DE19507224A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Mehrschicht-Kunststoffverbundrohres - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrschicht-Kunststoffverbundrohres gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Erfindung bezieht sich auf Mehrschicht-Verbund­ rohre, die im wesentlichen im Sanitärbereich, bevor­ zugt für Wasserleitungen, aber auch gegebenenfalls für Heizungen, beispielsweise Fußbodenheizungen ver­ wendet werden. Die innere Schicht wird von dem aus thermoplastischem oder thermoelastischem Kunststoff bestehenden Innenrohr gebildet, auf das nach außen als weitere Funktionsschicht die Metallfolie folgt, die das Innenrohr vollständig ummantelt. In aller Re­ gel ist es erforderlich, auf die Metallfolie eine Schutzschicht aufzubringen, welche vorzugsweise aus thermoplastischem Kunststoff besteht. Diese Funk­ tionsschichten werden in der Regel durch eine oder mehrere Haftvermittlerschichten zu einer Einheit ver­ bunden.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf derartige Mehrschicht-Verbundrohre, bei denen als Innenrohr ein Rohr mit relativ großer Wanddicke verwendet wird. Diese Wanddicke richtet sich nach den einschlägigen Klassen der Norm (beispielsweise für Polypropylen-In­ nenrohr DIN 8077 oder DIN 16 893 und 16 895 für ein In­ nenrohr aus vernetztem Polyethylen). Die Metallfolie dient als Sperrschicht und Stabilisator gegenüber Durchhängen bei warmgehenden Leitungen. Außerdem re­ duziert sie beträchtlich den mittleren linearen Län­ genausdehnungskoeffizient des Verbundrohres im Ver­ gleich mit einem gewöhnlichen Kunststoffrohr. Sie be­ steht bei dem erfindungsgemäßen Mehrschicht-Kunst­ stoffverbundrohr vorzugsweise aus einer dünnen Alumi­ niumfolie.

Derartige Mehrschicht-Verbundrohre sind bekannt (DE-GM 93 04 568.9) Hierbei wird ein beidseitig mit Haft­ vermittler versehenes Aluminiumfolienband um das Rohr gebogen und mit diesem überlappend gesiegelt und fest verbunden. Beim Verbinden solcher Rohre miteinander oder mit Fittings wird die äußere Kunststoffschutz­ schicht mitsamt dem Aluminiumband nur an den Verbin­ dungsstellen mittels eines Schälgerätes abgeschält und dann das Kunststoffinnenrohr mit Heizelement­ schweißverfahren geschweißt. Das Abschälen der Alumi­ niumfolie verhindert eine Korrosion an der Verbin­ dungsstelle.

Solche Rohre sind indessen vergleichsweise aufwendig. Sie benötigen nach den DIN 1988-Vorschriften (bei­ spielsweise bei PP-Rohren gemäß DIN 8077 die Klasse 7 = PN 25) eine relativ große Wanddicke. Die Versiege­ lung hat nur eine begrenzte Festigkeit und kann daher zur Druckfestigkeit des Rohres, d. h. zur Verringe­ rung der Kunststoffrohrwanddicke nichts beitragen. Solche Versiegelungen sind außerdem schwer zu kon­ trollieren, insbesondere soweit es um die notwendige Vermeidung von Fehlstellen in der Versiegelung geht.

Es sind ferner Mehrschicht-Verbundrohre bekannt, bei denen zwischen einer äußeren und einer inneren, je­ weils dünnen Kunststoffschicht eine Aluminiumfolie eingebracht ist, die etwa in der Mitte der Wanddicke des Rohres angeordnet ist. Das Aluminium liegt als Band vor, dessen Bandkanten miteinander WIG-stumpf­ verschweißt werden. Aluminium oxidiert relativ schnell an den Verbindungsstellen zweier Rohre, an denen in der Regel das Aluminium an den Rohrstirnsei­ ten bzw. Rohrenden frei liegt. Bei Verwendung von Fittings werden daher die Verbindungsstellen leicht undicht. Auch ist die Gefahr gegeben, daß beispiels­ weise bei Heißwasser als Fördermedium Wasserdampf durch die Wanddicke des dünnen Kunststoffrohres dif­ fundiert, den Haftvermittler von der Aluminiumschicht ablöst und somit den Mehrschichtverbund delaminiert, so daß freier Sauerstoff an die Aluminiumschicht ge­ langt und einen langsamen Korrosionsprozeß auslöst, welcher letztendlich zur Zerstörung des Verbundrohres führt.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die WIG-Schweißung einen besonders komplizierten Fertigungs­ vorgang voraussetzt, wenn eine dünne Aluminiumfolie verwendet werden soll. Dann muß nämlich das Folien­ rohr gesondert mit vergrößertem Durchmesser gefertigt und geschweißt werden, da die Folienränder stumpf voreinander gestoßen werden und das darunter befind­ liche Innenrohr beim Schweißen nicht thermisch ge­ schädigt werden darf. Deshalb muß das im Innendurch­ messer größere Folienrohr dann auf das im Außendurch­ messer kleinere innere Kunststoffrohr heruntergezogen werden. Wählt man dagegen eine dickere Folie, ergibt sich ein entsprechend höherer Materialaufwand und ge­ gebenenfalls eine vergrößerte Wanddicke des Verbund­ rohres, die unerwünscht ist.

Weiterhin sind Mehrschicht-Verbundrohre bekannt, bei denen ebenfalls zwischen einer äußeren und einer in­ neren, jeweils dünnen Kunststoffschicht eine Alumini­ umfolie eingebracht und etwa in der Mitte der Wand­ dicke angeordnet ist. Das Aluminiumband ist überlap­ pend mittels Ultraschall geschweißt. Die Fertigung solcher Verbundrohre ist technisch sehr kompliziert, weil zunächst das überlappende Aluminiumrohr mittels Sonotrode und einen im Rohrinnern angeordneten Amboß step by step ultraschallgeschweißt und das dünnwan­ dige, mit einem Haftvermittler versehene Innenrohr in das Aluminiumrohr hineinextrudiert, mittels In­ nendruck aufgeblasen und somit an das Aluminiumrohr angelegt wird.

Durch die Anordnung des Aluminiums in der Mitte der Wanddicke des Verbundrohres wird jedoch bei Korrosion des Aluminiums wie zuvor beim WIG-geschweißten Ver­ bundrohr das gesamte Verbundrohr zerstört.

Die Erfindung geht anders vor. Ihr Grundgedanke ist im Anspruch 1 wiedergegeben. Weitere Merkmale der Er­ findung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß werden die Ränder der dünnen Metall­ folie überlappt, was wie beim Heißsiegelverfahren, jedoch auf der haftvermittlerfrei gehaltenen Überlap­ pung erfolgt, aber unter Zwischenschaltung des Haft­ vermittlers direkt auf dem extrudierten Innenrohr ge­ schehen kann. In der Überlappung werden die aufeinan­ derliegenden Folienschichten mit Hilfe einer Elektro­ nenbestrahlung verschweißt. Die Erfindung beruht da­ bei auf der Erkenntnis, daß die Elektronenbestrahlung das Verschweißen dünner Folien ermöglicht, wenn man die Eindringtiefe der Elektronen anhand der Elektronenenergie und der Dichte des zu bestrahlenden Metalls der Folie begrenzt vorher bestimmt und bei der Produktion sehr exakt regelt. Aus diesen Größen ergibt sich die Elektronenenergie, die für eine Ver­ schweißung der überlappten Folienschichten erforder­ lich ist. Zwar weiß man, daß bei dem z. B. für das Verschweißen von Bi- und Trimetallbändern mit Elek­ tronenstrahlen bei einer angenommenen Dichte von 1 g/cm³ (z. B. Wasser) die maximale Eindringtiefe 5 mm pro 1 MeV (Megaelektronenvolt) Beschleuni­ gungsspannung beträgt. Die Stärke der in dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren benutzten Metallfolien beträgt aber nur Bruchteile eines Millimeters. Erfin­ dungsgemäß läßt sich die von den energiereichen Elektronen abgegebene Energie zum Verschweißen der Metallfolie in der beschriebenen Weise so dimensio­ nieren, daß auch dünnste Metallfolien nicht durchge­ schweißt werden, d. h. daß sich keine Löcher in der Schweißnaht bilden. Der Elektronenstrahl wird dabei nicht wie bei der Kunststoffvernetzung aufgefächert, sondern gebündelt und auf der Metallfolie zu einer schmalen Schweißnaht fokusiert, die ihrerseits nur Bruchteile eines Millimeters bzw. wenige Millimeter breit ist. Dabei werden die Elektronen abgebremst und ihre Energie in Wärme umgewandelt. In der Regel zieht sich dabei das Folienmaterial zusammen, weil es sich in der Naht nach oben wölbt. Das gestattet den Ver­ zicht auf das Step-by-step Verfahren und die Folien­ verschweißung auf der Unterlage des extrudierten In­ nenrohres.

Für das erfindungsgemäße Verfahren werden vorzugs­ weise relativ kleine Elektronenbeschleuniger (Elek­ tronenstrahl-Generatoren) mit einer Beschleunigungs­ spannung von ca. 50-150 kV und ca. 3-10 kW Strahllei­ stung eingesetzt. Sie bestehen grundsätzlich wie be­ kannt aus einem Hochspannungserzeuger und einer eva­ kuierten Beschleunigerröhre mit einer Potentialsteue­ rung. Der Hochspannungserzeuger liefert eine Gleich­ spannung negativer Polarität, die am Hochspannungspol der Beschleunigerröhre anliegt. Die aus der Glühka­ thode austretenden Elektronen werden zu einem Elek­ tronenstrahl gebündelt und im Hochspannungsfeld in der Röhre beschleunigt.

Die Elektronenbestrahlung ist in der Kunststofftech­ nik bislang bevorzugt zum Vernetzen von Kunststoffen eingesetzt worden. Der Elektronenbeschleuniger weist zu diesem Zweck einen Ablenkmagneten (Scanner) auf, der den Elektronenstrahl auffächert und durch ein dünnes Titanfenster in den eigentlichen Bestrahlungs­ raum imitiert, in dem sich z. B. eine Kunststoffolie befindet. Das Verfahren beruht darauf, daß auf dem Weg durch das Produkt die energiereichen Elektronen durch Wechselwirkungen ihre Energie an die Moleküle des Materials weitergeben. Dabei ist man bisher davon ausgegangen, daß die entstehenden Ionen oder Radikale als Folge eine chemische Reaktion auslösen, die zum Vernetzen, Pfropfen oder Abbau von Makromolekülen führen kann.

Erfindungsgemäß kann das neue Verfahren in die vor­ handenen Produktionslinien für die Herstellung der beschriebenen Mehrschicht-Kunststoffverbundrohre ein­ gebaut werden. Diese Produktionsanlagen weisen in der Regel am Anfang einen Extruder auf, aus dem das In­ nenrohr austritt, der auch durch ein Coil mit dem be­ reits fertig extrudierten Rohr ersetzt werden kann. Dahinter wird in der Regel das aus der Metallfolie bestehende Band von einem Coil zugeführt, das dann in einer von dem Innenrohr durchlaufenden Falteinrich­ tung zur Ummantelung mit dem Innenrohr gebracht wird. Hinter dieser Falteinrichtung läßt sich der beschrie­ bene Elektronenbeschleuniger anordnen. Das Aufbringen der Schutzschicht des Rohres kann dann in derselben oder in einer anschließenden Produktionslinie erfol­ gen. Die Folienverschweißung mit dem Elektronenstrahl läßt dies zu, da die Eindringtiefe auf die Produktionsgeschwindigkeit der Ummantelung abgestimmt werden kann.

Die Erfindung hat ferner den Vorteil, daß sich in Folge der Elektronenstrahlverschweißung aus der Folie ein längsnahtverschweißtes Rohr ergibt, das eine Ver­ bundwirkung und damit eine Festigkeitserhöhung er­ gibt, die es erlaubt, eine oder gegebenenfalls auch zwei Klassen niedriger in den DIN-Vorschriften das Innenrohr zu dimensionieren, so daß eine erhebliche Reduzierung der Wanddicke des Innenrohres möglich wird. Im allgemeinen wird davon auszugehen sein, daß nunmehr beispielsweise bei PP-Rohren gemäß DIN 8077 mit einem Außendurchmesser von 32 mm die Klasse 5 mit einer Wanddicke von 4,5 mm für das Innenrohr gegen­ über Klasse 7 mit 6,4 mm Wanddicke gewählt werden kann.

Vorzugsweise und mit den Merkmalen des Anspruches 2 wird daher die Überlappung bei der Ummantelung des aus dem Extruder zugeführten Innenrohres vorgenommen, wenn das Elektronenstrahlverschweißen der Metallfolie in die übliche Produktionslinie eingebaut werden soll.

Der Haftvermittler wird erfindungsgemäß so aufgetra­ gen, daß sich kein Material des Haftvermittlers zwi­ schen den in der Überlappung aufeinanderliegenden Me­ tallfolien befindet. Das kann mit den Merkmalen des Anspruches 3 erreicht werden, da hierbei der Haftver­ mittler vor dem Ummanteln des Innenrohres und dem Überlappen der Metallfolienränder auf das Innenrohr aufgebracht wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Haftvermittler auf die Metallfolie aufzu­ bringen, dies aber so zu bewerkstelligen, daß ein Längsrand der Folie mit der Überlappung entsprechen­ der Breite haftvermittlerfrei gehalten wird.

Die Metallfolie kann in dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren infolge der Elektronenstrahl­ verschweißung die Stärke erhalten, die bisher nur mit dem Heißsiegelverfahren bzw. mit dem step by step Ul­ traschall-Schweißverfahren möglich war. Darauf rich­ tet sich der Anspruch 5, wonach die Metallfolie eine Dicke von gleich oder kleiner 150 bis 200 µm auf­ weist.

In aller Regel genügt es, die erforderliche Festig­ keit der Verbindung der Ränder der Metallfolie mit einer Schweißnaht zu erreichen, die parallel zur Achse des Innenrohres verläuft, was Gegenstand des Anspruches 5 ist.

Die Einzelheiten, weiteren Merkmale und andere Vor­ teile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgen­ den Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren in der Zeichnung; es zeigen

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Durch­ führung des beschriebenen Verfahrens der Erfindung in schematischer Darstellung und

Fig. 2 ebenfalls schematisch einen Querschnitt durch die verschweißten Folienränder in abgebrochener Darstellung.

Gemäß der Darstellung der Fig. 1 ist der Hochspannungserzeuger für die Elektronenstrahlver­ schweißung allgemein mit 1 bezeichnet. Die Stromzu­ führung erfolgt bei 2 zu einer Kathode 3. Eine Be­ schleunigerröhre 4 wird von dem Elektronenstrahl 5 durchlaufen. In der Beschleunigerröhre sind Beschleu­ nigerelektroden 6 angebracht. Die Beschleunigerröhre geht in eine Vakuumkammer 7 über, deren Hals eine Fo­ kussiereinrichtung 8 aufweist. Die Fokussierein­ richtung dient dazu, den Elektronenstrahl 5 zu bün­ deln und auf die Schweißnaht zu richten. Er durch­ läuft die von einer Vakuumpumpe 9 evakuierte Kammer 7 und tritt durch ein geschlossenes Fenster 10 der Va­ kuumkammer 9 aus. An diese ist eine weitere Vakuum­ kammer 11 als Arbeitskammer angeschlossen, die mit beidseitigen Schleusen 12 versehen ist, die das Ver­ bundrohr 13 mit seinen überlappten Folienrändern 14 durchläuft, bevor es dem Unterdruck der Kammer 11 ausgesetzt wird. Dieser betätigt bevorzugt ca. 10^-2 mbar.

Die durch den austretenden Elektronenstrahl erzeugte Schweißung führt zum Einziehen des Materials des in der Überlappung unten liegenden Folienrandes 14, was bei 15 in Fig. 2 dargestellt ist. Der aufliegende Fo­ lienrand 16 verschweißt mit diesem Material und bil­ det eine Aufwölbung 17, die in der fertigen Ver­ schweißung erkennbar ist. Die Verschweißung hat damit eine Festigkeit, die mindestens gleich, in der Regel aber größer als die Festigkeit der überlappten Foli­ enränder ist. Voraussetzung ist, daß auf der Breite der Schweißnaht 17 die zu umschweißenden Folienränder ohne Luftspalt metallisch aufeinander liegen. Letz­ teres wird dadurch gewährleistet, daß die volle Breite der in der Überlappung aufeinanderliegenden Folienränder haftvermittlerfrei und frei von anderen Verunreinigungen gehalten werden. Die Folienränder werden außerdem aufeinandergepreßt, um ein spalt­ freies Aufeinanderliegen zu erreichen.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines Mehrschicht-Kunst­ stoffverbundrohres aus einem aus thermo­ plastischem oder thermoelastischem Kunststoff bestehenden Innenrohr und einer vorzugsweise aus Aluminium bestehenden Metallfolie, mit der gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Haftvermittlers das Innenrohr ummantelt wird, wobei die Längskanten der Metallfolie ver­ schweißt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der Metallfolie überlappt und die in der Überlappung metallisch aufeinanderlie­ genden Folienschichten mit Hilfe einer Elektronenbestrahlung verschweißt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Überlappung bei der Ummantelung des aus dem Extruder zugeführten Innenrohres vorgenommen wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Haftvermittler vor dem Ummanteln des Innenrohres und dem Überlappen der Metallfolienränder auf das In­ nenrohr aufgebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Haftvermittler vor dem Ummanteln des Innenrohres auf die Me­ tallfolie aufgebracht und dabei ein Längsrand der Folie mit einer der Überlappung entspre­ chenden Breite haftvermittlerfrei gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metall­ folienränder im Bereich der haftvermittler­ freien Überlappung aufeinandergepreßt und dann verschweißt sind.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie eine Dicke von kleiner oder gleich 150 bis 200 µm aufweist.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprü­ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschweißung mit einer Schweißnaht durchge­ führt wird, die parallel zur Achse des Innen­ rohres und die Folienlagen in der Schweißhitze aufwölbt.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Fokussiereinrich­ tung (8), zur Bündelung des auf die Überlap­ pung der Folienränder gerichteten Elektronen­ strahles in einer Arbeitskammer (11), die im Anschluß an eine Falteinrichtung eines Folien­ randes in einer kontinuierlichen Fertigungsan­ lage angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fokussiereinrichtung (8) mit einer der Form des gebündelten Elektronen­ strahles angepaßten Vakuumkammer (7) zusammen­ wirkt, die über dem Innenrohr und der Überlap­ pung der Metallfolie angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer (7) rohrförmig ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer (7) des Elektronenstrahl-Generators in eine weitere Vakuumkammer (11) hineinragt, die als Arbeitskammer dient.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskammer (11) beidseitig mit Schleusen (12) versehen ist.