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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halterung zum Anbringen
eines Laser-abschirmenden Materials in einem Strömungsprofil, das das Anbringen
von Material in Passagen des Strömungsprofils
beinhaltet, um einen Laserstrahl daran zu hindern, auf das Innere
aufzutreffen, nachdem die Kühlluftöffnung durch
die Wandung des Strömungsprofils gebohrt
worden ist. Im Spezielleren betrifft die vorliegende Erfindung eine
Halterung zum Anbringen von Material in Passagen in dem Strömungsprofil,
die mit anderen Passagen durch relativ kleine Öffnungen im Inneren des Strömungsprofils
in Strömungsverbindung
stehen. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Halterung zum
Anbringen eines Laser-abschirmenden Materials in einer Rotorschaufel
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 11. Die
US
5,283,020 A offenbart eine Halterung zum unter Schwerkraft
erfolgenden Zuführen
von Füllmaterial
zu einem Strömungsprofil,
wie z. B. einer Rotorschaufel, und wird als erläuternder Stand der Technik
betrachtet.
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Strömungsprofile
für Gasturbinenmaschinen sind
in einem Strömungsweg
für Arbeitsmediumgase angeordnet.
Beispiele für
solche Strömungsprofile sind
Turbinenlaufschaufeln und Turbinenleitschaufeln. Die Strömungsprofile
sind in heiße
Gase getaucht, während
die Gase durch die Maschine strömen.
Man lässt
Kühlluft
unter Betriebsbedingungen durch Passagen im Inneren des Strömungsprofils strömen, um
die Temperatur des Strömungsprofils, wie
z. B. einer Turbinenleitschaufel oder einer Turbinenlaufschaufel,
innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten.
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Weiterhin
kann das Strömungsprofil
Kühlluftöffnungen
aufweisen, die sich vom Inneren zum Äußeren des Strömungsprofils
erstrecken. Die Kühlluftöffnungen
sind klein und können
Durchmesser aufweisen, die in einem Bereich von 11 bis 17 Millünch (0,011
bis 0,017 Inch)(0,3 bis 0,4 mm) liegen. Die Öffnungen sind in vorbestimmten
Mustern gebohrt und zum Gewährleisten
einer angemessenen Kühlung des
Strömungsprofils
konturiert.
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Die
Kühlluftöffnungen
leiten Kühlluft
aus Passagen im Inneren des Strömungsprofils
durch die heißen
Wände nach
außen.
Die Kühlluft
sorgt für eine
Transpirationskühlung,
wenn die Luft durch die Wand hindurch tritt, und nach dem Austritt
der Luft aus dem Strömungsprofil
sorgt sie für
eine Schleierkühlung
mit einem Luftschleier auf der Außenseite. Der Kühlluftschleier
schafft eine Barriere zwischen dem Strömungsprofil und den heißen Arbeitsmediumgasen.
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Eine
Verfahrensweise zum Bohren der Öffnungen
verwendet einen Laser, um einen Strahl kohärenter Energie auf die Außenseite
des Strömungsprofils
zu richten. Die intensive Strahlung von dem Laserstrahl brennt sich
durch die Wand des Strömungsprofils,
so dass eine Öffnung
zurückbleibt,
die einen ausreichenden Kanal für
Kühlluft
bildet. Wenn der Laserstrahl durch die Strömungsprofilwand hindurch in
einen inneren Hohlraum eindringt, kann der Laserstrahl auf die benachbarte
Struktur auf der anderen Seite des Hohlraums auftreffen und einen
nicht akzeptablen Schaden des Strömungsprofils hervorrufen. Aus
diesem Grund kann Abschirmmaterial in dem Hohlraum angebracht werden,
um den Laserstrahl an einem Auftreffen auf den Hohlraum begrenzenden
Wänden
zu hindern, nachdem der Strahl die Strömungsprofilwand durchdringt.
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Eine
Verfahrensweise besteht darin, in dem Strömungsprofil den keramischen
Gießkern
zu belassen, um den herum das Profil während des Herstellungsvorgangs
gegossen wird. Der Keramikkern bildet ein geeignetes Abschirmmaterial.
Der Keramikkern wird anschließend
durch allgemein bekannte Auslaugtechniken entfernt. Diese Verfahrensweise ist
beschrieben in dem US-Patent 5,222,617 mit dem Titel „Bohren
von Turbinenschaufeln",
das für
Gregore, Griffith und Stroud erteilt wurde. Das Vorhandensein des
Kerns nach dem Gießen
verhindert jedoch eine anfängliche
Inspektion des Inneren des Strömungsprofils.
Auch kann das Keramikmaterial schwierig zu entfernen sein, nachdem
die Kühlluftöffnungen
gebohrt sind. Außerdem
ist der Kern während
Reparaturvorgängen,
die ein neues Bohren der Kühlluftöffnungen
erforderlich machen können,
nicht zur Verwendung bei dem Strömungsprofil
verfügbar.
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Ein
weiteres Beispiel für
ein Abschirmmaterial ist ein Wachs oder ein wachsartiges Material.
Das Material wird geschmolzen, so dass es einfach in die inneren
Passagen strömen
kann, wie z. B. die am vorderen Rand befindliche Passage des Strömungsprofils.
Die Temperatur des geschmolzenen Materials über dessen Schmelzpunkt kann
250° Fahrenheit (121°C) übersteigen.
Das geschmolzene Material kann von Hand eingegossen oder in den
Hohlraum injiziert werden oder kann sogar auch auf die zu schützende Oberfläche aufgesprüht oder
aufgestrichen werden. Das geschmolzene Material kann jedoch schwere
Verbrennungen bei mit dem Material arbeitenden Personal hervorrufen.
Außerdem
ist der Vorgang zeitaufwendig, wenn solches Material von Hand in
das Strömungsprofil
gegossen wird. Außerdem
kann sich das Wachs zwischen zwei eng voneinander beabstandeten
Kühlluftöffnungen
erstrecken. Das der ersten Öffnung
benachbarte Wachs, das den Laserstrahl beim Bohren der zweiten Öffnung blockiert,
kann beim Bohren der ersten Öffnung
durch den Laserstrahl schmelzen. Dies führt zur Bildung eines Hohlraums
in dem Wachs. Als Ergebnis hiervon kann die Energie von dem Laserstrahl
an der zweiten Öffnung
durch das Wachs möglicherweise
nicht ausreichend abgeführt
werden, wenn dieser durch den Bereich der Passage mit dem Hohlraum
hindurch geht. An dem Strömungsprofil
kann beim Bohren der zweiten Öffnung
ein Schaden auftreten, da der Strahl nach dem Hindurchgehen durch
die Wand an der zweiten Öffnung
auf die Innenwand des Strömungsprofils
auftreffen kann.
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Ein
wachsartiges Abschirmmaterial, das einen Zusatz verwendet, um die
Bildung von Hohlräumen
zu vermeiden, ist in dem US-Patent 5,049,722, erteilt für Corfe
und Stroud mit dem Titel „Laser-Abschirmmaterial
und Verfahren zum Laserbohren" erläutert. Bei
Corfe wird ein wachsartiges PTFE-Material (Polytetrafluorethylen)
in einer Wachsbasis angeordnet. Das PTFE trägt zum Vermeiden von Hohlräumen bei.
Das Anordnen von solchem Material im Inneren einer am vorderen Rand
befindlichen Passage ist für
manche Strömungsprofile
besonders schwierig. Die Vorderkantenpassage hat während der
Herstellung häufig
keine Verbindung mit der Außenseite des
Strömungsprofils.
Vor dem Bohrvorgang handelt es sich um eine Passage mit Blindende,
mit Ausnahme von kleinen Aufprallöffnungen, die die Passage in Gasverbindung
mit einer benachbarten Passage anordnen. Die benachbarte Passage
weist auch eine Öff nung
zum Empfangen von Kühlluft
auf, die man zu der Vorderkantenpassage strömen lässt. Aus diesem Grund muss
Personal das geschmolzene Material sorgfältig in die Einlassöffnung eingießen und
das Strömungsprofil
derart handhaben, dass Blasen in dem Material in der Vorderkantenpassage
vermieden werden.
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Noch
ein weiterer Weg besteht in der Verwendung eines Maskiermittels,
wie z. B. eines Epoxyharzes, das in einem flüssigen Zustand in dem Strömungsprofil
angebracht wird. Das Epoxyharz wird in dem Strömungsprofil dadurch angebracht, dass
man das Harz einfach in das Strömungsprofil eingießt. Das
Epoxyharz befindet sich auf Raumtemperatur und beinhaltet keine
Gefahr eines Verbrennens für
Personal. Das Epoxyharz wird weiter bearbeitet, um das Fluid zu
härten
und dazu zu bringen, zu einem festeren Material zu werden, und zwar ähnlich dem
PTFE-Wachs, das in dem US-Patent 5,049,722 erwähnt ist. Das Harz ist jedoch
im Vergleich zu geschmolzenem Wachs relativ zähflüssig und hat Schwierigkeiten,
durch kleine Verbindungspassagen im Inneren des Strömungsprofils
zu fließen.
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Bei
manchen Strömungsprofilen
kann es besonders schwierig sein, ein solches Material im Inneren
einer Vorderkantenpassage anzubringen. Die Vorderkantenpassage weist
während
der Herstellung häufig
keine Verbindung zu der Außenseite
des Strömungsprofils
auf. Vor dem Bohrvorgang handelt es sich um eine Passage mit Blindende,
und zwar mit Ausnahme von kleinen Aufprallöffnungen, die die Passage in
Gasverbindung mit einer benachbarten Passage anordnen. Die benachbarte
Passage weist auch eine Öffnung
zum Erhalten von Kühlluft
auf, das man in die Vorderkantenpassage strömen lässt. Aus diesem Grund muss
das Personal das geschmolzene Material sorgfältig in die Einlassöffnung eingießen und
das Strömungsprofil
derart handhaben, dass Blasen in dem Material in der Vorderkantenpassage vermieden
werden und auch die Bildung von Hohlräumen vermieden wird. Das Material
hat jedoch den Vorteil, dass es sich durch Erwärmen des Materials auf eine
Temperatur, die zum Verdunsten des Materials führt, in einfacher Weise entfernen
lässt.
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Ein
weiterer Weg besteht in der Verwendung eines thixotropen Mediums,
das Materialien zum Dispergieren von Laserlicht beinhaltet. Diese
Verfahrensweise ist in dem US-Patent 4,873,414 erläutert, das
für Ma
und Pinder erteilt wurde und den Titel "Laserbohren von Komponenten" trägt. Ein
spezieller Vorteil dieses Mediums besteht darin, dass es Licht emittiert,
wenn es von dem Laserlicht kontaktiert wird. Die Überwachung
des von der Komponente reflektierten Lichts ermöglicht die Detektion des Laserstrahls,
wenn der Laserstrahl durch die zweite Oberfläche hindurch bricht, so dass
eine Rückkopplungssteuerung
ermöglicht
wird, um dadurch festzustellen, ob der Laserstrahl eine Durchgangsöffnung gebohrt hat
oder nicht. Außerdem
kann die Viskosität
des Mediums vermindert werden, indem das Medium durch eine Düse verbracht
wird, um die Viskosität
des Mediums zu reduzieren, so dass das Medium in einfacher Weise über eine
Innenfläche
der Komponente strömt.
Das thixotrope Medium kann entfernt werden, indem das Medium mit
einem Ausspülmittel
kontaktiert wird, wobei dies sowohl eine zusätzliche Handhabung der Komponente
als auch das aktive Einströmen
lassen von zusätzlichem
Material in die Komponente erforderlich macht.
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Noch
ein weiterer Weg ist in dem US-Patent 5,140,127 mit dem Titel „Laserabschirmendes
Material" gezeigt,
das für
Stroud und Corse erteilt wurde. Dieser Weg verwendet ein einspritzbares
Abschirmmaterial, bei dem es sich um eine Zusammensetzung handelt,
die ausgewählt
ist aus der Gruppe bestehend aus einem ersten Copolymer von Tetrafluorethylen
und Hexfluorpropylen sowie einem zweiten Copolymer mit einer Polytetrafluorethylen-Basis
und mindestens einer fluorierten Alkoxy-Nebengruppe. Das Material
wird in das Innere der Komponente gegossen oder injiziert. Das Material
wird anschließend an
das Füllen
und Laserbohren der hohlen Turbinenschaufeln aus der Komponente
ausgedampft. Es ist wahrscheinlich möglich, das Material in einer
passiveren Weise zu entfernen, wie z. B. durch Erwärmen des
Materials auf eine sehr hohe Temperatur zum Verdampfen des Materials.
Die Produkte einer solchen Verbrennung enthalten jedoch Fluoratome
und können
zur Entstehung von schädlichen
Fluiden führen,
die von den Verbrennungsprodukten gereinigt werden müssen, bevor
die Verbrennungsprodukte an die Atmosphäre freigesetzt werden. Eine
weitere Verfahrensweise ist in dem US-Patent 5,767,482 mit dem Titel „Laser-abschirmendes
Material und Verfahren" gezeigt,
das für
Turner erteilt wurde. Turner verwendet fein verteiltes kristallines
Material, wie z. B. Natriumchlorid (Salz) oder andere Metallsalze,
die thermisch stabil sind und einen hohen Schmelzpunkt haben. Salz
kann in das Innere einer Komponente durch Eingießen oder Ausbilden desselben
in Form einer Paste unter Verwendung von Wasser sowie Injizieren
desselben eingebracht werden. Das Salz wird durch Spülen der
Komponente mit Wasser entfernt.
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Trotz
des vorstehend geschilderten Standes der Technik versuchen Wissenschaftler
und Ingenieure, die unter der Anleitung der Anmelderin arbeiten,
Materialien, Verfahrensweisen und Vorrichtungen zum Anbringen von
Laserabschirmendem Material im Inneren von Strömungsprofilen zu entwickeln, die
für die
Verwendung bei Massenherstellungsvorgängen geeignet sind und relativ
leicht zu entfernen sind, ohne dass schädliche Fluide gebildet werden oder
mehrere zeitaufwendige Operationen ausgeführt werden müssen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Halterung zum Anbringen eines Laser-abschirmenden
Materials in einem Strömungsprofil
gemäß Anspruch
1 offenbart.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung weist die Passage in der Eingießplatte
eine Öffnung
zum Abgeben des Abschirmmaterials in das Strömungsprofil auf und beinhaltet ferner
einen in Erstreckungsrichtung verlaufenden Vorsprung, durch den
die Eingießplatte
dazu ausgebildet ist, mit der Wurzel des Strömungsprofils zusammen zu wirken,
und der sich um die Passage herum erstreckt und gegen die Wurzel
des Strömungsprofils
drückt,
um eine dichte Abdichtung gegenüber dem
Strömungsprofil
zu bilden.
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Gemäß einer
weiteren detaillierten Ausführungsform
ist ein Dichtungselement aus Polytetrafluorethylen (bei dem kein
Kaltfließen
entsteht) zwischen der Eingießplatte
und der Wurzel des Strömungsprofils
angeordnet, um die Strömung des
Abschirmmaterials an der Grenzfläche
zwischen dem Strömungsprofil
und der Eingießplatte
zu blockieren.
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Gemäß einer
weiteren detaillierten Ausführungsform
weist die Eingießplatte
eine vertiefte Öffnung
auf, durch die die Eingießplatte
dazu ausgebildet ist, die Wurzel des Strömungsprofils aufzunehmen, und
die Wände
beinhaltet, die sich umfangsmäßig um das
Dichtungselement herum erstrecken, um das Dichtungselement während der
Montage des Strömungsprofils
in der Eingießplatte
in Bezug auf die Eingießplatte
positionieren.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Halterung einen Eingießplattenhalter,
der an einer Quelle druckbeaufschlagten Abschirmmaterials angebracht
ist, und die Eingießplatte
steht verschiebbar mit dem Eingießplattenhalter in Berührung, um
die Passage in der Eingießplatte
mit der Wurzel des Strömungsprofils und
mit der Quelle des druckbeaufschlagten Abschirmmaterials auszufluchten.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel handelt
es sich bei dem Strömungsprofil
um eine Rotorschaufel und beinhaltet die Halterung eine Mehrzahl
von Materialblöcken,
von denen jeder eine Oberfläche
aufweist, die mit dem anderen Ende der Rotorschaufel zusammenwirkt,
wobei jeder Block eine andere Höhe
in Erstreckungsrichtung hat, um die Halterung dazu auszubilden,
mit einer Rotorschaufel zusammen zu wirken, die eine andere Länge in Erstrekkungsrichtung
aufweist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird auch eine Halterung offenbart, die eine Passage zum Anbringen
von Laser-abschirmendem Material in einer Rotorschaufel aufweist,
wie dies in Anspruch 11 angegeben ist.
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Ein
Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung besteht in einer Halterung,
die eine Eingießplatte
aufweist. Die Eingießplatte
hat eine Passage für Laserabschirmendes
Material. Ein weiteres Merkmal besteht in einem Element, wie z.
B. einem Materialblock, mit einer Oberfläche, die in Erstreckungsrichtung
zu der Eingießplatte
gerichtet ist. Ein weiteres Merkmal besteht in einem Eingießplat tenhalter,
der dazu ausgebildet ist, an einer Maschine zum Bereitstellen des
Laserabschirmenden Materials angebracht zu werden. Der Eingießplattenhalter
hat einen Schlitz zum verschiebbaren Zusammenwirken mit der Eingießplatte.
Ein weiteres Merkmal besteht in einer Öffnung in dem Eingießplattenhalter,
durch die sich eine Düse
hindurch erstrecken kann, um mit der Eingießplatte zusammen zu wirken.
Bei einem Ausführungsbeispiel
weist die Eingießplatte
einen Vorsprung und eine Abdichtoberfläche auf, die die Eingießplatte
dazu ausbildet, direkt mit dem Strömungsprofil zusammen zu wirken.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
hat die Eingießplatte
eine Ausnehmung. Ein Dichtungselement ist in der Ausnehmung angeordnet,
um eine Abdichtung gegenüber
dem Strömungsprofil
zu schaffen.
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Ein
Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Vielseitigkeit
der Halterung, die daraus resultiert, dass sie eine Eingießplatte
und ein Element aufweist, das mit dem Strömungsprofil in Erstreckungsrichtung
zusammenwirkt, wobei diese jeweils ausgetauscht werden können, so
dass die Halterung mit mehr als einem Typ von Strömungsprofil zusammenwirken
kann. Ein weiterer Vorteil besteht in der einfachen Ausbildung sowie
der Verwendungsgeschwindigkeit, die daraus resultiert, dass die
Eingießplatte
in Richtung auf das Element gedrückt
wird, sowohl um das Strömungsprofil
in der Erstreckungsrichtung zu fixieren als auch zur Schaffung von
Abdichtkräften
an den Grenzflächen,
wenn Laser-abschirmendes Material in das Strömungsprofil eingeleitet wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel
besteht ein Vorteil in der Geschwindigkeit, mit der der Vorgang
ausgeführt
werden kann, wobei dies resultiert aus 1) dem direkten Kontakt zwischen
der Düse
zum Zuführen
von Abschirmmaterial und der Eingießplatte, wodurch dieser Kontakt
eine Dichtung an der Grenzfläche
bildet, und 2) direktes Zusammenwirken der Eingießplatte
mit dem Strömungsprofil
zum Bilden einer Dichtung an dieser Stelle.
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Die
vorstehend geschilderten Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung
und der Begleitzeichnungen noch deutlicher; darin zeigen:
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1 eine
Perspektivansicht einer vollständigen
Komponente, wie z. B. eines Strömungsprofils, eines
Werkzeugs zum Anbringen von Laserabschirmendem Material in der Komponente
sowie, im Umriss, eines Bereichs einer Quelle von Laser-abschirmendem
Material, wobei es sich z. B. um eine Spritzgussmaschine handelt;
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1A eine
im Schnitt dargestellte Seitenaufrissansicht des in 1 gezeigten
Strömungsprofils;
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1B eine
Schnittdarstellung des in 1A gezeigten
Strömungsprofils
entlang der Linie 1B-1B der 1A;
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2 eine
von oberhalb der 1 gesehene Ansicht, wobei Bereiche
des Werkzeugs und der Spritzgussmaschine entweder aus Gründen der
Klarheit weggebrochen sind oder im Umriss dargestellt sind;
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3 eine
auseinandergezogene Ansicht eines Teils einer Düse für die Spritzgussmaschine sowie
eines Teils des in 1 gezeigten Werkzeugs, das ein
Paar Maskierelemente aufweist;
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3A eine
alternative Ausführungsform
eines Bereichs des in 3A gezeigten Werkzeugs unter
Darstellung von Maskierelementen, die zum Teil aus recht starrem
Material gebildet sind, das an der Plattform des in 3 gezeigten
Strömungsprofils
angreift;
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4 eine
Perspektivansicht gesehen von der Unterseite einer in 1 und 3 gezeigten Eingießplatte;
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5 eine
Perspektivansicht, gesehen von der Unterseite einer alternativen
Ausführungsform der
in 4 gezeigten Eingießplatte, die eine Ausnehmung
für eine
Dichtung aufweist, wobei in weggezogener Weise ein Dichtungselement
dargestellt ist, das in die Ausnehmung passt;
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6 eine
Perspektivansicht des in 1 gezeigten Werkzeugs, das an
einer Vorrichtung zum Ausrichten des Strömungsprofils in Bezug auf eine Quelle
von Laser-abschirmendem Material angebracht ist, wobei ferner eine
Eingießplatte
und ein Eingießplattenhalter
dargestellt sind, der zum Zusammenwirken mit der Vorrichtung geringfügig modifiziert
worden ist; und
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7 eine
grafische Darstellung der Scherverdünnungscharakteristik für ein lineares
Polyethylenpolymer unter Darstellung der Viskosität in Pascalsekunden
gegenüber
der Scherrate in Reziprokwert-Sekunden.
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1 zeigt
eine partielle Perspektivansicht einer Komponente, wie diese durch
ein Strömungsprofil 10 für eine Gasturbinenmaschine
verkörpert wird. 1 zeigt
ferner ein Werkzeug 12 zum Anbringen eines Laser-abschirmenden
Materials im Inneren der Komponente. Das Werkzeug weist einen Hohlraum 13 auf,
in dem Strömungsprofile
wiederholt angeordnet werden, wenn die Strömungsprofile eines nach dem
anderen gefüllt
werden. Obwohl es sich bei dem dargestellten Strömungsprofil um eine Rotorschaufel
handelt, beinhaltet der Begriff "Strömungsprofil" weitere Komponenten,
die strömungslenkende
Oberflächen
aufweisen, wie z. B. Statorschaufeln.
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1A zeigt
eine im Schnitt dargestellte Seitenaufrissansicht der Rotorschaufel 10 während der Herstellung.
Die Rotorschaufel hat ein erstes Ende, das durch die Wurzel 14 verkörpert wird,
eine Plattform 16 sowie ein zweites Ende, das durch die
Spitze 18 verkörpert
wird. Das Strömungsprofil
weist eine aerodynamische Vorderkante 22 auf, die in Erstreckungsrichtung
verläuft.
Eine aerodynamische Hinterkante 24 ist in Sehnenrichtung
von der aerodynamischen Vorderkante beabstandet. Das Strömungsprofil
weist eine Mehrzahl von Hohlräumen
oder Passagen für
Kühlluft
auf, wie diese durch die Vorderkantenpassage 26 sowie die
Passagen 28, 30, 32, 34 verkörpert werden,
die sich durch die Wurzel der Rotorschaufel erstrecken. Die Passagen 28, 30, 32 und 34 erstrecken
sich in das Innere der Rotorschaufel hinein und verlaufen häufig serpentinenförmig, wie dies
durch die Passage 32 dargestellt ist.
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1B zeigt
eine Schnittdarstellung, die in Sehnenrichtung entlang der Linie
1B-1B der 1A dargestellt ist. Das Strömungsprofil
weist strömungslenkende
Oberflächen
auf, wie diese durch die Ansaugflächenseite oder Seitenwand 42 und
die Druckflächenseite
oder Seitenwand 44 verkörpert
werden. Jede dieser Oberflächen
erstreckt sich von der Vorderkante nach hinten zu der Hinterkante
und verläuft in
Erstreckungsrichtung zwischen der Plattform 16 und der
Spitze 18.
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Eine
Mehrzahl innerer Aufprallöffnungen, wie
diese durch die Öffnung 48 verkörpert werden, verbinden
die Vorderkantenpassage 26 in dem Vorderkantenbereich mit
der Zuführpassage 28 für Kühlluft.
Die Aufprallöffnungen
haben eine kleine Größe sowie
einen hydraulischen Durchmesser, der typischerweise weniger als
vierzig (40) Millünch
beträgt (d.
h. Dh = 4Ai/P = 0,040 Inch, wobei A die
Fläche
der Öffnung
ist und P der Umfang der Öffnung
ist)(1 mm). Bei einigen Anwendungen können die Öffnungen einen hydraulischen
Durchmesser aufweisen, der weniger als dreißig (30) Millünch (0,8
mm) beträgt.
Eine Mehrzahl von Schleierkühlungsöffnungen,
die der Vorderkante 22 benachbart sind und durch die Öffnungen 46 verkörpert werden,
erstrecken sich von der Auftreffpassage 26 in dem Vorderkantenbereich auf
die Außenseite
der Rotorschaufel.
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Wie
in 1B gezeigt ist, besteht ein Weg zum Bilden der
Schleierkühlungsöffnung 46 darin,
die Öffnung
mit einem Laserstrahl zu bohren, wie dies durch den Laserstrahl
L dargestellt ist, und zwar von der Außenseite des Strömungsprofils
in die Vorderkantenpassage 26. Wie in 1B gezeigt
ist und in 1A schematisch dargestellt ist,
wird ein Laser-abschirmendes Material 52 in der Vorderkantenpassage
in einem Bereich der Komponente angebracht, um die Intensität des Laserstrahls
zu dämpfen.
Das Laser-abschirmende Material stellt sicher, dass der Laserstrahl
die der Kühlluftöffnung zugewandte
Struktur nicht verletzt, wenn der Laserstrahl durch die Wand der
Rotorschaufel während
des Bohrvorgangs hindurch geht.
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Wie
in 1 gezeigt ist, befindet sich eine Einrichtung
zum Zuführen
des Abschirmmaterials unter Druck, wie diese durch einen Teil einer
Spritzgussma schine 54 verkörpert wird, in Strömungsverbindung
mit dem Werkzeug 12. Alternative äquivalente Maschinen beinhalten
jegliche Maschine, die in der Lage ist, eine Quelle von druckbeaufschlagtem Laser-abschirmenden
Material für
das Strömungsprofil
zu bilden, wie z. B. Transferformgebungsmaschinen und Kunststoff-Strangpressmaschinen.
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Das
Werkzeug 12 beinhaltet eine Halterung 56 zum Zusammenwirken
mit der Rotorschaufel und Füllen
der Rotorschaufel mit Laser-abschirmendem Material. Der Begriff „Füllen" bedeutet ein Anordnen oder
Zuführen
des Materials und beinhaltet ein teilweises Füllen oder vollständiges Füllen der
Schaufel. Die Halterung beinhaltet eine Basis 58, eine
Eingießplatte 62 und
einen Eingießplattenhalter 64.
Eine Passage 65 zum Zuführen
des Laser-abschirmenden Materials erstreckt sich durch die Eingießplatte
und den Eingießplattenhalter
hindurch.
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Die
Spritzgussmaschine weist einen Tisch 66 zum Aufnehmen des
Werkzeugs und ein Gehäuse 6 auf,
das eine Düse 70 hat,
wie dies in 3 und 3A gezeigt
ist. Das Gehäuse
ist in der Richtung M in Bezug auf das Werkzeug 12 beweglich
und kann eine vorbestimmte Kraft auf das Werkzeug und auf die Rotorschaufel
ausüben.
Das Gehäuse
hat eine Kammer 72 zum Aufnehmen einer Charge 74 des
Laser-abschirmenden Materials 52 (schematisch dargestellt).
Das Volumen der Charge ist geringfügig größer als das Innenvolumen des
Innenraums des Strömungsprofils,
der das Laser-abschirmende Material aufnimmt.
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Die
Kammer 72 nimmt das Laser-abschirmende Material von einer
Passage (nicht gezeigt) auf, in der eine Spindeleinrichtung (nicht
gezeigt) zum Drücken
des Laser-abschirmenden Materials in die Kammer angeordnet ist.
Ein Kolben 75 ist in der Kammer angeordnet, um das Laser-abschirmende Material
in der Passage 65 antriebsmäßig durch das Gehäuse hindurch
zu der Eingießplatte
zu bewegen. Eine zufriedenstellende Maschine für diesen Zweck ist die Spritzgussmaschine
Modell 70, die von der Mini-Jector Machinery Corp., Newbury,
Ohio, erhältlich ist.
Eine weitere Maschine, die sich als zufriedenstellend erwie sen hat,
ist die Spritzgussmaschine Toyo Plastar TI-90G2, die von der Hitachi
Group über
Toyo of America, 16 Chapin, Pinebrook NJ 07053 erhältlich ist.
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Wie
in 1 gezeigt ist, ist der Eingießplattenhalter 64 des
Werkzeugs 12 beispielsweise mittels Bolzen (nicht gezeigt)
in integraler Weise mit dem Gehäuse 68 der
Spritzgussmaschine 54 verbunden. Der Eingießplattenhalter
weist einen schwalbenschwanzförmigen
Schlitz 76 auf. Die Eingießplatte 62 befindet
sich durch den Schwalbenschwanzschlitz in verschiebbarem Eingriff
mit dem Eingießplattenhalter
und besitzt abgeschrägte
Ränder 77,
die mit dem Schwalbenschwanzschlitz zusammenwirken, um die Eingießplatte
festzuhalten. Die Eingießplatte
weist einen Teil der Passage 65 zum Aufnehmen des Laserabschirmenden
Materials auf. Die Passage platziert die Kammer 72 der
Spritzgussmaschine in Strömungsverbindung
mit den Passagen 28, 30, 32, 34,
die sich durch die Wurzel 14 der Turbinenschaufel 10 erstrecken.
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Der
Tisch ist in Bezug auf das Gehäuse 68 der
Spritzgussmaschine 54 verstellbar. Die Werkzeugbasis 58 ist
in Bezug auf den Tisch 66 in vorbestimmter Weise angeordnet.
Die Basis ist durch Festlegedübel
oder Festlegestifte (nicht gezeigt) zu dem Zweck ausgebildet, exakt
an derselben Stelle mit dem Tisch in Eingriff zu treten, jedes Mal,
wenn die Halterung auf dem Tisch montiert wird. Somit ist die Werkzeugbasis
durch den Tisch in Bezug auf das Gehäuse verstellbar.
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Das
Werkzeug beinhaltet eine Maske 78. Die Maske weist ein
Paar Maskenelemente auf, wie dies durch das erste Maskenelement 82 und
das zweite Maskenelement 84 verkörpert werden. Die Maskenelemente
weisen jeweils eine Oberfläche
auf, wie diese durch die erste Oberfläche 86 des ersten
Maskenelements und die zweite Oberfläche 88 des zweiten Maskenelements
verkörpert
werden. Die Oberflächen
sind jeweils an die Außenfläche des
Strömungsprofils
angepasst. Die Maskenelemente sind aus elastomerem Material gebildet,
wie z. B. aus bei Raumtemperatur vulkanisiertem (RTV) Gummi. Ein zufriedenstellendes
elastomeres Material ist das elastomere Material RTV 668,
das von der General Electric Company, Waterford, NY, erhältlich ist.
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Das
Werkzeug beinhaltet ferner ein Paar einander gegenüberliegender
Backen, wie diese durch die erste Backe 92 und die zweite
Backe 94 verkörpert
werden. Jede Backe wirkt mit einem zugeordneten Maskenelement 82, 84 zusammen,
um das Maskenelement in eine exakt anliegende Beziehung zu dem Strömungsprofil 10 zu
drücken.
Zum Beispiel wirkt die zweite Backe 94 mit dem zweiten
Maskenelement 84 zusammen. Da die zweite Backe an der Basis
des Werkzeugs befestigt ist, schafft die zweite Backe eine Referenzfläche 96 sowohl
in Bezug auf das Gehäuse 68 als
auch in Bezug auf das zweite Maskenelement 84. Das Gehäuse positioniert
die Eingießplatte.
Die zweite Backe mit ihrer in Sehnenrichtung weisenden Referenzfläche schafft
somit in Kombination mit der Eingießplatte und dem Eingießplattenhalter
eine exakte Möglichkeit
zum Ausrichten der Rotorschaufel mit der Spritzgussmaschine während des
Füllvorgangs.
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Die
Backen 92, 94 sind in der Lage, eine Relativbewegung
in Bezug aufeinander auszuführen. Wie
durch die Phantomlinien in 1 dargestellt
ist, ist die erste Backe in Bezug auf die zweite Backe aus der in
durchgezogenen Linien dargestellten geschlossenen Position in eine
im Umriss dargestellte geöffnete
Position beweglich. Die zweite Backe 94 weist ein Paar
Führungen
für eine
solche Bewegung auf, die auf jeder Seite der Backe angeordnet sind und
durch die Führungen 98 und
die Führungen 102 verkörpert werden.
Die erste Backe 92 besitzt eine erste Führungsschiene 104,
die verschiebbar mit dem ersten Paar der Führungen 98 zusammenwirkt. Die
erste Backe weist eine zweite Führungsschiene 106 auf,
die verschiebbar mit dem zweiten Paar der Führungen 102 zusammenwirkt.
Alternativ hierzu könnte
eine solche Relativbewegung auch durch Bewegen beider Backen erzielt
werden. Wie vorstehend erwähnt
worden ist, bildet die zweite Backe die Referenzfläche 96 zum
Festlegen der Maske 78 in Bezug auf das Gehäuse der
Spritzgussmaschine. Dieses Merkmal könnte wiederholt werden, vorausgesetzt, die
zweite Backe kehrt exakt in ihre geschlossene Position zurück.
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Das
Werkzeug beinhaltet eine Einrichtung zum Bewegen der Backen von
der geöffneten
Position in die geschlossene Position, wie diese durch den in 1 gezeigten
Mechanismus aus dem Arm 108 und dem Hebel 112 verkörpert wird.
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Der
Arm ist um einen Schwenkpunkt 113 schwenkbar gelagert.
Wenn der Arm in die geöffnete Bewegungsposition
verschwenkt, zieht der Hebel die erste Backe 92 und das
erste Maskenelement 82 von der Rotorschaufel 10 weg,
so dass die Bedienungsperson eine Rotorschaufel rasch entnehmen
oder in das zweite Maskenelement 84 einsetzen kann. Weitere
Vorrichtungen für
die Einrichtungen zum Bewegen der Backe könnten durch elektrische, pneumatische
oder hydraulische Anordnungen oder durch mechanische Betätiger, wie
z. B. Ketten, Riemenscheiben oder Federn, betätigt werden.
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2 zeigt
eine von der Oberseite der 1 gesehene
Ansicht, wobei Bereiche des Werkzeugs 12 und der Spritzgussmaschine 54 aus
Gründen
der Klarheit weggebrochen sind. 2 veranschaulicht die
Beziehung der Rotorschaufel 10 zu der, Eingießplatte 62 und
zu der Passage 65, die sich in Erstreckungsrichtung durch
die Eingießplatte
erstreckt. Die Passage versetzt die Eingießplatte in die Lage, das druckbeaufschlagte
Abschirmmaterial von der Düse 70 der
Spritzgussmaschine zu empfangen. Die Eingießplatte weist eine erste Seite 114 auf,
die eine erste, in Erstreckungsrichtung gerichtete Oberfläche 116 hat.
Die Oberfläche 116 ist
in dem Betriebszustand in Erstreckungsrichtung von der Rotorschaufel
weg in eine erste Richtung entlang einer in Erstreckungsrichtung
verlaufenden Achse S gerichtet. Wie in 2 gezeigt
ist, handelt es sich bei der in Erstreckungsrichtung verlaufenden
Achse S um die Stapellinie der sehnenweisen Abschnitte der Rotorschaufel. Die
erste Oberfläche 116 versetzt
die Eingießplatte
in die Lage, mit der Düse
(in 3 gezeigt) zusammen zu wirken und eine Dichtung
um die Passage 65 zum Aufnehmen des druckbeaufschlagten
Abschirmmaterials zu bilden.
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Die
Passage 65 hat einen schmalen Bereich 118 zum
Abgeben des druckbeaufschlagten Abschirmmaterials in die Rotorschaufel 10.
Der schmale Bereich der Passage steht in Strömungsverbindung mit der Öffnung,
die durch die Passagen 28, 30, 32, 34 in
der Wurzel der Rotorschaufel gebildet ist. Durch diese Passagen
kann die Wurzel das Laser-abschirmende Material von der Spritzgussmaschine
empfangen.
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Die
erste Backe 92 des Werkzeugs 12 ist im Umriss
dargestellt. Der Hebel 112 weist einen Endbereich 112a (im
Umriss dargestellt) auf, der mit der ersten Backe zusammenwirkt.
Der Hebel weist ein verstellbares Verbindungsglied 112b auf,
das eine Einstellung der Länge
des Hebels zulässt.
Die zweite Backe 94 (im Umriss dargestellt) ist von der
ersten Backe durch einen kleinen Spalt G in dem betriebsmäßig geschlossenen
Zustand beabstandet. Dieser Spalt ist typischerweise gering und
beträgt
bei einem Ausführungsbeispiel
weniger als 0,025 bis 0,030 Inch (0,6 mm bis 0,8 mm).
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3 zeigt
eine teilweise weggebrochene, auseinandergezogene Ansicht eines
Teils des Werkzeugs 12 und eines Teils der Düse 70 der
Spritzgussmaschine 54. Das Werkzeug beinhaltet die Halterung 56.
Die Halterung beinhaltet die Werkzeugbasis 58, die Eingießplatte 62 und
den Eingießplattenhalter 64. Der
Eingießplattenhalter
weist eine Öffnung 119 auf. Die
Düse 70 erstreckt
sich durch die Öffnung 119 hindurch,
um mit der Eingießplatte 62 in
Eingriff zu treten. Die Düse
wird gegen die erste Oberfläche 116 der
ersten Seite 114 gepresst, und zwar mittels Bolzen (nicht
gezeigt), die die Düse
und die Eingießplatte
gegeneinander drücken.
Die Eingießplatte 62 weist
eine zweite Seite 120 mit einer zweiten in Erstreckungsrichtung
weisenden Oberfläche 122 auf.
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Die
Halterung 56 beinhaltet ferner ein Element, wie dies durch
einen Block 124 (Festlegeblock) verkörpert wird, der in Erstreckungsrichtung
von der Eingießplatte
beabstandet ist. Der Festlegeblock 124 weist eine erste
Referenzfläche 126 auf,
die in Erstreckungsrichtung weist und in dem Betriebszustand mit der
Spitze 18 des Strömungsprofils 10 zusammenwirkt.
Der Festlegeblock ist aus einem Material gebildet, das weicher ist
als die Spitze des Strömungsprofils,
um eine Beschädigung
der Spitze des Strömungsprofils
zu vermeiden. Das zweite Maskenelement ist aufgrund einer ersten Öffnung 128 dazu
ausgebildet, den Materialblock aufzunehmen. Wie gezeigt ist, ist
der Festlegeblock in dem zweiten Maskenelement 84 nestartig
aufgenommen (satt anliegend in diesem aufgenommen), wobei er die
zweite Backe beim Festlegen des zweiten Maskenelements unterstützt.
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Die
Werkzeugbasis 58 weist eine Oberfläche 132 auf. Das erste
Maskenelement 82 und das zweite Maskenelement 84 liegen
auf der Oberfläche 132 auf.
Die Werkzeugbasis besitzt eine Festlegeöffnung 134 und eine
Basisreferenzfläche 136,
die den Boden der Öffnung
zum Positionieren des Festlegeblocks 124 begrenzt. Der
Festlegeblock ist in der kreisförmigen Öffnung der
Werkzeugbasis angeordnet, um den Materialblock in Bezug auf die
Werkzeugbasis der Halterung exakt festzulegen. Bei einem alternativen
Ausführungsbeispiel
könnte
es sich bei der Werkzeugbasis um das Element mit der ersten Referenzfläche 126
zum Zusammenwirken mit der Spitze des Strömungsprofils handeln, wobei
sie die Basisreferenzfläche 136 für diesen
Zweck verwenden würde.
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Das
zweite Maskenelement 128 weist eine zweite Öffnung 138 auf,
die an eine aerodynamische Kante des Strömungsprofils, wie z. B. die
Vorderkante 22 des Strömungsprofils,
angepasst ist. Das zweite Maskenelement überlappt die Vorderkante des Strömungsprofils
sowohl auf der Ansaugseite 42 als auch auf der Druckseite 44 des
Strömungsprofils. Dieses
Eingreifen unterstützt
die Maske beim Abstützen
und Positionieren des Strömungsprofils,
wenn die Maskenelemente relativ zueinander bewegt werden und mit
dem Strömungsprofil
in Eingriff bewegt werden. Bei einer alternativen Ausführungsform könnte die
Maske beide Kanten oder nur die Hinterkante 24 des Strömungsprofils überlappen.
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3A zeigt
ein alternatives Ausführungsbeispiel
der in 3 gezeigten Halterung, die eine Maske 78a aufweist.
Die Maske 78a besitzt ein erstes Maskenelement 82a und
ein zweites Maskenelement 84a. Die Maske 78a kann
mit einem nachgiebigen Material an den satt anliegenden Oberflächen des
Strömungsprofils
ausgebildet sein, wobei es sich z. B. um eine Auskleidung 78b handelt,
und zwar in Kombination mit einer angemessen starren Abstützeinrichtung 78c aus
einem Material des für
den Festlegeblock 124 verwendeten Typs. Jedes Maskenelement
weist einen Bereich der ersten Referenzfläche 126 auf, der mit
einer in Erstreckungsrichtung gerichteten Oberfläche 17 an dem Strömungsprofil
zusammenwirkt. Wie gezeigt ist, befindet sich die in Erstrekkungsrichtung
weisende Oberfläche 17 auf
der Plattform 16a des Strömungsprofils. Die Oberfläche ist der
in Erstreckungsrichtung gerichteten Oberfläche des zweiten Endes oder
der Spitze 18 des Strömungsprofils
dahin gehend ähnlich,
dass die Oberfläche 16a zum
Zusammenwirken mit der ersten Referenzfläche 126a des Festlegeblocks 124 ausgelegt ist,
um das Strömungsprofil
in Erstreckungsrichtung zu positionieren.
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4 zeigt
eine Perspektivansicht, gesehen von unterhalb der Eingießplatte 62.
Die zweite in Erstreckungsrichtung gerichtete Oberfläche 122 weist eine
Fläche
A1 auf. Die zweite Oberfläche
ist im betriebsfähigen
Zustand in Erstreckungsrichtung zu der Rotorschaufel gerichtet.
Die zweite Seite 120 weist einen Vorsprung 142 auf,
der sich in Erstreckungsrichtung über eine Strecke D erstreckt,
die in etwa sechzig (60) Millünch
(1,5 mm) beträgt.
Der Vorsprung erstreckt sich um die Passage 65 herum, um einen
eingefassten Randbereich um die Passage zu schaffen. Der Vorsprung
weist ferner eine dritte Oberfläche 144 auf,
die eine weitere (zweite) Referenzfläche bildet, die zum Zusammenwirken
mit dem Strömungsprofil
in die Erstreckungsrichtung gerichtet ist. Die dritte Oberfläche (zweite
in Erstreckungsrichtung gerichtete Referenzfläche) weist eine in Erstreckungsrichtung
gerichtete Fläche
A2 auf, die kleiner ist als die Fläche A1 (A2 < A1).
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Die
Fläche
A2 schafft eine Dichtungsfläche oder
Abdichtfläche
für die
Eingießplatte.
Die dritte Oberfläche 144 mit
der Fläche
A2 (zweite in Erstreckungsrichtung gerichtete Referenzfläche) weist
ein Oberflächenfinish
auf, das einem glatten Maschinenfinish mit einer Oberflächenrauheit
Ra entspricht, die in der Messung ca. dreiundsechzig (63) Mikroinch beträgt, und
zwar gemessen nach den Verfahrensweisen, die in der Spezifikation "ANSI B46.1 – 1985 Oberflächentextur" ausgeführt sind,
die von dem American National Standards Institute erhältlich sind und
Messungen als Durchschnitt vom Mittel veranschaulichen. Die Rotorschaufel
hat eine Oberfläche mit
einem Finish, das einem feinen Maschinenfinish mit einem Oberflächenrauheitsfinish
Ra von etwa einhundertfünfundzwanzig
(125) Mikroinch entspricht.
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Der
Eingießplattenhalter 64 ist
an der Einspritzmaschine in integraler Weise angebracht, wie z. B.
durch Befestigungsmittel oder Verbinden. Die Eingießplatte 62 ist
an dem Eingießplattenhalter
durch eine Stellschraube oder eine andere Vorrichtung zum Fixieren
des Halters an der Platte festgelegt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
drücken
Befestigungseinrichtungen (nicht gezeigt) den Eingießplattenhalter 64 in
Richtung auf das Gehäuse 68 der Spritzgussmaschine 54,
und der Eingießplattenhalter drückt die
Eingießplatte
nach oben gegen die Düse 70.
In dem betriebsfähigen
Zustand werden die Eingießplatte
und die Düse 70 der
Spritzgussmaschine eng genug gegeneinander gedrückt, um eine Dichtung zum Verhindern
des Verlusts von Laserabschirmendem Material aus der Passage 65 zu
bilden. Das Gehäuse
der Spritzgussmaschine drückt
mit einer Kraft F von etwa einhundert Pounds (100 Ibf) (445 Newton)
nach oben gegen den Eingießplattenhalter 62.
Dadurch wird die andere Seite der Eingießplatte gegen das Strömungsprofil
gedrückt,
um eine Dichtung (an der Grenzfläche
zwischen der reduzierten Fläche
A1 und der Wurzel des Strömungsprofils)
zu bilden. Die Kraft F wird durch das Strömungsprofil hindurch übertragen
und drückt
die Strömungsprofilspitze
(zweites Ende) gegen den Block 124, wodurch das Strömungsprofil
in Erstreckungsrichtung zwischen dem Block und der Eingießplatte
eingeschlossen wird.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform könnte die
Düse gegen
die Eingießplatte
drücken, und
diese Kraft würde
die Eingießplatte
gegen die Wurzel 14 (zweites Ende) des Strömungsprofils
drücken.
Dadurch wird wiederum eine Dichtung zwischen der Eingießplatte
und dem Strömungsprofil
an der zweiten, in Erstreckungsrichtung gerichteten Oberfläche 144 der
Eingießplatte
und der Wurzel gebildet.
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Wie
erwähnt
worden ist, ist die Festlegeblockoberfläche 126 (erste Referenzfläche) weicher als
die Spitze der Rotorschaufel, so dass die Spitze 18 der
Rotorschaufel nicht beschädigt
wird, wenn die Spritzgussmaschine das Strömungsprofil gegen den Block
drückt.
Unter Betriebsbedingungen verläßt das druckbeaufschlagte
Material die Düse
bei einem Druck von etwa 1600 psi (11 × 106 Pascal)
und einer Temperatur von etwa 300 Grad Fahrenheit (140°C).
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5 zeigt
eine alternative Ausführungsform 62b der
in 4 gezeigten Eingießplatte 62. Die Eingießplatte 62b ist
aus einem gehärteten
Zweikomponenten-Epoxy gebildet, das von der Ciba-Geigy Corporation,
4917 Dawn Avenue, East Lansing, Michigan 48823-5691 erhältlich ist.
Das Material wird geliefert als R4036-Harz mit einem R1500-Härter. Hierbei
handelt es sich um ein Beispiel eines geeigneten Materials für den Festlegeblock 124.
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Die
in 5 gezeigte Eingießplatte 62b weist
eine Ausnehmung 146 zum Aufnehmen der Wurzel 14 der
Rotorschaufel auf. Die Ausnehmung hat eine Abdichtoberfläche 147,
die die Eingießplatte 62b dazu
ausbildet, eine Polytetrafluorethylen-Dichtung aufzunehmen. Die
Polytetrafluorethylen-Dichtung wird durch die Spritzgussmaschine
fest gegen die Eingießplatte
und die Rotorschaufel gedrückt.
Die Polytetrafluorethylen-Dichtung weist eine Durchführung 152 zum
Hindurchleiten des Laser-abschirmenden Materials entlang der Passage 65 von
der Eingießplatte
zu der Rotorschaufel auf. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Dichtung
etwa dreivierte) Inch (19 mm) lang und einen halben Inch (12,7 mm) breit
und besitzt eine Öffnung,
die zum Einströmen lassen
des Abschirmmaterials in die Wurzel des Strömungsprofils geeignet ist.
Ein geeignetes Material für die
Dichtung ist Teflon®-Material mechanischer
Güte, das
eine sehr geringe Tendenz zum Kaltfließen hat. Dieses Material wird
in Flächenkörperform
von Interplast, Inc., One Connecticut Drive, Burlington, New Jersey
08016-4101 geliefert. Interplast ist ein Verarbeiter von Teflon®-Material
von Dupont.
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Die
Halterung 56 kann bei dem Vorgang zum Ausrichten des Strömungsprofils 10 in
Bezug auf jegliche Maschine zum Injizieren von Laser-abschirmendem
Material, wie z. B. die Spritzgussmaschine 54, verwendet
werden. Ein Verfahren zum Ausrichten eines neuen Strömungsprofils
in Bezug auf die Spritzgussmaschine läuft so ab, dass gleiche Strömungsprofile
unter Verwendung des Werkzeugs 12 wiederholt gefüllt werden
können.
Der erste Schritt besteht darin, das Werkzeug 12 aus der
Maschine zu entfernen und das Werkzeug in einer Vorrichtung 154 anzubringen,
wie diese in 6 gezeigt ist. Die Vorrichtung
hat einen Tisch 156 ähnlich
dem für
die Spritzgussmaschine gezeigten Tisch 66. Der Tisch weist Festlegestifte
(nicht gezeigt) auf, die das Werkzeug in einer vorbestimmten Beziehung
zu dem Tisch festlegen. Die Basis des Werkzeugs weist die Festlegeöffnung 134 zum
Positionieren des Festlegeblocks 124 auf. Der Festlegeblock
wirkt mit der ersten Referenzfläche
mit der Spitze des Strömungsprofils
zusammen. Die Kombination aus dem Werkzeug 12 und dem Tisch 158 sorgt
für das
Festlegen des Festlegeblocks in einer bekannten Position in Bezug
auf die Vorrichtung, so dass die Spitze 18 (zweites Ende) des
Strömungsprofils
in Bezug auf die Vorrichtung positioniert ist. In der Halterung
lassen sich Strömungsprofile
mit unterschiedlicher Länge
in einfacher Weise unterbringen, indem der Block gegen einen Block
mit einer geeigneten Höhe
ausgetauscht wird.
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Die
Vorrichtung weist ein vertikales Element 158 mit einer
Nut 162 auf. Die Vorrichtung besitzt eine in seitlicher
Richtung verlaufende Platte 164. Die Platte weist eine
vertikale Abstützeinrichtung 166 auf,
die verschiebbar in die Nut eingreift. Die Platte ist in integraler
Weise an der vertikalen Abstützeinrichtung
angebracht und in Bezug auf das vertikale Element mittels einer
Verriegelungsklemme 168 verstellbar. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist die Vorrichtungsplatte dazu ausgebildet, mit dem Eingießplattenhalter 64 zusammen
zu wirken, um den Eingießplattenhalter
und die Eingießplatte 62 in
der Erstreckungsrichtung in Bezug auf die erste Referenzfläche 126 des
Festlegeblocks sowie mit der gleichen Beziehung zu der ersten Referenzfläche in der Erstreckungsrichtung
wie in dem betriebsfähigen
Zustand exakt festzulegen.
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Eine
Vorrichtung, wie z. B. ein Eingießplattenelement, das die Eingießplatte 62 imitiert,
könnte anstelle
der Eingießplatte
verwendet werden, so lange die Vorrichtung für die korrekte Orientierung
der Wurzel (erstes Ende) 14 des Strömungsprofils gegenüber der
ersten Referenzfläche
sorgt. Das Eingießplattenelement
und die Eingießplatte
werden jeweils durch die in 6 dargestellte
Eingießplatte 62 verkörpert. Der
Vorteil der Verwendung der Eingießplatte und des Eingießplattenhalters
oder einer Vorrichtung, die den Eingießplattenhalter simuliert, besteht
darin, dass dies eine Reproduzierung des Eingriffs der Eingießplatte
im betriebsfähigen
Zustand mit dem Strömungsprofil
sowie mit den anderen Teilen des Werkzeugs ermöglicht.
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Das
Verfahren zum Ausrichten des Strömungsprofils 10 in
Bezug auf die Spritzgussmaschine 54 beinhaltet eine derartige
Ausbildung der Halterung, dass diese den Hohlraum 13 aufweist.
Der Hohlraum versetzt die Halterung in die Lage, die elastomeren
Maskenelemente 82, 84 der Maske 78 zum
Zusam menwirken mit dem Strömungsprofil
in dem betriebsfähigen
Zustand aufzunehmen.
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Das
Verfahren beinhaltet das Bilden der Maske 78 zum Zusammenwirken
mit dem Strömungsprofil.
Dies beinhaltet die Schritte des Bildens eines Kerns mit einem Strömungsprofilbereich,
der zumindest über
denjenigen Bereich des Kerns, der mit der Maske zusammenwirkt, dimensionsmäßig dem
zu füllenden
Strömungsprofil äquivalent
ist. Alternativ hierzu könnte
ein tatsächliches
Strömungsprofil
für den
Kern verwendet werden. Nach dem Anordnen des Kerns in dem Hohlraum
werden die Platte 164 der Vorrichtung und die Eingießplatte 114 justiert,
um die Eingießplatte
in Bezug auf das Strömungsprofil,
die feststehende zweite Backe 94 sowie die erste Referenzfläche 126 an
dem Festlegeblock 124 auszurichten. Dieses Verfahren beinhaltet
das Einschließen
des Kerns zwischen der Eingießplatte und
der Referenzfläche
in einer derartigen Weise, dass die Ausrichtung des Kerns zu der
Eingießplatte sowie
des Kerns zu der ersten Referenzfläche die gleiche ist wie in
dem betriebsfähigen
Zustand.
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Das
Verfahren beinhaltet das Anordnen eines Maskiermaterials in Fluidform
in dem Hohlraum 13 sowie einem Aushärten lassen des Materials.
Bei einem zufriedenstellenden Material handelt es sich um ein elastomeres
Material, wie z. B. bei Raumtemperatur vulkanisiertes Material,
das als R668 von der General Electric Company beziehbar ist.
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Wie
in 2 gezeigt ist, weisen die erste Backe 92 und
die zweite Backe 94 jeweils ein Paar von in Erstreckungsrichtung
verlaufenden Nuten auf, wie diese durch die Nuten 174a, 174b sowie
die Nuten 176a, 176b verkörpert werden. Das Maskiermaterials fließt in diese
Nuten. Das Material härtet
und bildet Streifen an der Maske. Die Streifen werden durch die Streifen 178a, 178b,
die in die Nuten 174a, 174b der ersten Backe eingreifen,
sowie durch die Streifen 182a, 182b verkörpert, die
in die Nuten 176a, 176b der zweiten Backe eingreifen.
Die Streifen erstrecken sich in den Nuten und greifen an den Backen
in Sehnenrichtung im Wesentlichen rechtwinklig zu den Oberflächen der
Backen an.
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Nach
dem Härten
des Materials beinhaltet der Schritt des Bildens der Maske 78 das
Schneiden des Maskiermaterials im Wesentlichen in der Erstreckungsrichtung,
um eine einzige Trennlinie zu bilden, wenn eine einstückige Maske
gewünscht
ist, oder zwei Trennlinien zu bilden, wenn eine zweiteilige Maske
erwünscht
ist. Die Trennlinie ermöglicht
ein Entfernen des Kerns sowie das Einsetzen des Strömungsprofils
in dem betriebsfähigen
Zustand.
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Bei
dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel werden zwei
Trennlinien auf jeder Seite des Strömungsprofils gebildet, um das
Maskierelement in das Paar von Maskenelementen 82, 84 zu
trennen. Bei alternativen Ausführungsformen
könnte
es wünschenswert
sein, mehr als ein Paar von Maskenelementen zu haben. Die Maskenelemente
werden derart geschnitten, dass jede Trennlinie zwischen den Kühlluftöffnungen
des fertig hergestellten Strömungsprofils
verläuft.
Dies ermöglicht
der Maske das Unterbinden der Strömung von Abschirmmaterial aus den Öffnungen 46 des
Strömungsprofils
in einem derartigen Ausmaß hinaus,
dass das Material nicht zu den Festlegeflächen an dem Strömungsprofil
für den
Laser-Bohrvorgang fließt.
Dies ist in denjenigen Fällen
wichtig, in denen ein repariertes Strömungsprofil erneut gebohrt
wird oder ein neu hergestelltes Strömungsprofil überarbeitet
wird und das Strömungsprofil
bereits einige Kühlluftöffnungen 46 aufweist,
die in der Oberfläche
des Strömungsprofils
gebildet sind.
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Die
Backen 92, 94 des Werkzeugs sind relativ zueinander
beweglich. Das Verfahren zum Ausrichten des Strömungsprofils unter Bildung
der Maske beinhaltet das Beabstanden der Backen voneinander durch
den Spalt G in der geschlossenen Position. (Der Spalt G ist die
Distanz, über
die die Backen in dem betriebsfähigen
Zustand beabstandet sind.) Eine Schicht aus Formmaterial wird zwischen
den Backen angeordnet, um den Spalt G auszufüllen. Das Formmaterial dichtet
die Form gegen den Verlust von Maskiermaterial in Fluidform ab.
Ein zufriedenstellendes Material hierfür ist Bienenwachs. Alternativ hierzu
können
die Backen durch einen Spalt G1 voneinander beabstandet sein, der
größer ist
als der Spalt G. Dies könnte
während
des Schrittes zum Bilden der Maske erzielt werden, indem die Backen nicht
vollständig
geschlossen werden. Dies führt
dazu, dass die seitliche Länge
der Maske geringfügig größer ist
als die seitliche Breite des Hohlraums in dem betriebsfähigen Zustand.
Die Backen üben
dann im betriebsfähigen
Zustand ein vorbestimmtes Ausmaß an
Kraft auf das Maskierelement aus. Der gleiche Effekt könnte auch
durch Einstellen der Länge des
die Backe bewegenden Hebels erzielt werden. Dies wäre unter
Verwendung eines verstellbaren Verbindungsglieds 112b möglich, so
dass sich die Backen in die vollständig geschlossene Position
bewegen, wobei ein Spalt G im betriebsfähigen Zustand vorhanden ist,
diese jedoch derart eingestellt werden, dass die Backen durch den
Spalt G1 voneinander beabstandet sind. Ein zufriedenstellender Spalt G1
wurde auf etwa ein Achtel Inch (125 Millünch)(3,2 mm)
eingestellt. Der Spalt G1 für
das Werkzeug in der geschlossenen Position betrug bei einem Ausführungsbeispiel
etwa das Vierfache des Spalts G für das Werkzeug in dem betriebsfähigen Zustand.
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Ein
spezieller Vorteil des Werkzeugs 12 besteht in der zweiten
Backe 94, die sich nicht bewegt. Diese Backe und die zweite
in Sehnenrichtung gerichtete Referenzfläche 96 weisen eine
vorbestimmte Beziehung in Bezug auf die Festlegeöffnung 134 auf, da
sie beide festgelegt sind. Die Festlegeöffnung positioniert wiederum
den Festlegeblock 124, der die erste Referenzfläche 126 aufweist.
Diese bekannten Beziehungen führen
dazu, dass die Maske 78 und ihre Maskenelemente 82, 84,
die mit der Backe zusammenwirken, eine bekannte Beziehung in Bezug auf
das Strömungsprofil
(das mit der ersten Referenzfläche
zusammenwirkt) sowie eine bekannte Beziehung des Strömungsprofils
in Bezug auf die Referenzfläche
an der zweiten Backe 96 aufweisen sowie ferner eine bekannte
Beziehung des Strömungsprofils
und der Maske zu der Eingießplatte 62 durch
die zweite Backe und die Basis der Halterung aufweisen und somit
durch den Tisch der Vorrichtung eine bekannte Beziehung zu dem Gehäuse 62 aufweisen.
In dem betriebsfähigen
Zustand kann z. B. eine geringe Justierung in seitlicher Richtung
erforderlich sein, wobei dies von der Größe des Spalts G1 im Vergleich zu
dem Spalt G abhängig
ist, um sicherzustellen, dass diese Komponenten die korrekte Beziehung
in dem betriebsfähigen
Zustand aufweisen. Diese Beziehung bei der Vorrichtung zum Herstellen
der Maske ist somit die gleiche oder sehr leicht auf die gleiche Beziehung
wie bei dem betriebsfähigen
Zustand einstellbar.
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Bestimmte
thermoplastische Polymere haben Eigenschaften, die das Anbringen
des Laser-abschirmenden Materials 52 im Inneren der Rotorschaufel 12 sowie
beim Dämpfen
der Intensität
des Laserstrahls unterstützen.
Diese Eigenschaften schaffen Vorteile beim Füllen und Bohren des Strömungsprofils
mit einem Laser sowie Vorteile beim späteren Entfernen des Abschirmmaterials
aus dem Strömungsprofil.
Zum Beispiel umfasst das Laser-abschirmende Material ein thermoplastisches
Polymer, das lediglich aus Kohlenstoff und Wasserstoff gebildet
ist. Das thermoplastische Polymer bildet bei vollständiger Verbrennung
des Materials während
Abbrand des Materials harmlose Produkte. Ferner weist das Polymer
einen Schmelzindex auf, der höher
ist als etwa 50, wobei dies die Strömung unterstützt. Das
thermoplastische Polymer ist teilweise amorph; es ist jedoch auch
teilweise kristallin, so dass die Kristallinität höher ist als vierzig Prozent
(40%), um die Strahlung des Laserstrahls von dem Laser zu zerstreuen.
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Es
wurden Experimente unter Verwendung von Elementen der Polyolefinfamilie
durchgeführt. Der
Begriff "Polyolefin" und die speziellen
Formen der Polyolefine, wie z. B. "Polypropylen", „Polyethylen" usw. beinhalten
deren Copolymere und Homopolymere. Diese beinhalten z. B. lineares
Polyethylen mit geringer Dichte (LLDPE), Polyethylen mit geringer
Dichte (LDPE), Polyethylen mit hoher Dichte (HDPE), Polypropylen
(PP).
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Ein
zufriedenstellendes Material ist ein lineares Polyethylen mit geringer
Dichte, das als Dowlex 2503 von der General Polymer Division of
Ashland Chemical Company erhältlich
ist und von der Dow Chemical Company, Midland, Michigan 48674 hergestellt
wird. Dieses Polyethylen hat ein spezifisches Gewicht bzw. eine
Dichte von 0,9370 bei 23°C
sowie einen Schmelzindex von 105 unter Verwendung der Standardmessung,
wie diese im ASTM D-1238-82 mit dem Titel "Strömungsraten
von Thermoplasten mittels Extrusionsplastometer" beschrieben ist. Der Schmelzindex wird
für dieses
Polyethylen bestimmt, indem man eine Anzahl von Gramm des Polymers während einer
Periode von zehn Minuten durch eine bekannte Öffnung strömen lässt, und zwar bei einer Temperatur
von 190°C
sowie unter einer Last von etwa 2,16 kg, wobei dies der Bedingung
E des ASTM-Standards entspricht. Dieses Polyethylen hat eine Längung bei
Bruch von 75,2%, einen Biegemodul von 75500 psi (5,2 × 109 Pascal), eine Zugfestigkeit bei Bruch von
1100 psi (7,5 × 106 Pascal) sowie eine Zugfestigkeit beim Nachgeben
von 2010 psi (13,9 × 106 Pascal). Die Kerbschlagfestigkeit nach Izod
beträgt
0,45 bei 68,2°F
(20°C) bei
0,1250 Inch) (Fuss-Pounds/Inch).
Die Schlagzerreissfestigkeit beträgt 62,40 Fuss-Pounds/Inch im
Quadrat bei 73,2°F (23°C). Die Versprödungstemperatur
beträgt
36°F (2°C), und die
Vicat-Erweichungstemperatur beträgt 212°F (100°C). Es handelt
sich um ein Copolymer aus Ethylen und Octen-1.
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Bei
Temperaturen über
572°F oder
300°C setzt
das Material leicht verbrennbare Gase frei. Die spezifische Dichte
beträgt
weniger als 1 und kann sogar noch weniger als 0,95 betragen, da
sie in einem Bereich von ca. 0,84 bis 0,97 liegt, wobei dies das Nichtvorhandensein
von Füllstoffen
anzeigt. Es hat ein recht hohes Molekulargewicht, das größer ist
als 1000 und ist nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff gebildet.
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Polyolefine,
wie z. B. Polypropylen, Polyethylen, Polybutylen, Polyisopren haben
den Vorteil einer Scherentzähung
gekoppelt mit ihrem relativ guten Schmelzindex. Der Schmelzindex
wird bei niedrigen Scherbedingungen gemessen. Wenn das Scheren des
Polyethylens zunimmt, wird die Viskosität des Materials steil geringer,
und diese kann um bis zu fünfzig
Prozent (50%) oder sogar noch größere Beträge sinken.
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Ein
Vorteil der Verwendung der Spritzgussmaschine zum Einspritzen des
Laserabschirmenden Materials besteht darin, dass die Maschine an
sich sowie durch den von ihr ausgeübten Druck eine Scherentzähung des
Polyethylens hervorruft, bevor das Polyethylen die Kammer 12 erreicht,
eine Scherentzähung
hervorruft, während
dieses durch die Düse 70 hindurch
strömt,
sowie bei Bedarf eine Scherentzähung
in den inneren Passagen des Strömungsprofils 10 hervorruft.
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Wie
bei dem Schmelzindex handelt es sich bei der Scherentzähungscharakteristik
um einen empirisch bestimmten Parameter, der durch die physikalischen
Eigenschaften und die Molekularstruktur des Polymers sowie die Messbedingungen
in kritischer Weise beeinflusst wird. Er wird bestimmt unter Verwen dung
eines kapillaren Strömungsmessers
für viskose
Flüssigkeiten,
jedoch ist der Parameter üblicherweise
nicht für
Materialien bei allen Temperaturen und Druckwerten verfügbar, da
Wissenschaftler und Ingenieure ihr Augenmerk nicht auf die kritische Bedeutung
des Parameters beispielsweise zum Füllen von Komponenten mit sehr
engen Passagen gerichtet haben.
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7 zeigt
eine grafische Darstellung der Scherentzähungscharakteristik für Polyethylenmaterial
vom Typ Dowlex 2503, wie diese über
einen Bereich von Scherraten bei einer Temperatur von 375°F (190°C) bestimmt
wurde. Es wurde der Kapillar-Strömungsmessertest
gemäß ASTM D3835
verwendet.
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Wie
in 7 gezeigt ist, nimmt die Viskosität von einem
Ausgangswert von etwa 500 Pa·s
(Pascalsekunden) bei einer Scherrate von 20 pro Sekunde (20/m) auf
einen Wert von weniger als 200 Pa·s) bei einer Scherrate von
2000 pro Sekunde (2000/s). Dies stellt einen Abfall von mehr als
fünfzig
Prozent (50%) von einer sirupartigen Flüssigkeit bei der niedrigeren Scherrate
bis zu einer wasserartigen Flüssigkeit
dar, wenn das Material bei Scherraten durch das Strömungsprofil
strömt,
die viel geringer sind als die Scherrate von 2000/s.
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Wenn
das Material von kleinen Passagen in dem Strömungsprofil zu großen Passagen
in dem Strömungsprofil
strömt,
nimmt die Viskosität
zu, da die Polymerketten einer geringeren Scherrate ausgesetzt sind.
Wenn das Polymer jedoch durch die nächste kleinere Querschnittsfläche strömt, wie
z. B. die Vorderkante, kommt es wiederum zu einer Scherentzähung des
Materials aufgrund der erhöhten Scherrate.
Das Material erfährt
eine Verminderung in der Viskosität und fließt dann einfacher durch die
kleinere Fläche.
Wenn das Material aus dem Strömungsprofil
heraus strömt,
fallen der Druck auf das Material sowie die Temperaturen des Materials
rasch ab, wodurch das Material einen steilen Anstieg in der Viskosität erfährt und
nicht zu den Festlegeflächen
an dem Strömungsprofil
strömt.
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Die
Scherentzähung
ist somit sehr hilfreich beim Füllen
von modernen Strömungsprofilen
mit Laser-abschirmendem Material 52. Typischerweise ist das
Volumen der Charge 74 des in das Strömungsprofil injizierten Materials
etwa 5% bis 10% größer als das
Innenvolumen des zu füllenden
Strömungsprofils,
um dadurch ein vollständiges
Füllen
dieses Volumens zu gewährleisten.
Dieses Materialvolumen muss in das Strömungsprofil gedrückt werden,
durch das Strömungsprofil
gedrückt
werden und in einem gewissen Ausmaß aus dem Strömungsprofil
hinaus gedrückt
werden, um ein vollständiges
Füllen
des Strömungsprofils
zu gewährleisten.
Dennoch muss das Material eine ausreichende Viskosität aufweisen, so
dass das Material nicht durch das Strömungsprofil hindurch zu ungewollten
Stellen auf der Strömungsprofiloberfläche läuft. Wie
erwähnt
wurde, muss es nach dem Injizieren, wenn es in, durch und aus dem Strömungsprofil
heraus strömt,
relativ rasch in seiner Position erstarren.
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Während des
Einfüllvorgangs
des Strömungsprofils 10 wird
z. B. das thermoplastische Polymer bei einem Strangpressdruck von
mehr als ca. 1500 psi (10,3 × 106 Pascal) sowie einer Temperatur bei etwa
oder mehr als 300°F
(149°C)
in die Schaufel gedrückt.
Es kommt zu einem Absinken der Viskosität aufgrund der Temperatur.
Die Temperaturen des Materials liegen erwartungsgemäß im Bereich
zwischen 250°F
bis 540°F
(121°C bis
282°C) für die meisten
Materialien in der Polyolefinfamilie. Dies ermöglicht dem Material ein Strömen mit
geringer Viskosität
durch das Strömungsprofil,
wobei die Temperatur eine Reduzierung der Viskosität hervorruft
und die Scherentzähung
eine weitere Verminderung der Viskosität hervorruft.
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Bei
einer Anwendung unter Verwendung des Materials Dowlex 2503 wurde
das Polyethylen bei einem Druck von 1600 psi (11 × 106 Pascal) in ein Strömungsprofil mit Passagen und Öffnungen
mit einem hydraulischen Durchmesser von weniger als 40 Millünch (1 mm)
stranggepresst. Bei manchen Anwendungen können die Passagen einen hydraulischen Durchmesser
aufweisen, der geringer ist als 30 Millünch (0,8 mm) und sogar noch
weniger als 25 Millünch
(0,6 mm) betragen kann. Man erwartet, dass beim Strömen des
Polyethylens durch die Strömungsprofilpassagen
eine weitere Scherentzähung in
den besonders begrenzten Bereichen des Strömungsprofils, wie z. B. der
Vorderkante oder der Hinterkante des Strömungsprofils stattfindet. In
diesen Bereichen verzögern
Sockel und Öffnungen
mit kleinem Durchmesser die Bewegung des Materials in die Hohlräume, in
die sich zu der Oberfläche
erstreckende Löcher
gebohrt sind.
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Dennoch
wurden diese Strömungsprofile
erfolgreich gefüllt,
und zwar teilweise aufgrund der Scherentzähungseigenschaft des Laser-abschirmenden
Materials in dem Strömungsprofil.
Bei anderen Versuchen wurde das Material mit einem Druck von etwa
2000 psi (13,8 × 106 Pascal) injiziert, wobei die Temperatur
des Materials weniger als 540°F (282°C) betrug
und im Bereich von ca. 400°F
bis 500°F
(382°C bis
282°C) lag.
Polypropylen wurde bei ähnlichen
Druckwerten und Temperaturen über
seinem Schmelzpunkt ebenfalls mit guten Resultaten verwendet.
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Während des
Füllens
des Strömungsprofils ist
das Strömungsprofil
in der Maske 78 angeordnet, wobei die Maskenelemente 82, 84 durch
die erste und die zweite Backe 92, 94 gegen das
Strömungsprofil
gedrückt
sind. Wie erwähnt
wurde, könnten
der Tisch oder der Hebel geringfügig
justiert werden, um jeglicher Differenz zwischen dem Spalt G und
dem Spalt G1 Rechnung zu tragen. Die Maskenelemente üben einen
externen Druck auf das Strömungsprofil auf,
der den Verlust von Laser-abschirmendem Material blockiert, das
durch die strömungslenkenden Oberflächen des
Strömungsprofils
zu ungewollten Stellen an dem Strömungsprofil gelangen könnte. Die
Maskenelemente verstärken
außerdem
die dünne
Wandung des Strömungsprofils
(die in manchen Fällen
so gering wie 20 Millünch
(0,5 mm) sein kann) gegen Verlagerung, während das mit hohem Druck beaufschlagte
Polyethylenmaterial durch das Strömungsprofil strömt.
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Das
Laser-abschirmende Material strömt rasch
ins Innere des Strömungsprofils,
wobei es sogar komplexe Formgebungen in weniger als einer Minute
und in manchen Fällen
innerhalb von ca. dreißig Sekunden
füllt.
Ein spezieller Vorteil ist die relativ niedrige Schmelztemperatur
des Materials. Als Ergebnis hiervon ist die Wärmekapazität des Strömungsprofils derart, dass dieses
Wärme von
dem Material absorbiert, ohne in seiner Temperatur in einem Ausmaß anzusteigen,
das die Handhabung schwierig macht. Bei einigen Versuchen waren
Bedienungspersonen in der Lage, die Strömungsprofile nach dem Füllen mit
den bloßen
Händen
oder mit leichten Handschuhen zu handhaben.
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Obwohl
das Material Wärme
an das benachbarte Metall in dem Strömungsprofil verliert, strömt das Material
weiter, bis es diejenigen Bereiche ausfüllt, in denen Laser-abschirmendes
Material angebracht werden muss. Das Erstarren des Materials erfolgt
rasch, wenn das Material Wärme
an das Strömungsprofil
abgibt. Als Ergebnis hiervon kann das Strömungsprofil dann zu einer neuen
Stelle bewegt werden, und zwar selbst bei Schütteln desselben und ohne Bedenken
hinsichtlich einer Verflüssigung
des Materials.
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Ein
weiterer Vorteil des Abschirmmaterials besteht in seiner Elastizität, die es
in fester Form zeigt. Dies ermöglicht
ein einfaches Inspizieren von durch den Laser gebohrten Öffnungen,
um dadurch sicherzustellen, dass der Laser bis zu dem abschirmenden
Material durchgegangen ist. Zum Beispiel besteht ein Weg zum Inspizieren
einer Öffnung
für die
Sicherstellung, dass die Öffnung
durch die Wand des Strömungsprofils
hindurch gebohrt worden ist, darin, einen dünnen Draht sondenartig durch
die Öffnung
hindurch zu führen.
Der Draht zeigt ein anderes Ansprechen bei Berührung mit dem elastischen Polyethylenmaterial
im Vergleich zu dem Ansprechen, das es bei Berührung mit einer harten Komponente, wie
z. B. dem Material hätte.
In vielen Fällen
ist das Laser-abschirmende Material in einem derartigen Ausmaß in die Öffnung geströmt, dass
eine visuelle Überprüfung der Öffnung das
Vorhandensein von Polyethylen zeigt, wobei dies das Vorhandensein
einer Durchgangsöffnung
bestätigt.
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Während des
Bohrens eines Lochs mit dem Laserstrahl L verdunstet die kohärente Strahlung
des Laserstrahls eine Wand des Strömungsprofils, wie z. B. der
Ansaugwand 62 oder der Druckwand 44, um dadurch
eine Kühlluftöffnung 46 zu
bilden. Wenn der Laserstrahl durch die Wand auf die Innenseite des Strömungsprofils
hindurch bricht, trifft der Laserstrahl auf das Polyolefinmaterial
(Polyethylenmaterial), das im Inneren des Strömungsprofils angeordnet ist.
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Das
Polyolefin-Abschirmmaterial ist besonders wirksam zum Verhindern,
dass der Laserstrahl die Wände
im Inneren des Strömungsprofils
in inakzeptabler Weise schädigt.
Obwohl das Phänomen nicht
umfassend verstanden wird, ist man der Ansicht, dass die Kristallinität der Polyolefine
diesen Prozess unterstützt.
Ferner ist man der Ansicht, dass die spezifische Wärme und
der Schmelzpunkt des Polyethylens derart sind, dass ein geringer
Anteil des Polyethylens unmittelbar ein Fluid bildet, und zwar entweder
in gasförmiger
Form oder in Form einer Flüssigkeit,
wenn der Laserstrahl darauf auftrifft. Im Fall von Gas ist das Polyethylengas
aus Kohlenstoff und Wasserstoff, einem brennbaren Gemisch, gebildet,
wobei jedoch durch das Material kein Sauerstoff zugeführt wird
(da das Material an sich nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff gebildet
ist). Dies vermeidet die Entstehung von Rußpartikeln.
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Das
Plasma des verdampften Polyethylens ist für den Laserstrahl in einem
derartigen Ausmaß transparent,
dass dies offenbar die Fähigkeit
des Laserstrahls zum Fertigbohren der Öffnung nicht beeinträchtigt.
Zusätzlich
dazu scheint das Fluid die Bildung der Öffnung nicht zu beeinträchtigen,
und es bewegt sich in der Tat in die Öffnung hinein und kann die
Fähigkeit
des Lasers zum Zurücklassen
einer sauberen Öffnung
steigern, ohne dass es zu einem Blockieren der Öffnung als Ergebnis davon kommt, dass
Reste von geschmolzenem Wandmaterial des Strömungsprofils in die Öffnung gesaugt
werden.
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Experimentelle
Bohrvorgänge
haben eine markante Reduzierung bei der Wandblockage bei Fertigstellung
des Bohrvorgangs gezeigt. Der prozentuale Anteil von blockierten Öffnungen
in einem Durchlauf sank von ca. 50% bis 60% auf weniger als 10%.
Dies vermindert die Notwendigkeit für ein Nacharbeiten des Strömungsprofils
und unterstützt
eine gleichmäßige Verteilung
von Kühlluft
in dem fertigen Gegenstand.
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Einen
weiteren Vorteil des Polyethylens beim Laser-bohren glaubt man in
dem Ausmaß der
Diffusion der Laserstrahlung zu erkennen, die für eine inkrementelle Dicke
des Polyethylenmaterials stattfindet. Man ist der Ansicht, dass
dieses Ausmaß größer ist als
bei vielen anderen Materialien, die zum Abschirmen von Laserstrahlung
verwendet werden. Dies kann mit der relativ hohen Kristallinität von Polyolefinen
verbunden sein, die höher
ist als vierzig Prozent (40%) und für das Dowlex-Polyethylenmaterial
höher als
sechzig Prozent (60%) ist. Man ist der Ansicht, dass Polyolefine
gegenüber
anderen Polymeren zu bevorzugen sind, da der Schmelzindex größer ist
als Fünfzig
(50) und der Schmelzpunkt ausreichend hoch ist, so dass
die großen
Mengen an Laser-abschirmendem Material nicht vollständig durch
den Laserstrahl geschmolzen werden. Als Ergebnis hiervon ist bei
manchen Bohrvorgängen
ein zusätzlicher Impuls
von Laserenergie möglich,
der über
den während
der herkömmlichen
Wachsbefüllung
hinaus geht, wobei dies auch zum Bilden einer sauberen Austrittsöffnung mit
minimalem Blockieren durch Rückstreuen
des Strömungsprofilmaterials
beiträgt.
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Es
ist möglich,
geringe Beträge
anderer Polymere mit dem Polyolefin zu kombinieren. Ein Beispiel
besteht in der Verwendung von weniger als ca. fünf Gewichtsprozent (5 Gew.-%)
der anderen Polymere, so lange die anderen Polymere die Leistungsfähigkeit
des Polyolefins nicht beeinträchtigen
und kein Umweltrisiko beim Abbrennen des Materials beinhalten.
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Das
Zugeben dieser weiteren Polymere zu dem Polyolefin oder sogar von
zusätzlichen
Mengen anderen Materials zu dem thermoplastischen Polymer ist problematisch,
da nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff gebildete thermoplastische
Polymere einen wesentlichen Vorteil beim Entfernen von Laserabschirmendem
Material nach dem Bohren der Öffnungen
in dem Strömungsprofil
schaffen. Ein Verfahren zum Entfernen des Laser-abschirmenden Materials
besteht darin, das Laser-abschirmende Material bis zum Brennen zu
erwärmen.
Eine zufriedenstellende Temperatur beträgt ca. 1300°F (704°C). Ein spezieller Vorteil der
Polyolefinfamilie und insbesondere von Polyethylen besteht darin,
dass das Polymer in ein äußerst brennbares
Gas zerlegt wird, das sehr sauber brennt. Der Kohlenstoff und der
Wasserstoff des Polyethylens werden mit Sauerstoff aus der Verbrennungsatmosphäre kombiniert,
um Kohlendioxid und Wasserdampf zu bilden. Auf diese Weise bleibt
ein sehr sauberes Strömungsprofil
zurück,
das keine weitere Bearbeitung zum Entfernen von Verunreinigungen
aus dem Inneren des Strömungsprofils benötigt. Ferner
sind keine Reinigungseinrichtungen zum Entfernen schädlicher
Gase aus dem Ausbrennvorgang erforderlich, vorausgesetzt es ist
eine beträchtliche
Menge an Sauerstoff zum vollständigen Verbrennen
des Laser-abschirmenden Materials vorhanden. Schließlich beinhaltet
das Ausbrennen den Vorteil, dass keine zusätzli- chen Lösungsmittel
in die Schaufel eingeleitet werden müssen oder eine Handhabung der
Schaufeln erforderlich ist.
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Zusätzlich dazu
haben die Polyolefine eine relativ geringe Schmelztemperatur, insbesondere
die Polyethylene. Wenn das Strömungsprofil
auf eine höhere
Temperatur erwärmt
wird, um das Polyethylen durch Verbrennen des Polyethylens zu entfernen, schmilzt
das Polyethylen und läuft
aus Öffnungen
in der Schaufel heraus, anstatt weiter zu expandieren und ungewollten
Innendruck auf das Strömungsprofil auszuüben.
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Schließlich hat
das Polyethylen eine Federeigenschaft vor dem Schmelzen, die dem
Material eine Verformung ermöglicht,
wenn es unter Belastung verformt wird. Das Polyethylenmaterial expandiert
vor dem Schmelzen, wenn es während
des Ausbrennvorgangs erwärmt
wird. Die Expansion des festen Polyethylenmaterials verursacht ein
Verformen des Materials, und Öffnungen
in dem Strömungsprofil können sogar
ein Extrudieren des Materials ermöglichen, so dass alle durch
Wärmeexpansion
des Materials erzeugten Kräfte
nicht auf die Wände
des Strömungsprofils übertragen
werden. Die relativ dünnen Wände des
Strömungsprofils
werden nicht in einem Ausmaß gebogen,
das schädliche
Restspannungen in dem Strömungsprofil
oder ein Versagen des Strömungsprofils
während
des Ausbrennvorgangs verursachen würde. Außerdem kann das Ausbrennen
bei einer relativ niedrigeren Temperatur erfolgen, um dadurch die
Handhabung zu beschleunigen, oder aber bei höheren Temperaturen, um die
Verarbeitungszeit zu vermindern, so lange die Temperatur das Leistungsvermögen der
Legierung, aus der das Strömungsprofil
hergestellt ist, nicht beeinträchtigt.