具有3D打印镶嵌件的密封环的制作方法

本发明涉及一种密封环，该密封环包括可弹性变形的聚合物材料和至少区段地以形状锁合的方式嵌埋在所述聚合物材料中的支撑环。

背景技术：

这种密封环在实践中长期以来一直以(轴向或径向)轴密封环的形式使用，或者也以杆密封环或者活塞密封环的形式使用。

支撑环通常实施为在相对于密封环的中心轴线的径向方向或轴向方向上形状稳定的，并且在绝大多数情况下具有不太复杂的圆形横截面形状。

支撑环以及聚合物材料，尤其在批量制造密封环时分别由不同材料制成注塑件。

de102013104069a1公开一种密封环，其中，支撑环实施为3d打印件，该3d打印件由与聚合物材料相比具有更大弹性模量的硬质塑料制成。本发明的任务是给出一种密封环，该密封环可以简单且低成本地制造并且提供更广泛的使用可能性。

技术实现要素：

根据本发明的密封环的特点在于，支撑环实施为具有逐层材料结构的3d打印件，并且其中，支撑环的材料比聚合物材料具有更大的模量。由此一方面能够以简单且成本低的方式产生密封环。实施为3d打印件的支撑环可以具有更复杂的结构并且由此可以具有到目前为止没有实现的功能性。由于支撑环的材料比聚合物材料具有更大的模量，因此支撑环可以增强聚合物材料，即在压力加载的情况下限制聚合物材料的形状改变，并且因此抵抗聚合物材料和从而密封环的不希望的变形。根据本发明，聚合物材料可以注塑成型在支撑环上，如这也是在市场上可用的密封环的那种情况。支撑环能够在相对于密封环的中心轴线的径向方向上弹性地扩张。在这种情况下，支撑环具有双重功能。一方面，支撑环用于增强聚合物材料，另一方面，可以通过支撑环实现密封环抵着机械元件的动态要密封的密封面的预紧地密封贴靠。

根据本发明，支撑环具有多个形状稳定的第一环段，所述第一环段在密封环的周向方向上相继地布置并且以铰接的方式相互连接。通过形状稳定的第一环元件可以提供支撑环的用于支撑可弹性变形的聚合物材料所需的负载承受能力。形状稳定的第一环元件的铰接连接允许支撑环的弹性扩张，如这对于聚合物材料抵着机械元件的动态密封面的预紧是有利的。此外，密封环也可以非旋转对称地、例如肾形地受变形，这对于密封环的装配是有利的。

根据本发明，密封环的聚合物材料优选比支撑环材料具有更低的熔点。由此能够可靠地避免支撑环的材料在制造过程期间不希望地熔化。由此能够可靠地保护支撑环的细丝状并且因此对热损坏特别敏感的结构免受损坏或者说功能丧失。由此也能够将制造公差保持得低。

根据本发明，形状稳定的第一环段分别可以由多个型廓条构成，所述型廓条在密封环的中心轴线方向上彼此间隔开地相继布置，其中，每两个直接相邻地布置的第一环段的型廓条交替地相互啮合，并且在它们的交叉点的区域中相互连接。在该结构类型中，支撑环可以在内骨骼的意义上加强聚合物材料。通过多个型廓条以及布置在它们之间的中间空间可以在聚合物材料和支撑环之间实现特别持久和能承受机械负载的连接。由此可以可靠地抵抗密封环的不希望的形状丧失和伴随着的功能丧失。

第一环段的型廓条在夹紧环的未负载的状态下以及优选也在负载的安装状态下布置为相对于夹紧环的半径优选成锐角α地延伸的。在密封环或者说支撑环膨胀时，角度α相应地增大。支撑环的型廓条或者第一环段可以分别实施为结构相同的，并且尤其在它们各自的横截面形状、长度和厚度方面彼此相一致。

根据本发明的一个替代实施方式，第一环段也可以在支撑环的周向方向上彼此间隔开地布置，并且分别经由第二环段相互连接，该第二环段至少区段地可弹性变形。

在这种情况下，第一环段的铰接连接因此由第二环段引起。在最简单的结构设计的情况下，这些第二环段分别可以具有至少一个具有第一和第二型廓支腿的型廓支腿对，所述型廓支腿对经由背部区段相互连接并且布置为相对彼此倾斜延伸的。其中，两个型廓支腿可相对彼此弹性地张开。因此，第二环段构造为v形或u形的。通过张开第二环段可以增大支撑环的内横截面或外横截面，并且因此使密封环扩张。

根据本发明，第二环段的至少一部分可以包括多个型廓支腿对，这些型廓支腿对在周向方向上相继排列地布置并且以端部对端部的方式相互材料锁合地连接。由此，第二环段总体上具有多重回曲形的形状，由此可以再进一步改善支撑环的可伸展性。

根据本发明的一个特别优选的实施方式，密封环的在一个或多个端侧上和/或在一个或多个周侧上的表面至少区段地由支撑环构成。由此，支撑环可以用于将密封环在机械部件的密封保持结构、例如保持槽上导向、支承或者定位和固定。由此也可以抵抗密封环由于压力加载而不希望地被挤压到密封间隙中。此外，密封环的该结构形状可以提供在制造技术上的优点，因为可以将支撑环这样简化地定位在成型工具中，以便将聚合物材料注塑成型在支撑环上。

如果支撑环超过密封环的由聚合物材料构成的表面区段地突出，则在装配密封环时以及在密封环投入运行期间可以特别有效地保护密封环的聚合物材料免受由于在动态要密封的密封面上的摩擦而引起的机械或者热过载。此外，支撑环由此可以用作相对于其它功能结构，例如机械部件的前述保持槽的槽侧面的间距保持装置。由此例如可以确保密封环的密封唇的压力激活(druckaktivierung)。

支撑环也可以实施为总体上在相对于密封环的中心轴线的径向方向上形状稳定的，即不会由于在密封装置投入运行时出现的压力负载而变形。由此，支撑环可以提供特别大的负载承受能力，并且可以特别有效地支撑或者在预给定的体积范围内加强聚合物材料。

根据本发明，支撑环优选至少区段地具有l形、t形或十字形横截面形状。由此可以实现密封环的高扭曲稳定性。因此，支撑环的各个型廓支腿也可以被用于密封环的导向并且直至聚合物材料的表面或超过聚合物材料的表面突出或伸出。

根据本发明的一个优选的扩展方案，支撑环具有至少一个流体通道或者形成该流体通道，在密封环投入运行时，密封环的低压侧能够通过所述流体通道与密封环的高压侧流体连通。因此，在密封环构造为径向轴密封环或杆密封件或者活塞密封件的情况下，流体通道在相对于密封环的中心轴线的轴向方向上延伸。在密封环构造为轴向轴密封环的情况下，流体通道在径向方向上延伸。支撑环也可以具有多个这样的流体通道。由于支撑环形成流体通道，即具有包围流体通道的壁，因此可以进一步简化密封环的制造，并且可以避免密封环的高成本的附加制造或者再加工步骤。

根据本发明，密封环优选具有密封唇，该密封唇具有动密封棱边，其中，支撑环至少区段地布置在密封唇内。在此，支撑环可以区段地借助各个突起，例如舌状的突起延伸进密封唇中，然而，或者密封环具有环绕的密封唇支撑区段。在此，密封环可以延伸直至或几乎延伸直至密封唇的自由端，并且因此以所希望的方式加强密封唇。尽管这种密封唇通常仅具有小的材料强度(厚度)，但是通过根据本发明实施为3d打印件的支撑环，即使在支撑环的为此所需的-至少区段地细丝状的实施方式的情况下-也可以在密封唇的区域中实现足够的支撑作用。

为了尽可能持久并且能承受负载地与聚合物材料机械连接，支撑环可以设有轴向或径向延伸地布置的贯通槽口，聚合物材料延伸进该贯通槽口中或聚合物材料延伸穿过该贯通槽口。当然，这些贯通槽口应与支撑环或密封环的被支撑环在径向方向上围绕的环形开口区分开。

完全特别优选地，第一环段的至少一个部分可以设有贯通槽口，该贯通槽口优选在夹紧环的周向方向上延伸穿过各第一环段。在这种情况下，设有贯通槽口的第一环段实施为空心型廓。此外，由此可以将用于支撑环的材料投入保持得低。

根据本发明，第一环段在结构最简单的情况下可以分别实施为结构相同的。上述可弹性变形的第二环段也可以分别实施为结构相同的。

当然，支撑环由适用于3d打印的材料制成或者说构成。因此，支撑环可以由塑料材料、尤其热塑性塑料构成。

用于制造前面所阐述的密封环的方法包括以下步骤：

a.在3d打印方法过程中产生支撑环；

b.在产生密封环的情况下将聚合物材料注塑成型在支撑环上。

借助该制造方法能够以简单且成本低的方式以及以低的制造公差提供具有支撑环的密封环。在3d打印时，支撑环被逐层地构造。可以使用塑料、人造树脂、陶瓷和金属作为支撑环的材料。通过支撑环的3d打印能够以简单的方式在其造型或其支撑特性方面设计支撑环使其在密封环投入运行期间满足局部不同的要求。能够在3d打印过程中产生支撑环的情况下可靠且成本花费低地实现支撑环本身的细丝状结构。

作为3d打印方法尤其可以实现所谓的选择性激光烧结。在该3d打印方法中，支撑环通过借助选择性激光辐射逐层地局部熔化粉末状材料来构造。为此，尤其可以使用peek(聚醚醚酮)，其能够在260℃的持续使用温度下实现支撑环的非常高的精确性或者空间分辨率、精度和高温承受能力。

由说明书和附图得到本发明的另外的优点。之前所述的和还进一步列举的特征同样可以分别单独地或以多个任意组合的形式使用。

附图说明

下面根据在附图中所示的实施例详细阐述本发明。在此，所示和所说明的实施方式不应理解为最终的穷举，而是更确切地具有用于描述本发明的示例性的特征。

在附图中示出：

图1在侧视图中的密封环，该密封环具有由聚合物材料构成的基体和集成在聚合物材料中的支撑环；

图2在剖面的立体视图中的根据图1的密封环；

图3在单独视图中的图2的密封环的支撑环；

图4在单独视图中的图2的密封环的支撑环的一个替代实施例；

图5在单独的视图中图2的密封环的支撑环的另一替代实施例；

图6在剖面的立体部分视图中的密封环，在该密封环中，集成的支撑环具有附加的支撑结构；

图7在剖面的立体部分视图中的密封环，该密封环具有通过支撑环加固的刮唇；

图8在单独的立体局部视图中的根据图7的支撑环；

图9在图7中所示的支撑环的一个替代实施方式；

图10密封环，在该密封环中，支撑环形成多个流动通道，所述流动通道可以用于压力卸载；

图11另一密封环，在该密封环中，支撑环至少区段地具有十字形横截面形状；

图12在单独且剖面的立体部分视图中的根据图11的支撑环；

图13在单独且在另一部位处剖面的立体部分视图中的根据图11的支撑环；

图14在剖面的立体视图中的密封环，在该密封环中，支撑环附加地用于将密封环固定在保持槽或类似结构中；

图15在单独的立体部分视图中的根据图14的支撑环；

图16在剖面的立体部分视图中的具有构造为两件式的支撑环的密封环；

图17在单独的立体部分视图中的根据图16的密封环的支撑环；

图18在剖面的立体部分局部中的密封环，该密封环具有在支撑功能和引导功能方面优化的支撑环；

图19在单独的立体部分视图中的根据图19的密封环的支撑环；

图20a支撑环，该支撑环包括多个铰接连接的型廓条；

图20b在部分透明的视图中的具有图20a中所示的支撑环的密封环；

图20c在剖视图中的根据20b的密封环。

具体实施方式

在图1中示出密封环10，该密封环包括可弹性变形的聚合物材料12和至少区段地嵌埋在聚合物材料12中的支撑环14。密封环10例如可以实施为径向轴密封环或活塞密封环或者杆密封环。密封环10在这里相对于其用16标记的中心轴线示例性地在径向方向上实施为内密封的。密封环10具有沿径向方向的外周侧18和沿径向方向的内周侧20。密封环10的聚合物材料12可以是可粘塑性变形的，然而或者也可以是可橡胶弹性变形的。在前一种所述的情况下，聚合物材料12例如可以是聚氨酯(pu)，或者是本领域技术人员熟悉的另一种粘塑性聚合物材料。可以使用橡胶或其它已知的弹性体，例如乙烯-丙烯-二烯橡胶(epdm)作为可橡胶弹性变形的材料。

支撑环14实施为具有逐层的材料结构的3d打印件。支撑环14的材料比聚合物材料12具有更大的模量。聚合物材料12注塑成型在支撑环14上。在此应注意，聚合物材料12比支撑环14的材料具有更低的熔点。支撑环尤其可以由peek(聚醚醚酮)构成。

图2在沿着图1中用a-a标记的截平面的局部横截面中示出根据图1的密封环10。该密封环10具有总体上呈u形的横截面形状。密封环的第一和第二端侧用22和24标记。在密封环上成型有具有密封棱边28的动态密封唇26。在密封环10投入运行时，密封棱边28动态地密封贴靠在第一机械元件32的在图2中用虚线示出的配合面或者说密封面30上。密封环10可以设有静态密封的密封区段或者静态密封唇34，所述密封区段或者密封唇在投入运行时静态地密封贴靠在保持密封件10的第二机械元件36上。

在这里，在两个密封唇26、34之间形成槽38，以便能够实现动态密封的密封唇26的压力激活并且在这里附加地也能够实现静态密封的密封唇34的压力激活。

支撑环14具有第一环段40，该第一环段在密封环10或者支撑环14的周向方向上彼此间隔开地、优选规则地间隔开地布置。第一环段40实施为形状稳定的。因此，通过在投入运行时在密封环上作用的力不会引起第一环段40的显著变形。这些第一环段40根据图2例如可以具有三角形的横截面形状。为了将聚合物材料12与支撑环14可承受机械负载地连接，第一环段40可以分别设有贯通槽口42。在此，贯通槽口42优选在密封环10的周向方向上穿过相应的第一环段40延伸。聚合物材料12可以嵌入到贯通槽口42中并且部分地或有利地完全填充这些贯通槽口。

第一环段彼此间经由第二环段44以铰接方式相互连接，如下面结合图3至5更详细地阐述那样。

根据图2，支撑环14可以在密封环10的一个或多个侧面上至少区段地构成密封环10的表面46。因此，支撑环14区段地向外限界密封环10。换言之，支撑环14区段地暴露，即不被聚合物材料12覆盖。在图2所示的实施例中，在密封环10的径向内置的周侧20和在所述密封环10的运行状态下布置在低压侧的第二端侧24的区域中是这种情况。

在此，第一环段40可以向外突出超过聚合物材料。根据图2，第一环段40沿径向方向向内突出超过在密封环10的径向内周侧20上的聚合物材料12。在第二端侧24的区域中，第一环段40在轴向方向上超过聚合物材料向外突出。由此，支撑环14一方面能够在第一机械元件的面向径向内置的周侧20的动态密封面30上实现对密封环10的有效导向。由此可以抵抗密封环的聚合物材料12的机械过载，尤其在动态密封唇26的区域中。此外，支撑环14可以提供保护以防聚合物材料12不希望地被挤压到布置在要相互密封的机械元件32、36之间的密封间隙48中。

在图3中以单独的侧视图示出在图1中所示的密封环10的支撑环14的实施方式。第二环段44具有至少一个具有第一和第二型廓支腿52、54的型廓支腿对50。两个型廓支腿52、54彼此倾斜延伸地布置并且一起围成锐角α。型廓支腿52、54经由背部区段56相互连接。由此，在图3所示的实施例中，第二环段44总体上具有v形。第二环段44在两端分别与第一环段40中的一个连接。支撑环的第二环段44具有比第一环段40更小的厚度d。因此，第二环段44是支撑环14的材料减弱的环段。第二环段44的两个型廓支腿52、54能够分别抵抗支撑环14的材料固有的弹性复位能力而张开。由此，支撑环14同时具有预紧环或者说预紧元件58的功能，通过该预紧元件，聚合物材料12，在这里尤其动态密封唇26能够以其密封棱边28在径向方向上抵着机械元件32的上述密封面30(图2)被张紧。因此，支撑环14并且从而密封环10总体上能够在径向方向上弹性扩张或非圆形地变形。

支撑环14的第二环段44也可以分别具有多个型廓支腿对50，所述型廓支腿对在周向方向上相继排列地布置并且以端部对端部的方式相互材料锁合地连接，如这在图4和5中所示的那样。在支撑环14的未负载的状态下，一个型廓支腿对的两个型廓支腿52、54也可以彼此基本上平行延伸地布置。因此，在支撑环14的未负载的状态下，型廓支腿对50和相应配属的背部区段布置为u形或螺旋弹簧形的(图5)。

由于支撑环14的分段的结构，该支撑环起到分段夹紧环的作用，通过该分段夹紧环可以在密封环10的周向方向上实现密封唇26抵着动态密封面30的可变化的接触压力走向。因此，密封唇26在支撑环14的第一(抗弯)环段40的区域中可以比在第二环段44的区域中更强烈地抵着密封面30被预紧。由此，总体上可以改善密封唇或者动态密封的密封棱边26和密封面30之间的接触面区域的润滑。

支撑环14可以具有附加的支撑结构60，如这在图6所示的密封环10的实施例中所示的那样。支撑结构60例如可以具有一个或多个延伸进密封环10的动态密封唇26中的支撑突起62。支撑突起62优选成型在支撑环的第一环段40中的一个或多个上。应注意的是，在密封环10在此构造为径向(轴)密封环的情况下，支撑突起62可以沿轴向方向延伸直至动态密封唇26的密封棱边28的高度或者沿轴向方向延伸超过密封棱边26。由于密封环10的支撑环14实施为3d打印件，因此支撑结构60可以总体上在必要时细网眼的网状连接的框架意义上实施，其中，例如第一和第二环段40,44或者支撑结构60至少部分地沿着密封环的最重要的负载线(应力轨迹)布置。在此，支撑环14的结构根据各密封环区段或密封环部分体积在投入运行时是主要经受压力还是经受弯曲和扭转力来设计。该轻量化结构原理能够在稳定性足够高的情况下实现用于支撑体14的最小化的材料投入并且从而总体上实现密封环10的低成本制造。此外，通过密封环10的设计结构还可以在投入运行期间改善从密封环10的散热。

在图7中示出具有3d打印支撑环的密封环的另一实施例。在图8中，在一个单独的细节局部中示出支撑环。形状稳定的第一环段40在这里分别由实心材料构成。在第一环段40上分别成型有舌状的支撑突起62，该支撑突起从各第一环段40-在这里沿轴向方向-延伸进密封环10的刮唇64中。刮唇具有刮棱64a，该刮棱设置为用于贴靠在第一机械部件的(动态)密封面(参见图2)上。刮唇64相对于密封环10的动态密封唇26分开地构造。支撑突起62在这里由实心材料构成。

在图9中示出另一支撑环14，如该支撑环例如可以被用在图7所示的密封环10中。在这里，舌状的支撑突起62在其自由端66的区域中附加地经由连接条68相互连接。由此，在第二环段44和连接条68之间形成用于聚合物材料12(参见图1)的开口70。在本实施方式中，支撑环14基本上仅能够在由其第二环段44张开的平面72内弹性地扩张。由此可以很大程度地与动态密封唇26抵着密封面30的接触压力无关地调整密封环10的刮唇64抵着配属的密封面(配合面)30的接触压力(图3)。由此可以获得动态密封唇26在偏心负载下进行径向指向的补偿运动的能力。因此能够在投入运行时可靠地抵抗动态密封唇26的不希望的机械过载。

根据在图10中所示的实施例，支撑环14可以具有或形成至少一个流体通道74。在这里，流体通道74轴向延伸地布置。由此在密封环14投入运行时，密封环10的低压侧例如可以与密封环10的高压侧流体连通。因此，在所谓的压力逆转的情况下能够实现高压侧和低压侧之间的压力平衡。

在图11中示出另一密封环10，该密封环具呈3d打印构件形式的集成支撑环。支撑环14在图12和图13中分别以单独的视图和不同的剖视图示出。密封环10在这里示例性地实施为沿径向方向外密封的。密封环10在外周侧上具有两个动态密封唇26，所述动态密封唇分别具有一个密封棱边28。密封唇26在这里也由聚合物材料12构成。根据图12和13，支撑环14具有第一环段40和第二环段44，这两个环段具有在其上成型的翼状支撑突起62。第二环段44设有轴向延伸地布置的贯通缝76，该贯通缝被密封环10的聚合物材料12贯穿或者说穿过。翼状支撑突起62可以具有与聚合物材料12相应的端侧的阶梯式轮廓并且因此例如与聚合物材料12一起形成突出部，通过所述突出部能够在密封环10和机械元件(未示出)之间实现流体通道。

根据图11，支撑环14可以在径向方向上在两个密封唇26之间延伸并且因此用于密封环10在机械元件(未示出)的配属的动态密封面30上的导向和支撑(参见图3)。

此外，支撑环14还可以构造为安装辅助件或用于密封环10的固定辅助件。因此，根据图14和15，第一环段40可以具有成角度的、尤其l形的基本形状，通过该基本形状，密封环10能够在其保持区段78的区域中固定在机械元件的保持槽(参见图2)中。根据图15，密封环可以具有两个在径向方向上内密封的密封唇26，这两个密封唇用于动态密封另一机械元件的密封面。

在图16中示出另一密封环10，在该密封环中，在支撑环14上布置有附加的支撑或者加强环80。支撑环14具有基本上呈l形的横截面形状并且用于将密封环10固定在机械元件的保持槽中以及用于加固聚合物材料12。第一和第二环段40,44易于识别。根据支撑环14以及加固环80在图17中的单独视图，第一环段40或者其舌状的支撑突起62具有接收部82，加固环80保持在所述接收部中。加固环80可以被夹紧或压入到支撑环14的接收部82中。

加固环80实施为环形闭合的并且具有延伸进密封环的密封唇26中的舌状支撑突起62。在这里，支撑突起62在密封环10的周向方向上分别彼此间隔开地布置。支撑突起62可以经由连接条相互连接(参见图9)。

加固环80也有利地实施为3d打印件并且与此相应地具有在附图中未详细示出的逐层结构。

在图18中示出另一密封环10，在该密封环中，支撑环14如在图19中在一个单独的细节局部中所示的那样具有两个彼此平行延伸并且彼此间隔开地布置的半环14a,14b。支撑环实施为一体式的。为此，两个半环14a,14b经由桥接或连接段84相互连接。连接段84成型在两个半环上。连接段84在支撑环14的周向方向上彼此间隔开地布置。两个半环14a,14b可以分别具有l形的横截面形状。聚合物材料贯穿布置在两个半环之间的间隙86。

前面所阐述的密封环10的支撑环14或者加固环80也可以完全或部分地具有开槽的表面结构或者说设有槽或者沟槽的表面结构，以便能够再进一步改善与密封环10的聚合物材料12的附着或者形状接合。

在图20中示出密封环10的一个非常特殊的实施方式。密封环10在图20b中以立体视图并且在图20c中以剖视图示出。图20a以单独的立体视图示出密封环10的支撑环14。支撑环14具有形状稳定的第一环段40，所述第一环段40分别由多个型廓条88构成，所述型廓条在密封环10的中心轴线16的方向上彼此间隔开地连续(重叠)地布置。各两个直接相邻布置的第一环形段40的型廓条88的至少一部分交替地相互啮合并且至少部分地在它们相应的交叉点90的区域中相互连接。由此，支撑环14和因此整个密封环10由此能够在相对于中心轴线16的径向方向上弹簧弹性地扩张。由此，支撑环14在这里也可以用于使密封环10的动态密封唇26弹性预紧地贴靠在机械元件的配属的密封面上(参见图2)。支撑环14的型廓条88可以至少区段地延伸直至密封环10的外侧。在这里，在密封环10的径向内周侧和径向外周侧20、18的区域中是这种情况。在图20所示的支撑环14的实施方式中，由于支撑环的能够被聚合物材料12湿润和包围的大表面也因此实现支撑环14与聚合物材料12的特别持久的附着或形状接合。