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Die Erfindung betrifft einen innendruckbetätigten Aktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Fluidbetriebene, durch Innendruck betätigte Aktoren finden insbesondere im Sondermaschinenbau häufig Anwendung. Eine bekannte Bauform ist dabei der Pneumatikzylinder, der mit Luft unter Innendruck gesetzt werden kann. Der Innendruck setzt dabei einen Kolben und eine Kolbenstange in Bewegung, wodurch zahlreiche Betätigungs- bzw. Stellvorgänge bewirkt werden können. Nachteilig ist dabei die gleitende Relativbewegung einzelner Komponenten gegeneinander, was zu Verschleiß führt. Ein solcher Verschleiß wird durch den Einsatz von geeigneten Materialpaarungen sowie einer Schmierung gemindert. Letzteres ist aber insbesondere im pharmazeutischen Bereich problematisch. So entstehen bei der Pulververarbeitung Stäube, die sich beispielsweise an der Kolbenstange ansammeln und abrasiv auf die Dichtungselemente des Zylinders einwirken.
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Aus der
DE 10 2005 056 846 B4 ist ein Linearantrieb mit einem innendruckbetätigten Aktor in Form eines Faltenbalges bekannt. Der Aktor ist unter Verwendung eines additiven bzw. generativen Fertigungsverfahrens hergestellt. Dem liegt eine geometrisch komplexe Struktur zugrunde. Es sind aufwändige und platzraubende Maßnahmen erforderlich, um eine zielgerichtet geführte Linearbewegung zu erzeugen. Geometrisch deutlich einfacher sind sogenannte Rohr- oder Bourdonfedern, wie sie in Manometern zum Einsatz kommen. Deren innendruckbetätigter Aktor umfasst einen Druckhohlkörper mit einer kreisbogenförmig verlaufenden Mittellinie. Eine Erhöhung des Innendrucks hat ein Aufbiegen der Kreisbogenform zur Folge, welches in eine entsprechende Stellbewegung umgesetzt wird. Trotz des einfachen Aufbaus sind präzise Stellvorgänge in der Messtechnik möglich. Konstruktionsbedingt umschließt der metallische Druckhohlkörper einen Umlaufwinkel von nicht mehr als etwa 270°. Außerdem sind die anwendbaren Druckdifferenzen gering, um plastische Verformungen des Druckhohlkörpers zu vermeiden. In der Folge sind die erzielbaren Stellkräfte und auch Stellwege sehr eingeschränkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Aktor derart weiterzubilden, dass bei einfacher Bauweise auch unter schwierigen Einsatzbedingungen zuverlässig hohe Stellkräfte und/oder Stellwege erzeugt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch einen Aktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der Druckhohlkörper des Aktors zumindest abschnittsweise entlang einer bogenförmig um ein Zentrum herum verlaufenden Mittellinie erstreckt, und dass der Druckhohlkörper einschließlich seiner beiden Anschlussabschnitte einteilig additiv gefertigt ist. Reibpaarungen, wie sie bei Pneumatikzylindern zu finden sind, spielen hier für die Erzeugung einer Stellbewegung keine Rolle. Weder entsteht Abrieb noch ist eine Schmierung erforderlich. Die erzeugte Stellbewegung unterliegt keiner Einschränkung durch Stäube oder anderer abrasiver Materialien. Das Fehlen einer Schmierung schließt die Gefahr einer entsprechenden Kontamination empfindlicher Stoffe beispielsweise im Pharmabereich aus. Im Vergleich zu einem Faltenbalg ist der geometrische Aufbau deutlich einfacher und lässt mit überschaubaren Mitteln sowohl eine Befestigung als auch eine Umsetzung der Hohlkörperverformung in eine zielgerichtete Linearbewegung zu. Im Unterschied zur metallischen Bourdonfeder erlaubt die Ausführung mit dem erfindungsgemäß additiv gefertigten Druckhohlkörper eine präzise geometrische Anpassung an die jeweilige Stell- bzw. Betätigungsaufgabe, so dass bei kompakter Bauform die erforderlichen Stellwege und Stellkräfte erreicht werden können. Auch unter schwierigen Einsatzbedingungen wie insbesondere im Pharmabereich erschließen sich zahlreiche Einsatzmöglichkeiten, von denen hier Klemmungen, Ausrichtfunktionen, Schaltweichen und Greifer beispielhaft genannt sind.
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Ein kreisbogenförmiger Verlauf der Mittellinie kann zweckmäßig sein. Bevorzugt verläuft jedoch die Mittellinie des Druckhohlkörpers zumindest abschnittsweise spiralförmig. Dies erlaubt größere Umlaufwinkel von insbesondere > 360°, ohne dass die beiden Anschlussabschnitte des Druckhohlkörpers geometrisch bzw. kinematisch kollidieren. In Folge eines derart großen Umlaufwinkels lassen sich auch entsprechend große Stellwege realisieren.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung liegt ein erster Anschlussabschnitt im Zentrum und weist erste Befestigungsmittel zur ortsfesten Befestigung des Aktors auf, wobei der erste Anschlussabschnitt insbesondere auch mit einer Druckeinleitungsöffnung versehen ist. Zweckmäßig liegt ein zweiter Anschlussabschnitt radial außerhalb des Zentrums und weist zweite Befestigungsmittel für ein zu bewegendes Objekte auf, wobei der radial außen liegende zweite Anschlussabschnitt bevorzugt Führungsmittel für eine Linearbewegung aufweist. Anders als bei der dezentralen Befestigung einer Bourdonfeder erlauben die erfindungsgemäße zentrale Befestigung sowie auch die zentrale Druckeinleitung eine freie Ausgestaltung des Bereichs des aktiv bewegten zweiten Anschlussabschnitts. Hier können nach Bedarf Linearführungen, Adapter, Anschluss- und Befestigungseinrichtungen oder Ähnliches positioniert werden, ohne dass eine räumliche Einschränkung durch die ortsfeste Fixierung im Zentrum eintreten würde.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist im Bereich des zweiten Anschlussabschnittes eine Zugangsöffnung vorgesehen. Diese eignet sich insbesondere zum Entfernen von Stützmaterial aus dem Druckhohlkörper. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass bei der additiven Fertigung von Hohlkörpern eine innere Stützung erforderlich sein kann, welche jedoch nur für den Vorgang der Fertigung bei einer Brücken- bzw. Dachbildung erforderlich ist. Nach Abschluss der Fertigung ist die innere Stützstruktur im Regelfall überflüssig geworden und möglicherweise für die Funktion des Aktors auch störend. Eine Entfernung durch die genannte Zugangsöffnung ist jedoch ohne weiteres möglich.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 in einer schematischen Draufsicht einen erfindungsgemäß additiv gefertigten Aktor mit einem spiraligen Druckhohlkörper, mit einer zentralen Befestigung und mit dezentralen Führungsmitteln für eine Linearbewegung, und
- 2 in einer Schnittdarstellung den Aktor nach 1 mit weiteren Einzelheiten seiner konstruktiven Ausgestaltung.
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1 zeigt in einer schematischen Draufsicht einen erfindungsgemäßen Aktor mit einem Druckhohlkörper 1, welcher sich zumindest abschnittsweise entlang einer bogenförmig um ein Zentrum 2 herum verlaufenden Mittellinie 3 erstreckt. Der Druckhohlkörper 1 kann nach Bedarf mit einem Innendruck beaufschlagt werden, was zu einer Stellbewegung entsprechend einem Doppelpfeil 13 führt. Der gezeigte Aktor findet insbesondere im Pharmabereich bzw. in Bereichen hoher Staubbelastung beispielweise bei der Pulver- oder Tablettenverarbeitung Verwendung und kann dort für Klemmungen, Ausrichtfunktionen, Schaltweichen, Greifer oder dergleichen zum Einsatz kommen. Für die Stellfunktion umfasst der Aktor den genannten Druckhohlkörper 1, welcher an seinen beiden Enden 4, 5 jeweils einen Anschlussabschnitt 6, 7 aufweist. Ein erster Anschlussabschnitt 6 ist mit ersten Befestigungsmitteln 8 beispielhaft in Form einer Schraubbohrung versehen, womit der Aktor ortsfest befestigt ist. Ein zweiter Anschlussabschnitt 7 weist zweite Befestigungsmittel 9 beispielhaft in Form einer flachen Zunge für ein zu bewegendes, hier der Einfachheit halber nicht dargestelltes Objekt auf. Die genannte flache Zunge bildet außerdem Führungsmittel 11 zur Erzeugung einer Linearbewegung entsprechend dem Doppelpfeil 13 und ist hierzu in einer schematisch angedeuteten Linearführung 14 geführt.
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Über eine Druckeinleitungsöffnung 10 kann ein Fluid in den Innenraum des Druckhohlkörpers 1 eingeleitet werden. Der ansonsten geschlossene Druckhohlkörper 1 erfährt dadurch einen inneren Überdruck relativ zum äußeren, im Regelfall atmosphärischen Umgebungsdruck. Als Fluid kommen hier bevorzugt Luft, aber auch technische Gase sowie inkompressible Flüssigkeiten in Betracht. Der erzeugte innere Überdruck führt zu einer Streckung bzw. zu einem Aufweiten der Bogenform. In Verbindung mit der ortsfesten Fixierung des ersten Anschlussabschnittes 6 wird dieses Aufweiten mittels der Führungsmittel 11 bzw. der Linearführung 14 in die genannte Linearbewegung entsprechend dem Doppelpfeil 13 umgesetzt. Die gleichermaßen linear bewegten zweiten Befestigungsmittel 9 übertragen diese Linearbewegung an das daran befestigte und zu bewegende Zielobjekt, wodurch die gewünschte Stellbewegung herbeiführt wird.
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2 zeigt den Aktor nach 1 in einer geschnittenen Darstellung. Hieraus ergibt sich die hohle Bauform des Druckhohlkörpers 1 sowie dessen einteilige Ausgestaltung einschließlich der beiden Anschlussabschnitte 6, 7 mit den Befestigungsmitteln 8, 9. Die einteilige Ausgestaltung ist gemäß der Erfindung durch eine additive Fertigung erzielt worden, was auch als 3D-Druck bezeichnet wird. Hierzu kommen neben dem bekannten thermoplastischen Aufschmelzen von Kunststoff auch alle anderen bekannten Verfahren der additiven Fertigung insbesondere im Bereich der Kunststoffe und der Metalle in Betracht. Wandstärke und Querschnittsform des Druckhohlkörpers 1 können ebenso wie der geometrische Verlauf der Mittellinie 3 an die herrschenden Anforderungen angepasst werden. Das Gleiche gilt auch für die quasi freie Materialauswahl, um den im Betrieb wirkenden Druckdifferenzen standzuhalten.
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Die ersten Befestigungsmittel 8 in Form des genannten Schraubloches sind vom Innenraum des Druckhohlkörpers 1 fluidisch getrennt, so dass hierdurch kein Druck entweichen kann. In den Innenraum münden nur die schon erwähnte Druckeinleitungsöffnung 10 sowie eine weitere Öffnung, nämlich eine Zugangsöffnung 12. Die Zugangsöffnung 12 dient der Entfernung von Stützmaterial, welches während der Fertigung im Innenraum des Druckhohlkörpers aufgebaut und anschließend nicht mehr benötigt wird. Nach dem Entfernen und während des Betriebes ist die Zugangsöffnung 12 verschlossen, so dass über die Druckeinleitungsöffnung 10 ein Innendruck aufgebaut werden kann. Die Druckeinleitungsöffnung kann mit einem bei der Fertigung direkt eingeformten Gewinde für ein Schraubfitting versehen sein. Gleichermaßen erlaubt die additive Fertigung aber auch, ein geeignetes Anschlussfitting unmittelbar und einteilig anzuformen.
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Aus der Zusammenschau der 1 und 2 ergeben sich noch weitere geometrische Besonderheiten: Die Mittellinie 3 des Druckhohlkörpers 1 verläuft größtenteils spiralförmig um das Zentrum 2, und zwar in ihrem gekrümmten Teil mit einem Umlaufwinkel α. Der Umlaufwinkel α ist > 360° und beträgt hier, was den bogenförmig verlaufenden Abschnitt betrifft, etwa 630°. Dabei herrscht insoweit Übereinstimmung mit einer archimedischen Spirale, als dass der örtliche Radius der Mittellinie 3 mit größer werdendem Umlaufwinkel α gleichmäßig derart ansteigt, dass der Abstand einer äußeren Windung zur angrenzenden inneren Windung konstant bleibt. In Verbindung mit dem hier gezeigten, entlang der Mittellinie 3 ebenfalls konstant bleibenden Querschnitt des Druckhohlkörpers 1 ergibt sich eine optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums. Mit der genannten Spiralform geht auch einher, dass der erste Anschlussabschnitt 6 mit den ersten Befestigungsmitteln 8 sowie mit der Druckeinleitungsöffnung 10 im Bereich des Zentrums 2 liegt, während der zweite Anschlussabschnitt 7 mit den zweiten Befestigungsmitteln 9, den Führungsmitteln 11 und der Zugangsöffnung 12 radial außerhalb davon liegt. Hierdurch werden der genannte große Umlaufwinkel α sowie eine Kollisionsfreiheit des bewegten zweiten Anschlussabschnittes 7 gegenüber dem fixierten ersten Anschlussabschnitt 6 ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005056846 B4 [0003]
