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Die Erfindung betrifft einen Armierungsstab, sowie ein Schiebekabel zur Übertragung digitaler Signale mit einem Gelege aus derartigen Armierungsstäben.
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Bei einer Verwendung von Kabeln zur digitalen Übertragung von Datensignalen auf elektrischem oder optischem Wege ist es häufig erforderlich, ein solches zumindest vorübergehend in einen Hohlraum einzuführen.
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In der Installationstechnik werden hierzu z.B. sogenannte Einziehhilfen eingesetzt. Diese sind z.B. in Form einer langen Einziehspirale oder eines steifen Nylonbandes ausgeführt. An einer Halteöse am hinteren Ende der Einziehhilfe kann ein Kabel fixiert werden. Zur Verlegung dieses Kabels wird die Einziehhilfe mit dem vorderen Kopfende in den jeweils vorgesehenen Hohlraum eingeführt, z.B. in ein Leerrohr, bis das Kopfende am Ende des Hohlraumes wieder austritt. Dieses kann nun von einem Installateur ergriffen und herausgezogen werden. Dabei wird das Kabel am hinteren Ende mit in den Hohlraum hineingezogen, bis es ebenfalls am Ende des Hohlraumes zugänglich wird.
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Auf diese Weise können Steuersignal- und Datenkabel in Gebäuden und technischen Anlagen verlegt und digitale Datenübertragungsnetzwerke z.B. zur Verbindung von Computern aufgebaut werden. Diese bekannte Zugtechnik zur dauerhaften Verlegung von Installationskabeln ist anwendbar, wenn der vorgesehene Hohlraum an beiden Enden zugänglich ist. Zudem muss das verwendete Kabel den auftretenden Zugkräften Stand halten. Häufig weisen die Leiter eines Kabels bereits einen entsprechend hohen Querschnitt auf bzw. der Kabelschutzmantel besteht aus einem zähen Material. Im Falle eines Kabels mit nur dünnen Adern zur Signalübertragung kann in dieses eine zusätzliche Schnur zur Zugentlastung der Kabeladern eingewickelt sein.
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Bei anderen Anwendungen kann es erforderlich sein, ein Kabelstück in eine nur von einer Seite von außen zugängliche Öffnung eines engen Hohlraums oder eines Netzwerkes von verbundenen Hohlräumen einzuführen, z.B. in ein schmales Rohr oder einen engen Kanal. Auch in der medizinischen Diagnostik und Chirurgie kann es erforderlich sein, ein zur Übertragung von digitalen Datensignalen dienendes Kabel z.B. in eine künstliche oder natürliche Körperöffnung oder ein Blutgefäß eines Patienten einzuführen. Kabel dieser Art werden auch als Schiebekabel bezeichnet. Bei Anwendungen dieser Art ist am Kopfende des Schiebekabels ein z.B. elektrisches Arbeitsgerät angebracht. Dieses tauscht über das Schiebekabel z.B. Steuer- und Datensignale mit einer Bedien- und Anzeigeeinheit aus, die sich außerhalb des Hohlraumes befindet. Eine derartige Anordnung kann eingesetzt werden z.B. für die Inspektion bzw. Sanierung von Rohren und Kanälen bzw. von Geräten, die im Inneren einer geschlossenen Einheit nur über ein u.U. enges und gewundenes Rohr von außen erreichbar sind. Als ein elektrisches Arbeitsgerät können z.B. eine miniaturisierte Digitalkamera, Feinstbearbeitungswerkzeuge und Sensoren am Kopfende eines erfindungsgemäßen Schiebekabels angeschlossen sein.
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Aus der
EP 0 199 348 B1 ist ein Baustab zur Armierung von Beton bekannt. Dieser weist einen elektrisch nichtleitenden, zylindrischen Kern aus in der Längsachse durchgehenden Fasern auf. Diese werden mittels Kunstharz imprägniert und separat ausgehärtet. Der Kern stellt eine möglichst starre Stange dar, die nach Einbettung in ausgehärtetes Betonmaterial eine mechanisch mittragende und nicht biegbare Armierung bewirkt.
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Zur Verbesserung der mechanischen Verbindung der ausgehärteten Kernstange in einem Betonmaterial werden auf dessen Mantel in einem weiteren Arbeitsschritt zusätzliche Verankerungsvorsprünge in Form von Erhebungen aufgebracht. Diese ragen möglichst weit über die Oberfläche des Kerns hinaus, um eine robuste Haftung der Stange im Inneren des Betonmaterials zu ermöglichen. Die Räume zwischen den Erhebungen bilden Vertiefungen, worin Beton im flüssigen Zustand eindringt und nach Aushärtung eine Verzahnung zwischen dem Baustab und dem umgebenden Betonmaterial bewirkt.
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Zur Erzielung einer markanten Oberflächenrauheit sind Faserstränge gewindeartig und seilförmig z.B. in Form einer Doppelhelix auf die Kernstange aufgebracht. Diese werden separat mit Kunstharz getränkt und um die Kernstange gewickelt. Mittels einer weiteren thermischen Aushärtung wird ein fester Verbund zwischen Kernstab und den gewindeartigen Erhebungen erzielt.
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Aus der WO 2014 / 062061 A1 ist ein Kabel zur Einführung in Hohlräume bekannt. Das Dokument offenbart ein Faser-Komposit-Stab-Einführungs-Stromkabel zur Einführung in ein Bohrloch einer Ölquelle. Das Kabel weist im Zentrum eine Anordnung aus koaxial verlaufenden Leitern und einer auf den Außenleiter aufgebrachten Verbindungsschicht auf. Die Leiteranordnung ist umhüllt von einer Armierung aus einem Komposit-Mantel mit unidirektional verlaufenden Carbon-Fasern. Weiterhin ist die Armierung mit einer Schicht aus harzgebundenen Komposit-Fasern umflochten und auf die gesamte Anordnung eine Oberflächensperrschicht aufgebracht. Ein derartiges Stromkabel wird bis zu einer Tiefe von mehreren Kilometern in Bohrlöcher eingeführt. Um diesem Zweck standzuhalten weist das Stromkabel einen hohen Durchmesser und eine hohe Knickfestigkeit auf. Dies resultiert in einem großen Biegeradius des Stromkabels. Weiterhin sind die Oberflächensperrschicht und die geflochtene Schicht aus harzgebundenen Komposit-Fasern möglichst mediendicht und verschleißfest ausgeführt.
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Aus der
EP 0 353 555 A2 ist eine optische Hohl- oder Bündelader sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bekannt. Die Ader weist eine hohle Schutzhülle mit einem großen Biege- und Elastizitätsmodul auf, in die ein Lichtwellenleiter lose und mit Überlänge eingelegt ist. Ein Stützband mit hoher Steifigkeit ist kraft- und formschlüssig unter axialer Zugspannung und mit einer großen Ganghöhe auf die Ader gewickelt. Die Oberfläche der Schutzhülle ist dabei nicht vollständig abgedeckt, so dass die Schutzhülle mit Lichtwellenleiter wendelförmig deformiert wird und die Ader keinen runden Querschnitt mehr aufweist. Die Achse der Hohl- oder Bündelader verläuft somit ebenfalls wendelförmig, so dass temperaturbedingte Längenänderungen ohne Belastung eines locker innen liegenden Lichtwellenleiters kompensiert werden. Dieser weist somit eine größere Beweglichkeit in der Schutzhülle auf und kann somit zur Wendelachse hinwandern.
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Bei einer zu starken Krümmung der Schutzhülle können einerseits Makrokrümmungsverluste im Lichtwellenleiter auftreten und andererseits das Stützband auf der Schutzhülle verrutschten. Mit einem zusätzlichen, gegenläufig um Schutzhülle und Stützband gewickelten Haltegarn kann zwar die Gefahr eines Verrutschens reduziert werden. Dennoch würde in einem solchen Falle eine irreversible, dauerhafte Verkrümmung der Schutzhülle auftreten. Jedenfalls ist eine solche optische Hohl- oder Bündelader weder dazu geeignet noch dafür vorgesehen, die bei einer Verwendung als eine Schiebekabel auftretenden axialen Stauchungskräfte aufzunehmen und sich nach einer Beendigung der Stauchung wieder in eine möglichst gestreckte Ausgangslage zurückzustellen.
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Aus der
WO 2010/074606 A1 ist ein Armierungsstab zur Verstärkung von monolithischem Beton und Fertighäusern bekannt. Dieser weist einen Trägerstab aus einem hochfesten Polymermaterial und gegenläufige spiralförmige Wicklungen aus denselben Fasern zur Erzeugung eines Oberflächenprofils auf.
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Aus der
EP 0 628 674 A1 ist ein faserverstärkter Kunststoffstab zur Verstärkung von Beton bekannt. Dieser weist einen Kern und ein Oberflächenelement auf, wobei der Kern eine hochfeste kontinuierliche Faser und ein Matrixharz umfasst und das Oberflächenelement eine Polypropylenfaser enthält.
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Weiterhin ist aus der
US 8,673,101 B2 ein Bewehrungskörper aus faserverstärktem Kunststoff bekannt. Dieser weist einen länglichen Körper mit zumindest einer spiralförmigen Wicklung auf, welcher zur Formung eines Bewehrungskörpers der Aushärtung des Harzes auf einen Halter aufgewickelt wird.
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Beim Einsatz von Schiebekabeln, welche insbesondere zur lokalen Beobachtung von unzugänglichen Bereiche dienen, tritt häufig das Problem auf, dass der zu untersuchende Hohlraum oder Kanal nur einen geringen Querschnitt aufweist und in dessen Verlauf Krümmungen mit Winkeln von bis zu 90 Grad auftreten können. Das Schiebekabel muss somit einerseits so biegsam sein, dass beim Einschiebevorgang u.U. auch mehrere Krümmungen überwunden werden können. Andererseits muss es aber auch eine so große Biegesteifigkeit aufweisen, dass dieses bei der Passage einer Krümmung durch die von außen eingebrachte Druckkraft nicht gestaucht wird. Schließlich soll eine derartige Untersuchung für das Schiebekabel zerstörungsfrei durchgeführt werden können, so dass es danach für weitere Anwendungen zu Verfügung steht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde einen Armierungsstab anzugeben, der sowohl eine hohe Biegbarkeit als auch eine beschädigungsfreie Rückstellbarkeit in eine Ausgangsform ermöglicht. Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung ein mit derartigen Armierungsstäben versehenes Schiebekabel anzugeben, welches trotz eines geringen Biegeradius eine hohe Knicklast aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst mit dem im Anspruch 1 angegebenen Armierungsstab sowie mit dem in Anspruch 7 angegebenen Schiebekabel. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße Armierungsstab enthält einen Kern aus einem annähernd unidirektional entlang einer Längsachse verlaufenden Bündel synthetischer oder mineralischer Fasern. Hierum sind zwei Wicklungen aus flachen Bändern synthetischer oder mineralischer Fasern jeweils spiralförmig mit gegengerichteten Steigungen nicht flächendeckend gewickelt. Kern und Wicklungen sind mit einem duroplastischen Bindemittel durchtränkt und gemeinsam zu einem kompakten Faserverbund ausgehärtet. Dieser ermöglicht nach einer Biegung des Armierungsstabes eine beschädigungsfreie Rückstellung in eine gestreckte Ausgangslage.
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Würde ein aus einem annähernd unidirektional verlaufenden Faserbündel bestehender Stab kleinen Biegeradien ausgesetzt, würden besonders die Fasern im Bereich der Biegezone stark beansprucht. Die Außenseite der Biegezone wäre vornehmlich einer Zugbelastung ausgesetzt, sodass die Gefahr von radialen Rissen durch die Fasern und das ausgehärtete Bindemittel bestünde. Auf der Innenseite der Biegezone würde das Faserbündel stark gestaucht. Es steigt aufgrund der Druckbelastung und der dadurch hervorgerufenen Radialspannungen an der Innenseite der Biegezone die Gefahr von Rissen und einer Aufspreizung des Stabs entlang der Längsachse. Die Elastizität und Rückstellbarkeit eines solchen Stabs wäre reduziert und kleine Biegeradien nicht erzielbar.
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Diese Probleme werden bei dem erfindungsgemäßen Armierungsstab mittels einer nicht flächendeckenden netzartigen Umwicklung des Kerns mit zwei jeweils spiralförmigen gegengerichteten Wicklungen, einer gemeinsamen Durchtränkung von Kern und Wicklungen mit einem duroplastischen Bindemittel und einer gemeinsamen Aushärtung des Verbundes aus den Fasern von Kern und Wicklungen mit der Matrix aus dem duroplastischen Bindemittel zu einem kompakten Faserverbund vermieden.
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Hiermit wird vorteilhaft die Belastung des Faser-Matrix-Verbunds im Kern bei einer Biegung des Armierungsstabs reduziert. Auf der Außenseite der Biegezone wird die Zugbelastung von den netzartigen Faserbündeln der beiden gegenläufigen Wicklungen mit aufgenommen und unzulässig große Dehnungen in axialer Richtung vermieden. Auf der Innenseite der Biegung des erfindungsgemäßen Armierungsstabs werden die Radialspannungen von den Wicklungen mit aufgenommen, der Zusammenhalt des Faser-Matrix-Verbunds im Kern unterstützt und die Gefahr des Reißens und Aufspreizens entlang der Längsachse reduziert. Hierdurch wird vorteilhaft die Knickfestigkeit des Armierungsstabs erhöht, der zerstörungsfrei erzielbare minimale Biegeradius insbesondere in Relation zu einem Stab ohne Wicklungen vorteilhaft reduziert und so das Rückstellverhalten des erfindungsgemäßen Armierungsstabs in eine gestreckte Ausgangslage verbessert. So tritt bei einem gemäß der Erfindung ausgeführten Armierungsstab auch bei großen, entlang seiner Längsachse einwirkenden Druckkräften kein axiales Zusammenschieben oder seitliches Ausweichen auf.
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Die Wicklungen sind erfindungsgemäß als flache Bände ausgeführt. Diese umfassen annähernd erhebungslos den Mantel des Kerns und tauchen besonders vorteilhaft annähernd vollständig mit den Fasern des Kerns in das duroplastische Bindemittel ein. Hierdurch wird die vorteilhafte Wirkung erzielt, dass ein erfindungsgemäßer Armierungsstab nach dem Aushärten eine annähernd ebene Mantelfläche aufweist. Ein weiterer Vorteil der Ausführung der Wicklungen als flache Bänder ist die Vergrößerung der Anlagefläche der Wicklungen auf dem Kern. Es wird somit vorteilhaft die Stützwirkung der Wicklungen auf den Kern verbessert und die Gefahr des Reißens und Aufspreizen des Kerns bei Biegung weiter reduziert.
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Gemäß der Erfindung kann der kleinstmögliche Biegeradius durch Auswahl der Ganghöhen der Wicklungen auf annähernd das 40-fache des Durchmessers des Armierungsstabs reduziert werden ohne dass eine Schädigung des Kerns auftritt.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Orientierung der übereinanderliegenden Wicklungen zueinander. Diese sind erfindungsgemäß jeweils spiralförmig mit gegengerichteten Steigungen um den Kern gewickelt. Auf diese Weise werden Torsionsmomente, welche bei einer Biegung des Armierungsstabs jeweils in entgegengesetzter Richtung auf den erfindungsgemäßen kompakten Faser-Matrix-Verbund aus Kern und Wicklungen ausgeübt werden, kompensiert. Hierdurch wird vorteilhaft eine Belastung des Faser-Matrix-Verbunds durch Torsion bei Biegung deutlich reduziert und das Biege- und Rückstellverhalten des erfindungsgemäßen Armierungsstabs weiter verbessert.
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Das erfindungsgemäße Schiebekabel enthaltend einen Verbund mit zumindest einer Leiteranordnung, welche für eine Übertragung digitaler Signale ausgelegt ist, mit einer mantelförmigen Umfassung aus einem Gelege mit Armierungsstäben und einem Schutzmantel um das Gelege bietet eine Vielzahl von Vorteilen. Da das Gelege aus Armierungsstäben eine besonders hohe Knickfestigkeit aufweist, können die Querschnittsabmessungen der Armierungsstäbe gering gewählt werden. Das erfindungsgemäße Schiebekabel ist somit schlank und ist zum Einführen in enge Hohlräume besonders geeignet. Weiterhin wird bei einer Biegung des Schiebekabels durch die annähernd ebenen Mantelflächen der erfindungsgemäßen Armierungsstäbe ein Gleiten der Armierungsstäbe im Gelege der mantelförmigen Umfassung aneinander ermöglicht. Das Schiebekabel kann somit enge Biegeradien beschädigungsfrei einnehmen.
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Aufgrund dieser Eigenschaften ist das erfindungsgemäße Schiebekabel auch in Anwendungen einsetzbar, bei denen besonders beengte und/oder verwinkelte Hohlräume vorliegen. So kann es z.B. als elektrisches und mechanisches Verbindungs- und Trägerelement für eine digitale Miniaturkamera dienen und zum Zwecke einer Inspektion auch in dünne und gekrümmte Rohrleitungen eingeführt werden. Die Erfindung ermöglicht eine Abstimmung der Abmessungen und Elastizität von Leiteranordnung und dem Gelege aus Armierungsstäben Das erfindungsgemäße Schiebekabel kann somit auch in Rohrleitungssysteme eingeführt werden, bei denen Rohrkrümmungen mit einem geringen Krümmungsradius zu durchfahren sind.
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Die Erfindung und weitere vorteilhafte Ausführungen derselben werden anhand von zwei, in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 einen Ausschnitt einer Draufsicht auf eine Mantelfläche eines beispielhaften, erfindungsgemäß ausgeführten Armierungsstabs, und
- 2 einen Querschnitt durch eine beispielhafte Ausführung eines gemäß
der Erfindung ausgeführten Schiebekabels, bei dem eine Leiteranordnung zur Übertragung digitaler Signale im Kern von einer biegeelastischen Umfassung aus einem Gelege von erfindungsgemäßen Armierungsstäben umgeben ist.
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1 zeigt eine Draufsicht auf eine Mantelfläche AM eines Abschnitts eines beispielhaften, gemäß der Erfindung ausgeführten Armierungsstabs A1. Dieser setzt sich entlang der Längsachse AL zu beiden Seiten des Abschnitts in entsprechender Weise fort. Der Kern AK des Armierungsstabs A1 weist ein annähernd unidirektional verlaufendes Bündel aus synthetischen oder mineralischen Fasern auf, vorteilhaft ein Bündel aus mineralischen Basaltfasern (BFK), synthetischen Carbonfasern (CFK) oder mineralischen Glasfasern (GFK). Die unidirektional, annähernd parallel zur Längsachse AL des Armierungsstabs A1 verlaufenden Fasern des Bündels sind in 1 durch Linien symbolisiert.
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Auf die Mantelfläche AM des Kerns AK ist gemäß der Erfindung eine doppelte, nicht deckende Kreuzwicklung mit zwei separaten, übereinanderliegenden Wicklungen AW1, AW2 aus flachen Bändern synthetischer oder mineralischer Fasern aufgebracht. Auch diese sind vorteilhaft mineralische Basaltfasern (BFK), synthetische Carbonfasern (CFK) oder mineralische Glasfasern (GFK). Die Wicklungen AW1, AW2 sind jeweils spiralförmig mit gegengerichteten Steigungen um den Kern gewickelt. Die Bänder liegen jeweils möglichst flach auf dem Kern, sodass nach Aushärten des Faserverbunds die Wicklungen AW1, AW2 möglichst nicht hervortreten. Im Ausführungsbeispiel der 1 sind die Bänder derart flach um den Kern AK gewickelt, dass diese vom Bindemittel annähernd vollständig bedeckt sind und somit die Mantelfläche AM des Armierungsstabs A1 annähernd eben verläuft. Dies ist in der 1 dadurch symbolisiert, dass an der Ober- und Unterkante des dargestellten Abschnitts die Oberseiten der Wicklungen AW1, AW2 bündig mit den Bereichen des Kerns AK zwischen den Wicklungen verlaufen. Vorteilhaft weisen die Wicklungen AW1, AW2 jeweils einen Steigungswinkel von 30° bis 60° zur Längsachse AL des Kerns AK auf. Im Ausführungsbeispiel der 1 weisen die Wicklungen AW1, AW2 gegen gerichtete Steigungswinkel W1, W2 mit jeweils einem Betrag von 60° zur Längsachse AL des Armierungsstabs A1 auf.
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Erfindungsgemäß sind die Bündel des Kerns und der Wicklungen in einer Matrix aus einem duroplastischen Bindemittel gebunden, z.B. einem Polymerharz. Erfindungsgemäß werden dabei der Kern und die beiden Wicklungen in einem sogenannten „nass in nass“ Verfahren zunächst beide mit dem duroplastischen Bindemittel durchtränkt und dann gemeinsam zum kompakten Faserverbund eines Armierungsstabes ausgehärtet. Bei einem beispielhaften Pultrusionsverfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer Armierungsstäbe erfolgt zunächst eine Durchtränkung der Faserbündel des Kerns in einem Harzbad. Durch Abstreifen an einer nachgeschalteten Düse wird das Verhältnis von Fasern zu Matrix eingestellt. Der Harzüberschuss läuft zurück z.B. in eine Harzwanne. Der Faservolumengehalt im Kern liegt vorteilhaft zwischen 50 - 65 Vol. %.
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Auf den feuchten Faserstrang des Kerns werden erfindungsgemäß zwei getrennte, zusätzliche Wicklungen AW1, AW2 aufgebracht. Diese bestehen aus möglichst flachen Bändern synthetischer oder mineralischer Fasern, die jeweils spiralförmig mit gegengerichteten Steigungswinkeln von z.B. + 60° bzw. - 60° nicht flächendeckend um den Kern AK gewickelt sind. Besonders vorteilhaft kann die Tränkung der Wicklungen mit Harz quasi indirekt durch den darunterliegenden feuchten Faserstrang des Kerns erfolgen. Besonders vorteilhaft wird dabei der bei der Umwicklung aus dem Kern austretende Harzüberschuss zur Benetzung der Wicklungsbänder ausgenutzt. Sind dabei die Fasern der Bänder dünn und die Wicklungsbänder flach um den Kern gelegt, so tauchen die Wicklungen annähernd vollständig in das flüssige Harz ein. Der gesamte Strang aus Kern und Wicklungen ist somit vollständig umschlossen und homogen mit Harz benetzt, so dass der Faserverbund nach deren gemeinsamer Aushärtung eine annähernd homogene Manteloberfläche aufweist.
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Die Aushärtung des Bindemittels, d.h. der z.B. aus Epoxidharz oder einem ungesättigten Polyester- oder Vinylesterharz bestehenden Polymermatrix, erfolgt in einem freien Ofenraum. Hierbei durchläuft der Stab vorteilhaft eine Vielzahl von Öfen ohne Kontakt zu den Ofenwänden und Formwerkzeugen, und wird einem definierten Temperaturprofil ausgesetzt. Die Temperatur der Öfen variiert dabei zwischen 130°C- 260°C. Eine Abziehvorrichtung sorgt für den Vortrieb des Stabes. Abhängig von dem Stabdurchmesser kann die Abziehgeschwindigkeit zwischen 3 - 8 m/min liegen.
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Die Wicklungen AW1, AW2 sind erfindungsgemäß nicht deckend um den Kern AK gewickelt. Die Gänge der Wicklungen liegen somit nicht dicht aneinander. Auf Grund der oben beschriebenen Steigungswinkel W1, W2 sind diese jeweils um eine Ganghöhe AG1, AG2 entlang der Längsachse AL voneinander beabstandet. Eine Ganghöhe einer Wicklung AW1, AW2 weist dabei einen Wert auf, der vorzugsweise in einem Bereich von 1,5 mm bis 6 mm entlang der Längsachse AL auf der Mantelfläche liegt. Vorzugsweise sind die Ganghöhen der gegenseitig verlaufenden Wicklungen AW1, AW2 gleich.
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Gemäß der Erfindung ist somit nicht die gesamte Mantelfläche AM des Kerns AK dicht bedeckt. Vielmehr bilden die beiden Wicklungen eine netzartige Struktur auf dem Mantel der Fasern des Kerns, sodass der Verlauf der Faserbündel des Kerns AK sichtbar bleibt. Dieser Aufbau macht es möglich, dass ein erfindungsgemäßer Armierungsstab ein elastisches Rückstellverhalten aufweist, d.h. selbst bei starken Biegungen beschädigungsfrei wieder in die gestreckte Ausgangslage zurückkehren kann. Vorteilhaft ist dabei die beschädigungsfreie elastische Rückstellung bis zu einem minimalen Biegeradius möglich, der annähernd das 40-fache des Durchmessers des Armierungsstabs beträgt. Die dafür erforderlichen Ganghöhen der Wicklungen können auf einfache Weise experimentell bestimmt werden. So können z.B. mehrere erfindungsgemäße Armierungsstäbe mit Wicklungen unterschiedlicher Ganghöhe hergestellt und einer Biegeprüfung unterzogen werden. Die Ganghöhen von Wicklungen, bei denen eine beschädigungsfreie elastische Rückstellung des jeweiligen Armierungsstabs erfolgt, sind somit zur Erzielung des beanspruchten Rückstellverhaltens geeignet. Derartige erfindungsgemäße Armierungsstäbe sind somit besonders geeignet zur Umfassung eines erfindungsgemäßen Schiebekabels. Dies wird nachfolgend am Beispiel der 2 noch näher erläutert werden.
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Die Wicklungen AW1, AW2 sind seriell auf den Kern AK aufgebracht und nicht miteinander verflochten. Im Beispiel der 1 liegt dabei die innere spiralförmige Wicklung AW1 direkt auf dem Kern AK auf. Die äußere spiralförmige Wicklung AW2 liegt auf dem Kern AK und an den Kreuzungspunkten der Wicklungen AW1, AW2 auf der inneren spiralförmigen Wicklung AW1 auf. Vorteilhaft weisen die synthetischen Fasern der flachen Bänder der Wicklungen AW1, AW2 jeweils ein Gewicht von 60 Gramm pro 1000 Meter Länge (tex) bis 720 Gramm pro 1000 Meter Länge (tex) auf.
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Ein erfindungsgemäß ausgeführter Armierungsstab AK weist im Vergleich zu herkömmlichen pultrudierten Stäben ohne Wicklungen eine erhöhte Knickfestigkeit und einen kleineren erreichbaren minimalen Biegeradius auf. Mit der Erfindung können Armierungsstäbe geschaffen werden, deren Durchmesser im Bereich von 1 mm bis 8 mm liegen. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung beträgt der Durchmesser des Armierungsstabs 1 mm bis 3 mm. Für besondere Anwendung können die Durchmesser auch im Bereich von 1,2 mm bis 2,2 mm liegen. Vorteilhaft weist ein gemäß der Erfindung ausgeführter Armierungsstab A1 je nach Durchmesser eine Knickfestigkeit im Bereich von 0,02 N/mm2 bis 1,5 N/mm2 pro Meter Länge auf. Somit ist ein gemäß der Erfindung ausgeführter Armierungsstab A1 besonders zur biegsamen Verstärkung eines Schiebekabels geeignet, welches zur Einführung in enge, gewundene Hohlräume vorgesehen ist.
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2 zeigt einen Schnitt entlang der Querschnittsachsen Bx, By durch eine beispielhafte Ausführung eines gemäß der Erfindung ausgeführten Schiebekabels B. Dabei ist im Kern eine Leiteranordnung L zur Übertragung digitaler Signale angeordnet. Diese ist mit einer biegeelastischen mantelförmigen Umfassung A aus einem Gelege mit erfindungsgemäßen Armierungsstäben A1 bis A16 versehen, z.B. den Armierungsstäben aus dem Beispiel der 1. Ein solches Kabel kann z.B. als ein Inspektionskabel zur Übertragung von Videosignalen einer Inspektionskamera eingesetzt werden. Hiermit kann z.B. zum Zwecke einer Materialuntersuchung in enge Hohlräume und Kanäle von technischen Geräten, z.B. Motoren, vorgedrungen werden.
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Erfindungsgemäß verläuft die Leiteranordnung L zur digitalen Signalübertragung im Zentrum Z des Schiebekabels B entlang der Längsachse Bz. Als Signalübertragungskabel ist im Beispiel der 2 eine koaxiale Anordnung aus einem Innenleiter L3 im Kern, einem darum befindlichen Dielektrikum L4 und einem koaxial darum liegenden Außenleiter L5 angeordnet. Bei einer weiteren Ausführung kann ein Ethernetkabel oder eine Anordnung paarweise verdrillter Kabel als Leiteranordnung im Zentrum angeordnet sein. Bei einer weiteren Ausführung kann die Leiteranordnung mehrere, parallel zueinander entlang der Längsachse verlaufende isolierte Phasen und zusätzliche litzenförmige Leiter zur Übertragung einer Versorgungsspannung für Geräte, z.B. einer Gleichspannung im Bereich von 1,5 - 12 V oder 1,5 - 24 V, aufweisen.
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Unter dem Begriff Gelege wird eine mantelförmige Umfassung der Leiteranordnung im Zentrum mit Armierungsstäben verstanden. Abhängig vom Durchmesser der Leiteranordnung und der Armierungsstäbe werden bei der vorliegenden Erfindung auf den Mantel der Leiteranordnung vorteilhaft so viele Armierungsstäbe parallel zueinander entlang der Längsachse Bz verlaufend aufgelegt, dass der Mantel über dem gesamten Umfang möglichst gleichmäßig und lückenlos mit erfindungsgemäßen Armierungsstäben bedeckt ist. Die Gesamtanordnung ist über einen Schutzmantel M, z.B. aus Polyamid PA oder Polyethylen PE, zusammengehalten und abgedichtet. Die Armierungsstäbe sind bleiben unter dem Schutzmantel axial zueinander verschiebbar, sodass der minimale Biegeradius eines erfindungsgemäßen Schiebekabels reduziert ist.
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Im Beispiel der 2 ist diese Leiteranordnung rohrförmig durch eine biegeelastische Umfassung aus einem Gelege A an Armierungsstäben umgeben. Dabei sind z.B. 16 radial aneinander liegende Armierungsstäbe A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9, A10, A11, A12, A13, A14, A15 und A16 aus synthetischen oder mineralischen Fasern auf die äußere Mantelfläche L1 der Leiteranordnung L aufgelegt. Vorteilhaft verlaufen diese parallel zur Längsachse Bz. Je nach Ausführung kann das Gelege A direkt auf der äußeren Mantelfläche L1 der Leiteranordnung L oder auf eine zusätzliche, als lose Trennschicht dienende Bandierung L2 der Leiteranordnung L gelegt sein. Weiterhin kann die Leiteranordnung L mit einer elektromagnetischen Abschirmung als Bandierung L2 umwickelt sein. Falls es die äußeren Abmessungen des Schiebekabels B zulassen und dessen Einsatzzweck es gegebenenfalls erforderlich macht kann auch ein vollständig vorkonfektioniertes Koaxial- oder Ethernetkabel komplett mit einer eigenen Schutzummantelung als Leiteranordnung L eingesetzt sein.
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Das Gelege A bietet eine elastische und bruchsichere Umfassung der innenliegenden Leiteranordnung L. Das Gelege aus den einzelnen Armierungsstäben weist besonders gute Biegeeigenschaften auf, da selbst bei starken Verkrümmungen des Schiebekabels die einzelnen Stäbe des Geleges in einem besonderen Maß relativ zueinander ausweichen bzw. kriechen können. Besonders vorteilhaft bewirkt das Gelege aus Armierungsstäben, welche durch den elastischen Schutzmantel auch zusammengehalten wird, nach Beendigung einer Biegung, dass das Schiebekabel mit der Leiteranordnung im Zentrum beschädigungsfrei wieder in die gestreckte Ausgangslage zurückgeführt werden.
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In der Praxis können die biegeelastischen Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Schiebekabels durch Dimensionierungen besonders der Durchmesser der Armierungsstäbe und der Dichte eines hieraus gebildeten Geleges ohne weiteres so parametriert werden, dass eine anwendungsabhängige Biegbarkeit ohne Beeinträchtigung der Rückstellbarkeit in die gestreckte Ausgangslage erzielt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Schiebekabel B können somit bei der Einführung in einen Hohlraum enge Krümmungen und mehrere in Vorschubrichtung auftretende Richtungsänderungen des Hohlraumes überwunden werden, ohne dass eine dauerhafte Verformung des Schiebekabels B eintritt. Ein erfindungsgemäßes Schiebekabel, bei dem z.B. am Kopfende ein Arbeitsgerät angebracht ist, z.B. eine digitale Kamera, nimmt somit nach Entnahme aus dem Einführungskanal wieder beschädigungsfrei die Ursprungsform ein.
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In der Praxis kann ein erfindungsgemäßes Schiebekabel B, z.B. die Ausführung im Beispiel der 2, einen Außendurchmesser von etwa 7 mm aufweisen. Bei einer weiteren, beispielhaften Ausführung können der Schutzmantel M eine Wandstärke von etwa 0,5 mm, die Armierungsstäbe A1 bis A16 des Geleges A einen Durchmesser von etwa 1 mm und die Leiteranordnung L einen Durchmesser von etwa 4 mm aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- A1
- Armierungsstab
- AK
- unidirektionaler Kern
- AM
- annähernd ebene Mantelfläche
- AL
- Längsachse
- AW
- flache Kreuzwicklungen, nicht flächendeckend
- AW1
- innere spiralförmige Wicklung
- W1
- Steigungswinkel
- AG1
- Ganghöhe
- AW2
- äußere spiralförmige Wicklung
- W2
- Steigungswinkel
- AG2
- Ganghöhe
- B
- Schiebekabel
- Bx, By
- Querschnittsachsen
- Bz
- Längsachse
- Z
- Zentrum
- L
- Leiteranordnung zur digitalen Signalübertragung
- L1
- äußere Mantelfläche
- L2
- Bandierung
- L3
- Innenleiter
- L4
- koaxiales Dielektrikum (Isolation)
- L5
- koaxialer Außenleiter
- A
- Gelege aus Armierungsstäben
- A1 ...A16
- Armierungsstäbe
- M
- Schutzmantel
