DE112011103628T5

DE112011103628T5 - Wiederverwertbare Kunststofftragteile und Verfahren zur Herstellung

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Publication number: DE112011103628T5
Application number: DE112011103628T
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2013-08-08
Also published as: US8342420B2; WO2012058447A2; US20120102884A1; CA2816364A1; MX339111B; US8596027B2; WO2012058447A3; GB2498495A; GB201308511D0; US20120104110A1; MX2013004732A

Abstract

Das Kunststofftragteil enthält ein längliches, rohrförmiges Gehäuse mit gegenüberliegenden Endabschnitten, einem dazwischenliegenden Mittelabschnitt und einem inneren Hohlraum. Der innere Hohlraum weist einen darin angeordneten Schaumkern auf. Der Schaumkern umfasst dampfexpandierbare Polymerperlen, die nach der Expansion den inneren Hohlraum im Wesentlichen ausfüllen.

Description

Technisches Gebiet
Die offenbarten Ausführungsformen beziehen sich auf wiederverwertbare Kunststofftragteile und Verfahren zu deren Herstellung.
Hintergrund
Ersatzwerkstoffe aus Kunststoffzusammensetzungen für Tragteile aus Nicht-Kunststoffmaterialien können auf Einwände hinsichtlich der verhältnismäßig niedrigen physikalischen Eigenschaften der ersetzenden Kunststoffzusammensetzung treffen. Oftmals mischen Hersteller der Kunststoffzusammensetzung andere Harze und Zusatzstoffe bei, um die physikalischen Eigenschaften zu verbessern. Die Mischungen aus Harzen und Zusatzstoffen können jedoch die Wiederverwertbarkeit der Kunststoffzusammensetzung beeinträchtigen.
Ein Beispiel eines Tragteils, das sich für einen Materialersatz eignet, sind Eisenbahnschwellen, die die verhältnismäßig hohen Gewichte von Eisenbahnlokomotiven und deren angehängten Eisenbahnwagen samt Ladung abstützen. Beim Überfahren der durch die Eisenbahnschwellen abgestützten Eisenbahnschienen durch die Züge sind die Schwellen, zusätzlich zur durch das Gewicht ausgeübten Druckkraft, erheblichen Schwingungen ausgesetzt. Auch wenn die Schwellen nicht in Betrieb stehen, sind sie trotzdem noch harten, extremen Umweltbedingungen wie Temperatur, UV-Licht und Feuchtigkeit ausgesetzt. Die Zersetzung von Holzeisenbahnschwellen als Folge dieser Exponierung gegenüber der Umwelt bedingt, dass die Schwellen häufig ersetzt werden müssen, damit sie ihre vorrangige Funktion der Abstützung des Zuggewichts wahrnehmen können. Das zur Herstellung herkömmlicher Eisenbahnschwellen verwendete Holz wird zunehmend teurer. Holzeisenbahnschwellen sind schwer, was die zum Austausch notwendige Arbeit erschwert.
Zusammenfassung
Offenbarte Ausführungsformen beziehen sich auf wiederverwertbare Kunststofftragteile und Verfahren zu deren Herstellung. In mindestens einer Ausführungsform umfasst ein Kunststofftragteil ein längliches, rohrförmiges Gehäuse mit gegenüberliegenden Endabschnitten, einem dazwischenliegenden Mittelabschnitt und einem inneren Hohlraum. Das Teil umfasst auch einen Schaumkern bestehend aus dampfexpandierbaren Polymerperlen, welche nach der Expansion den inneren Hohlraum im Wesentlichen ausfüllen.
In einer anderen Ausführungsform weist das Teil eine Eisenbahnschwelle mit einem länglichen Gehäuse auf, welches gegenüberliegende geschlossene Endabschnitte und einen dazwischenliegenden Mittelabschnitt aufweist. Dieses Gehäuse definiert so einen länglichen inneren Hohlraum. Ein expandierter Polyolefinperlen umfassender Schaumkern füllt den Hohlraum im Wesentlichen aus.
In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststofftragteils das Blasformen eines Kunststoffvorformlings in einer Hohlform in der Form eines länglichen Elements zur Bildung eines länglichen, rohrförmigen Kunststoffgehäuses. Das Gehäuse weist gegenüberliegende Endabschnitte, einen dazwischenliegenden Mittelabschnitt und einen inneren Hohlraum auf. Das Verfahren umfasst auch die Ausbildung mindestens einer Einfüllöffnung und einer Mehrzahl von Heizöffnungen in der Wandung des Kunststoffgehäuses. Der Gehäuseinnenhohlraum ist mit expandierbaren Polymerperlen gefüllt. Die Polymerperlen werden durch Einspritzen eines heißen, zumindest teilweise dampfförmigen Heizmediums durch die Heizöffnungen expandiert. Die Polymerperlen expandieren derart, dass sie den Gehäuseinnenhohlraum im Wesentlichen ausfüllen. Das Kunststoffgehäuse wird zur Begrenzung der durch die erwärmten expandierenden Polymerperlen erzeugten Expansion des Gehäuses eingespannt, bis das Werkstück soweit abgekühlt ist, dass eine weitere beträchtliche Expansion begrenzt ist. Die Hohlform wird dann zur Freigabe des Kunststofftragteils geöffnet.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische isometrische Teilansicht einer Schienenanordnung gemäß mindestens einer Ausführungsform;
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Eisenbahnschwelle gemäß mindestens einer Ausführungsform;
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Eisenbahnschwelle entlang der Achse 3-3 aus 2;
4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Eisenbahnschwelle entlang der Achse 4-4 aus 2;
5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der Eisenbahnschwelle;
6 zeigt eine schematische Querschnittsteilansicht einer Eisenbahnschwelle entlang der Achse 6-6 aus 5;
7 zeigt eine schematische Längsquerschnittsteilansicht einer Anordnung mit einer Eisenbahnschwelle und einer Schiene mit der Darstellung der Positionierung eines Schienennagels; und
8 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Stromschienenanordnung mit einer Eisenbahnschwelle;
9 zeigt eine schematische Querschnittsteilansicht einer Eisenbahnschwelle mit Lastmessgebern;
10 zeigt eine schematische Darstellung eines Prellbocks gemäß mindestens einer Ausführungs-Form;
11 zeigt eine schematische Querschnittsansicht entlang der Achse 11-11 aus 10;
12 zeigt ein Prozessablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Eisenbahnschwelle gemäß mindestens einer Ausführungsform; und
13a–13d zeigen schematisch dargestellt den Prozess zur Herstellung einer Eisenbahnschwelle gemäß mindestens einer Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung
Wo nicht ausdrücklich anders vermerkt, verstehen sich alle Zahlenangaben in der Beschreibung und den Ansprüchen, angegebene Mengen von Materialien oder Reaktionsbedingungen und/oder Anwendung als ungefähre Angaben zur Beschreibung des größtmöglichen Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung. Eine praktische Umsetzung innerhalb der angegebenen Zahlenbereichsgrenzen ist erwünscht und sollte eigenständig ausgeführt werden. Zahlenbereichsgrenzen sind den in den Tabellen und der Beschreibung zur Verfügung gestellten Daten eigenständig zu entnehmen. Die Beschreibung von für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeigneten Materialgruppen oder Materialgüteklassen impliziert, dass die Mischungen von zwei oder mehr beliebigen Produkten aus der Gruppe oder den Güteklassen geeignet sind. Die chemische Beschreibung von Komponenten bezieht sich auf die Bestandteile zum Zeitpunkt der Beimischung gemäß einer in der Beschreibung angegebenen Kombination und schließt chemische Wechselwirkungen unter den Komponenten in der fertigen Mischung nicht unbedingt aus. Die erste Erläuterung eines Kurzwortes oder einer anderen Abkürzung gilt für alle weiteren Anwendungen derselben Abkürzung hierin und bezieht sich entsprechend auf übliche grammatikalische Abänderungen der ursprünglich definierten Abkürzung. Wo nicht ausdrücklich anders erwähnt, wird die Messung einer Eigenschaft durch die gleichen zuvor oder danach für die gleiche Eigenschaft angewandten Vorgehensweisen bestimmt. Ebenso gilt, außer wo nicht ausdrücklich anders erwähnt, für Prozentzahlen, „Teile von” und Verhältnisangaben das Gewicht als Basis, und der Ausdruck „Polymer” schließt „Oligomer”, „Co-Polymer”, „Terpolymer”, „Pre-Polymer” und dergleichen mit ein.
Es versteht sich ebenfalls, dass sich die Erfindung nicht nur auf bestimmte Ausführungsformen und Verfahren wie im Folgenden beschrieben bezieht, da bestimmte Verbundbestandteile und/oder Herstellungsbedingungen selbstverständlich Veränderungen unterliegen. Des Weiteren wird die hierbei verwendete Terminologie nur zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet und soll nicht in irgendeiner Weise als einschränkend gelten.
Es ist weiter zu vermerken, dass die Einzahlform „ein/e” und „der/die/das”, so wie in der Beschreibung und den anhängigen Ansprüchen verwendet, die Mehrzahlform mit einschließt, sofern es der Zusammenhang nicht ausdrücklich anders erwähnt. Zum Beispiel soll der Hinweis auf einen Bestandteil in der Einzahl eine Mehrzahl von Bestandteilen mit einschließen.
Im Verlauf der gesamten vorliegenden Anmeldung gilt für Veröffentlichungen, auf die Bezug genommen wird, dass die Offenbarung solcher Veröffentlichungen in ihrer Gesamtheit durch Bezug in diese Anmeldung zur vollumfänglichen Beschreibung des Stands der Technik, auf welchen sich diese Erfindung bezieht, aufgenommen ist.
1 zeigt einen Abschnitt eines Eisenbahngleises mit einer Schienenanordnung 10 umfassend zwei Abschnitte einer Eisenbahnschiene 14, welche die Höchstspannlänge eines Eisenbahnwagens oder einer Lokomotive von Fahrgestell zu Fahrgestell abstützt. In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Schienenanordnung 10 5 bis 50 Eisenbahnschwellen 12. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Schienenanordnung 10 20 bis 35 Eisenbahnschwellen 12. In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schienenanordnung 10 25 bis 32 Eisenbahnschwellen 12.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Schienenanordnung 10 Eisenbahnschwellen 12, welche auf einem Gleisbett 20 angeordnet sind. Die Schwellen 12 stützen zumindest zwei parallele und voneinander beabstandete Schienen 14. Die Schiene 14 ist durch eine mit der Schiene 14 verbundene Platte 16 mit der Eisenbahnschwelle 12 verbunden. Die Platte 16 ist mittels einem oder mehrerer Gleisnägel 18 an der Eisenbahnschwelle 12 befestigt.
2 zeigt nun eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Eisenbahnschwelle 12. Die Eisenbahnschwelle 12 weist zwei Endabschnitte 30 und einen Mittelabschnitt 32 auf. Der Endabschnitt 30 weist eine Oberseite 34 mit der daran befestigten Platte 16 auf. Der Oberseite 34 gegenüber und parallel zu ihr befindet sich die Unterseite 36, welche sich im Kontakt mit dem Gleisbett 20 befindet. Die Oberseite 34 und die Unterseite 36 sind durch die zwei Seiten 38 und 40 miteinander verbunden. Ein zwischen der Seite 38 und der Oberseite 34 gebildeter Winkel 42 kann rechtwinklig sein oder zwischen 60° und 120° betragen. Ein zwischen der Seite 40 und der Oberseite 34 gebildeter Winkel 44 kann ebenfalls rechtwinklig sein oder in einer anderen Ausführungsform zwischen 60° und 120° betragen. Die Seiten 38 und 40 können gerade oder kurvenförmig, wie in 3 dargestellt, ausgebildet sein.
Die Höhe der Eisenbahnschwelle 12 zwischen Ober- und Unterseite 34 und 36 kann in verschiedenen Ausführungsformen zwischen 4 Zoll und 16 Zoll betragen. Die Breite zwischen den Seiten 38 und 40 kann in verschiedenen Ausführungsformen zwischen 4 Zoll und 16 Zoll betragen. Die Breite zwischen den Seiten 38 und 40 kann zur Bildung einer kurzen Säule wirksam sein.
Der Mittelabschnitt 32 weist eine Oberseite 50 und eine Unterseite 52 auf, die der Oberseite 50 gegenüberliegt und von ihr beabstandet ist. Die Seiten 54 und 56 verbinden die Oberseite 50 mit der Unterseite 52. Die Seiten 54 und 56 können gerade oder kurvenförmig, z. B. konvex oder konkav, wie in 4 dargestellt, ausgebildet sein.
Ein Übergang 58 zwischen der Oberseite 34 des Endabschnitts 30 zur Oberseite 50 des Mittelabschnitts 32 kann gerade oder kurvenförmig ausgebildet sein. Ein Übergang 60 zwischen einer der Seiten 38 und 54 oder Seiten 40 und 56 des Endabschnitts 30 und dem Mittelabschnitt 50 kann gerade oder kurvenförmig ausgebildet sein. In mindestens einer Ausführungsform ist der Schnittpunkt der Übergänge 58 und 60 in der Form einer geglätteten Eckpunktgeometrie 62 nach Coons gehalten.
3 zeigt nun eine schematische Querschnittsansicht des Endabschnitts 30 der Eisenbahnschwelle 12 entlang der Achse 3-3 aus 2. Die Wandung 80, welche die äußere periphere Oberseite und Unterseite 34 und 36 sowie die Seiten 38 und 40 umfasst, definiert einen inneren Hohlraum 82, in welchem ein Kern 84 ausgebildet ist. Die Wandung 80 kann aus einer Polymerzusammensetzung bestehen. Die Polymerzusammensetzung kann thermoplastische und/oder duroplastische Polymere enthalten. In mindestens einer Ausführungsform ist die Polymerzusammensetzung wiederverwertbar. Nicht einschränkende Beispiele von für die Wandung 80 geeigneten Polymerzusammensetzungen sind Polyolefine wie Polypropylen und Polyethylen.
In gewissen Ausführungsformen, besonders in Fällen, in denen Kunststoffstandardartikel in kalte Umgebungen exportiert werden, beinhaltet die Wandung 80 eine blasformfähige Mischung von thermoplastischem Polyolefin/Polypropylen, eine Mischung von thermoplastischem Elastomer/Polypropylen gegenseitig durchdringende Polyolefinmischung, eine Mischung eines Thermoplasts mit einer Glasübergangstemperatur von weniger als –80°C und einem Polyolefin, eine heterogene Polymermischung und eine Mischung eines Thermoplasts mit einer Glasübergangstemperatur von weniger als –20°C und einem Polyolefin, eine Mischung eines thermoplastischen Vulkanisats mit einem Polyolefin. In gewissen Ausführungsformen können heterogene Polymermischungen mit einer kristallinen thermoplastischen Phase und einem hohen Molekulargewicht oder einer vernetzten elastomeren Phase von Exxon Mobile oder Advanced Elastomer Systems bezogen werden.
In mindestens einer Ausführungsform reicht das Verhältnis von thermoplastischem Polymer zu Polyolefin von 5% Gew.-% bis 70 Gew.-% der Mischung. In einer anderen Ausführungsform reicht das Verhältnis von thermoplastischem Polymer zu Polyolefin von 10 Gew.-% bis 40 Gew.-%.
Die Stärke der Wandung 80 kann in mindestens einer Ausführungsform von 0,03 Zoll bis 0,5 Zoll betragen. In einer anderen Ausführungsform kann die Stärke der Wandung 80 von 0,125 Zoll bis 0,25 Zoll betragen. In der dargestellten Ausführungsform besteht die Wandung aus einem länglichem Rohr aus Polypropylen mit einer Wandstärke vor Schrumpfung im Bereich von 0,14 Zoll bis 0,17 Zoll, welches mittels Blasformen in die Form der Schwelle 12 mit einer Endwandungsstärke im Bereich von 0,13 bis 0,16 Zoll gebracht wird.
Der Kern 84 kann dampfexpandierbare Polymerpartikel 86, wie expandierte Polymerperlen aus Polyolefin beinhalten. In mindestens einer Ausführungsform behinhalten die expandierten Polymerperlen aus Polyolefin expandierte Polymerperlen aus Polypropylen (EPP). In noch einer anderen Ausführungsform beinhaltet der Kern 84 expandierte Polymerperlen aus Polypropylen mit hohem Molekulargewicht. In noch einer anderen Ausführungsform werden homopolymere Perlen den expandierten Polyolefinperlen beigemischt, um die Steifheit des Kerns 84 zu erhöhen. Als ein nicht-einschränkenden Beispiel erhöht sich die Steifheit, falls eine Homopolymerpolyolefin ein Homopolymerpolypropylen ist, so, dass eine Belastung von 100000 lb eine Dehnung von 5,8% und eine Komprimierung von lediglich 0,007 Zoll ergibt. In einem anderen Beispiel reicht die Dehnung von 2% bis 10%. In mindestens einer Ausführungsform lassen sich die EPP vor Ort mittels Einspritzen von Dampf in die Polypropylenperlen zu dampfexpandiertem Polypropylen ausformen. Es versteht sich, dass ein Teil des Kerns 84 Polyolefinperlen in einer nicht-expandierten oder einer teilexpandierten Anordnung enthalten kann.
Dampfexpandiertes Polypropylen kann eine Dichte im Bereich von 1 lb/ft³ bis 20 lbs/ft³ aufweisen. In noch einer anderen Ausführungsform kann mit Dampf eingespritztes EPP eine Dichte im Bereich von 1,5 lbs/ft³ bis 10 lbs/ft³ aufweisen. In noch einer anderen Ausführungsform kann dampf-eingespritztes EPP eine Dichte im Bereich von 2 lbs/ft³ bis 6 lbs/ft³ aufweisen. In noch einer anderen Ausführungsform kann dampf-eingespritztes EPP eine Dichte im Bereich von 3 lbs/ft³ bis 5 lbs/ft³ aufweisen.
Eine von einem Zug verursachte Belastung kann im Kern 84 besser verteilt werden, indem die Platte 16, wie in 3 dargestellt, um die Seiten 38 und 40 geschlagen wird. Die Platte 16 bildet so zur Stützung der Seiten 38 und 40 ein umgekehrtes „U” und begrenzt so unter Belastung eine Verbiegung nach außen.
Gemäß 4 weist der Mittelabschnitt 34 der Eisenbahnschwelle 12 in gewissen Ausführungsformen einen Hohlraum 84 auf, welcher mit expandiertem Polyolefin gefüllt ist. Die den Hohlraum ausfüllenden expandierten Polyolefinpartikel 86 können eine geringere, gleiche oder größere Dichte aufweisen als die Dichte des expandierten Polyolefins im Hohlraum 84 des Endabschnitts 30. In einer anderen Ausführungsform weist der Endabschnitt 30 eine Dichte des EPP auf, welche um mindestens 1 lb/ft³ geringer ist als die Dichte des EPP im Mittelabschnitt 34. Während 3 und 4 das Vorliegen von 3 Dichtezonen beschreiben, versteht es sich, dass die Eisenbahnschwelle 12 eine oder mehrere Dichtezonen aufweisen kann, ohne dass dies den Umfang oder den Sinn der Ausführungsform sprengt. Es versteht sich ferner, dass in gewissen Ausführungsformen die Dichtezonen einen verhältnismäßig gleichförmigen Dichteanstieg durch Bereiche der Eisenbahnschwelle 12 hindurch ohne verhältnismäßig klare Abgrenzung einer oder mehrerer Dichtezonen aufweisen können. In der dargestellten Ausführungsform beträgt die Dichte der EPP-Perlen im Endabschnitt 5 lbs/ft³, während die Dichte der EPP-Perlen im Mittelabschnitt 3 lbs/ft³ beträgt.
In 5 ist nun zumindest eine Ausführungsform einer zur Verwendung in einer Schienenbogenanordnung geeigneten angeschrägten Eisenbahnschwelle 112 schematisch in einer Querschnittsansicht dargestellt. Die angeschrägte Eisenbahnschwelle 112 besteht aus einem angeschrägten Wandungsabschnitt 110, welcher drei untergeordnete Hohlräume 114, 116, 118 bestimmt. Ein erstes expandiertes Polyolefin 120 wird im Hohlraum 114 ausgeformt. Im Hohlraum 116 wird ein zweites expandiertes Polyolefin 122 mit einer geringeren Dichte als das expandierte Polyolefin 120 ausgeformt. Im Hohlraum 118 wird ein drittes expandiertes Polyolefin 124 mit einer dritten Dichte ausgeformt. In anderen Ausführungsbeispielen können die Dichten der expandierten Polyolefine 120, 122 und 124 gleich oder verschieden sein.
Der Winkel der angeschrägten Eisenbahnschwelle 112 wird vom Winkel θ vorgegeben. Der Winkel θ ergibt sich aus der Neigung, die für eine sichere Durchfahrt eines Zugs in einem Bogen in der Schienenanordnung 10 erforderlich ist. Die angeschrägte Eisenbahnschwelle 112 ist deshalb wünschenswert, weil das Gleisbett 20 gleichmäßig als ebene und flache Bettoberfläche gestaltet sein kann. In mindestens einer Ausführungsform kann der Winkel θ von 0,1° bis 30° reichen, In einer anderen Ausführungsform kann der Winkel θ von 0,5° bis 10° reichen. In noch einer anderen Ausführungsform kann die angeschrägte Eisenbahnschwelle eine Keilform aufweisen.
In 6 ist nun eine Querschnittsansicht in Querrichtung entlang der Achse 6-6 aus 5 dargestellt. Die Unterseite 36 weist in mindestens einer Ausführungsform eine mit dem Gleisbett 20 zusammenwirkende Aufnahmestruktur 126 auf, die insofern eine Beeinträchtigung darstellt, als dass sie die Tendenz zu einer Bewegung der Eisenbahnschwelle 112 bei Einwirkung einer gerichteten Kraft auf die Eisenbahnschwelle 112 aufgrund der Durchfahrt eines Zugs verringert.
7 stellt ein Ringnutbefestigungsteil 140 dar, wie z. B. einen Gleisnagel zur Verwendung mit der Eisenbahnschwelle 12. In mindestens einer Ausführungsform weicht das expandierte Polyolefin 142 beim Einschlagen des Ringnutbefestigungsteils 140 in die Eisenbahnschwelle 12 zurück. Das expandierte Polyolefin 142 erholt sich daraufhin wieder und umschließt die Ringschafte 144 des Gleisnagels 140 zur Befestigung der Schiene 14 und Platte 16 an der Eisenbahnschwelle 12.
In mindestens einer Ausführung erstreckt sich der Ringschaft 144 von 0,100 Zoll bis 0,300 Zoll vom Ende des Gleisnagels 140. Der Ringschaft 144 ist als invertierter frustokonischer Abschnitt ausgelegt. Der Gleisnagel 140 kann eine Vielzahl solcher frustokonischer Abschnitte in Folge entlang der Längsachse des Gleisnagels 140 konfiguriert aufweisen. Es versteht sich, dass sich andere Formgebungen mit Hinterschnitt zur Verwendung mit dem Gleisnagel 140 eignen können.
8 stellt eine Stromschienenanordnung zur Verwendung mit einer Eisenbahnschwelle 150 gemäß mindestens einer Ausführungsform dar. Die Eisenbahnschwelle 150 weist ein expandierbares Polyolefin 152 in einem durch die Wandung 154 bestimmten Hohlraum auf. Eine Stromschienenvorrichtung 156 ist auf der Eisenbahnschwelle 150 angebracht. Die Stromschienenvorrichtung 156 steht zum Betrieb eines elektrischen Zugs unter Strom. Der elektrische Strom fließt sodann über die Schienen 158 an das Kraftwerk zurück.
8 zeigt zudem die in eine Plattenaufnahme 172, welche in die Schwelle 150 eingeprägt ist, eingesetzte Platte 16. Es versteht sich, dass die Aufnahmestruktur 126 und die Plattenaufnahme 172 gleichzeitig in derselben Eisenbahnschwelle vorhanden sein können.
9 stellt eine Querschnittsteilansicht durch eine Eisenbahnschwelle 160 dar, in welcher gemäß mindestens einer Ausführungsform Messgeber eingelassen sind. Ein oder mehrere Messgeber, wie z. B. ein RFID-Chip 162 mit einem piezoelektrischen Dehnmessstreifen 164, können in einem expandierten Polyolefin 168 in einem durch die Wandung 170 definierten Hohlraum eingelassen sein. Ein optionaler Kanal 166 kann den elektrischen Anschluss des Messgebers 164 an eine externe Signalvorrichtung ermöglichen. Die Messgeber 162 und/oder 164 können vor dem Einspritzen des Dampfs zur Expansion der Polyolefinperlen in das expandierte Polyolefin 168 eingelassen werden. In einer anderen Ausführungsform können die Messgeber nach der Ausformung der Eisenbahnschwelle 160 mit mechanischen Insertionsmitteln, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, in die Eisenbahnschwelle eingebracht werden.
Eine typische Eisenbahnschwelle 12 hat, zumindest in einer Ausführungsform, ein Gewicht im Bereich von 10 lbs bis 200 lbs im Falle einer Eisenbahnschwelle von 9 Zoll mal 7 Zoll mal 102 Zoll. In einer anderen Ausführungsform liegt das Gewicht der Eisenbahnschwelle 12 im Bereich von 20 lbs bis 100 lbs. In noch einer anderen Ausführungsform liegt das Gewicht der Eisenbahnschwelle 12 im Bereich von 30 lbs bis 75 lbs, so dass die Schwelle von einem einzelnen Arbeiter getragen werden kann.
Beim Einsatz der Eisenbahnschwelle 12 in der Schienenanordnung 10 fungiert der Kern aus expandiertem Polyolefin als Energieaufnehmer. In mindestens einer Ausführungsform ist die Eisenbahnschwelle 12, wenn ein Kern aus expandiertem Polyolefin verwendet wird, vor Einsetzen der permanenten Verformung einer Durchbiegung von über 25% ausgesetzt.
Die Kraft, welche zur Durchbiegung der Eisenbahnschwelle notwendig ist, lässt sich als Federkonstante darstellen, welche eine Funktion eines Biegemoments der Querschnittsfläche der Eisenbahnschwelle 12, der Länge der Eisenbahnschwelle 12 und des Elastizitätsmoduls des expandierten Polyolefins darstellt. Mit einer höheren Federkonstante als Holz kann das expandierte Polyolefin in der Eisenbahnschwelle 12 eine größere Streckspannung als Holz aufweisen. Mit einer größeren Streckspannung kann die Eisenbahnschwelle aus expandiertem Polyolefin eine größere Energieaufnahme als hölzerne Eisenbahnschwellen aufweisen. Eine größere Energieaufnahme durch die Eisenbahnschwellen aus expandiertem Polyolefin kann ein verhältnismäßig ruhiges Eisenbahnnetz zur Folge haben, wenn der Zug Eisenbahnschwellen aus expandiertem Polyolefin überfährt.
Die Federkonstante der Eisenbahnschwelle kann erhöht oder vermindert werden, indem die Dichte des expandierten Polyolefins im Kern der Eisenbahnschwelle mittels Verfahren, die in gewissen Ausführungen hierin offenbart werden, wird.
Zur Herstellung der dargestellten Ausführung geeignete Polyolefinperlen und Verfahren zur Herstellung von nicht-expandierten Polyolefinperlen sind in den japanischen Patenten JP60090744 , JP59210954 , JP59155443 , JP58213028 und im US-Patent 4,840,973 erläutert, die hierin alle durch Bezug aufgenommen werden. Nicht-beschränkende Beispiele von expandierten Polyolefinen sind ARPLANK^® und ARPRO^®, erhältlich bei JSP, Inc. (Madison Heights, MI).

Das expandierte Polypropylen, wie z. B. JSP ARPRO^® EPP, welches keine äußere Schale aufweist, hat die physikalischen Eigenschaften wie in Tabelle 1. Tabelle 1

Eigenschaft	Prüfverfahren	Einheit	Wert
Dichte	ASTM D-3575	lbs/ft³	1,0	2,8	3,7	4,2	4,6	5,0
Druckfestigkeit	ASTM D-3575	lbs/in²
bei 10% Durchbiegung			8,4	32	44	53	61	68
bei 25% Durchbiegung			11	42	57	65	76	84
bei 50% Durchbiegung			19	54	73	84	97	112
bei 75% Durchbiegung			41	111	155	183	220	251
Druckverformung	ASTM D-3575	%
bei 25% Durchbiegung			8	7	7	7	7	7
bei 50% Durchbiegung			16	12	12	12	12	12
Kriechverhalten	ASTM D-3575	%	< 0,5	1	1,5	2,5	3,0	3,5
bei 1000 h
Betriebstemperatur	ASTM D-3575	°C	100	100	100	100	100	100

Nun zu 10 und 11, wobei in 10 eine isometrische schematische Darstellung eine Ausführungsform eines Prellbocks 180 zeigt, wie z. B. den als Radkeil für große Nutzfahrzeuge, als Begrenzungsblock in Parkfeldern, als Prellbock in Häfen, als Stoßbänder an Golfwagen, als Dach für ein langsames Fahrzeug oder als Fender an Schiffen geeigneten Prellbock. Der Prellbock 180 ist länglich und rohrförmig und weist eine oder mehrere Fassetten 182 auf. Das Dach für das langsame Fahrzeug kann in der Dicke von 0,25 Zoll bis 2 Zoll reichen, vorzugsweise von 0,75 bis 1,25 Zoll.
In 11 ist eine Querschnittsansicht in Längsrichtung entlang der Achse 11-11 aus 10 schematisch dargestellt. Der Kern 184 weist eine im Wesentlichen gleichmäßige Dichte der dampf-expandierten Polypropylenperlen im gesamten Schnitt des länglichen Prellbocks 180 auf. Das Gehäuse 190 weist zumindest in einer Ausführungsform zwei Lagen auf: eine innere Lage 186 und eine äußere Lage 188. Die zwei Lagen 186 und 188 werden gleichzeitig bei der Bildung eines Blasform-Vorformlings mittels zweier Lagen durch Koextrusionen oder Verfahren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, ausgeformt. Die innere Lage 186 kann einen ersten Satz von Eigenschaften aufweisen, wie z. B. wiederverwendete Kunststoffzusammensetzung, und die äußere Lage 188 kann einen zweiten Satz von Eigenschaften aufweisen, wie z. B. ein UV-resistentes Package oder ein Pigment. Es versteht sich, dass die äußere Lage 188 eine andere Zusammensetzung als die innere Lage 186 aufweisen kann. Als nicht-beschränkendes Beispiel kann die äußere Lage 188 ein Copolymer beinhalten oder 0–5 Gew.-% eines linearen Polyethylens mit geringer Dichte (LLDPE), um die Flexibilität der äußeren Schicht 188 zu verbessern und so die Spannungsrissanfälligkeit zu vermindern. Es versteht sich weiterhin, dass hier zwar zwei Lagen dargestellt sind, eine Vielzahl von Lagen jedoch denkbar ist. In einer anderen Ausführung kann die Anzahl der Lagen von eins bis 11 reichen. Bevorzugt weisen die innere Lage 186, die äußere Lage 188 und der Kern 184 zur Verbesserung der Wiederverwertbarkeit des Prellbocks 180 ähnliche oder gar gleiche Zusammensetzungen auf.
In 12 ist ein Verfahren zur Herstellung des wiederverwertbaren Kunststofftragteils mit mehreren Kerndichtezonen in mindestens einer Ausführungsform, welche das Blasformen eines hohlen länglichen Gehäuses im Schritt 200 umfasst, diagrammhaft dargestellt. Zuführöffnungen, wie Füllöffnungen und Heizöffnungen werden im Schritt 202 durch Schneiden oder Durchbohren in das blasgeformte längliche Gehäuse aus Schritt 200 gebildet. Polyolefinpellets werden dem Hohlraum des länglichen Gehäuses aus Schritt 200 im Schritt 204 zugeführt. Die Dichte der Polyolefinpellets im unteren ersten Endabschnitt des länglichen Gehäuses werden zuerst zugeführt, gefolgt vom Mittelabschnitt, und/oder der zweite Endabschnitt wird im Schritt 204 während der Befüllung des Gehäuses in eine oder mehrere Dichtezonen geregelt. Dampfeinspritznadeln können im Schritt 206 in jede Dichtezone durch die Heizöffnungen eingeführt werden, oder die Nadeln können alternativ im Schritt 204 vor dem Befüllen eingeführt werden. Im Schritt 208 wird Dampf unter genügend Druck eingespritzt, damit die Polypropylenpellets im Schritt 210 zur Expansion angeregt werden. Überschüssiger Druck wird im Schritt 212 an die Umgebung abgegeben. Die geformte Eisenbahnschwelle kühlt sich im Schritt 214 ab. Die Form wird im Schritt 216 geöffnet, um das blasgeformte wiederverwertbare Kunststofftragteil freizugeben.
Der Blasformschritt 200 umfasst vorzugsweise die Extrusion eines Schlauchs. Dabei wird die Form um den Schlauch herum geschlossen und ein unter einem Druck von 90 bis 100 lbf/in² stehendes Gas in den Schlauchhohlraum eingeführt. Das in den Schlauch eingespritzte Gas bewirkt, dass sich der Kunststoff an die Form der Wandungen anpasst. Eine oder mehrere Gaseinspritznadeln werden vor der Abkühlung des Kunststoffs an den Formwandungen in den Schlauch eingeführt. Der Abstand zwischen den Dampfeinspritznadeln kann in Abhängigkeit von der Dichte der nicht-expandierten Perlen variieren, da der Dampfabzug begrenzt ist. In mindestens einer Ausführungsform liegt der Abstand zwischen benachbarten Dampfeinspritznadeln im Bereich von 2 Zoll bis 6 Zoll.
In mindestens einer Ausführungsform werden bei etwa der Hälfte der Abkühlzeit, welche typischerweise als Ausblaszyklus bezeichnet wird, Zuführöffnungen wie z. B. Einfüllöffnungen geschnitten. Die Schneidwerkzeuge werden von der Form zurückgefahren, und ein stufenweiser Ablauf zur Befüllung mit Polyolefinpellets beginnt im Schritt 204. Das Befüllen erfolgt vorzugsweise von unten nach oben. Nach Abschluss des stufenweisen Ablaufs zur Befüllung werden die Zuführöffnungen durch Reibschweißstöpsel gegebenenfalls geschlossen. Die Dampfeinspritznadeln werden zur Zuführung von Dampf über einen Einspritzzeitraum von 0,5 bis 3 s eingeführt; eine Einspritzzeit, die für die Expansion der Perle ausreichend ist. In mindestens einer Ausführungsform wird Dampf als stark erhitzter Dampf eingeführt. In einer anderen Ausführungsform wird der Dampf unter einem Druck, der geringer ist als der an den Formenschalen wirkende Klemmdruck, zugeführt. In noch einer anderen Ausführungsform wird der Dampf in einem Druckbereich von 15 lbf/in² bis 120 lbf/in² zugeführt. In mindestens einer Ausführungsform wird der Dampf bei 280° Fahrenheit und unter 60 lbf/in² Druck zugeführt. Nach der Kühlzeit, d. h. sobald die Nachexpansion nicht mehr wirkt, wird die Form zur Freigabe der blasgeformten Eisenbahnschwelle geöffnet. In mindestens einer Ausführungsform beträgt die Kühlzeit der Eisenbahnschwelle zur Verhinderung einer wesentlichen Nachexpansion zwischen ungefähr 1 min und 8 min. Wahlweise kann die Form zur Umgebung hin belüftet werden, um überschüssigen Gasdruck abzubauen, oder die Form kann kurzbelüftet, d. h. kurzzeitig geöffnet und wieder geschlossen, werden.
Ausführungsformen der Schritte 200, 202, 204, 206 und 208 sind in den 13a–13d dargestellt.
In 13a definieren die Blasformsegmente 240 und 242 einen Blasformhohlraum 244, in welchen ein erweichter Polyolefinvorformling 246 von einem Extruder 248 extrudiert wird. Der Vorformling 246 definiert einen inneren Vorformlinghohlraum 250.
In 13b, umschließen die Blasformsegmente 240 und 242 den Vorformling 246. Das Gas 260 wird in den Vorformlinghohlraum 250 eingespritzt, wodurch sich der noch weiche und verformbare heiße Vorformling 246 aufbläht und sich unter Ausbildung eines Gehäuses 262 mit einem Hohlraum 264, der größer als der ursprüngliche Vorformlinghohlraum 250 sein kann, konform an die Wandungen des Blasformhohlraums 244 anpasst.
In 13c sind die Schritte 202 und 204 aus 10 als Zuführöffnungen 270, 272 und 274 dargestellt, die durch das Gehäuse 262 geschnitten werden. Das stufenweise Befüllen beginnt mit der Zufuhr von nicht-expandierten EPP-Perlen 268 in den Hohlraum 264 mittels einer am Blasformsegment 242 angebrachten EPP-Zuführvorrichtung. In einer ersten Stufe werden die EPP-Perlen 268 durch die Zufuhröffnung 270 eingeführt. Sobald der Hohlraum 264 im Wesentlichen bis zur Höhe der Zufuhröffnung 270 gefüllt ist, führt eine zweite Stufe nicht-expandierte EPP-Perlen 268 durch die Öffnung 272 zu, bis jener Abschnitt des Hohlraums 264 im Wesentlichen gefüllt ist. Eine dritte Stufe führt nicht-expandierte EPP-Perlen 268 durch die Öffnung 274 zu, bis der Hohlraum 264 gefüllt ist.
Die EPP-Zuführvorrichtung (hier nicht dargestellt) wird von den Öffnungen 270, 272 und 274 zurückgefahren. Die Öffnungen 270, 272 und 274 werden gestöpselt. Die Dampfeinspritznadeln 276, 278, 280, 282 werden durch das Blasformsegment 242 und das Gehäuse 262 in den gefüllten Hohlraum 264 eingeführt.
In 13d wird Dampf durch die Dampfeinspritznadeln 276, 278, 280, 282 in die nicht-expandierten Perlen 268 eingebracht, so dass die Perlen expandieren und, mit dem Gehäuse verbunden, einen Kern 290 in dem Bereich, der vorher Hohlraum 264 war, ausbilden.
Es ist davon auszugehen, dass andere Ausführungsformen ein anderes Heizmedium als Dampf verwenden können, ohne dass dies den Umfang der denkbaren Ausführungsformen sprengt. Es versteht sich des Weiteren, dass das expandierte Polyolefin unter Verwendung eines Heizmediums unter Zusammenwirken mit einem Blasmittel, z. B. Pertan, ausgebildet sein kann.
Während vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Ausbildungen der Erfindung umfassen. Vielmehr handelt es sich bei im Text verwendeten Worten eher um Wörter zur Beschreibung als zur Eingrenzung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichung vom ursprünglichen Geist und Umfang der Erfindung möglich sind. Zudem können die Merkmale der verschiedenen implementierenden Ausführungsformen zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung kombiniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 60090744 [0050]
JP 59210954 [0050]
JP 59155443 [0050]
JP 58213028 [0050]
US 4840973 [0050]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM D-3575 [0051]
ASTM D-3575 [0051]
ASTM D-3575 [0051]
ASTM D-3575 [0051]
ASTM D-3575 [0051]

Claims

Kunststofftragteil, umfassend: ein längliches, rohrförmiges Kunststoffgehäuse mit gegenüberliegenden Endabschnitten, einem dazwischenliegenden Mittelabschnitt und einem inneren Hohlraum, und einen Schaumkern, umfassend dampfexpandierte Polymerperlen, welche nach der Expansion den inneren Hohlraum im Wesentlichen ausfüllen.
Teil gemäß Anspruch 1, wobei das rohrförmige Kunststoffgehäuse aus einem thermoplastischen Polymer besteht.
Teil gemäß Anspruch 2, wobei das thermoplastische Polymer aus einer Polypropylen-Gruppe, einer Mischung aus Thermoplastik/Polyolefin/Polypropylen, einer Mischung aus thermoplastischem Elastomer/Polyolefin und einer Mischung aus thermoplastischem Vulkanisat/Polyolefin und einer heterogenen Polymermischung ausgewählt ist.
Teil gemäß Anspruch 1, wobei der Mittelabschnitt des Kunststoffgehäuses einen Schaumkern mit geringerer Dichte als der Schaumkern in den gegenüberliegenden Endabschnitten aufweist.
Teil gemäß Anspruch 4, wobei der Schaumkern und die Endabschnitte eine Dichte von 2 bis 6 lbs. pro Kubikfuß aufweisen, und die Dichte des Schaumkerns im Mittelabschnitt eine Dichte aufweist, die um mindestens 1 lb. pro Kubikfuß geringer ist als die Dichte in den angrenzenden Endabschnitten.
Teil gemäß Anspruch 1, wobei es sich bei dem Teil entweder um eine Eisenbahnschwelle oder einen Prellbock handelt.
Teil gemäß Anspruch 6, wobei das Kunststoffgehäuse zumindest einen Einlass zum Befüllen des inneren Hohlraums des Gehäuses mit expandierbaren Polymerperlen und eine Reihe von sich durch die Gehäusewand erstreckenden, in einem Abstand entlang der länglichen Länge des Gehäuses für die Zufuhr von zumindest teilweise dampfförmigen Heizmedien zur Expansion der expandierbaren Polymerperlen angeordneten Heizöffnungen aufweist.
Teil gemäß Anspruch 1, wobei der Mittelabschnitt eine geringere Querschnittsfläche als die angrenzenden Endabschnitte aufweist.
Teil gemäß Anspruch 8, wobei die Endabschnitte der Schwelle in einer im Wesentlichen horizontal ausgerichteten eingebauten Lage eine im Wesentlichen flache Oberseite, eine eine von der Oberseite beabstandete und im Wesentlichenen zu ihr parallel verlaufende Ebene definierende Unterseite, und gegenüberliegende, eine im Wesentlichen trapezförmige Form bildende Seitenwände aufweisen.
Teil gemäß Anspruch 9, wobei die Unterseite der Endabschnitte in Querrichtung eine größere Breite aufweist als die entsprechende Breite der Oberseite.
Teil gemäß Anspruch 10, wobei die Seitenwände im Wesentlichen gerade sind.
Teil gemäß Anspruch 11, wobei die Seitenwände im Wesentlichen konkav sind.
Teil gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend ein Paar Befestigungsplatten aus Stahl in der Form eines Kanals, der allgemein die Form eines umgekehrten ”U” aufweist und so dimensioniert ist, dass er mit gegenüberliegenden Endabschnitten zusammenwirkt, und sich über die Oberseite und nach unten über einen Teil jeder Seitenwand erstreckt.
Teil gemäß Anspruch 1, wobei das längliche, rohrförmige Gehäuse einen wiederverwertbaren Kunststoff umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Kunststofftrageteils, umfassend: Blasformen eines Kunststoffvorformlings in einem Formhohlraum in der Form eines länglichen Elements zur Bildung eines länglichen, rohrförmigen Kunststoffgehäuses mit gegenüberliegenden Endabschnitten, einem dazwischenliegenden Mittelabschnitt und einem inneren Hohlraum; Ausbilden zumindest einer Einfüllöffnung und einer Mehrzahl von Heizöffnungen in der Wandung des Kunststoffgehäuses; Befüllen des Gehäuseinnenhohlraums mit expandierbaren Polymerperlen; Einspritzen eines heißen, zumindest teilweise dampfförmigen Heizmediums in die Heizöffnungen zur Expansion der expandierbaren Polymerperlen, um den inneren Gehäusehohlraum im Wesentlichen zu füllen; Einspannen des Kunststoffgehäuses zur Begrenzung der durch die erwärmten, expandierenden Polymerperlen erzeugten Expansion, bis das Werkstück soweit abgekühlt ist, dass eine weitere Expansion begrenzt ist; und Freigeben des Kunststofftragteils aus dem Formhohlraum.
Verfahren gemäß Anspruch 15, worin der Schritt des Blasformens weiterhin die Extrusion eines thermoplastischen, rohrförmigen Vorformlings unter Verschließen einer Hohlform mit einem eisenbahnschwellenförmigen, den Vorformling umgebenden inneren Hohlraum, und das Einblasen eines unter Druck stehenden Gases in den inneren Hohlraum eines Vorformlings umfasst, so dass der Vorformling so expandiert, dass er sich an den Innenhohlraum anpasst.
Verfahren gemäß Anspruch 15, worin der Schritt des Ausbildens zumindest einer Einfüllöffnung in der Gehäusewandung erfolgt, während das Gehäuse in der Hohlform ist.
Verfahren gemäß Anspruch 17, worin der Schritt des Befüllens des Gehäuseinneren mit expandierbaren Polymerperlen, der Schritt des Einspritzens eines Heizmediums und der Schritt des Einspannens des Gehäuses alle erfolgen, während das Gehäuse in der Hohlform ist.
Verfahren gemäß Anspruch 18, worin zumindest drei Einfüllöffnungen im Gehäuse ausgebildet werden, wobei zumindest eine Einfüllöffnung einem der gegenüberliegenden Endabschnitte und dem Mittelabschnitt entspricht, worin der Schritt des Befüllens des Gehäuses mit den expandierbaren Polymerperlen weiterhin das Befüllen des Mittelabschnitts mit weniger dichten Polymerperlen, die in die Endabschnitte des Gehäuses gefüllt werden, umfasst, so dass der daraus entstandene Kern im Mittelabschnitt eine geringere Dichte als in den Endabschnitten aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 15, worin der Schritt des Blasformens ein längliches, rohrförmiges Gehäuse mit querschnittsmäßig größeren Endabschnitten als ein dazwischenliegender Mittelabschnitt bildet.
Verfahren gemäß Anspruch 15, worin der Schritt des Einspritzens eines Heizmediums weiterhin das Einspritzen von Heißdampf in die Heizöffnungen umfasst.
Eisenbahnschwelle, umfassend: ein längliches Kunststoffgehäuse mit gegenüberliegenden Endabschnitten und einem dazwischenliegenden Mittelabschnitt, die einen Hohlraum definieren; und einen Formkern aus expandierten Polyolefinperlen, der den Hohlraum im Wesentlichen ausfüllt.
Eisenbahnschwelle gemäß Anspruch 22, worin das Kunststoffgehäuse ein Paar voneinander beabstandeter Prägungen aufweist, von denen jeweils eine auf einer ersten Oberfläche eines jeden Endabschnitts angeordnet ist.
Eisenbahnschwelle gemäß Anspruch 23, weiterhin umfassend ein Paar voneinander beabstandeter Befestigungsplatten aus Metall, von denen eine in jeder der Prägungen angeordnet ist.
Eisenbahnschwelle gemäß Anspruch 24, worin die Befestigungsplatten aus Metall mit Ringnutbefestigungsteilen gesichert sind.
Eisenbahnschwelle gemäß Anspruch 23, worin die Eisenbahnschwelle weiterhin eine auf einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden und von ihr beabstandeten zweiten Oberfläche des länglichen Gehäuses ausgebildete, konkave Aufnahmestruktur aufweist.
Eisenbahnschwelle gemäß Anspruch 22, worin das längliche Gehäuse in der Längsseitenaufrissansicht eine Keilform aufweist.
Eisenbahnschwelle gemäß Anspruch 22, weiterhin umfassend eine mit der Eisenbahnschwelle verbundene Befestigungsoberfläche für das Anbringen einer stromführenden Schiene.
Eisenbahnschwelle gemäß Anspruch 22, weiterhin umfassend einen auf oder innerhalb der Eisenbahnschwelle angeordneten Messaufnehmer.
Eisenbahnschwelle gemäß Anspruch 22, worin die Polyolefinperlen Homopolymerpolyolefinperlen umfassen.