DE10233536A1 - Zentrifugenrotor in Faserverbundbauweise - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Rotoren für Labor- und Industriezentrifugen, bestehend aus faser- bzw. textilverstärkten Kunststoffverbunden (F/TKV) sowie deren Kombinationen für schnelldrehende und ultraleichte Rotorkörper. Die Fadenausrichtung und -architektur ist sowohl auf die wirkenden Beanspruchungen unter Fliehkraft als auch auf die Herstellbarkeit der Faserverbundstruktur abgestimmt. Erfindungsgemäß wird hierbei eine Schalenbauweise in Kombination von Ober- (1) und Unterschale (2) sowie lasttragender Außenbandage (3) entwickelt, bei der diese Strukturkomponenten in Faserverbundbauweise realisiert und faserverbundgerecht mittels Klebtechnik gefügt werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Bauweise ist in Fig. 2 angegeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft Rotoren für Labor- und Industriezentrifugen, bestehend aus faser- bzw. textilverstärkten Kunststoffverbunden (F/TKV) sowie deren Kombinationen für schnelldrehende und ultraleichte Rotorkörper.
  • Die Aufgabe von Zentrifugen besteht in der Trennung von heterogenen Systemen. Die Trennschärfe ist dabei von erreichbaren Beschleunigungen und infolgedessen von der Drehzahl abhängig. Eine wesentliche Steigerung der Trennleistung ohne Überbelastung der Zentrifugenstruktur lässt sich nur durch die Verwendung hochfester Materialien realisieren, die gleichzeitig eine geringe Dichte aufweisen. Ferner ist zu berück sichtigen dass – beispielsweise im Fall kegelförmiger Zentrifugen – überlagerte Effekte wie eine fliehkraftinduzierte Aufbiegung auftreten (1). Gerade bei fliehkraftbeanspruchten Bauteilen ist somit die auf die Werkstoffdichte bezogene Festigkeit ein wesentlicher Konstruktionsparameter bei der Auswahl des Zentrifugenwerkstoffes. Wurden in der Vergangenheit die Zentrifugenrotorkörper noch aus Stahl, Titan und Aluminium gefertigt, so haben in den letzten Jahren insbesondere auch die Faserverbundwerkstoffe speziell mit Kohlenstofffasern und Kunststoffmatrix eine weite Verbreitung gefunden. Dies wird auch durch die hohe Anzahl von hierzu angemeldeten Patenten dokumentiert (u. a. US 5,833,908 ; US 5,601,522 ; EP 0 775 022 ; WO 96/08315; US 5,876,322 ; EP 0 283 098 ; EP 0 290 687 ; EP 0 290 686 ; DE 41 28 428 C2 ; US 6,296,798 ).
  • Die gemäß dem allgemeinem Stand der Technik verfügbaren Rotoren aus Faserverbundwerkstoffen besitzen den Nachteil, dass sie in einer aus der Metallverarbeitung abgeleiteten Massivbauweise erstellt werden und weiterhin häufig lediglich Kurzfasern zum Einsatz kommen. Hierdurch bedingt lässt sich das Eigenschaftspotenzial der Faserverbunde nicht vollständig ausschöpfen und gleichzeitig werden hohe Rotorgewichte erzielt. Ziel der Erfindung ist es eine drehzahlgesteigerte, massereduzierte Zentrifuge aus beanspruchungsgerecht angeordnetem, faserverstärkten Kunststoff in günstiger und reproduzierbarer Bauweise zu erstellen.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Zentrifugengrundkörper so auszugestalten, dass eine beanspruchungsgerechte Aufnahme direkter Fliehkraftbeanspruchungen (Radial-, Tangentialspannungen und -dehnungen) und überlagerter Fliehkraftbeanspruchungen (Axialspannungen und -dehnungen infolge fliehkraftinduzierter Biegung) durch dass faserverstärkte Material bei gleichzeitig positionstreuer und sicherer Halterung der Behälter für das zu trennende Medium gegeben ist.
    •
  • Diese Aufgabenstellung wird beim zum Patent angemeldeten Zentrifugenkörper durch eine Kombination dünner Schalen (1), (2), (3) aus hochfestem faserverstärkten Material gelöst (2). Die Oberschale (1) bzw. die Unterschale (2) werden aus flächigen, verstärkten Kunststoffen hergestellt, wobei neben Infusions- und Injektionsverfahren auch Presstechnologien verwendet werden können. Als Matrixwerkstoffe können hierbei neben duromeren (Epoxidharz, Bismaleimidharz, Polyester, Vinylesterharz, Cyanatesterharz) auch thermoplastische Kunststoffsysteme (PA, PP, PEEK, PEAK, PPS, PE) vorgesehen werden. Verstärkungsfasern können u. a. Kohlenstoff , Polyamid-, Polyethylen- oder Glasfasern sein, wobei hierbei auch beliebige Mischformen möglich sind. In der Oberschale (1) ist hierbei die Aufnahme für ein Krafteinleitungselement (4) enthalten, welches aus Metall, Kunststoff, Keramik oder faserverstärktem Kunststoff bestehen kann; weiterhin werden die Behälter für das zu zentrifu gierende Gut in Bohrungen innerhalb der Oberschale (1) fixiert. Hierbei können auch lokale Verstärkungen aus Metall oder Faserverbund an diesen Bohrungen eingebracht werden. Erfindungsgemäß kann die Verstärkungsstruktur der Oberschale auch vorteilhaft mittels der Sticktechnik gefertigt werden, so dass sie Schwächung des Ausschnittes durch tangential umlaufende Faserstränge kompensiert werden kann. Die Behälter werden weiterhin auch in dem Unterteil formschlüssig durch Ausformungen fixiert. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Behälter zwischen Ober- und Unterschale fixiert werden und keine Massivbauweise des Rotorgrundkörpers erforderlich ist.
  • Die Fertigung des Mantelkörpers (3) erfolgt im Wickelverfahren, wobei eine tangentiale Ablage der Verstärkungsfaser gewünscht ist, was bei der kegelschalenförmigen Bauweise nach dem bisherigen Stand der Technik nur bedingt möglich war, da durch den Kegelwinkel die nass getränkten Verstärkungsfasern auf kleinere Durchmesser des kegelförmigen Wickelkerns (9) abrutschen. Erfindungsgemäß wird hierbei nur mit einzelnen Fasersträngen gearbeitet, die sich seitlich auf den vorher abgelegten Strängen abstützen (4), wobei die ersten Stränge durch eine Werkzeugscheibe (7) am Rutschen gehindert werden. Alternativ hierzu können die Faserstränge treppenartig gewickelt werden, wobei nach Erreichen einer definierten Wandstärke weitere Werkzeugringe (13) aufgelegt werden, die anschließend die Funktion der ersten Führungselemente (10) übernehmen (5). Alternativ hierzu kann das Wickeln entsprechend der geodätischen Linie erfolgen, so dass ein variabler Wickelwinkel eingestellt wird. Die einzelnen Komponenten (1), (2) und (3) werden mittels Klebetechnik zusammengefügt. Die Zentrifuge wird über eine Welle (4) mit formschlüssigen Anschlusstücken angetrieben. Eine weitere Variation beinhaltet erfindungsgemäß Ober- und Unterscheiben, die bereits längere Klebelaschen beinhalten und somit als verlorener Wickelkern für den Mantelkörper dienen (6).
    • 1
    Oberschale
    2
    Unterschale
    3
    Mantelkörper
    4
    Krafteinleitungselement
    5
    Werkzeuge
    6
    Verstärkungshalbzeug
    7
    Stützscheibe
    8
    Faserstrang bzw. -bündel (Rovings)
    9
    Wickelkern
    10
    Stützscheibe und -ring
    11
    Treppenförmige Umfangswicklung
    12
    Wickelkern
    13
    Zusatzstützringe

Claims (14)

  1. Zentrifugenrotorstruktur aus faserverstärktem Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur aus einer faserverstärkten Ober- (1) und Unterschale (2) sowie einem faserverstärkten Mantelkörper (3) und einem Krafteinleitungselement (4) in Schalenbauweise gefertigt wird, wobei die einzusetzenden Behälter durch die Ober- und Unterschale formschlüssig fixiert werden.
  2. Zentrifugenrotorstruktur aus faserverstärktem Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der einzelnen Schalen (1), (2) und (3) durch Klebetechnik erfolgt.
  3. Zentrifugenrotorstruktur aus faserverstärktem Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Krafteinleitung (4) als Polygon form- und stoffschlüssig mit der Ober- und Unterschale verbunden ist.
  4. Zentrifugenrotorstruktur aus faserverstärktem Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Oberschale (1) und der Unterschale (2) unter Nutzung eines Verfahrens zur Harzinjektion oder Harzinfusion (RTM, DP-RTM, RIM, S-RIM, VARI, etc) erfolgt, wobei das Gewebe (6) in eine ein- oder zweiteilige Form (5) eingelegt wird, (3).
  5. Zentrifugenrotorstruktur aus faserverstärktem Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Oberschale (1) und der Unterschale (2) mittels der Prepreg oder Presstechnik erfolgt, wobei das Gewebe (6) in eine ein- oder zweiteilige Form (5) eingelegt wird, (3).
  6. Zentrifugenrotorstruktur aus faserverstärktem Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fertigung des tangential verstärkten Zentrifugenmantels (3) unter Verwendung einer Stützscheibe (7) die Ablage der Faserbündel (8) vom kleinen zum großen Zentrifugendurchmesser hin erfolgt, um durch gegenseitige Abstützung der Faserbündel ein Abrutschen vom Wickelkern (9) zu vermeiden (4).
  7. Zentrifugenrotorstruktur aus faserverstärktem Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fertigung des tangential verstärkten Zentrifugenmantels (3) mehrere Stützscheiben bzw. -ringe (10) mit verschiedenem Durchmesser zur Abstützung der Faserbündel während des Wickelvorganges und Vermeidung eines Abrutschens vom Wickelkern (11) verwendet werden (5).
  8. Zentrifugenrotorstruktur aus faserverstärktem Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Schale (2) Vertiefungen enthält, die zur Lagefixierung der Zentrifugenbehältnisse dienen.
  9. Zentrifugenrotorstruktur aus faserverstärktem Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ober- und Unterschale als verlorener Wickelkern dienen und stoffschlüssig miteinander verbunden sind (6).
  10. Zentrifugenrotorstruktur aus faserverstärktem Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsstrukturen (6) zweidimensionale oder dreidimensionale Gewebe, Gelege, Gewirke, Geflechte, Gestricke und Gesticke eingesetzt können.
  11. Zentrifugenrotorstruktur aus faserverstärktem Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsstruktur (6) Gesticke eingesetzt werden, die bereits die Aussparungen bzw. Bohrungen für die Zentrifugenbehältnisse beinhalten und beanspruchungsgerecht die Bohrungen durch eine tangentiale Armierung verstärken können.
  12. Zentrifugenrotorstruktur aus faserverstärktem Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung der Oberschale (1) oder der Unterschale (2) Elemente zur Rotoridentifizierung oder online Überwachung im Faserverbund integriert werden.
  13. Zentrifugenrotorstruktur aus faserverstärktem Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkörper integral in einem Herstellungsschritt mit einem verlorenem Kern oder lösbaren Kern aus Wachs, Sand oder Metall mit niedrigem Schmelzpunkt gefertigt wird.
  14. Zentrifugenrotorstruktur aus faserverstärktem Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Führung der Zentrifugenbehältnisse weitere Schalenelemente als Rohrstruktur zwischen Ober- und Unterschale eingebracht werden.
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