DE19736575C2 - Kunstoffwalze, Verfahren zur Herstellung derselben und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich einerseits mit einer Kunststoffwalze, andererseits mit einem Verfahren zur Herstellung einer solchen Walze sowie ferner mit einer Vorrichtung zur Durchführung des Herstellungsverfahrens.

Aus DE 43 12 827 C1 ist eine Kunststoffwalze mit einem hohlen Walzenkör­ per aus Kunstharz bekannt, in den einander überkreuzende Lagen aus synthetischen Fasern, beispielsweise Kohlenstoff-Fasern, eingebettet sind. Die Fasern dienen zur Verstärkung des Kunstharzes und verleihen dem Walzenkörper eine gute Festigkeit. Neben Glasfasern werden Kohlen­ stoffasern erwähnt, die mit der Längsachse des Walzenkörpers einen Winkel von mehr als 0 bis 50° einschließen, bevorzugt 5 bis 35°. Die einzelnen Fasern zur Erzeugung des Walzenkörpers sind mit Kunstharz getränkt und werden in einander überdeckenden Schichten einander überkreuzend auf einen Formkern gewickelt, der nach der Vernetzung des Kunstharzes entfernt wird.

Auch sind weitere mehrlagige Walzenkörper aus DE 30 29 890 C2 und DE 22 16 316 A1 bekannt.

Aus GB 2,186,662 A sind Walzen bekannt, welche ein metallisches Innenrohr und ein koaxiales aus Faserlagen bestehendes Außenrohr umfassen. Hierbei werden die Fasern unter Zugspannung aufgebracht, wie dies auch aus DE 21 10 477 A1 und DE 38 15 116 A1 bekannt ist.

Ferner sind aus den Druckschriften auch weitere Herstellungsvorrichtungen für eine Kunststoffwalze der gattungsgemäßen Art bekannt.

Aus DE 21 10 477 A1 ist es ferner bekannt, wenigstens einen Abstreifer für überflüssiges Kunstharz vorzusehen.

Aus DE 28 58 793 C2 ergibt sich die Tatsache, daß Pechfasern als kostengünstige Alternative zu Kohlenstoffasern eingesetzt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einerseits unter Vermeidung einer nennenswerten Erhöhung des Gewichts bei einseitiger Belastung und/oder Erwärmung der Kunststoffwalze eine deutliche Verminderung der Durch­ biegung bzw. Auslenkung zu erzielen, andererseits ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Walzenkörpers anzugeben, dessen Wandung durch eine beliebig große Anzahl von in radialer Richtung aufeinanderfolgenden Lagen von Fasern auf problemlose Weise gebildet und vom Formkern abgenommen werden kann, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitzustellen, welche eine problemlose Herstellung von hochwertigen Walzenkörpern gestattet.

Gemäß einem Aspekt nach der Erfindung wird eine Kunststoffwalze mit einem hohlen Walzenkörper aus Kunstharz bereitgestellt, deren Merkmale im Patentanspruch 1 angegeben sind. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Kunststoffwalze sind in den Ansprüchen 2 bis 4 wiedergegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Kunststoffwalze sind wenigstens vier Faserlagen einander überkreuzend und umschließend vorgesehen, wobei die zweite und die dritte Lage aus Pechfasern besteht, die im wesentlichen in gleicher Weise mit Winkeln von mehr als 0° bis maximal 25° gewickelt sind. Die ersten beiden Lagen bei der erfindungsgemäßen Kunststoffwalze werden vernetzt, um einen Grundkörper zu erhalten, welcher sich leicht von dem Formdorn unabhängig davon abziehen läßt, wie viele weitere Lagen schließlich zur Bildung der Kunststoffwalze auf diesem Grundkörper aufgebracht werden. Eine Lage kann aus mehreren Teilschichten bestehen, die hinsichtlich der enthaltenen Fasern und der Zuordnung der Fasern zueinander und zu dem Walzenkörper übereinstimmend ausgebildet sein können. In einer Lage sind maximal 10 solcher Teilschichten enthalten, bevorzugt nicht mehr als 5. Als Kunstharz wird insbesondere Epoxidharz eingesetzt. Die erfindungsgemäße Walze ist derart aufgebaut, daß die in radialer Richtung von innen nach außen aufeinanderfolgenden Lagen einander jeweils überkreuzen und daß auf eine mit der Längsachse des Walzenkörpers einen möglichst steilen Winkel bildenden Lage jeweils eine weitere Lage folgt, die mit der Längs­ achse des Walzenkörpers einen möglichst flachen Winkel einschließt. Hierdurch erhält man einen Walzenkörper mit einer Temperaturdehnung, die sowohl in radialer als auch in Längsrichtung nahezu bei 0 liegt mit einem E- Modul, der Werte von 300 GPa annehmen kann. Trotz einer im Vergleich zu einer Stahlwalze auf ca. ein Drittel reduzierter Dichte weist die erfindungs­ gemäße Kunststoffwalze thermische und mechanische Eigenschaft auf, die den Stahlwalzen in einem Temperaturbereich von -50°C bis +200°C überlegen sind. Durch den mehrlagigen Aufbau der Kunststoffwalze nach der Erfindung lassen sich größere Wandstärke bei dem Walzenkörper vorsehen.

Ferner kann gemäß Anspruch 2 die vierte Lage noch von einer fünften Lage umschlossen sein und gegebenenfalls können in abwechselnder Reihenfolge der Faserausrichtung auch noch weitere Lagen vorgesehen sein.

Die Fasern werden aus wirtschaftlichen Gründen meist nicht isoliert, sondern in Form von Fasersträngen verarbeitet, welche eine größere Anzahl von Einzelfasern nebeneinander liegend umfassen. Der Winkel, den die darin enthaltenen Fasern mit der Längsachse des Walzenkörpers im Anschluß an den Wickelprozeß einschließen, wird maßgeblich durch die Anzahl der in einem solchen Faserstrang enthaltenen, nebeneinander liegenden Fasern bestimmt sowie durch die Bedingung, daß die einzelnen Faserstränge auf Stoß nebeneinander liegend angeordnet sein sollen, um auch während des Wickelprozesses jeweils eine glatte Walzenoberfläche zu erhalten, die keine Diskontinuitäten aufweist. Hierdurch soll eine Überlappung der zu einer Lage aufgewickelten Windungen eines Faserstrangs als auch ein Abstand zwischen denselben vermieden werden, was zur Unterbrechungen bei der Kontinuität der Walzenoberfläche führen könnte. Beispielsweise sind in einem Faser­ strang 10 bis 20, bevorzugt 16 einzelne Fasern nebeneinander liegend angeordnet, und die einzelnen Fasern können bis zu 24.000 Elemente enthalten.

Besonders qualitativ hochwertige Walzenkörper erhält man dann, wenn die in radialer Richtung aufeinander folgenden Lagen der Fasern abwechselnd mit der Längsachse des Walzenkörpers einen möglichst flachen bzw. steilen Winkel einschließen. Insbesondere bei kleinen Walzendurchmessern kann die Anzahl der in einem Faserstrang enthaltenen, nebeneinander liegenden Fasern auf 1 reduziert werden, um die Entstehung von Diskontinuitäten hinsichtlich der Faserabstände zu vermeiden. Hierzu sind die bevorzugten Fasergehalte im Patentanspruch 3 angegeben. Hierdurch kann man eine optimale Verklebung der einzelnen Fasern gewährleisten, und die Tragfähig­ keit und Dehnung derselben lassen sich auf optimale Weise nutzen. Ein weiterer bevorzugter Fasergehalt ist im Patentanspruch 4 angegeben.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird nach der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Kunststoffwalze bereitgestellt, dessen Merkmale im Anspruch 5 angegeben sind. Hierbei wird die Vernetzung des im fertiggestell­ ten Walzenkörper enthaltenen Kunstharzes in zwei voneinander getrennten Vernetzungsstufen durchgeführt, so daß man die Vernetzung des Kunst­ harzes unter Anwendung höherer Temperaturen, beispielsweise einer Temperatur von 80°C bis 90°C vornehmen kann. Hierdurch erhält man ein besonders ausgeglichenes Vernetzungsergebnis bei kürzeren Vernetzungs­ zeiten. Ferner läßt sich völlig problemlos und einfacher als bisher der vernetzte Kunststoffwalzenkörper von dem Formkern abnehmen.

Bei der bevorzugten Verfahrensführung nach Anspruch 6 wird die maximal aufbringbare Zugvorspannung derart gewählt, daß sie einerseits genügend hoch ist, um die maximal verfügbare Zugkraft einer jeden Faser auszunutzen, und andererseits hinreichend niedrig ist, um das Auftreten von Faserbrüchen während des Wickelvorgangs zu vermeiden.

Schließlich wird noch nach einem weiteren Aspekt nach der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens im Patentanspruch 7 angege­ ben. Die Vorrichtung schaltet weitgehend aus, daß Faserbrüche in unkon­ trollierter Weise auftreten. Auch können die einzelnen Fasern wesentlich besser in präzise vorbestimmbarer Weise in den Walzenmantel eingebettet werden. Mit Hilfe der vorgesehenen Bremsmittel lassen sich die verhältnis­ mäßig brüchigen Kohlenstoff- und Pechfasern problemlos verarbeiten. Vorstehende Grate und Kanten an den Umlenkkörpern müssen zur Ver­ meidung von Beschädigungen der Fasern ausgeschaltet werden, wozu die Umlenkkörper polierte Kontaktflächen haben. Durch die Anordnung der Abstreifer und der Heizeinrichtung zur Erwärmung der kunstharzbenetzten Fasern bzw. Faserstränge in Verbindung mit der Wärmeübertragung auf die Faserstränge durch unmittelbaren Berührungskontakt läßt sich die Menge des an den Fasern bzw. Fasersträngen anhaftenden Kunstharzes auf präzise Werte einstellen. Dies ist für die Herstellung eines qualitativ hochwertigen Walzenkörpers von großer Bedeutung.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung weiter verdeutlicht. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus dem Walzenkörper einer Kunststoffwalze,

Fig. 2 einen Walzenkörper in einer Ansicht von vorne,

Fig. 3 und 4 die schematische Durchführung des bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Kunststoffwalze zu Anwendung gelangenden Verfahrens.

Ausführung der Erfindung

Der in Fig. 1 in schematischer Darstellung wiedergegebene Ausschnitt aus einer Kunststoffwalze zeigt einen hohlen Walzenkörper 7 aus Kunstharz, in den einander überkreuzende Lagen 1, 2, 3, 4, 5 aus synthetischen Fasern eingebettet sind. Die Lagen umfassen eine radial innenliegende, erste Lage 1 aus Kohlenstoff- oder Pechfasern, die mit der Längsachse 6 des Walzenkörpers 7 einen Winkel α von 45 bis 89,5° einschließen und eine die erste Lage 1 umschließende zweite Lage 2 aus Pechfasern, die mit der Längsachse 6 des Walzenkörpers 7 einen Winkel α von mehr als 0 bis max 25° einschließen, wobei der Fasergehalt des Walzenkörpers wenigstens 40 Vol.-% beträgt. Die zweite Lage 2 ist von einer dritten Lage 3 umschlossen, die aus Pechfasern besteht, welche mit der Längsachse 6 des Walzenkörpers 7 einen Winkel α von mehr als 0 bis max 25° einschließen. Die dritte Lage 3 ist von einer vierten Lage 4 umschlossen, die aus Kohlenstoff- oder Pechfasern besteht, welche mit der Längsachse 6 des Walzenkörpers 7 einen Winkel α von 45 bis 89,5° einschließen. Die vierte Lage 4 ist von einer fünften Lage 5 umschlossen, die aus Pechfasern besteht, welche mit der Längsachse 6 des Walzenkörpers 7 einen Winkel von mehr als 0 bis max 25° einschließen. Der Fasergehalt des Walzenkörpers beträgt, bezogen auf den Gesamtquerschnitt des Walzenkörpers 7, 45 bis 65 Vol.-%, vorzugsweise 55 bis 60 Vol.-%. Der Gehalt an Fasern, welche mit der Längsachse 6 einen Winkel von 45 bis 89,5° einschließen, beträgt dabei zweckmäßig 5 bis 20 Vol.-%, bezogen auf das Volumen des Walzenkörpers.

Es ist von erheblicher Bedeutung, daß die in jeder Lage enthaltenen Fasern der Walzenachse an jeder Umfangsstelle unter demselben Winkel α zugeordnet sind und daß die einzelnen Fasern in kontinuierlichen Abständen aufeinander folgen. Diese Bedingung läßt sich besonders einfach erfüllen, wenn die Fasern zur Durchführung des Wickelprozesses in Fasersträngen zusammengefaßt sind, welche zweckmäßig nicht mehr als 20 einzelne Fasern enthalten. Der zur Anwendung gelangende Wickelwinkel α ist in Fig. 2 in beispielhafter Weise eingetragen.

Die Fig. 3 und 4 verdeutlichen das bei der Herstellung der erfindungsgemä­ ßen Kunststoffwalze zur Anwendung gelangende Herstellungsverfahren sowie die dazu benötigte Vorrichtung. Danach werden radial aufeinander folgend zumindest drei kunstharzgetränkte Lagen von Fasersträngen seitlich benach­ bart auf einen Formkern 12 aufgewickelt, durch nachträgliche Vernetzung des Kunstharzes unlösbar miteinander verklebt und von dem Formkern abgenom­ men. Dabei ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, daß das in der ersten Lage 1 und in der zweiten Lage 2 enthaltene Kunstharz nach Bildung der zweiten Lage 2 bei erhöhter Temperatur in einem ersten Schritt gemeinsam vernetzt wird, daß nach dem Abkühlen die weitere und gegebenenfalls weiteren Lagen aufeinanderfolgend auf die zweite Lage 2 bzw. die folgenden Lagen aufgebracht werden und daß das in diesen weiteren Lagen 3, 4, 5 . . . . . n enthaltene Kunstharz nach dem Aufbringen der letzten Lage gemeinsam in einem zweiten Schritt vernetzt und der Formkern 12 nachfolgend entfernt wird. Sämtliche Fasern werden während der Durchführung des Wickelprozesses mit der maximal aufbringbaren Zugvorspannung belastet mit der Maßgabe, daß der im gebrauchsfertigen Walzenkörper 7 enthaltene Fasergehalt 65 Vol.-% nicht übersteigt.

Die Vernetzung des Kunstharzes bei erhöhter Temperatur von beispielsweise 90°C bedingt eine thermische Ausdehnung in radialer Richtung, der die Faserlagen entwirken, die sich im wesentlichen quer zur Längsrichtung des Walzenmantels erstrecken. Diese thermische Ausdehnung ist erwünscht und in gewisser Hinsicht unverzichtbar, um einen Walzenmantel größerer Wandstärke von dem Formkern abziehen zu können. Es ist daher vorgesehen, daß in der ersten und zweiten Lage, gemeinsam betrachtet, wenigstens als 20 und höchstens 40 Vol.-% Fasern enthalten sind, die sich im wesentlichen quer zur Längsrichtung des Walzenkörpers erstrecken. Innerhalb dieses Bereiches ist einerseits ein hinreichendes Loslösen des Walzenkörpers von dem Formkern gewährleistet, andererseits eine gute Führung des Formlings auf dem Formkern und damit eine gute Maßhaltigkeit. Bei den nachfolgend aufgebrachten Lagen ist die Problematik des Abziehens von dem Formkern nicht mehr so gravierend, weil die nachfolgenden Lagen durch die bereits vorhandenen und fertiggestellten Teile des Walzenmantels abgestützt werden. Der Anteil der sich im wesentlichen quer zur Umfangsrichtug erstreckenden Lagen kann dementsprechend reduziert werden bis auf 8 bis 14 Vol.-%, vorzugsweise 12 Vol.-%, bezogen auf den Gesamtquerschnitt des Mantels des Walzenkörpers. Hierdurch werden die Biegefestigkeit und der E-Modul in Längsrichtung entsprechend gesteigert.

Einzelheiten der bei der Durchführung des vorstehend geschilderten Verfahrens zur Anwendung gelangenden Vorrichtung sind ebenfalls aus den Fig. 3 und 4 entnehmbar. Danach umfaßt die Vorrichtung eine Einrichtung zum kontinuierlichen Aufwickeln der kunstharzbenetzten Faserstränge 8 auf einen Formkern 12, wobei mehrere Abstreifer 9, 9.1 zur Entfernung überschüssigen Kunstharzes vorgesehen sind. Die Abstreifer 9, 9.1 bestehen aus gummielastischem Werkstoff einer Härte shore A von 50 bis 90, wobei den Faserlauf während des Wickelprozesses bremsende Mittel vorgesehen sind. Letztere umfassen zwei Umlenkkörper 10.1 mit einem Umlenkradius von zumindest 20 mm sowie einen Bremsmotor 10.2, der auf die Achse der drehbar gelagerten Fadenspule 13 einwirkt. Die Umlenkkörper 10.1 sind in die Station 14 integriert, in der der jeweils bearbeitete Faserstrang mit flüssigem Kunstharz benetzt wird, vorzugsweise mit Epoxidharz. Nach dem Verlassen der Benetzungsstation 14 wird der jeweils verarbeitete Faserstrang 8 an den Abstreifern 9 vorbeigeführt, die aus gummielastischem Werkstoff bestehen und ein Abstreifen überschüssigen Kunstharzes bewirken.

Im Anschluß daran wird der Faserstrang über einen letzten Abstreifer 9.1 geführt, der ebenfalls aus gummielastischem Werkstoff besteht und eine Heizeinrichtung 11 zur Erwärmung der kunstharzbenetzten Faserstränge enthält. Die Heizeinrichtung besteht aus einer erwärmten Walze, die unmittelbar an dem zuverarbeitenden Faserstrang anliegt und dessen Erwärmung durch unmittelbaren Berührungskontakt bewirkt. Im Anschluß daran wird der verarbeitete Faserstrang 8 durch eine Fadenführung 15 geführt und derart auf dem in einer Rotationsbewegung befindlichen und gleichmäßig in Querrichtung verschobenen Formkern 12 zur Ablage gebracht, daß eine Faserschicht entsteht, die sich durch völlige Gleichmäßigkeit der Faserverteilung auszeichnet.

Nach Fertigstellung der jeweiligen Lage wird der Faserstrang 8 gegebenenfalls durch einen abweichenden Faserstrang ersetzt und der Formkern 12 so umpositioniert und relativ bewegt, daß sich in der nächstfolgenden Faserschicht die dafür vorgeschriebene Anordnung der Fasern ergibt.

Bei der Erzeugung von Walzenkörpern, in deren Wandung mehr als zwei Lagen synthetischer Fasern enthalten sind, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, nach der Erzeugung der zweiten Lage jeweils das in der ersten und in der zweiten Lage enthaltene Kunstharz bei erhöhter Temperaturt von beispiesweise 90°C in einem ersten Schritt gemeinsam zu vernetzen, danach die übrigen Lagen aufzubringen und das darin enthaltene Kunstharz in einem separaten, zweiten Arbeitsschritt gemeinsam zu vernetzen. Das nachfolgende Entfernen des Formkerns 12 läßt sich bei einer solchen Vorgehensweise problemlos realisieren.

Claims (7)

1. Kunststoffwalze mit einem hohlen Walzenkörper (7) aus Kunstharz, in den einander überkreuzende Lagen (1, 2, 3, . . ., n) aus synthetischen Fasern eingebettet sind, wobei die Lagen (1, 2, 3, . . ., n) eine radial innenliegende, erste Lage (1) aus Kohlenstofffasern umfassen, die mit der Längsachse (6) des Walzenkörpers (7) einen Winkel α von 45° bis 89,5° einschließen, eine, die erste Lage (1) umschließende, zweite Lage (2) aus Pechfasern, die mit der Längsachse (6) des Walzenkör­ pers (7) einen Winkel α von mehr als 0° bis max. 25° einschließen, die zweite Lage (2) von einer dritten Lage (3) umschlossen ist, die aus Pechfasern besteht, die mit der Längsachse (6) des Walzenkörpers (7) einen Winkel α von mehr als 0° bis max 25° einschließen, und die dritte Lage (3) von zumindest einer vierten Lage (4) umschlossen ist, die aus Kohlenstoff- oder Pechfasern besteht, die mit der Längsachse (6) des Walzenkörpers (7) einen Winkel α von 45° bis 89,5° ein­ schließen, und der Fasergehalt des Walzenkörpers (7) wenigstens 40 Vol.-% des Walzenkörpers beträgt.

2. Walze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Lage (4) von einer fünften Lage umschlossen ist, die aus Pechfasern besteht, die mit der Längsachse (6) des Walzenkörpers (7) einen Winkel von mehr als 0° bis max. 25° einschließen.

3. Walze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fasergehalt des Walzenkörpers (7), bezogen auf den Gesamtquer­ schnitt der Wandung des Walzenkörpers (7), 45 bis 65 Vol.-% beträgt, vorzugsweise 55-60 Vol.-%.

4. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt der Fasern, die mit der Längsachse (6) einen Winkel von 45-89,5° einschließen, 8 bis 14 Volumen-% beträgt, bezogen auf das Volumen des Walzenkörpers (7).

5. Verfahren zur Herstellung einer Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zur Bildung eines Walzenkörpers (7) aufeinander folgend zumindest drei kunstharzgetränkte Faserstränge seitlich benachbart auf einen Formkern aufgewickelt, durch eine nachträgliche Vernetzung des Kunstharzes unlösbar verklebt und von dem Formkern abgenommen werden, bei dem das in der ersten Lage (1) aus Kunststofffasern und der zweiten Lage (2) aus Pechfasern enthaltene Kunstharz nach der Bildung der zweiten Lage (2) bei erhöhter Temperatur in einem ersten Schritt gemeinsam vernetzt wird, danach die weiteren Lagen (3, 4, 5, . . . . n) aufeinanderfolgend auf die zweite und die folgenden Lagen (2, 3, 4) aufgebracht werden und das in diesen Lagen (3, 4, 5, . . . m n) enthaltene Kunstharz nach dem Aufbringen der letzten Lage gemeinsam in einem zweiten Schritt vernetzt und der Formkern entfernt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Fasern während der Durchführung des Wickelprozesses mit der maximal aufbringbaren Zugvorspannung belastet werden mit der Maßgabe, daß der in dem gebrauchsfertigen Walzenkörper (7) enthaltenen Fasergehalt 65 Vol.-% nicht übersteigt.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5 oder 6, umfassend eine Einrichtung zum kontinuierlichen Aufwickeln mindestens zweier Lagen kunstharzbenetzter Faserstränge auf dem Formkern (12), wobei die erste Lage (1) Kohlenstofffasern und die zweite Lage Pechfasern enthält, wobei zumindest zwei in Faser­ laufrichtung beabstandete Abstreifer (9) für überschüssiges Kunstharz vorgesehen sind, die Abstreifer (9) aus gummielastischem Werkstoff bestehen, den Faserlauf während des Wickelprozesses bremsende Mittel (10.1, 10.2) in Form zumindest eines Umlenkkörpers (10.1) mit einem Umlenkradius von zumindest 20 mm und/oder einen Brems­ motor, wobei der Umlenkkörper (101) die Faserstränge (8) mit einer polierten Kontaktfläche berührt, wobei der letzte Abstreifer (9.1) unmittelbar vor dem Walzenkörper (9) angeordnet ist und eine Heizeinrichtung (11) zur Erwärmung der kunstharzbenetzten Faser­ stränge (8) enthält, und in der Heizeinrichtung (11) eine Wärmeüber­ tragung auf die Faserstränge (8) durch unmittelbaren Berührungskon­ takt bewirkt ist.