DE102011111359A1

DE102011111359A1 - Vorrichtung zur Verstärkung von Tanks mit kunstharzgetränkten Fasern

Info

Publication number: DE102011111359A1
Application number: DE201110111359
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2013-01-31
Also published as: WO2013013663A1; DE112012003132A5

Abstract

Vorrichtung zum Verstärken von Tanks durch eine kunstharzgetränkte Faserauflage, bestehend aus einem Tränkbehälter, der mit flüssigem Kunstharz befüllt ist und in dessen Nähe ein Tank angeordnet ist, der an einer drehbaren Welle befestigt ist und einer Faserführung, mittels derer Fasern von außen in den Tränkbehälter hinein und durch ihn hindurch bis auf die Oberfläche des Tanks führbar und durch Rotation des Tanks auf dessen Oberfläche aufwickelbar sind, wobei das Kunstharz durch Bestrahlung mit Ultraviolettstrahlung und/oder Licht und/oder Infrarotstrahlen härtbar ist und die Oberfläche des mit kunstharzgetränkten Fasern bewickelten Tanks durch wenigstens eine Strahlenquelle bestrahlbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verstärken von Tanks durch eine kunstharzgetränkte Faserauflage, bestehend aus einem Tränkbehälter, der mit flüssigem Kunstharz befüllt ist und in dessen Nähe ein Tank angeordnet ist, der an einer drehbaren Welle befestigt ist und einer Faserführung, mittels derer Fasern von außen in den Tränkbehälter hinein und durch ihn hindurch bis auf die Oberfläche des Tanks führbar und durch Rotation des Tanks auf dessen Oberfläche aufwickelbar sind.
Auf aktuellem Stand der Technik werden zur Herstellung von hochdruckfesten Tanks zum Aufbewahren und Transportieren von Flüssigkeiten und Gasen auf einen Hohlkörper aus Kunststoff – den Liner – mit Kunstharz getränkte Glasfasern aufgewickelt. Der Liner verbleibt im Endprodukt. Die Kunstharze werden gehärtet, so dass die darin eingebetteten Fasern den Tank stabilisieren und seine Druckfestigkeit erhöhen.
Nach diesem Prinzip beschreibt die Patentschrift US 3,366,522 wie mehrere Fasern von Spulen abgewickelt werden und über Umlenkrollen zu einem Tränkbehälter geführt werden. In diesen Tränkbehältern werden sie mit einer größeren Walze hinein gedrückt und tauchen so in das flüssige Kunstharz ein, dass sich im Tränkbehälter befindet. Nach dem Durchlaufen dieses Tränkbehälters werden die nunmehr mit flüssigem Kunstharz getränkten Fasern über weitere Umlenkrollen auf die Oberfläche des zu verstärkenden Tanks geführt. Dieser Tank ist in der US 3,366,522 zwischen zwei Achsen aufgehängt, mit denen er um seine Längsachse rotieren kann, wobei die Längsachse horizontal ausgerichtet ist.
Bei der US 3,366,522 ist der Tränkbehälter und die daran und darin angeordnete Mechanik zur Führung der Fasern auf einem Wagen angeordnet, der auf Schienen parallel zur Längsachse des Tanks reversierend an dessen Wand entlang verfahrbar ist.
Während der Tank mittels der beiden Wellen, zwischen denen er gelagert ist, um seine Längsachse verdreht wird, reversiert der Wagen mit dem Tränkbehälter und der Faserführung kontinuierlich. Dadurch werden die Fasern spiralförmig auf die Oberfläche des Tanks gewickelt. Mehrere Lagen von gegenläufigen Spiralen bilden so mehrere Schichten aus Fasern, die sich durch die gegenläufige Ausbildung der Spiralen miteinander kreuzen. An den sehr zahlreichen Kreuzungspunkten werden die Fasern durch das Kunstharz miteinander verbunden.
In einem weiteren Bearbeitungsschritt muss das Kunstharz gehärtet werden. Dadurch kann der verstärkte Behälter einem sehr viel höheren Druck standhalten als es der Kunststoffkern – der Liner – alleine könnte.
Dieses Herstellungsverfahren ist jedoch mit etlichen Nachteilen behaftet. Auf den Förderstrecken der getränkten Fasern vom Tränkbehälter bis zum Aufwickeln auf den Tank und beim Transport des bewickelten Tanks in den Ofen zum Härten des Kunstharzes tropft Kunstharz ab, das sich auf Teilen der Maschine ablagert und dort wegen der hohen Umgebungstemperatur allmählich aushärtet. Weil dadurch die Maschine alsbald blockiert werden würde, müssen die noch flüssigen Kunstharztropfen regelmäßig mit Lösungsmitteln entfernt werden. Bereits teilweise erhärtete Kunstharzreste müssen mit Lösungsmitteln aufgeweicht werden.
Im Tränkebehälter werden die Teile des Kunstharzes, die nicht von den Fasern mitgerissen werden, allmählich hart und müssen dann entfernt und entsorgt werden. Für diese Arbeiten muss die Maschine in regelmäßigen Abständen angehalten werden, wodurch der Produktionsprozess unterbrochen ist.
Nachteilig sind auch die Emissionen schädlicher Gase, die das Bedienungspersonal und die Umwelt belasten. Die zum Reinigen eingesetzten Lösungsmittel verdunsten und von dem Kunstharz selber steigen weitere Gase auf. Deshalb sind teure Absaugungen und Abluftfilter zu erstellen und zu betreiben.
Ein weiterer, wesentlicher Nachteil der bisher bekannten Verfahren ist, dass von den zumeist eingesetzten, flüssigen Kunstharzen nur relativ sehr kleine Mengen zubereitet werden können, da deren beide Komponenten nach dem Vermischen schon nach etwa einer halben Stunde beginnen, hart zu werden.
Da andererseits das vollständige Härten des Kunststoffes auch bei einer optimalen Temperatur des Härteofens zwei bis vier Stunden dauern kann, ist es ein weiterer Nachteil, dass die Herstellung bei nur einem Ofen pro Wickeleinheit trotz des zusätzlichen Fabrikraumes für den Ofen recht langsam ist. Wenn mehrere Öfen einer Wickeleinheit zugeordnet werden, wird zwar der Ausstoß der Fertigungseinheit entsprechend erhöht, aber durch die zusätzlichen Kosten für die Grundfläche sowie die Errichtung und den Betrieb der Öfen steigt auch der Preis der in dieser Fertigung verstärkten Tanks erheblich an.
Auf diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt eine Vorrichtung zum Bewickeln von Tanks mit kunstharzgetränkten Fasern zu entwickeln, die im Vergleich zum bekannten Stand der Technik eine kürzere Bearbeitungszeit erfordert, praktisch kein Kunstharz während des Auftragens verliert, sehr viel weniger Bauraum beansprucht und sehr viel weniger Energie zum Auftragen und Aushärten benötigt.
Als Lösung lehrt die Erfindung, dass das Kunstharz nur durch Bestrahlung mit Ultraviolettstrahlung und/oder Licht und/oder Infrarotstrahlen härtbar ist und die Oberfläche des mit kunstharzgetränkten Fasern bewickelten Tanks durch wenigstens eine Strahlenquelle bestrahlbar ist.
Es ist also die wesentliche Idee der Erfindung, anstelle des thermisch aushärtbaren Kunstharzes ein anderes Kunstharz zu verwenden, das nur durch Bestrahlung mit Ultraviolettstrahlung und/oder Licht und/oder Infrarotstrahlen aushärtbar ist. Dieses Material kann in größeren Mengen bereit gehalten werden, da es erst nach Jahren beginnt, hart zu werden und da es auch durch höhere Temperaturen nicht aushärtet sondern weiter flüssig bleibt.
Der hier wichtigste Vorteil ist jedoch, dass das Kunstharz bei einer entsprechend intensiven Bestrahlung schon nach einigen Sekunden seine maximale Festigkeit erreicht, also um Größenordnungen schneller aushärtet als das bisher eingesetzte, rein thermisch härtbare Material.
Vorteilhaft ist auch, dass von diesem Werkstoff keine schädlichen Gase aufsteigen, die mit hohen Kosten aufgefangen und entsorgt werden müssen.
Ein weiterer, wesentlicher Teil der erfinderischen Idee ist es, eine Vorrichtung zu entwickeln, die die genanten Vorzüge des UV-härtbaren Kunstharzes auch in vollem Umfang ausnutzt.
In einer ersten Ausführungsvariante schlägt die Erfindung deshalb vor, den Tränkbehälter ringförmig zu gestalten. In der Mitte des Ringes verbleibt ein Hohlraum, der kein Kunstharz enthält. Stattdessen wird der Behälter in diesen Hohlraum abgesenkt. Dann können die Fasern, die durch den Tränkbehälter hindurch gelaufen und danach kunstharzgetränkt sind, über den inneren Rand des Tränkbehälters hinweg abgestreift und auf die Oberfläche des Tanks geführt und gewickelt werden.
Ein derartiger Tränkbehälter ist erheblich größer und voluminöser als wie beim bisherigen Stand der Technik, was aber dank der längeren Standzeit des durch Strahlen härtbaren Kunstharzes problemlos möglich ist. Der entscheidende Vorteil des ringförmigen Tränkbehälters ist, dass aus verschiedenen Richtungen gleichzeitig mit Kunstharz getränkte Fasern auf die Oberfläche des Tanks geführt, schnell gehärtet und dann mit einer weiteren Lage von Fasern belegt werden können.
Bei diesem so genannten „Online-Verfahren” wird jede Schicht nach dem Auflegen gehärtet. Alternativ dazu ist auch eine Härtung im „Semi-online-Verfahren” möglich, bei dem mehrere Außenschichten aus kunstharzgetränkten Fasern im Bereich des Tränkbehälters aufgewickelt und erst danach von einer Strahlenquelle gehärtet werden.
Eine weitere Alternative ist das „Offline-Verfahren” bei dem ausschließlich eine Strahlenquelle außerhalb des Tränkbehälters sämtliche Schichten des Kunstharzes gemeinsam härtet.
Beim Auflegen von Fasern schlägt die Erfindung vor, dass der Tank im Hohlraum nicht nur gedreht sondern währenddessen zugleich reversierend aufwärts und abwärts bewegt wird. Dadurch entsteht eine wellenförmige oder mäandernde Führung der Fasern auf der Oberfläche des Tankes.
Auch diese wellenförmigen Schichten können „online”, also Schicht für Schicht gehärtet werden oder „semi-online”, also nach mehreren, aufeinander liegenden Schichten oder „offline”, also nach vollendeter Wicklung.
Bei einer Ausführung der „Online”-Härtung ist wenigstens eine Strahlenquelle oberhalb des Punktes oder derjenigen Punkte angeordnet, in denen die mit Kunstharz getränkten Fasern tangential auf die Oberfläche des Tanks auftreffen. Durch das regelmäßige Anheben des Tanks kommen die „frisch” getränkten Fasern in den Strahlungskegel der Strahlungsquelle und werden dort sogleich gehärtet. Bei ausreichender Intensität der Strahlen können Sie bereits dann eine ausreichende Härte erreicht haben, wenn der Tank wieder abgesenkt wird und an dieser Stelle mit der nächsten Schicht von mit Kunstharz getränkten Fasern belegt wird.
Als eine weitere Verfeinerung werden anstelle einer einzigen Strahlenquelle mehrere Strahlenquellen vorgeschlagen, die sich ringförmig um den Tank erstrecken. Alternativ kann es natürlich auch eine ringförmige Strahlenquelle mit entsprechendem Innendurchmesser sein.
In einer anderen Ausführungsalternative, bei der auf eine mäandernde oder wellenförmige Führung der Fasern verzichtet werden kann, schlägt die Erfindung eine noch einfachere Ausführungsform vor. Auch in dieser Ausführungsform werden Fasern aus mehreren verschiedenen Richtungen gleichzeitig auf die Oberfläche des Tanks geführt. Zwischen je zwei Gruppen von Fasern, die aus jeweils einer anderen Richtung zugeführt werden, ist eine Strahlenquelle angeordnet. Die Stärke der Strahlen dieser Lichtquelle ist so hoch und die Drehzahl, mit der der Tank rotiert, ist so niedrig, dass der davon bestrahlte Bereich des Tankes bereits ausreichend durchgehärtet ist, wenn die nächste Lage von Kunstharz getränkten Fasern aufgelegt wird.
In einer weiteren Ausführungsvariante schlägt die Erfindung eine Methode zur Erhöhung der Kunststoffmenge vor, mit der die Fasern getränkt sind, wenn sie auf die Tankoberfläche aufgelegt werden. Dazu sollen die Fasern innerhalb des Tränkbehälters mäanderförmig – also z. B. wellenförmig – geführt werden. Dadurch wird die Laufstrecke der Fasern innerhalb des flüssigen Kunstharzes verlängert und damit auch die Zeit, innerhalb derer der flüssige Kunststoff in die Poren und Hohlräume der Fasern eindringen kann.
Durch eine derart reichliche Tränkung wird erreicht, dass jede neue Schicht, die auf den Kunststoffhohlkörper – den Liner – aufgelegt wird, praktisch keine Luftblasen mehr enthält und deshalb das Licht noch besser durchlässt. Wenn auch das Material des Liners durchsichtig ist, so entsteht damit ein Hochdrucktank, dessen Füllstand von außen durch einfaches in-Augenschein-Nehmen geprüft werden kann.
Im Folgenden sollen weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert werden, Dieses soll die Erfindung jedoch nicht einschränken, sondern nur erläutern. Es zeigt in schematischer Darstellung:
1 Schrägbild des Prinzips einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
In 1 ist im Schrägbild eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verstärken von Tanks (1) durch das Auflegen von kunstharzgetränkten Fasern dargestellt, Der Tränkbehälter (2) mit polygonalem Grundriss ist angenährt ringförmig. In seinem Inneren ist durch eine weitere, polygonale Wand ein Hohlraum (21) abgeteilt, der ringförmig von dem flüssigen Kunstharz (3) umgeben wird. In 1 wird das flüssige Kunstharz (3) durch zahlreiche kleine, horizontale Striche dargestellt.
Koaxial zum Tankbehälter (2) ist der Tank (1) angeordnet. Er ist über die Welle (41) mit dem Antrieb (42) verbunden, der den Tank (1) über die Welle (41) in Rotation versetzen kann, was in 1 durch einen entsprechend gekrümmten Pfeil gezeigt wird.
An einer Seite des Tanks (1) ist eine Strahlenquelle (7) als Block dargestellt. Durch gepunktete Linien ist angedeutet, dass von der Strahlenquelle (7) ultraviolette Strahlung ausgesandt wird, die auf die Oberfläche des Tanks (1) trifft.
In 1 ist durch einen kleinen vertikalen Doppelpfeil symbolisiert, dass der Tank (1), die Welle (41) und der Antrieb (42) abgesenkt werden kann.
In der 1 ist dargestellt, wie der Tank (1) mit Fasern (6) bewickelt werden, die mit Kunstharz (3) getränkt sind: An den äußeren Rändern des Tränkbehälters (2) sind als exemplarische Beispiele zwei Gestelle mit Spulen (61) dargestellt, auf die jeweils Fasern (6) aufgewickelt worden sind. Diese Fasern (6) werden über die Kante der Gestelle und die Oberkante des Tränkbehälters (2) hinweg mittels zweier Faserführungen (5) in das flüssige Kunstharz (3) hinein geführt und wieder heraus geführt. Von diesen Faserführungen (5) aus verlaufen sie bis zur Oberkante der Innenwand des Tränkbehälters (2) und über deren Rand hinweg auf die Oberfläche des Tanks (1).
In 1 ist gut nachvollziehbar, dass sich bei Rotation des Tanks (1) um seine Längsachse die Fasern (6) um den Tank (1) wickeln. Wenn der Tank (1) dabei auch noch in vertikaler Richtung aufwärts und abwärts bewegt wird, so verlaufen die Fasern (6) in Wellenlinien um den Tank (1) herum.
In 1 ist nicht eingezeichnet, dass der Tank 1 soweit abgesenkt werden kann, dass er völlig in den Hohlraum (21) im Zentrum des Tränkbehälters (2) eintaucht. Auf diese Weise können die Fasern (6) auch auf der oberen und auf der unteren Stirnfläche des Tanks (1) jeweils bis zu deren Mitte geführt werden.
Dort können sie um einen – ebenfalls nicht eingezeichneten – Flansch herum gewickelt und darauf verklebt werden können. Eventuell überstehende Enden der Fasern können dann abgeschnitten werden.
Im unteren Teil der 1 ist unterhalb des Tränkbehälters (2) eine weitere Strahlenquelle (7) zu erkennen. Der Tank (1) erreicht sie, indem er durch den Hohlraum (21) hindurch nach unten abgesenkt wird. Mit einer derartigen zweiten Strahlenquelle (7) kann im sogenannten „Offline-Verfahren” der vollständig mit kunstharzgetränkten Fasern (6) bewickelte Tank (1) abschließend durchgehärtet werden.
Bezugszeichenliste

1: Tank, mit kunstharzgetränkten Fasern 6 zu bewickeln.
2: Tränkbehälter, mit flüssigem Kunstharz 3 befüllt
3: Kunstharz, zum Tränken der Fasern 6
41: Welle zum Drehen des Tanks 1
42: Antrieb von Welle 41
5: Faserführung für Fasern 6
6: Fasern, um den Tank 1 herum zu wickeln
61: Spule mit Fasern 6
7: Strahlenquelle zum Härten des Kunstharzes 3

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 3366522 [0003, 0003, 0004]

Claims

Vorrichtung zum Verstärken von Tanks 1 durch eine kunstharzgetränkte Faserauflage, bestehend aus – einem Tränkbehälter 2, – der mit flüssigem Kunstharz 3 befüllt ist und – in dessen Nähe ein Tank 1 angeordnet ist, der an einer drehbaren Welle 4 befestigt ist und – einer Faserführung 5, mittels derer Fasern 6 – von außen in den Tränkbehälter 2 hinein und durch ihn hindurch bis auf die Oberfläche des Tanks 1 führbar und – durch Rotation des Tanks 1 auf dessen Oberfläche aufwickelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass – das Kunstharz 3 durch Bestrahlung mit Ultraviolettstrahlung und/oder Licht und/oder Infrarotstrahlen härtbar ist und – die Oberfläche des mit kunstharzgetränkten Fasern 6 bewickelten Tanks 1 durch wenigstens eine Strahlenquelle 7 bestrahlbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Tränkbehälter – ringförmig ist und – in der Mitte einen Hohlraum 21 aufweist, in den der Tank 1 absenkbar ist und – die kunstharzgetränkten Fasern 6 über den inneren Rand des Tränkbehälters 2 direkt auf die Oberfläche des Tanks 1 führbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank 1 im Hohlraum 21 drehbar und zugleich reversierend aufwärts und abwärts bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Fasern 6 aus verschiedenen Richtungen tangential auf die Oberfläche des Tanks 1 auftreffen,
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Strahlenquelle 7 oberhalb des Punktes oder der Punkte angeordnet ist, in denen kunstharzgetränkte Fasern 6 tangential auf die Oberfläche des Tanks 1 auftreffen
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Strahlenquellen 7 ringförmig um den Tank 1 herum in einer Ebene angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mit kunstharzgetränkten Fasern 6 bewickelte Tankt ausschließlich oder zusätzlich fern vom Tränkbehälter 2 durch eine Strahlenquelle 7 bestrahlbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens zwei Gruppen von Fasern 6, die jeweils tangential auf die Oberfläche des Tanks 1 eintreffen, wenigstens eine Strahlenquelle 7 angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern 6 innerhalb des Tränkbehälters 2 mäanderförmig geführt werden.