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Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von mit Fasern verstärkten Kunststoffrohren
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von mit Fasern ver- stärkten Kunststoffrohren, wobei ein härtbarer Kunststoff und faseriges Verstärkungsmaterial auf eine Kern- form aufgebracht werden, die in axialer Richtung, vorzugsweise nach oben, bewegt wird und aus einem niedrig-schmelzenden Material besteht, welches nach Verfestigung des Kunststoffrohres ausgeschmolzen wird.
Bei einem bekannten Verfahren dieser Art, welches die Verwendung von Kernen aus einer Metallegierung niedrigen Schmelzpunktes, der nach Härtung des Kunststoffmaterials ausschmelzbar ist, vorschlägt, ergibt sich der Nachteil, dass die Kernform im Inneren des hergestellten Rohres verbleibt, nachdem das Rohr die Maschineverlassen hat. Das Kernmaterial muss aus dem Rohr durch ein besonderes Verfahren entfernt werden, nachdem das Rohrstück abgeschnitten worden ist ; die Kerne oder das Kernmaterial müssen also geordnet zugeführt werden, so dass ein kontinuierlicher Betrieb nicht möglich ist.
Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Nachteile und setzt sich die Schaffung eines verbesserten Verfahrens zur Herstellung von mit Fasermaterial verstärkten Kunststoffrohren zum Ziel, welches kontinuierlich und vollautomatisch durchgeführt werden kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von mit Fasermaterial verstärkten Kunststoffrohren, welches während des Betriebes der Maschine einen Wechsel der Wandstärke des Rohres und der Anordnung der Verstärkungen ermöglicht. Es soll auch die Herstellung von Rohren verschiedener Stärke ermöglicht werden.
Das Verfahren gemäss der Erfindung besteht darin, dass der faserverstärkte Kunststoff auf eine als Rohr ausgebildete Kernform aufgebracht wird, wobei das abgeschmolzene Kernma-erial kontinuierlich durch das Innere der noch festen hohlen Kernform abgeführt wird.
Zweckmässig wird die Kernform senkrecht nach oben bewegt und das durch die Kernform zurückfliessende abgeschmolzene Material einer Strangpressvorrichtung zur neuerlichen Bildung der Kernform wieder zugeführt.
Der Schmelzpunkt der als Kernmaterial verwendeten Metallegierung kann gewählt werden zwischen der Härtungstemperatur des Harzes und der Hitzewiderstandstemperaturgrenze des gehärteten Kunststoffmaterials. Wenn z. B. die vorgesehene Härtungstemperatur des Harzes 1200C sein soll, und die Tempe- ratur des gehärteten Harzes, bei der es noch zuverlässig hitzestandfest ist, 1800C beträgt, ist eine eutektische Metallegierung mit einem Schmelzpunkt von etwa 1400C zur Bildung des rohrförmigen Kernes geeignet. Im geschmolzenen Zustand hat eine solche Legierung eine sehr niedrige Viskosität und das gehärtete Kunststoffrohr kann von seinem Metallkern leicht befreit werden, wenn es die Schmelzzone, die beispielsweise durch einen Induktionserhitzer gebildet wird, verlässt.
Die Erfindung besitzt ein weiteres vorteilhaftes Merkmal darin, dass das kontinuierlich senkrecht nach oben geführte fertige Kunststoffrohr in geeigneten Längen mit Hilfe einer automatisch arbeitenden Säge abgelängt werden kann, was an sich bekannt ist.
Die Erfindung umfasst ferner eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einer Strangpress-
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einrichtung od. dgl., zur Herstellung der Kernform und einer Induktionsheizeinrichtung zum kontinuierli- chen Abschmelzen der Kernform, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass der Düsenkern der Strangpress- einrichtung zwecks Rückführung des abgeschmolzenen Materials in den Schmelztiegel rohrförmig ausge- bildet ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Ver- bindung mit der Zeichnung.
Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 2 ist ein Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 3 zeigt einen Härtungsofen, der zur Verwendung in Ver- bindung mit den Einrichtungen gemäss den Fig. 1 und 2 bestimmt ist. Fig. 4 gibt in schematischer Dar- stellung eine komplette Anlage gemäss der Erfindung wieder.
Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zur kontinuierlichen Herstellung eines rohrförmigen Metallkernes 10, bestehend aus einem Düsenmantel und einem hohlen Düsenkern 11 sowie einer Druckpumpe 17, die mit einem Elektromotor 20 verbunden und innerhalb eines Schmelztiegels 14 angeordnet ist. Dieser Tiegel befindet sich unterhalb des Düsenkernes 11. Die geschmolzene Legierung wird mittels einer thermostatisch geregelten elektrischen Heizeinrichtung 16, die ebenfalls innerhalb des Tiegels 14 angeordnet ist, erhitzt.
Alle diese Teile werden von einem zylindrischen Gehäuse 19 getragen, welches auf einer hohlen verti- kalen Welle 21 befestigt ist. Die Welle ist drehbar in zwei Lagern 22 gelagert, die sowohl radiale als auch axiale Kräfte aufnehmen.
Mittels eines Antriebes bekannter Art (nicht dargestellt) kann die ganze Einrichtung mit der ge- wünschten Geschwindigkeit in Drehung versetzt werden. Der Motor 20 und die elektrische Heizeinrich- tung 16 werden durch die Schleifringe 23 mit elektrischem Strom versorgt. Die zwei elektrischen An- triebsmotoren sind fernsteuerbar und können mit variabler Geschwindigkeit betrieben werden, so dass ein
Metallrohraus einer schmelzbaren Legierung kontinuierlich mit gewünschter Austrittsgeschwindigkeit gegossen werden kann, wobei es senkrecht nach oben geführt und gleichzeitig in Drehung versetzt wird.
Oberhalb der Düsenöffnung 12, die von einer Kühleinrichtung 13 umgeben ist, wird ein mit Harz imprägniertes Glasfaserband 25 auf das austretende Kernrohr 10 aufgebracht. Infolge der axialen Bewegung und der Rotation des Metallkernes 10 wird das Band auf das Rohr aufgewickelt, u. zw. in einer Dicke, die von der Umfangsgeschwindigkeit und der axialen Bewegung des Kernrohres wie auch von den Dimensionen und der Anzahl der Bänder abhängt. Auf diese Weise wird das Kernrohr 10 mit einer durch Glasfasern verstärkten Schicht 24 von Kunststoffmaterial versehen, welches sodann gehärtet werden soll.
Es ist zu bemerken, dass bei Verwendung eines Bandes Vorsorge für eine kontrollierte Auf- und Abwärtsbewegung der Bandzuführungseinrichtung Sorge zu tragen ist, so dass diese Bänder in kreuzweisen Schichten aufgelegt werden können, wodurch die Zugfestigkeit des Kunststoffrohres in der Längsrichtung erhöht wird.
Es ist auch möglich, das Kunststoffmaterial und die Glasfasern mittels anderer bekannter Methoden aufzubringen, beispielsweise durch Spritzen, Walzen oder Pressen, wobei das Glas in Form von geschnittenen Fasern dem Harz zugesetzt wird.
Die Einrichtung nach Fig. 2, die jener gemäss Fig. 1 ähnlich ist, dient zur kontinuierlichen Herstellung eines Kernrohres 10 und umfasst einen Düsenmantel und Düsenkern 11, eine Druckpumpe 17, die mit einem Motor 20 verbunden und innerhalb eines Tiegels 14 angeordnet ist. Der Tiegel enthält geschmolzenes Metall 15, dessen Temperatur durch eine elektrische, thermostatisch geregelte Heizeinrichtung 16 gesteuert wird.
Im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist die Einrichtung bei dieser Ausführungsform nicht drehbar angeordnet. Auch in diesem Fall wird das Kernrohr 10 in vertikaler Richtung nach oben ausgepresst. Der Düsenmantel 11 ist nach oben verlängert 26 und bildet eine Kammer 27, die mit einer Mischung aus geschnittenen Glasfasern und durch das Zuführungsrohr 28 zugeführtem Harz beschickt wird. Mittels des Düsenmantels 26 wird eine Schicht 29 aus Glasfasern und Harz auf dem Kernrohr 10 in gewünschter Dicke aufgebracht.
Das Verfahren, ein kontinuierlich gegossenes Rohr, welches später kontinuierlich abgeschmolzen wird, als Kern für die Aufwicklung eines mit Harz imprägnierten Glasfaserbandes oder-gewebes zu verwenden, kann auch modifiziert werden, indem die Aufwicklungseinrichtung rotiert, während das Rohr selbst bei seiner Aufwärtsbewegung nicht rotiert. Diese Anordnung ist in den Zeichnungen nicht dargestellt.
Die Einrichtung gemäss Fig. 3, welche mit den Einrichtungen, die in den Fig. 1 und 2 beschrieben sind, kombiniert werden kann, wird oberhalb der Zone angeordnet, wo die Aufbringung der mit Harz imprägnierten Glasfasern stattfindet. Ein zylindrisch geformter Härteofen oder-kanal 30 umschliesst das
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Kernrohr 10 mit den darauf aufgebrachten mit Harz imprägnierten Glasfasern. Der Härtungsofen kann vor- zugsweise elektrisch beheizt und mit automatischen Regeleinrichtungen versehen sein, so dass eine für die
Härtung der Kunststoffschicht günstige Temperatur eingehalten wird. Die Länge des Ofens 30 ist entspre- chend der Produktionsgeschwindigkeit des Kunststoffrohres zu wählen, so dass das Rohr eine genügende Zeit innerhalb des Ofens bleibt, um eine vollständige Härtung zu bewirken.
Eine elektrische Induktionsheizeinrichtung 31 ist oberhalb des Härtungsofens 30 angeordnet, dessen aktive Zone den Metallkern 10 umschliesst, der mit einem durch Glasfasern verstärkten Kunststoffrohr, welches jetzt gehärtet ist, bedeckt ist. Die in dem Metallkern 10 bei dessen Durchgang durch die Heiz- einrichtung induzierten elektrischen Ströme erhitzen den Kern und bringen ihn zum Schmelzen, wodurch das geschmolzene Metall durch den noch festen Teil des Metallrohres 10 nach unten fällt und durch den hohlen Düsenkern 11 dem Schmelzkessel 14 zugeführt wird.
Auf diese Weise tritt das fertige, gehärtete Kunststoffrohr 24 kontinuierlich aus dem Induktionsofen
31 aus ; es ist von seinem Metallkern 10, der während der weichen Phase des Kunststoffmaterials als Kern diente, vollständig befreit.
Die vollständig automatisch arbeitende Anlage für die Herstellung von mit Glasfasern verstärkten
Kunststoffrohren gemäss Fig. 4 ist auf einem Grundrahmen 33, der zwei Maschinenständer 34 mit einem
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Drehung versetzt. Am oberen Teil des Gehäuses 36 ist ein weiteres Gehäuse 38 befestigt, in welchem Schleifringe und Bürsten für die Zuführung des elektrischen Stromes und Kontrolleinrichtungen angeordnet sind. Die elektrischen Leitungen und die Kühlwasserrohre werden durch die hohle Hauptwelle 21 zu den
Stellen geführt, wo die elektrische Kraft und das Wasser gebraucht werden. Die Hauptwelle ist auch mit dem Gehäuse 19 verbunden, in welchem der Motor 20 (Fig. 1) befestigt ist. Dieser Motor ist mit der
Druckpumpe 17 (Fig. 1), die in dem Tiegel 14, in dem sich geschmolzenes Metall befindet, verbunden.
Der Tiegel ist ferner mit einem thermostatisch geregelten Heizelement ausgestattet. Die Pumpe 17 (Fig. l) versorgt die Strangpressdüse mit geschmolzenem Metall unter Druck. In der Düsenöffnung wird das Me- tall gekühlt ; es tritt nach oben in Form eines Rohres 10 aus.
Unmittelbar oberhalb der Düsenöffnung 12 sind zwei Imprägnierungseinrichtungen 39 angeordnet, durch welche die Glasfaserbänder zwischen Walzen in ein Harzbad geführt werden, so dass die Gewebe- fäden mit Harz imprägniert werden, wobei gleichzeitig die Luft in den Fäden entfernt und überschüssi- ges Harz ausgepresst wird. Die Glasfaserbänder werden von der Mitte kernloser Spulen 41 abgezogen und durch Heizkanäle 40 und durch Öffnungen in den vertikalen Wänden der Imprägnierungseinrichtungen
39 gegenüber dem Rohr 10 geführt.
Zwei Mischbehälter 42 dienen zur wechselweisen Zuführung aktivierten Harzes, welchem Farbe oder andere Komponenten zugegeben werden können. Einer der Behälter liefert die Harzmischung, während der andere aus dem Haupttank 43 mit Harz und aus dem Hilfstank 44 mit andern Komponenten gefüllt wird. Das aktivierte Harz wird in den Einrichtungen 39 zu beiden Harzbädern verteilt, wie mit strich- lierten Linienangedeutet ist. Dieselbe Harzmischung wird auf einer Chargierungsdüse 46 zugeführt, wie im folgenden beschrieben wird :
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tungen 39 die kritische Gelatinierungstemperatur überschreitet.
Die Imprägniereinrichtungen 39 sind mit einer Stange 48 miteinander verbunden und werden mit Hilfe eines hydraulisch betätigten Kolbens 47 auf-und abbewegt.
Die aus den Imprägnierungseinrichtungen 39 austretenden Bänder werden auf das rotierende Kernrohr 10 gewickelt, wobei die Bänder in kreuzweisen Schichten aufgebracht werden, die sich teilweise überlappen und überdecken. Auf diese Weise wird das Kernrohr 10 mit einem Flechtwerk von imprägnierten Glasfasergeweben versehen.
Das in dieser Weise aufgebaute Glasfaserrohr 24 wird sodann durch eine Auftragsdüse 46 geführt, welche einen dünnen Aussenüberzug des Harzes auf das Rohr aufbringt und die Oberfläche des gewickelten Rohres glättet.
Es soll auch erwähnt werden-obgleich es in'der Zeichnung nicht dargestellt ist-dass es. möglich ist, ein thermoplastisches Band, z. B. zwischen zwei Aufbringungszonen 39 bzw. oberhalb oder unterhalb dieser Zonen, aufzubringen, wobei mit Glasfasern verstärkte Kunststoffrohre gebildet werden, die eine thermoplastische Schicht entweder in der Mitte der Rohrwand bzw. aussen oder innen der Rohrwand besitzt. Wie auf Grund anderer Herstellungsverfahren für mit Fasern verstärkte Rohre bekannt ist, kann eine
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solche Anordnung in manchen Fällen vorteilhaft sein.
Das noch ungehärtete Kunststoffrohrwird dann senkrecht nach oben durch eineelektrischelnduktions- heizeinrichtung 31'zusammen mit seinem Metallkern geführt. Die Wirbelströme, die durch den Induk- torim Metallrohr 10 induziert werden, erhitzen das Metallrohr auf eine Temperatur gerade unterhalb des
Schmelzpunktes des Metalles, indem Wärme von der Innenseite des aufgebauten Rohres 24 dem Harz zugeführt wird. Dann werden die Rohre 10 und 24 durch einen Kanal 49 mit infraroter Strahlung geführt, wobei weitere Wärme dem mit Glasfasern verstärkten Kunststoffmaterial zugeführt wird.
Die Wärmemen- ge die dem mit Glasfasern verstärkten Kunststoffmaterial mit Hilfe der Heizkanäle 40, der Induktions- heizeinrichtung 31. und dem Infrarotstrahlungskanal 49 zugeführt wird, wird entsprechend der exothermen
Hitzeentwicklung des Kunststoffmaterials gewählt und in solcher Weise geregelt, dass die gewünschte Här- tungstemperatur erreicht wird.
Es ist zu bemerken, dass die Härtungstemperatur einer der entscheidenen Faktoren für die Härtung- zeit ist, welche in einem kontinuierlichen Prozess, wie dem vorliegenden, von grösster Bedeutung ist.
Wenn die dem mit Glasfasern verstärkten Kunststoffrohr zuzuführende Wärmemenge richtig gewählt ist, wird das Rohr vollständig gehärtet und bleibt nach Passieren des wärmeisolierten Kanals 30 und des an- schliessenden Infrarotstrahlenkanals 49 hart.
Nach Passieren des wärmeisolierten Kanals 30 werden die Rohre 10 und 24 durch eine weitere In- duktionsheizeinrichtung 31 geführt, welche das Metallrohr 10 durch Wirbelströme erhitzt, bis es schmilzt.
Obgleich dies aus der Zeichnung nicht ersichtlich ist, soll bemerkt werden, dass das geschmolzene Me- tall durch einen Trichter gesammelt werden kann, der innerhalb des Rohres 10 angeordnet und mittels einer am Düsenkern 11 befestigten Schiene od. dgl. gehalten werden kann. Der Trichter ist durch ein
Metallrohr verlängert, das zum Tiegel 14 hinunterreicht, so dass das geschmolzene Metall in letzteren zurückgebracht wird und wieder an dem oben beschriebenen Kreislauf teilnehmen kann.
Nachdem das gehärtete, mit Glasfasern verstärkte Kunststoffrohr in der beschriebenen Weise von dem Kernrohr 10 befreit worden ist, ist es selbsttragend und wandert durch Zentrierungs- und Führungsrollen, die innerhalb des Ringes 50 angeordnet sind, weiter nach oben. Oberhalb des Ringes ist eine automatisch arbeitende Schneidscheibe 58 angeordnet, die vom Rohr 24'durch dessen axiale Bewegung getragen wird. Die Schneidscheibe schneidet das Rohr in vorbestimmten Längen ab. Bevor es abgeschnitten wird, wird das Rohr durch einen frei rotierenden Greifmechanismus 51 erfasst, der mittels eines Armes 52 mit einem Wagen oder Schlitten 53 verbunden ist. Der Wagen besitzt Räder und bewegt sich entlang vertikaler Schienen 54.
Der Wagen 53 ist mit einem Gewicht 57 mittels einer Kette 55 verbun- den, die über eine am Joch 35 des Ständers 34 frei rotierbare Rolle 56 geführt ist. Mittels dieses Gewichtes übt die Greifeinrichtung einen Zug auf das Rohr 24'aus und bewegt es während des Schneidevorganges. Die Schneidscheibe 58 ist an der Welle eines Motors 59 befestigt, der ebenfalls durch einen Wagen oder Schlitten 60, der sich auf den gleichen Schienen wie der Wagen 53 bewegt, befestigt ist.
Sobald die Schneidscheibe mit dem Rohr 24 in Kontakt gebracht ist, wird sie mit dem Rohr zusammen mit dem Motor 59 und dem Wagen 60, solange als die Schneidscheibe mit dem Rohr in Eingriff ist mitbewegt. Die Zustellbewegung der Schneidscheibe zu dem Rohr wird durch nicht dargestellte Einrichtungen geregelt.
Nachdem das Rohr durchgeschnitten ist, wird es durch den Greifmechanismus 51 zur Seite bewegt ; der diesen Mechanismus tragende Arm 52 besteht aus zwei miteinander gelenkig verbundenen Teilen, von denen der eine durch nicht dargestellte Mittel geschwenkt werden kann. Das Rohr wird durch den Greifmechanismus auf eine Rinne 61 gelegt ; entlang welcher das Rohr nach unten auf ein Förderband 62 gleitet. Es ist ersichtlich, dass der Greifmechanismus 51 und die Schneideinrichtung 58, 59, 60 entsprechend einer vorbestimmten Folge zusammenarbeiten und zu ihren entsprechenden Ausgangsstellungen mittels eines automatischen Antriebes zurückgebracht werden.
Alle Geschwindigkeiten, Temperaturen und andere Verfahrenskennwerte können auf einem Kontrolltisch 63, der auf der Plattform 64 angeordnet ist, aufgezeichnet und geregelt werden. Ausserdem kann die Maschine mit Einrichtungen versehen sein, die zum Abstellen der Maschine und/oder zur Abgabe von Warnungssignalen dienen, wenn Fehler oder Unregelmässigkeiten auftreten.
Die Maschine ist so konstruiert, dass bei Wechsel eines Rohrdurchmessers auf einen andern es nur notwendig ist, die Düsen 11 und 46 sowie die Schuhe der Induktionseinrichtungen 31 und 31. auszutau- schen und einige Änderungen am Kontrolltisch 63 durchzuführen. Für die Herstellung von verschiedenen Rohrqualitäten, die gleichen Durchmesser haben, ist es ausreichend, einige Änderungen nur am Kontrolltisch durchzuführen.