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Die Erfindung betrifft einen Faltenbalg, mit einem als Hohlkörper ausgebildeten, sich in einer Längsrichtung erstreckenden Balgkörper, der über eine im Querschnitt ringförmige, einen Balginnenraum radial außen umschließende biegeflexible Balgwand verfügt, die faltenartig mit in ihrer Längsrichtung aufeinanderfolgenden Falten strukturiert ist und die in ihrer Dickenrichtung einen mehrlagigen Aufbau hat und über mehrere biegeflexible Wandlagen verfügt, wobei wenigstens zwei Wandlagen unter Definition eines zwischen ihnen befindlichen Zwischenraumes zueinander beabstandet sind und in dem Zwischenraum Abstützmittel angeordnet sind, die eine gegenseitige Abstützung der Wandlagen in der Dickenrichtung der Balgwand hervorrufen und gleichzeitig zur gegenseitigen Entkopplung der Wandlagen ein relatives Verschieben zwischen den Wandlagen quer zur Dickenrichtung der Balgwand zulassen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Faltenbalges.
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Gemäß
DE 10 2005 056 846 B4 kann ein Faltenbalg beispielsweise als Bestandteil eines Aktors eingesetzt werden. Der Faltenbalg verfügt über einen als Hohlkörper konzipierten Balgkörper mit einer in Längsrichtung faltenartig strukturierten Balgwand, die einen Balginnenraum umschließt, der mittels eines Fluides beaufschlagbar ist, um die Länge des Faltenbalges zu variieren. Die Faltenstruktur ermöglicht dabei eine Längenveränderung des Balgkörpers ohne signifikante Längendehnung der Balgwand. Stattdessen geht die Längenänderung des Balgkörpers mit einer Biegeverformung der Balgwand einher, die in den Bereichen der einzelnen Falten stattfindet und die nicht unerhebliche Beanspruchungen der Balgwand zur Folge haben kann. Insbesondere dann, wenn die Balgwand zur Gewährleistung einer gewissen Innendruckbelastbarkeit des Balgkörpers aus einem verhältnismäßig steifen Material besteht, können im Bereich der Falten beträchtliche Spannungsspitzen auftreten, die letztlich sogar eine Rissbildung in der Balgwand und mithin einen Ausfall des Faltenbalges zur Folge haben können.
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Zwar wäre es denkbar, zur Vermeidung der Biegespannungen die Wanddicke der Balgwand zu reduzieren. Dies wäre allerdings verbunden mit einem Stabilitätsverlust und einer Reduktion der bei einer Nutzung als Aktor erzeugbaren Stellkräfte.
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Aus der
WO 03/064 885 A1 ist ein Faltenbalg der eingangs genannten Art bekannt, der eine mehrlagige Wandstruktur hat, wobei zwischen einer Außenlage und einer Innenlage eine Zwischenlage aus viskosem Material angeordnet ist. Das viskose Material kann plastisch oder elastisch verformbar sein und insbesondere aus Gummi bestehen. Die viskose Zwischenlage kann inkompressibel sein und kann auch eine Flüssigkeit sein.
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Aus der
JP 56-127858 A geht ein Faltenbalg mit mehrschichtigem Wandaufbau hervor, wobei zwischen die Wandschichten eine Flüssigkeit eingefüllt ist, beispielsweise ein Silikonöl. Diese Flüssigkeit dient dazu, die in radialer Richtung wirkenden Spannungen gleichmäßig über die Wandfläche zu verteilen.
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Die
WO 97/18408 A2 offenbart einen Faltenbalg mit Sandwich-Aufbau. Bei einem möglichen Ausführungsbeispiel enthält der Faltenbalg insgesamt drei separate Schichten, bei denen es sich um eine Außenschicht, um eine Innenschicht und eine Zwischenschicht handelt. Die Zwischenschicht besteht aus einem Elastomerkörper, insbesondere aus einem synthetischen Gummimaterial. Endseitig können die äußere und die innere Wandlage aneinander befestigt sein.
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Aus der
DE 296 13 006 U1 ist ein Rollbalg bekannt, der über eine innere Rollbalgwand und eine äußere Rollbalgwand verfügt, wobei zwischen diesen beiden Balgwänden eine Luftkammer angeordnet ist, deren Höhe durch an der inneren Rollbalgwand angeformte Abstandsrippen gewährleistet wird.
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Die
DE 10 2004 016 660 B3 offenbart einen Luftfederrollbalg mit einer mehrlagig aufgebauten Balgwand, wobei alle Lagen fest aufeinander vulkanisiert sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Faltenbalg zu schaffen, dessen Balgkörper bei hoher Stabilität und gutem Verformungsvermögen über eine lange Lebensdauer verfügt. Außerdem soll ein zur Herstellung eines solchen Faltenbalges besonders vorteilhaftes Verfahren bereitgestellt werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Faltenbalg in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen vorgesehen, dass die Abstützmittel in wenigstens einem Zwischenraum von einer aus einem Pulver oder Granulat bestehenden Abstützschicht gebildet sind
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Somit setzt sich die Balgwand des Balgkörpers aus mehreren biegeflexiblen Wandlagen zusammen, die durch Abstützmittel auf Abstand zueinander gehalten werden, welche sich zwischen den beiden Wandlagen in einem dort befindlichen Zwischenraum befinden. Die Balgwand enthält beispielsweise zwei solcher Wandlagen oder auch eine größere Anzahl solcher Wandlagen, wobei zwischen in der Dickenrichtung der Balgwand benachbarten Wandlagen jeweils ein mit Abstützmitteln versehener Zwischenraum angeordnet ist. Je dünner die Wandlagen ausgebildet sind, desto besser ist ihr Biegevermögen, weil die sich aufbauenden Biegespannungen von der Wanddicke abhängen und umso kleiner sind, je dünner eine Wandlage ist. Setzt sich daher die Balgwand aus mehreren dünnwandigen Wandlagen zusammen, kann verglichen mit einer gleichdicken, einlagigen Balgwand eine signifikante Verringerung der im Bereich der Falten auftretenden Biegespannungen erzielt werden. Wie sich allerdings herausgestellt hat, ist es bei einem derartig mehrlagigen Aufbau der Balgwand wichtig, dass die einzelnen Wandlagen quer zur Dickenrichtung der Balgwand relativ zueinander beweglich sind, so dass zwischen ihnen in der Längsrichtung der gefalteten Balgwand und auch in der Umfangsrichtung dieser Balgwand keine oder zumindest keine relevanten Kräfte übertragbar sind, die die relative Beweglichkeit zwischen den sich umschließenden Wandlagen beeinträchtigen könnten. Vor diesem Hintergrund ist es von Vorteil, dass in dem Zwischenraum zwischen den jeweils in der Dickenrichtung der Balgwand benachbarten Wandlagen Abstützmittel angeordnet sind, die zwar die genannten Wandlagen in der Dickenrichtung der Balgwand gegenseitig abstützen, gleichwohl aber ein relatives Verschieben zwischen diesen Wandlagen quer zur Dickenrichtung der Balgwand zulassen. Durch die gegenseitige Abstützung erreicht man eine hohe Druckfestigkeit der mehrlagigen Balgwand gegen im Balginnenraum herrschende Innendrücke und hat somit keine diesbezüglichen relevanten Einbußen im Vergleich zu einer einstückigen Balgwand gleicher Dimensionierung. Gleichzeitig wird durch die relative Verschiebbarkeit der Wandlagen eine wirksame Entkopplung zwischen diesen Wandlagen erzielt, so dass gegenseitige Behinderungen bei der Biegeverformung der Faltenbereiche ausgeschlossen oder zumindest sehr stark herabgesetzt sind und dementsprechend die in den Wandlagen auftretenden Biegespannungen auch bei großer Längendehnung des Balgkörpers auf einem geringen Niveau liegen. Somit verspricht der Faltenbalg eine hohe Lebensdauer. Indem die Abstützmittel in wenigstens einem Zwischenraum von einer Abstützschicht gebildet sind, die aus einem Pulver oder Granulat besteht, wird erreicht, dass sich die betreffende Abstützschicht aus einer Vielzahl kleinster Partikel zusammensetzt, die sich optimal zwischen den benachbarten Wandlagen verteilen können und die nach der Herstellung des mehrlagigen Balgkörpers leicht in der gewünschten Menge eingefüllt werden können.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Wie schon erwähnt, enthält die mehrlagige Balgwand mindestens zwei durch in dem dazwischen befindlichen Zwischenraum angeordnete Abstützmittel gegenseitig abgestützte Wandlagen. Im einfachsten Fall enthält die Balgwand lediglich zwei derartige Wandlagen und nur einen einzigen, zwischen diesen beiden Wandlagen befindlichen Zwischenraum, in dem sich Abstützmittel befinden. Grundsätzlich kann die Belastbarkeit der Balgwand durch eine Vergrößerung der Anzahl der in der Wand-Dickenrichtung aufeinanderfolgend angeordneten Wandlagen vergrößert werden, so dass eine vorteilhafte Wandstruktur beispielsweise über mindestens drei und vorzugsweise drei bis zehn Wandlagen verfügt, zwischen denen sich jeweils ein mit Abstützmitteln versehener Zwischenraum erstreckt.
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Eine besonders vorteilhafte Formgebung der peripheren Balgwand verfügt über eine im Längsschnitt gesehen mäanderförmige Faltenstruktur. Alle Wandlagen weisen hierbei im Bereich der Falten eine gerundete Formgebung auf, die Spannungsspitzen vermeidet.
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Vorzugsweise bestehen die Wandlagen der Balgwand aus einem formstabilen, gleichwohl jedoch bevorzugt dünnwandigen Kunststoffmaterial.
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Als Kunststoffmaterial zur Realisierung der einzelnen Wandlagen empfiehlt sich insbesondere Polyamid.
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Vorzugsweise sind in sämtlichen der mehreren Zwischenräume die Abstützmittel von einer aus Pulver oder Granulat bestehenden Abstützschicht gebildet. Hiervon abweichend kann die Abstützschicht in wenigstens einem Zwischenraum aber beispielsweise auch aus einem Fluid bestehen, wobei insbesondere an eine Flüssigkeit oder an eine Paste gedacht ist. Ein gasförmiges Fluid, beispielsweise Druckluft, wäre allerdings auch möglich, wenn der von ihm aufgebaute Abstützdruck ausreichend groß ist, um die Wandlagen selbst bei einem hohen Innendruck im Balginnenraum an einer radialen Auslenkung mit der Folge einer gegenseitigen Berührung zu hindern.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, die Abstützschicht in wenigstens einem Zwischenraum als Festkörper mit gummielastischen Eigenschaften zu realisieren. Beispielsweise kann die Abstützschicht aus einer Materialschicht aus Gummi oder Silikon bestehen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Faltenbalges bestehen die Abstützmittel in wenigstens einem Zwischenraum aus einer Vielzahl von zueinander beabstandeten Stützstreben, die sich in dem Zwischenraum jeweils in der Dickenrichtung der Balgwand zwischen den beiden Wandlagen erstrecken. Zwischen den einzelnen Stützstreben liegende Bereiche des Zwischenraumes können dabei als mindestens ein ungefüllter Hohlraum verbleiben oder mit einer Abstützschicht der oben bereits geschilderten Art befüllt sein. Zur vorteilhaften Realisierung empfiehlt es sich, die Stützstreben jeweils mit zumindest einer der Wandlagen einstückig auszubilden. Eine einstückige Ausbildung der Stützstreben mit jeweils beiden Wandlagen wird bevorzugt. Eine solche Bauform lässt sich vor allem mittels eines generativen Fertigungsverfahrens sehr einfach realisieren.
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Um die Verschiebbarkeit der durch die Stützstreben gegenseitig abgestützten Wandlagen zu gewährleisten, sind die Stützstreben zweckmäßigerweise entweder nur lose anliegend an den Wandlagen angeordnet oder gelenkig mit den Wandlagen verbunden. Beispielsweise könnten sie einstückig über nach Art von Filmscharnieren ausgebildete Gelenke mit den Wandlagen verbunden sein. Bei einem nur losen Kontakt empfiehlt es sich, die vorhandene Vielzahl von Stützstreben mittels eines sich in dem Zwischenraum erstreckenden Stützkorsetts in der gewünschten Relativlage gegenseitig zu fixieren.
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An ihren axialen Endbereichen sind die von den Abstützmitteln gegenseitig abgestützten Wandlagen zweckmäßigerweise fest miteinander verbunden, so dass sie dort keinerlei Relativbewegung zueinander ausführen können. Dies geschieht insbesondere dadurch, dass sie – beispielsweise einstückig – an je einem axial angeordneten Kopfstück des Balgkörpers angebracht sind. Sie können aber auch direkt einstückig miteinander verbunden sein.
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Die oben genannte Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines Faltenbalges dadurch gelöst, dass der Balgkörper aus einem pulverförmigen Ausgangsmaterial generativ gefertigt wird, wobei zur Bildung der aus Pulver oder Granulat bestehenden Abstützschicht das zwischen benachbarten Wandlagen energetisch unbehandelt befindliche pulverförmige Ausgangsmaterial im Ursprungszustand belassen wird.
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Auf diese Weise ist der Balgkörper generativ gefertigt. Hierbei besteht die vorteilhafte Möglichkeit, die Abstützschicht dadurch zu realisieren, dass man das zur Fertigung verwendete pulverförmige Ausgangsmaterial in dem zwischen benachbarten Wandlagen befindlichen Bereich energetisch nicht behandelt, so dass es im Ursprungszustand verbleibt und den Zwischenraum ausfüllt. Hierdurch erspart man sich ein nachträgliches Befüllen des Zwischenraumes. Als generatives Fertigungsverfahren empfiehlt sich insbesondere das sogenannte selektive Lasersintern. Letzteres ist ein Verfahren, bei dem räumliche Strukturen durch Sintern aus einem pulverförmigen Kunststoffmaterial hergestellt werden. Es handelt sich hierbei um ein generatives Schichtbauverfahren, wobei das Werkstück – hier: der mehrlagige Balgkörper – Schicht für Schicht aufgebaut werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
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1 eine bevorzugte erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Faltenbalges in einer Seitenansicht, wobei der Faltenbalg vorzugsweise eine kreisförmige Außenkontur hat, wie dies in 7 anhand eines zweiten Ausführungsbeispiels illustriert ist,
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2 einen Längsschnitt durch den Faltenbalg aus 1 gemäß Schnittlinie II-II,
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3 den in 2 strichpunktiert umrahmten Ausschnitt III in einer vergrößerten Darstellung,
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4 einen Ausschnitt einer Balgwand mit einem modifizierten Aufbau, wobei der Ausschnitt dem in 3 strichpunktiert umrahmten Bereich IV entspricht,
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5 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Faltenbalges in einem Längsschnitt gemäß Schnittlinie V-V aus 7,
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6 den in 5 strichpunktiert umrahmten Ausschnitt VI in einer vergrößerten Darstellung,
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7 einen Querschnitt durch den Faltenbalg aus 5 gemäß dortiger Schnittlinie VII-VII und
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8 den in 7 strichpunktiert umrahmten Ausschnitt VIII in einer vergrößerten Darstellung.
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Die aus der Zeichnung ersichtlichen Ausführungsbeispiele des in seiner Gesamtheit mit Bezugsziffer 1 bezeichneten erfindungsgemäßen Faltenbalges enthalten jeweils einen Balgkörper 2, der eine Längserstreckung mit zugehöriger Längsachse 3 aufweist.
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Ein wesentlicher Bestandteil des als Hohlkörper ausgebildeten Balgkörpers 2 ist eine im Querschnitt – siehe 7 – ringförmig ausgebildete Balgwand 4, die die radial außen liegende periphere Begrenzungswand eines Balginnenraumes 5 des Balgkörpers 2 bildet.
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Die Balgwand 4 verfügt über eine Faltenstruktur. Sieht man von dieser Faltenstruktur ab, ist sie insgesamt im Wesentlichen hohlzylindrisch gestaltet, kann aber auch hiervon abweichende Grundformen aufweisen, so beispielsweise eine sich in der axialen Richtung verjüngende konische Grundform.
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Die Faltenstruktur äußert sich in einer in der Achsrichtung der Längsachse 3 aufeinanderfolgenden Anordnung einer Mehrzahl ineinander übergehender ringförmiger Falten 6. Hierbei wechseln sich in der Längsrichtung des Balgkörpers 2 Innenfalten 6a kleineren Durchmessers mit Außenfalten 6b größeren Durchmessers ab.
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Im Bereich der Innenfalten 6a ist die Balgwand 4 außen jeweils tailliert beziehungsweise weist eine konzentrische Einschnürung auf. Im Bereich ihrer Außenfalten 6b verfügt sie am Außenumfang über je einen zur Längsachse 3 konzentrischen Scheitelbereich, dessen Durchmesser größer ist als der vorgenannte Taillenbereich.
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Im Längsschnitt gesehen hat die Balgwand 4 einen abwechselnd nach radial innen und nach radial außen orientierten Verlauf mit axial aufeinanderfolgend angeordneten ringförmigen Faltenschenkeln 7, die in den taillierten Bereichen und in den Scheitelbereichen abwechselnd durch je einen inneren Übergangs-Wandabschnitt 8 und einen äußeren Übergangs-Wandabschnitt 9 miteinander verbunden sind.
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Die Übergangs-Wandabschnitte 8, 9 sind im Längsschnitt gesehen vorzugsweise abgerundet, so dass die Balgwand 4 im Längsschnitt gesehen insbesondere über eine mäanderförmige Faltenstruktur verfügt.
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An seinen beiden einander axial entgegengesetzten Stirnseiten weist der Balgkörper 2 zweckmäßigerweise jeweils ein Kopfstück auf, wobei zur besseren Unterscheidung im Folgenden von einem ersten Kopfstück 12 und einem zweiten Kopfstück 13 die Rede ist. Die Kopfstücke 12, 13 können beispielsweise scheibenförmig ausgebildet sein. Während die Balgwand 4 den Balginnenraum 5 radial umfangsseitig begrenzt, fungieren die beiden Kopfstücke 12, 13 als axiale Begrenzungswände des Balginnenraumes 5.
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Die Balgwand 4 hat zwei einander axial entgegengesetzt orientierte axiale Endbereiche 12a, 13a, die unter Abdichtung am jeweils zugeordneten Kopfstück 12, 13 befestigt sind. In vorteilhafter Ausgestaltung sind die Endbereiche 12a, 13a mit dem zugehörigen Kopfstück 12, 13 einstückig verbunden. Dies trifft für alle in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispiele zu.
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In den Balginnenraum 5 mündet zweckmäßigerweise mindestens ein den Balgkörper 2 durchsetzender Fluidkanal 14 ein. Dieser Fluidkanal 14 durchsetzt genauer gesagt zweckmäßigerweise mindestens eines der beiden Kopfstücke 12, 13. Durch ihn hindurch kann der Balginnenraum 5 gesteuert mit einem fluidischen Druckmedium beaufschlagt werden. Durch eine solche Fluidbeaufschlagung des Balginnenraumes 5 lässt sich eine axiale Expansion oder axiale Komprimierung des Balgkörpers 2 hervorrufen, mit dem Effekt, dass sich die beiden Kopfstücke 12, 13 in Achsrichtung der Längsachse 3 voneinander entfernen oder aneinander annähern. Dies ermöglicht eine Nutzung des Faltenbalges 1 als Aktor zur Betätigung beliebiger, an seinen Kopfstücken 12, 13 angreifender Strukturen. Solche Strukturen können insbesondere Komponenten eines Roboterarmes oder einer zur Handhabung von Gegenständen nutzbaren Handhabungseinrichtung sein.
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Zur Fixierung an externen Strukturen kann mindestens ein Kopfstück 13 über eine exemplarisch von einem Befestigungsloch 15 gebildete Befestigungsschnittstelle verfügen. Dieses Befestigungsloch 15 ist während des Betriebes des Faltenbalges 1 dicht verschlossen. Allerdings kann das Befestigungsloch 15 bei Bedarf auch als Fluidkanal 14 zur gesteuerten Fluidbeaufschlagung des Balginnenraumes 5 genutzt werden.
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Die Längenvariation des Balgkörpers 2 geht einher mit einer axialen Dehnung oder einem axialen Zusammendrücken der faltenartig strukturierten Balgwand 4. Wenn sich die Kopfstücke 12, 13 voneinander entfernen, wird die Balgwand 4 im Bereich ihrer Falten 6 jeweils lokal aufgebogen, wobei die Übergangs-Wandabschnitte 8, 9 aufgespreizt werden. Gleichzeitig entfernen sich die Faltenschenkel 7 voneinander. Wenn daran anschließend die Kopfstücke 12, 13 aufgrund einer Druckentlastung des Balginnenraumes 5 sich wieder aneinander annähern, kehrt die Balgwand 4 in ihre Ursprungsstruktur zurück, was insbesondere auch dadurch bedingt ist, dass die Balgwand 4 über biegeflexible und insbesondere biegeelastische Eigenschaften verfügt.
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Im drucklosen Zustand des Balginnenraumes 5 nehmen die beiden Kopfstücke 12, 13 eine maximal aneinander angenäherte Grundstellung ein. Diese Grundstellung ist insbesondere bedingt durch die Formstabilität der gefalteten Balgwand 4. Die Balgwand 4 ist in dieser Grundstellung vorzugsweise spannungsneutral. Wird die Balgwand 4 ausgehend hiervon axial gedehnt, bauen sich in der Wandstruktur und insbesondere in den Übergangs-Wandabschnitten 8, 9 Biegespannungen auf, die einen Rückstelleffekt haben und dazu beitragen, dass sich die Balgwand 4 wieder axial zusammenzieht, wenn der Balginnenraum 5 druckentlastet wird.
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Eine besondere Struktur der Balgwand 4 verhindert deren Überbeanspruchung und gewährleistet eine lange Lebensdauer mit einer sehr großen Anzahl von Betätigungszyklen. Die getroffenen Maßnahmen bewirken eine sehr hohe Biegewechselfestigkeit der Faltenstruktur in allen Bereichen und dabei insbesondere auch im Bereich der axial aufeinanderfolgend angeordneten Falten 6.
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Die erwähnten Maßnahmen zur Verbesserung der Dauerfestigkeit der Balgwand 4 enthalten einen mehrlagigen Aufbau der Balgwand 4. Die Balgwand 4, die eine gewisse Wanddicke aufweist, verfügt über mehrere schichtförmig ausgebildete Wandlagen 16, die jeweils biegeflexible und insbesondere biegeelastische Eigenschaften haben und die in der Dickenrichtung 17 der Balgwand 4 mit Abstand zueinander angeordnet sind. Durch die Beabstandung der Wandlagen 16 ergibt sich zwischen jeweils zwei in der Dickenrichtung 17 aufeinanderfolgend angeordneten Wandlagen 16 jeweils ein Zwischenraum 18, der jedoch nicht völlig leer ist, sondern in dem Abstützmittel 22 angeordnet sind, durch die die den betreffenden Zwischenraum 18 radial außen und radial innen begrenzenden Wandlagen 16 in der Dickenrichtung 17 der Balgwand 4 gegeneinander abgestützt sind.
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Durch die Abstützmittel 22 können signifikante Relativbewegungen zwischen den Wandlagen 16 in der Dickenrichtung 17 der Balgwand 4 verhindert werden, wobei jedenfalls gewährleistet ist, dass sich die benachbarten Wandlagen 16 im Bereich des Zwischenraumes 18 unabhängig vom Betätigungszustand des Faltenbalges 1 beziehungsweise des Balgkörpers 2 niemals direkt berühren.
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Der mehrlagige Aufbau der Balgwand 4 hat zur Folge, dass zum Erhalt einer gewünschten Druckfestigkeit der Balgwand 4 die einzelnen Wandlagen 16 für sich gesehen jeweils eine wesentlich geringere Wanddicke aufweisen können oder aufweisen als eine über eine vergleichbare Druckfestigkeit verfügende und lediglich einlagige beziehungsweise einstückige Balgwand 4. Dies hat zur Folge, dass die bei der axialen Verformung des Balgkörpers 2 in den Wandlagen 16 auftretenden Biegespannungen wesentlich geringer sind als bei einer konventionellen, einstückigen Balgwand.
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Allerdings ist es nicht nur der mehrlagige und intern abgestützte Aufbau der Balgwand allein, der für die Verringerung der strukturellen Belastung verantwortlich ist. Ein wesentlicher Faktor ist auch die Ausgestaltung der Abstützmittel 22 und deren Zusammenwirken mit den Wandlagen 16, wobei die Besonderheit darin besteht, dass die Abstützmittel 22 so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie ein relatives Verschieben der durch sie jeweils unmittelbar abgestützten Wandlagen 16 quer zur Dickenrichtung 17 der Balgwand 4 zulassen. Auf diese Weise sind die mehreren Wandlagen 16 in der Längsrichtung der Balgwand 4 und auch in deren Umfangsrichtung voneinander entkoppelt und relativ zueinander schwimmend gelagert. Mithin können sich die Wandlagen 16 bei ihren Verformungen nicht oder zumindest nicht relevant gegenseitig beeinflussen bzw. in ihrem Verformungsvermögen behindern. Dies ist vorteilhaft, weil insbesondere in den Bereichen der Falten 6 die Krümmungsradien der radial aufeinandergeschichteten Wandlagen 16 unterschiedlich groß sind und folglich die bei der axialen Verformung der Balgwand 4 auftretenden Biegeverformungswege der Wandlagen 16 unterschiedlich groß sind.
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Mit einer derart aufgebauten Balgwand 4 können die in der Balgwand auftretenden Biegewechselspannungen auf einem sehr niedrigen Niveau gehalten werden, was eine hohe Lebensdauer des Balgkörpers 2 begünstigt.
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Die Anzahl der vorhandenen Wandlagen 16, deren Wanddicke untereinander zweckmäßigerweise identisch ist, ist prinzipiell beliebig. Grundsätzlich wird man versuchen, die Wanddicke der einzelnen Wandlagen 16 möglichst gering zu halten und die gewünschte Festigkeit gegenüber dem im Balginnenraum 5 auftretenden fluidischen Innendruck durch eine entsprechend größere Anzahl konzentrisch geschichteter Wandlagen 16 zu gewährleisten.
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Jede Wandlage 16 kann über ihre gesamte Ausdehnung hinweg eine gleichbleibende Wanddicke haben oder aber auch eine variierende Wanddicke mit Bereichen voneinander abweichender Wanddicken.
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Mit Ausnahme des in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels ist die Balgwand 4 der in der Zeichnung abgebildeten Balgkörper 2 aus jeweils nur genau zwei durch dazwischen angeordnete Abstützmittel 22 gegenseitig abgestützten Wandlagen 16 aufgebaut. Das Ausführungsbeispiel der 4 illustriert einen dreilagigen Wandaufbau mit insgesamt drei Wandlagen 16 und zwei Zwischenräumen 18, so dass durch die in den Zwischenräume 18 angeordneten Abstützmittel 22 die äußerste und die innerste Wandlage 16 jeweils einseitig und die dazwischen angeordnete mindestens eine weitere Wandlage 16 beidseitig abgestützt werden.
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Ist eine Balgwand 4 aus mehr als zwei Wandlagen 16 aufgebaut, können die dadurch definierten mehreren Zwischenräume 18 durchaus mit Abstützmitteln 22 unterschiedlichen Typs bestückt sein, wobei sich jedoch aufgrund der einfacheren Fertigung der Einsatz gleichartiger Abstützmittel 22 empfiehlt.
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Die einzelnen Wandlagen 16 bestehen vorzugsweise aus einem formstabilen und dennoch biegeelastischen Kunststoffmaterial. Vorzugsweise kommt Polyamid zur Anwendung.
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Jede Wandlage 16 erstreckt sich ausgehend von der einen Stirnseite der Balgwand 4 durchgängig bis hin zur entgegengesetzten anderen Stirnseite der Balgwand 4. An beiden Stirnseiten der Balgwand 4 sind jeweils sämtliche zum Aufbau der Balgwand 4 herangezogenen Wandlagen 16 fest miteinander verbunden. Exemplarisch wird die feste Verbindung dadurch realisiert, dass jede Wandlage 16 unabhängig von der jeweils anderen mindestens einen Wandlage 16 am zugeordneten Kopfstück 12, 13 befestigt ist, wobei die Befestigung vorzugsweise durch eine einstückige Gestaltung realisiert ist. Auf diese Weise bilden die beiden Kopfstücke 12, 13 und sämtliche Wandlagen 16 gemeinsam einen einzigen, aus nur einem Stück bestehenden Körper.
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Abweichend vom Ausführungsbeispiel können die Wandlagen 16 endseitig auch direkt und insbesondere einstückig miteinander verbunden sein.
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Im Folgenden sollen verschiedene, besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Abstützmittel 22 beschrieben werden.
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Bei dem anhand 1 bis 4 illustrierten Balgkörper 2 bestehen die Abstützmittel 22 aus einer in dem Zwischenraum 18 angeordneten Abstützschicht 23, die sich zweckmäßigerweise durchgängig und somit großflächig an beiden den Zwischenraum 18 begrenzenden Wandlagen 16 abstützt.
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Jede Wandlage 16 hat eine dem von ihr begrenzten Zwischenraum 18 zugewandte Wandfläche, die als Begrenzungsfläche 24 bezeichnet sei und die sich durchgehend mit gleicher Faltenstruktur wie die Balgwand 4 zwischen den beiden axialen Stirnseiten der Balgwand 4 erstreckt. Somit ergibt sich zweckmäßigerweise ein in der Längsrichtung der Balgwand 4 durchgehender Zwischenraum 18, der bevorzugt vollständig von der Abstützschicht 23 ausgefüllt ist. Die Begrenzungsflächen 24 stehen mithin zweckmäßigerweise jeweils vollflächig in Kontakt mit der Abstützschicht 23.
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Durch einen solchen Schichtaufbau der Abstützmittel 22 wird eine sehr gleichmäßige Abstützung zwischen den Wandlagen 16 in der Dickenrichtung 17 der Balgwand 4 erzielt.
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Die Abstützschicht 23 kann aus jedem beliebigen, eine Abstützwirkung entfaltenden Medium oder Material bestehen. Vorzugsweise besteht sie aus einem zumindest im Wesentlichen inkompressiblen Material, das volumeninvariant ist. Beispielsweise besteht die Abstützschicht 23 hierbei aus einem Material mit gummielastischen Eigenschaften, beispielsweise unmittelbar aus Gummi oder aus Silikon oder aus einem Elastomerkunststoff.
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Ersichtlich kann die Abstützschicht 23 ohne weiteres aus einem Festkörper bestehen, der über eine ausreichende Nachgiebigkeit verfügt, um die Biegeumformung der Wandlagen 16 nicht zu beeinträchtigen.
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In diesem Zusammenhang ist es von besonderem Vorteil, wenn die Abstützschicht 23 ohne feste Verbindung gleitverschieblich nur lose an den sie beidseits flankierenden Begrenzungsflächen 24 der Wandlagen 16 anliegt. Bei den Ausführungsbeispielen der 2 bis 4 ist dies der Fall. Dieser gleitverschiebliche Kontakt ermöglicht relative Verschiebebewegungen zwischen der Abstützschicht 23 und den die Abstützschicht 23 begrenzenden Wandlagen 16 in bevorzugt allen Richtungen mit Ausnahme in der Dickenrichtung 17 der Balgwand 4. Somit können sich die mehreren Wandlagen 16 ohne gegenseitige Behinderung relativ zueinander bewegen bzw. verformen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform besteht die Abstützschicht 23 aus einem Fluid und hierbei insbesondere aus einem inkompressiblen Fluid. Vorzugsweise wird einer Flüssigkeit oder eine Paste als fluidische Abstützschicht 23 eingesetzt. Eine solche Ausgestaltung ist exemplarisch in 4 anhand der dort in einem der Zwischenräume 18 angeordneten Abstützmittel 22 illustriert und zur besseren Erkennbarkeit zusätzlich mit Bezugsziffer 23a kenntlich gemacht.
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Auch beispielsweise aus einem Pulver oder Granulat kann die Abstützschicht 23 ohne weiteres bestehen. Auch eine solche Ausgestaltung ist in 4 anhand der in einem weiteren Zwischenraum 18 angeordneten Abstützmittel 22 illustriert, wobei die dortige Abstützschicht 23 zur besseren Erkennbarkeit ergänzend mit Bezugsziffer 23b versehen wurde.
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Der die Abstützmittel 22 aufnehmende Zwischenraum ist insbesondere dann, wenn es sich bei den Abstützmitteln 22 um ein Fluid handelt, zweckmäßigerweise hermetisch dicht zur Umgebung hin abgeschlossen, sodass keinerlei Fluidaustausch mit der Umgebung möglich ist. Es ist insbesondere auch keine Öffnung vorhanden, die einen solchen Fluidaustausch prinzipiell erlauben würde, sodass Undichtigkeitsprobleme vermieden werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel für vorteilhaft gestaltete Abstützmittel 22 ist in 5 bis 8 wiedergegeben. Dort bestehen die Abstützmittel 22 aus einer Vielzahl von in dem Zwischenraum 18 mit Abstand verteilt zueinander angeordneten Stützstreben 25, die sich jeweils, insbesondere in der Dickenrichtung 17 der Balgwand 4, in dem Zwischenraum 18 zwischen den beiden benachbarten Wandlagen 16 erstrecken.
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Die Stützstreben 25 sind beispielsweise stab- oder speichenförmig ausgebildet.
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Für die Herstellung der Balgwand 4 ist es besonders günstig, wenn die Stützstreben 25 jeweils mit mindestens einer der beiden Wandlagen 16 und vorzugsweise mit jeweils beiden gegeneinander abgestützten Wandlagen 16 einstückig verbunden sind. Ein solcher Aufbau lässt sich vorteilhaft im Rahmen einer generativen Fertigung des Balgkörpers 2 realisieren, beispielsweise durch selektives Lasersintern.
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Dieses vorgenannte Verfahren bietet sich im Übrigen auch für die anderen Ausführungsbeispiele der Balgwand 4 und des Balgkörpers 2 an. Besonders zweckmäßig ist es dabei, als zur Abstützung fungierendes Pulver 23b unmittelbar den pulverförmigen Kunststoffrohstoff zu verwenden, der als Ausgangsmaterial beim Lasersintern verwendet wird. Das zur Abstützung dienende Pulver muss hierbei nicht einmal gesondert eingefüllt werden, sondern besteht unmittelbar aus dem beim Lasersintern selektiv nicht geschmolzenen und daher weiterhin pulverförmigen Kunststoffmaterial.
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Damit bei einer festen Verbindung zwischen den Stützstreben 25 und den Wandlagen 16 die gewünschte Relativbewegung quer zur Dickenrichtung 17 der Balgwand 4 gewährleistet bleibt, sind die Stützstreben 25 beim Ausführungsbeispiel derart dünn ausgebildet, dass sie trotz hoher axialer Druckfestigkeit sehr leicht quer zu ihrer Längsrichtung biegbar sind.
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Bei fester Verbindung zwischen den Stützstreben 25 und den Wandlagen 16 ist es vorteilhaft, wenn zwischen jeder Stützstrebe 25 und mindestens einer oder vorzugsweise jeder Wandlage 16 eine gelenkige Verbindung vorliegt. Dies lässt sich beispielsweise dadurch realisieren, dass zwischen der Stützstrebe 25 und der betreffenden Wandlage 16 ein nur sehr dünner Materialsteg als Verbindungsabschnitt ausgebildet wird, der die Funktion eines Filmscharniers erfüllt mit vorzugsweise allseitiger Gelenkigkeit.
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Die zwischen den Stützstreben 25 vorhandenen Bereiche des Zwischenraumes 18 verbleiben zweckmäßigerweise als mindestens ein nicht mit einem abstützenden Material gefüllter Hohlraum 26. Alternativ besteht allerdings auch die Möglichkeit, auf einen Hohlraum 26 zu verzichten und die entsprechenden Bereiche des Zwischenraumes 18 mit Abstützmitteln 22 anderer Art auszustatten, so beispielsweise mit einer Abstützschicht 23. Jede Stützstrebe 25 ist in einem solchen Fall ringsum von einer Abstützschicht 23 umgeben. Dies macht deutlich, dass auch innerhalb ein und desselben Zwischenraumes 18 unterschiedlich aufgebaute Abstützmittel 22 gemeinsam vorhanden sein können.
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Unabhängig von der Art der darin enthaltenen Abstützmittel 22 ist der mindestens eine Zwischenraum 18 zweckmäßigerweise hermetisch dicht abgeschlossen.
