DE19810119C2 - Wickelhülse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wickelhülse.

Derartige Wickelhülsen dienen zur Aufnahme von bahnenförmigem Material, beispielsweise Folien. In der Vergangenheit wurden Wickelhülsen aus Pappe eingesetzt. Diese wurden später durch Hülsen aus Kunststoffmaterial ersetzt. Ein wesentlicher Vorteil der Kunststoff-Wickel­ hülsen ist ihre größere mechanische Stabilität und ihre Unempfindlichkeit gegen Feuchtigkeit. Außerdem besitzen Kunststoff-Wickelhülsen eine deutlich glattere Oberfläche. Eine glatte Oberfläche ist insbesondere dann wichtig, wenn sehr dünne bahnenförmige Materialien, bei­ spielsweise Polyesterfolien oder Polypropylenfolien, aufgewickelt werden sollen.

Schon kleinste Oberflächen-Rauhigkeiten würden nämlich dazu führen, daß die Folien nicht mehr exakt plan aufge­ wickelt werden könnten oder die empfindliche Folie be­ schädigt wird.

Das Wickelgut wird unter Zug auf die Wickelhülsen aufge­ wickelt. Dabei entsteht ein zum Teil hoher Druck auf die Wickelhülsen. Dieser kann so groß werden, daß auch die hohe mechanische Festigkeit der Kunststoff-Hülsen nicht ausreicht. Dies kann dazu führen, daß das Kunststoff­ material anfängt zu "fließen", so daß die Hülsen dünner und länger werden.

Da die genannten Wickelhülsen mehrfach verwendet werden, besteht insofern ein dringender Bedarf, Wickelhülsen zur Verfügung zu stellen, die auch extremen mechanischen Be­ lastungen standhalten.

Diese, anhand von Wickelhülsen dargestellte Problematik besteht auch bei anderen Kunststoff-Formteilen. Insoweit ist der Erfindungsgedanke nicht auf die genannten Wickel­ hülsen beschränkt.

DE 31 21 241 C2 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines Rohres aus einem thermoplastischen Harz, bei dem ein Innenrohr stranggepreßt, anschließend mit axial und schraubenförmig verlaufenden Fasern abgedeckt und schließ­ lich eine äußere Schicht aus thermoplastischen Harz in einem Extruder aufgebracht wird.

Zum Stand der Technik gehören auch faserverstärkte Kunst­ stoffe, die beispielsweise nach dem sogenannten Filament Winding Verfahren verarbeitet werden.

Dabei wird zum Beispiel ein Werkzeug mit kunststoffum­ mantelten Glasfasern umwickelt. Der Kunststoffmantel wird beim Aufbringen der Fasern oder Faserbündel an- oder auf­ geschmolzen. Auf diese Weise entsteht nach anschließendem Erhärten des Kunststoffmaterials ein monolithischer Körper, in dem in dichter Folge die Fasern oder Faser­ bündel verlaufen.

Derartige Formteile weisen eine sehr hohe Festigkeit auf, besitzen jedoch den Nachteil einer hohen Oberflächen­ rauhigkeit.

Bezüglich ihrer Festigkeit wären sie zwar grundsätzlich zur Verwendung als Wickelhülsen geeignet; die hohe Oberflächenrauhigkeit läßt eine solche Verwendung allerdings nicht zu. Grundsätzlich wäre es zwar möglich, derartige Formteile anschließend oberflächlich zu bearbeiten (abzuschleifen). Ein solcher zusätzlicher Verfahrensschritt ist jedoch aufwendig und teuer. Außerdem werden die Fasern "freigelegt".

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich die gewünschte Oberflächenglattheit auch auf ganz anderem, sehr viel einfacherem Wege herstellen läßt, und zwar da­ durch, daß die genannten faserverstärkten Kunststoff- Formteile in einer Spritzgußmaschine anschließend umspritzt werden.

Mit der Erfindung soll eine einfach herzustellende Wickelhülse geschaffen werden, die bei optimierter Festigkeit eine möglichst glatte Oberfläche für das Wickelgut aufweist.

Danach betrifft die Erfindung in ihrer allgemeinsten Aus­ führungsform eine Wickelhülse aus mindestens zwei Schich­ ten, wobei eine erste, innere Schicht aus einem faserver­ stärkten Kunststoff besteht und im Wickelverfahren erzeugt wurde, wobei kunststoffummantelte Fasern unter Erwärmung der Fasern unter Zugabe von Kunststoff in vis­ koser Form um ein Werkzeug gewickelt werden, so dass nach dem Erhärten eine monolithische Schicht vorliegt, und eine zweite äußere Schicht aus einem Kunststoff besteht, der durch Umspritzen der ersten Schicht in einer Spritz­ gußmaschine auf die erste Schicht aufgebracht wurde.

Eine solche Wickelhülse hat folgende Vorteile:
Eine Schicht, beispielsweise die innere Schicht, besteht aus dem genannten faserverstärkten Kunststoff. Sie besitzt eine sehr hohe Druck- und Zugfestigkeit. Sie wird von einer äußeren, reinen Kunststoffschicht abgedeckt, die mit der ersten Schicht einen Verbundkörper bildet und gleichzeitig - aufgrund der Spritztechnik - eine extrem glatte äußere Oberfläche aufweist. Entsprechend erfüllt das Verbundbauteil sowohl die Anforderungen an eine hohe Festigkeit, als auch an eine hohe Planizität der Oberfläche.

Darüber hinaus ist die Herstellung eines solchen Kunst­ stoff-Verbundbauteils relativ einfach, da die Schicht aus dem faserverstärkten Kunststoff als Zwischenprodukt in das Formwerkzeug der Spritzgußmaschine eingesetzt werden kann und die Spritzgußmaschine danach ohne weitere Maß­ nahmen auf konventionelle Weise arbeiten kann.

Wie ausgeführt umfassen alle Schichten als Matrixmaterial Kunststoffmaterialien.

Werden für die einzelnen Schichten identische Kunststoffe ausgewählt, so hat dies verschiedene Vorteile:
Es entsteht insgesamt ein monolithisches Verbundbauteil, bei dem die einzelnen Schichten materialschlüssig mitein­ ander verbunden sind. Ein solches Verbundbauteil läßt sich entsprechend leicht recyceln. Die in mindestens einer Schicht enthaltenen Faseranteile können beim Recyceln zerkleinert werden und stören bei der anschließenden Wiederverwendung nicht; im Gegenteil: sie können die Funktion zusätzlicher Armierungsfasern über­ nehmen.

Als Kunststoffmaterialien eignen sich beispielsweise Polyamid (PA), Polypropylen (PP), Styrol-Acryl-Nitril (SAN) oder Acryl-Butadien-Copolymere mit Polystyrol (ABS).

Das Spritzgießverfahren ist grundsätzlich auf fast alle Kunststoffe, auch auf hitzehärtbare oder vernetzende sowie schäumende Kunststoffe anwendbar. Nach einer Aus­ führungsform ist vorgesehen, die äußere Schicht aus einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise Poly­ propylen, zu bilden. Auch insoweit unterliegt die Erfindung jedoch keinen Beschränkungen.

Als Fasermaterialien für die faserverstärkte (erste) Schicht eignen sich beispielsweise Glasfasern, Kohle­ fasern oder Aramidfasern, einzeln oder in Kombination.

Dabei können sowohl einzelne Fasern als auch Faserbündel (Faserstränge, sogenannte rovings) eingesetzt werden, und zwar sowohl als solche als auch kunststoffummantelt, wie nachstehend noch näher beschrieben wird.

Die Fasern (Faserbündel) können unmittelbar nebenein­ ander, kreuzweise oder auf sonstige Art und Weise konfek­ tioniert werden. Eine entsprechende Auswahl hängt von der konkreten geometrischen Form des herzustellenden Kunst­ stoff-Verbundbauteils sowie Art und Anordnung der im besonderen belasteten Zug- und Druckzonen ab.

Üblicherweise werden die Faserbündel eine Dicke bis 1 mm und eine Breite bis 5 mm aufweisen beziehungsweise einen Durchmesser bis 2 mm besitzen.

Wie ausgeführt dienen derartig ausgebildete Wickelhülsen zum Aufwickeln bahnenförmiger Materialien. Derartige Wickelhülsen besitzen beispielsweise einen Durchmesser zwischen 100 und 150 mm und eine Wandstärke zwischen 5 und 20 mm. Die Länge der Wickelhülsen kann bis zu 2 m betragen. Bei zwei Schichten beträgt deren Dickenverhält­ nis beispielsweise 10 : 1 bis 1 : 10, wobei Werte zwischen 4 : 1 und 1 : 4 die Pegel bilden werden.

Eine als Kunststoff-Verbundbauteil der vorgenannten Art hergestellte Wickelhülse erfüllt alle heute gestellten Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Wiederverwertbar­ keit, Oberflächenglattheit und Recycelbarkeit. Durch die genannte Herstellungstechnik sind auch die Kosten der Herstellung gegenüber ähnlichen Bauteilen zum Beispiel auf Phenolharzbasis deutlich reduziert.

Konkret läßt sich das Verbundbauteil beispielsweise wie folgt herstellen:

• - Zunächst wird eine erste Schicht in Form eines faser­ verstärkten Kunststoff-Formteils durch Umwickeln eines Werkzeuges oder Grundkörpers mit Fasern erstellt, und zwar unter gleichzeitiger Verbindung mit einem viskosen Kunststoffmaterial, welches anschließend erhärtet.
  Dabei kommt es gleichzeitig zu einer Integration der Fasern in die Kunststoffmatrix.
• - Dieses Kunststoff-Formteil (erste Schicht) wird anschließend (nach Erhärten) in ein Formwerkzeug einer Spritzgußmaschine eingelegt.
• - Es wird in einem dritten Verfahrensschritt mit einem Kunststoff unter Ausbildung einer weiteren (zweiten) äußeren Schicht im Formwerkzeug umspritzt.
• - Danach kann das fertige Verbundbauteil entnommen werden.

Die Erstellung des faserverstärkten Kunststoff-Formteils kann wiederum auf verschiedene Art und Weise erfolgen.

Nach einer ersten Ausführungsform wird das Werkzeug mit mindestens einem kunststoffummantelten Faserbündel um­ wickelt und der Kunststoffmantel wird gleichzeitig soweit erwärmt, daß er anschmilzt oder aufschmilzt, um so einen monolithischen Körper (nach anschließender Erhärtung) auszubilden.

Nach einer alternativen Verfahrenstechnik ist vorgesehen, daß das Werkzeug oder der Grundkörper mit mindestens einem Faserbündel umwickelt wird, und zwar unter gleichzeitiger Zugabe eines Kunststoffes in viskoser Form, der sich entsprechend auf und zwischen die Faserbündel legt und so die gewünschte Kunststoff-Matrix nach Erhärten ausbildet, in der die Fasern dann eingebettet fixiert sind.

Es wäre auch möglich, die Kunststoffasern vor dem Ummanteln durch ein viskoses Kunststoff- oder Harzbad zu führen und auf diese Weise mit einer viskosen Deckschicht zu belegen.

In Vorversuchen wurde festgestellt, daß die Druckfestig­ keit einer auf erfindungsgemäße Art und Weise hergestell­ ten Wickelrolle um den Faktor 2 bis 4 größer ist als die Druckfestigkeit einer vergleichbaren, ausschließlich im Spritzgußverfahren hergestellten Wickelrolle aus dem­ selben Kunststoffmaterial.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merk­ malen der Unteransprüche.

In der nachfolgenden Figurenbeschreibung ist ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Wickelrolle dargestellt.

Aus der Figur läßt sich entnehmen, daß die Wickelhülse, die insgesamt das Bezugszeichen 10 trägt und aus zwei Schichten 12, 14 aufgebaut ist.

Die innere Schicht 12 besteht aus einem im Filament- Winding-Verfahren hergestellten Polypropylen mit inte­ grierten Glasfaserbündeln 12g (schematisch gestrichelt dargestellt). Die Schicht 12 ist in einer Spritzgußmaschine anschließend mit der Schicht 14 aus reinem Polypropylen umspritzt worden. Beide Schichten 12, 14 sind materialschlüssig miteinander verbunden. Die integrale Verbindung der Schichten 12, 14 ist dadurch zusätzlich gefördert, daß die Schicht 12 als solche eine relativ rauhe Oberfläche aufweist (durch die wellenartige Verbindungslinie 16 dargestellt), wodurch eine besonders gute Haftung beider Schichten im Spritzguß gewährleistet wird.

Die äußere Schicht 14 besitzt eine extrem glatte Ober­ fläche 14o. Insgesamt weist die Wickelhülse eine sehr hohe Druck- und Zugfestigkeit auf, so daß sie einerseits auch sehr empfindliche, dünne Bahnenmaterialien aufnehmen kann und andererseits eine so hohe Festigkeit aufweist, daß auch unter großer Zug- und Druckbelastung keine Verformung der Wickelhülse 10 stattfindet.

Claims (10)

1. Wickelhülse, gebildet aus mindestens zwei Schichten (12, 14), wobei eine erste, innere Schicht (12) aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht und im Wickelverfahren erzeugt wurde, wobei kunststoffummantelte Fasern unter Erwärmung der Fasern unter Zugabe von Kunststoff in viskoser Form um ein Werkzeug gewickelt werden, so dass nach dem Erhärten eine monolithische Schicht vorliegt und eine zweite äußere Schicht (14) aus einem Kunststoff besteht, der durch Umspritzen der ersten Schicht (12) in einer Spritzgußmaschine auf die erste Schicht (12) aufgebracht wurde.

2. Wickelhülse nach Anspruch 1, bei dem die Kunst­ stoffmaterialien der Schichten (12, 14) identisch sind.

3. Wickelhülse nach Anspruch 1, bei dem der Kunststoff mindestens einer Schicht (12, 14) aus einem Polyamid, Polypropylen, Styrol-Acryl-Nitril oder Acryl- Butadien-Copolymer mit Polystyrol besteht.

4. Wickelhülse nach Anspruch 1, bei dem die äußere Schicht (14) aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht.

5. Wickelhülse nach Anspruch 1, bei dem die Fasern der ersten Schicht (12) aus Glasfasern, Kohlefasern oder Aramidfasern, einzeln oder in Kombination bestehen.

6. Wickelhülse nach Anspruch 1, bei dem die Fasern der ersten Schicht aus Faserbündeln bestehen.

7. Wickelhülse nach Anspruch 6, bei dem die Faserbündel eine Dicke bis 1 mm und eine Breite bis 5 mm oder einen mittleren Durchmesser bis 2 mm aufweisen.

8. Wickelhülse nach Anspruch 1, bei dem die Schichten materialschlüssig miteinander verbunden sind.

9. Wickelhülse nach Anspruch 1, bei dem das Dicken­ verhältnis zweier Schichten (12, 14) 1 : 10 bis 10 : 1 beträgt.

10. Wickelhülse nach Anspruch 1, bei dem das Dicken­ verhältnis zweier Schichten (12, 14) 1 : 4 bis 4 : 1 beträgt.