DE1458145A1 - Hochgeschwindigkeitsrotor und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Hochgeschwindigkeitsrotor und Verfahren zur Herstellung desselben

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Description

.Ci.B.HACiEJi München, den 13. März 1964
Patentanwalt Dr. H./D#/DÖ.
8000 M ÜN CHEN-S OLLN "-Γ""^
Fran« Haie Stnrfe 21 ΓΤ^ ? ^ 1 ' 1 \ 1458145
Telefon 796213 Poetfach 48
BM 1178
Beckman Instruments Ino.
2500 Harbfctir Boulevard
Fullerton,California, USA
Hochgeschwindigkeitsrotor und Verfahren zur Herstellung desselben.
Priorität! H. März 1963? USA; US Serial Νοβ 265090
Die Erfindung betrifft hochbelastbare Hotationskörper sowie ein Verfahren, um diese herzustellen. Ein derartig hergestellter Botetionskörper ist besonders nützlich zur Verwendung in einer Ultrazentrifuge,
In Zentrifugen werden Eotoren mit Geschwindigkeiten betrieben, die so hoch sein können,.daß sie lediglich um eine Sicherheitsspanne unter derjenigen Geschwindigkeit liegen, bei der sich der Eotor in Folge der auftretenden Zentrifugalkräfte auflöst. Daher sind die höchsten noch betriebssicheren Eotationsgeschwindigkeiten durch die mechanische Stärke des Eotors bedingt, insbesondere durch die Belastbarkeit in radial zur Eotationsaehse liegender Sichtung. Durch die Auswahl stärkerer und damit natürlich auoh teuererer. Materialien, sowie durch deren Behandlung mit herkömmlichen metallurgischen Techniken
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Bayerische Vereinebank München 82© 993
werden immer höhere Geschwindigkeiten erreicht·
Bei der Herstellung von Hochgeschwindigkeitsrotoren ist, festzustellen, daß bestimmte Bedingungen während des Herstellungsvorganges, wie ζ« Β· das Erhärten des Werkstoffes dazu beitragen, daß sich in dem Material Regionen niedrigerer Belastbarkeit ausbilden» Ferner ist festzustellen, daß der Mangel an Homogenität im Material, aus dem der Rotor hergestellt wird, dazu beiträgt, daß'sich derartige konzentrierte Stellen geringer Festigkeit ausbilden. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten beginnt natürlicherweise die Auflösung des Rotors zuerst an diesen Stellen» Es ist anzunehmen, daß eine erhöhte Dichte des Materiales nahe des Umfanges des Rotors die Festigkeit in radialer Richtung verbessert»
Daher ist es Ziel der Erfindung, einen verstärkten Rotationskörper für Hochgeschwindigkeitszentrifugen zu schaffen, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung desselben·
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Rotor hoher Fe- . stigkeit dadurch zu schaffen, daß das Material, aus dem dieser hergestellt wird, gegossen wird und in noch flüssiger Form als Schmelze zentrifugiert wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Hochgeschwindigkeitsrotor so zu schaffen, daß die Festigkeit üblicher Herstellung smaterialien verbessert wird· Daraus resultiert als weiteres
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Ziel der Erfindung, einen verstärkten Hoohgeschwindigkeitsrotor zu schaffen» in dem längliche Teilchen eines bestimmten Werkstoffes so orientiert sind, daß ihre längeren Dimensionen im
in
wesentlichen konzentrischen kreisförmigen Ringen um die Achse des Rotors ausgerichtet sind»
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ts, ein Terfahren zur Herstellung eines derartigen Rotors bereitzustellen·
Erfindungsgemäß werden mit diesem Herstellungsverfahren dadurch { hochbelastbare Rotoren geschaffen, daß nahe des Umfanges des Rotors eine verstärkte Dichte in Längsrichtung ausgerichteter Werk* Stoffteilchen vorhanden ist«
Die Erfindung sieht einen starren zylindrischen für Rotation mit hoher Geschwindigkeit geeigneten Körper vor, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er aus zentrifugiertem Werkstoff hergestellt wird, der während des Zentrifugierungsprozesses um die Aehse des Rotors von flüssigem in festen Zustand übergeht, sodaß der so entstehende Rotationskörper entlang seines Umfanges eine erhöhte Materialdichte aufweist.
Die Erfindung betrifft ebenso ein Terfahren zur Herstellung eines derartigen zylindrischen Körpers, das die einzelnen Verarbeitungssehritte umfaßt, die darin bestehen, das Material zur Bildung dieses Körpers zunächst in entsprechender Anhäufung bereitzur stellen und zwar in flüssigem Zustand in einer rotierbaren Guß-
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form, diese dann mit beachtlicher Umdrehungsgeschwindigkeit zu drehen und dabei das Material zu zentrifugieren, wobei dieses während dee Zentrifugierungsprozesses fest wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung eines derartigen hochbelastbaren starren zylindrischen Körpers, der aus einer im wesentlichen zylindrischen an einem Ende zur Aufnahme des geschmolzenen Hateriales für den Rotationskörper offenen Gußform besteht, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie zur Ermöglichung des Zentrifugiert-Vorgangs um ihre Achse gedreht werden kann und dadurch, daß ein koaxial zur Achse der ffußform in sie hineinragender Dorn vergesehen ist, der von ihr einen gewissen Abstand hat und gegenüber ihr gedreht werden kann, so wie dadurch, daß Mittel vorgesehen sind, um die ffußform und den Dorn mit verschiedenen Umdrehungsgeschwindigkeiten zu drehen·
Im folgenden sei nun eine Besehreibung eintr Ausführungsfarm der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen vorgenommen· Es bedeuten!
Mg· 1 eine scheuetisehe teilweise Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines Rotationskörpers hoher Belastbarkeit gemäS dtr Erfindung,
Fig. 2 eine im Maßstab verkleinerte Schnittzeichnung entlang der linie 2-2 in I1Ig* 1,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Rotationskörpers gemäß der Erfindung,
Fig. 4 eine echematische Detaildarstellung eines Schnittes· durch den Körper in Fig. 3, der die mit zunehmendem Radius zunehmende Dichte des Rotormaterialee und die Ausrichtung der Werkstoffteilohen zeigt«
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Im großen und ganzen wird bei der Herstellung einea zylindrisch geformten Teiles, der z«B· als Rotor einer Zentrifuge verwendet werden könnte, das dafür vorgesehene Material in flüssigem Zustand in einer drehbaren Gußform angehäuft, die Gußform dann mit relativ hoher Geschwindigkeit rotiert und so das Material v zentrifugiert. Dann läßt man es fest werden, so daß ein Rotor besteht, bei dem die Konzentration der ichweren Werkstoffteilchen nahe des Umfangs erhöht ist*
Dieses Verfahren kann dadurch verbessert werden, daß eine ge- | wisse volumenmäßig bestimmte Menge flüssigen Materiales vorgesehen wird, in dem längliche Werkstoffteilchen enthalten sind, d.h. daß entweder diskrete Teilchen eine derartige Form besitzen, oder dadurch, daß die Moleküle des geschmolzenen Materiales eine längliche Form haben und daß dann diese Materie so angeordnet wird, daß die längere Dimension derselben im wesentlichen entlang konzentrischer Kreise um die gemeinsame Achse liegen. Dann wird der Übergang vom flüssigen in den festen Zustand bewirkt und die soeben geschilderte Orientierung der länglichen Partikel dabei aufrecht erhalten.
Ein zylindrischer Zentrifugenhohlkörper 25 wie er in Fig. 3 gezeigt ist, kann dadurch gebildet werden, daß auf das Material aus dem er hergestellt werden soll, zentrifugale Kräfte einwirken und dann das Material in diesem Beanspruchungszustand so lange gehalten wird, bis es sioh verfestigt. So besteht die in Fig. 1 gezeigte Torrichtung aus einer hohlen zylindrischen
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Gußform, deren eines Ende offen ist, so daß dadurch flüssiges Material in die G-ußform eingebracht werden kann. Das Material soll längliche Werkstoffteilchen enthalten» Die Gußform ist so auf einer Achse befestigt, daß das in ihr enthaltene Material zentrifugiert werden kann· Ein Dorn 12 ragt von oben nach un~ ten in die Gußform, koaxial mit dieser ausgerichtet, hinein und ist gegenüber ihr drehbar» Es sind Mittel vorgesehen,- um die Gußform und den Dorn mit verschiedenen Geschwindigkeiten anzutreiben« Auch der Geschwindigkeitsunterschied zwischen Dorn und Gußform kann variiert werden. Auf diese Weise kommen Schichten des Hohlkörpers 25 unter dem Einfluß verschieden starker Scherkräfte im flüssigen Material zustande. Diese, verschiedenen Scherkräften entsprechenden Schichten richten die im flüssigen Material enthaltenen länglichen Werkstoffpartikel so aus, daß sie im großen und ganzen senkrecht zu den Eadiuslinien des Hohlkörpers zu liegen kommen·
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einer Ausführungsform beschrieben, die die Herstellung eines zylindrischen Hohlkörpers für einen Zentrifugenrotor beschreibt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß hochbelastbare zylindrische Körper anderer Art damit ebenso hergestellt werden können und daß darüber hinaus alle möglichen zylindrischen Konstruktionen auf diese Art und Weise mit hoher festigkeit in radialer Richtung versehen werden können*
Die Vorrichtung, die geeignet ist, die einzelnen Werkstoffpar-
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tikel in der gewünöchten Weise auszurichten^ beeteht aus einer .becherförmigen Gußform 10, die auf einer Welle 11 befestigt ist· Ein Dorn 12 ist am Ende einer entsprechenden Welle 13 angeordnet und ragt von oben nach unten koaxial in das Innere der Gußform 10 hinein und dreht sich relativ zu dieser. Das obere Ende der Gußform 10 ist mit einem in diese eingeschraubten Deokel 14 abgeschlossen· Im Deokel 14 ist eine öffnung 15 vorgesehen, durch die das flüssige Material in den ringförmigen Baum 16 eintreten kann, der zwischen dem äußeren umfang des Domes 12 und der inneren Wand der Gußform 10 besteht« Der Dorn 12 hat gegen«· | über dem Boden der Gußform 10 einen gewissen Abstand, so daß sich dort ein Raum 17 ausbildet, der die !form einer zylindrischen Scheibe hat. Die Bäume 16 und 17 definieren so im wesentlichen die Form des auf diese Art herzustellenden zylindrisch geformten becherförmigen Zentrifugenrotors 25. Die obere Oberfläche des Deckels H weist einen trichterförmigen Flansch 18 auf, der das Eingießen des flüssigen Materiales in die Gußform 10 erleichtert·
Es sind Mittel vorgesehen, um die Wellen 13 und 11 mit versohl«'- , denen Drehungsgesohwindigkeiten anzutreiben· Ein Motor 20 ist vorgesehen, mit dem ein passendes Differentialgetriebe 21 verbunden ist* Über entsprechend« Wellen 22, 23 let das Getriebe dann mit den Wellen 11 und 13 verbunden· Im Dorn 12 kann ein Schlitz 24 vorgesehen sein« Der Schlitz 24 stellt das Saohrücken einer ausreichenden Menge des zu gießenden Materiales sicher, so daß die gewünschte Dioke des becherförmigen GußkörperB
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voll erreicht wird. Der Motor 20 treibt den Dorn 12 und die Qußform 10 an. So erhält das G-ußaaterial an den inneren und äußeren Bereichen des zwischen G-ußform und Dorn bestehenden Raumes verschiedene Umdrehungsgeschwindigkeit. Die Umdrehungsgeschwindigkeit des Materials ändert sich also mit dem Eadius. Auf diese Weise entstehen verschiedene Schichten 27 unter verschiedener Scherkraft.
Zur Verstärkung des Rotors durch mit dem Radius bis zum äußeren Umfang hin zunehmende Dichte sind im allgemeinen die folgenden Schritte notwendig ι Zunächst wird das G-ußmaterial in flüssigem Zustand in der drehbaren Q-ußferm angesammelt. Dann wird die ö-ußform mit beachtlicher Umdrehungsgeschwindigkeit gedreht, so dafi das in ihr befindliche Material zentrifugiert wird« Dann läßt man das Material fest werden. Das kann entweder dadurch geschehen, daß man wartet, bis es von selbst in der gewünschten aufrechten form erstarrt während es geküalt wird oder während das Festwerten aktiv herbeigeführt wird· Das Letztere kann durch eine chemische Rektion, durch Kühlung, Erhitzen oder auf irgendeine andere für das Hotormattrial geeignete Weise herbeigeführt werden.
Bei der Herstellung eines Rotor· wie d·· in Fig. 3 gezeigten und mit St, 25 bezeichneten geht also folgendermaßen vor eiohι Zunächst wird die gewünschte Menge an flüssigem Glasmaterial, das längliche Werkstoffpartikel enthält, In die form gebracht· -Dann werden die Werkstoffpartikel so ausgerichtet, daß sie mit ihrer größeren Dimension im großen und ganzen entlang kreie-
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förmlger Wege um ihre gemeinsame Aohse liegen· Sann läßt man das Material fest «erden, wobei die Orientierung beibehalten werden soll. Außerdem läßt man auf das Material eine beachtliche konzentrierende oder zusammendrückende Kraft einwirken, die in radialer Bichtung von der Aihse der Drehung hinweg wirkt· Während der Wirkung dieser Kraft müssen die im Q-ußmaterial enthaltenen länglichen Partikel in dieser gewünschten Ausriohtung bleiben.
G-enaueieAusführungen seien im folgenden im Hinblick auf ein Bei-· spiel gemacht, lin normalerweise festes thermoplastisches Material wie z.B. Aluminium oder Titan wird flüssig gemacht. Die gewünschte Menge wird in die Bäume 16, 17 der Gußform eingebracht« In dem flüssigen Material sind längliche Werkst off teilchen ein-· gebettet, ζ·Β· Glässplitter, Eisenfeilspäne oder ähnl«, die in Längsrichtung eine relativ hohe Kreisfestigkeit aufweisen« Dann wird die öußform mit ungefähr 1000 ü/min. gedreht» Während der Drehung der Gußform 10 wird ein "Schlupf1' g#eo&Leas«a.> für eine parallel zur Zylinderfläche liegende Grenzschicht des Materiales erzeugt, sodaß sich Schichten 27 verschiedener Scherkraft ausbilden* Das wird daduroh erreicht, daß zwischen den feilen des Materials, die in radialer Bichtung in verschiedenem Abstand von der Aohse angeordnet sind, ein Unterschied in der Botationsgesohwindigkeit dieser Teile erzeugt wird. Dieser Geschwindigkeitsunterschied zwischen den verschiedenen Schichten richtet die länglichen Partikel quer zu den Badiuslinien der (Jußform aus. Das kann dadurch erreicht werden, daß der Dorn 1*2
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schneller, langsamer oder in entgegengesetzter Richtung als die Gußform 10 gedreht wird. Je nach dem kann irgendein passendes Differentialgetriebe 21 zur Ausführung dieser Funktionen ausgewählt werden.
Das flüssige Material wird dann fest, in dem man eine Kühlung ermöglicht. Uaeh dem Kühlen kann der Deckel H entfernt werden, beispielsweise durch einen Schraubenschlüssel, der in die dafür vorgesehenen Aussparungen 26 eingreift. Der "Becherförmige Teil 25 kann dann aus der Form entfernt werden. Der Teil 25 wird an seiner inneren Wandung eine Rippe aufweisen, die -der Nut 24 entspricht. Diese kann dann durch entsprechende maschinelle Bearbeitung entfernt werden«
Wie das aus Fig· 4 zu ersehen ist, entsteht durch das soeben geschilderte Verfahren eine Reihe von konzentrisch angeordneten Schichten 27 in dem becherförmigen Rotationskörper 25. In diesen Schichten sind die länglichen Werkstoffteilchen 28 im großen und ganzen tangential zu den zylindrischen Schichten 27 angeordnet. Durch diese Anordnung der Teilchen 28 quer zu den Radiuslinien der Schichten 27 erhält man auf diese Weise Rotoren oder entsprechende zylindrische Teile, ohne daß teuere metallurgische Techniken, oder Materialien notwendig sind· Je mehr rechtwinklig die Ausrichtung der einzelnen Teilchen gegenüber den Sadiuslinien ist, desto größer wird der Wideretand gegen ein« Auflösung infolge tob. Zentrifugalkraft bei extremen Umdrehungsgeschwindigkeiten des Rotationskörpers sein»
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Dies oben geschilderte Verfahren bewirkt ebenso, daß die länglichen !Teilchen 28 mit abnehmendem Abstand von dem äußeren Umfang des Bechers 25 hin in höherer Dichte nebeneinander liegen* Wie das bereits angedeutet wurde, soll der Ausdruck "längliche Werkst off teilchen·1 dahingehend verstanden werden, daß das Ghißmaterial sowohl aus Stoffen bestehen kann, die längliche Moleküle haben, als auch einfach mit Mdiskreten Werkstoffteilohen" wie ζ·Β· Glassplittern oder Eisenfeilspänen, die vom Auge leicht wahrgenommen werden können, gemischt werden kann· So kann aus Pig, 4 ersehen werden, daß sich die größeren Teilchen an der | Außenseite des Bechers 25 anordnen und daß die Trennung zwischen Schichten, die unter verschiedenen Scherkräften zustande gekommen sind am stärksten zur Innenwandung des Bechers hin in Erscheinung tritt·
Aus dem Vorangegangenen geht hervor, daß auf diest Weise ein hochbelastbarer starrer zylindrischer Körper geschaffen werden kann, der für Rotation um seine eigene Achse mit hohen Geschwindigkeiten geeignet ist. Die bedeutendste Eigenschaft ist die, daß das zur Herstellung verwendete Material längliche Werketoffteilchen aufweist, die bei der Herstellung so angeordnet werden, ! daß sie im wesentlichen senkrecht zu den Radiuslinien des zylindrischen Körpers liegen· Weiterhin ist es von Bedeutung, daß die Dichte der Volumeneinheit de· verwendeten Hattrial» mit abnehmendem Abstand von der äußeren Zylinderwand wächst.
Ist es wünschenswert, daß andere Herstellungsarterialiea, wie
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z.B. unter Wärmeeinwirkung erhärtende Kunststoffe, verwendet werden, so können zunächst durch verschiedene Drehgeschwindigkeiten von Dorn und Gußform die einzelnen längliehen Werkstoffteilohen in der gewünschten Richtung ausgerichtet werden· Die Erhärtung muß dann aktiv, beispielsweise durch Erhitzen herbeigeführt werden· Ein zu diesem Zwecke geeigneter Kunststoff ist Phenol· Dieses Material härtet bei Erhitzung auf 170° C. Die entsprechende Wärmebehandlung muß einige Minuten lang aufreoht erhalten werden. Durch chemische Reaktion erhärtbare Materialien können ebenso verwendet werden· Beispielsweise kann Epoxyharz benützt werden, das bei Hinzufüguog eines Katalysators auehärtet.
Im Vorangehenden ist lediglich e ine' Aueführungeform beschrieben worden· Ss sei darauf hingewiesen, daß wesentliche Abweiohungen von derselben möglich sind, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen·
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ORIGINAL INSPECTED Patentansprüche t

Claims (1)

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    Patentanspruch··
    1. Hoohbelastbarer starrer zylindrischer Seil beispielsweise ale Rotor in einer Hochgesohwindigkeitszentrifuge geeignet, * daduroh geicennzeiob.net , daß die Dichte pro Volumeneinheit des den Teil bildenden Werketoffee mit waohsendem Abstand von der Zylinderachse zunimmt, und dadaroh» deß der Teil aus längliche Werkstoffteilohen enthaltendem Material hergestellt ist» deren längere Dimension eenkreoht " zu den Badiuslinien des zyllndrisohen Teiles ausgerichtet ist.
    2« Teil naoh Anspruch 1, daduroh gekennzelohnet, daß in dem Material, aus dem der Teil hergestellt ist,- diskrete läng» Hohe Teilchen eingelagert sind.
    3« Verfahren zur Herstellung eines zylindrisohen Teiles neon Anspruch 1fund 2, daduroh gekennzeichnet, ι daß das Material, aus dem der Teil hergestellt wird in flüssiger JOrm in eint drehbare Gußform eingebracht wird, die Gußform mit beträchtlicher Umdrehungsgeschwindigkeit angetrieben wird, auf diese Weise das Material zentrifugiert wird, und während des ZeatrixuglerTorgangee erstarrt.
    4* Verfahren nach Anspruch 3, daduroh gekennzeichnet, daß Materialmengen, die sich während der Rotation
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    in verschiedenen Abständen τοη der Drehachse befinden, mit verschiedenen Umdrehungsgeschwindigkeiten, rotiert werden.
    5. Verfahren nach Anspruoh 3» dadurch gekennze i c b. n e t , daß dem Material," aus dem der Körper hergestellt wird, ländliche diskrete Teilchen zugefügt werden.
    6. Verfahren nach Anspruoh 5# daduroh gekennaeiohn e t , daß ein mit zunehmendem Abstand von der Zylinderachse höherer Prozentsatz des Herstellungsmateriaies in radialer Richtung, von der Achse des Zylinders hinweg,' innerhalb der Gußform verteilt wird, um so die Materialdichte pro Volumeneinheit des Herstellungsmateriaies mit zunehmendem Abstand von der Achse zu erhöhen.
    7. Vorrichtung zur Herstellung eines zylindrischen Teiles nach Anspruch 1 und 2 unter Verwendung einer im großen und ganzen zylindrischen Gußform, die an ihrem oberen Ende eine öffnung zur Aufnahme des flüssigen Kateriales aufweist, daduroh gekennzeichnet , daß die Gußform (10) um ihre Achse drehbar ist, um so eine Zentrifugierung zu ermöglichen, und dadurch, daß ein Dorn (12) von oben in die Gußform (10) hineinragt ,und zwisohen Dorn (12) und Gußform (10) ein gewieeer
    •. Abstand gewahrt ist, und der Dorn bo befestigt ist, daß er gegenüber der Gußform (10) drehbar ist, sowie daduroh, daß Mittel (20, 21) vorgesehen sind, die die Gußform (10) und den Dorn (12) mit unterschiedlicher Umdrehungsgeschwindigkeit drehen.
    809812/0821
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