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Die Erfindung betrifft eine Schaberklinge gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Vom Stand der Technik her kennt man Schaberklingen, d. h. Blades, die aus faserverstärkter Harzmatrix hergestellt sind. Als Fasern werden allgemein Glasfasern und Kohlefasern als Verstärkung des Polymerharzes eingesetzt. Schaberklingen werden allgemein in Faserstoffbahn-Herstellungsmaschinen u. a. zum Sauberhalten von Walzenoberflächen und in Tissuemaschinen zum Ablösen der Bahn vom Yankee-Zylinder eingesetzt. Entsprechende Klingen können auch in Rakelstreichanlagen zur Applikation der Streichfarbe eingesetzt werden.
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In der Schrift
FI 117568 ist eine Schaberklinge beschrieben, die aus übereinander laminierten Fasergeweben, zum Beispiel Glasfasergeweben, besteht. In der Schrift ist ausgeführt, dass in der an der Klingenkante endenden Fläche oder in deren Nähe ein mit harten Partikeln beschichtetes Fasergewebe angeordnet ist. Das Scharfbleiben der Klingenkante kann gemäß der Schrift durch ein an der Fläche oder in deren unmittelbaren Nähe angeordnetes, aus Carbonfasern bestehendes dünnes Filzvlies gefördert werden, während im übrigen Teil der Klingekonstruktion keine Carbonfasern benötigt werden. Bei einer solchen Lösung kommt es allerdings in der Praxis zu einer viel zu starken Erwärmung der Klinge und somit zu ihrer schnellen Abnutzung.
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In
WO 2005124019 ist eine Schaberklinge oder eine anderes zum Einsatz in der Papiermaschine bestimmtes flächiges Element mit einer synthetischen Struktur, die in eine Polymerharzmatrix eingebettete Nanopartikel enthält, beschrieben. Die Nanopartikel können gemäß der Schrift zum Beispiel aus Kohlenstoff-Nanoröhren bestehen. Die Nanopartikel können der Schrift zufolge in einer Menge von 0,5 bis 75% des Matrixgewichts, am bevorzugtesten jedoch von 10 bis 15% eingesetzt werden, und mit ihnen wird u. a. eine Verbesserung der Festigkeit und der Verschleißeigenschaften der Struktur erzielt. In der Schrift wir auch der Einsatz von Carbonfasern in der Struktur genannt.
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In
WO 2007030392 A1 ist eine für Papiermaschinen bestimmte Schaberklinge beschrieben, die aus einer geschichteten Kompositstruktur besteht, in der zumindest einige Schichten Basaltfasern enthalten sind. Laut der besagten Schrift wirken die Basaltfasern stärker abrasiv als Carbonfasern, sind dauerhafter als Glasfasern und verursachen geringere Reibungskraft. In Bezug auf Wärmeleitfähigkeit unterscheidet sich die Basaltfaser jedoch nicht nennenswert von der Glasfaser, sodass sich die lediglich durch Basaltfasern verstärkte Schaberklinge sehr schnell abnutzt.
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In der Schrift
DE 10 2005 038 652 A1 ist eine Schaberklingenlösung beschrieben, bei der in die Matrix des Kompositwerkstoffs als Füllstoff Nanomaterial eingefügt ist, das zum Beispiel aus Carbonfasern, Kohlenstoff, Fulleren oder so genannten Nanoröhren bestehen kann. Das Nanomaterial kann laut dieser Schrift so beschaffen sein, dass sein Zusatz eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Kompositwerkstoffs zum Beispiel von 0,5–1 W/mK auf über 2 W/mK bewirkt. Das Verstärkungsmaterial selbst kann der Schrift zufolge aus Carbonfasern bestehen.
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Als einer der Hauptgründe für die Abnutzung der Schaberklingen gilt der durch Reibung verursachte Temperaturanstieg der Klingenspitze. In
FI 101637 ist eine Schaberklinge beschrieben, die mehrere Faserschichten als Laminatkonstruktion umfasst, die wenigstens eine Carbonfaserschicht oder eine wesentliche Mengen Carbonfasern enthaltende Schicht aufweist, die in unmittelbarer Nähe der Carbonfasern schleifende, d. h. abrasive Partikel enthält und in der die Carbonfasern, um die Wärmeleitung von der Klingenspitze weg zu fördern, wesentlich von der Klingenlängsachsenrichtung abweichend, bevorzugt in Klingenquerrichtung orientiert sind.
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Die Verfügbarkeit von Carbonfasern ist allerdings begrenzt und ihr Einsatz in einem Verschleißteil wie der Schaberklinge relativ kostspielig, sodass also ein Bedarf besteht, die Carbonfasern zu ersetzen und gleichzeitig die Wärmeleiteigenschaften der Schaberklinge wenigstens auf dem bisherigen Niveau zu halten oder sogar zu verbessern.
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Aufgabe dieser Erfindung ist es somit, eine Schaberklinge der im Oberbegriff von Anspruch 1 definierten Art zu schaffen, deren Abnutzung im Betrieb minimiert ist und bei der auch die beim Stand der Technik auftretenden Probleme auf ein Minimum reduziert werden.
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Gelöst wird diese Aufgabe hauptsächlich dadurch, dass die Verstärkung der Kompositstruktur der Schaberklinge aus im Wesentlichen carbonfaserfreiem Fasermaterial besteht, und dass die Kompositstruktur zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit der Klinge partikelförmigen Kohlenstoff enthält.
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Erfindungsgemäß wird als Fasermaterial bevorzugt im Wesentlichen carbonfaserfreies Fasermaterial eingesetzt, und zwar so, dass die Verstärkungsfunktion des Fasermaterials zumindest zum größten Teil ausschließlich durch carbonfaserfreies Fasermaterial verwirklicht ist. Beträgt der Carbonfaseranteil am Fasermaterial unter 10 Prozent, so hat letzteres keine bemerkenswert hohe Wärmeleitfähigkeit. Das Fasermaterial besteht bevorzugt aus Basaltfasern. Auf diese Weise können die Festigkeitseigenschaften und die Wärmeleitfähigkeit des Schaberklingenwerkstoffs im Wesentlichen unabhängig voneinander geplant und verwirklicht werden.
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Bei einer der Ausführungsformen der Erfindung enthält die Kompositstruktur Kohlenstoffpartikel, angeordnet in Form von Konzentrationshäufungen, die in einer von der Schaberklingen-Längsrichtung wesentlich abeichenden Richtung orientiert sind.
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Die übrigen für die Erfindung charakteristischen zusätzlichen Merkmale gehen aus den Patentansprüchen hervor.
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Der partikelförmige Kohlenstoff kann aus Fullerenen oder Kohlenstoff-Nanoröhren bestehen oder solche enthalten. Das Fulleren ist ein kugeliges, im Allgemeinen aus 60 Kohlenstoffatomen zusammengesetztes Molekül. Die Kohlenstoff-Nanoröhre ist ein aus Kohlenstoffatomen bestehendes Molekül, das eine Länge von bis zu Millimetergrößenordnung haben kann. Der partikelförmige Kohlenstoff kann auch spanförmig sein.
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Mit der Erfindung werden zahlreiche Vorteile erlangt. Zur Erzielung einer guten Wärmeleitfähigkeit der Schaberklinge sind nun keine Carbonfasern mehr erforderlich, und außerdem kann der Schaberklinge insgesamt nun eine gegenüber dem Stand der Technik höhere Festigkeit verliehen werden.
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Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Funktion unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben.
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Es zeigen:
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1 die Schaberklinge nach einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 die Schaberklinge von 1 von oben betrachtet;
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3 beispielartig die Struktur einer Kohlenstoff-Nanoröhre;
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4 die Schaberklinge nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
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5 eine Ausführungsform eines Schaberklingen-Herstellungsverfahrens.
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1 und 2 zeigen in schematischer Form die Schaberklinge 10 nach einer der Ausführungsformen der Erfindung. Die Klinge ist hier in einer Betriebssituation in Verbindung mit der Oberfläche einer Walze oder eines Zylinders 20 einer Faserstoffbahn-Herstellungs-maschine dargestellt. Während des Betriebs rotiert die Walze bzw. der Zylinder in der durch einen Pfeil angegebenen Richtung, wobei die Walze bzw. der Zylinder gegen die Klinge unter diese läuft. Die Klinge ist durch (nicht dargestellte) Elemente abgestützt, mit denen auf die Klinge ein gegen die Fläche gerichteter Druck ausgeübt werden kann.
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Die Schaberklinge 10 besteht hauptsächlich aus kompositstrukturiertem faserverstärktem Kunststoff oder Polymer und setzt sich zusammen aus Fasermaterial 50 und dieses zusammenhaltendem Bindemittel 40, das in diesem Zusammenhang auch als Matrix bezeichnet werden kann. Das Fasermaterial dient als Verstärkung der Kompositstruktur. Die Matrix 40 besteht typisch aus irgendeinem passenden Harz oder Thermoplast. Das Fasermaterial kann zum Beispiel aus Gewebe oder auch aus Non Woven Material bestehen.
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Die Schaberklinge 10 hat typisch eine Dicke von ca. 1,5–2,5 mm und umfasst mehrere – typisch 6–12 – übereinander gelagerte Faserschichten. Erfindungsgemäß wird als Fasermaterial bevorzugt im Wesentlichen carbonfaserfreies Fasermaterial dergestalt eingesetzt, dass die Verstärkungsfunktion des Fasermaterials zumindest zum größten Teil ausschließlich durch carbonfaserfreies Fasermaterial verwirklicht ist. Beträgt der Carbonfaseranteil am Fasermaterial unter 10 Prozent, so hat letzteres keine bemerkenswert hohe Wärmeleitfähigkeit. Das Fasermaterial besteht hauptsächlich aus Basaltfasern von relativ geringer Wärmeleitfähigkeit. Das Fasermaterial kann auch aus einer Kombination oder Mischung aus Glas- und Basaltfasern bestehen. Die Kompositstruktur enthält ferner partikelförmigen Kohlenstoff 30.
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Durch den Einsatz carbonfaserfreien Fasermaterials zusammen mit partikelförmigem Kohlenstoff 30 erzielt man, auch wenn das carbonfaserfreie Fasermaterial keine erhebliche Wärmeleitfähigkeit hat, eine vorteilhafte Gesamtheit und so, obgleich die Menge des partikelförmigen Kohlenstoffs ausreichen muss, um eine intensive Wärmeableitung von der Schaberklingenspitze weg längs der Klingenstruktur zu gewährleisten, dank der Fasern dennoch eine Struktur von ausreichender Festigkeit. Auf diese Weise lassen sich die Wärmeleitfähigkeit und die Festigkeit der Klinge besser auseinander halten und man hat bei der Planung der Struktur bezüglich dieser Eigenschaften freiere Hand.
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Besonders beim Einsatz von Basaltfasern zusammen mit partikelförmigem Kohlenstoff erhält man eine vorteilhafte Gesamtheit. Da auch die Basaltfasern keine erhebliche Wärmeleitfähigkeit haben, sie aber eine besonders feste Kompositstruktur liefern, erzielt man, obgleich die Menge des partikelförmigen Kohlenstoffs ausreichend groß sein muss, um eine intensive Wärmeableitung von der Schaberklingenspitze weg zu gewährleisten, namentlich dank der Basaltfasern dennoch eine Struktur von ausreichender Festigkeit. Die Mengenverhältnisse von Fasermaterial, Bindemittel und partikelförmigem Kohlenstoff werden so gewählt, dass die Wärmeleitfähigkeit der Kompositstruktur in Klingenquerrichtung bevorzugt wenigstens 100 W/mK beträgt.
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Der Anteil des partikelförmigen Kohlenstoffs in der Matrix beträgt bevorzugt mehr als 10%, aber weniger als ca. 50%. Die Untergrenze bestimmt sich aus der Beobachtung, dass die Kohlenstoffpartikel bei Anteilen, die über der genannten 10-Prozent-Grenze liegen, Flocken, d. h. Konzentrationshäufungen bilden. Durch die Bildung und das Vorhandensein von Kohlenstoffflocken wird die Wärmeleitfähigkeit der Kompositstruktur erheblich erhöht. Die genannte Obergrenze wiederum bestimmt sich aus der Fähigkeit der Matrix, in ausreichendem Maße als Bindemittel zu wirken, und ist denn auch stark von dem eingesetzten Verstärkungsmaterial abhängig.
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Handelt es sich bei dem partikelförmigen Kohlenstoff um Kohlenstoff-Nanoröhren, so bilden auch diese Nanoröhren Kohlenstoffkonzentrationshäufungen, durch deren Wirkung die Wärmeleitfähigkeit zunimmt.
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Die Dauerhaftigkeit, d. h. Standzeit der Klinge lässt sich weiter dadurch erhöhen, dass man als Matrix ein Polymer von hoher Verglasungstemperatur wählt, wie zum Beispiel Epoxid(harz) oder technische Thermoplaste, etwa PEEK (Polyetheretherketon). Diese Materialien erlauben eine relativ hohe Klingentemperatur ohne dass ein nennenswertes Schmelzen der Matrix einsetzt.
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3 zeigt in Beispielform die Struktur einer Kohlenstoff-Nanoröhre 100. Es handelt sich dabei um eine aus Kohlenstoffatomen 110 bestehende röhrenförmige Struktur, in der die C-Atome so in Sechsringen angeordnet sind, dass jedes C-Atom an drei benachbarte C-Atome gefügt ist. Die Kohlenstoff-Nanoröhre kann eine Länge von bis zu Millimetergrößenordnung haben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der partikelförmige Kohlenstoff aus Kohlenstoff-Nanoröhren. Die dieser Ausführungsform entsprechende Struktur der Schaberklinge 10 ist in 4 als Teilausschnitt der Klinge gezeigt. Da die Kohlenstoff-Nanoröhren sehr klein sind, kann die zur Herbeiführung einer ausreichenden Wärmeleitfähigkeit erforderliche Kohlenstoffmenge mit Kohlenstoff-Nanoröhren vorteilhafter verwirklicht werden. Die winzigen Kohlenstoff-Nanoröhren fügen sich leichter in die in der Matrix und in den Fasern vorhandenen verschiedenen Hohlräume o. dgl., und dadurch lässt sich die Kohlenstoffmenge leichter erhöhen ohne dass unnötige Kompromisse bei der Faser- oder der Matrixmenge gemacht werden müssen.
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In der erfindungsgemäßen Schaberklinge liegt der Kohlenstoff bevorzugt in aus Kohlenstoffpartikeln gebildeten Flocken, also Konzentrationshäufungen, vor, wodurch die Wärmeleitfähigkeit erheblich gesteigert wird. Der partikelförmige Kohlenstoff, die Kohlenstoff-Nanoröhren und/oder die von diesen gebildeten Konzentrationshäufungen 35 sind bevorzugt so orientiert, dass ihre hauptsächliche Richtung von der Längsrichtung L der Schaberklinge wesentlich abweicht und bevorzugt mit der Querrichtung C der Schaberklinge zusammenfällt. Desgleichen weicht bei der Ausführungsform, bei der der partikelförmige Kohlenstoff aus Kohlenstoff-Nanoröhren besteht, die Richtung der Kohlenstoff-Nanoröhren 100 in entsprechender Weise wesentlich von der Längsrichtung L der Schaberklinge 10 ab. Bei einer solchen Orientierung wird die Wärmeleiteigenschaft des Kohlenstoffs intensiver genutzt und eine unnötig große Kohlenstoffmenge vermieden.
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Die Schaberklinge kann zum Beispiel nach dem Strangziehverfahren (Pultrusionsverfahren) hergestellt werden. 5 zeigt ein Beispiel des Verfahrens zur Herstellung einer kompositischen plattenartigen Klinge 10. Die erfindungsgemäße Klinge 10 wird zumindest teilweise mit Strangziehtechnologie in dem Prozess 60 hergestellt. Das Strangziehverfahren 60 ist eine für den Fachmann an sich herkömmliche Technik, sodass sich hier eine eingehende, genaue Beschreibung desselben erübrigt. Bei dem Verfahren werden die Faservliese oder -gewebe 62 mit dem Ziehteil 72 (Zugrichtung durch Pfeil angegeben) durch die für das Verfahren typischen Grundstufen gezogen, wobei als Ergebnis ein Klingenrohling 10' entsteht, aus dem dann die fertige Klinge gefertigt werden kann. Die Fasern/Faservliese/-gewebe 62 werden zunächst in die Imprägnierkammer 64 geleitet, wo die Fasern mit einem gewählten Matrixmaterial, dem erfindungsgemäß in einem der Imprägnierkammer vorgeschalteten Matrixmaterial-Behandlungsteil 66 partikelförmiger Kohlenstoff zugesetzt wurde, getränkt oder befeuchtet werden. Das Fasermaterial und die noch nicht ausgehärtete Matrix werden in einem ein elektrisches Feld oder ein Magnetfeld erzeugenden Teil 70 der Anlage der Wirkung eines elektrischen Feldes oder eines Magnetfeldes ausgesetzt. Infolge der Wirkung des elektrischen Feldes bzw. des Magnetfeldes werden der in der Matrix befindliche partikelförmige Kohlenstoff und die Konzentrationshäufungen in eine von der Längsrichtung L des Klingenrohlings 10' und damit auch der Schaberklinge 10 abweichende, im Wesentlichen in Klingenquerrichtung verlaufende Richtung orientiert. In der folgenden Stufe wird die Matrix im Aushärtungsteil 68 ausgehärtet. Der das elektrische Feld bzw. das Magnetfeld erzeugende Teil 70 der Anlage kann sich teilweise bis in den Bereich des Matrixaushärtungsteils erstrecken. Das Strangziehverfahren ist nicht das einzige Verfahren, nach dem sich die erfindungsgemäße Schaberklinge herstellen lässt. Weitere in Frage kommende Verfahren sind zum Beispiel das Laminieren und das Pressen bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur.
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Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden Kohlenstoffpartikel in die Kompositstruktur als Konzentrationshäufungen, deren Orientierung wesentlich von der Längsrichtung der Schaberklinge abweicht, eingefügt, wobei wenigstens ein Teil des einzusetzenden Fasermaterials vor dem Imprägnieren der Matrix mit partikelförmigem Kohlenstoff beschichtet wird und die beschichteten Fasern des Fasermaterials hauptsächlich so orientiert sind, dass dieses Material sich beim Strangziehen der Schaberklinge quer zur Längsrichtung der Schaberklinge legt.
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Es sei angemerkt, dass vorangehend nur einige der vorteilhaftesten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind. Es versteht sich somit, dass die Erfindung nicht auf diese beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im durch die Patentansprüche gegebenen Rahmen auf vielerlei Weise zur Anwendung gebracht werden kann. In Verbindung mit den einzelnen Ausführungsformen beschriebene Merkmale können im Rahmen der Grundidee der Erfindung auch in Verbindung mit anderen Ausführungsformen verwirklicht werden und/oder es können, falls gewünscht und technisch möglich, aus den angeführten Merkmalen diverse Gesamtheiten zusammengestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- FI 117568 [0003]
- WO 2005124019 [0004]
- WO 2007030392 A1 [0005]
- DE 102005038652 A1 [0006]
- FI 101637 [0007]
