DE3880319T2

DE3880319T2 - Verfahren zum verbinden von kunststoffen.

Info

Publication number: DE3880319T2
Application number: DE8888909141T
Authority: DE
Inventors: S Brackett
Original assignee: INTEGRATED FLUIDICS CO
Current assignee: INTEGRATED FLUIDICS CO
Priority date: 1987-10-06
Filing date: 1988-10-05
Publication date: 1993-07-29
Anticipated expiration: 2008-10-06
Also published as: ATE88133T1; US4875956A; JPH03500394A; CA1294202C; EP0381692B1; WO1989003297A1; EP0381692A1; DE3880319D1

Description

Die Erfindung betrifft das Verbinden von massiven Teilen von Kunststoffmaterial wie etwa Acrylharz an einer Grenzfläche, um eine zwischenmolekulare Bindung zu erzeugen, die bei Betrachtung senkrecht zu der Grenzfläche praktisch unsichtbar ist, bei der Herstellung von Strömungsventilen und Strömungsverteilern. Daher können an der Grenzfläche die verschiedensten Leitungen, Bahnen, Öffnungen, Hohlräume und dergleichen geformt werden, um Gase und/oder Flüssigkeiten in einer Vielzahl von Richtungen ohne Leckage zu leiten. Ventile und selbst elektronische Bauelemente können an der Grenzfläche integriert mit den Kanälen angeordnet und in eine fluid- und luftdichte Bindung eingekapselt sein.

Hintergrund der Erfindung

Strömungsventile und -verteiler sind heute bei Technologien allgemein gebräuchlich, die die komplexe Steuerung des Durchflusses von Gasen und/oder Flüssigkeiten etwa in Vorrichtungen zur medizinischen Aufbereitung und dergleichen verlangen. Im wesentlichen weisen die Verteiler oder Ventile massive Blöcke, häufig aus Kunststoff, auf, die ein inneres Labyrinth von miteinander verbundenen Durchgängen, Kanälen, Öffnungen und Hohlräumen haben und die, wenn sie nicht in einem Block enthalten wären, eine wesentlich größere und kompliziertere Anordnung von Schläuchen, Leitungen, Behältern und Kammern zur Montage miteinander erfordern würden. Viele der Kanäle sind nicht geradlinig, sondern eher gekrümmt. Manche schneiden einander unter Winkeln und sind dreidimensional.
Es ist praktisch unmöglich, einen gekrümmten Kanal oder Durchgang vollständig in einem massiven Block zu bohren. Ein gekrümmter Kanal kann jedoch in eine Oberfläche eines Blocks gefräst werden, und diese Oberfläche kann anschließend mit einer Oberfläche eines anderen Blocks verbunden werden, um einen gekrümmten Kanal herzustellen. Ebenso müssen einige Durchgänge eine Länge von mindestens 2,5 cm (1 inch) oder mehr haben und sind sehr eng, häufig haben sie den Durchmesser einer Nadel. Das Bohren solcher Durchgänge in Kunststoff wie etwa Acrylharz unter gleichzeitiger Einhaltung enger Toleranzen ist äußerst schwierig. Daher werden Strömungsventile oder -verteiler hergestellt durch Herausarbeiten verschiedener Durchgänge, Öffnungen, Bohrungen und Leitungen aus einer Oberfläche eines Kunststoffblocks und anschließendes Anbringen eines weiteren Blocks auf dieser Oberfläche, so daß die Durchgänge dann im Inneren der vereinigten Blöcke liegen. Als eine Alternative werden hin und wieder beide Hälften der vereinigten Blöcke mit spiegelbildlichen Konfigurationen in ihren zu verbindenden Oberflächen bearbeitet, wobei diese Oberflächen anschließend in innigen Kontakt miteinander gebracht werden. Die Erfindung betrifft das Verfahren zum Binden solcher Oberflächen aneinander, um ein Strömungselement zu bilden.
Es ist sehr wichtig, daß die einander berührenden Oberflächen luftdicht sind, und zwar speziell, wenn das Element zum Regeln oder Leiten von Druckflüssigkeiten oder -gasen verwendet werden soll. Es ist offensichtlich, daß die Bauteilhälften mit Schrauben oder Bolzen aneinander befestigt werden könnten, aber das verursacht Spannungskonzentrationen und gewährleistet Dichtigkeit nur in den Bereichen, die die Schraube oder den Bolzen unmittelbar umgeben. Da ferner die Elemente häufig klein sind, ist eventuell kein Platz verfügbar zum Anbringen von Schrauben oder Bolzen, die störend in die Durchgänge oder Ventile eintreten würden.
Weiter wäre es auch offensichtlich, die Hälften zusammenzuspannen, aber dadurch wird die Masse vergrößert, und die Sicht würde verschlechtert werden.
Eine weitere Methode, an die man als Möglichkeit zum Befestigen der Bauteilhälften aneinander sofort denkt, ist die Verwendung von Klebstoff oder Feinkitt. Das ist aus mehreren Gründen unannehmbar. Feinkitte können die Gase oder Flüssigkeiten, die durch die Durchgänge in den Elementen strömen, kontaminieren. Wenn der Feinkitt nicht äußerst sorgfältig aufgebracht ist, kann ferner Feinkitt in die Durchgänge austreten und sie teilweise oder vollständig verstopfen. Außerdem resultiert das Kleben oder Feinkitten häufig in der Anwesenheit von Blasen, die für die optischen Eigenschaften der Elemente schädlich sein können. Auch ist es in vielen Fällen nicht nur erwünscht, sondern unabdingbar, daß die Durchgänge zur Inspektion des Durchlaufs von Flüssigkeiten oder Gasen ohne weiteres sichtbar sind. Klebstoff oder Feinkitt können die Brechzahl zwischen den beiden Elementhälften ändern oder die Grenzfläche undurchsichtig machen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen, zwei oder mehr Bauteile eines Strömungselements aneinander zu befestigen, und zwar ohne die Verwendung von Schrauben, Klebstoffen oder irgendeines dritten Elements.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine zwischenmolekular gebundene Grenzfläche zwischen zwei Teilen von Kunststoffmaterial wird durch die folgende Kombination von Schritten hergestellt. Zuerst werden die Kunststoffteile vorgeschrumpft, um Dimensionsstabilität zu erzielen. Danach wird an jedem Teil eine Grenzfläche gebildet, wobei die Flächen in bezug auf die Gestalt aneinander angepaßt sind. Die Grenzflächen werden dann gereinigt, um sie von Verunreinigungen zu befreien, wonach die Teile zusammengesetzt werden, wobei die Grenzflächen miteinander in Kontakt sind. Sämtliche Außenflächen der Teile werden gegen eine Ausdehnung umschlossen und dann erwärmt, um eine Ausdehnung der Teile gegen ihre Umschließung zu induzieren. Diese Ausdehnung bewirkt die Transmigration von Molekülen von einer Grenzfläche zur anderen, um die Teile aneinander zu binden. Ein ähnliches Verfahren zum Vereinigen von zwei Teilen von PTFE ist in FR-A-2 535 337 angegeben.
Unter Anwendung des Grundverfahrens wird ein Strömungselement hergestellt aus zwei oder mehr aneinander gebundenen Kunststoffteilen durch Formen wenigstens eines Strömungsdurchgangs in wenigstens einer der Grenzflächen. Als Alternative wird ein Strömungsdurchgang, der ein Spiegelbild des ersten ist, in der anderen Grenzfläche geformt. Die Teile werden dann zusammengesetzt, umschlossen und erwärmt, wie oben beschrieben ist.
Die Grenzflächen werden einer zweiten Oberflächenbearbeitung unterworfen, um etwaige Grate an der Grenzfläche zu entfernen. Um an der Grenzfläche die maximale Klarheit zu erhalten, werden die Grenzflächen poliert, bevor sie gereinigt, umschlossen und erwärmt werden.
Das fertige Erzeugnis kann einer Temperbehandlung unterworfen werden, um unerwünschte Spannungen zu beseitigen.
Die vorstehenden und weitere Merkmale der Erfindung einschließlich verschiedener neuer Einzelheiten der Konstruktion und von Kombinationen von Teilen werden im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben und in den Patentansprüchen angegeben. Es versteht sich, daß das spezielle Verfahren zum Binden von Kunststoff gemäß der Erfindung nur beispielhaft gezeigt und beschrieben wird und keine Einschränkung der Erfindung darstellt. Die Prinzipien und Merkmale der Erfindung können in den verschiedensten und zahlreichen Ausführungsformen angewandt werden, ohne daß dies eine Abweichung vom Umfang der beanspruchten Erfindung darstellt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Perspektivansicht in vergrößertem Maßstab von zwei Einzelteilen eines Strömungsventilelements, bevor sie gemäß der Erfindung aneinander gebunden werden;
Fig. 2 ist ein Flußdiagramm der Bearbeitungsschritte für die Ausführung der Erfindung; und
Fig. 3 ist eine Perspektivansicht eines Teils der Vorrichtung, die bei dem Bindungsverfahren verwendet wird.

Genaue Beschreibung der Erfindung

Mindestens eines der Materialien, die bei dem vorliegenden Verfahren wertvoll sind, sind die Acrylharze. Sie bieten die Vorteile, daß sie mechanisch fest und haltbar, lichtdurchlässig, leicht maschinell bearbeitbar sind und bei richtiger Vorbereitung ihre physikalische Integrität unter Spannungsund Temperaturänderungen behalten. Verschiedene Arten von Acrylharzmaterialien sind in Plattenform verfügbar, deren Dicke im allgemeinen zwischen ca. 3,2 und 38 mm (1/8 bis 1,5 inches) liegen kann. Zuerst werden die Platten auf die entsprechende Größe von zwei Teilen des fertigen Produkts zugeschnitten, die beispielsweise 51 x 51 mm (2 x 2 inches) mal 25,4 mm (1 inch) Dicke betragen könnte. Diese Teile sind in Fig. 1 als die Blöcke B&sub1; und B&sub2; dargestellt. Die Seiten 10 und 12 sind beispielsweise jeweils 51 mm (2 inches) breit und 25,4 mm (1 inch) dick. Die Oberflächen 2 haben eine Fläche von 51 mm² (2 sq.inches).
Die Erfindung wird zwar unter Bezugnahme auf ein zweiteiliges Ventilelement beschrieben, das die Blöcke B&sub1; und B&sub2; aufweist, es versteht sich aber, daß Elemente aus drei oder mehr Teilen möglich sind. Außerdem ist das Verfahren ebenso anwendbar zur gleichzeitigen Herstellung einer Vielzahl von Elementen in Massenfertigung.
Die Erfindung wird zwar relativ zu einem viereckigen Element beschrieben, es könnte aber jede andere Konfiguration haben, beispielsweise zylindrisch sein.
Fig. 2 zeigt die Verfahrensschritte als Flußdiagramm. Der erste Schritt ist Vorschrumpfen. Nachdem die Teile oder Komponenten ungefähr auf Größe zugeschnitten sind, werden sie vor dem Bearbeiten vorgeschrumpft. Das Vorschrumpfen stellt sicher, daß bei dem fertigen Produkt äußerst präzise Dimensionen unterhalten werden können. Wenn die Teile ohne Vorschrumpfen bearbeitet würden, könnte das anschließende Tempern zu einer dimensionsmäßigen Änderungen der Nuten, Kanäle und sonstigen Konfigurationen führen.
Vorschrumpfen ist nicht nur ein vorübergehender Zustand, sondern nach dem Vorschrumpfen behält das Acrylharzmaterial seine dimensionsmäßige Stabilität auch nach Bearbeitungs-, Temper- oder sonstigen Spannungen verursachenden Vorgängen. Aufgrund der Struktur von gegossenem Acrylharz resultiert ein Schrumpfen in zwei Richtungen in einer Zunahme der Größe in einer anderen Richtung. Dies kann einer Konservierung des Volumens ähnlich sein. Bei dem Vorschrumpfschritt schrumpft der Block entlang einer oder zwei Achsen und wird entlang einer weiteren Achse größer. Das basiert auf der während seines Herstellungsverfahrens gebildeten vorgespannten Molekülstruktur.
Der Block wird in einen Glühofen eingebracht, in dem er in zwei Richtungen geschrumpft und in der dritten Richtung vergrößert wird. Wie Fig. 1 zeigt, heißt das, daß seine Größe entlang der X- und Y-Achse abnehmen und entlang der Z-Achse oder einer Kombination von zwei Achsen zunehmen kann.
Typischerweise wird ein Block, der entlang der X- und Y- Achse 51 x 51 mm (2 x 2 inches) und entlang der Z-Achse 25,4 mm (1 inch) mißt, in einen Glühofen eingebracht. Die Temperatur wird allmählich über einen Zeitraum von ca. 6 h auf ca. 85 ºC (185 ºF) erhöht, wo sie für ca. 8 h gehalten wird. Anschließend wird die langsame Abkühlung für ca. 6 h zugelassen. Wärme kann in einen kleinen Block schneller als in einen großen Block eindringen, so daß die Erwärmungszeit umso länger ist, je größer das Teil ist. Den Block (die Blöcke) läßt man dann abkühlen.
Nachdem sie vorgeschrumpft sind, behalten die Blöcke diese Größe und erfahren in anschließenden Herstellungsschritten keine dimensionsmäßige Änderung. Ein anschließendes Tempern trägt außerdem zu dem Schrumpfvorgang nichts bei. Das heißt, der Block wird stabil und weist nach dem Vorschrumpfen keine dimensionsmäßigen Abweichungen auf.
Der nächste Schritt ist das Abkanten und Oberflächenbearbeiten des Blocks (der Blöcke), um seine Oberflächen für die weiteren Schritte vorzubereiten. Dieser Schritt wird ausgeführt durch maschinelles Bearbeiten eines Blocks, so daß seine entgegengesetzten Seiten parallel und seine angrenzenden Seiten relativ zueinander viereckig sind. Das erfolgt durch konventionelle Bearbeitungsvorgänge wie beispielsweise durch Schlagzahnfräsen. Aufgrund des Vorschrumpfschritts ist die Orientierung der Blöcke relativ zu ihrer ursprünglichen Orientierung vor dem Abschneiden von dem Plattenmaterial ohne Bedeutung. Eine richtige Oberflächenvorbereitung ist jedoch sehr wichtig. In jedem Durchgang wird nur sehr wenig Material von dem Block abgetragen, und tatsächlich überstreicht der Schlagzahnfräser, der mit sehr hoher Geschwindigkeit dreht, die Oberfläche des Blocks nur.
Das Schlagzahnfräsen, wie es heute praktiziert wird, erzeugt eine Serie von mikroskopisch kleinen Aufwölbungen und Vertiefungen in der Oberfläche des Werkstücke. Mit Ausnahme des Polierens ist es das gleichmäßigste Oberflächenfräsverfahren, das verfügbar ist. Jeder Block des Elements wird auf diese Weise vorbereitet.
Der nächste Schritt des Verfahrens ist die Bearbeitung der gewünschten Strömungskonfiguration in einer oder beiden Grenzflächen. Dieser Schritt ist zwar nicht wesentlich, um eine Bindung an der Grenzfläche herzustellen, aber er ist notwendig, um ein funktionsfähiges Ventil oder einen Verteiler zu erzeugen. Wie Fig. 1 zeigt, sind die Grenzflächen 2 der beiden Blöcke B&sub1; und B&sub2; durch maschinelles Bearbeiten mit einer Vielzahl von Kanalen 4 und 5, Taschen 6 und Durchgängen 8 usw. versehen. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel sind die beiden Oberflächen 2 spiegelbildlich bearbeitet. Wenn jedoch die Durchgänge nur als halbkreisförmige Nuten in dem Block B&sub1; geformt wären, wenn die Blöcke zusammengesetzt werden, hätten die Durchgänge Halbkreisguerschnitt, wogegen bei Bildung der Durchgänge zur Hälfte in dem Block B&sub1; und zur Hälfte in dem Block B&sub2; der vereinigte Durchgang kreisrunde Konfiguration und die doppelte Querschnittsfläche hat. Wenn das Strömungsmuster in nur einer der Oberflächen 2, beispielsweise im Block B&sub1;, gebildet ist, dann hat bei Befestigung des Blocks B&sub2;, der in seiner Oberfläche 2 keine Bearbeitung aufweist, an dem Block B&sub1; jeder der Durchgänge, Kanäle, Taschen oder Löcher eine ebene Seite.
Es liegt ferner im Rahmen der Erfindung, daß verschiedene Komponenten wie etwa Ventile, elektronische Komponenten und dergleichen in die Oberfläche eingesetzt werden können, indem beispielsweise Löcher gebohrt und Komponenten in diese eingedrückt werden. Ebenso können verschiedene Materialien in Folienform, beispielsweise Mylar, das eine von DuPont Company vertriebene Polyethylenfolie ist, an den Grenzflächen positioniert werden, um anschließend in der zusammengesetzten Einrichtung, die die Blöcke B&sub1; und B&sub2; aufweist, eingekapselt zu sein.
Zusätzlich zu durchsichtigem Acrylharz ist eine erfolgreiche Bindung zwischen Schwarz und/oder Weiß und Klar und verschiedenen Farben oder anderen Farben an Farben vorgenommen worden.
Der Fräsvorgang erfolgt mit konventionellen Werkzeugmaschinen, wobei die Dimensionen von der vorgeglätteten und abgekanteten Oberfläche abgenommen werden. Es ist zu beachten, daß der Durchgang 5 gekrümmt ist und in die Oberflächen 2 gefräst wurde.
Auch bei Höchstpräzisions-Bearbeitung können Grate an den Rändern der Schnitte oder Nuten gebildet werden. Um solche Grate oder Unregelmäßigkeiten zu entfernen, können die Oberflächen einer weiteren oder zweiten Oberflächenbehandlung unterworfen werden, beispielsweise durch Schlagzahnfräsen. Von der Oberfläche wird nur eine minimale Materialmenge abgetragen, um das vorgefräste Strömungsmuster nicht zu stören und um die Toleranzen der verschiedenen Kanäle und Nuten 4, 5, 6 und 8 beizubehalten. Dieser Verfahrensschritt ist fakultativ.
Falls gewünscht, können Gummidichtungen oder O-Dichtringe in vorgebohrte Löcher in den Oberflächen 2 eingesetzt werden, wenn sie für den Betrieb des Elements erforderlich sind. Außerdem könnten auch magnetische Rührer vorgesehen werden. Dies erfolgt bevorzugt durch Einbringen im Festsitz oder Einpressen derselben in Löcher, um die Notwendigkeit für Klebstoffe auszuschließen, die für die Flüssigkeiten oder Gase, die später durch das Element strömen sollen, schädlich sein könnten.
Der zweite Oberflächenbearbeitungsschritt beseitigt nicht nur Grate, sondern verbessert die Oberflächengüte insgesamt. Wenn beispielsweise das erste Abkanten mit einem schweren Fräswerkzeug erfolgen würde, wäre der zweite Oberflächenbearbeitungsschritt demgegenüber im wesentlichen ein Polierschritt.
Bis hierher wurde kein Reinigungsvorgang durchgeführt, obwohl während der verschiedenen Fräsvorgänge Fluide konventionell eingesetzt werden, und zwar hauptsächlich zum Kühlen des Werkstücks und zum Spanaustrag.
Der nächste durchzuführende Schritt ist das Polieren. Dieser Schritt ist nicht für alle Verfahren unbedingt erforderlich, ist aber in einigen Fällen notwendig, wenn beispielsweise Fluiddurchflußbedingungen vorschreiben, daß die eigentlichen Kanäle oder Durchgänge poliert sein müssen. Das kann mit konventionellen Poliervorgängen erfolgen.
Unter gewissen Umständen werden die eigentlichen Grenzflächen 2 vor dem Binden poliert. Das erfolgt hauptsächlich, um die Durchsichtigkeit der fertigen gebundenen Grenzfläche zu verbessern. Wenn es dagegen erwünscht ist sicherzustellen, daß die eigentlichen Kanäle und Durchgänge 4, 5 und 8 sichtbar sind, bleiben sie unpoliert, und die Grenzfläche 2 wird poliert. In dem fertigen gebundenen Element wären die Kanäle durch die leicht gräuliche Oberflächenbearbeitung besser sichtbar.
Der Polierschritt der Grenzfläche 2 wird hauptsächlich durchgeführt, um die fertige gebundene Grenzfläche klarer zu machen, als wenn die mit dem Schlagzahnfräser bearbeiteten Oberflächen aneinander gebunden würden. Schwabbel- und/oder Schleif- und Läppverfahren können zum Polieren der Oberfläche ebenso wie der Einsatz von chemischen Dämpfen angewandt werden. Flammenpoliertechniken können ebenfalls vorgesehen sein. In diesem Fall würde Strahlpolieren angewandt werden. Strahlpolieren ist die Technik der Wahl, um in das Innere von kleinen Löchern zu gelangen.
Wie Fig. 2 zeigt, ist der nächste Schritt im Verfahren das Reinigen der Oberfläche 2. Das kann einfach durch Anwendung von Wasser und Seife erfolgen oder wird üblicherweise nach der industriellen Ultraschallmethode mit Freonbehälter durchgeführt. Jeglicher Schmutzstoff oder Fremdkörper wie Öl oder Späne des Acrylharzes von den Bearbeitungsschritten muß von den Oberflächen entfernt werden. Die Freonbehältermethode umfaßt eine Mehrzahl von Tauchschritten.
Der nächste Verfahrensschritt ist allgemein als Umschließen definiert, wie Fig. 2 zeigt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist eine Umschließungsvorrichtung 18 gezeigt. Sie weist einen Hohlblock 20 mit parallelen Wänden 22 und 24 auf. Wenn der Block zylindrisch wäre, wäre das Innere der Vorrichtung zylindrisch. Die Innenflächen 25 und 26 der Wände sind vollkommen eben. Sie sind gerade groß genug, um die Blöcke B&sub1; und B&sub2; im Gleitsitz aufzunehmen. Die beiden Blöcke B&sub1; und B&sub2; werden in dem Umschließungsblock 20 angeordnet und vereinigt, wobei ihre Grenzflächen 2 aneinander anliegen. Die Oberflächen 10 und die Oberflächen 12 der Blöcke bilden dann jeweils eine ununterbrochene ebene Fläche, die an einer der Oberflächen 25 oder 26 in Anlage ist.
Einsatzkörper 30, die die gleiche Konfiguration wie die Öffnung in der Umschließungsvorrichtung 20 haben, werden von entgegengesetzten Seiten aufeinander zu in die Umschließungsvorrichtung bewegt. Jeder Einsatzkörper 30 hat eine ebene Oberfläche 32, die an einer gegenüberliegenden Seite des Blocks B&sub1; oder B&sub2; anliegt, die zu der Grenzfläche 2 parallel ist. Fig. 3 zeigt zwar die Umschließungsvorrichtung schematisch mit einfachen Griffen 34, aber es versteht sich, daß die Einsatzkörper 30 maschinell betätigbar sein können. Die Einsatzkörper 30 werden aufeinander zu bis zu einem vorbestimmten Haltepunkt bewegt, an dem sie auf die Blöcke B&sub1; und B&sub2; drücken.
Die Umschließungsvorrichtung 20 kann aus Aluminium oder irgendeinem anderen guten Wärmeleitermaterial bestehen. Die Innenseiten 25 und 26 der Wände 22 und 24 sind glatt und hochpoliert, da sie der Oberfläche des Acrylharzelements, die an ihnen in Anlage gelangt, ein hochglänzendes Aussehen verleihen sollen.
Wenn die Einsatzkörper 30 in ihre Position an den vorbestimmten Haltepunkten bewegt sind und an den Acrylharzkomponenten B&sub1; und B&sub2; anliegen, werden sie nicht weiterbewegt. Es soll betont werden, daß die Einsatzkörper 30 während des Bindungsvorgangs nicht kontinuierlich bewegt werden, sondern daß sie, nachdem sie in einem vorbestimmten Abstand angeordnet wurden, in diesem Abstand verbleiben. Somit ist ersichtlich, daß der zusammengesetzte Modul, der aus den zwei Komponenten B&sub1; und B&sub2; besteht, auf allen sechs Seiten oder, wenn er zylindrisch wäre, um den Zylinder herum und an seinen Enden umschlossen ist.
Die Umschließungsvorrichtung 18 einschließlich der Einsatzkörper 30 und der Werkstücke B&sub1; und B&sub2; wird dann in einem Glühofen bei einer vorbestimmten Temperatur und für eine vorbestimmte Zeitdauer angeordnet. Durch Erhöhen der Temperatur tendiert das Acrylharz zu einer Ausdehnung. Der Druck, den die ortsfesten Einsatzkörper 30 und die Wände 24 und 25 auf die zusammengesetzten Komponenten B&sub1; und B&sub2; aufbringen, veranlaßt das Element, zur einer Ausdehnung senkrecht zu den Richtungen des aufgebrachten Drucks zu tendieren, wobei diese Richtung durch die Pfeile in Fig. 3 angegeben ist. Dadurch wird das Äußere des Elements gegen die glatten polierten Wände 25 und 26 der Umschließungsvorrichtung gepreßt. Selbstverständlich drückt der induzierte Druck auch die Grenzflächen 2 gegeneinander. Gleichzeitig baut sich Druck an der verbindungs-Grenzfläche der Oberflächen 2 auf. Der Druck ist eine Funktion der Temperatur und nicht einer Bewegung der Einsatzkörper 30, die ortsfest sind.
Die Temperatur ist zu keiner Zeit so hoch, daß sie das Acrylharz veranlaßt, viskos zu werden, da sonst die bearbeiteten Bereiche 4, 5, 6 und 8 ausgefüllt werden und möglicherweise verschwinden würden. Während des Vorgangs erfolgt eine Transmigration von Molekülen an den Grenzflächen des Blocks B&sub1; zu der Grenzfläche des Blocks B&sub2; und umgekehrt. Dadurch wird die Grenzfläche im wesentlichen beseitigt, und die beiden Blöcke werden veranlaßt, im wesentlichen ein einziger Block zu werden. Schließlich werden die Grenzflächen unsichtbar, wenn sie unter rechten Winkeln betrachtet werden, und die Nuten und Durchgänge heben sich sichtbar ab, wenn sie nicht poliert wurden. Wenn sie jedoch poliert wurden, sind sie zwar immer noch sichtbar, aber sie sind nicht so gut sichtbar, wie wenn sie nicht poliert worden wären.
Die Bindungsenergie resultiert aus der Temperaturerhöhung im Gegensatz zu einer Druckbeaufschlagung, weil zu Beginn wenig oder gar kein Druck auf das Element durch die Wände 25 und 26 aufgebracht wird und die Einsatzkörper 30 nur mit manuellem Druck gegen die gegenüberliegenden Endflächen der zusammengesetzten Teile B&sub1; und B&sub2; bewegt werden. Es ist die Temperatur, die die volumetrische Ausdehnung des Elements bewirkt, wodurch der Druck erzeugt wird.
Die Bindungszeit ist eine Funktion der Masse des Elements. Als Beispiele haben sich die folgenden Zeiten und Temperaturen als zufriedenstellend erwiesen.

Beispiel 1

Zwei Acrylharzteile B&sub1; und B&sub2; von jeweils 38 x 38 mm (1,50 sq.inches) (in X- und Y-Richtung) und 6,35 mm (0,250 inch) Dicke (in Z-Richtung) wurden ohne Vorwärmen in einem Ofen bei 149 ºC (300 ºF) gebunden, wobei die Temperatur um plus oder minus 5,5 ºC (10 ºF) veränderlich war. Die Erwärmung wurde für 30 min fortgesetzt, und man ließ das Element in Umgebungsluft abkühlen.

Beispiel 2

Zwei Teile B&sub1; und B&sub2; von jeweils 75,7 x 77,8 mm (2,980 x 3,063 inches) in X- und Y-Richtung wurden gebunden. Das eine Teil hatte eine Dicke von 5,23 mm (0,206 inch), d. h. in Z-Richtung, und das andere hatte eine Dicke von 10,0 mm (0,396 inch). Sie wurden in einem Ofen bei 149 ºC (300 ºF) mit einer Schwankung von plus oder minus 5,5 ºC (10 º) für 30 min ohne Vorwärmen erwärmt und in Umgebungsluft abgekühlt.

Beispiel 3

Ein Dreischichtelement wurde erfolgreich gebunden, wobei die äußeren Schichten jeweils 10,0 x 29,1 mm (0,395 x 1,147 inches) groß in X- und Y-Richtung und 2,21 mm (0,087 inch) dick, d. h. in Z-Richtung, waren. Die innere Schicht war ebenfalls 10,0 x 29,1 mm (0,395 x 1,147 inches), war jedoch in Z-Richtung 5,33 mm (0,210 inch) dick. Ohne Vorwärmen wurde der Schichtkörper in einem Ofen bei 141 ºC (285 ºF) mit einer Abweichung von plus oder minus 5,5 ºC (10º) für 30 min angeordnet, und man ließ ihn in Umgebungsluft abkühlen.
Nachdem die Bindungstemperatur einmal erreicht ist, wird die Temperatur nicht überschritten, sondern für die vorbestimmte Zeitdauer aufrechterhalten. Dann läßt man die Öfen herunterkühlen. Nach Beendigung des Bindungsvorgangs wird das dann gebundene Element aus der Umschließungsvorrichtung entfernt, und man läßt es abkühlen.
Nach der Einwirkung von Druck und Temperatur auf das Element unterliegt dieses der Ausbildung von inneren Spannungen, die unerwünscht sind und die durch Anwendung von kreuzpolarisiertem Licht oder Prüfen mit Ethylacetat nachweisbar sind.
Die Spannungen werden durch Tempern entfernt. Dies wird erreicht, indem das gebundene Element für einen vorbestimmten Zeitraum Wärme ausgesetzt wird. Dabei ist das Acrylharzelement nicht umschlossen. Das Tempern dauert im wesentlichen acht Stunden bei einer Temperatur von ca. 77 ºC (170 ºF) bis ca. 93 ºC (200 ºF), was erheblich niedriger als die Bindungstemperatur ist. Dadurch wird ein "Setzend der Acrylharzmoleküle in ihrer richtigen Ruhelage frei von unerwünschten Spannungen bewirkt.
Eine Prüfung der Einrichtung in Ethylacetat, wobei sich in den Spannungen aufweisenden Teilen Risse ausbilden, ist eigentlich zerstörendes Prüfen. Dieses Verfahren zeigt nur an, ob das Element getempert worden ist. Ein getempertes Element zeigt keine Spannungsrisse. Infolgedessen kann jedes Teil, das einer Ethylacetat-Prüfung unterzogen wurde und keine Spannungsrisse zeigt, unter sonst gleichen Verhältnissen ein annehmbares Element sein.
Nach dem Tempern können etwaige weitere Bearbeitungsvorgänge an dem Element vorgenommen werden, beispielsweise das Bohren von Schraubenlöchern, was zum Anbringen des Elements im allgemeinen notwendig ist. Dadurch wird die erfolgte Bindung in keiner Weise beeinträchtigt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Strömungselements mit wenigstens einem Strömungskanal aus wenigstens zwei Kunststoffteilen, die eine intermolekular gebundene Grenzfläche haben, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

a. Erwärmen zum Vorschrumpfen von Teilen (B&sub1;, B&sub2;) aus Acrylmaterial zur Erzielung von Dimensionsstabilität, ohne daß hierbei physikalische Verformung eintritt.

b. Bearbeiten einer ersten Grenzfläche (2) an dem ersten Teil (B1) und Bearbeiten einer zweiten Grenzfläche (2) an dem zweiten Teil (B2), wobei die Grenzflächen in bezug auf die Gestalt aneinander angepaßt sind,

c. Herausarbeiten von wenigstens einem Strömungskanal (z.B. 8) in der ersten Grenzfläche (2),

d. Entfernen von Graten von der Grenzfläche (2), die den Strömungskanal (8) hat,

e. Polieren beider Grenzflächen (2,2),

f. Zusammensetzen der Teile (B1, B2), wobei die polierten Grenzflächen (2,2) miteinander in Kontakt sind,

g. Umschließen aller Außenflächen (10, 12) der Teile (B1, B2) gegen eine Ausdehnung und

h. Aufbringen von Wärme auf die zusammengesetzten Teile (B1, B2) in Abwesenheit von extern aufgebrachtem Druck, um ihre Ausdehnung gegen ihre Umschließung zu induzieren, um die Transmigration von Molekülen von einer Grenzfläche (2) zur anderen zu bewirken, um die Teile (B1, B2) aneinander zu binden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vorschrumpfen durchgeführt wird durch Erwärmen der Teile (B1, B2) auf eine Temperatur von ungefähr 85 ºC (185 ºF) über einen Zeitraum von ca. 6 h, Halten der Temperatur auf ca. 85 ºC (185 ºF) für ca. 8 h und Abkühlenlassen der Teile für ca. 6h.

3. Verfahren nach Anspruch 1, das den Schritt der Spannungsentlastung aufweist, wobei die verbundenen Teile (B1, B2) für einen Zeitraum von ca. 8 h bei einer Temperatur von ca. 77 ºC (170 ºF) bis ca. 93 ºC (200 ºF) getempert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wärme, die aufgebracht wird, um eine Ausdehnung zu induzieren, eine Temperatur von ca. 135 ºC (275 ºF) bis ca. 154 ºC (310 ºF) hat.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wärme auf die zusammengesetzten Teile (B1, B2) für ca. 30 min aufgebracht wird, um eine Ausdehnung zu induzieren und die Bindung zu bewirken.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Strömungskanal (8) in der zweiten Grenzfläche (2) als Spiegelbild des in der ersten Grenzfläche (2) gebildeten Strömungskanals (8) gebildet wird.