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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Rohres aus Quarzglas durch Elongieren eines Quarzglas-Hohlzylinders,
der kontinuierlich einer Heizzone zugeführt, darin zonenweise
erweicht, und aus dem erweichten Bereich ein Rohrstrang in Richtung
einer Ziehachse abgezogen wird, wobei der Hohlzylinder und der Rohrstrang
um die Ziehachse relativ gegeneinander verdreht werden.
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Vertikalziehverfahren
dienen zum werkzeugfreien Umformen von Hohlzylindern aus Quarzglas
in Rohre mit beliebigem Querschnittsprofil. Die so erhaltenen Rohre
werden beispielsweise als Reaktoren in der chemischen Industrie
und bei der Halbleiterfertigung, als Lampenrohre in der Optik oder
als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Vorformen
für optische Fasern eingesetzt.
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Dabei
wird üblicherweise ein Hohlzylinder in vertikaler Ausrichtung
von oben einem Heizrohr zugeführt, darin zonenweise erweicht,
und aus dem erweichten Bereich wird ein Rohrstrang abgezogen, wobei
sich im erweichten Bereich eine Ziehzwiebel ausbildet.
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Auf
der einen Seite führt die Werkzeugfreiheit dieses Umformverfahrens
zu einer beschädigungsarmen Oberfläche des abgezogenen
Strangs. Auf der anderen Seite ergibt sich aber das Problem, die
Maßhaltigkeit des abgezogenen Strangs ohne mechanischen
Eingriff gewährleisten zu müssen. Dies wird besonders durch
bereits vorhandene Maßabweichungen des Hohlzylinders erschwert,
die sich leicht in den abgezogenen Rohrstrang fortsetzen oder dort
sogar verstärken. Die häufigsten Fehler sind hochfrequente
Durchmesserschwankungen sowie Ovalitäten im radialen Querschnittsprofil oder
Wandeinseitigkeiten, also radial ungleichmäßige
Verläufe der Rohrwanddicke, was in Fachkreisen auch als „Siding"
bezeichnet wird.
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Es
wurde vermutet, dass Ovalität und Siding auf ein radial
inhomogenes Temperaturprofil im Bereich der Ziehzwiebel zurückzuführen
sind, und dass dieser Effekt durch Rotation des Hohlzylinders um
seine Längsachse kompensiert werden kann. Ein dementsprechendes
Verfahren und eine Vorrichtung für seine Durchführung
sind aus der
DE 199
49 411 A1 bekannt. Dabei wird ein zylinderförmiges
Halbzeug zu einem Strang elongiert, wobei Halbzeug und Strang synchron
um ihre gemeinsame, parallel zur Ziehachse verlaufende Längsachse
rotieren. Zum Abziehen des Strangs werden paarweise einander gegenüberliegend
angeordnete und als Rollen ausgeführte Führungskörper
eingesetzt. Ähnliche Verfahren und Vorrichtungen sind auch in
der
EP 994 078 B1 und
in der
US 6,178,778
B1 beschrieben.
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Eine
Abwandlung dieser Verfahrensweise ist aus der
JP 2006021979 A bekannt.
Zur Herstellung eines Glasrohres wird ein horizontal ausgerichteter
Glas-Hohlzylinder zonenweise erweicht und dabei elongiert, wobei
die beiden Enden des Hohlzylinders in den Aufnahmespindeln einer
Drehbank-ähnlichen Vorrichtung eingespannt sind. Beim Elongieren
wird ein Verdrillen im Bereich des Ziehzwiebel erzeugt, indem die
Aufnahmespindel, die das abgezogene Rohrende erfasst und abzieht,
mit höherer Geschwindigkeit rotiert wird als die gegenüberliegende
Spindel.
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In
der
US 2003/01406598
A1 wird das Elongieren einer Vorform zu einem optischen
Bauteil in Form eines sogenannten Kernstabs beschrieben, wobei auch
hier während des Ziehprozesses der abgezogene Kernstab
und die Vorform gegensinnig rotiert werden. Die Zieheinrichtung
umfasst einen Greifer, der an der Zylindermantelfläche
des abgezogenen Strangs angreift, und der in Richtung der Ziehachse
mittels einer Spindel nach unten transportiert wird. Gleichzeitig
mit der Abzugsbewegung in Ziehrichtung wird somit dem abgezogenen
Kernstab eine Rotationsbewegung um die Ziehachse aufgeprägt,
die sich auf die Ziehzwiebel fortsetzt, so dass es dort zu einem
Verdrillen der weichen Quarzglasmasse kommt. Für die Ziehgeschwindigkeit werden
Werte im Bereich zwischen 5 bis 70 cm/min genannt, und die Rotationsrate
des Kernstabs wird so eingestellt, dass sich zwischen 20 bis 100
Umdrehungen pro Längenmeter ergeben.
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Es
hat sich jedoch gezeigt, dass die bekannten Verfahren für
die Herstellung maßgenauer Quarzglasrohre durch werkzeugfreies
Umformen von Hohlzylindern nicht uneingeschränkt geeignet
sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zur Optimierung
der Maßhaltigkeit der durch Vertikalziehen erhaltenen Quarzglasrohre
anzugeben, und Materialverluste durch Ovalität und Wandeinseitigkeit
zu vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass das Abziehen des Rohrstrangs unter Einsatz eines Rollenschleppers
erfolgt, der mehrere um den Umfang des Rohrstrangs verteilte Schlepperrollen
aufweist, die mit ihrer Zylindermantelfläche am Rohrstrang anliegen,
und dass die relative Verdrehung auf einen Bereich zwischen 0,01
bis 5 Umdrehungen pro abgezogenem Rohrstrang-Längenmeter
eingestellt wird.
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Die
Längsachsen des abgezogenen Rohrstrangs und des Quarzglas-Hohlzylinders
werden während des Elongierprozesses relativ gegeneinander
verdreht, was im erweichten Bereich der Ziehzwiebel zu einer plastischen
Verformung und Durchmischung des Quarzglases führt, die
im Folgenden auch als "Verdrillen" bezeichnet wird. Ein Verdrillen
wird erreicht, indem Hohlzylinder und Rohrstrang um die Ziehachse
gegensinnig oder mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotiert
werden, wobei eine der beiden Rotationsgeschwindigkeiten auch Null
betragen kann.
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Wie
auch sonst aus dem Stand der Technik bekannt, bewirkt das Verdrillen
eine Homogenisierung der Temperaturverteilung, so dass Asymmetrien
im Bereich der Heizzone ausgeglichen werden. Geometrische Rohrfehler,
wie Ovalität und Siding lassen sich dadurch vermindern
und etwaige radiale Materialinhomogenitäten werden ganz
oder teilweise beseitigt.
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Die
Erfindung zeichnet sich durch den Einsatz eines Rollenschleppers
für den Abzug des Rohrstrangs in Verbindung mit einer vergleichsweise
geringen relativen Rate der relativen Verdrehung von abgezogenem Rohrstrang
und Hohlzylinder und damit einhergehend durch ein geringfügiges
mechanisches Verdrillen aus. Denn es hat sich gezeigt, dass das
Zusammenspiel zwischen dem Abzug in Form eines Rollenschleppers
und einer geringen relativen Verdrehungsrate ein optimales Ergebnis
im Hinblick auf die Minimierung von Maßabweichungen im
Rohrstrang infolge bereits im Hohlzylinder vorhandener geometrischer
Fehler bewirkt.
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Dabei
ist insbesondere eine bereits im Hohlzylinder vorhandene Wandeinseitigkeit
(Siding) zu beachten. Ein Siding des Hohlzylinders setzt sich unmittelbar
in ein Siding des abgezogenen Rohrstrangs um, und kann durch eine
synchrone Rotation von Hohlzylinder und Rohrstrang allein nicht
vermindert werden. Im Gegenteil, ein Siding des Hohlzylinders kann
eine radial inhomogene Temperaturverteilung bewirken, welche im abgezogenen
Rohrstrang zu einer Verstärkung des Sidings führen
und dabei zusätzlich Ovalität erzeugen kann. Diesen
Effekten kann durch ein langsames Verdrillen entgegengewirkt werden,
das durch eine geringe relative Verdrehung in einem Bereich zwischen
0,01 bis 5 Umdrehungen pro abgezogenem Rohrstrang-Längenmeter
gekennzeichnet ist.
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Höhere
Verdrehungsraten zwischen Hohlzylinder und Rohrstrang führen
leicht zu unerwarteten Verformungen und Störungen im Ziehprozess,
insbesondere zu Biegungen. Im Hinblick darauf hat sich eine Verfahrensvariante
besonders bewährt, bei der die relative Verdrehung auf
einen Bereich von weniger als 1 Umdrehung pro abgezogenem Rohrstrang-Längenmeter
eingestellt wird. Besonders bevorzugt liegt die relative Verdrehung
im Bereich zwischen 0,05 bis 0,5 Umdrehungen pro abgezogenem Rohrstrang-Längenmeter.
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Die
technische Realisierung eines um die Ziehachse rotierbaren Rollenschleppers
erfordert eine aufwändige Konstruktion. Bei einer bevorzugten
Verfahrensvariante ist daher vorgesehen, dass der Hohlzylinder um
die Ziehachse rotiert.
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Dabei
kann auf eine Verdrehung des Rohrstrangs um die Ziehachse verzichtet
werden, was das Abziehen unter Einsatz eines Rollenschleppers vereinfacht.
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In
einer alternativen aber gleichermaßen bevorzugten Verfahrensweise
rotiert jedoch der Rohrstrang um die Ziehachse.
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In
dem Fall kann auf eine Verdrehung des Hohlzylinders um die Ziehachse
verzichtet werden. Das Rotieren des abgezogenen Rohrstrangs unter
Einsatz des Rollenschleppers wird dabei vorzugsweise dadurch bewirkt,
dass die Schlepperrollen um eine Schlepperrollen-Drehachse rotieren,
und dass das Rotieren des Rohrstrangs bewirkt wird, indem mindestens
eine der Schlepperrollen in Bezug auf die Ziehachse derart schräg
ausgerichtet ist, dass die Schlepperrollen-Drehachse mit der Ziehachse
einen Verkippungswinkel (α) ungleich 90 Grad einschließt.
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Üblicherweise
erstreckt sich die Drehachse der Schlepperrollen senkrecht zur Ziehachse.
Etwaige Flachseiten (Stirnseiten) der Schlepperrolle verlaufen dann
parallel zur vertikalen Ziehachse. Anders bei der bevorzugten Ausführungsform,
hier verlaufen die Stirnseiten leicht geneigt zur Ziehachse.. Diese
Orientierung erzeugt eine tangential am Zylindermantel des Rohrstrang
wirkende Kraftkomponente, die diesen zu einer kontinuierlichen Drehbewegung
um die Ziehachse zwingt, ohne dass dafür der Rollenschlepper
um die Ziehachse rotiert werden muss. Die so zu erzielende Drehbewegung
ist vergleichsweise gering und liegt im oben genannten Bereich zwischen
0,01 bis 5 Umdrehungen pro abgezogenem Rohrstrang-Längenmeter.
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Ein
geeigneter Verkippungswinkel zwischen der Schlepperrollen-Drehachse
und der Ziehachse hängt in der Praxis von der vorgegebenen
Rate der Verdrehung und vom Durchmesser des Rohrstrangs ab. Es hat sich
gezeigt, dass bereits sehr geringe Verkippungswinkel (also Abweichungen
von 90 Grad) für eine erfindungsgemäß geringfügige
relative Verdrehung ausreichen. Bevorzugt weicht der Verkippungswinkel
maximal 10 Grad von 90 Grad ab.
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Im
Hinblick auf einen möglichst geringen Anpressdruck zwischen
Schlepperrolle und Rohrstrang und eine möglichst gleichmäßige
Verteilung der tangential wirkenden Kräfte um den Rohrstrang-Umfang
sind bevorzugt alle Schlepperrollen des Rollenschleppers in Bezug
auf die Ziehachse schräg ausgerichtet sind.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird während des Ziehprozesses am abgezogenen
Rohrstrang ein Maß für dessen Ovalität
oder Wandeinseitigkeit ermittelt, und das ermittelte Maß für
eine Regelung der Rate der relativen Verdrehung verwendet.
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Das
Maß für die Ovalität oder die Wandeinseitigkeit
des Rohrstrangs kann zum Beispiel ermittelt werden, indem Messwerte
für den Außendurchmesser und den Innendurchmesser
(und damit auch über die Wandstärke) über
den Umfang des Rohrstrangs ermittelt werden. Die Ovalität
ergibt sich als Differenz zwischen maximalem und minimalem Außendurchmesser
in einem gegebenen radialen Rohrquerschnitt und die Wandeinseitigkeit
als Differenz zwischen maximaler und minimaler Wandstärke
in einem gegebenen radialen Rohrquerschnitt. Die Regelung kann auf
eine Minimierung der Ovalität oder auf eine Minimierung
der Wandeinseitigkeit des Rohrstrangs abzielen oder auch im Hinblick
auf einen möglichst geringen Wert beider Maßabweichungen
ausgelegt sein.
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Weiterhin
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Quarzglas-Hohlzylinder
eingesetzt wird, dessen radiale Endabmessungen durch mechanische
Bearbeitung erzeugt sind.
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Durch
mechanische Bearbeitung (insbesondere durch Bohren, Honen und Schleifen)
unter Einsatz bekannter Hon- und Schleifverfahren und dafür
geeigneter handelsüblicher Vorrichtungen ist es möglich,
einen Quarzglas-Hohlzylinder mit einem Außendurchmesser
von mehr als 100 mm und einer Länge von 2 m und mehr herzustellen,
der sich durch eine exakte Zylindersymmetrie mit genauem kreisförmigem
Querschnitt und einer geringen Maßabweichung im Bereich
von 1/100 mm auszeichnet. Biegung und Ovalität des Hohlzylinders
sind daher zu vernachlässigen und eine allenfalls vorhandene
Wandeinseitigkeit des Hohlzylinders kann mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens minimiert werden. Unter einem mechanisch bearbeiteten
Hohlzylinder wird auch ein Hohlzylinder verstanden, der eine abschließenden Ätzbehandlung
unterzogen worden ist, infolge der sich die Geometrie und die Endabmessungen
des Hohlzylinder nicht nennenswert verändern.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren hat sich insbesondere
bei der Herstellung relativ dünnwandiger Rohren bewährt,
wobei ein Rohrstrang mit einer Wandstärke im Bereich von
0,1 bis 3 mm abgezogen wird.
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Die
geringe relative Verdrehung beim erfindungsgemäßen
Verfahren vermeidet weitgehend Verformungen, die insbesondere dünne
Rohrwandungen destabilisieren können und damit zu einer
Verschlechterung der Maßhaltigkeit führen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und
einer Zeichnung näher erläutert. In schematischer
Ansicht zeigt im Einzelnen:
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1 eine
Vorrichtung zum Ziehen eines Rohrstrangs gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren,
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2 ein
Detail einer Ausführungsform des Abzugs für den
Rohrstrang in einer Draufsicht, und
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3 einen
Ausschnitt des Abzugs gemäß 2 in
einer Seitenansicht.
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Beispiel 1
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Die
Vorrichtung gemäß 1 zeigt
einen Widerstandsheizofen mit einem vertikal orientierten Heizrohr 1,
das eine im Querschnitt kreisförmige Heizzone 3 umschließt.
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Das
Heizrohr 1 besteht aus einem ringförmigen Grafitelement
mit einem Innendurchmesser von 193 mm, einem Außendurchmesser
von 215 mm und es umschließt eine Heizzone 3 (Bereich
maximaler Temperatur) mit einer Länge von 100 mm..
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Durch
das Heizrohr 1 ragt ein Quarzglas-Hohlzylinder 4,
dessen Längsachse 13 möglichst parallel
zur Ziehachse 2 ausgerichtet ist. Das obere Ende des Hohlzylinders 4 ist
mit einer Halteeinrichtung 7 verbunden, mittels der er
in horizontaler Richtung (xy) verschiebbar, in vertikaler Richtung
auf- und abbewegbar und um die Ziehachse 2 rotierbar ist,
wie dies die Richtungspfeile 6 andeuten.
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Der
Hohlzylinder 4 wird in der Heizzone 3 erweicht
und aus dem erweichten Bereich unter Bildung einer Ziehzwiebel 9 ein
Rohr 10 vertikal nach unten abgezogen. Als Abzug dient
ein Rollenschlepper, dem insgesamt die Bezugsziffer 8 zugeordnet
ist, und der zwei Abzugsrollen 5 umfasst, die sich auf
gleicher Höhenebene am Zylindermantel des Rohres 10 gegenüberliegen.
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Unterhalb
des Rollenschleppers 8 wird das Rohr 10 durch
einen Schleifkontaktring 12 geleitet, der gleichzeitig
als Führungsschiene für ein Wanddickenmessgerät 11 dient,
welches um den Außenumfang des Rohres 10 rotierbar
ist. Mittels des Wanddickenmessgerätes 11, das
mit einem Rechner verbunden ist, kann während des Ziehprozesses
ein Wanddickenprofil des abgezogenen Rohres 10 aufgezeichnet,
und dieses Profil mit Hilfe des Rechners ausgewertet werden.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel für die Durchführung
des erfindungsgemäßen Vertikalziehverfahrens zur
Herstellung eines Quarzglasrohres anhand 1 näher
erläutert.
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In
dem vertikal ausgerichteten Heizrohr 1 wird ein Quarzglas-Hohlzylinder 4 mit
einem Außendurchmesser von 145 mm und einem Innendurchmesser
von 60 mm so justiert, dass seine Längsachse 13 in
der Mittelachse des Heizrohres 1 verläuft, die
gleichzeitig der Ziehachse 2 entspricht. Der Quarzglas-Hohlzylinder 4 wird
anschließend mit einem konstanten Vorschub in das Heizrohr 1 abgesenkt,
so dass sich ein Massendurchsatz von 9,2 kg/h ergibt. In der Heizzone
wird der Hohlzylinder 4 auf eine Temperatur oberhalb von 2100°C
erhitzt, wobei aus der sich bildenden Ziehzwiebel 9 das
Quarzglas-Rohr 10 mit geregelter Ziehgeschwindigkeit um
2,7 m/min auf einen Soll-Außendurchmesser von 6 mm und
einer Soll-Wanddicke von 2 mm abgezogen wird, wobei in der Innenbohrung
des Rohrstrangs 10 ein geringer Unterdruck aufrechterhalten
wird. Gleichzeitig wird der Hohlzylinder 4 mittels der
Haltevorrichtung um seine Längsachse 13 mit einer
Drehzahl von 0,25 U/min rotiert, wohingegen der Rollenschlepper 8 nicht
um diese Achse 13 rotiert, so dass es zu einem Verdrillen
der weichen Quarzglasmasse im Bereich der Ziehzwiebel kommt, die
sich in 0,093 Umdrehungen pro abgezogenem Längenmeter des
Rohrstrangs 10 niederschlägt.
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Mittels
des um den Rohrstrang 10 rotierenden Wanddickenmessgerätes 11 wird
kontinuierlich ein Wanddickenprofil des abgezogenen Rohrstrangs 10 erzeugt
und im Rechner hinsichtlich, Innendurchmesser, Außendurchmesser,
Wandeinseitigkeit (Maximalwert minus Minimalwert der Wanddicke)
und Lage der minimalen Wanddicke ausgewertet. Die so erhaltenen
Messwerte werden für eine Regelung der Rotationsgeschwindigkeit
des Hohlzylinders 4 zwecks Minimierung der Ovalität
eingesetzt.
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Der
abgezogene Rohrstrang 10 wird zu Rohren mit einer Länge
von 1,50 m zugeschnitten, und die maximale Rohr-Ovalität
wurde ermittelt. Hierzu wurden in Abständen von 10 cm radiale
Querschnitte des Rohres gefertigt und daran der Durchmesserverlauf
gemessen. Als Differenz von maximalem Außendurchmesser und
minimalem Außendurchmesser wurde für jeden Querschnitt
die Ovalität bestimmt. Der in Tabelle 1 angegebene Qualitätswert
ist der Maximalwert aller so erhaltenen Messwerte.
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Beispiel 2
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Bei
einer Variante des oben erläuterten Verfahrens wird anstelle
des Hohlzylinders 4 der abgezogene Rohrstrang 10 um
seine Längsachse 13 (beziehungsweise um die Ziehachse 2 verdreht.
Zu diesem Zweck werden die um ihre Drehachse 22 drehenden
Abzugsrollen 5, 5' schräg gegen den Zylindermantel 23 des Rohrstrangs 10 gerichtet,
wie dies in den 2 und 3 schematisch
gezeigt ist. Die Orientierung der Abzugsrollen 5 erfolgt
dabei so, dass ihre Drehachse 22 nicht senkrecht zur Ziehachse 2 verläuft,
sondern geneigt dazu, wie aus 3 erkennbar,
wobei die durch den Rohrstrang 10 an und für sich
verdeckte Abzugsrolle mit der Bezugsziffer 5' versehen
ist. Die Neigung der Drehachsen 22 der Abzugsrollen 5 und 5' gegenüber
der Ziehachse 2 ist aus Gründen einer besseren
Erkennbarkeit übertrieben groß dargestellt. Auch
im Übrigen handelt es sich bei den 1 bis 3 um
rein schematischen Darstellungen ohne Maßstabstreue.
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Im
Ausführungsbeispiel beträgt der Verkippungswinkel α zwischen
der Ziehachse 2 und der Drehachse 90,1 Grad (also eine
Verkippung von +/– 0,1 Grad im Vergleich zur ansonsten üblichen
senkrechten Anordnung von Ziehachse 2 und Drehachse 22 ohne
Rotation des Rohrstrangs 10).
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Diese
Orientierung der Abzugsrollen 5 übt eine tangential
auf den Außenmantel 23 des Rohrstrangs 10 wirkende
Kraft aus, die zu einer kontinuierlichen Drehbewegung des Rohrstrangs 10 um
die Ziehachse 2 führt, wie dies der Richtungspfeil 24 andeutet.
Die auf diese Weise erzeugte Drehgeschwindigkeit beträgt
0,1 Umdrehung pro abgezogenem Längenmeter.
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Es
wurden weitere Ziehversuche durchgeführt, wie oben anhand
den Beispielen 1 und 2 im Einzelnen beschrieben. Dabei wurde lediglich
die Verdrehungsrate von Hohlzylinder (analog zu Beispiel 1) oder
die des Rohrstrangs (analog zu Beispiel 2) variiert. Alle Messproben
wurden hinsichtlich der maximalen Ovalität und ihrer Biegung
ausgewertet. Zur Ermittlung der Biegung wird die Oberfläche
des Rohres in Richtung seiner Mittelachse abgetastet und dabei der
maximale Abstand zur Mittelachse bestimmt. Der in Tabelle 1 genannte
Biegungswert ergibt sich dann als maximaler Abstand (in mm) bezogen
auf die Rohrlänge (in m). Die entsprechenden Versuche und
die hinsichtlich des Rohr-Sidings gefundenen Ergebnisse sind in
Tabelle 1 zusammengefasst. Dabei repräsentiert das Vergleichsbeispiel
2 eine Standard-Messprobe, die ohne jegliches Verdrillen hergestellt
worden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19949411
A1 [0005]
- - EP 994078 B1 [0005]
- - US 6178778 B1 [0005]
- - JP 2006021979 A [0006]
- - US 2003/01406598 A1 [0007]
