DE10233537A1 - Berstschutzstruktur in Leichtbauweise - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft drehzahlgesteigerte und massereduzierte Rotoren für Labor- und Industriezentrifugen, bestehend aus faserverstärkten Kunststoffverbunden (FKV) sowie deren Kombinationen. Die Faserorientierung und der Lagenaufbau sind sowohl auf die wirkenden Beanspruchungen unter Fliehkraft als auch auf die Herstellbarkeit der Faserverbundstruktur in Wickeltechnik abgestimmt. Erfindungsgemäß wird hierbei eine Bauweise unter kombinierter Nutzung axial bzw. radial (1) und tangential (2) gewickelter Faserlagen genutzt (Fig. 2).

Description

  • Die Erfindung betrifft drehzahlgesteigerte und massereduzierte Rotoren für Labor- und Industriezentrifugen, bestehend aus faserverstärkten Kunststoffverbunden (FKV) sowie deren Kombinationen.
  • Die Aufgabe von Zentrifugen besteht in der Trennung von heterogenen Systemen. Die Trennschärfe ist dabei von den erreichbaren, auf das Trenngut wirkenden 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 berücksichtigen, dass – beispielsweise im Fall kegeliger Zentrifugen – überlagerte Effekte wie eine fliehkraftinduzierte Aufbiegung auftreten (1). Gerade bei fliehkraftbeanspruchten Bauteilen ist somit die auf die Werkstoffdichte bezogene Festigkeit ein dominierender Parameter der Werkstoffauswahl. Eine Vielzahl von Patenten belegt, dass insbesondere in eine Kunststoffmatrix eingebettete Kohlensstoffasern die bisher in diesem Verwendungsbereich eingesetzten Materialien Stahl, Titan und Aluminium ablösen (s. hierzu beispielsweise Patente US 5,833,908 ; US 5,601,522 ; EP 0 755 022 ; 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 ).
  • Derzeit verfügbare Zentrifugenkörper aus FKV besitzen den Nachteil einer aus der Metallverarbeitung abgeleiteten Massenbauweise, in der lediglich Kurzfasern zur Verstärkung eingesetzt werden. Bei dieser Bauweise werden somit hohe Rotormassen und ein – im Vergleich zur Langfaserverstärkung – deutlich schlechteres Eigenschaftsprofil erzielt. Weiterhin nachteilig ist die bisherige Einbringung der Zentrifugenbehälter, für die eine Massivbauweise des Rotorgrundkörpers erforderlich ist.
  • Aus diesen Gründen ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zentrifugengrundkörper so auszugestalten, dass eine beanspruchungsgerechte Aufnahme direkter Fliehkraftbeanspruchungen (Radial-, Tangentialspannungen und -dehnungen) und überlagerter Fliehkraftbeanspruchungen (Axialspannungen und -dehnungen infolge fliehkraftinduzierter Biegung) bei gleichzeitiger Lagefixierung der Behälter durch dass faserverstärkte Material gegeben ist.
  • Die genannte Aufgabenstellung wird beim zum Patent angemeldeten Zentrifugenkörper durch die kombinierte Anordnung axialer bzw. radialer (1) und tangentialer (2) Verstärkungsfasern gelöst (2, 6). Die Fertigstellung der Zentrifugenstruktur erfolgt dabei im Wickelverfahren durch Ablage der harzgetränkten Faser auf einem Wickelkern (3). Hierbei wird erfindungsgemäß der Wickelkern mit Positivmodellen (3) der einzelnen Zentrifugenbehälter ausgestaltet, so dass beim Bewickeln der Bereiche (4), (5) zwischen den Elementen (3) die Lagefixierung der Zentrifugenbehälter durch einen Formschluß mit dem Verstärkungsmaterial entsteht (3, 7). Vorteilhaft ist hierbei die Kombination der formschlüssigen Behälterfixierung mit den mechanisch hochbeanspruchten Axialfaserstrukturen (1), die entlang der kegelförmigen Wickelkernstruktur je nach Positionierung axial (am größten Durchmesser des Wickelkerns (7) und bei (5)) bzw. radial abgelegt werden. Als Harzwerkstoffe können neben duromeren (Epoxidharz, Bismaleimidharz, Polyester, Vinylesterharz, Cyanatesterharz) auch thermoplastische Kunststoffsysteme (PA, PP, PEEK, PEAK, PPS, PE) vorgesehen werden. Als Verstärkungsfasern können Kohlenstoff-, Polyamid-, Polyethylen- oder Glasfasern sowie deren beliebige Mischformen Verwendung finden.
  • Die Fertigung der Zentrifugenstruktur erfolgt in Wickeltechnik. Der Wickelkern berücksichtigt in seiner Formgebung bereits die Aufnahmen für die Behälter des Trennmediums (3), um deren positionstreue und sichere Lagerung während des Trennvorganges zu gewährleisten. Zur effizienten Fertigung lässt sich der Wickelkern in doppelter „spiegelbildlicher" Ausführung herstellen, so dass während eines Wickelprozesses zwei voneinander abzutrennende Zentrifugenkörper entstehen (5). Die Durchtrittsflächen für die axial angeordneten Verstärkungsfasern (4), (5) unterscheiden sich für den Bereich des großen bzw. kleinen Zentrifugendurchmessers. Aufgrund der Erfordernis einer unveränderten Querschnittsfläche resultiert hieraus eine variable Wandstärke des Bereichs (1) in 2. Die unveränderte Querschnittsfläche ist entweder zu gewährleisten durch wickeltechnische Maßnahmen oder durch Füllmaterialien wie beispielsweise Schaumwerkstoffe (9), die abweichend von 2 im Bereich der Axialwicklung angebracht werden (3, 5).
  • Abhängig von der Zentrifugengeometrie kann es beim Wickelprozeß zu Hinterschneidungen (6) der Formen für die Behälteraufnahme durch abgelegte Fasern kommen, was sich beim fertiggestellten Rotor gezielt zur Behälterfixierung nutzen lässt (4). In diesem Fall ist die Wahl eines Kernmaterials mit hoher Flexibilität (beispielsweise Silikon) oder guter Auflösbarkeit (beispielsweise Wachs oder Sand) notwendig, um die Entformung zu gewährleisten.
    • 1
    Axial/radial orientierte Verstärkungsfasern
    2
    Tangential orientierte Verstärkungsfasern
    3
    Formgebung zur Fertigung Behälteraufnahme
    4,5
    Querschnitts(Durchtritts-)flächen der axial orientierten Fasern
    6
    Hinterschnitt abgelegter Fasern am Wickelkern
    7
    Wickelkern mit Kegelform und Behälterpositivmodellen
    8
    Aufnahmewelle
    9
    Füllmaterial geringer Dichte

Claims (10)

1) Aus faserverstärktem Werkstoff gefertigter Zentrifugenkörper mit axial/radial sowie tangential angeordneten Verstärkungsfasern (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Axialverstärkung im inneren Wandbereich und die Tangentialverstärkung im äusseren Wandbereich angeordnet ist und die Aufnahmemöglichkeit für Medienbehälter in die Struktur integriert ist.
Zentrifugenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Faserablage die Wickeltechnik verwendet wird.
Zentrifugenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewährleistung der Anforderungen an die Querschnittsfläche eine Füllstruktur (9) im Wandbereich der Axialverstärkung eingesetzt wird.
Zentrifugenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Abweichungen der Verstärkungsfaserrichtung von der Axial- bzw. Tangentialausrichtung bis 30° erfolgen.
Zentrifugenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass geänderte Schichtfolgen der Verstärkungsfasern Verwendung finden.
Wickelkern gemäß3, 5, 7 zur Fertigung der Zentrifuge, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus flexiblem Material (beispielsweise Silikon) oder thermisch, chemisch oder sonstwie lösbarem Material (beispielsweise Wachs oder Sand) besteht.
Verfahren zur Herstellung des Zentrifugenkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass dieses den Wickelprozess incl. Aushärten, die Entfernung des Kerns sowie die spanende Bearbeitung umfasst.
Zentrifugenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstrukttur durch Gewebe, Gewirke, Gestricke, Gesticke oder Rovings realisiert wird, die in eine einzwei- oder mehrteilige Form eingelegt werden und mittels Harzinjektion oder -infiltration mit dem Matrixwerkstoff getränkt werden.
Zentrifugenkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass statt einer Kunststoffmatrix eine Metallmatrix aus Leichtmetallen verwendet wird.
Zentrifugenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tangentialverstärkung durch Gewebe- oder Gelegebänder erfolgt.
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