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Dokumentenidentifikation DE102005056846B4 18.10.2007
Titel Linearantrieb mit einem mit einem Medium befüllbaren Aktor
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE
Erfinder Becker, Ralf, Dipl.-Ing., 71672 Marbach, DE;
Grzesiak, Andrzej, Dipl.-Ing., 70569 Stuttgart, DE
Vertreter Rösler, U., Dipl.-Phys.Univ., Pat.-Anw., 81241 München
DE-Anmeldedatum 28.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005056846
Offenlegungstag 31.05.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.10.2007
IPC-Hauptklasse F15B 15/10(2006.01)A, F, I, 20060717, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B23P 13/00(2006.01)A, L, I, 20060717, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Linearantrieb mit einem mit einem Medium befüllbaren Aktor, der in Art wenigstens eines, ein Volumen einschließenden Faltenbalges ausgebildet ist und sich bei Befüllen mit dem Medium längs einer durch die faltenbalgartige Ausbildung vorgegebenen Linearachse auszudehnen und bei Entleerung des Volumens in entgegengesetzter Richtung längs der Linearachse selbsttätig zusammenzuziehen vermag, sowie mit zwei Befestigungsflansche, die längs der Linearachse an gegenüberliegenden Bereichen mit dem Aktor verbunden sind.

Stand der Technik

Linearantriebe werden vorwiegend zur industriellen, automatisierten Handhabung von Werkstücken, Vorrichtungen oder Anlagenteile eingesetzt, um diese zu positionieren und/oder längs einer Linearachse zu transportieren. Der Anwendungsbereich derartiger Antriebe reicht als integrale Bestandteile von Fertigungs- oder Montageeinrichtungen bis hin für Antriebe von Spann- oder Greifvorrichtungen, wie sie in der Robotik zum Einsatz kommen. Insbesondere in der Fertigungsautomatisierung spielt das Gewicht derartiger Linearantriebe, die zumeist in Form pneumatisch oder hydraulisch betriebener Linearzylinder ausgebildet sind, eine wesentliche Rolle, zumal die heutzutage geforderten hohen Beschleunigungen, die zumeist an Manipulatorendbereichen von Roboterarmen auftreten, sehr schnelle Positioniervorgänge zu realisieren vermögen, die durch hochgewichtige Antriebskomponenten aufgrund hoher Trägheitskräfte beeinträchtigt würden.

Pneumatisch bzw. fluidisch angetriebene Linearantriebe weisen typischerweise ein stabiles Gehäuse mit einer zylindrischen Bohrung auf, längs der ein Kolben mit entsprechender Dichtung linear verfahrbar gelagert ist, an dem eine oder zwei Kolbenstangen angelenkt sind, die die Kraft und die Bewegung des Kolbens nach außen, d.h. außerhalb der zylindrischen Bohrung führen. Systembedingt bedarf es einer Reihe von Dichtungsmaßnahmen, um zu verhindern, dass das Arbeitsmedium, das den Kolben antreibt, außerhalb des stabilen Gehäuses gelangen kann. Ein derartiger, aus einzelnen Bestandteilen bestehender Linearantrieb wird in mehreren Montageschritten unter strengen Qualitätskontrollen montiert, um die Leichtgängigkeit sowie die Langlebigkeit gewährleisten zu können. Unvermeidbar unterliegen die Dichtungskomponenten sowie Lagerungs- und Führungselemente bei derartigen Linearantrieben einem gewissen Verschleiß, der lastabhängig zunimmt und insbesondere beträchtliche Ausmaße annimmt, sofern die Qualität der montierten Bauteile zu gering ist. Aus diesen Gründen sind kostenintensive Montagearbeiten sowie auch Qualitätskontrollen erforderlich.

Üblicherweise werden bei Linearantrieben für jede Modellreihe unterschiedlich skalierte Größen angeboten. Die Linearantriebe sind typischerweise mit Standardflanschen bzw. Befestigungsflanschen erhältlich, an denen Gewindebohrungen, Kugelgelenkköpfe oder Gewindeaugen, um nur einige Verbindungsmöglichkeiten zu nennen, vorgesehen sind. Je nach kundenspezifischem Einsatz und zu adaptierenden Anlagenteilen gilt es, entsprechende Adapterteile zwischen Linearantrieb und den entsprechenden kundenseitigen, mechanischen Schnittstellen zu konstruieren, anzufertigen bzw. zu montieren. Insbesondere bei kleinen Stückzahlen fällt der hierfür erforderliche Aufwand, den es zur Implementierung eines Linearantriebes zu bewältigen gilt, im Hinblick auf die Gesamtkosten des Antriebssystems stark ins Gewicht. Zudem kommt, dass die für die Implementierung anzufertigenden Verbindungsteile zumeist nicht gewichtsoptimiert sind, wodurch insbesondere die Dynamik von schnell beweglichen Roboterendbereichen, wie vorstehend erläutert, in Mitleidenschaft gezogen wird.

Derartige, aus einer Vielzahl einzelner Bestandteilen zusammengesetzter Linearantriebe eignen sich darüber hinaus weder in medizinischen Anwendungen noch unter Reinraumbedingungen, zumal sie bestehende Sterilitätsanforderungen nicht oder nur bedingt einzuhalten vermögen.

Auf einem neuartigen Antriebsprinzip beruht der von der Fa. Festo AG & CoKG, siehe Firmenkatalog zu Fluidic Muscle DMSP/MAS – Produkte 2004/2005 beziehbar unter https://xdki.festo.com/xdki/data/PDF/DE/MAS_DE.PDF, vorgestellte „Pneumatische Muskel", der im Wesentlichen aus einem in radialer Richtung dehnbaren Schlauchstück besteht, in das ein diagonal verlaufendes, undehnbares Gewebe eingearbeitet ist, das an beiden Enden von stabilen, zumeist aus Metall gefertigten Abschlussstücken fest eingespannt ist. Wird das Schlauchstück mit Druckluft beaufschlagt, dehnt es sich in radialer Richtung aus und verkürzt sich zugleich aufgrund des diagonalen Gewebes um einen gewissen Prozentsatz seiner Ausgangslänge. Ein derartiger Linearantrieb bietet gegenüber anderen Bauformen von Linearantrieben den Vorteil, dass er keine beweglichen Teile sowie offen liegende, schmutzempfindliche Kolbenstangen aufweist und stellt letztlich aufgrund einer gewissen Eigenelastizität bezüglich der Genauigkeit einer mechanischen Ankopplung keine allzu großen Ansprüche. Neben einer Reihe weiterer Vorteile, wie beispielsweise die Realisierbarkeit eines derartig, auf pneumatischen Wirkprinzip beruhenden Linearantriebes unter Zugrundelegung einer nur geringen Anzahl von Komponenten, arbeitet dieser Linearantrieb lediglich in einer Richtung kraftwirkend, so dass nach entsprechender Dehnung bzw. Auslenkung das druckbeaufschlagte, dillatierte Schlauchstück durch eine externe Kraft, beispielsweise mit Hilfe einer Gewichtskraft, wieder in die Ausgangslage gezogen werden muss.

In der DE 103 45 587 A1 ist ein fluidischer Antrieb beschrieben, der einen faltenbalgartig ausgebildeten Hohlkörper aufweist. In der EP 0 581 445 B1 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Realisierung eines generativen Herstellungsverfahrens beschrieben, mit dem die Herstellung eines dreidimensionalen Objektes im Wege eines iterativen Schichtabscheidens möglicht ist.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linearantrieb mit einem mit einem Medium befüllbaren Aktor derart auszubilden, dass die Herstellung eines derartigen Linearantriebes im Unterschied zu den bisherigen Montagetechniken vereinfacht, kostengünstiger und schneller durchgeführt werden soll. Insbesondere gilt es, einen Linearantrieb auch trotz sehr geringer Stückzahl mit einem wirtschaftlich vertretbaren Aufwand herzustellen und dies mit einer Produktqualität, die keinerlei Anlass zur Kritik hinsichtlich Funktionalität und Lebensdauer des Linearantriebes gibt. So soll es überdies möglich sein, einen Linearantrieb auch mit beliebig gewählter Skalierung herzustellen, ohne dabei einen großen montagebedingten sowie kostenbedingten Aufwand in Kauf nehmen zu müssen. Zugleich gilt es, einen Linearantrieb zu schaffen, der multifunktional einsetzbar und an beliebige, kundenspezifische Anlageteile mit geringem Aufwand anpassbar und implementierbar ist.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 14 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Linearantriebes nach den Merkmalen des Anspruches 11.

Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke geht vom Einsatz eines generativen Fertigungsverfahrens zur Herstellung eines Linearantriebes aus, mit dem der Linearantrieb mit all seinen funktionellen Komponenten sowie mit den zur Implementierung an beliebig gestaltete Montageschnittstellen erforderlichen Befestigungsflanschen in einstückiger Weise auf der Grundlage konstruktiv vorgegebener CAD-Daten im Rahmen eines generativen Fertigungsverfahrens herstellbar ist.

So ermöglichen generative Fertigungsverfahren die dreidimensionale Ausbildung von Objekten, direkt unter Zugrundelegung konstruktiv vorgegebener CAD-Daten in einem einzigen Arbeitsgang derart, so dass nach Beendigung des Arbeitsganges das dreidimensionale Objekt funktionsvollkommen ohne weiteren Montageaufwand sofort einsatzbereit ist.

Mit Hilfe eines derartigen, generativen, d.h. schichtweisen Fertigungsverfahren ist es möglich, einfach, doppelt oder mehrfach wirkende Linearantriebe herzustellen, mit geeignet an kundenspezifische Maschinenschnittstellen angepassten Befestigungsflanschen.

Typischerweise sieht ein Linearantrieb mit einem, mit einem Medium befüllbaren Aktor ein Ausdehnungselement vor, das vorzugsweise in Art wenigstens eines, ein Volumen einschließenden Faltenbalges ausgebildet ist, der sich bei Befüllung mit dem Medium längs einer durch die faltenbalgartige Ausbildung vorgegebenen Linearachse auszudehnen und bei Entleerung des Volumens in entgegen gesetzter Richtung aufgrund der Eigenelastizität des Faltenbalges längs der Linearachse selbsttätig zusammenzuziehen vermag. Zur Implementierung des Linearantriebes in bereits bestehende Anlagenteilbereiche dienen jeweils zwei Befestigungsflansche, die längs der Linearachse an gegenüberliegenden Bereichen des faltenbalgartig ausgebildeten Aktors vorgesehen sind. So lassen sich lösungsgemäß die Komponenten des Linearantriebes, nämlich insbesondere die Befestigungsflansche sowie der einstückig mit den Befestigungsflanschen verbundene Faltenbalg ganzheitlich unter Verwendung eines generativen Fertigungsverfahrens herstellen, so dass unter Zugrundelegung kundenspezifischer, den jeweiligen Linearantrieb beschreibenden CAD-Datensatz bedarfsgerechte Linearantrieb herstellbar sind. Je nach Wunsch und Anforderungen durch den Kunden können Linearsysteme hergestellt werden, die eins, zwei oder mehr kinematisch miteinander gekoppelte faltenbalgartig ausgebildete Aktoren vorsehen und die sich zudem beliebig in der Größe skalieren lassen und auf diese Weise optimal an bestimmte Transport- und Manipulationsanforderungen anpassen lassen. Durch die grundsätzliche Freiheit im Hinblick auf Größe und Formgebung der Linearantriebe können durch geeignete Konstruktion Antriebe geschaffen werden, die über ein optimiertes Gewicht verfügen und somit eine Leichtgängigkeit im Einsatz mit hochdynamischen Manipulatorsystemen gewährleisten.

Generative Fertigungsverfahren bieten enorme gestalterische Freiheiten, zumal keinerlei Rücksicht auf konstruktiv bedingte Endformschrägen, Hinterschnitte sowie auch gleich bleibende Wandstärken genommen werden muss. Vielmehr ist es möglich, durch Variation der Wandstärke von Bauteilbereichen hochfeste und elastische Bereiche vorzusehen und diese direkt miteinander zu kombinieren.

Gegenüber konventionellen Montagetechniken können die Gesamtkosten zu den verglichen mit marktüblichen Systemen erheblich reduziert werden. Eine weitere Anwendung der lösungsgemäß angegebenen Linearantriebe könnte der Einsatz in voll automatisierten Fertigungen sein, in denen sich die Fertigungslinien selbsttätig auf die jeweils zu produzierenden Teile einstellen. Automaten wären in der Lage, auch die zur Handhabung erforderlichen Linearantriebe autonom und selbständig zu fertigen, in Betrieb zu nehmen und nach Auslaufen der Serie wieder zu recyclen.

Als Beispiele für generative Fertigungsverfahren seien beispielsweise das Rapid-Prototyping genannt, das unter Verwendung eines fotolithografischen Systems dreidimensionale Objektstrukturen durch gezielten lokalen Energieeintrag innerhalb eines Werkstoffes einzubeschreiben vermag. Hierbei erfolgt der fotolithografische Belichtungsvorgang zumeist schichtweise innerhalb eines Körpers, bestehend aus einem fotoempfindlichen Werkstoff, der durch Belichtung in bestimmten Werkstoffregionen eine Werkstoffumwandlung, beispielsweise im Wege einer gezielten Polymerisation oder Verschmelzung erfährt. Des Weiteren sind Polymerisationsprozesse durch schichtweises Aushärten innerhalb eines Flüssigkeitsbades bekannt, um dreidimensionale Objekte zu fertigen. Auch ist es möglich, durch schichtweises Auftragen und Verfestigen von Pulverschichten entsprechende Objekte zu generieren.

Nicht notwendigerweise, jedoch bevorzugt bedienen sich generative Fertigungsverfahren eines einheitlichen Werkstoffes, aus dem die jeweils zu generierenden realen Objekte gefertigt werden. Gleichfalls ist es denkbar, durch entsprechende Materialschichtung unterschiedliche Materialien für unterschiedliche Objektbereiche zu verwenden. Typischerweise werden metallische oder keramische Werkstoffe bzw. Kunststoffe für derartige generative Fertigungsverfahren eingesetzt.

Es konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe des lösungsgemäßen Linearantriebes ein hohes Verbesserungspotential gegenüber bekannten Linearantrieben erzielbar ist, indem der in konventionellen Linearantrieben vorgesehene Antriebskolben durch einen faltenbalgartig ausgebildeten Aktor gleich wirkend wie ein Federelement, im Weiteren als Faltenbalg bezeichnet, ersetzt worden ist. Konstruktionsbedingt bzw. systemimmanent mit dem Faltenbalg verbunden, konnte die bisher bei konventionellen Linearantrieben erforderliche Rückstellfeder zur Rückführung des Antriebskolbens in seine Ausgangsstellung durch die elastische Rückstellkraft des Faltenbalges ersetzt werden. Schließlich ermöglicht das generative Fertigungsverfahren die einstückige Ausbildung des Faltenbalges mit den jeweiligen Befestigungsflanschen, die eine individuelle Implementierung an bereits vorhandene mechanische Schnittstellen zu Anlageteilen gewährleisten.

Im Weiteren sei unter Bezugnahme auf die nachstehenden Figuren eine Reihe von Ausführungsbeispielen beschrieben, die Linearantriebe darstellen, die im Wege jeweils eines generativen Fertigungsverfahrens herstellbar sind.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

1a, b einfachste Ausführungsform eines Linearantriebes in a) perspektivischer und b) Querschnittsdarstellung,

2a, b einfach wirkender Linearantrieb in a) perspektivischer Darstellung und b) Längsschnittdarstellung,

3a, b doppelt wirkender Linearantrieb in a) Längsschnittdarstellung und b) perspektivischer Darstellung, sowie

4 Querschnittsdarstellung durch einen längs zwei sich senkrecht schneidenden Raumachsen angeordneter Linearantriebe.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In 1a ist in perspektivischer Betrachtungsweise ein lösungsgemäß ausgebildeter Linearantrieb dargestellt, der in Bilddarstellung gemäß 1b in perspektivischer Schnittbilddarstellung gezeigt ist. Der Linearantrieb weist als Ausdehnungselement ein torusförmig ausgebildetes Federelement 1 auf, das mit einer biegeelastischen Wand ein mit einem Medium befüllbares Volumen V einschließt.

– Nur aus Gründen der Übersichtlichkeit halber sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die in der Beschreibungseinleitung verwendete Formulierung „Faltenbalg" in einer einfachsten Ausführungsweise dem in 1 dargestellten Federelement 1 entspricht, das ein mit einem Medium befüllbares Volumen umschließt. Wie die weiteren Ausführungsbeispiele zeigen werden, setzen sich die dort gezeigten Faltenbalge aus einer Vielzahl des in 1 gezeigten Federelementes 1 zusammen. –

Beidseitig schließt das torusförmig ausgebildete Federelement 1 fluiddicht und einstückig an Befestigungsflansche 2, 3 an, die gemeinsam mit dem Federelement 1 das innen liegende Volumen V fluiddicht abschließen, siehe hierzu auch die Querschnittsbilddarstellung in 1b. Der Befestigungsflansch 2 sieht neben geeignet ausgebildeten Befestigungsvertiefungen 4 wenigstens eine Durchgangsöffnung 5 vor, über die ein Medium, vorzugsweise Druckluft, in das innen liegende Volumen V, das von dem Federelement 1 sowie beiden Befestigungsflanschen 2, 3 fluiddicht eingeschlossen wird, druckbeaufschlagt einfüllbar ist. Selbstverständlich ist es möglich, den in 1a, b dargestellten Linearantrieb auch mit einem flüssigen Medium zu befüllen. Bei geeigneter druckbeaufschlagter Befüllung durch die Öffnung 5 werden die Befestigungsflansche 2, 3 längs der in 1b eingetragenen Linearachse A in entgegengesetzt orientierten Raumrichtungen ausgelenkt. Wird einer der beiden Befestigungsflansche 2, 3 beispielsweise an ein festes Gegenlager montiert, das räumlich stationär ist, so führt eine Befüllung des Volumens V zu einer entsprechend linear gerichteten Distanzierung des jeweils gegenüber liegenden Befestigungsflansches mit einem daran befestigten Anlagenteil. Wird nach entsprechender Auslenkung das mit dem Medium befüllte Volumen V durch die entsprechende Öffnung 5 entleert, so erfolgt aufgrund der Eigenelastizität und der damit verbundenen Rückstellkraft des Federelementes 1 eine lineare Rückführung des jeweils ausgelenkten Befestigungsflansches.

Form und Größe des in 1 einstückig dargestellten Linearantriebes lassen sich in Abhängigkeit der jeweiligen Spezifikation aufgrund vorhandener Umgebungsperipherien beliebig im Rahmen eines CAD-Datensatzes festlegen. Nach entsprechender Konfektionierung des Linearantriebes lässt sich dieser einstückig im Rahmen eines generativen Fertigungsverfahrens fertigen.

In 2a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen einfach wirkenden Linearantrieb in perspektivischer Darstellung gezeigt. 2b zeigt eine diesbezügliche offene Querschnittsdarstellung. Der in den 2a und 2b dargestellte Linearantrieb verfügt gleichsam dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 über ein Ausdehnungselement 1, das sich aus einer Vielzahl einzelner Federelemente gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1, siehe Bezugszeichen 1, zusammensetzt und gleichsam die Gestalt eines Faltenbalges annimmt, der gemäß Längsschnittdarstellung in 2b über einen wellig ausgebildeten Wandverlauf verfügt. Der als Ausdehnungselement dienende Faltenbalg 1 schließt einseitig gasdicht mit einem unteren Befestigungsflansch 3 ab, der zur weiteren Befestigung an einer nicht weiter dargestellten Anlagenkomponente einen geeignet ausgebildeten Befestigungssteg 3' vorsieht. Längs der Linearachse A zum Befestigungsflansch 3 gegenüberliegend ist einstückig mit dem Faltenbalg 1 ein weiterer Befestigungsflansch 2 verbunden, der wenigstens eine Öffnung 5 vorsieht, über die das von dem Faltenbalg 1 eingeschlossene Volumen V mit einem entsprechenden Arbeitsmedium befüllbar ist. Ferner ist am Befestigungsflansch 2 ein Rahmenelement 6 angelenkt, das den Faltenbalg 1 berührungslos zumindest teilweise umfasst und mit einem unteren Rahmenelementende 6' den stegartigen Fortsatz 3' des Befestigungsflansches 3 linear längsbeweglich gleitend umfasst. Wird das von dem Faltenbalg 1 umfasste innere Volumen V mit einem Arbeitsmedium, beispielsweise mittels Druckluft, befüllt, so dehnt sich der Faltenbalg 1 längs zur Linearachse A aus, wodurch die Befestigungsflansche 2, 3 voneinander beabstandet werden. Die strenge Linearführung beider Befestigungsflansche 2, 3 wird überdies durch das steif ausgebildete Rahmenelement 6 unterstützt, das linearbeweglich längs der Seitenflanken 3'' des stegartig ausgebildeten Fortsatzes 3' des Befestigungsflansches 3 geführt ist. Gleichsam dem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 1 vermag auch das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel nach entsprechender Entleerung des von dem Faltenbalg 1 eingeschlossenen Volumens V aufgrund der dem Faltenbalg 1 inne wohnende Rückstellkraft in seine Ausgangsstellung selbststätig überzuführen. Insbesondere der Längsschnittdarstellung in 2b ist zu entnehmen, dass der gesamte Linearantrieb aus einstückig zusammenhängenden Komponentenabschnitten gebildet ist, die im Wege eines generativen Fertigungsverfahrens herstellbar sind.

Im Unterschied zu den einfach wirkend arbeitenden Linearantrieben gemäß der Ausführungsbeispiele in den 1 und 2 ist in 3a und b ein doppelt wirkender Linearantrieb dargestellt. In der Bilddarstellung gemäß 3a ist eine dazugehörige Längsschnittdarstellung, in 3b eine entsprechende perspektivische Gesamtdarstellung des doppelt wirkend arbeitenden Linearantriebes gezeigt. In diesem Falle sind zwei Faltenbalge 1, 1' längs einer gemeinsamen Linearachse A ausgerichtet und an ihren sich unmittelbar gegenüberliegenden Enden mit einem gemeinsamen, so genannten Kraftübertragungselement 7 fluiddicht verbunden. Mit ihren jeweils zum Kraftübertragungselement 7 abgewandten Endbereichen sind die Faltenbalge 1, 1' jeweils mit einem Befestigungsflansch 2, 3 einstückig verbunden, wobei beide Faltenbalge 1, 1' durch jeweils eine Verbindungsöffnung 5, 5' getrennt voneinander mit einem fluidischen Arbeitsmedium, vorzugsweise Druckluft, befüllbar bzw. entleerbar sind. Beide Befestigungsflansche 2, 3 sind ihrerseits über einen Rahmen 6 miteinander verbunden, gegenüber dem das Kraftübertragungselement 7 längs zur Linearachse A linearbeweglich geführt ist. So liegt ein mit dem Kraftübertragungselement 7 verbundenes Rahmenteil 7' jeweils linear gleitend an den mit den Befestigungsflanschen 2, 3 verbundenen Linearflächen 2' und 3' gleitend auf.

Es sei beispielsweise angenommen, dass der in 3 dargestellte Linearantrieb über das fest mit dem Kraftübertragungselement 7 verbundene Rahmenteil 7' an einem stationären Gegenlager befestigt ist. In diesem Fall können durch wechselseitiges und taktweises Entleeren bzw. Befüllen der Faltenbalge 1, 1' die Befestigungsflansche 2, 3 längs zur Linearachse A in entgegen gesetzte Richtungen kontrolliert bewegt werden. So wird stets nur ein Faltenbalg mit Druckluft beaufschlagt, um den Linearantrieb an eine Endposition zu verfahren. Will man von dort den Linearantrieb in die jeweils längs der Linearachse gegenüber liegende Endposition überführen, so wird der entsprechend befüllte Faltenbalg drucklos geschaltet und der jeweils gegenüber liegende Faltenbalg mit Druckluft beaufschlagt.

Werden beide Faltenbalge drucklos geschaltet, so werden die Faltenbalge aufgrund der ihnen innewohnenden Verformungskräfte in ihre ursprüngliche Position zurückkehren, in der der Linearantrieb bei der Fertigung positioniert worden ist.

Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 zeigt einen Längsschnitt durch einen Linearantrieb gleichsam jenem, der in 3 dargestellt ist, jedoch erweitert durch einen senkrecht zur Linearachse A wirkenden dritten Faltenbalg 1'', der eine Linearbewegung längs einer orthogonal zur Linearachse A orientierten Linearachse B ermöglicht. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden verglichen zum Ausführungsbeispiel gemäß 3 bereits erklärte und gleich funktionierende Bauteile mit den entsprechend eingeführten Bezugszeichen versehen. Fest mit dem Kraftübertragungselement 7 ist ein weiterer Faltenbalg 1'' verbunden, der sich längs einer zur Linearachse A orthogonal orientierten Linearachse B auszudehnen vermag. Über eine Durchgangsöffnung 5'' ist der Faltenbalg 1'' mit einem entsprechenden Arbeitsmedium, vorzugsweise Druckluft, zu befüllen, wodurch ein einseitig mit dem Faltenbalg 1'' verbundener Befestigungsflansch 2'' längs zur Linearachse B auslenkbar ist.

Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 zeigt die beliebige Kombinierbarkeit und letztlich Ausführbarkeit eines im Wege eines generativen Fertigungsverfahrens herstellbaren Linearantriebes, der in Abhängigkeit von nutzerseitigen Spezifikationen individuell konzipierbar ist. Gerade in der konstruktiv beliebigen Variierbarkeit und Skalierbarkeit derartiger Linearantriebe ist der erfindungsgemäße Nutzen zu sehen, zumal durch leicht und ohne großen Kostenaufwand durchzuführende Modifikationen am CAD-Datensatz eine Neubeschreibung eines konstruktiv auszuführenden Linearantriebes möglich ist, die unmittelbar der Herstellung eines dreidimensional ausgebildeten Linearantriebes unter Nutzung eines generativen Fertigungsverfahrens zugrunde gelegt werden kann.

Die erfindungsgemäßen Linearantriebssysteme können somit schnell und ohne jede Montage, angepasst an die jeweilige Aufgabe und den nutzerseitigen Rahmenbedingungen direkt aus dem CAD-System hergestellt werden. Hierdurch sind die für die Herstellung erforderlichen Gesamtkosten verglichen zu den marktüblichen Systemen durchaus konkurrenzfähig. Hinzu kommt, dass durch die entsprechende stufenlose Skalierbarkeit hinsichtlich der Größe eines Linearantriebes ein gewichtsoptimiertes System geschaffen werden kann. Durch entsprechende Materialwahl ist es überdies möglich, Linearantriebe in aggressiven Umgebungen oder mit aggressiven Betriebsmedien einzusetzen sowie aufgrund der Möglichkeit einer vollständigen Autoklavierbarkeit den Einsatz in Reinräumen oder medizinischen Sterilräumen zu schaffen. Gerade bei speziellen Anwendungen mit kleinen Stückzahlen bieten sich die erfindungsgemäß herstellbaren Linearantriebe an, zumal diese mit geringem Aufwand und Kosten herstellbar sind.

1, 1', 1''
Faltenbalg, Federelement
2, 3
Befestigungsflansch
3'
Stegartiger Fortsatz
3''
Seitenflanke
4
Befestigungsöffnungen
5
Zuleitung
6
Rahmen
6'
Rahmenelementende
7
Kraftübertragungselement
V
Volumen


Anspruch[de]
Linearantrieb mit einem mit einem Medium befüllbaren Aktor, der in Art wenigstens eines, ein Volumen einschließenden Faltenbalges ausgebildet ist und sich bei Befüllen mit dem Medium längs einer durch die faltenbalgartige Ausbildung vorgegebenen Linearachse auszudehnen und bei Entleerung des Volumens in entgegengesetzter Richtung längs der Linearachse selbsttätig zusammenzuziehen vermag, sowie mit zwei Befestigungsflansche, die längs der Linearachse an gegenüberliegenden Bereichen mit dem Aktor verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsflansche sowie der wenigstens eine Faltenbalg einstückig unter Verwendung eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt sind. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsflansche sowie der wenigstens eine Faltenbalg aus einem einheitlichen Material gefertigt sind. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Faltenbalg eine biegeelastische Wand aufweist, die in einem Längsschnitt einen wellig oder faltenartig ausgebildeten Wandverlauf aufweist und eine entgegen der Raumrichtung, längs der sich der Aktor ausdehnt, rückstellende Federkraft aufweist. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Befestigungsflansch mit einem den Faltenbalg zumindest teilweise umfassenden Rahmenelement verbunden ist, das längs zur Linearachse relativ zum zweiten Befestigungsflansch linear beweglich angeordnet ist. Linearantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rahmenelement den zweiten Befestigungsflansch wenigstens teilweise derart umgibt, dass das Rahmenelement durch den zweiten Befestigungsflansch linear geführt ist. Linearantrieb nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Faltenbalg, die Befestigungsflansche sowie das Rahmenelement einstückig mittels des generativen Fertigungsprozesses gefertigt sind. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einem Befestigungsflansch eine Öffnung für das den Aktor befüllenden bzw. aus dem Aktor entleerenden Medium vorgesehen ist. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei jeweils ein Volumen einschließende Faltenbalge längs einer gemeinsamen Linearachse, getrennt durch jeweils ein Kraftübertragungselement in Reihe vorgesehen sind,

dass die dem Kraftübertragungselement zugewandten Endbereiche der Faltenbalge einstückig mit diesem verbunden sind,

dass die axial dem Kraftübertragungselement abgewandten Endbereiche beider Faltenbalge jeweils mit einem Befestigungsflansch verbunden sind, und

dass die beiden Befestigungsflansche über einen Rahmen miteinander verbunden sind, der relativ zum Kraftübertragungselement linearbeweglich ist.
Linearantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungselement mit einem Rahmenteil verbunden ist, das sich in die Endbereiche der Faltenbalge erstreckt und linearbeweglich relativ zu beiden Endbereichen geführt ist. Linearantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Faltenbalge, die Befestigungsflansche, der Rahmen, das Kraftübertragungselement sowie das Rahmenteil einstückig mittels eines generativen Fertigungsprozesses gefertigt sind. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die biegeelastische Wand jeweils des Faltenbalges aus einem fluiddichten Material gefertigt ist, und dass der faltenbalkartig ausgebildete Aktor fluiddicht mit den Befestigungsflanschen abschließt. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb einstückig aus einem metallischen Werkstoff oder aus Kunststoff gefertigt ist. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 12,

dadurch gekennzeichnet, dass der zu fertigende Linearantrieb nach Form und Größe als CAD-Datensatz vorliegt, der einem der nachfolgenden generativen Fertigungsverfahren zugrundelegbar ist:

– Rapid Prototyping mittels Photolithographischem Verfahren

– Photopolymerisation durch schichtweises Aushärten aus einem Flüssigkeitsbad

– Schichtweises Auftragen und Verfestigen von Pulverschichten

– Schichtweises Austragen eines Bindemittels in einen Pulververbund

– Energiestrahldepositionsverfahren in Metallpulver

– Kunststoffextrudertechnik (FDM, Fused Deposition Modeling).
Verfahren zur Herstellung eines Linearantriebes nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Befestigungsflansche, der Rahmen sowie der Aktor einstückig im Rahmen eines generativen Fertigungsverfahren hergestellt werden.






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