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Verfahren zur Herstellung von Rotoren für
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Schraubenverdichter Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von Rotoren für Schraubenverdichter.
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Schraubenverdichter zum Verdichten von Gasen haben zwei Rotoren, die
mit ineinandergreifenden schraubenförmigen Profilen versehen sind. Der eine Rotor
bildet den Hauptläufer und der andere den Nebenläufer. Die Rotoren werden aufgrund
ihres komplizierten Profils im Abwälz-Fräsverfahren mit Profilfräsern hergestellt.
Dieses Verfahren erfordert hohe Investitionen an Maschinen und Fräswerkzeugen. Da
sich die Fräswerkzeuge abnutzen, ist wegen der geforderten hohen Maßhaltigkeit der
Rotoren ein ständiges Nacharbeiten der Fräswerkzeuge erforderlich. Ein weiterer
Nachteil des bekannten Herstellungsverfahrens besteht darin, daß die Formen der
Schraubenprofile
beschränkt sind. So lassen sich beispielsweise
Schraubenprofile mit bestimmten Hinterschneidungen nicht im Fräsverfahren herstellen.
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Bei einem in einer älteren Anmeldung (P 34 24 148.5) beschriebenen
Verfahren erfolgt die Herstellung von Rotoren für Schraubverdichter dadurch, daß
Kunststoff in eine einstückige Negativform des Rotorkörpers injiziert wird. Nach
dem Aushärten wird der fertige Rotorkörper durch Bewegen der Rotorkörper aus der
Negativform herausgedreht. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die Herstellung
der Negativform, die temperaturbeständig und sehr maßgenau sein muß, sehr aufwendig
ist.
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Derartige Spritzgußformen werden normalerweise durch Erodieren hergestellt.
Der dafür erforderliche Arbeits-und Kostenaufwand ist sehr hoch.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art anzugeben, das eine einfache und kostengünstige Herstellung der Rotoren,
einschließlich der hierfür erforderlichen Negativform, ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß in eine
Druckform, die einen Meisterrotor enthält, ein Metall in preßfähiger feinkörniger
Form eingefüllt wird, welches unter hohem Druck zu einer einstückigen Negativform
des Rotorkörpers verdichtet wird, und daß die Negativform mit Kunststoff ausgefüllt,
der Kunststoff gehärtet und der aus dem Kunststoff gebildete Rotorkörper anschließend
aus - der Negativform schraubenförmig herausgedreht wird.
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Nach der Erfindung erfolgt die Herstellung der Negativform des Rotors
durch isostatisches Pressen. Hierzu wird vorzugsweise als feinkörniges Metall ein
Stahlmehl, z.B. ögit 20, verwandt, mit dem die den Meisterrotor enthaltende Druckform
ausgefüllt wird. Das feinkörnige Metall wird durch Aufbringung eines Drucks von
bis zu mehreren 1000 bar verdichtet, der einige Minuten lang aufrechterhalten wird.
Durch diesen hohen Druck wird das feinkörnige Metall derart gepreßt, daß es sich
der Form des Meisterrotors genau anpaßt. Durch den hohen Druck verschmelzen die
mehlartigen Metallpartikel miteinander zu der Negativform. Diese Negativform wird
aus der Druckform herausgenommen und der Meisterrotor wird schraubenförmig aus der
Negativform herausgedreht.
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Die Negativform wird anschließend gesintert und durch Oberflachenbearbeitung
kalibriert. Die Kosten für die Herstellung einer derartigen Negativform betragen
nur einen Bruchteil der Kosten, die für die Herstellung einer vergleichbaren Negativform
durch Erodieren entstehen.
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Die Negativform des Rotorkörpers wird anschließend mit Kunststoff
gefüllt, nachdem zuvor in dem Hohlraum der Negativform die Rotorwelle des herzustellenden
Rotors zentriert worden ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt das Ausfüllen der Negativform im Spritzgußverfahren, wobei als Kunststoff
ein Polyamidimid benutzt wird. Der Kunststoff kann mit einem geeigneten Füllstoff
verstärkt werden.
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Als Polyamidimide werden erfindungsgemäß mit Vorteil Verbindungen
der allgemeinen Formel
verwendet, die sich in an sich bekannter Weise aus aromatischen Diaminen der allgemeinen
Formel H2N-R-NH2 oder aramatischen Diiscocyanaten der allgemeinen Formel OCN-R-NCO
in denen R für substituierten oder unsubstituierten Phenylenrest oder einen durch
ein oder zwei Phenylenreste substituierten Alkylenrest steht, und aromatischen Oligocarbonsäure
der allgemeinen Formel
in der R' für Wasserstoff oder einen beliebigen Substituenten einschließlich - COOH
steht, oder ihren
Anhydriden, oder auf anderen bekannten Synthesewegen
durch Polykondensationsreaktionen erhalten lassen. Als Polyamidimid besonders bevorzugt
wird ein aus Trimellitsäureanhydrid und einem 4,4'-Alkylenbis-(phenylisocyanat)
darstellbares Polyamidimid, wie beispielsweise das unter dem Handelsnamen TorlonR
erhältliche Polymere, das eine ungewöhnlich hohe thermische Stabilität hat.Das Polymere
wird in die auf ca. 3300C vorgeheizte Negativform gespritzt. Nach Entnahme aus der
Form ist der Förmkörper noch nicht vollständig kristallin und somit brüchig. Der
so hergestellte Rotor wird nunmehr ca. drei Tage lang durch abwechselndes Erwärmen
und Abkühlen zwischen 200C und 2500C getempert. Dabei polymerisiert der Kunststoff
durch, wobei kleine Moleküle zu langen Ketten zusammenwachsen und die Materialstruktur
homogen und kristallin wird.
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Auf diese Weise erreicht der Kunststoff seine maximale Stabilität
und Festigkeit. Ein so hergestellter Rotor kann mit Dauerbetriebstemperaturen von
2600C betrieben werden.
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Zur Erhöhung der Verschleiß festigkeit und zur Verringerung der Reibungsverluste
beim Einsatz des Rotorkörpers enthält der Kunststoff vorzugsweise etwa 1 Gew.-%
Polytetrafluorethylen (PTFE).
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Das Gewicht eines derartigen Rotorkörpers nach dem Tempern beträgt
etwa die Hälfte des Gewichts eines vergleichbaren Rotorkörpers aus Aluminium.
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Wegen der begrenzten Schußmenge von Spritzgußmaschinen können im Spritzgußverfahren
nur Rotorkörper von begrenztem Volumen hergestellt werden. Zur Herstellung größerer
Rotorkörper erfolgt das Ausfüllen der Negativform gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung
durch druckloses Einfüllen von flüssigem Polyamid.
Bevorzugt wird das unter dem Handelsnamen LauramidR PA12G erhältliche, in einer
Monomereinheit 12C-Atome enthaltende Polyamid verwendet. Beim Füllen der Negativform
ist der Füllraum der Gießform nach oben offen. Der Kunststoff wird in flüssigem
Zustand in die Form gegossen. Nach dem mehrstündigen Aushärten kann der fertige
Rotor aus der Gießform entnommen werden. Die im drucklosen Gießverfahren herstellbaren
Kunststoffrotoren können in den unterschiedlichsten Größen hergestellt werden. Ein
Vorteil des drucklosen Gießverfahrens besteht darin, daß ein nahtloser Übergang
von der Polymerisation zur Kristallisation erreicht wird.
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Whrend der Polymerisation erfolgt bereits die Keimbildung der Kristalle.
Dadurch wird ein hochkristallines Gefüge erreicht. Durch die hohe Kristallinität
entstehen Materialeigenschaften, die den herkömmlichen spritzbaren Polyamiden überlegen
sind.
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Die Wärmeausdehnungskoeffizierten und die Festigkeit der Materialien
können dadurch noch weiter verbessert werden, daß man den Polymeren als Füllstoffe
Graphitfasern, Glasfasern und/oder Mineralstoffe zusetzt. Die Fasermenge kann dabei
im Bereich von ca. 30 Gew.-% liegen.Die Zugfestigkeit der Materialien liegen dann
bei 200C bei 20t/cm2.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen naher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 das Prinzip des Zusammenwirkens der beiden Rotoren
eines Schraubenverdichters,
Fig. 2 eine Seitenansicht des Nebenrotors,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Herstellung der Negativform
eines Rotorkörpers durch isostatisches Pressen, Fig. 4 eine modifizierte Ausführungsform
der Vorrichtung nach Fig. 3, Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur
Herstellung der Rotorkörper im Spritzgußverfahren und Fig. 6 einen Längsschnitt
durch eine Vorrichtung zur Herstellung der Rotorkörper im drucklosen Gießverfahren.
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In Fig. 1 ist das Zusammenwirken der beiden Rotoren eines Schraubenverdichters
dargestellt. Der Hauptrotor 10 weist mehrere über seinen Umfang verteilt angeordnete
abstehende Flügel 12 auf, die in Längsrichtung des Rotors schraubenförmig verlaufen.
Die Flügel 12, die in die schraubenförmigen Rillen 13 des Nebenrotors 11 eintauchen,
haben Flanken, deren Kontur sehr genau eingehalten werden muß, um die gewünschte
Verdichtung zu erreichen. In gleicher Weise müssen auch die die Ausnehmungen 13
begrenzenden Wände des Nebenrotors 11 mit ganz bestimmten Formen und mit großer
Genauigkeit hergestellt werden. Die dargestellten Rotoren 10 und 11 haben relativ
einfache Schraubenprofile. In manchen Fällen ist es zweckmäßig, Schraubenprofile
zu verwenden, die Hinterschneidungen haben, d.h. Hohlräume, die durch eine Wand
begrenzt sind, welche einen radialen Zugang zu dem Hohlraum nicht zuläßt.
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Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des Nebenrotors 11.
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Hieraus ist die Rotorwelle 14 zu ersehen, die sich durch den Rotorkörper
15 hindurch erstreckt. Im Stand der Technik ist der Rotor einstückig angefertigt.
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Zur Herstellung eines Rotorkörpers wird zunächst mit der in Fig. 3
dargestellten Druckform 50 eine Negativform des Rotorkörpers erzeugt, indem in dem
Hohlraum der Druckform 50 ein Meisterrotor 51 positioniert wird.
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Dieser Meisterrotor 51 bildet das Urmuster, von dem die anderen Rotoren
kopiert werden. Es kann sich auch um einen Rotor handeln, der bereits nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellt ist. Für jede Rotorgröße wird ein separater Meisterrotor angefertigt,
und zwar für Hauptrotor und Nebenrotor. Die Oberfläche des Meisterrotors ist feinbearbeitet,
und zwar geläppt und anschließend poliert. Nach dem Polieren wird der Meisterrotor
ionitriert und wieder poliert.
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Die Druck form zur Herstellung der Negativform weist einen Druckbehälter
52 mit einem zylindrischen Innenraum auf. Das offene Ende des Druckbehälters 52
ist mit einer Stirnplatte 53 verschlossen. Bei abgenommener Stirnplatte 53 wird
zunächst die Endkappe 54, deren Querschnitt dem Zylinderraum angepaßt ist, in diesen
eingesetzt. Die Endkappe 54 weist an ihrer inneren Stirnseite eine Sackbohrung 55
zur Aufnahme des Wellenstumpfes 56 der Rotorwelle des Meisterrotors 51 auf. In den
den Rotorkörper 57 umgebenden Teil des Zylinderraumes wird ein Kunststoffring 58
eingesetzt, dessen Aussenseite an der Innenseite der Wand des Zylinderraums anliegt
und dessen Länge der Länge des Rotorkörpers 57 entspricht. Der Kunststoffring 58
umgibt den Rotorkörper 57 mit radialem Abstand. Der Raum zwischen dem Rotorkörper
57 und dem Kunststoffring 58 wird mit einem Metall 59 in feinkörniger preßfähiger
Form, z.B. Stahlmehl zeigt 20) gefüllt. Anschließend wird dieser Raum durch Einsetzen
der zweiten Endkappe 60 in den Zylinderraum verschlossen. Die zweite Endkappe 60
weist eine Sackbohrung 61 zur Aufnahme des Wellenstumpfes 62 des
Meisterrotors
51 auf.
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Nachdem die genannten Teile in den Zylinderraum eingefügt worden sind,
wird der Zylinderraum durch den Deckel 53 abdichtend verschlossen. In den Druckraum
63 zwischen Deckel 53 und Endkappe 60 wird durch die Bohrung 64 des Deckels 53 hindurch
Drucköl eingegeben. Die Entlüftung des Druckraums 53 geschieht über die Leitung
54, 65, die ein Ventil 66 enthält, das nach erfolgter Entlüftung abgesperrt wird.
Der Druck im Druckraum 63 wird je nach Rotorgröße bis auf 6000 bar gesteigert und
einige Minuten konstant gehalten. Durch diesen hohen Druck wird das feinkörnige
Metall 59 in die Verzahnung des Meisterrotors 51 gepreßt und die Metallpartikel
werden untereinander durch Druck verschweißt. Nach diesem Vorgang wird der Druckraum
63 wieder auf Atmosphärendruck entspannt und die Endkappen 60 und 54 werden zusammen
mit dem Meisterrotor 51 und der diesen umgebenden Negativform, die aus dem feinkörnigen
Metall 59 entstanden ist, demontiert. Der Meisterrotor 51 wird aus der Negativform
herausgedreht und die Negativform wird anschließend gesintert und kalibriert.
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Fig. 4 zeigt eine gegenüber Fig. 3 abgewandelte Ausführungsform der
Vorrichtung zur Herstellung der Negativform des Rotors 51 durch isostatisches Pressen.
Die Endkappen 54 und 60, die auf die Wellenstümpfe der Rotorwelle aufgesteckt sind,
der Kunststoffring 58 und die Füllung aus Stahlmehl 59 sind in gleicher Weise ausgebildet
wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 und werden daher nicht noch einmal erläutert.
Der Druckbehälter 52 umgibt die Endkappen 54 und 60 sowie den Kunststoffring 58
mit seitlichem Abstand. Die Endkappe 60 liegt an der Stirnplatte 53 flächenhaft
an, während die Endplatte 54 einen Abstand von der entspre-
chenden
Stirnplatte hat. Die von den Teilen 54, 58 und 60 umschlossene Baugruppe ist in
dem Hohlraum 67 des Druckbehälters 52 untergebracht. Durch die Bohrung 64 wird Drucköl
in den Hohlraum 67 eingeleitet. In der gegenüberliegenden Stirnwand befindet sich
die Entlüftungsbohrung 65 mit dem angeschlossenen Entlüftungsventil 66. Sobald der
Hohlraum 67 mit Drucköl gefüllt ist, wird das Entlüftungsventil 66 geschlossen.
Der Druck wird auf etwa 6000 bar gesteigert. Durch den Hydraulikdruck im Hohlraum
67 wird der Kunststoffring 58 seitlich zusammengedrückt, d.h. er bildet eine Einschnürung,
wodurch die Füllung 59 verdichtet wird. Ferner wirkt ein axialer Druck auf die obere
Stirnfläche der Endkappe 54. Auf die untere Stirnfläche der Endkappe 60 wirkt kein
hydraulischer Druck, da diese Stirnfläche fest und ohne Spalt an der Stirnwand 53
des Druckbehälters 52 anliegt. Die Stahlmehlfüllung 59 wird durch den hydraulischen
Druck also - bezogen auf den Rotorkörper 57 - radial zusammengedrückt und gleichzeitig
axial komprimiert, so daß die Negativform entsteht. Anschlie-Bend wird die Negativform
aus dem Druckbehälter 52 entnommen und von den Stirnkappen 54, 60 und den Resten
des Kunststoffrohres 58 entfernt. Die Füllung 59 bildet in diesem Zustand ein Preßling,
der den Rotorkörper 57 umgibt. Der Rotor 51 wird in eine Werkzeugmaschine eingespannt,
um die Außenfläche des Preßlings zu kalibrieren. Das Kalibrieren erfolgt durch zylindrisches
Rundschleifen der durch die Druckeinwirkung verformten Umfangsfläche des Preßlings.
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Anschließend wird der Rotorkörper aus dem Preßling herausgedreht und
der Preßling wird durch Wärmeeinwirkung gesintert, wodurch die Negativform entsteht.
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Nachdem auf die beschriebene Weise die Negativform 16
des
herzustellenden Rotorkörpers hergestellt worden ist, wird diese Negativform in den
Arbeitsraum der in Fig. 5 dargestellten Spritzmaschine 18 eingesetzt.
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Der Arbeitsraum der Spritzmaschine 18 ist am einen Ende durch einen
Deckel 19 und am anderen Ende durch einen abnehmbaren Deckel 20 verschlossen. Der
Deckel 19 weist eine Ausnehmung 21 auf, in die der eine Wellenstumpf 22 der Rotorwelle
23 eingesetzt ist. In der Ausnehmung 21 befindet sich ein Gleitlager 24, in dem
die Rotorwelle gedreht werden kann.
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Das andere Ende der Rotorwelle 23 ragt durch ein Gleitlager 25 des
Deckels 20 hindurch aus dem Arbeitsraum heraus. Während der Deckel 19 an der Form
festgeschraubt sein kann, ist der Deckel 20 mit einem Schnellverschluß 26 so befestigt,
daß er leicht abgenommen werden kann. Am Deckel 20 sind Führungselemente 27 befestigt,
die in Führungsstangen 28 gleiten, um den Deckel 20 achsparallel zur Form verschieben
zu können.
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Durch den Einlaßkanal 28 wird Kunststoff in den zwischen der Rotorwelle
23 und der Negativform 16 gebildeten Formhohlraum injiziert. Die Luft entweicht
aus Kanälen 29 im Deckel 20.
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An der Spritzmaschine 18 ist in axialem Abstand von der Rotorwelle
23 ein Kopfstück 30 befestigt, das einen Teil der Mitnahmevorrichtung 31 enthält.
Diese Mitnahmevorrichtung 31 weist einen Schaft 32 auf, der über eine Kupplungsvorrichtung
33 mit dem aus der Form herausragenden Ende der Rotorwelle 23 verbunden ist. Der
Schaft 32 verläuft koaxial zur Rotorwelle 23 und verlängert diese. Der Schaft 32
ragt durch ein Schneckenrad 34 hindurch, und er weist eine längslaufende Paß-
feder
35 auf, die in eine entsprechende (nicht dargestellte) Nut des Schneckenrades 34
eingreift. Das Schneckenrad 34 befindet sich im Innern des Kopfstücks 30 und es
ist an diesem mit einem Kugellager 36 gelagert. Der Antrieb des Schneckenrades 34
erfolgt über die Schnecke 37 und das Schneckenrad 38 durch den Motor 39.
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Bei dem Kunststoff, der in die Spritzgußform injiziert wird, handelt
es sich um das oben beschriebene Polymere Torlon . Es enthält einen Zusatz von ca.
30 Gew.-* Glas- oder Kohlenstoffasern und ca. 1 Gew.-% PTFE. Der Kunststoff wird
auf ca. 3300C erhitzt und in die vorgeheizte Form eingespritzt. Vor dem Einspritzen
ist auch die in der Form positionierte Rotorwelle 13 vorgeheizt worden.
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Der Rotorkörper 40 bleibt ca. drei Tage in der Form, wobei die Temperatur
in bestimmten Zyklen variiert wird, um den Kunststoff zu tempern. Beispielsweise
wird vier Stunden lang eine Temperatur von 3600C, anschließend zwei Stunden lang
eine Temperatur von 200C usw.
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aufrechterhalten. Durch abwechselndes Erwärmen und Abkühlen wird der
niedermolekulare Anteil der Polymerisationsmischung verdampft und ausgetrieben.
Danach bleibt ein Füllmaterial mit kristallinem Gefüge und großer Härte zurück.
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Nach dem Erhärten des Materials des Rotorkörpers 40 im Formhohlraum
wird der Schnellverschluß 26 geöffnet und der Motor 39 in Funktion gesetzt. Dadurch
wird der Schaft 32 gedreht und diese Drehung wird auf die Rotorwelle 23 übertragen.
Die Rotorwelle 23 hat ein unrundes Profil, im vorliegenden Fall durch eine Paßfeder
41, so daß sie den Rotorkörper 40 mitdreht. Während die Form
feststeht,
wird der Rotorkörper 40 aus der Negativform 16 herausgedreht, wobei der Schaft 32
sich axial durch das Schneckenrad 34 hindurchbewegt. Auf diese Weise wird der Rotorkörper
40 zusammen mit der Rotorwelle 23, die fest in ihm verbleibt, aus der Negativform
16 herausgedreht.
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Alternativ besteht die Möglichkeit, daß der Wellenschaft 22 in der
Form gegen axiale Verschiebungen festgehalten wird. In diesem Fall würde sich der
Rotorkörper 40 auf der Rotorwelle 23 beim Hochdrehen axial verschieben.
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In Fig. 6 ist eine Gießform dargestellt, die alternativ zu der Spritzgußform
nach Fig. 5 benutzt werden kann.
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Die Gießform 70 weist einen zylindrischen Behälter 71 auf, dessen
obere öffnung mit einem Deckel 72 verschlossen ist. Der Boden 73 des Behälters enthält
eine Zentrierbohrung für die Aufnahme des einen Endes der Rotorwelle 23. Das entgegengesetzte
Wellenende wird von einer Zentrierbohrung des Deckels 72 aufgenommen.
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In den Behälter 71 wird die Negativform 40 aufrechtstehend eingesetzt.
Nach dem Aufsetzen des Deckels 72 auf den Behälter 71 wird durch eine öffnung 74
des Deckels flüssiger Kunststoff, z.B. das oben beschriebene Polyamid PA12G, das
dünnflüssiger ist als Wasser, in das Innere der Negativform 40 eingegossen. Dieses
Eingießen erfolgt drucklos, d.h. bei Atmosphärendruck. Die Entlüftung der Gießform
70 erfolgt durch eine Entlüftungsöffnung 75 im Deckel 72.
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Nach mehrstündigem Aushärten (z.B. 24 Stunden) kann der fertige Rotor
aus der Form entnommen werden.
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