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Anwendungsgebiet
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Druckplatte einer isobaren oder isobar/isochoren Doppelbandpresse mit eingebauten und durch Bohrungen verschalteten Plattenvor- und -rücklaufbohrungen
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Stand der Technik
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Bei isobaren Doppelbandpressen stellt die Beheizung der Pressbänder innerhalb der unter Kissendruck stehenden Reaktionszone besonders dann ein ungelöstes Problem dar, wenn die Heiz- und die Kühlzone fugenlos ineinander übergehen müssen. Die Stand der Technik bildende Beheizung oder Kühlung der Druckplatte und die Übertragung der Wärme über das Druckmittel Öl oder Pressluft an die Rückseite der Pressbänder erfordert hohe Temperaturgefälle. Bei Pressluft als Druckmittel führt der Sauerstoff zum Oxidieren des dieser zugesetzten Schmiermittels, das sich an den Druckplatten als zusammenbackende Kruste aufbaut.
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Ein weiterführender Stand der Technik, der in der Firma Kurt Held GmbH i. K., Trossingen, Weigheimer Strasse 11 entwickelt worden ist sieht nach DE zylinderförmige, in Längsrichtung dreigeteilte Wärmebrücken vor, die über Federn in Sackbohrungen in den Druckplatten so an die Pressbandrückseite angedrückt werden, dass sie sich sowohl gegen die umgebende Bohrungswand als gegen die Pressbandrückseite abstützen und so eine horizontal und vertikal gleitend verschiebliche Wärmebrücke zwischen Druckplatte und Pressbandrückseite bilden.
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Dieser Stand der Technik hat zum entscheidenden Nachteil, dass bei steil ansteigender Bandtemperatur die eindimensionale Plattenbeulung nach Euler keine Stützung findet, weil die dreigeteilten zylindrischen Wärmebrücken der beulenden Pressbandoberfläche folgen. Die Wärmebrücken geben nach und an den Beulenspitzen, die in Längsrichtung der Pressbänder parallel zu den Bandkanten verlaufen, kommt es zu plastischen Verformungen, die bis zu Ermüdungsbrüchen führen und so die Lebensdauer der Pressbänder bis zur Unwirtschaftlichkeit der Anlage verkürzen können.
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Diese Situation wiederum ist besonders störend, wenn vergleichsweise hohe Pressbandtemperaturen dargestellt werden sollen, wie, z. B. zum Schmelzimprägnieren nach
DE 10 2005 044 648 A1 . Dabei sind je nach dem Schmelzpunkt des Faserbindemittels Temperaturen bis 420°C gebräuchlich, die Pressbänder nicht ohne besondere Massnahmen zur Begrenzung des Temperaturanstieges und des Temperaturabfalles über die Länge der Reaktionzone nachhaltig betriebssicher aushalten.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, die Beheizung und Kühlung der Pressbandrückseite so zu verbessern, dass in der Reaktionszone der Doppelbandpresse die Temperatur so schnell ansteigen und für die Kühlung abfallen kann, dass sich trotz vergleichsweise hoher Pressbandtemperaturen bis zu 420°C keine für die Gebrauchsdauer der Pressbänder unzulässigen Spannungen einstellen.
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Vorteile der Erfindung
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Solche hohen Temperaturen sind nahegelegt durch das Arrheniusgesetz für die Dauer von chemischen Reaktionen in Abhängigkeit von der Reaktionstemperatur, die bei einer DBP von den Pressbändern bestimmt wird, wie sie vor allem bei Polyadditionen von duroplastischen Harzen wie Melamin-, Harnstoff-, Phenol- oder Epoxydharzen vorkommen. Die Pressbandtemperatur als Reaktionstemperatur steht dabei für die Geschwindigkeitskonstante k als im Nenner des als Quotient ausgedrückten negativen Exponenten und führt zu der Daumenregel für den Durchschnittsfachmann: 10°C höhere Pressbandtemperatur halbieren die Reaktionszeit.
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Diese resultiert jedoch für die feststehende Länge der Reaktionszone einer Doppelbandpresse in einer Verdoppelung der Vorschubgeschwindigkeit der Pressbänder und damit in einer Verdoppelung der Produktionsmenge in z. B. m2 je Zeiteinheit. Weitere, bei sicherem Anlagenbetrieb mögliche Temperaturerhöhungen haben die gleiche Folge für die weitere Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit der Pressbänder.
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Für die praktische Auslegung einer Doppelbandpresse zur Herstellung duroplastisch gebundener Laminate hat die Wirksamkeit dieses Gesetzes zur Folge, dass bereits sehr kurze, kostengünstiger herstellbare Doppelbandpressen grossen Ausstoss bekommen, wenn es gelingt, hohe Pressbandemperaturen erst unter Druck in der Reaktionszone zu erzeugen, also T/L-Kurven wie in Skizze 051029 T/L-Kurven im Bereich des Kurvenmaximums dargestellt zu realisieren. In dieser Skizze stellt der rot kreuzschraffierte Bereich der roten T/L-Kurve den erfindungsgemäss erzielten Zuwachs an Produktiviät dar, etwa 30°C, verglichen mit dem von der blauen Kurve dargestellten Stand der Technik mit dreigeteilten Kupferzylindern.
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Eine vom Presseneinlauf her ansteigende Temperatur der Pressbänder ist jedoch auch für die Darstellung von Faser/Bindemittel-Gemischen aus thermoplastischen Harzen erwünscht, weil sich damit eine Abdichtung der Produktbahn von der im sogg. Einlaufkeil anstehenden Atmospäre und dem unter Reaktionszonendruck stehenden Schmelze/Fasergemisch innerhalb der Reaktionszone durch zunächst hohe Schmelzeviskosität bei niedriger Temperatur besser realisieren lässt.
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Die praktische Bedeutung niedriger Temperaturen in der keilförmigen Einlaufzone für den Imprägniervorgang zwischen Fasergemisch und Bindemittelschmelze ist besonders für monofile Gewebe als Armierung bedeutsam: Fasern in solchen Geweben ordnen sich gegen einander als Triplet an, in dessen etwa dreieckigen Hohlraum Luft oft dann eingeschlossen wird, wenn der Reaktionszonendruck auf die Schmelze oder deren, die Schmelzeviskosität in bekannter Weise senkende Temperatur nicht hoch genug ist, um Schmelze in diesen Hohlraum einzudrücken, die die eingeschlossene Luft löst und auch nach Abkühlung nur durch Diffusion entweichen lässt, sich also keine Hohlräume neu bilden können. Die so erreichte und oft erwünschte Folge sind klar durchsichtige bis nur wenig trübe Laminate mit hoher Zwischenfaserbindung.
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Kritisch ist die vom Temperaturverlauf in bekannter Weise werkstoffabhängige Dehnung der Pressbänder in Querrichtung, die zu für die Dauerbiegefestigkeit unzulässig hohen Druck- bzw. Zugspannungen dann führen kann, wenn der Temperaturverlauf nicht unter diesen Werten begrenzte Spannungen sicherstellt und diese Spannungen zum eindimensionalen Plattenbeulen nach Euler führen.
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Plattenbeulen nach Euler in Querrichtung der Pressbänder wiederum führt zu Druck- und Zugspannungsspitzen in den Wellenminima und -maxima, die die werkstoffspezifisch bekannten maximalen Spannungen im Bandwerkstoff nicht erreichen dürfen, wenn eine lange Lebensdauer der Pressbänder erreicht werden soll.
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Erfindungsgemässe Durchströmleisten wirken stützend gegen Eulersches Plattenbeulen und liefern eine höchst erwünschte Nebenwirkung für den Dauerbetrieb isobarer Doppelbandpressen. Obwohl die von den Anpressfedern ausgeübten Kräfte gering sind, wirken sie sofort und konzentriert dort, wo Beulen im Begriff sind, sich zu bilden, stützen also von beiden Seiten des Pressband-/Werkstoffpaketes in den Wellenmaxima und -minima.
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Die Palette der verfügbaren Werkstoffe für Doppelbandpressbänder ist sehr klein. Üblich und bewährt sind ausscheidungshärtende Edelstähle, die hart und zäh sind und gleichzeitig auch relativ niedrige spezifische Wärmedehnungen aufweisen. Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, eine Druckplatte mit Durchströmleisten zu konzipieren, die die Wärmezu- und -abfuhr durch flüssige Wärmeträger mit herkömmlichen Mitteln der Fluidsteuerung kostengünstig beherrschbar macht.
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Skizze 051029 T/L-Kurven zeigt schematisch die in ersten Anlagen betriebssicher erzielbaren, ausgeführten Temperaturverläufe, die mit Rücksicht auf die s. Z. noch fehlende Langzeitbewährung streng geheim gehalten wurden. Skizze 001030 zeigt schematisch erfindungsgemässe Durchströmleisten, die als Heiz- und Kühlleisten bezeichnet sind.
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Skizze 031030 Bandmasseproportionale Gegenstromheizung und -kühlung zeigt in Draufsicht schematisch eine erfindungsgemäss ausgebildete Druckplatte mit der für ideale band massenproportionale Wärmezufuhr durch flüssige Wärmeträger empfohlenen Leitungsführung, die von über die Drehzahl volumenregelbaren Pumpen durch das Durchströmleistenfeld gepumpt werden. Die Leisten sind, durch Pfeile angedeutet, gegensinnig durchströmt geschaltet in der Druckplatte angeordnet.
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Skizze 001217 Heiz-Kühlleiste Längsansicht zeigt in einem Querschnitt senkrecht zur Bandlaufrichtung den Verlauf des Wärmeträgerstromes durch die Druckplatte durch den in Flussrichtung ersten Fächerumlenkbogen in die Durchströmleiste durch die Plattenvorlaufbohrung, durch die Druckplattenlängswand in den die Wärme des Wärmeträgerstromes an das Pressband übertragenden Gleitflächenbereich der Durchströmleiste.
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Zu den Querteilwänden gespiegelt ist der zweite Fächerumlenkbogen angeordnet, der den Wärmeträgerstrom über den WIG-geschweissten Stülpdeckel an der zugehörigen Querteilwand vorbei in den Umlenkkanal in der Längswand der Druckplatte unter den Stülpdeckel WIG-geschweisst führt.
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Durch beanspruchungsgerechte Dimensionierung der aus gut wärmeleitendem Werkstoff, z. B. Kupfer, hergestellten Durchströmleistenteile sind diese sowohl innen- als vor allem aussendruckfest gestaltbar. Kritisch ist die Aussendruckfestigkeit, da für das grün dargestellte, die Durchströmleiste voll umschliessende Druckmittel im Kissenraum der Druckplatte Drücke bis 1200 N/cm2 gefordert werden, seit Jahren mit deutlich steigender Tendenz.
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In dieser Skizze nicht dargestellt, aber zum Zweck der Offenlegung erwähnt sei eine flache, leicht gewellte Blattfeder zwischen den geringfügig überstehend angelegten Wänden des Durchströmleistenkanals als Teil der Druckplatte und der Durchströmleiste, die diese mit geringem Hub von etwa 1 mm gegen die Rückseite der Pressbänder drückt, um Gleitkontakt mit geringster Reibung sicherzustellen. Geringste Reibung ist ein entscheidendes Kriterium für geringen Verschleiss an den ebenen Gleitflächen, d. h. lange Lebensdauer dieser Leisten und für geringe, von den Umlenktrommeln rutschfrei zu übertragende Bandantriebskräfte.
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Erfindungsgemäss stellt diese Anordnung turbulente Strömung in dem sich ergebenden sehr dünnen Schmierfilm aus Druckmittel sicher, die besonders guten Wärmeübergang an die Pressbandrückseiten ergibt als Voraussetzung dafür, T/L-Kurvenverläufe wie in Skizze 051029 dargestellt durch bandmassenproportionale Durchströmung der Durchströmleisten mit Wärmeträgeröl mit einfachster Sensorik zu realisieren.
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Als Sensoren sind Thermoelemente ausreichend genau, die auf den Pressbandrückseiten gleitend deren Temperatur messen und über die Volumensteuerung der Pumpen den Wärmeträgerstrom an die Vorschubgeschwindigkeit der Presspaketmasse der Doppelbandpresse und deren Energiebedarf anpassen. Diese ihrerseits ist jedoch eine Funktion des herzustellenden Produktes und der Optimierung der Prozessparameter an das angestrebte Produkt im laufenden Betrieb.
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Diese Qualität kann an der hergestellten Produktbahn schon nach reichlich einer Reaktionszonenlänge geprüft und die Prozessparameter an das Prüfergebnis angepasst werden. Dies ist ein entscheidender Vorteil der Doppelbandpresse als Produktionsmittel. Die vorliegende Erfindung erlaubt, die Pressbandtemperatur wie in Skizze 051029 T/L-Kurven dargestellt als einen der wichtigsten Prozessparameter mit einem Minimum an verloren zu gebendem Vormaterial innerhalb von wenigen Sekunden zu prüfen und anzupassen.
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Wird die Auslegung der Druckplatte für die Kühlung des Produktes unter Druck erfindungsgemäß gestaltet wie in Skizze 031030 Bandmassenproportionale Gegenstromheizung und -kühlung, dann kann die in der Pressbandpaketmasse gespeicherte Wärmeenergie aus der Kühlzone zurückgeführt werden in die Heizzone der Druckplatte. Die Wärmezufuhr beschränkt sich auf die im produzierten Werkstoff abgeführte Wärmemenge zuzüglich der innerhalb der Pressenstruktur unvermeidlichen Energieverluste durch Abstrahlung und Konvektion. Die möglichen Energieersparnisse bei exothermen Vernetzungsreaktionen im Produkt der Doppelbandpresse sind beträchtlich.
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Die hohe Produktivität E erfindungsgemäss ausgestalteter isobarer Doppelbandpressen in industrieüblichem 3-Schicht-24-Stunden-Betrieb wird mit der folgenden Erlössimulation für schlichtefreies Tefzel(R)-Glasfilament-Gewebelaminat deutlich. Dieses Laminat hat gegenüber aus der Emulsion drucklos gesintertem, Schlichte erforderndem Glasgewebelaminat den höchst wertvoll eingeschätzten Vorteil, dass es auch nach jahrelanger Exposition im Sonnenlicht nicht vergilbt und wegen der hochglänzend dichten Oberfläche selbstreinigend beständig ist gegen Verschmutzung und Bewuchs. Für Tragluftüberdachungen ist das sehr niedrige Gewicht je Flächeneinheit von bis zu 75 g/m2 wichtig, soweit daraus ein niedriger Tragluftdruck, der mit geringer Gebläseleistung aufrecht erhalten werden kann oder leichte Tragwerkkonstruktionen resultieren:
Eine Herstellkostensimulation nach duPont de Nemour für eine erfindungsgemäss gestaltete isobare oder isochor/hybride Doppelbandpresse errechnet den jährlichen Verkaufserlös als E [€/J] = Bandbreite 2,00 [ m ]·Vorschub 10,00 [ m/min ]·Zeit 1440 [ min/Tg ]·365 [ Tg /J]·Wirkungsgrad 0,90·Verkaufserlös 10,- [€/ m 2] = 94.608.000,- €/J.
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Von diesem Erlös sind die Kosten für Einsatzmaterial abzuziehen, die für den Zeitpunkt dieser Anmeldung mit 0,90 [€/m2) für das leichteste marktgängige Glasfilamentgewebe mit Leinenbindung zuzüglich 1,05 [€/m2] für 0,05 mm dicken Tefzel(R)Fluorpolymerfilm angenommen werden dürfen. Die mechanische Lebensdauer von Doppelbandpressen darf bei sachgemässer Wartung nach derzeitigen Erfahrungsstand seit 1975 mit > 20 Jahren angenommen werden. Der sicher erreichbare return an investment liegt damit weit unter dem in der Chemischen Industrie angestrebten Wert von 2 Jahren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005044648 A1 [0004]
