DE10233537B4

DE10233537B4 - Berstschutzstruktur in Leichtbauweise

Info

Publication number: DE10233537B4
Application number: DE2002133537
Authority: DE
Inventors: Sven Klausner; Thomas Dipl.-Ing. Müller (FH); Raimund Dipl.-Ing. Grothaus
Original assignee: East 4d Lightweight Struc GmbH; East-4d Lightweight Structures GmbH
Current assignee: EAST 4D Carbon Technology GmbH
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2022-07-24
Also published as: DE10233537A1; DE10233537A9

Abstract

Berstschutzstruktur für schnelldrehende Bauteile, insbesondere für Labor- und Industriezentrifugen oder andere explosionsgefährdete Komponenten mit hoher kinetischer Energie, mit einer Berstschutzkomponente (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Berstschutzkomponente (1) aus endlosfaserverstärktem Verbundwerkstoff mit einem Lagenaufbau aus zumindest einer 10° bis 20° von der tangentialen Richtung abweichenden Lage und zumindest einer weiteren, im Kreuzverbund gewickelten Lage aus Verstärkungsmaterial aufgebaut ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Berstschutzstruktur, insbesondere für Labor- und Industriezentrifugen oder andere explosionsgefährdete Komponenten mit hoher kinetischer Energie, mit einer Berstschutzkomponente.

Eine wesentliche Zielstellung innerhalb der Zentrifugentechnik ist es, viel Zentrifugiergut in einem Vorgang bearbeiten zu können. Diese Bestrebungen lassen sich nur durch eine Vergrößerung der Rotorabmessungen realisieren. Gleichzeitig besteht die Anforderung nach hohen Umfangsgeschwindigkeiten des Zentrifugenrotors, um den Trennprozess zu verbessern, was durch den Einsatz leistungsstarker Antriebstechnik erreicht wird. Als Nebeneffekt ergibt sich bei der Verbesserung der Leistungsparameter jedoch auch eine Erhöhung der kinetischen Energie des Zentrifugenrotors im Betrieb. Dabei hat die Erhöhung der Maximaldrehzahl gegenüber der Vergrößerung des Gewichtes der bewegten Zentrifugenkomponenten einen weitaus bedeutenderen Einfluss. Hieraus ergeben sich zur Gewährleistung eines gefahrlosen Einsatzes des Gerätes erhöhte Anforderungen an die integrierten Sicherheitskomponenten. Zur Lösung dieser Problemstellung existieren derzeit zwei Ansätze. Zum einen wird die Sicherheit des Systems durch entsprechende Sicherheitsfaktoren und aufwendiges Engineering des Zentrifugenkörpers sichergestellt, so dass der Berstfall weitestgehend ausgeschlossen werden kann und keine Berstschutzeinrichtungen erforderlich sind.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist der zweite Lösungsansatz, der darauf abzielt, die Leistungsfähigkeit der in der Zentrifuge integrierten Sicherheitskomponente so zu verbessern, dass diese auch bei einem Rotorversagen mit erhöhter kinetischer Energie einen zuverlässigen Schutz vor austretenden Bruchstücken oder absplitternden Gehäuseteilen für das Bedienpersonal bietet. Diese Komponente wird im folgenden als Berstschutz oder Panzerkammer bezeichnet. Durch Modifizierung der Panzerkammer einer Laborzentrifuge soll weiterhin eine erhöhte Formstabilität des Berstschutzes, nachfolgend wird hierfür auch der Begriff Containment verwendet, erreicht werden.

Für heute eingesetzte Zentrifugensysteme insbesondere bei Laborzentrifugen werden bei geringen kinetischen Energien des Rotors heute Kunststoffberstschutzringe verwendet. Nachteilig hierbei ist die nur geringe Berstenergie, die im Fall eines Rotorversagens aufgenommen werden kann. Für Rotoren mit höheren kinetischen Rotationsenergien werden hier nach dem Stand der Technik metallische Berstschutzstrukturen, im allgemeinen als Schweißkonstruktionen ausgeführt, eingesetzt. Nachteilig zeigt sich hierbei das hohe Gewicht der Berstschutzkammer, was hinsichtlich des Handlings der Zentrifugen ergonomische Probleme nach sich zieht. Weiterhin ist, um eine preisgünstige Konstruktionslösung zu erzielen, ein zusätzlicher Einbau eines Hygienekessels erforderlich, da die Berstschutzkammer im allgemeinen aus nicht rostfreien Stählen angefertigt wird, so dass für den hygienisch sauberen Bereich im Falle eines Berstens und der Kontamination mit Medien eine Versiegelung mittels des Hygienekessels erforderlich ist. Hierdurch bedingt sind mehrere Komponenten anzufertigen und zu integrieren. Weiterhin nachteilig ist beim heutigen Stand der Technik der Einsatz von Metallen mit

Ziel der Erfindung ist es daher, eine einfache Bauweise für ein Berstschutzsystem mit gleichzeitig hohem spezifischen Energieabsorptionsraten beizustellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Berstschutzstruktur durch durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhaft sind die hierbei im Vergleich zu monolithischen Polymeren im Spritzgussverfahren und metallischen Werkstoffen erzielbaren hohen spezifischen Energieabsorptionsraten. So lassen sich durch die beanspruchungsgerechte Orientierung der Verstärkungsfasern, die aus Glas, Aramid, Dyneema^® oder auch Kohlenstoff und Mischvarianten bestehen können, vorteilhafte Energieabsorptionsraten erzielen. Hierbei kann auch typischer Weise zwischen den Versagensphasen 1 (Penetration) und 2 (Zugversagen des Containmentringes) unterschieden werden. Je nach geometrischer Gestaltung des Rotors und des Containments lassen sich somit die optimalen Lagenaufbauten hinsichtlich Versagen in Phase 1 und Phase 2 einstellen. Gerade hierdurch können die Leichtbaupotentiale der Faserverbunde zur Energieabsorption mit Hilfe eines Berstschutzes optimal genutzt werden. Nach dem heutigen Stand der Technik lässt sich bei isotropen Werkstoffen physikalisch bedingt nur eine Optimierung hinsichtlich Phase 1 oder Phase 2 des Berstvorganges ermöglichen. Naturgemäß ist dadurch kein optimales Design hinsichtlich Gewicht und Kosten erzielbar. Weiterhin kann mit Hilfe des Faserverbundwerkstoffes die hohe Werkstoffdämpfung vorteilhaft zur Geräuschminderung der Zentrifugenkomponente genutzt werden. Durch die Verwendung von modernen Halbzeugen in Wickel-, Gewebe-, aber auch Geflecht-, Gestick-, Gestrick- und Gewirkfaserarchitektur lassen sich sehr hohe Energieabsorptionsraten maßgeschneidert einstellen. Durch die fertigungstechnische Kombination der Fertigung des zylindrischen Mantelbereichs und gleichzeitig scheibenförmigen Bodenbereichs kann eine hohe Bauteilintegrität erzielt werden. Dies führt weiterhin zu einer sehr hohen Formstabilität, die insbesondere durch Verrundungradien im Übergangsbereich von der Scheibe zum Zylinder verstärkt wird. In typischer Weise lassen sich bei einem Berstschutzdurchmesser von ca. 250 mm Verrundungsradien im Bereich von 20 – 40 mm einstellen, die eine sehr hohe Formstabilität der Berstschutzstruktur ermöglichen. Hinsichtlich des Energieabsorptionsquotienten, der bezogen ist auf eine Preisrelation, ist insbesondere die Verwendung von glasfaserverstärkten Epoxydharz mit hohen Bruchdehnungen sinnvoll.

Neben dem Wickelverfahren zur Herstellung derartiger faserverstärkter Containmentstrukturen sind auch weitere Faserverbundverarbeitungsverfahren prädestiniert. Hierzu zählen insbesondere das Handlaminieren, die Resin-Transfer-Moulding-Technologie sowie weitere Harzinjektionsverfahren und Presstechnologien. Gerade bei den Presstechnologien lassen sich zielgerichtet auch thermoplastische Matrixsysteme einsetzen, da gerade derartige Matrixsysteme über ein sehr gutes Energieabsorptionsvermögen verfügen. Typische Thermoplastmatrixsysteme sind etwa PE, PEEK, PEAK, PPS und PA aber auch LCP.

In den Zeichnungen zeigt
1 Vereinbarung der Richtungsbezeichnungen im Material-Koordinatensystem,
2 Integration einer Faserverbund-Berstschutzstruktur in einer Laborzentrifuge,
3 Finite-Elemente Modell eines Viertelelements der Faserverbund- Berstschutzstruktur,
4 Verlauf der Bruchstückbewegung nach dem Rotorversagen in zeitlicher Abfolge von (a) nach (d),
5 Faserverbund-Berstschutzstruktur mit gestuftem Wandstärkenverlauf der des Bodenscheibe des Berstschutzmantelbodens, Ausführungsbeispiele für eine erfindungsgemäße Berstschutzstruktur.
Vorteilhafte Faserarchitekturen beinhalten einen hohen Anteil von ca. 10° bis 20° von der reinen tangentialen Faserorientierung (Richtung ⌀, 1) abweichenden Faser. Hierdurch lässt sich für die Phase 2 (Zugversagen) eine hohe Energieabsorption erzielen. Durch diese Faserorientierung werden vor dem Eintreten von Faserbrüchen erhebliche Zwischenfaserbrüche und Delaminationen im Faserverbund hervorgerufen, die eine hohe Energieabsorption des Verbundes ermöglichen. Weiterhin wird durch diese Faserorientierung eine weiterhin hohe Formstabilität ermöglicht. Die in der 1. Phase des Rotorimpaktes auftretende Impaktbeanspruchung (Phase 1) lässt sich hingegen vorteilhaft durch Fasern in einem Kreuzverbund von z.B. ± 45° ertragen. Weiterhin kann diese ± 45° in Faserorientierung sinnvoller Weise zum Überwickeln der Übergänge von Zylinderkörper zur Scheibenplatte verwendet werden. Hierbei verändert sich auf Grund der veränderlichen Wickeldurchmesser die Faserorientierung je nach den Durchmesserverhältnissen auf ca. 90°. Alternativ zum Wickeln des Bodenbereiches können auch sowohl im RTM als auch im Wickelverfahren vorgefertigte scheibenförmige laminierte Bodenplatten mit beim Fertigungsprozess eingebunden werden. Weiterhin kann erfindungsgemäß der nach dem heutigen Stand der Technik eingesetzte metallische Panzer bzw. Hygienekessel durch die Verwendung von Gelcoat-Beschichtungen auf dem Faserverbundmaterial substituiert werden. Dieses Gelcoat lässt sich unter anderem auch durch die Verwendung von keramischen Füllpartikeln hinsichtlich Verschleiß verstärken. Die erforderliche Reinigung des Panzerkessels ist somit zu erzielen.

1: Berstschutzkomponente
2: Eingelegter Befestigungsring
3: Zentrifugengehäuse
4: Motorsockel
5: Berstschutzmantel
6: Berstschutzmantelboden
7: Rundung
8: Oberflächenschutz
9: Bohrung
10: Armierungsring

Claims

Berstschutzstruktur für schnelldrehende Bauteile, insbesondere für Labor- und Industriezentrifugen oder andere explosionsgefährdete Komponenten mit hoher kinetischer Energie, mit einer Berstschutzkomponente (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Berstschutzkomponente (1) aus endlosfaserverstärktem Verbundwerkstoff mit einem Lagenaufbau aus zumindest einer 10° bis 20° von der tangentialen Richtung abweichenden Lage und zumindest einer weiteren, im Kreuzverbund gewickelten Lage aus Verstärkungsmaterial aufgebaut ist.
Berstschutzstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstschutzkomponente (1) in der Filament-Wickeltechnik gefertigt wird.
Berstschutzstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zylindrischer Berstschutzmantel (5) und ein scheibenförmiger Berstschutzmantelboden (6) integriert in einem Herstellungsverfahren gefertigt werden.
Berstschutzstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang vom Berstschutzmantel (5) zum scheibenförmigen Berstschutzmantelboden (6) durch eine versteifende Rundung (7) ausgestaltet wird.
Berstschutzstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreuzverbund aus ± 45° gewickelten Verstärkungsfasern besteht.
Berstschutzstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsmaterial Glasfasern, Kohlenstofffasern und Aramidfasern, auch in beliebigen Mischvarianten, zum Einsatz kommen.
Berstschutzstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung der Berstschutzkomponente (1) auf einem metallischen Werkzeug ein Gel-Coating (8) als Oberflächenschutz vor dem eigentlichen Laminatablegen aufgebracht wird.
Berstschutzstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass neben Verstärkungsfasern ein Epoxydharz mit einer hohen Bruchdehnung verwendet wird.
Berstschutzstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstschutzkomponente (1) einen mehrlagigen Aufbau aufweist, wobei sich beim Wickelverfahren durch eine Variation der Wickelwinkel beim Berstschutzmantelboden (6) eine variable Wandstärke ergibt.
Berstschutzstruktur nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass neben einer Epoxydharzmatrix auch Füllstoffe wie zum Beispiel Elastomerpartikel oder Matrixsysteme mit thermoplastisch modifiziertem Elastomer verwendet werden.
Berstschutzstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Krafteinleitung bzw. Arretierung der Berstschutzkomponente (1) mit den scheibenförmigen Berstschutzmantelboden (6) eine formschlüssige Bohrung (9) im Boden eingebracht wird.
Berstschutzstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Berstschutzmantel (5) lokal mit tangential verlaufenden Armierungsringen (10) aus Metall oder Faserverbundkunststoff vorgesehen wird.
Berstschutzstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Berstschutzmantel (5) einen Sandwichaufbau besitzt, bei dem neben dem faserarmierten Deckschichten ein Schaummaterial eingebracht wird.
Berstschutzstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Laminataufbau die Orientierung innen ± 45° und außen ± 15° beträgt.
Berstschutzstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservolumenanteil des Verbundwerkstoffs im Bereich von 45% bis 52% liegt.
Berstschutzstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kunststoffmatrix mit hoher Werkstoffdämpfung eingesetzt wird.
Berstschutzstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung das Thermoplastwickelverfahren eingesetzt wird und somit thermoplastische Matrixsysteme wie etwa Polyamid, PPS, PEEK, PEAK, PS oder Polyäthylen zum Einsatz kommen.