Optimiertes Kugelrückschlagventil für Flüssigkeitsfüllsystem

Ein Rückschlagventil lässt eine Flüssigkeit nur in eine Richtung fliessen. Dieser Showcase wurde für den Swiss AM Guide 18 gewählt, weil er zeigt, wie ein iterativer Entwicklungsprozess und das Eingehen von Kompromissen zu einem erfolgreichen AM-Serienprodukt führten.

Ein sogenanntes Sperrventil oder Rückschlagventil ist ein Bauteil, das ein Fluid oder Gas nur in eine Richtung des Bauteils strömen lässt. Versucht die Flüssigkeit in die entgegengesetzte Richtung zu strömen, blockiert das Ventil sie. Als Standardkomponente wird ein solches Einwegventil für viele Anwendungen in der Fluidtechnik, Pneumatik und Verfahrenstechnik eingesetzt. Die einfachste Form des Rückschlagventils ist ein Kugelrückschlagventil, das aus einem Gehäuse mit zwei Öffnungen, einer Kugel und einer Feder besteht.

Im geschlossenen Zustand eines Kugelrückschlagventils drückt die vorgespannte Feder die Kugel gegen die Einschnürung, also den schmalen Teil des Gehäuses. Versucht die Flüssigkeit von der rechten zur linken Öffnung zu fließen, blockiert die Kugel eine mögliche Strömung. Im geöffneten Zustand des Ventils fließt das Fluid von links nach rechts. Durch den dynamischen Druck der Flüssigkeit wird die Kugel nach rechts geschoben und es entsteht ein Spalt im schmalen Bereich, der den Durchgang der Flüssigkeit durch das Rückschlagventil ermöglicht.

Die 3D Druck Tech AG hatte die Aufgabe, ein Kugelrückschlagventil für eine Kleinserienfertigung einer Abfüllanlage zu entwickeln, bei der eine chemische Lösung von einem größeren Behälter auf kleinere Geräte übertragen wird. Im Füllsystem sorgt ein Rückschlagventil dafür, dass während der Abfüllung der Lösung Luft von außen in den Behälter strömt und eine Verdichtung des Behälters verhindert wird. Das Ventil lässt nur Flüssigkeit in den Behälter fließen und die chemische Lösung selbst kann nicht durch das Ventil entweichen.

 

Herausforderungen bei der Entwicklung

Bei der Entwicklung des Rückschlagventils musste die 3D Druck Tech AG mehrere Anforderungen erfüllen. Um die Dichtheit des Ventils im geschlossenen Zustand zu gewährleisten, ist eine hohe Oberflächengüte an der Einschnürung, an der die Kugel das Gehäuse berührt, erforderlich. Da das Ventil einer chemischen Lösung ausgesetzt ist, muss die Haltbarkeit seiner Komponenten gewährleistet sein. Der angegebene Bauraum entspricht einer relativ kleinen Größe von 9 x 9 x 25 mm. Da das Rückschlagventil als Endkomponente eingesetzt wird, ist ein kostengünstiges und reproduzierbares Fertigungskonzept erforderlich.

 

Vorteil von dem Einsatz des 3D-Drucks

Die additive Fertigung wurde von der 3D Druck Tech AG gewählt, weil sie die Herstellung von kleinen Bauteilen mit komplexen, dünnwandigen Geometrien in einer wirtschaftlich sinnvollen Kleinserienfertigung ermöglicht. Deshalb wurde das Laserschmelzen gewählt, um ein chemisch beständiges Rückschlagventil aus Edelstahl herzustellen.

 

Erste Design-Iteration

Für die erste Design-Iteration bestand die Grundidee darin, ein dreiteiliges Rückschlagventil zu bauen - eine Gummikugel, eine Feder und ein zusätzlich gefertigtes Ventilgehäuse. Das Ventilgehäuse entspricht einem rotationssymmetrischen Körper mit konischem Anschluss für Rohre unterschiedlicher Durchmesser. Wird das Gehäuse in Längsrichtung gefertigt, sind keine zusätzlichen Stützkonstruktionen erforderlich. Das Laserschmelzen ermöglicht eine Wandstärke von 0,4 mm. Bei der Nachbearbeitung wird das Gehäuse von der Bauplatte entfernt und sandgestrahlt. Das Rückschlagventil wird montiert, indem die Feder eingesetzt und die Gummikugel durch die größere Öffnung geschoben wird. Der Vorteil dieser ersten Design-Iteration ist eine reduzierte Teileanzahl und damit ein geringerer Montageaufwand. Da die Einschnürung, also die Kontaktfläche zwischen Gummikugel und Ventilgehäuse, jedoch nicht weiter nachbehandelt wird, ist sie nicht optimal gegen den Flüssigkeitsstrom abgedichtet. Wie in einem Mikroskopbild zu sehen, ist die Oberfläche rau und enthält ungeschmolzene Pulverpartikel. Eine weitere Nachbehandlung dieser Funktionsoberfläche ist möglich, aber für die konventionelle Bearbeitung aufgrund mangelnder Zugänglichkeit schwierig und bei anspruchsvolleren Nachbearbeitungstechnologien wie dem Elektropolieren teuer.

 

Zweite Design-Iteration

Die zweite und abschliessende Design-Iteration erreicht eine verbesserte Abdichtung des Rückschlagventils mit einem Konzept bestehend aus fünf Einzelteilen - einer Metallkugel aus Edelstahl, einer Feder, einem Dichtring, einem Ventilgehäuse und einem Ventilkegel. Ventilgehäuse und Kegel sind zusätzlich gefertigt. Die Oberkante des Kegels ist für eine hohe Oberflächengüte gedreht und dichtet das Rückschlagventil zusammen mit der Metallkugel ab. Bei der Montage werden zuerst die Feder und die Kugel in das Ventilgehäuse eingesetzt. Der Kegel wird dann zusammen mit dem Dichtring in den Gehäusestecker gedrückt. Obwohl die Anzahl der Einzelteile im Vergleich zur ersten Design-Iteration höher ist, ist die Dichtheit des Ventils nun gewährleistet. Es ist nur eine geringe Vorspannung der Feder erforderlich und die Nachbearbeitung der Einschnürung als Funktionsfläche wird vereinfacht. Die Montage des Ventils besteht neben den beiden zusätzlich gefertigten Teilen aus Standardkomponenten. Im Vergleich zur ersten Design-Iteration hat das Ventilgehäuse mit einem Durchmesser von nur 7 mm und einer Länge von 22,5 mm eine konformere und platzsparendere Form.

 

Andere Weiterentwicklungen des Rückschlagventils

Die beiden Konstruktionsiterationen stellen nur einen Auszug aus dem gesamten Entwicklungsprozess dar, in dem die 3D Druck Tech AG das ursprüngliche Konstruktionskonzept für das Rückschlagventil kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert hat. Das Anwendungsbeispiel verdeutlicht, dass die Entwicklung additiv gefertigter Komponenten ein iterativer Prozess ist, bei dem das Zusammenspiel von Konstruktion, Fertigung und Nachbearbeitung als Ganzes betrachtet werden muss, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

 

In dieser Anwendung ist es die Kombination aus additiver Fertigung, Standardkomponenten und konventioneller Nachbearbeitung, die die Herstellung des Rückschlagventils für die spezifizierten Anforderungen ermöglicht. Durch die platzsparende Bauweise können ca. 400 Ventilgehäuse in einem Arbeitsgang für eine Kleinserienfertigung gefertigt werden. Die Endmontage des Ventils erfolgt mit Standardkomponenten wie Metallkugeln, Federn und Dichtringen. Auf diese Weise ist eine kostengünstige Herstellung von Rückschlagventilen möglich, die die notwendigen Anforderungen wie chemische Beständigkeit erfüllen und die geforderte Funktionalität mit einer optimierten Abdichtung erfüllen.

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Produktgruppen:
Medien, Publikationen, Messen
    Publikationen

Anwendungsbereich:
Geräte- und Apparatebau

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Foto von  Manuel Biedermann

Manuel Biedermann

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