DE3018063C2 - Verfahren und Einrichtung zum Beschichten eines Formkörpers mit einem Kunststoff, vorzugsweise mit einem blutverträglichen Elastomer - Google Patents

Description

a) durch einen solchen Verlauf der Ein- und AustAUchgeschwindigkeit des kompliziert ge- M stalteten und im allgemeinen räumlich gekrümmten Oberflächenteile aufweisenden Formkörpers, daß sich der Flüssigkeitsspiegel des Kunststoffes mit gleichbleibender Geschwindigkeit längs des jeweils zu beschichtenden Oberfiächenteiles des Formkörpers bewegt und

b) durch eine solche Haltung und Taumelbewegung des aus dem flüssigen Kunststoff ausgetauchten Formkörpers, daß die zunächst noch » flüssige Beschichtungsmasse unter dem Einfluß der Schwerkraft entsprechend der gewünschten Beschichtungsdickenverteilung auf der Oberfläche des Formkörpers verläuft und diese Verteilung während des 'rrocken- oder Aushärtevorganges beibehält.

2. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils erforderlichen Bewegungen des in einer mechanischen Beschickungseinrichtung angeordneten Formkörpers zunächst durch deren manuelle Betätigung erprobt oder synthetisch ermittelt werden und ihr so festgestellter optimaler Verlauf automatisch in einer Steuereinrichtung gespeichert wird, aus der er bei Bedarf für einen entsprechenden erneuten Beschichtungsvorgang abgerufen werden kann.

3. Beschickungseinrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kunststofflösung in einem Behälter (13) auf einer Hebevorrichtung (14 bis 20) befindet, deren Hub- und Senkgeschwindigkeit stufenlos veränderbar ist und daß der Halter (H) des Formkörpers (F) an einer Taumelvorrichtung(l bis 12) angebracht ist, die es ermöglicht, den Formkörper (F) in beliebige Stellungen zu bringen und mit vorgegebenen Winkelgeschwindigkeiten zu bewegen.

4. Beschichtungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebevorrichtung einen hydraulischen Antrieb (15 bis 20) mit einem Weggeber (17) aufweist, durch den der Weg und die Geschwindigkeit des Kunststofflösungsbehälters (13) erfaßbar sind.

5. Beschichtungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Taumelvorrichtung (1 bis 12) eine kardanische Aufhängung aufweist, die aus einem um eine waagerechte Achse (A-A) in einem feststehenden Rahmen (12) drehbaren Schwenkrahmen (2) und aus einer um eine senkrecht zu der Achse (A-A) verlaufende Achse (B-B) drehbaren Befestigungsplatte (1) für den Halter (H) besteht, wobei die Befestigungsplatte (1) und der Schwenkrahmen (2) getrennt antreibbar und Winkelgeber (4 und 6) zum Erfassen von Position und Winkelgeschwindigkeit dieser Tesle vorgesehen sind.

6. Beschichtungseinrichtung nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Bewegungen des Formkörpers (F) und des Lösungsbehälters (13) mittels der Antriebsmotoren (10, 11 bzw. 18) für die Taumelvorrichtung und für die Hebevorrichtung eine auf die Signale der Positionsund Geschwindigkeitsgeber (4,6 bzw. 17) sowie auf vorgegebene Sollwertsignale ansprechende elektronische Steuer- und Regeleinheit vorgesehen ist

7. Beschichtungseinrichtung nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß zum Eingeben der Sollwerte für den jeweils gewünschten Bewegungsablauf in die Steuerelektronik ein manuelles Bediengerät (7) vorgesehen ist.

8. Beschichtungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Eingeben und Speichern von vorprogrammierten oder zum Erfassen und Speichern von manuell erprobten Bewegungsabläufen und zur Übergabe der so gespeicherten Sollwerte in die Steuerelektronik ein Mikrorechner (28) mit Massenspeicher (29) und Terminal (30) vorgesehen ist.

Blutverträgliche Elastomere werden z. B. al? Werkstoff für Membranen von Blutpumpen oder für künstliche Herzklappen verweiltet. Dabei handelt es sich vorwiegend um dünnwandige, hochflexible Bauteile aus Silikon-, Polyurethan- oder anderen Elastomeren. Solche Bauteile müssen besonders bezüglich ihrer Dicke mit großer Genauigkeit gefertigt werden. Ihre Herstellung geschieht durch Beschichten eines Formkörpers mit dem verflüssigten Elastomer, das auf die entsprechend dem herzustellenden Bauteil geformte Oberfläche des Formkörpers aufgebracht und dort ausgehärtet wird. Meist werden mehrere Schichten des in einem organischen Lösungsmittel gelösten Elastomers auf den Formkörper aufgetragen. Nach dem Trocknen und Aushärten der Elastomerschichten wird die Gesamtschicht als Rohling des Bauteils von dem Formkörper abgehoben und kann fertigbearbeitet werden. Neben den Eigenschaften des gelösten Elastomers, die für die jeweilige Anwendung des Bauteils optimiert werden müssen, sind die beim Beschichten und Trocknen ablaufenden Bewegungsvorgänge des Formkörpers von entscheidender Bedeutung für die Qualität des Bauteils.

Für die Herstellung von dünnwandigen Gummiarti-

W) kein, wie Gummihandschuhen, Präservativen und Babyschnullern sind maschinelle Verfahren bekannt, bei denen ein entsprechend gestalteter Formkörper durch Eintauchen in ein Latex-Konzentrat (oder andere Kunststofflösungen) beschichtet wird. Dabei handell es

tv· sich um Massenartikel, bei deren Herstellung die Wandstärke meistens über Koagulationsvorgänge an der Formoberfläche nach Behandlung mil Koagulationsmitteln oder durch Wärnicr'.ifuhr kontrolliert wird.

Diese Möglichkeiten der Wandstarkeeinstellung bietet sich bei den für Blutpumpenbauteile verwendbaren Elastomerlösungen im allgemeinen nicht. Auch die für die Serienherstellung der o. a. Massenartikel entwickelten Tauch- und Trockenverfahren sowie die dafür erstellten Einrichtungen lassen sich zur Herstellung von Blutpumpenbauteilen nicht verwenden. Die Geometrie dieser Bauteile und die oft vorgegebenen Eigenschaften der Elastomerlösungen stellen nämlich besondere Anforderungen an den Ein- und Austauchvorgang sowie den anschließenden Trockenvorgang, da diese Vorgänge die erreichbare Qualität und Wandstärkeverteilung der Bauteile im wesentlichen bestimmen.

Deshalb werden solche Blutpumpenbauteile bisher manuell hergestellt, da sich der Ein- und Austauchvorgang auf diese Weise am einfachsten an die jeweilige Geometrie anpassen läßt. Hierbei ist zu beachten, daß die gleichmäßige Benetzung des Formkörpers mit dem Elastomer im wesentlichen beim Eintauchen und die Dicke der Beschichtung durch das Austauchen bestimmt wird. Der anschließende Trockenvorgang erfolgt dann meistens auf einfachen Drehvorrichtungen od^r vereinzelt auf Taumelvorrichtungen mit zwei Drehachsen, die allerdings ein festes Drehzahlverhältnis haben und somit nicht getrennt angetrieben werden können, so daß sich die Drehbewegungen nicht unabhängig an die Formkörpergeometrie anpassen lassen. Solche frei wählbaren Bewegungen bzw. Positionen sind jedoch von besonderer Bedeutung, da nur hierdurch die noch flüssige Elastomerschicht unter Ausnutzung des Einflusses der Schwerkraft auf der Formkörperoberfläche gezielt verteilt werden kann, so daß eine gleichmäßige oder den jeweiligen Forderungen entsprechende Dickenverteilung resultiert. Bei dem manuellen Tauchverfahren lassen sich die zur Erzielung der gewünschten Beschichtungsdicken erforderlichen Bewegungsabläufe im allgemeinen nicht mit der notwendigen Genauigkeit beherrschen. Die Bewegungen sind deshalb auch nicht ausreichend reproduzierbar. Zudem erfordern sie einen erheblichen Aufwand an Arbeitszeit. Die bisher eingesetzten Einrichtungen für den Trockenvorgang besitzen nicht genügend Freiheitsgrade für die zu fordernden Bewegungsabläufe.

In der DE-OS 15 77 853 ist zwar bereits ein Verfahren zum Tauchen von Gegenständen beschrieben, bei dem durch Heben eines Badbehälters und darauf folgendes Ablassen der Badflüssigkeit in einen zweiten Behälter eine Oberflächenbehandlung insbesondere ein Färben des Gegenstandes erfolgt. Dieses Verfahren ergibt nur dann eine etwa gleichmäßige Dickenverteilung der Beschichtung, wenn es sich um Gegenstände mit etwa ebenen Obfcrflächenteilen, z. B. ebene Platten, handelt, weil sich dann der Spiegel der Flüssigkeit mit etwa gleichmäßiger Geschwindigkeit längs dieser Flächen abwärts bewegt.

Im wesentlichen dasselbe gilt auch für das aus der DE-OS 15 46 970 bekannte Tauchverfahren. Bei diesem ist es zwar möglich, die Ein- und Austauchgeschwindigkeit des zu beschichtenden, meist plattenförmigen Gegenstandes und damit dessen Beschichtungsdickenverlauf zu verändern und auch zu programmieren. Aber auch hierbei erfolgt stets nur eine geradlinige Bewegung des Gegenstandes in der Vertikalen. Es ist deshalb mit diesen bekannten Verfahren nicht möglich, einen unregelmäßig geformten Gegenstand mit räumlich gewölbten Oberflächenteilen mit einer Beschichtung gleichmäßiger oder sonst vorgegebener Dickenverteilung zu versehen und so aus der abgelösten Beschichtung z. B. eine torusförmige Membran für eine Blutpumpe zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben, mit denen die Beschichtung auch räumlich geformter Formkörper mit einem Kunststoff, vorzugsweise mit einem blutverträglichen Elastomer, maschinell so durchgeführt werden kann, daß eine vorgegebene Beschichtungsdikkenverteilung mit ausreichender Genauigkeit und

ι» jederzeit wiederholbar erreicht wird.

Dabei soll es weiter möglich sein, die Bewegungsabläufe eines manuell erprobten Beschichtungs- und Trockenvorganges zu speichern oder synthetisch ermittelte Bewegungsfolgen einzugeben und zu spei-

'· ehern. Die so gespeicherten Bewegungsabläufe sollen dann von der Einrichtung genau wiederholt werden können (Lernfähigkeil des Systems). Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens gelöst durch die gemeinsame Anwendung der Merkmale des Patentan-

-" Spruchs 1. Die Lernfähigkeit des Svitems ist Gegenstand des Anspruchs 2. Merkmale einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Durchführung des Beschichtungsverfahrens sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.

-» Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen und Überlegungen:

1. Die Ein- und Austauchgeschwindigkeit des Formkörpers in die bzw. aus der Elastcmerlösung muß

jo steuerbar sein. So müssen z. B. Formkörperflächen, die einen kleinen Winkel mit der Lösungsoberfläche bilden, langsamer ein- und ausgetaucht werden als solche, die etwa senkrecht zur Lösungsoberfläche orientiert sind. Dadurch wird eine etwa

J> gleichmäßige Benetzungs- bzw. Austauchgeschwindigkeit längs der zu beschichtenden Fläche erreicht, wobei die Dicke der Beschichtung vor allem durch die Geschwindigkeit beim Austauchen beeinflußt wird.

2. Die Orientierung des Formkörpers während des ζίη- und Austauchens muß beliebig einstellbar und soll in gewissen Grenzen steuerbar sein. Auf diese Weise ist es z. B. möglich, einen Rohrkrümmer während des Tauchvorganges so zu schwenken,

■η daß die Rohrkrümmerachse immer senkrecht zur Lösungsoberfläche steht. Grenzen für solche Bewegungen ergeben sich dadurch, daß die Wände des Lösungsmittelbehälters und seiner Hebevorrichtung den Bewegungsraum des Formkörpers mit

ίο seiner Halterung einschränken.

3. An den Tauchvorgang muß sich eine steuerbare Bewegung des mit der flüssigen Elastomerlösung überzogenen Formkörpers anschließen, die eine gezielte Ausnutzung des Schvverkrafteinflusses auf

■>"> die Verteilung der Beschichtungsdicke bis zur Verfestigung des Elastomers ermöglicht.

4. Für die gemäß Punkt 1 bis 3 erforderlichen Bewegungen genügt neben der Hub- und Senkbewegung des E'jstomerlösungsbehälters eine Drehung des Formkörpers um zwei Achsen, da eine Drehung um eine dritte senkrecht zur Oberfläche der Elastomerlösung stehende Achse und die zwei weiteren möglichen translatorischen Bewegungen parallel zu dieser Oberfläche keinen Einfluß auf den

hi BeschichtungsvCi'gang haben. Die hier erwähnten

Bewegungen verlaufen so langsam, daß die auftretenden Beschleunigungen klein sind gegenüber der Erdbeschleunigung.

5. Die beiden für die Urzeugung einer Taumelbewegung des Formkörpers vorgesehenen Drehachsen müssen getrennt antreibbar sein, um beliebige auf die Haupiorientierung der Flachen des Formkörpers abgestimmte Bewegungsabläufe zu ermögli- ■ chen.

b. Die Bewegungen des Fornikörpers und des Lösungsbehälters sollen auch von Hand steuerbar sein, wobei das System in der Lage sein muß, von Hand erprobte Bewegungsabläufe genau und < <> automatisch zu wiederholen. Diese Lernfähigkeit des Systems ist Voraussetzung für die systematische Optimierung des Beschichtungsvorganges und die Reproduzierbarkeit der Herstellungsergebnisse. 1>

7. Die Wiederholbarkeit einmal optimierter Bewegungsabläufe für den Tauch- und den Trockenvorgang wird durch Koppelung der mechanischen Teile der Beschiciiiuiigseiiiiiciiiui'ig iiiii einer elektronischen Steuer- und Regeleinheit für die .v drei Antriebe (Hub- und Senkbewegung des Lösungsbehälters sowie Taumeln des Formkörpers um die beiden Drehachsen) und durch Anschluß dieser Steuereinheit an einen Mikrorechner erreicht. Dieser Rechner übernimmt die Speicherung r> und Wiederausgabe der Bewegungsfolgen. Er soll darüber hinaus synthetisch ermittelte Bewegungsabläufe speichern und wieder ausgeben können, wobei auch Umrechnungen zwischen den Bewegungen des formkörperbezogenen Koordinatensy- jo stemes und den Drehzahlen der Antriebe möglich sein müssen.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beschichtungseinrichtung anhand π der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt F ι °. 1 schematisch den mechanischen Tei! der

Einrichtung in Ansicht.

F i g. 2 ein Blockschaltbild der elektronischen Steuer- und Regeleinheit in Verbindung mit dem Mikrorechner.

Fig. 3 einen Formkörper zur Herstellung einer dünnwandigen Kunststoffmembran für eine Blutpumpe.

Fig. 4 die durch äußeres Beschichten des Formkör pers nach F i g. 3 hergestellte Membran.

Der mechanische Teil der dargestellten Beschichtungseinrichtung besteht aus einer Hebevorrichtung für den Elastomerlösungsbehälter und aus einer Taumelvorrichtung für den zu beschichtenden Formkörper.

Die Hebevorrichtung weist ein ortsfestes Gestell 14 auf. in das ein hydraulischer Hubzylinder 15 mit Kolben 19 eingebaut ist. der die gesteuerte Hub- und Senkbewegung des mit dem Kolben 19 verbundenen Lösungsbehälters 13 bewirkt. Der Antrieb des Kolbens 19 erfolgt durch eine von einem Gleichstrommotor 18 angetriebene Hydraulikpumpe 20. Die Hydraulikflüssigkeit wird zwischen dem Hubzylinder 15 und einem Vorratsbehälter 16 hin- und hergepumpt, wobei die Hub- und Senkbewegung des Behälters 13. also dessen Position und Geschwindigkeit, durch die Drehzahlsteuerung und -regelung des Gleichstrommotors 18 bestimmt wird. Die Ist-Werte der Position und Geschwindigkeit des Behälters 13 werden dabei vom Weggeber 17 erfaßt

Bei einer ausgeführten Beschichtungseinrichtung weist die Hubvorrichtung die folgenden Daten auf: Hub max. 500rnrrs, Belastbarkeit max. 15 kg, Versteügeschwindigkeit min. 0.1 mm/s max. IO mm/s, Wiederkehrgenauigkeit ±0,5 mm. Bei diesen Angaben handelt es sich nur um Richtwerte, von denen je nach der vorliegenden lleschichtungsaufgabe abgewichen werden kann.

Die Taumelvorrichtung weist eine Befcs;igungsplatte

1 für den Halter // des Formkörpers F auf. Die Befesi'giingspitfite 1 ist in einem auf this Gestell 14 der Hebevorrichtung aufgesetzten festen Rahmen 12 kardanisch aufgehängt.

Die Aufhängung besteht aus einem Schwenkrahmen 2, der um eine waagerechte Achse A-A drehbar in dem festen Rahmen 12 gelagert ist. In dem Schwenkrahmen

2 ist die Bcfcstigungsplatte 1 um eine zu der Achse A-A senkrecht verlaufende Achse B-B drehbar gelagert. Der Antrieb des Schwenkrahmens 2 erfolgt durch einen Gleichstrommotor mit Untersetzungsgetriebe 10 über einen Zahnriemen 7, während die Befestigungsplatte 1 von einem weiteren Gleichstrommotor 11 über einen weiteren Zahnriemen 8 eine Hohlwelle 5 und einen dritten Zahnriemen 3 angetrieben wird. (Der Getriebemotor i0 lsi von dem Muior i! ii'i der Fig. ί ieilwcise verdeckt.) Der Schwenkrahmen 2 ist durch ein Gegengewicht 9 statisch ausgewuchtet. Die Ist-Werte der Position und damit auch der Winkelgeschwindigkeit der beiden Drehachsen A-A und B-B werden von Winkelgebern 4 bzw. 6 erfaßt.

Bei der ausgeführten Beschichtungseinrichtung weist die Taumelvorrichtung folgende Daten auf. die wiederum nur als Richtwerte anzusehen sind: Belastbarkeit max. 5 ,sg. Drehzahl des Schwenkrahmens 0 bis 60 l/min. Drehzahl der Befestigungsplatte 0—60 l/min. Wiederkehrgenauigkeit ±3°.

Die Steuereinheiten für die beiden Drehachsen der Taumelvorrichtung und für die Hubvorrichtung sind identisch aufgebaut. Die Winkel bzw. der Hub werden jeweils durch digitale Geber erfaßt, die Markierungen auf Impulsscheiben bzw. auf einem Impulsstab zählen, während der Antrieb durch Servogleichstrommotoren erfolgt. Die gesamte Steuerung gliedert sich in drei Hauptteile:

a) die Positionsgeber und die Servomotoren an dem mechanischen Teil der Beschichtungseinrichtung.

b) einen Geschwindigkeitsregelkreis und einen Leistungsteil in einem Schnittstellenbaustein.

c) einen digitalen Lagerregelkreis und eine Aufzeich-•»5 nung der Lage-Zeit-Funktion im Massenspeicher

eines Digitalrechners.

Diese Hauptteile sind in dem Blockschaltbild gemäß Fig.2 mit a. b. c bezeichnet. Nach diesem Schaltbild werden die von dem Positionsgeber 21 (das ist einer der Positionsgeber 4, 6 oder 17 in der Fig. 1) erzeugten Impulse einem Richtungsdetektor 22 zugeführt. Von dort gelangt die geschwindigkeitsproportionale Pulskette über einen Tiefpaß 23 als Istwert zu einem PID-Regler 24. Dessen Ausgangssignal wird über einen Verstärker 25 auf einen Servomotor 26 (das ist einer der Antriebsmotoren 10,11 oder 18 in der Fig. 1) gegeben. Das Sollsignal des Geschwindigkeitsregelkreises kann von einem manuellen Bediengerät 27 oder von dem Mikrorechner stammen. Der Mikrorechner erzeugt mit Hilfe eines Softwarezählers 28 aus den Impulsen des Richtungsdetektors 22 ein Positionssignal. Dieses kann im Massenspeicher 29 gespeichert werden. Außerdem können über ein Terminal 30 eingegebene programmierte Positionssignale gespeichert werden. Die gespeicherten Sollsignale werden mit dem jeweiligen Ist-Signal verglichen und gemäß einem programmierten

IOsiiionsregelungsalgonihimis 31 verarbeilet. Dessen Ausgangssignal gelangt — wie beschrieben — als Sollgröße auf den Geschwindigkeilsregelkreis.

Der in der I'ig. J dargestellte Formkörper A" besteht aus einem z. fi. durch Zerdrücken zerstörbaren oder aus einem ausschmelzbaren Material. Zum Befestigen an der Befestigungsphilte I der Taumelvorrichtung weist der FV nkörper einen siififörmigen Halter //auf.

In der F i g. 4 ist tlie aus einer torusförmigen Pumpkammer und zwei Anschlußstuizcn bestehende Filastomermembran Λ/ nach dem [inifernen des Formkörpers /·"schematisch dargestellt.

Die in der F i g. 4 dargestellte Membran könnte auch mit Hilfe eines teilbaren hohlen Formkörpers hergestellt werden, der bis zum Erreichen einer gewünschten Schichtdicke mehrmals mit der Elastomerlösung gefüllt und wieder entleert wird, wobei der hohle F⁷ormkörper durch eine erfindungsgemäß antreibbare und steuerbare Taumclvorrichüing zur Erzielung der gewünschten Schichtdickenverleilung mehrachsig geschwenkt wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Beschichten eines Fonnkörpers mit einem Kunststoff, insbesondere mit einem blutverträglichen Elastomer, z. B. für die Herstellung ϊ von Herzklappen oder von Membranen für Blutpumpen, wobei der Formkörper während des Ein- und Austauchens in den bzw. aus dem, z.B. als Lösung in einem flüchtigen Lösungsmittel, als Schmelze oder als vernetzbare Mischung vorliegen- "> den flüssigen Kunststoff so bewegt und gehalten wird, daß sich eine Beschichtung mit der gewünschten Dickenverteilung auf dem Formkörper ergibt, von dem die Gesamtschicht nach erfolgter Trocknung oder Aushärtung abenommen und gegebenen- ι > falls weiterbearbeitet werden kann, gekennzeichnet: