DE202020004665U1

DE202020004665U1 - Vorrichtung zum Trennen von Verbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE202020004665U1
Application number: DE202020004665.5U
Authority: DE
Original assignee: Eat Anlagenbau Ug Haftungsbeschraenkt
Current assignee: Gefna Gesellschaft Fuer Nachhaltige Beteiligun De
Priority date: 2020-11-05
Filing date: 2020-11-05
Publication date: 2021-03-01
Anticipated expiration: 2030-11-06

Abstract

Vorrichtung zum Auftrennen von Faserverbundwerkstoffen in ihre Bestandteile, bestehend aus wenigstens einer Walzanlage und wenigstens einer Mahlanlage, wobei die Walzanlage Walzen enthält, zwischen denen oder zwischen denen und einer Gegenplatte die Faserverbundwerkstoffteile zerdrückt werden können, und die Mahlanlage einen sich verjüngenden Ringspalt zwischen einem äußeren und einem inneren achsparallelen Kegel aufweist, von denen wenigstens einer relativ zum anderen rotiert und zwischen denen zerdrückte Faserverbundwerkstoffteile bis zur Faserseparation zerrieben werden können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit denen Werkstoffen aus einem Verbund von Matrix- und Armierungsmaterial, insbesondere faserverstärkte duroplastische Kunststoffe, in ihre Komponenten aufgetrennt werden können, wobei das Armierungsmaterial weitgehend erhalten bleibt.
Faserverstärkte duroplastische Werkstoffe weisen eine Vielzahl von Vorteilen auf, können jedoch kaum werkstofflich recycelt werden, da die Trennung von Armierungsfasern und Matrixmaterial bisher nicht großtechnisch realisierbar ist. Dies stellt sowohl ein ökologisches als auch ein betriebs- und volkswirtschaftliches Problem dar und betrifft eine Vielzahl von in großen Stückzahlen hergestellte Produkte wie Flügel und Gondelgehäuse von Windkraftanlagen, Boote und Schiffe, Dusch- und Badewannen und Bauteile von Automobilen und Luftfahrzeugen.
Den Stand der Technik stellen Vorrichtungen dar, bei denen die Verbundwerkstoffe eine reibende Behandlung erfahren sollen. So wird in der EP000002288452B1 eine Anlage beschrieben, bei denen die Verbundwerkstoffe zwischen zwei gegeneinander rotierenden koaxialen Kegeln zerrieben werden sollen. In den DE202014105123U1 und WO002016066159A1 werden Vorrichtungen beschrieben, die ebenfalls gegeneinander rotierende Rotationskegel aufweisen, die entlang ihrer Längsachsen gegeneinander verschoben werden können, so dass die Größe des Spaltes variiert werden kann. Diese Vorrichtungen verfügen zudem über einen ersten Bereich mit an einem der beiden Kegel angebrachten Mitteln zur Erhöhung des mechanischen Abriebs, während in einem darauf folgenden Bereich der Feinabrieb direkt zwischen den Kegelwänden erfolgt.
Die Vorrichtung nach EP000002288452B1 ist für die Trennung von Gummi-Stahlfasem-Verbundwerkstoffen optimiert und damit nicht dazu geeignet, größere duroplastische Verbundwerkstoffteile ohne Vorbehandlung effizient aufzutrennen.
Die Vorrichtungen nach DE202014105123U1 und WO002016066159A1 weisen den Nachteil auf, dass der Bereich, der die an einem der beiden Kegel befindlichen Mittel aufweist, und der Bereich, in dem der Abrieb zwischen den beiden Kegelwänden erfolgt, in einem Bauteil zusammengefasst sind. Damit können die Prozessgrößen „Rotationsgeschwindigkeit“ und „Spaltmaß“ jeweils nur gemeinsam verstellt werden, was einen prozesssicheren und effizienten Betrieb verhindert.
Hier setzt die Erfindung ein, die eine Vorrichtung beschreibt, die im Wesentlichen aus wenigstens zwei Baugruppen besteht: wenigstens einer Walzanlage, in denen Verbundwerkstoffe im Wesentlichen zerdrückend bearbeitet, und wenigstens einer Mahlanlage, in denen das zuvor zerdrückte Material zwischen kegelförmigen Rotationskörpern zerrieben wird, und in dem die endgültige Trennung von Matrixmaterial von den Fasern stattfindet.
Die Größe der Verbundwerkstoffe ist grundsätzlich unbeschränkt. Aus praktischen Gründen ist es jedoch vorteilhaft, die Verbundwerkstoffe vor dem Eintritt in die Walzanlage durch Schneiden oder Brechen z.B. auf 300-500mm zu zerkleinern. Die dabei auftretende Zerkleinerung der Armierungsfasern ist in der Gesamtbilanz bedeutungslos.
Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Walzanlage ist beispielhaft, aber die Lehre der Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen einschränkend, mit den 1.a und 1.b gezeigt, wobei 1.b den Schnitt Z-Z aus 1.a darstellt:

Die Walzanlage weist ein Gehäuse (10) und Walzen (11) auf, zwischen denen Verbundwerkstoffteile zerdrückt werden können. Die Walzen sind bevorzugt als in eine horizontalen oder annähernd horizontalen Ebenen angeordnete Walzenpaare ausgeführt, die beim Durchgang der Verbundwerkstoffteile durch das Bauteil in abnehmenden lichten Abstand zueinander angeordnet sind.

Damit die zugeführten Verbundwerkstoffteile einerseits vom ersten Walzenpaar erfasst und zwischen die Walzen gezogen werden können, und andererseits das erste Walzenpaar auch wirksam werden kann, muss der Achsabstand zwischen dem ersten Walzenpaar größer, und der lichte Achsabstand kleiner als die zugeführten Verbundwerkstoffteile sein.
Entsprechend muss bei jedem folgenden Walzenpaar der Achsabstand größer als der lichte Abstand des vorhergehenden Walzenpaares sein, und der lichte Abstand kleiner als der des vorhergehenden Walzenpaares.
Von den Walzenpaaren muss jeweils wenigstens eine Walze angetrieben werden. Wenn die anzutreibende Walze jeweils über einen eigenen Motor (13) angetrieben wird, kann dessen Drehzahl separat geregelt werden. Die Lehre der Erfindung umfasst jedoch auch, nicht alle Walzen (11) mit einem eigenen Motor zu versehen, sondern mittels Zahnradpaaren oder Zahnrad/Ketten- oder Zahnrad/Zahnriemenkombinationen mit einem Motor zu verbinden.
Bevorzugt ist der Motor ist als elektromechanischer oder elektrohydraulischer Getriebemotor ausgeführt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Walzanlage können die Abstände der Walzenpaare bevorzugt stufenlos verstellt werden, um die Walzanlage auf hinsichtlich Größe und Materialeigenschaften unterschiedliche Verbundwerkstücke anzupassen.
Die Walzen (11) einer Walzanlage können gleichen oder unterschiedlichen Durchmesser haben.
Die Lehre der Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, die mehr als 2 Walzen in einer horizontalen oder annähernd horizontalen Ebene aufweisen.
Weiterhin umfasst die Erfindung auch Ausführungen der Walzanlage, die nur eine Reihe von Walzen aufweist, die einen von oben nach unten abnehmenden Abstand zu einer Gegenplatte aufweisen, wobei die Gegenplatte eine Wand (10a) des Gehäuses darstellen kann, wie beispielhaft in 1 .d gezeigt.
Die Walzen (11) können eine glatte Wandung, oder vollständig oder teilweise eine konkave oder konvexe Strukturierung (Rippen, Nuten, Noppen, Dellen, etc) aufweisen.
Die Erfindung umfasst auch Walzen (15), bei denen die „Wandung“ aus einzelnen Elementen wie Stangen (16) gebildet wird, wie in 1.c dargestellt.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind Walzenpaare nicht parallel, sondern in einem Winkel zu anderen Walzenpaaren angeordnet, wobei der Winkel bevorzugt 90° beträgt.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführung der Walzanlage ist mit 2.a und 2.b gezeigt, wobei 2.a einen senkrechten Schnitt durch die Walzanlage und 2.b einen waagerechten Schnitt im Bereich der Walzen darstellt.
Die Walzen (21) sind auf einem rotierenden Walzenträger (22) montiert, der von einem Motor (23) angetrieben wird. Die Walzen sind so orientiert, dass ihre Rotationsachsen die des Walzenträgers schneiden. Die Erfindung beinhaltet auch Ausführungsformen, bei denen die Rotationsachsen der Walzen die des Walzenträgers nur annähernd schneiden, um eine zusätzliche Mahlwirkung zu erzielen.
Auch hier ist der Motor bevorzugt als elektromechanischer oder elektrohydraulischer Getriebemotor ausgeführt. Der Motor kann oberhalb oder unterhalb des Walzenträgers montiert sein, oder mit Zahnrad-/Ketten-/Zahnriemenantrieb auch daneben.
Durch Rotation des Walzenträgers (22) gegen den Stator (24) können Verbundwerkstoffteile, die über den Materialeintrag (28) eingefüllt werden, zwischen den Walzen und dem Stator zerdrückt werden. Die Lehre der Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, bei denen der Walzenträger als Stator ausgebildet ist und das Bauteil (24) rotiert.
Die Walzen (21) können zylindrisch, oder wie in 2.a und 2.b gezeigt auch konisch ausgeführt sein. Vorteilhaft ist eine kegelförmige Ausbildung des Raumes (25), in dem die Verbundwerkstoffteile zwischen der Außenwand der Walzen und dem Stator zerdrückt werden können. Bei entsprechender Ausführung der Kegelform und des Stators kann erreicht werden, dass die Walzen auf dem Stator reibungslos abrollen. Andernfalls tritt in Teilbereichen der Walzen aufgrund der unterschiedlichen Relativbewegungen ein Mahleffekt auf, der erwünscht sein kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Walzenträger entlang seiner Längsachse relativ zum Stator verschoben werden, um die Größe des Raumes (45) und insbesondere die des kleinsten Spaltes (26) am Materialaustrag (27), zu verstellen.
Die Walzen (21) können eine glatte Wandung, oder eine konkave oder konvexe Strukturierung (Rippen, Nuten, Noppen, Dellen, etc) aufweisen. In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Strukturierung der Rippen im äußeren Bereich stärker ausgeprägt als im unteren Bereich.
Die Erfindung umfasst auch Walzen (21), bei denen die „Wandung“ aus einzelnen Elementen wie Stangen (16) gebildet wird, wie in 1.c dargestellt.
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, bei denen der Materialaustrag (27) nicht mittig, sondem in einem Außenbereich der Walzanlage stattfindet.
Eine bevorzugte Ausführung der Mahlanlage als weiterer erfindungsgemäßer Baugruppe ist - ebenfalls beispielhaft und die Lehre der Erfindung nicht einschränkend - in 3.a gezeigt:

In einem äußeren Kegel (30) ist ein innerer Kegel (31) koaxial so angeordnet, dass beide Kegel jeweils im Bereich der Zuführöffnung (32) den größten Durchmesser haben.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der innere Kegel einen kleineren Öffnungswinkel als der äußere, so dass sich der Ringspalt zwischen den Kegeln von der Zuführöffnung (32) bis zum Materialauslass (33) verkleinert, so dass die Verbundwerkstoffelemente immer feiner zerrieben werden.
Der Ringspalt im Bereich der Zuführöffnung (32) muss mindestens so breit sein wie der lichte Walzenabstand des letzten Walzenpaares der Walzanlage.
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, bei denen wenigstens einer der Kegel wenigstens teilweise konkav oder konvex ausgeführt ist, oder aus wenigstens zwei Kegelsegmenten mit unterschiedlichem Öffnungswinkel besteht.
Die Außenfläche des inneren Kegels und die Innenfläche des äußeren Kegels können eine glatte Wandung, oder wenigstens teilweise eine konkave oder konvexe Strukturierung (Rippen, Nuten, Noppen, Delle, etc) aufweisen. In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Strukturierung der Oberflächen im der Zufuhröffnung zugewandten Bereich, d.h. bei breiterem Ringspalt, stärker ausgeprägt als im dem Materialauslass zugewandten Bereich. Vorteilhafterweise sind die Kegeloberflächen im letzten Bereich vor dem Materialauslass gar nicht strukturiert, um das vollständige Trennen von Fasern und Matrixmaterial durch reines Reiben zu erreichen.
Die Achse (36) des inneren Kegels wird von einem Motor (34) angetrieben. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Mahlanlage ein Mittel (35) auf, mit der die Achse (36) axial verschoben und damit der Ringspalt zwischen den beiden Kegeln verstellt werden kann.
Der Winkel (alpha) zwischen dem äußeren Kegel und der Horizontalen ist bevorzugt größer als Null.
In einer weiteren, in 3.b gezeigten vorteilhaften Ausführungsform weisen die Kegel eine zylindrische Verlängerung auf, die es ermöglicht, den Spalt zwischen den Kegeln in einem Teilbereich (37) durch axiales Verschieben der Kegel gegeneinander zu verschieben, ihn jedoch im Teilbereich (37) konstant zu lassen, um den finalen Mahlgrad auch bei axialer Verschiebung der Kegel gegeneinander nicht zu verändern.
In dem den Auslass (33) verlassenden Material sind die Fasern und das Matrixmaterial gemischt und können leicht durch Siebung voneinander getrennt werden. Bevorzugt findet diese Siebung zur Erhöhung der Prozesssicherheit und -flexibilität in einem separaten Bauteil an, sie kann jedoch auch in den Auslass (33) integriert werden.
Die Walzanlage und die Mahlanlage können so angeordnet werden, dass der Auslass (14) bzw (27) der Walzanlage in die Zuführöffnung (32) der Mahlanlage mündet.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das in der Walzanlage behandelte Material zunächst in einen Vorlagebehälter abgeworfen, von dem aus es zur Zufuhröffnung (32) der Mahlanlage transportiert wird. Dies bedeutet zwar größeren maschinentechnischen Aufwand, die beiden Arbeitsschritte „Walzen“ und „Mahlen“ können dadurch jedoch weiter entkoppelt und der Gesamtprozess störungssicherer gestaltet werden. Wenn der Vorlagebehälter über der Zufuhröffnung (32) angeordnet ist, kann diese Zielsetzung auch dadurch erreicht werden, dass die Öffnung des Vorlagebehälters über der Zufuhröffnung bevorzugt stufenlos geöffnet und geschlossen werden kann.
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, die mehrere aufeinander folgende Walzanlagen - auch unterschiedlichen Typs - und/oder mehrere aufeinander folgende Mahlanlagen aufweist. Bei einer auf eine andere folgende Walzanlage muss wieder gelten, dass der Achsabstand eines ersten Walzenpaares größer als der lichte Abstand des letzten Walzenpaares der vorhergehenden Walzanlage sein muss. Im Fall der Kombination einer Walzanlage nach 1 .a-c und einer nachfolgenden nach 2.a-b muss sinngemäß der größte Abstand zwischen den Walzen (21) und dem Stator (24) größer sein als der lichte Walzenabstand des letzten Walzenpaares (11) einer davor angeordneten Walzanlage.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung sollte eine Luftabsaugung und -filterung auch dann vorsehen, wenn die örtlichen Arbeits- und Immissionsschutzverordnungen dies nicht zwingend vorschreiben.
Um Reibungswärme abzuführen, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Kühleinrichtungen versehen sein. Diese können rein passiv, z.B. als Kühlrippen ausgeführt sein, oder als aktive Kühlung mittels Fluiden.
Um im Stillstand Kondensation aufgrund Taupunktunterschreitung zu verhindern, können insb. die Bereiche, in denen schon erhebliche Mengen Matrixmaterial auftreten, auch beheizbar ausgeführt sein, um ein Anbacken des Matrixpulvers aneinander und an Maschinenteilen zu vermeiden.
Die Erfindung umfasst weiterhin Ausführungen, die Mittel zum Erkennen und/oder Ausschleusen von Störstoffen aufweisen, z.B. Magnet- oder Wirbelstromabscheider.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 000002288452 B1 [0003, 0004]
DE 202014105123 U1 [0003, 0005]
WO 002016066159 A1 [0003, 0005]

Claims

Vorrichtung zum Auftrennen von Faserverbundwerkstoffen in ihre Bestandteile, bestehend aus wenigstens einer Walzanlage und wenigstens einer Mahlanlage, wobei die Walzanlage Walzen enthält, zwischen denen oder zwischen denen und einer Gegenplatte die Faserverbundwerkstoffteile zerdrückt werden können, und die Mahlanlage einen sich verjüngenden Ringspalt zwischen einem äußeren und einem inneren achsparallelen Kegel aufweist, von denen wenigstens einer relativ zum anderen rotiert und zwischen denen zerdrückte Faserverbundwerkstoffteile bis zur Faserseparation zerrieben werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Walzen in mehreren horizontalen oder annähernd horizontalen Ebenen angeordnet sind, die zueinander oder zu einer Gegenplatte von der Materialzuführung bis zum Materialauslass abnehmenden lichten Abstand haben.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzen einer Walzanlage, oder bei in horizontalen oder annähernd horizontalen Ebenen paarweise angeordneten Walzen jeweils eine Walze eines Walzenpaares jeweils einen eigenen Antrieb aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Walze wenigstens einer Walzanlage mittels Zahnräder oder Zahnrad/Ketten- oder Zahnrad/Zahnriemenverbindung angetrieben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzen auf einem Walzenträger montiert sind, der relativ zu einem Stator (oder vice versa) rotiert, so dass die Achsen der Walzen die Rotationsachse des Walzenträgers schneiden oder annähernd schneiden, so dass sich zwischen den Walzen und dem Stator ein rotationssymmetrischer Ringspalt ergibt..
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Walzenträger und dem Stator verstellt werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die achsparallelen Kegel in Achsrichtung gegeneinander verschoben werden können, um den Ringspalt zu verstellen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kegel ganz oder segmentweise konkav oder konvex ausgeführt sind, und/oder aus mehreren Segmenten bestehen, die unterschiedliche Kegelöffnungswinkel aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Walze oder Kegel wenigstens teilweise eine strukturierte Oberfläche wie z.B. Rippen, Nuten, Noppen oder Dellen aufweist.