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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wickelrohrs.
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Die
EP 1 691 967 B1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Wickelrohrs. Dabei wird ein aus einem thermoplastischen Kunststoff mittels Extrusion hergestelltes Kunststoffband auf einen Wickelkern wendelförmig aufgewickelt. Als Extrusionseinrichtung wird ein Schneckenaggregat verwendet, welches derart ausgestaltet ist, dass eine Faserlänge der Verstärkungsfasern erhalten bleibt. Auf den Einsatz eines herkömmlichen Extruders wird verzichtet. – Das bekannte Verfahren ist allenfalls unter Verwendung äußerst kurzer Fasern ausführbar. Bei Verwendung von Fasern mit einer größeren Faserlänge wird stets eine Verminderung derselben beobachtet. Lange Fasern, insbesondere Endlosfasern, wickeln sich um die nachteiligerweise gleichlaufenden Schnecken des Schneckenaggregats.
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Die
EP 1 088 645 A2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer aus einem Kunststoffmaterial mit einem Anteil von Verstärkungsfasern bestehenden Wickelhülse. Auch dabei wird ein extrudiertes Kunststoffband um einen Wickelkern gewickelt. Es werden zeitlich nacheinander mehrere Lagen des Kunststoffbandes radial übereinander gewickelt. Sofern bei diesem Verfahren die Fasern als Endlosfasern dem Extruder zugeführt werden, werden diese im Extruder gebrochen.
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Die Wickelrohre nach dem Stand der Technik können mit Durchmessern von bis zu 4 m hergestellt werden. Sie weisen insoweit eine ausreichende Festigkeit auf. Gleichwohl besteht in jüngere Zeit Bedarf an Wickelrohren, deren Festigkeit weiter verbessert ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein möglichst einfach und kostengünstig durchführbares Verfahren angegeben werden, welches die Herstellung eines Wickelrohrs mit verbesserter Festigkeit ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 11 und 13 bis 17.
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Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Wickelrohrs mit folgenden Schritten vorgeschlagen:
Bereitstellen eines rotierbaren Kerns,
Herstellen eines aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildeten ersten Kunststoffbands mittels Extrusion,
Herstellen einer inneren Rohrlage durch Wickeln des zumindest auf Schmelztemperatur aufgeheizten ersten Kunststoffbands um den Kern,
Herstellen einer Endlosfaserlage durch Umwickeln der inneren Rohrlage mit zumindest einer Endlosfaser, und
Integrieren der Endlosfaserlage zumindest in eine dem Kern abgewandte, zumindest auf Schmelztemperatur befindende Außenseite der inneren Rohrlage.
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Nach dem vorgeschlagenen Verfahren wird in an sich herkömmlicher Weise mittels eines Extruders ein erstes Kunststoffband hergestellt. Durch Wickeln des zumindest auf Schmelztemperatur aufgeheizten ersten Kunststoffbands um den Kern wird eine innere Rohrlage gebildet. Das erste Kunststoffband enthält zweckmäßigerweise keine Fasern. Das vereinfacht die Extrusion. Der Extruder, insbesondere das Mundstück des Extruders sind beim vorgeschlagenen Verfahren im Vergleich zum Stand der Technik einem verringerten Verschleiß ausgesetzt. Erfindungsgemäß wird anschließend eine Endlosfaserlage durch Umwickeln der inneren Rohrlage, vorzugsweise der innersten Rohrlage, mit zumindest einer Endlosfaser hergestellt. Die Endlosfaserlage wird dabei oder anschließend in die zumindest auf Schmelztemperatur aufgeheizte Außenseite der inneren Rohrlager integriert. Bei der vorgeschlagenen Verfahrensweise bleibt die Endlosfaser erhalten. Infolgedessen weist das vorgeschlagene Wickelrohr eine drastisch verbesserte Druckfestigkeit insbesondere gegenüber einem im Wickelrohr herrschenden Innendruck auf. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können insbesondere dünnwandige Wickelrohre hergestellt werden, die z. B. zum Bau von Wasserleitungen geeignet sind.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Außenseite vor oder während des Herstellens der Endlosfaserlage zumindest auf der Schmelztemperatur aufgeheizt. Zu diesem Zweck kann die Außenseite z. B. mittels eines Infrarot- oder Laserstrahlers aufgeheizt werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird zumindest eine weitere Rohrlage durch Wickeln eines weiteren Abschnitts des ersten Kunststoffbands um die innere Rohrlage aufgebracht. Zu diesem Zweck wird die Außenseite vor dem Aufbringen jeder weiteren Rohrlage vorteilhafterweise zumindest auf Schmelztemperatur aufgeheizt. Damit wird eine innige Verbindung zwischen der inneren Rohrlage und der darauf aufgebrachten weiteren Rohrlage erreicht, wobei darin die erste Endlosfaserlage eingebettet ist. Nach einer weiteren Ausgestaltung wird die Endlosfaser vorteilhafterweise unter einer solchen Spannung auf die innere und/oder weitere Rohrlage gewickelt, dass sie in deren schmelzflüssige Außenseite eintaucht. Damit kann vorteilhafterweise ein unerwünschter Einschluss von Luftblasen in das Wickelrohr vermieden werden.
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Nach einer alternativen Verfahrensvariante kann es auch sein, dass die Außenseite nach dem Aufbringen der Endlosfaserlage durch Aufbringen eines zumindest auf Schmelztemperatur aufgeheizten weiteren Abschnitts des Kunststoffbands auf Schmelztemperatur aufgeheizt wird. In diesem Fall wird also vorteilhafterweise die Wärme des weiteren Kunststoffbands dazu benutzt, die Außenseite des darunterliegenden Kunststoffbands aufzuschmelzen und damit die Endlosfaserlage in das Kunststoffmaterial zu integrieren.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung wird die Endlosfaser wendelförmig auf die innere Rohrlage gewickelt. Ein Steigungswickel der wendelförmigen Wicklung kann dabei einem Steigungswinkel der weiteren wendelförmigen Wicklung des ersten Kunststoffbands entsprechen. Zweckmäßigerweise beträgt ein Steigungswinkel der wendelförmigen Wicklung der Endlosfaser aber 20 bis 60°, vorzugsweise 40 bis 50°. Es können zur Herstellung der ersten Endlosfaserlager gleichzeitig mehrere Endlosfasern in im Wesentlichen paralleler Ausrichtung um die innerste Rohrlage gewickelt werden. Dabei kann eine Breite eines aus den im Wesentlichen parallel angeordneten Endlosfasern gebildeten "Endlosfaserbands" etwa einer Breite des ersten Kunststoffbands entsprechen. Das ermöglicht es in vorteilhafter Weise, sowohl die Endlosfaserlage als auch die innere Rohrlage mit derselben Wickelgeschwindigkeit herzustellen. Eine Vorrichtung zum Zuführen der zumindest einen Endlosfaser sowie zum Zuführen des ersten Kunststoffbands können beispielsweise an einem gemeinsamen Schlitten aufgenommen sein, welcher parallel zu einer Achse des rotierbaren Kerns verfahrbar ist.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung werden zur Herstellung der Endlosfaserlage die Endlosfasern in mehreren Schichten in sich überkreuzender Weise vorzugsweise mit einem Kreuzungswinkel von 60 bis 90°, wendelförmig gewickelt. Anschließend kann auf die so hergestellte Endlosfaserlage eine weitere Rohrlage gewickelt werden. Damit kann eine besonders hohe Festigkeit erreicht werden.
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Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist es auch möglich, anstelle des separaten Aufbringens der Endlosfaser ein zweites Kunststoffband zu verwenden, in welchem eine zumindest aus einer Endlosfaser gebildete Endlosfaserlage enthalten ist. Ein solches zweites Kunststoffband kann als vorgefertigtes Halbzeug vorliegen. Dabei stimmt zweckmäßigerweise eine Erstreckungsrichtung der Endlosfaser im Wesentlichen mit einer weiteren Erstreckungsrichtung des zweiten Kunststoffbands überein. Die Endlosfaserlage kann auch in diesem Fall aus mehreren Schichten gebildet sein. Wobei die Endlosfasern in sich überkreuzender Weise, vorzugsweise mit einem Kreuzungswinkel 30 bis 90°, angeordnet sind.
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Bei der zumindest einen Endlosfaser kann es sich um eine Glas-, Kohle- oder Aramidfaser handeln. Als thermoplastischer Kunststoff wird zweckmäßigerweise PP, PE oder PA verwendet.
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Nachfolgend wird das Verfahren anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Herstellung eines Wickelrohrs,
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2 eine Teilschnittansicht durch das Wickelrohr bei einem erstem Verfahrensschritt,
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3 eine Teilschnittansicht durch das Wickelrohr bei einem zweiten Verfahrensschritt,
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4 eine Teilschnittansicht durch das Wickelrohr bei einem dritten Verfahrensschritt und
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5 eine Teilschnittansicht durch das Wickelrohr bei einem vierten Verfahrensschritt.
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1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Wickelrohrs. Die Vorrichtung umfasst einen zylindrischen Kern 1, welcher mittels einer Antriebseinrichtung 2 um seine Achse A rotierbar ist. Bei dem Kern 1 handelt es sich um einen sogenannten "kollabierbaren Kern", dessen Durchmesser zum Entformen verkleinert werden kann. Der Kern 1 ist zweckmäßigerweise mittels einer (hier nicht näher gezeigten) Heizung von innen her beheizbar.
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Mit dem Bezugszeichen 3 ist schematisch ein parallel zu Achse A verfahrbarer Schlitten bezeichnet. Auf dem Schlitten 3 ist eine Extrusionseinrichtung 4 aufgenommen, mit der ein thermoplastisches Kunststoffband 5 auf den Kern 1 extrudierbar ist. Mit dem Bezugszeichen 6 ist eine Mehrfachhaspel bezeichnet, auf der mehrere Endlosfasern 7 aufgenommen sind. Mit dem Bezugszeichen 8 ist eine weitere Mehrfachhaspel bezeichnet, welche gegenüberliegend der Mehrfachhaspel 6 auf der anderen Seite der Extrusionseinrichtung 4 angeordnet ist. Die Extrusionseinrichtung 4 sowie die Mehrfachhaspeln 6 und 8 können auf einer auf dem Schlitten 3 vorgesehenen Schwenkplattform 9 angebracht sein. Damit können die Extrusionseinrichtung 4 sowie die Mehrfachhaspeln 6, 8 um eine Achse senkrecht zu einer Bewegungsrichtung R des Schlittens 3 verschwenkt werden.
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Mit dem Bezugszeichen 10 ist eine Heizeinrichtung bezeichnet, welche ebenfalls parallel zur Achse A des Kerns 1 mitlaufend bewegbar ist. Die Heizeinrichtung 10 kann zu diesem Zweck auch auf dem Schlitten 3 aufgenommen sein. Bei der Heizeinrichtung 10 kann es sich beispielsweise um einen IR-Strahler handeln. Es ist auch denkbar, dass es sich bei der Heizeinrichtung 10 um eine induktiv betriebene Heizeinrichtung handelt, mit welcher der Kern 1 lokal aufheizbar ist.
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Die Funktion der Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren wird nunmehr in Zusammensicht mit den 2 bis 5 näher erläutert.
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Mittels der Extrusionseinrichtung 4 wird aus einem thermoplastischen Kunststoff, z. B. PE oder PP, ein erstes Kunststoffband 5 extrudiert. Das erste Kunststoffband 5 wird auf den Kern 1 wendelförmig gewickelt. Ein Steigungswinkel α der wendelförmigen Wicklung kann 20 bis 60° betragen. Unter dem Steigungswinkel α wird derjenige Winkel verstanden, welcher zwischen einer Kante des ersten Kunststoffbands 5 oder der Richtung einer Endlosfaser 7 und einer Axialebene E durch den Kern 1 gebildet ist. Das erste Kunststoffband 5 bildet hier eine innerste Rohrlage.
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Das auf den Kern 1 gewickelte erste Kunststoffband 5 wird mittels der Heizeinrichtung 10 zumindest auf Schmelztemperatur gehalten oder erhitzt. Infolgedessen verschmelzen die aneinander liegenden Kanten des Kunststoffbands 5. Die Endlosfasern 7 werden stromabwärts, vorzugsweise unter einer vorgegebene Spannung, auf das erste Kunststoffband 5 aufgebracht. Sie sinken oberflächlich in das erste Kunststoffband 5 ein und werden vollständig vom Kunststoff umschlossen. Eine Einsinktiefe der Endlosfasern 7 kann durch einen Temperaturgradienten im Kunststoffband 5 eingestellt werden. Beispielsweise kann es sein, dass das Kunststoffband 5 von der Außenseite her lediglich bis zu einer Tiefe von 10 bis 30% seiner Dicke sich auf Schmelztemperatur befindet, so dass die Endlosfasern 7 in den auf Schmelztemperatur befindlichen äußeren Bereich des Kunststoffbands 5 einsinkt. Zur Verbesserung der Anbindung der Endlosfaser 7 an den Kunststoff können die Endlosfasern 7 mit einem Haftvermittler beschichtet sein.
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Zum Aufbringen eines weiteren Kunststoffbands 5' oder eines weiteren Abschnitts des ersten Kunststoffbands 5 auf den bereits um den Kern 1 gewickelten Abschnitt des ersten Kunststoffbands 5 wird die Bewegungsrichtung R umgekehrt, d. h. der Schlitten 3 wird in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Zuvor werden die Extrusionseinrichtung 4 sowie die Mehrfachhaspeln 6, 8 verschwenkt, so dass das weitere Kunststoffband 5' bzw. der weitere Abschnitt des ersten Kunststoffbands 5 kreuzweise auf das bereits auf den Kern 1 gewickelte erste Kunststoffband 5 geschichtet wird. In diesem Fall erfolgt die Zufuhr weiterer Endlosfasern 7' mittels der weiteren Mehrfachhaspel 8, welche sich bei der entgegengesetzten Bewegungsrichtung R des Schlittens 3 nun stromabwärts der Extrusionseinrichtung 4 befindet. D. h. je nach Wickelrichtung werden die Endlosfasern 7 bzw. die weiteren Endlosfasern 7' jeweils mit der Mehrfachhaspel 6, 8 zugeführt, welche stromabwärts der Extrusionseinrichtung 4 angeordnet ist. Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen der Mehrfachhaspeln 6, 8 möglich. Es ist auch denkbar lediglich eine einzige Haspel oder Mehrfachhaspel zu verwenden.
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Nach einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens wird als erstes Kunststoffband 5 ein aus einem thermoplastischen Kunststoff hergestelltes Band verwendet, welches nicht mit Fasern verstärkt ist. Darauf wird sodann ein oder mehrere weitere/s Kunststoffband/-bänder 5' gewickelt, welche als vorgefertigtes Halbzeug vorliegen können. Das weitere Kunststoffband 5' enthält in diesem Fall bereits Endlosfasern 7, welche im Wesentlichen parallel zur Erstreckungsrichtung des weiteren Kunststoffbands 5' ausgerichtet sind. Das weitere Kunststoffband 5' muss nicht extrudiert werden. Es kann beispielsweise auf einer Vorratshaspel aufgenommen sein. Es kann mittels einer weiteren Heizeinrichtung plastifiziert und dann auf den Kern 1 gewickelt werden. In diesem Fall ist das Vorsehen von Haspeln oder Mehrfachhaspeln 6, 8 zur Bereitstellung der Endlosfaser 7 nicht erforderlich. Gleichwohl kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren in einfacher und kostengünstiger Weise ein Wickelrohr hergestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kern
- 2
- Antriebseinrichtung
- 3
- Schlitten
- 4
- Extrusionseinrichtung
- 5
- Kunststoffband
- 5'
- weiteres Kunststoffband
- 6
- Mehrfachhaspel
- 7
- Endlosfaser
- 7'
- weitere Endlosfaser
- 8
- weitere Mehrfachhaspel
- 9
- Schwenkplattform
- 10
- Heizeinrichtung
- A
- Achse
- E
- Axialebene
- R
- Bewegungsrichtung
- α
- Steigungswinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1691967 B1 [0002]
- EP 1088645 A2 [0003]
