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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen insbesondere mehrdimensional strukturierter Rohre aus thermoplastischem Kunststoff, faserverstärktem Kunststoff, Fasermaterial und Verbundmaterialien, und Verwendung derselben, insbesondere als formsteife und zugleich flexible, dünnwandige Rohre mit hoher Ringsteifigkeit und Implosionsfestigkeit, geringem Druckverlust bei einer Durchströmung mit Fluiden, insbesondere für eine Rohrverlegung auf unebenem Erdgrund mit einem Freispüleffekt von Feststoffpartikeln oder als einseitig zu führendes (leicht zu handhabendes) Rohr oder als Rohr, das bei Dehnung oder Stauchung seinen Durchmesser nicht oder nur unwesentlich verändert.
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Stand der Technik
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Es besteht ein großer Bedarf an leichteren und zugleich formsteifen, dünnwandigen Rohren, wie beispielsweise Klimarohre in Fahrzeugen verschiedenster Art und in Luft- und Raumfahrzeugen, um Transportgewicht und somit Transportenergie und Ressourcen an Werkstoffen und Chemikalien einzusparen. Aber auch in nicht bewegten Apparaten und Maschinen werden dünnwandige, leichte Rohre benötigt, die sich erstens unter Schonung von Rohstoffen und Prozessenergie herstellen lassen und zweitens vorteilhafte Gebrauchseigenschaften als unmittelbaren Kundennutzen bieten können. Zu den vorteilhaften Gebrauchseigenschaften gehören insbesondere eine hohe Ringsteifigkeit und zugleich hohe Flexibilität von Rohren, eine hohe Implosionssteifigkeit, beispielsweise bei Saugdruck in der Klimatechnik oder bei einer Erdverlegung auf unebenem Grund, günstige Strömungseigenschaften zur Reduzierung von Feststoffablagerungen und Verbesserung der konvektiven Wärmeübertragung.
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Die Schwierigkeit besteht nun darin, dass derartig anspruchsvolle und vielseitige Anforderungen sich häufig widersprechen, sodass bisher noch keine befriedigenden Lösungen in Sicht sind.
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Ein Erfolg versprechender Lösungsansatz besteht darin, strukturierte, vorzugsweise mehrdimensional strukturiere, dünnwandige Rohre zu verwenden. Die Natur und die Bionik lehren uns, dass mehrdimensionale Strukturen, beispielsweise als Schildkrötenpanzer oder filigraner Libellenflügel, nicht nur eine dünne Wand oder Schale erheblich versteifen sondern zugleich weitere synergetische Gebrauchseigenschaften aufweisen können.
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Bekannt sind Wellrohre, die nur in ihrer Längsrichtung wellenförmig strukturiert sind. Sie sind zwar extrem flexibel, sie weisen jedoch nur eine begrenzte Ringsteifigkeit auf, insbesondere deshalb, weil ihre Wanddicke während des Herstellungsprozesses in der Regel ausgedünnt wurde. Ferner weisen Wellrohre noch einige Nachteile auf, wie ein hoher Strömungsdruckverlust (infolge der intermittierenden hydraulischen Querschnittseinschnürungen) und ferner die Bildung von Totwassergebieten mit der Gefahr von Feststoffablagerungen, beispielsweise in belasteten Abwasserableitungen. In http://de.wikipedia.org/wiki/Wellrohr, Ausgabe vom 21. 10. 2009, ist beschrieben: „Die Herstellung von thermoplastischem Wellrohr erfolgt unter Einsatz von Extrudern und anschließend in den wellformgebenden Corrugator. Zunächst pressen Extruder das erhitzte und plastifizierte Kunststoffmaterial über den Spritzkopf in die Formbacken der Corrugatoren. Im Corrugator bewegen sich in gleichmäßigem Tempo mehrere geteilt hintereinanderliegende, umlaufende Wellform-Halbsegmente als Negativform.” In http://de.wikipedia.org/wiki/Corrugator, Ausgabe vom 1.10.2009 ist beschrieben: „Bei modernen Anlagen wird der Kunststoffschlauch über Vakuum in die Formbacken bzw. an den Kühldorn gesaugt”.
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Im Folgenden werden die Nachteile von Wellrohren aus Kunststoff etwas eingehender erläutert: Weil die weiche, thermoplastische Kunststoffwand nach dem Extrudierprozess durch inneren Druck oder äußeres Vakuum in die wellenförmige Kontur der außen anliegenden Formbacken des Corrugators, im Folgenden kurz Corrugator genannt, quasi hineingezogen wird, wird die Wanddicke des Wellrohres, insbesondere im Bereich des Außendurchmessers, reduziert. Mit anderen Worten: Die Rohrwandfläche wird durch die Strukturierung vergrößert, und die Wanddicke wird infolge der Volumenkonstanz des Kunststoffes verringert. Ferner bewirkt eine wellenförmige Kontur lediglich eine Versteifung in radialer Richtung. Axial verhält sich ein Wellrohr häufig biegeweicher als es in bestimmten Fällen erwünscht ist, beispielsweise bei einer einseitigen Einführung (d. h. ohne gleichzeitige e Fixierung) des Wellrohres in eine Apparatur. Ein weiterer gravierender Nachteil von Wellrohren besteht darin, dass Wellrohre sich in Umfangsrichtung nicht „geometrisch abwickeln” lassen, weil er in axialer Richtung wellenförmig ist und deshalb unterschiedliche Durchmesser besitzt. Deshalb können Wellrohre prinzipiell nicht aus faserigen Ausgangsmaterialien, wie faserverstärkte Kunststoffe, Papier, Pappe und Textilgewebe hergestellt werden können, weil sich Fasern nicht oder nur ganz wenig dehnen lassen und leicht reißen.
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Es sind Verfahren bekannt, um Rohre beispielsweise aus thermoplastischem Kunststoff mit mehrdimensionalen Strukturen zu auszustatten. In der
DE 019523723 A1 und in der
DE 4402295 C1 wird eine Rohrwand innen durch starre Stützelemente, wie Stützscheiben oder Stützwendeln partiell abgestützt und dann von außen mit Druck beaufschlagt. Nach der Bildung der mehrdimensionalen Strukturen können die Stützelemente wieder entfernt werden. Nachteilig ist hierbei, dass die Rohrwand partiell gedehnt wird und ferner die innen liegenden Stützelemente im Falle eines kontinuierlichen Herstellungsverfahren nicht eingebracht bzw. entfernt werden können. In der
DE 196 03974 B4 und in der
DE 198 03 782 B4 werden Herstellungsverfahren von mehrdimensional strukturierten Rohren beschrieben, die zwar in einem kontinuierlichen Prozess herzustellen sind, bei denen jedoch ebenfalls die Rohrwand partiell gedehnt und somit die Rohrwanddicke partiell reduziert wird. Bei diesen beiden zuletzt genannten bekannten Verfahren ist ferner von Nachteil, dass erstens das zu strukturierende Rohr mittels zusätzlicher äußerer Wärmezufuhr partiell erhitzt werden muss und zweitens infolge der langsamen instationären Aufheizung (infolge der sehr geringen Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffs) nur eine vergleichsweise geringe Durchlaufgeschwindigkeit bei der Herstellung der Strukturen zu erzielen ist.
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Es sind ferner Verfahren zum mehrdimensionalen Strukturieren durch ein materialschonendes Beul- bzw. Wölbverformen von Materialbahnen oder Folien bekannt. Dabei entstehen in einer dünnen Materialbahn gleichmäßige, versetzte viereckige (
DE 4311978 C1 ,
DE 4401974 A1 , oder hexagonale (
EP 0693 008 B1 ) Strukturen, zusammengesetzt aus Falten und Mulden, dadurch, dass gekrümmte Wände auf der Innenseite durch Stützringe oder Stützspiralen abgestützt und durch äußeren Überdruck oder inneren Unterdruck beaufschlagt werden. Diese Verfahren wurde weiterentwickelt, um mehrdimensional versteife, wie hexagonal oder wappenförmig wölbstrukturierte (
EP 0900 131 B1 ,
EP 0888 208 B1 ) oder dreidimensional wellenförmig strukturierte (
DE 10 2005 041 516 B4 ) oder dreidimensional facettenförmig strukturierte (
DE 10 2005 041 555 B4 ) Materialbahnen herzustellen. Bei den dreidimensional wellenförmigen Strukturen spricht man von den Wülsten (anstatt Falten) und von Kalotten (anstatt Mulden), wie in der
DE 10 2005 041 516 B4 beschrieben und begründet wird. Alle diese mehrdimensionalen Strukturen verleihen einem ebenen dünnwandigen Material eine hohe Formsteifigkeit (insbesondere Biege- und Beulsteifigkeit). Ferner sind Beul- bzw. Wölbstrukturierungsverfahren für die Herstellung von versetzt-viereckigen Rohrabschnitten
DE 25 57 215 A1 oder versetzt-viereckigen bzw. sechseckigen, längeren Rohren (
DE 44 01 974 A1 ,
EP 0 693 008 B1 ) oder hexagonalen Rohrabschnitten (
EP 0 900 131 B1 ) oder wappenförmigen Rohrabschnitten, wobei die Beulen nachgestreckt sein können (
EP 0 888 208 B1 ), oder polyedrisch beulstrukturierten Rohrabschnitten (
DE 197 50 576 A1 ) oder hexagonalen Rohrabschnitten als Deformationselement (
DE 198 58 432 B4 ) oder thermisch belasteten Rohrabschnitten (
DE 100 59 055 B4 ) oder dreidimensional wellenförmig strukturierten, zylindrischen oder ovalen Rohrabschnitten (
DE 10 2005 041 516 B4 ) oder dreidimensional facettenförmig strukturierten Rohrabschnitten bzw. Trommeln (
DE 10 2006 062 189 B4 ) bekannt. Alle diese bekannten Verfahren zum Beul- bzw. Wölbstrukturieren weisen jedoch noch mehrere Defizite auf: Erstens werden Stützelemente oder Stützwerkzeuge oder angepasste Formwerkzeuge benötigt, die auf der Innenseite der Rohrwand angebracht werden. Deshalb sind diese Verfahren zum Beul- bzw. Wölbstrukturieren für die Herstellung von langen, mehrdimensional strukturierten Rohren in einem kontinuierlichen Prozess nicht geeignet. Zweitens haben neuere Untersuchungen zum Beul- bzw. Wölbstrukturieren von Rohren aus thermoplastischem Werkstoff ergeben, dass zwar die Rohrwand beim Strukturieren deutlich weniger gedehnt wird als bei den bereits genannten, prägenden Strukturierungsprozessen, aber dennoch eine unbefriedigende Dehnung und Einschnürung des Rohrwerkstoffes im Bereich der Stützelemente in Kauf genommen werden muss. Das gilt insbesondere für Rohre aus einem thermoplastischen Werkstoff, wobei für eine hohe Versteifung die Relation von Strukturtiefe und Rohrwanddicke groß sein soll. Das gilt ferner für Rohre aus faserverstärktem Kunststoff, bei denen die Fasern bereits bei kleinen Dehnungen reißen würden.
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Es ist ferner in der
DE 102 18 144 B4 ein Verfahren zum Herstellen beulstrukturierter Behälter, wie Dosen oder Flaschen (insbesondere Trinkflaschen aus dünnem PET-Kunststoff mit etwa 0,6 mm Wanddicke) bekannt, wobei die Rundungen der Beulfalten oder Faltstege zwecks Rückspringeffekt flacher ausgeführt werden, als sie sich durch eine selbstorganisierende Beulstrukturierung ergeben würden. Nachteilig ist hierbei, dass durch die eher flachen Rundungen der Beulfalten oder Faltstege (
DE 102 18 144 B4 ) keine hohe Steifigkeit zu erreichen ist.
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Nachteilig ist auch, dass insbesondere bei der Herstellung tiefer Strukturen die zylindrische Wand gedehnt und somit die Wanddicke partiell reduziert würde, weil beim bekannten Blasformen der Kunststoff in die Ausbuchtungen der Blasformwerkzeuge plastisch durch eine Art von Streckziehen hineingedrückt wird. Schließlich würden sich bei der Entnahme der blasgeformten Werkstücke im Falle von zwei Blasformwerkzeugen erhebliche Schwierigkeiten ergeben, wenn die Strukturtiefe im Verhältnis zur zylindrischen Wanddicke (Problem: Hinterschneidung) groß ist.
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Es ist ferner in der
EP 1 839 843 A2 ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffbauteils aus faserverstärktem Kunststoff beschrieben, wobei eine Ausgangsschicht aus einem Verbund aus einem Verstärkungsmaterial (Fasern) und einem vernetzbaren Bindemittel zusammengesetzt ist und dann wölbstrukturiert wird. Hierbei wird das Bindemittel während des Wölbstrukturierprozesses oder unmittelbar danach ausgehärtet. Nachteilig ist hierbei, dass sich auf diese Weise nur Beul- bzw. Wölbstrukturen mit Strukturtiefen entsprechend dem rein geometrischen, d. h. isometrischen, „Einploppen” herstellen lassen, wobei die Größe der Oberfläche nicht oder nur sehr wenig vergrößert wird. Beim Einbringen von tieferen würde die Oberfläche des Materials durch Dehnung vergrößert, wodurch das Verstärkungsmaterial in der Gestalt von Fasern leicht reißen könnte.
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Im Folgenden werden einige Details noch etwas näher beschrieben und begründet, um die zu überwindenden Schwierigkeiten bei der Herstellung von insbesondere mehrdimensional strukturierten Rohren vorzugsweise aus Kunststoff, faserverstärktem Kunststoff, Fasermaterial oder Verbundmaterialien deutlich herauszustellen.
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Neuere Untersuchungen haben ergeben, dass die folgenden Schwierigkeiten bei der Herstellung von mehrdimensional beul- bzw. wölbstrukturierten thermoplastischen Kunststoffrohren, wie beispielsweise aus PVC, auftreten können. Wenn Rohre aus Kunststoff beul- bzw. wölbstrukturiert werden sollen, findet das bei einer erhöhter Temperatur (oberhalb der so genannten Glastemperatur, bei PVC: t > 79°C) statt, damit sich der Werkstoff beim Strukturieren im elastisch-plastischen Übergangsbereich befindet (unterhalb der Glastemperatur verhält sich der Kunststoff spröde). Denn nur so können einerseits der quasi dynamische „Plopp-Effekt” zustande kommen und andererseits eine plastische Verformung, insbesondere im Bereich der Falten (Bereich der geringsten Krümmungsradien), stattfinden. Unterhalb der Glastemperatur wäre zwar einen dynamischer „Plopp-Effekt” theoretisch denkbar, jedoch könnte der thermoplastische Werkstoff leicht reißen. Bei dem bisher bekannten Beul- bzw. Wölbstrukturieren von Rohren aus PVC-Kunststoffkönnen bisher noch drei Probleme auftreten:
Das erste Problem (A) besteht darin, dass oberhalb der Glastemperatur der thermoplastische Rohrwerkstoff bereits so weich ist, dass die Wanddicke der Rohrwand während des Beul- bzw. Wölbstrukturierens am Ort des Andrücken der Stützelemente zusammengedrückt wird und dadurch die Ringsteifigkeit des strukturierten Rohres deutlich abnimmt. Experimentelle Versuche beim Wölbstrukturieren von Kunststoffrohren aus PVC haben beispielhaft ergeben, dass die örtliche Wanddicke um ca. 5% und mehr verringert wird. Da die Biegesteifigkeit einer dünnen Wand etwa zur dritten Potenz der Wanddicke eingeht und ferner bei einer mechanischen Belastung des strukturierten Rohrs der Bereich der Strukturfalten (im Vergleich zu den Mulden) die höchsten Deformationen erleidet, resultiert daraus eine Verminderung der Ringsteifigkeit in der Größenordnung von etwa 15%. Dadurch würde das eigentliche Ziel, die Ringsteifigkeit eines Rohres durch mehrdimensionale Strukturen (infolge des erhöhten Flächenträgheitsmomentes) erheblich zu versteifen, zum Teil wieder zunichte gemacht.
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Das zweite Problem (B) besteht darin, dass Rohre aus thermoplastischem Kunststoff, wie beispielsweise PVC, wegen ihrer im Vergleich zu metallischen Rohren drastisch geringeren Festigkeit (Streckgrenze und Bruchfestigkeit) des Werkstoffes eine erheblich größere Wanddicke besitzen müssen als Rohre aus Metall. Für PVC-Rohre mit einem Durchmesser von beispielsweise etwa 110 mm beträgt die übliche Wanddicke 2 bis 3 mm. Wenn beispielsweise aus optischen oder strömungstechnischen Gründen hexagonale Strukturen mit einer Schlüsselweite des Hexagons von 33 mm gewählt werden, ergeben sich geometrisch 10 Strukturen auf dem Rohrumfang. Bei einem rein geometrischen „Einploppen” (Beulen einer Zylinderschale) würden sich in diesem Fall hexagonale Strukturtiefen von etwa 2,6 mm bilden. Eigene experimentelle Untersuchungen an Rohren aus PVC haben im Zusammenhang mit halbempirischen Berechnungsgleichungen für die Erhöhung der Ringsteifigkeit ergeben, dass sich im Falle einer Strukturtiefe 2,6 mm, einer PVC-Rohrwanddicke 2,2 mm und einem äußeren Rohrdurchmesser 110 mm eine Steifigkeitsversbesserung von nur ca. 67% gegenüber der glatten, d. h. nicht strukturierten, Rohrwand (bei gleicher Wanddicke) ergeben würde. Um eine deutlich höhere Ringsteifigkeit zu erzielen, müsste die Strukturtiefe deutlich größer, beispielsweise 3,6 bis 5,0 mm gewählt werden. Das wäre jedoch mit Hilfe des rein geometrischen „Einploppens” (Beulens) nicht zu erreichen. Um größere Strukturtiefen zu erzeugen, müsste man nach Stand der Technik die Strukturtiefen durch eine Art Streckziehprozess noch tiefer ausformen. Da, wie bereits beschrieben, die Biegesteifigkeit einer dünnen Platte (etwa vergleichbar mit der Ringsteifigkeit eines dünnen Rohres) bei einer reduzierten Wanddicke zur etwa dritten Potenz herabgesetzt wird, ist eine entsprechende Reduzierung der Wanddicke unerwünscht.
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Das dritte Problem (C) besteht darin, dass beim bekannten beul- bzw. wölbförmigen oder dreidimensional wellenförmigen oder dreidimensional facettenförmigen Strukturieren die Stützelemente, Stützwerkzeuge oder Formwerkzeuge auf der Innenseite des Rohres angeordnet werden müssten. Bei kontinuierlich hergestellten, langen Rohren ist das nicht möglich, weil der Innenraum der Rohre für eine Zuführung oder Entnahme der stützenden Elemente nicht zugänglich ist.
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Aufgabenstellung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen eines strukturierten, insbesondere mehrdimensional strukturierten, Rohres insbesondere aus Kunststoff, faserverstärktem Kunststoff, Fasermaterial und Verbundmaterialien, und Verwendung derselben, insbesondere als formsteife, dünnwandige Rohre mit hoher Ringsteifigkeit und Implosionsfestigkeit, geringem Druckverlust bei einer Durchströmung mit Fluiden, insbesondere für eine Rohrverlegung auf unebenem Erdgrund und mit einem Freispüleffekt von Feststoffpartikeln, beispielsweise in einer Abwasserleitung, oder als einseitig zu führendes Rohr oder als Rohr, das bei Dehnung oder Stauchung seinen Durchmesser nicht oder nur unwesentlich ändert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen eines insbesondere mehrdimensional strukturierten Rohres nach dem unabhängigen Anspruch 1, durch ein mehrdimensional strukturiertes Rohr im unabhängigen Anspruch 14, durch eine Verwendung des strukturierten Rohres insbesondere aus thermoplastischem Kunststoff für ein formsteifes und zugleich flexibles Rohr, insbesondere für ein Verlegerohr auf einem unebenen Erdreich sowie als Ableitrohr mit Freispüleffekt von Feststoffpartikeln im Anspruch 15 und durch eine Verwendung des strukturierten Rohres vorzugsweise aus faserverstärktem Kunststoff für Klimarohre in Fahrzeugen verschiedenster Art, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt oder als einseitig zu führendes Rohr oder als Rohr, das bei Dehnung oder Stauchung seinen Durchmesser nicht oder nur unwesentlich ändert im Anspruch 16.
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Diese komplexe Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass ein Rohr, insbesondere aus Kunststoff, durch eine im Wesentlichen isometrische Umformung, im vorzugsweise kontinuierlichen Prozess, insbesondere so mit mehrdimensionalen Strukturen ausgestattet wird, dass sich eine hohe Versteifung und zugleich eine axiale Flexibilität der Rohrwand ergibt. Nach der Erfindung wird das dadurch erreicht, dass in einem ersten Herstellungsschritt, insbesondere in einem Extrudierprozess, ein glattes Rohr gebildet und auf eine Temperatur oberhalb der Glastemperatur des Kunststoffs gekühlt bzw. gehalten wird und dann konzentrisch um das glatte Rohr angeordnete, strukturierte Druckelemente, die mit einer Negativ-Kontur von regelmäßig angeordneten, vorzugsweise mehrdimensionalen Strukturen, insbesondere beul- oder wölbförmigen Strukturen mit Falten bzw. Wülsten und Mulden bzw. Kalotten ausgestattet sind, von außen konzentrisch (radial) gegen das Rohr bewegt werden, wobei zur Rohrwand eine radiale Deformationskraft gebildet wird und gleichzeitig eine Membrankraft in Umfangsrichtung der Rohrwand gebildet wird, wobei sich während der Bildung, der vorzugsweise dreidimensionalen Strukturen in der Rohrwand, der mittlere Durchmesser der Rohrwand etwa in der Weise reduziert, dass diese gebildete Differenzlänge des Umfangs exakt oder angenähert der Summe der gebildeten Längendifferenzen der auf dem Umfang abgewickelten Strukturkonturen im Vergleich zum nicht strukturierten Umfang ergibt. Die Membrankraft als quasi stauchende Druckkraft (in der Rohrwand) bildet sich nach der Erfindung dadurch, dass erstens die von außen auf die Rohrwand wirkende Kraft größer ist als die auf der Innenseite der Rohrwand wirkende Kraft und zweitens diese Membrankraft geringer ist als diejenige zentrische Druckkraft, die zu einem globalen Beulversagen des Rohres führen würde (Begründung: auf der Innenseite des Rohres befinden sich keine Stütz- oder Formelemente wie beim bekannten Beul- bzw. Wölbstrukturierungsverfahren). Nach den bekannten Gesetzten der Mechanik, z. B. Gleichung von v. Mises, kann man diese zu einem globalen Beulversagen eines dünnwandigen Rohres führende äußere Druckbelastung und die daraus resultierende Membrankraft berechnen. Wenn sich im zeitlichen Ablauf des Strukturierens die ersten sanften Strukturkonturen gebildet haben, ergeben sich nach der Erfindung zwei sich verstärkende Effekte: Erstens wird die Ringsteifigkeit des Rohres bereits etwas erhöht, was einen entsprechend größeren äußeren Beuldruck (mit Vermeidung eines globalen Beulversagen) gestattet. Zweitens wird die bereits sanft strukturierte Rohrwand in ihrer Umfangsrichtung infolge der gebildeten Struktur etwas flexibler, und damit tritt leichter eine Raffung der Rohrwand in Umfangsrichtung auf. Mit anderen Worten: Zu Beginn des Strukturierungsvorgangs wird darauf geachtet, dass eine definierte Membrankraft (durch Einstellung der Differenzkraft zwischen der von außen und von innen auf die Rohrwand wirkenden Gesamtkräfte) nicht überschritten wird. Mit Hilfe dieser, wenn auch im Vergleich zur Deformationskraft in der Regel geringen Membrankraft wird nach der Erfindung erreicht, dass die Rohrwand während des gesamten Strukturierungsvorgangs etwas gestaucht (gerafft) wird und auch bei einer mehrdimensionalen Strukturbildung die Rohrwanddicke nicht oder nur gering reduziert wird.
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Nach der Erfindung wird der überwiegende Anteil der Deformationskraft für die Strukturbildungen entweder durch ein Vakuum zwischen den strukturierten Druckelementen und der äußeren Rohrwand oder durch einen Überdruck im Innern des Rohres erzeugt.
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Diese Vorgänge sind sehr komplex und werden deshalb im Folgenden entlang des Prozessablaufes noch etwas näher erläutert. Beispielhaft werden 4 bewegliche, strukturierte Druckelemente konzentrisch an das zu strukturierende, glatte Rohr angelegt und dabei in axialer Richtung des Rohrs durch vorzugsweise ruhende Leitschienen seitlich geführt. Durch eine simultane zentrische Bewegung der strukturierten Druckelemente in Richtung zur Rohrachse wird die Kontur der Stützelemente der Druckelemente stetig in die Rohrwand eingedrückt. Nach der Erfindung wird, wie oben bereits begründet, diese Bewegung der strukturierten Druckelemente zentrisch Kraft- und Weg gesteuert vorzugsweise so durchgeführt, dass sich eine Membrankraft in der Rohrwand aufbaut, die kleiner ist als diejenige Membrankraft, die in der Rohrwand, die auf der Innenseite nicht mit irgendwelchen Stützelementen oder Formwerkzeugen versehen ist, ein globales Einbeulen hervorrufen könnte. Der Zweck dieser, wenn auch in der Regel kleinen, gebildeten Membrankraft (in Umfangsrichtung der Rohrwand) besteht nach der Erfindung darin, dass die so gebildeten Druckkräfte in der Membran der Rohrwand die Erzeugung von sogar tiefen Strukturen, vorzugsweise Beul- bzw. Wölbstrukturen, durch eine Art von Raffung unterstützen, wobei die Rohrwand stetig, d. h. schrittweise, partiell in die Konturen der strukturierten Druckelemente hineingedrückt werden. Das Resultat ist eine isometrische oder nahezu isometrische Verformung. Mit anderen Worten: Nach der Erfindung kann exakt oder zumindest näherungsweise erreicht werden, dass sich während der Bildung der vorzugsweise dreidimensionalen Strukturen in der Rohrwand der mittlere Durchmesser der Rohrwand etwas in der Weise reduziert, dass diese gebildete Differenzlänge (des Umfangs) exakt oder angenähert der Summe der gebildeten Längendifferenzen der auf dem Umfang abgewickelten Strukturkonturen im Vergleich zum nicht strukturierten Umfang ergibt. Dieser Zusammenhang wird später anhand der 1 anschaulich erläutert. Ohne diese definiert Kraft- und Weg gesteuerte, zentrische Bewegung der strukturierten Druckelemente in Verbindung mit einer vorzugsweise aufgebauten Membrankraft nach der Erfindung würde die Rohrwand im Bereich der Strukturen partiell mehr gedehnt und damit die Wanddicke reduziert werden. Das Verfahren nach der Erfindung wird im Folgenden noch etwas weiter beschrieben und ausgeführt.
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In einer Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung wird eine senkrecht zur Rohrwand gebildete Deformationskraft auf der Außenseite des Rohres durch ein Vakuum zwischen der äußeren Oberfläche des Rohres und der inneren Oberfläche der strukturierten, vorzugsweise starren Druckelemente gebildet. Hierzu werden die Kontaktflächen, zwischen den beweglichen, strukturierten Druckelementen einerseits und den vorzugsweise ruhenden Leitschlitten andererseits, dicht geführt.
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In einer weiteren Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung werden insbesondere dreidimensional strukturierte, vorzugsweise beul- bzw. wölbförmig oder dreidimensional wellenförmig oder dreidimensional facettenförmig gebildete Strukturen dadurch erzeugt, dass elastische, strukturierte Druckelemente konzentrisch um das glatte Rohr angeordnet und dann gegen das Rohr gedrückt werden. Hierbei werden die elastischen Druckelemente insgesamt und somit auch die Konturen der Druckelemente selbst etwas konzentrisch zusammengedrückt, wodurch dann auch die Konturen, wie die Schlüsselweite der gebildeten hexagonalen Strukturen, stetig etwas kleiner werden. Das entspricht auch zu dem stetig etwas kleiner werdenden, gemittelten Durchmesser des vorzugsweise mehrdimensional strukturierten Rohres. Bei dieser Ausführung können die Leitschienen entfallen.
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In einer weiteren Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung wird die senkrecht zur Rohrwand gebildete Deformationskraft auf der Innenseite des Rohres durch einen Überdruck im Rohr gebildet. Hierfür wird, vorzugsweise in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess, das Rohr vorne (hinter dem Corrugator) in dem bewegten, glatten Anschlussbereich mit einem Dichtstopfen und hinten (vor dem Corrugator, beispielsweise hinter der Kühlung am Austritt des Extruders) mit einer vorzugsweise stationär ruhenden, inneren Dichtscheibe, über die der glatte Rohrbereich gezogen wird, ausgestattet. Vorzugsweise werden die hintere Dichtscheibe und der vordere Dichtdorn mit Hilfe eines langen Rundstabes geführt, wobei die Dichtscheibe durch den Rundstab fixiert wird und der Dichtdorn über dem Rundstab dicht gleitet. Auf diese Weise kann ausgeschlossen werden, dass die glatte, noch weiche Rohrwand (nach dem Extruder) infolge des für die Strukturierung erforderlichen inneren Überdruckes unzulässig aufgeweitet wird. Nach der Strukturierung sorgt ggf. eine weitere Kühlung dafür, dass der fertig strukturierte Rohrbereich durch den inneren Überdruck nicht unzulässig aufgeweitet wird.
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In einer weiteren Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung werden dreidimensional strukturierte, insbesondere beul- bzw. wölbförmig oder dreidimensional wellenförmig oder dreidimensional facettenförmig gebildete Strukturen erzeugt. Im Falle vom thermoplastischen Kunststoff oder beispielsweise thermoplastischem Kunststoff, beispielsweise Polypropylen (PP) mit Füllstoff, insbesondere Glasfasern, wird vorzugsweise in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess zunächst in einem Extruder ein glattes Rohr hergestellt und auf eine Temperatur oberhalb der Glastemperatur abgekühlt. Die mehrdimensionale Strukturierung erfolgt in dem Corrugator, der die Negativ-Kontur der gewünschten Struktur des Rohrs besitzt.
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In einer weiteren Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung werden dreidimensional strukturierte, insbesondere beul- bzw. wölbförmig oder dreidimensional wellenförmig oder dreidimensional facettenförmig gebildete Strukturen aus faserverstärktem Kunststoff mit einem Duromer erzeugt. Hierzu wird eine noch nicht ausgehärtete, faserverstärkte Kunststoffbahn als sogenanntes Prepreg vorzugsweise um einen Dorn zu einem Rohr gewickelt und dann in einem strukturierten Corrugator mit dreidimensionalen, vorzugsweise beul- bzw. wölbförmigen oder dreidimensional wellenförmig oder dreidimensional facettenförmigen Strukturen ausgestattet und unter Druck und erhöhter Temperatur ausgehärtet.
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In einer weiteren Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung werden Werkstoffe insbesondere aus thermoplastischem Kunststoff, Elastomer, faserverstärktem Kunststoff, Fasermaterial oder Verbundmaterialien verwendet.
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In einer Ausführungsform nach der Erfindung wird ein nach dem Verfahren hergestelltes strukturiertes Rohr mit regelmäßig angeordneten Strukturen, insbesondere dreidimensional strukturierten, vorzugsweise beul- oder wölbförmigen Strukturen, dreidimensional wellenförmigen Strukturen oder dreidimensional facettenförmigen Strukturen ausgestattet, die eine konstante oder nahezu konstante Wanddicke aufweisen.
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In einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung wird ein nach dem Verfahren hergestelltes strukturiertes Rohr als flexibles, dünnwandiges Rohr, vorzugsweise aus thermoplastischem Kunststoff, beispielsweise Polyvinylchlorid (PVC) oder Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE) verwendet, das eine hohe Steifigkeit, insbesondere Ringsteifigkeit aufweist und zugleich flexibel ist und sich deshalb vorteilhaft für eine Rohrverlegung auf einem unebenen Erdgrund eignet und dem Erddruck sowie einem örtlichen Eindrücken der Rohrwand, beispielsweise durch harte Steinbrocken, standhalten kann. Aufgrund der vorzugsweise versetzten und zugleich gerundeten dreidimensionalen Strukturen, insbesondere beul- oder wölbförmigen, dreidimensional wellenförmigen oder dreidimensional facettenförmigen Strukturen, besitzt das strukturierte Rohr, beispielsweise als mit Schmutz- und Sandpartikeln beladenes Abwasserrohr einen Freispüleffekt infolge der Verwirbelung der strömenden Flüssigkeit und kann die Feststoffpartikel mit sich fortschleppen und schließlich am Rohrende ausspülen
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In einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung wird ein nach dem Verfahren hergestelltes strukturiertes Rohrs als flexibles, dünnwandiges Rohr, vorzugsweise aus höherfestem thermoplastischen Kunststoff, auch unter höheren Betriebstemperaturen, beispielsweise Polyamid (PA) oder Polycarbonat (PC), verwendet, das flexibel ist und eine hohe Steifigkeit, insbesondere Ringsteifigkeit und Implosionssteifigkeit besitzt, oder vorzugsweise aus faserverstärkten Kunststoffen, insbesondere als extrem leichte und feste Klimarohre in Fahrzeugen, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt.
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In einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung wird ein nach dem Verfahren hergestelltes Rohr, als hinreichend flexibles und zugleich formsteifes, insbesondere ring- und implosionssteifes Rohr, insbesondere in der Apparate-, Maschinen- oder Automobiltechnik verwendet. Nach der Erfindung behält ein wölbstrukturiertes, dünnwandiges Rohr sowohl bei einer Biegebeanspruchung als auch bei einer dehnenden Belastung besser seine kreisrunde Gestalt und seinen Durchmesser bei als ein analoges dünnwandiges glattes Rohr. Aufgrund der deutlich höheren Ringsteifigkeit ist das zu erklären, weil ein glattes, insbesondere dünnwandiges Rohr bei einer axialen Biegebeanspruchung infolge seiner radialen Biegeweichheit leicht in eine ovale, weniger steife Form übergeht, weil das Flächenträgheitsmoment (zur Biegeachse) reduziert wird. Die bessere Formtreue des strukturierten, insbesondere beul- oder wölbförmig strukturierten Rohres im Vergleich zum glatten Rohr ist ein überraschender Effekt: Eigene experimentelle Untersuchungen lieferten das folgende Ergebnis an einem Beispiel: Ein dünnwandiger Rohrabschnitt aus dem thermoplastischen Kunststoff PP einer handelsüblichen 0,5 l Trinkflasche mit der Dicke 0,6 mm und dem Durchmesser 64,4 mm wurde mit 8 hexagonalen Wölbstrukturen auf dem Rohrumfang ausgestattet. Dem entspricht eine Schlüsselweite (SW) = 25,2 mm des Hexagons der gebildeten Strukturen. Bei einer axialen Dehnung der Ausgangslänge = 89 mm des Rohres um die Längendifferenz 7,0 mm schnürte sich der Außendurchmesser des strukturierten Rohres von 64,4 mm auf 63,8 mm ein, d. h. um 0,6 mm, oder bezogen auf den Ausgangsdurchmesser um 1%, bei einer axialen Dehnung von 8%. Bei einer kleineren Längendifferenz von 3,5 mm schnürte sich der Außendurchmesser des strukturierten Rohres von 64,4 mm auf 64,25 mm ein, d. h. um 0,2 mm, oder bezogen auf den Ausgangsdurchmesser um lediglich 0,3%, bei einer axialen Dehnung von 4%. Bei der Volumenkonstanz des umgeformten thermoplastischen Kunststoffes hätte man eigentlich eine Einschnürung von 3,5 mm/89 mm/3,14 = 1,25% erwartet, wie es sich bei einer entsprechenden Dehnung des glatten, d. h. nicht strukturierten, Rohres ergibt. Somit hält ein wölbstrukturiertes, dünnwandiges Rohr, beispielsweise aus PP, bei geringen prozentualen Dehnungen unter 4% seinen äußeren Durchmesser nahezu konstant bei. Bei den entsprechenden Dehnungen eines analogen glatten Rohres aus PP wurden die folgenden Werte gemessen: Bei der axialen Dehnung um 3,0 mm, entsprechend 3,3%, schnürte sich der Außendurchmesser von 65,0 mm auf 64,4 mm, entsprechend 0,9%, ein. Diese Werte für das glatte Rohr entsprechen der bekannten und zu erwartenden Volumenkonstanz des Kunststoffes (unter Berücksichtigung des Faktors 3,14 für den Umfang des Rohres) bei einer axialen Dehnung.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer zeichnerischen Darstellung erläutert.
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1 zeigt schematisch in einer Übersichtszeichnung für den prinzipiellen Verfahrensablauf eine Draufsicht auf ein glattes Rohr mit einer Kühlung nach dem Austritt des Extruders, und dann in Fertigungsrichtung eine Draufsicht auf ein strukturiertes Rohr in einer sehr vereinfachten, nicht perspektivischen Darstellung, und ferner einen Querschnitt durch einen oberen und einen unteren Corrugator.
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2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch das noch nicht strukturierte, glatte Rohr und durch das fertig strukturierte Rohr, ferner vier Querschnitte durch die um das Rohr angeordneten, zentrisch und axial bewegbaren Druckelemente mit ihren Bohrungen für die Vakuumleitungen und ferner die Querschnitte von vier vorzugsweise stationär angeordneten Leitschienen.
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3 zeigt schematisch die Draufsicht auf ein hexagonal strukturiertes Rohr in einer perspektivischen Darstellung und den Querschnitt durch ein oberes und unteres Druckelement.
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1 zeigt schematisch die einzelnen Prozessschritte für den Verlauf des glatten, erhitzten Rohres 1 am Austritt des Extruders 2 (nur schematisch angedeutet), die Kühlung durch Wasser (nur angedeutet durch Pfeile), das fertig strukturierte Rohr 1 in einer vereinfachten Draufsicht mit den zick-zack-förmig umlaufenden Falten bzw. Wülsten 3, den axial verlaufenden Falten bzw. Wülsten 4 und den Mulden bzw. Kalotten 5 der hexagonalen Beul- bzw. Wölbstrukturen oder dreidimensional wellenförmigen Strukturen. Das obere Druckelement 7 wird gegen die Oberseite des Rohres 1 und das untere Druckelement 7 wird gegen die Unterseite des Rohres 1 gedrückt. Zwei weitere Druckelemente 8 und 9 (in 2) sind auf der Vorderseite bzw. auf der Rückseite zum Rohr 1 angeordnet und sind in 1 explizit nicht dargestellt. Die Druckelemente 6 und 7 laufen während des Einbringens der Strukturen in derselben Geschwindigkeit mit dem von links nach rechts bewegten Rohr 1 mit. Nach dem Einbringen der Strukturen in das Rohr 1 werden das obere Druckelement 6 und das untere Druckelement 7 zunächst radial zur Rohrachse etwas fortbewegt und dann axial wieder zurückbewegt (schematisch durch die Pfeile dargestellt).
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2 zeigt schematisch das Rohr 1 in zwei unterschiedlichen Positionen sowie die um das Rohr 1 angeordneten und mit bewegten Druckelemente 6, 7, 8 und 9 (Corrugatoren) und die axial zum Rohr 1 ruhend angeordneten Leitschienen 10, 11, 12 und 13. Die Druckelemente 6, 7, 8 und 9 können zwischen den ruhenden Leitschienen 10, 11, 12 und 13 zentrisch und axial zur Rohrachse bewegt werden; sie befinden sich zunächst noch nicht im Eingriff. In dem nach außen hin dicht abgedichteten Raum zwischen der Außenseite des Rohres 1 und der Innenseite der Druckelemente 6, 7, 8 und 9 wird mittels der Bohrungen 14, 15, 16 und 17 ein Vakuum aufgebracht. In der 2 sind die Dichtungsvorrichtungen am Eingangsbereich und Ausgangsbereich der Corrugatorvorrichtung nicht explizit dargestellt. Die Dichtungsvorrichtungen könnten aus dem Fachmann bekannten flexiblen Dichtungsmanschetten bestehen, die der umlaufenden dreidimensionalen Struktur angepassten Kontur am Anfang und Ende der Corrugatoreinheit angepasst sind. Die Druckelemente 6, 7, 8 und 9 werden simultan und zentrisch gegen das Rohr 1 in der Weise gedrückt, dass einerseits infolge des Vakuums die Rohrwand in die Kontur der Druckelemente 6, 7, 8 und 9 quasi durch Saugdruck eingeformt werden und andererseits mittels definierten, zentrischen Kräften F, die auf die beweglichen Druckelemente 6, 7, 8 und 9 wirken, eine zusätzliche Umfangskraft auf die Rohraußenwand erzeugt wird. Letztere baut eine Membran-Druckkraft in der Rohrwand auf, die jedoch kleiner ist als diejenige Druckkraft, die ein örtliches oder globales, ungewünschtes Einbeulen bzw. Kollabieren des Rohres 1 hervorrufen würde. Während des Zusammenfahren der Druckelemente 6, 7, 8 und 9 bildet sich im Bereich der ersten partiellen Berührungsflächen des Rohres 1 mit den Leitschienen 10, 11, 12 und 13 zwischenzeitlich ein kleiner Hohlraum. Das ist aber nicht von Nachteil, weil infolge des Vakuums und des definiert Kraft- und Weg gesteuerten Zufahrens der Druckelemente 6, 7, 8 und 9 die Rohrwand durch die Sogwirkung und durch die Membrankraft in die Konturen der Druckelemente 6, 7, 8 und 9 quasi hineingedrückt werden und dabei gleichzeitig durch eine Art von Raffung (durch die gebildeten Strukturen) der gemittelte Durchmesser der strukturierten Rohrwand so verringert wird, das die Rohrwanddicke überall angenähert gleich bleibt. In einer alternativen Variante, die in der 1 nicht explizit dargestellt ist, wird anstatt des Vakuums ein Überdruck im Innern des Rohres im Bereich der Corrugatorvorrichtung aufgebracht.
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3 zeigt schematisch das fertig hexagonal strukturierte Rohr 1 in einer perspektivischen Draufsicht mit den umlaufenden Falten bzw. Wülsten 4, den axial angeordneten Falten bzw. Wülsten 5 und den Mulden bzw. Kalotten 6.
