauteile
an das Ventilgehäuse 12 angebaut werden
können,
ohne dass bei mehrmaligem Lösen derselbigen
das Ventilgehäuse 12 beschädigt wird, beispielsweise
Risse bekommt. Solche Peripheriebauteile können beispielsweise ein oder
mehrere an das Ventilgehäuse 12 anbaubare
Vorsteuerventile sein, Schlauchanschlüsse zum Anschließen an am Ventilgehäuse 12 ausgebildeten
Arbeitsanschlüssen oder
dergleichen. Eine gewisse Festigkeit ist auch deshalb notwendig,
da das Ventilgehäuse 12 als Hohlkörper ausgebildet
ist, in dem in nachfolgend näher
erläuterter
Weise ein Ventilschieber 21 zwischen verschiedenen Funktionsstellungen
hin- und her verschoben werden kann, wobei bei dessen Verschiebebetrieb
Zug- und/oder Druckkräfte
durch das Ventilgehäuse 12 aufgenommen
werden müssen.
Als Verstärkungsmaterial
enthält
das Kunststoff-Ventilgehäuse 12 Fasern,
insbesondere Glas- oder Kohlefasern. Die Herstellung des Ventilgehäuses 12 erfolgt zweckmäßigerweise
durch Spritzgießen,
wobei ein Nachbearbeiten der die Gehäuseausnehmung 13 definierenden
und insbesondere nach radial innen orientierten Wandfläche 15 der
Gehäusewand 14 nicht
oder in nur geringem Maße
erforderlich ist. Eine Bauform aus Metall wäre prinzipiell ebenfalls möglich.
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In
die Gehäuseausnehmung 13 münden im Bereich
der Wandfläche 15 an
mehreren, in der Längsrichtung
der Gehäuseausnehmung 13 beabstandeten
Stellen Ventilkanäle 17 ein.
Diese durchsetzen die Gehäusewand 14 und
bilden an ihrem äußeren Ende
Anschlussöffnungen 18.
Zwei dieser Anschlussöffnungen 18 münden zu
einer außen
liegenden Montagefläche 19 des
Ventilgehäuses 12.
Dadurch kann die Ventileinheit 11 an eine Bestückungsfläche 51 eines
Fluidverteilers 50 angesetzt werden. In Letzterem verlaufen
mehrere Fluidverteilerkanäle 53,
die zur Bestückungsfläche 51 ausmünden und dort
mit den Anschlussöffnungen 18 paarweise
kommunizieren. Zwei weitere der Anschlussöffnungen 18 münden an
einer der Montagefläche 19 insbesondere
entgegengesetzten Anschlussfläche 20 des
Ventilgehäuses 12 und
sind vorgesehen, das Anschließen von
Anschlussstücken 16 zum
Verbinden nicht näher dargestellter
Fluidleitungen zu ermöglichen,
die zu einem anzusteuernden Verbraucher, beispielsweise einem Pneumatikzylinder,
führen.
Zur Befestigung der Ventileinheit 11 am Fluidverteiler 50 dienen
geeignete Befestigungsmittel 52.
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Bei
der Ventileinheit 11 kann es sich um ein 4/2-Wegeventil
handeln. Bei den zur Montagefläche 19 ausmündenden
Ventilkanälen 17 handelt
es sich um einen Speisekanal 17a, der von zwei Entlüftungskanälen 17b, 17c flankiert
ist. Die beiden zur Anschlussfläche 20 führenden
Ventilkanäle 17 sind
Arbeitskanäle 17d, 17e.
Die Entlüftung
des Arbeitskanals 17e erfolgt über den Arbeitsanschluss 18 des Entlüftungskanals 17b,
der mit einem nicht dargestellten Verbindungskanal mit dem Entlüftungskanals 17c verbunden
ist.
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In
der Gehäuseausnehmung 13 ist
ein länglicher
Ventilschieber 21 angeordnet, der beispielhaft anhand eines
Kolbenschiebers dargestellt ist, der über mehrere Steuerabschnitte 40 größeren Durchmessers,
zwischen denen jeweils ein Steuerabschnitt 41 kleineren
Durchmessers platziert ist, verfügt.
Der Ventilschieber 21 besitzt ein Steuerglied 22, das
einenends mit einem mit Druckmedium beaufschlagbaren Antriebskolben 23 gekoppelt
ist. Der Antriebskolben 23 kann an einer Stirnseite des
Steuerglieds 22 anliegen oder einstückig mit dem Steuerglied 22 verbunden
sein. Es sind auch Ausführungsformen
möglich,
bei denen an beiden Endbereichen des Steuerglieds 22 jeweils
ein Antriebskolben 23 angeordnet ist.
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Wie
in den 1 und 2 dargestellt, läuft der
Antriebskolben 23 in einem Laufflächenkörper 12; 24,
der eine Lauffläche
für den
Antriebskolben 23 aufweist. Die Lauffläche wird durch eine an den
Laufflächenkörper 12; 24 angeformte
Beschichtung 25 aus unverstärktem Beschichtungsmaterial
gebildet. Die Lauffläche
des Antriebskolbens 23 wird also nicht von einem sepa raten
Bauteil gebildet, sondern von einer Beschichtung 25, die
während
des Herstellungsprozesses des Laufflächenkörpers 12; 24 mit angeformt
wird. Dies spart Zeit und damit Herstellungskosten.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Ventileinheit
wird der Laufflächenkörper durch
einen Gehäusedeckel 24 gebildet,
der mittels nicht näher
gezeigten Befestigungsmitteln, beispielsweise Schrauben, am Ventilgehäuse 12 befestigbar ist.
Der Gehäusedeckel 24 besitzt
eine in die Gehäuseausnehmung 13 hineinragende
Führungsbuchse 26 zur
Aufnahme des Antriebskolbens 23. Die Beschichtung 25 ist
an der Innenwandung der Führungsbuchse 26 angeformt.
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Bei
dem in 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Ventileinheit 11 wird
der Laufflächenkörper durch
das Ventilgehäuse 12 gebildet. Das
Ventilgehäuse 12,
insbesondere dessen Gehäuseausnehmung 13 ist
an seinem Endbereich so geformt, dass es den Antriebskolben 23 aufnehmen kann.
Die Beschichtung 25 befindet sich an der Innenwandung des
zur Aufnahme des Antriebskolbens 23 ausgebildeten Endbereichs
der Gehäuseausnehmung 13.
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Die
Beschichtung 25 ist im Gegensatz zum Ventilgehäuse 12 und
zum Gehäusedeckel 24 aus unverstärktem Beschichtungsmaterial
gebildet. Dies gewährleistet
eine relativ glatte, verstärkungsmaterialfreie
Lauffläche
für den
Antriebskolben 23, sodass ein exakter, verschleiflarmer
Verschiebebetrieb des Ventilschiebers 21 möglich ist.
Insbesondere wird die am Antriebskolben 23 befindliche,
verschleißempfindliche
Dichtung 27, die beispielhaft in Form eines O-Rings dargestellt
ist, beim Gleiten über
die Lauffläche
nicht beschädigt.
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Bei
dem Beschichtungsmaterial handelt es sich zweckmäßigerweise um Kunststoff, sodass
die Beschichtung bei der Herstellung des Kunststoff-Ventilgehäuses 12 oder
des Kunststoff-Gehäusedeckels 24 gleich
mitangeformt werden kann. Bei dem Kunststoff handelt es sich vorzugsweise
um einen Thermoplasten, insbesondere um Polyamid (PA) oder Polyoxymethylen
(POM) Als Herstellungsverfahren eignet sich besonders das Kunststoffspritzgießen.
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Die
Führungsbuchse 26 des
Gehäusedeckels 24 bildet
einen Betätigungsraum 43 für den Antriebskolben 23,
wobei der auf der dem Ventilschieber 21 entgegengesetzten
Seite des Antriebskolbens 23 liegende äußere Abschnitt 37 des
Betätigungsraums 43 in
nicht näher
dargestellter Weise mit einem Steuerkanal 42 kommuniziert, über den
ein fluidisches Steuermedium wahlweise zugeführt oder abgeführt werden
kann. Die entsprechende Steuerung übernimmt ein elektrisch aktivierbares
Vorsteuerventil 38, das an das Ventilgehäuse 12 angebaut
ist.
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Vergleichbare
Betätigungsmittel
können auch
dem entgegengesetzten Ende des Ventilschiebers 21 zugeordnet
sein. Wie in 1 dargestellt, befindet sich
am antriebskolbenfernen Ende des Steuerglieds 22 eine Rückstellfeder 39,
die zwischen dem Ventilgehäuse 12 und
dem Ventilschieber 21 wirksam ist und den Ventilschieber 21 ständig in Richtung
zum Antriebskolben 23 beaufschlagt.
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Im
deaktivierten Zustand des Vorsteuerventils 38 nimmt der
Ventilschieber 21, bedingt durch die Vorspannung der Rückstellfeder 39,
die aus der Zeichnung ersichtliche erste Schaltstellung ein. Durch
Aktivieren des Vorsteuerventils 38 wird der Antriebskolben 23 und
somit der Ventilschieber 21 unter gleichzeitiger Komprimierung
der Rückstellfeder 39 nach
rechts in eine zweite Schaltstellung verlagert. Die Rückstellfeder 39 kann
auf einem in die Gehäuseausnehmung 13 hineinragenden
Bolzen 44 geführt sein,
der in der zweiten Schaltstellung des Ventilschiebers 21 in
eine Ausnehmung 45 am Endbereich des Steuerglieds 22 einfährt.
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In 3 ist das Anformen der Beschichtung 25 am
Laufflächenkörper 12; 24,
beispielhaft anhand von vier aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten 3A bis 3D,
dargestellt. Als Laufflächenkörper ist
dabei beispielhaft der Gehäusedeckel 24 gewählt. Das Herstellungsverfahren
lässt sich
jedoch genauso gut für
die Anformung der Beschichtung 25 am Ventilgehäuse 12 anwenden.
Das bevorzugte Herstellungsverfahren ist ein Zwei-Komponenten-Kunststoffspritzgießverfahren.
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Zunächst wird,
wie in 3A dargestellt, der Gehäusedeckel 24 gespritzt.
Dabei läuft
als erste Komponente plastifizierter Kunststoff in ein die Form des
Gehäusedeckels 24 vorgebendes
Werkzeug 70 ein, das beispielhaft in 3A dargestellt
ist. Dem Kunststoffmaterial, bei dem es sich vorzugsweise um ein
Thermoplast handelt, wird Verstärkungsmaterial, beispielsweise
in Form von Fasern, zugegeben, so dass die Festigkeit des entstehenden
Gehäusedeckels 24 erhöht wird.
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Zum
Werkzeug 70 gehört
ferner eine Hülse 71,
in der gemäß 3A ein
Vollkern 72 aufgenommen ist. Die Hülse 71 dient dazu,
den Durchmesser der später
den Antriebskolben 23 aufnehmenden Führungsbuchse 26 festzulegen.
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Als
nächster
Verfahrensschritt wird, wie in 3B dargestellt,
die Hülse 71 bis
zum Ende der Führungsbuchse 26 herausgezogen,
während
der Vollkern 72 an seiner ursprünglichen Position verbleibt.
Dadurch entsteht ein schmaler Ringspalt, in den, wie in 3C dargestellt,
im nächsten
Verfahrensschritt als zweite Komponente die Beschichtung 25 eingespritzt
wird. Als Beschichtungsmaterial wird unverstärkter Kunststoff verwendet,
vorzugsweise derselbe Kunststoff wie für den Gehäusedeckel 24, mit
dem Unterschied, dass keine Verstärkungsfasern zugegeben sind.
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Als
letzter Verfahrensschritt wird, wie in 3D dargestellt,
der Vollkern 72 herausgezogen. Gehäusedeckel 24 und Beschichtung 25 bilden
im abgekühlten
Endzustand eine innige Verbindung, wobei der Gehäusedeckel 24 durch
den Zusatz von Verstärkungsmaterial
die notwendige Festigkeit aufweist und die Beschichtung 25 eine
glatte, verschleißarme
Lauffläche
für den
Antriebskolben 23 bildet.