DE2128504A1

DE2128504A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Auf wickeln fortlaufender Faden

Info

Publication number: DE2128504A1
Application number: DE19712128504
Authority: DE
Inventors: David Julian Durham Cunningham Robert Ernest Privott jun Wilbur Joseph Raleigh NC Haley (V St A )
Original assignee: Monsanto Co
Current assignee: Monsanto Co
Priority date: 1970-06-09
Filing date: 1971-06-08
Publication date: 1971-12-16
Also published as: CA931721A; DE2128504C3; BE768240A; GB1316063A; LU63303A1; JPS541808B1; DE2128504B2; FR2094140B1; US3677481A; SE382925B; NL7107761A; FR2094140A1

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF 9 1 ? Q R Π / '

PATENTANWÄLTE L I ^ O O U H

θ MÜNCHEN 8Ο. MAUERKIRCHERSTR. 45

Dr. Berg D!p[.-Ing. Stopf, 8 München 80, Mouerkircherstroße 45 ·

Ihr Zeichen Ihr Schreiben Unser Zeichen 21 004 Datum ^ JlIBf 107*

Anwaltsakte 21 004

MONSANTO COMPANY
St. Louis, Mo. /USA

Verfahren und Vorrichtung zum Aufwickeln fortlaufender Fäden

Die Erfindung bezieht sich auf das Aufwickeln von fortlaufenden Fäden. Sie betrifft insbesondere das Aufwickeln aus einer Schmelze niedriger Viskosität extrudierter, fortlaufender Fäden in einem Zug.

Es ist seit langem bekannt, daß flüssige Strahlen mit niedriger Viskosität kurz nach dem Austritt aus der Extrusionsanordnung in kleine Teilchen zerfallen, die bisweilen auch

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Tropfen genannt werden. Die hohe Oberflächenspannung der Flüssigkeit im Verhältnis zu deren Viskosität verursacht Ungleichförmigkeiten des Querschnitts, die nebeneinander im Strahl vorhanden sind und sich weiter ausbilden, bis der Bruch eintritt. Viele interessante Materialien wie beispielsweise Metalle, Keramik und andere anorganische Materialien haben in der flüssigen Phase eine niedrige Viskosität. Bis vor kurzem war man allgemein der Auffassung, daß es nahezu unmöglich ist, diese Materialien in Form eines Schmelzestrahls zu extrudieren und den Strahl zu einem fortlaufenden Faden zu verfestigen, bevor ein Bruch aufgrund der Oberflächenspannung eintritt.

Eine Technik, mit welcher ein Zerbrechen der Strahlkontinuität aufgrund der Oberflächenspannung verhindert wird, wurde entwickelt. Sie ist in der US-Patentanmeldung 829.216 näher erläutert. Der Schmelzestrahl wird im allgemeinen in eine Gasatmosphäre extrudiert, die im Nachstehenden stabilisierende Atmosphäre genannt wird, die in Anwesenheit des Strahls reagiert und/oder sich zersetzt und einen Film um den Außenumfang des Strahls bildet. Der Film hat eine ausreichende Festigkeit, um zu verhindern, daß ein durch die Oberflächenspannung hervorgerufenes Abreißen im geschmolzenen Abschnitt des Strahls während der Verfestigung stattfindet. Diese Technik schafft also ein einfaches und rasches Verfahren zur Herstellung von Fasern und Fäden,

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welches vor seinem Aufkommen mit Hilfe von langsameren und im allgemeinen komplizierteren Zieh- oder Glasumhüllungstechniken durchgeführt wurde.

Ein großes Problem, welches sich als schwierig zu lösen herausgestellt hatte, ist das Aufwickeln der Fasern oder Fäden. Beim kontinuierlichen Aufwickeln eines Fadens ist es erforderlich, eine gewisse Spannung an den Faden anzulegen. Wenn eine Spannung an einen Faden angelegt wird, der nach einem Verfahren mit Filmstabilisation hergestellt wurde, wird die Spannung auf den Film übertragen, der eine sehr geringe Festigkeit hat, so daß der Strahl bricht.

Es wurden bisher verschiedene Verfahren zum Aufwickeln verwendet. Das einfachste Verfahren wird "Zurückspulen" genannt, bei welchem sich der Faden lediglich anhäuft, bevor das Aufwickeln weitergeht. Das Zurückspulen ist nicht nur zeitraubend und langwierig, sondern führt häufig zu Schlingen und einem Gewirr im Faden.

Eine andere Technik ist in der USA-Patentanmeldung 870.646 beschrieben, wonach man einen frei fallenden, fortlaufenden Faden, insbesondere einen Faden mit kleinem Durchmesser, in rtendelform nach unten schweben läßt, indem man eine ausreichend große, nach oben wirkende aerodynamische Kraft auf den Faden einwirken läßt. Die Wendelform isoliert die

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an das untere Ende des Fadens angelegte Spannkraft von dem zerbrechlichen, flüssigen Abschnitt des Strahls.

Diese Technik ist jedoch nicht selbstregelnd und erfordert eine fortlaufende und genaue Kontrolle, da eine Zunahme der Aufwickelgewehwindigkeit oder eine Abnahme der Extrusionsgeschwindigkeit zu einem Verschwinden des wendelartigen Puffers und zuletzt zu einem Abreißen des Strahls führt. Auf der anderen Seite häuft sich der Faden stark an, wenn die Aufwickelgeschwindigkeit geringer als die Extrusionsgeschwindigkeit ist, was zum gleichen Ergebnis wie beim Zurückspulen führt.

Es besteht daher Bedarf an einer kontinuierlichen und selbstregelnden Sechnik und Vorrichtung für ein in einem Zug erfolgendes Aufwickeln eines fortlaufenden Fadens, bei dem man die für das Aufwickeln erforderliche Spannung von den zerbrechlichen Abschnitten des Fadens fernhalten will. Die Erfindung schafft daher in erster linie eine Vorrichtung und ein Verfahren, mit welchen der aufgezeigte Bedarf, insbesondere im Zusammenhang mit Verfahren und Vorrichtungen zum Spinnen von Schmelzen mit niedriger Viskosität, befriedigt wird.

Die Erfindung nützt in großem Maße gewisse physikalische Kräfte aus, die in der Wechselwirkung eines sich bewegen-

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den Fadens über gekrümmte Flächen vorhanden sind, und umfaßt deren Anwendung, um das gewünschte Aufwickeln eines Fadens zu erreichen, ohne daß gleichzeitig ein Dehnungsbruch in den oberen zerbrechlichen Abschnitten des Fadens eintritt. Wie bereits vorher erwähnt, muß ein Faden unter einer bestimmten Spannung stehen, damit er aufgewickelt werden kann. Das Problem bestand bisher darin, daß die oberen, zerbrechlichen Abschnitte des Fadens, wie beispielsweise der flüssige Abschnitt in einem extrudierten Metailstrahl, nicht einmal der minimalen Spannkraft standhalten können, die zum Aufwickeln eines Fadens erforderlich ist. Es kann gezeigt werden, daß diese minimale Spannkraft

PA ν sein sollte, wobei P die Dichte, A die Querschnittsfläche und ν die Fadengeschwindigkeit ist. Diese Spannung wirkt nur der auf den Draht ausgeübten Zentrifugalkraft entgegen. Gewöhnlich verlangt der gewerbliche Gebrauch, daß der Faden unter einer größeren Spannung aus Gründen einer guten Verpackung aufgewickelt wird. Um einen extrudierten Faden mit zerbrechlichen Abschnitten aufzuwickeln, ist es daher erforderlich, die Spannkräfte von den zerbrechlichen Abschnitten des Fadens fernzuhalten.

Eine erfindungsgemäße· Ausführungsform erreicht die gewünschte Isolation durch eine Aufwickelvorrichtung, welche eine erste Spanneinrichtung aufweist, die eine konkave Gleitfläche zum Abfangen eines Fadens besitzt, der sich in etwa mit

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■**■ Ό ™" .

einer Geschwindigkeit ν an einem ersten Punkt auf der !Fläche "bewegt. Der Faden wird aufgrund der Trägheit oder Zentrifugalkraft gezwungen, sich längs der konkaven Fläche zu bewegen. Der größere Beitrag zu der auf den Faden wirkenden Spannung ist der Reibungskraft zwischen dem sich bewegenden Faden und der konkaven Fläche zuzuschreiben.

Es kann gezeigt werden, daß sich der Aufbau der Spannung

2 aufgrund der Reibung asymptotisch dem Wert von PAv nähert. Es gibt jedoch noch andere Faktoren, die zur Spannung im Faden beitragen, wie z.B. der aerodynamische Luftwiderstand, die Reibwirkung aufgrund des Gewichts des Fadens und die Änderung in der Höhe der konkaven Fläche. An einem Punkt auf der Gleitfläche ruft die kombinierte Wirkung der obengenannten Faktoren im Faden eine Spannkraft

ρ
von etwa PA ν hervor. An diesem Punkt bildet der Faden

eine freistehende Schlinge oberhalb der konkaven Fläche. Das bedeutet, daß sich der Faden am zweiten Punkt von der * konkaven Fläche wegbewegt und eine Schlinge bildet, die von der Fläche nicht gestützt wird. -

Venn der Faden die konkave Fläche verläßt, ist es erforder-

2 lieh, die Spannkraft auf einen Wert über PAv zu erhöhen, um das Aufwickeln zu erleichtern. Dies kann dadurch erreicht werden, daß eine konvexe Fläche im Abstand von der konkaven Fläche und oberhalb des Punktes angeordnet wird, an welchem der Faden eine freistehende Schlinge bildet. Die

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konvexe Fläche vergrößert die Spannung nicht, wenn die

Spannkraft nicht bereits über gA ν ist, da die Zentrifugalkraft des Fadens in einer Richtung wirkt, die von der konvexen Fläche wegführt, wodurch die Entstehung einer durch Reibung hervorgerufenen Spannkraft vermieden wird. Die Schwerkraft jedoch, die auf den Faden nach unten einwirkt, wenn er sich nach oben zur konvexen Fläche hin bewegt, vergrößert die Spannung im Faden auf einen Wert etwas

ρ
über PA ν , so daß die konvexe Fläche zu einer weiteren Erhöhung der Spannung im Faden beiträgt«

Bei konstanten Aufwickelgeschwindigkeiten bleibt die lage der freistehenden Schlinge hinsichtlich der konkaven Fläche unverändert. Wenn die Aufwickelgeschwindigkeit zunimmt, hat der Punkt, an welchem sich die freistehende Schlinge bildet, das Bestreben, sich längs der Fläche zu bewegen, da der Ausdruck PAv in seinem Viert zugenommen hat. Eine Veränderung der Aufwickelgeschwindigkeit und damit eine Veränderung der erforderlichen Spannkräfte wird durch eine geeignete Ausnutzung der konkaven Fläche ausgeglichen« Das weitere Vorhandensein der freistehenden Schlinge zeigt also, daß die Fläche aufgrund der Reibung eine Spannkraft erzeugt, die ausreicht, um die minimalen Kräfte hervorzurufen, die für das Aufwickeln erforderlich sind.

Im Wachstehenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung

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anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung mit der Fadenlänge als einer Funktion der Abfangstrecke, gemessen von der Austrittsstelle des Schmelzestrahls.

Fig. 2 ein schematisches Aufwickelsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 3 bis 6 schematische Darstellungen verschiedener anderer Ausführungsformen gemäß der Erfindung.

Im Nachfolgenden wird die Verwendung der Erfindung anhand einer Technik beschrieben, bei welcher fortlaufende Fäden mit Filmstabilisation hergestellt werden. Aus der Beschreibung ergibt sich jedoch, daß die Erfindung überall dort angewandt werden kann, wo sich ein Faden unmittelbar nach der Extrusion in einem schwachen Zustand befindet. Der hier verwendete Ausdruck "obere, zerbrechliche Abschnitte eines Fadens" umfaßt sowohl den flüssigen Bereich der in einem Film zu stabilisierenden Fäden als auch andere Fäden, die sofort nach dem Extrudieren in der Nähe der Extrusionsdüse nicht stark genug sind, um dem Gewicht der freien Länge des Fadens und der Summe der Spannkräfte standzuhalten, die zum Aufwickeln eines Fadens um ein sich drehendes Element erforderlich sind.

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Bei der Herstellung von fortlaufenden laden »it Hilfe einer Stabilisationstechnik ist es äußerst wichtig, den fallenden Strahl an einer geeigneten Stelle seiner Bahn »u erfassen, aufzufangen oder in anderer Weise zu rerzögern. Eine vorzeitige Verzögerung kann zu einer nichtfadenförmigen Masse führen, da der Schmelzestrahl nicht ausreichend Zeit für die Verfestigung in Fadenform hat. -Der Funkt, welcher die Grenze zwischen den verzögernden Stellen anzeigt, an denen man eine nicht fadenförmige Nasse im Gegensatz zu einer fadenförmigen Masse erhält, wird mit D₀ bezeichnet. Eine langsame Verzögerung führt zu Stapelbildung, da das Gewicht des Strahls eine Spannkraft erzeugt, welche die Festigkeit des stabilisierenden Films übersteigt, so daß der Strahl im flüssigen Abschnitt in der Nähe der Düse bricht. Der Punkt, oberhalb dessen der Strahl aufgefangen werden muS, um ein Abreißen aufgrund seines Gewichts zu verhindern, wird mit D^ bezeichnet.

Die reine Spannkraft ist die Resultierende der Kräfte, welche aufgrund der Schwerkraft und des aerodynamischen Luftwiderstands auf den Strahl einwirken. Es kann in expliziter Form gezeigt werden, daß die maximale, reine Spannkraft F+- (max.), die auf den Strahl über eine Länge von der Düse bis zum Punkt D^ einwirkt, sehr genau wiedergegeben werden kann durch die Gleichung

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(1) F_t(mai) = ( f Ag - 1

hierin sind

O die Dichte des Strahls in g/em

ο A die Querschnittsfläche des Strahls in cm

g die Fallbeschleunigung in cm/sec die Viskosität des Gases in Poise

yr die Extrusionsgeschwindigkeit des Strahls in cm/sec

D die Länge des Strahls von der Düse Isis D, in cm.

Die vertikale Richtung nach unten wird als positiv angenom men. Aus der Gleichung (1) ist zu sehen, daß es notwendig ist, den Strahl zu verzögern, bevor die Spannkräfte den Wert F^(max) erreichen. Mit anderen Worten muß der Strahl verzögert werden, bevor er den Punkt D^ erreicht.

Die Verzögerung des Strahls zwischen den Punkten D_Q und stellt jedoch die Kontinuität nicht sicher. Aufgrund der physikalischen Eigenschaft des Strahle unmittelbar unterhalb von D_Q wird der Strahl nach der Verzögerung in Stapelfasern brechen. Wie in Fig. 1 zu sehen ist, nimmt die Länge der Stapelfasern von der Aufnahme bei D zu, bis der Faden bei einem Punkt D zusammenhängend wird, wenn der Punkt D^ unterhalb von D_ liegt. In der USA-Patentanmeldung 863.311 werden die Spinnbedingungen besprochen, die geändert werden können, um die Punkte D , D, und D zu verschieben, um

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sicherzustellen, daß die Punkte auf dem Strahl die richtige Lage einnehmen.

Die Lage des Punktes D_ hängt jedoch hauptsächlich von der Strahlgeschwindigkeit und dem Wärmeübertragungskoeffizienten vom Strahl afc. Die lage des Punktes D^ ist eine Punktion des Strahldurchmessers, der Dichte, der Festigkeit des stabilisierenden Films, der Gasdichte und der Grasviskosität. Der Strahldurchmesser und die Dichte sind Veränderliche, die im allgemeinen durch die Art, Größe und Menge des gewünschten Fadens bestimmt werden. Die Gasdichte und die Viskosität sind Veränderliche, die im allgemeinen zum Optimieren der bereits gegebenen Bedingungen verwendet werden. Da die geringe Zugfestigkeit des flüssigen Abschnitts des Strahls hauptsächlich auf die Festigkeit des Films zurückzuführen ist, folgt, daß die Filmfestigkeit die bedeutendste Veränderliche bei der Bestimmung des Punktes D^ ist. Bs ist wünschenswert, das stabilisierende Gas so nahe an die Extrusionsöffnung zu bringen, wie es der Strömungsverlauf des Strahls gestattet, da hierdurch sichergestellt ist, daß der Film gleich bei der Entstehung des Strahls gebildet wird, und daß hierdurch zusammen mit der Gaskonzentration die Festigkeit des Films in großem Ausmaß bestimmt wird. Ein Film mit ausreichender Festigkeit macht es möglich, daß der Strahl eine Länge erreicht, die über den Punkt D hinausreicht, wenn der Punkt D^ unterhalb D liegt. Ein

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Erhöhen des aerodynamischen Luftwiderstands zwischen dem Faden und der umgebenden Gasatmosphäre vergrößert auch den Abstand bis zum Punkt D^. ITm festzustellen, ob die Bedingungen so eingestellt sind, daß D, unterhalb von D liegt, kann eine flache Fläche.in die Bahn des Strahls eingesetzt und längs der Bahn des Strahls bewegt werden. Venn D, unterhalb von D liegt, entstehen fortlaufende Fäden, sowie die Fläche in den Bereich zwischen die beiden Punkte eintritt.

Das Hauptproblem bei dem in einer Linie erfolgenden Aufwikkeln von Fadenmaterial, welches aus einer Schmelze niedriger Viskosität mit Hilfe der Stabilisationstechnik hergestellt wurde, iet in den verhältnismäßig großen Spannkräften begründet, die zum Aufwickeln von Fadenmaterial erforderlich sind und im Gegensatz zu den gewöhnlich viel kleineren Kräften des stabilisierenden Films stehen, welcher den flüssigen Abschnitt des Strahls zusammenhält. Es kann gezeigt werden, daß die Mindestspannkraft, die an einen Faden angelegt werden muß, um ihn mit Hilfe eines Drehelements wie beispielsweise mit Hilfe einer Spule aufwickeln zu können, ausgedrückt werden kann durchi

(2) F₀- J₃Av²

hierin sind

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Q die Dichte des Fadenmaterials A die Querschnittsfläche des Fadens ν die Aufwicke!geschwindigkeit des Fadens

Die maximale Kraft Δ F, die an einen Faden im Abstand ^ D oberhalb des Punktes D^ angelegt werden kann, wird ausgedrückt durchs

(3) AF = ( fkg - 1,13

/\ D muß notwendigerweise kleiner sein als der Abstand zwischen den Punkten D_& und D^. Unglücklicherweise ist die Spannkraft der Gleichung (2) gewöhnlich größer als die Kraft, die bei einem maximalen Δ D angelegt werden kann, la allgemeinen ist die zum Aufwickeln erforderliche Spannkraft um ein Mehrfaches größer als die Zugfestigkeit des stabilisierenden Films.

Aus den obigen Ausführungen geht nun deutlich hervor, daß das in einem Zug erfolgende Aufwickeln eines Fadens mit zerbrechlichen oberen Abschnitten nur durchgeführt werden kann, wenn die durch die Drehbewegung des Aufwickelorgans hervorgerufene Spannkraft vom zerbrechlichen Abschnitt.des Fadenmaterials isoliert wird.Dies kann dadurch erreicht werden, daß eine Kraft in Sichtung der Achse des Fadens unterhalb der zerbrechlichen oberen Abschnitte angelegt wird. Diese Kraft hat eine Größe, die ausreicht, um die Spannkraft

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in etwa auf dem Vert zu halten, der zum Aufwickeln des Fadens auf einer Spule erforderlich ist. Hierfür gilt folgende Beziehung:

(4) P_a = (P₀ - P₁) < Δ Ρ (max)

P ist die reine Spannkraft, die auf den zerbrechlichen Abschnitt des Fadens einwirkt,und P. ist die Kraft, die längs der Achse des Padens angelegt wird.

In Pig. 2 ist eine Spannvorrichtung 10 gezeigt, mit welcher die Spannkraft erzeugt wird, die zum Aufwickeln von Jaden mit oberen Abschnitten geringer Zugfestigkeiten erforderlich ist. Seitenstützen 11 tragen eine unterschiedlich gekrümmte Fläche mit einem abfallenden, ersten konkaven Bereich 13 und einem ansteigenden, zweiten konkaven Bereich 14, der in einen konvexen Bereich 15 übergeht. Bin Drehelement 16 zum ψ Aufwickeln eines Padens ist in der Nähe der Spannvorrichtung 10 angeordnet.

Der erste konkave Bereich ist so angeordnet, daß er einen aus einem Schmelztiegel 18 extrudierten Faden 17 auffängt, der beispielsweise mit Hilfe der Filmstabilisationstechnik hergestellt wurde. Der Auffangpunkt 19 liegt auf der Fadenbahn zwischen den Punkten D und D^. Der Zweck der Vorrichtung 10 ist, an den Faden eine Spannkraft anzulegen, jedoch diese gleiche Spannkraft vom flüssigen oberen Abschnitt zu

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isolieren. Der Faden 17 wird aufgrund seiner Trägheit oder Zentrifugalkraft gezwungen, längs der konkaven Bereiche 13, 14 der unterschiedlich gekrümmten Fläche zu gleiten. Die Wechselwirkung zwischen dem Faden 17 und der Fläche führt dazu, daß eine Reibkraft, die Kraft F* in Gleichung (4), kontinuierlich aufgebaut wird. Mit Hilfe des aerodynamischen Luftwiderstands, der Schwerkraft und der durch das Gewicht des Fadens hervorgerufenen Reibung er-

2 reicht die Spannung einen Wert von etwa OA τ . An diesem Punkt hat der Faden 17 eine ausreichende Spannung, um eine freistehende Schleife 20 zu bilden. Der konvexe Bereich 15 liegt oberhalb des Punktes, an welchem der Faden die Schleife bildet, so daß sich der Faden nach oben und über den konvexen Bereich 15 hin zum Drehelement 16 bewegt.

Die im Faden aufgebaute Spannung, die ausschließlich auf die Reibwechselwirkung des sich aufgrund der Zentrifugalkraft gegen eine konkave Fläche bewegenden Fadens zurückzuführen ist, kann dargestellt werden durch:

fö ^d3? ,es Γ ΡΑ ν² _(Λ Τ >, 7 (5) 3Ξ=<^Ζ (1 - )J

hierin sind

£4. der Reibkoeffizient zwischen dem Faden und der konkaven Fläche

r der Radius der Krümmung der konkaven Fläche χ der Abstand längs der Fläche in cm

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T die auf den Faden ausgeübte Spannkraft in dyn f die Dichte des Fadens in g/cm

A die Querschnittsfläche des Fadens in cm ν die Geschwindigkeit des Fadens in cm/sec

Wie aus Gleichung (5) zu sehen ist, nähert sich T einem

p 2

Grenzwert Q A ν . Für Werte von T in der Nähe von γ A ν ist die konkave Fläche wirkungslos, um eine "bedeutende Spannungsabnahme hervorzurufen» Es ist weiter zu sehen, daß der aerodynamische Luftwi-derstand und die Schwerkraft die bedeutendsten Faktoren für die Erhöhung der Spannung im Faden während der letzten 1O# oder einer ähnlichen Strecke längs der konkaven Fläche sind, wenn T in der Nähe

2
des Werts PAv ist. Da es sehr wünschenswert ist, eine

freistehende Schleife im Faden zu erhalten, ist es in vielen Fällen vorzuziehen, die Wirkung der Schwerkraft zu steigern, indem man eine konkave Fläche mit einem ansteigen-" den Abschnitt (wie beispielsweise Bereich 14 in Fig. 2) verwendet, der unmittelbar auf den absteigenden Abschnitt ■ folgt. Die Gleichung (5) zeigt auch die Bedeutung des Radius der Krümmung der gekrümmten Fläche. Je kleiner der . Radius ist, d.h. je stärker die Krümmung ist, desto kürzer ist die Länge der Fläche, die für eine Annäherung an den Wert J» A ν erforderlich ist, wobei alle anderen Faktoren konstant sind. Wie weiter oben dargelegt wurde, ist eine " konvexe Fläche für eine Vergrößerung der Spannkraft in ei-

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nem Faden wirkungslos) wenn der Faden nicht bereits eine

ρ Kraft besitzt, die größer als j»Av ist. Die Schwerkraft, die auf den Faden einwirkt, wenn er sich nach oben zur konvexen Fläche bewegt, erhöht die Spannkraft auf einen Wert

2
etwas über jp A ν . Die konvexe Fläche vergrößert aufgrund der Reibwechselwirkung mit dem Faden die Spannkraft weiter auf einen Wert, der für ein gutes Aufwickeln auf eine Spule vorherbestimmt wurde. Obgleich die Steifheit des Drahtes oder Fadens zur Spannung beiträgt, ist deren Wirkung gering und im Rahmen dieser Offenbarung vernachlässigter.

Wie aus den vorhergehenden Ausführungen entnommen werden kann, wird die optimale Form der Gleitbahn hauptsächlich bestimmt durch

1) die Spannung, die aufgrund der Bewegung des Fadens aufgebaut wird, der aufgrund der Zentrifugalkraft gegen den konkaven Abschnitt gezwungen wird;

2) die Spannung, die aufgrund des aerodynamischen Luftwiderstands aufgebaut wird;

, 5) die Spannung, die aufgrund, der durch die Schwerkraft hervorgerufenen Reibung aufgebaut wird;

4) die Spannung,' die aufgrund der Bewegung mit oder gegen die Schwerkraft aufgebaut wird.

Hieraus folgt, daß die Form vom Gewicht des Fadens, dem Reibkoeffizienten und der Fadengeschwindigkeit abhängt.

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Das Vorhandensein einer freiliegenden Schleife 20 zeigt nicht nur, daß an den Faden 17 eine Spannkraft von etwa

2
γ A ν angelegt wurde, sondern zeigt auch, daß eine Selbstregulierung vorhanden ist. Wenn die Aufwickelgeschwindigkeit des Fadens 17 und/oder die Extrusionsgeschwindigkeit geändert werden, entsteht die freistehende Schleife im allgemeinen an einer anderen Stelle der Gleitbahn. Dies ist darauf zurückzuführen, daß sich die Beziehungen der Spannkräfte geändert haben.

Das Ausmaß der Selbstregulierung wird hauptsächlich durch den möglichen Unterschied zwischen der Extrusionsgeschwindigkeit und der Aufwickelgeschwindigkeit bestimmt, wobei die Aufwickelgeschwindigkeit ebenso groß oder größer als die Extrusionsgeschwindigkeit ist. Es wurde ferner festgestellt, daß die Aufwickelgeschwindigkeit., die Extrusionsgeschwindigkeit bis zu 20% überschreiten kann, d.h. V₂ = 1,20 v^, wobei V₁ die Extrusionsgeschwindigkeit und Vp die Aufwickelgeschwindigkeit ist. Wenn die Aufwickelgeschwindigkeit größer ist als die Extrusionsgeschwindigkeit, wird der Schmelzestrahl auf einen kleineren Durchmesser verdünnt, was in vielen Fällen sehr wünschenswert ist.

Der.Auffangwinkel ©ς , d.h. der in Fig. 2 dargestellte Winkel zwischen dem konkaven Bereich 13 und dem Faden 17 sollte einen solchen Wert haben, daß die beim Heiben auf dem

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konkaven Flächenbereich 13 erzeugten Kräfte beim Abbiegen des Fadens absorbiert werden, um eher der Gleitbahn zu folgen als Spannkräfte hervorzurufen. Die auf den Faden ausgeübte Kraft beim Auftreffen ist:

φ
■3 1

fk ν cos OC

T₁ ist die Kraft im Draht vor seinem Auftreffen in dyn und T₂ ist die Kraft im Draht nach seinem Auftreffen in dyn. Bei sehr kleinen Werten für CX würde der genaue Punkt der Berührung mit der Gleitbahn bei kleinen seitlichen Verschiebungen beträchtlich schwanken. Bei großen Werten für CX verursacht das Biegemoment des Fadens eine Spannkraft im fallenden Faden, wobei die maximale Spannkraft F. (max) der Gleichung (1) überschritten wird. Es wurde festgestellt, daß der Auffangwinkel c< einen Wert

0° < CX < 90°

haben sollte, wobei optimale Ergebnisse zwischen 20° und 45° erreicht werden.

Es ist für den Fachmann selbstverständlich, daß die Reibeigenschaften zwischen dem Faden und der Fläche nach Wunsch geändert werden können. So können die Reibeigenschaften beispielsweise durch die Verwendung von Magneten bei Fäden

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aus magnetischen Materialien, von Öl oder von Luftströmen geändert werden. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind mit gestrichelten Linien dargestellte Magnete 21 in geeigneter Weise angeordnet, um die Reibung zwischen der konkaven Fläche und beispielsweise einem Stahlfaden zu erhöhen.

Wenn der Reibungskoeffizient des Fadens oder der unterschiedlich gekrümmten Fläche der Fig. 2 oder beide Reibungskoeffizienten klein sind und/oder die Abwickelgeschwindigkeit groß ist, kann in gewissen Fällen der Abstand vom Auffangpunkt zur freistehenden Schleife so groß werden, daß ein sehr langer konkaver Bereich erforderlich ist. Wenn der Raum begrenzt ist, sind lange Reibflächen sehr nachteilig und unpraktisch. Es wird auf die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform hingewiesen, die insbesondere dafür ausgelegt ist, daß der Raum auf ein Minimum beschränkt wird, der für die Spannung des Fadens erforderlich ist. Die Spannvorrichtung 30 weist eine Vielzahl von konkaven Reibflächen 31 auf, die so angeordnet sind, daß der Bodenabschnitt einer jeden Fläche in der Nähe und in Abstand vom oberen Abschnitt einer darunterliegenden konkaven Fläche angeordnet ist. Der untere Teil der untersten Fläche 31 ist in der Nähe einer konvexen Fläche 33 angeordnet. Eine sich drehende Aufwickeleinrichtung, beispielsweise eine Spule 34, ist in der Nähe der Fläche 33 angeordnet.

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Während des Betriebs nimmt die oberste fläche 31 den faden 35 auf, der mit den konkaven flächen in Berührung bleibt, bis er die unterste fläche 31 erreicht. An einer Stelle auf der untersten fläche 31 erreicht die Spannkraft im faden 35 den Wert, der zur Bildung einer freistehenden Schleife erforderlich ist. Wie bei dem in fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird auch hier die zusätzliche Spannkraft durch die Reibwechselwirkung des sich bewegenden fadens mit der konvexen fläche 33 hervorgerufen. Die konvexe fläche 33 liegt im Abstand und oberhalb des unteren Abschnitts der untersten fläche 31 * Der in geeigneter Weise gespannte faden wird dann auf die Drehspule 34 aufgewickelt.

In flg. 4 ist eine andere Ausführungsform dargestellt, bei welcher der faden 40 gezwungen wird, über zwei konkave flächen 41 und 42 zu laufen, von denen die eine über der anderen angeordnet ist. Die Spannkraft im faden erreicht

etwa den Wert j>Ar an einem Punkt irgendwo auf der fläche 42. Wie bei den Ausführungsformen nach den fig. 2 und 3 wird die Spannkraft weiter dadurch erhöht, daß man den faden nach oben entgegen der Wirkung der Schwerkraft und/oder über eine konvexe fläche 43 zu einer sich drehenden Aufwikkelspule 44 laufen läßt.

Bei dem in fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist gezeigt, daß die fläche selbst nicht vollständig konkav zu

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sein braucht, sondern nur ein allgemeines konkaves Aussehen haben muß, selbst wenn der faden 50 in einer konkaven Bahn laufen muß. Der Faden 50 berührt nur die Spitzen 52 der Fläche 51, wenn er sich über die Fläche 51 bewegt. Wie vorher kann eine konvexe Fläche 53 verwendet werden, um die

ρ
Spannung über PAv zu erhöhen.

Fig. 6 zeigt einen Grenzfall der Ausführungsform nach Fig. 3, wonach ein Faden 60 durch die Schwerkraft und die Lage der Platten 61 gezwungen wird, sich gegen die Platten 61 zu bewegen. Das bedeutet, daß die vom Faden 60 ausgeübten Zentrifugalkräfte immer gegen die Platten 61 gerichtet sind. Die Spannkraft wird hierbei auf einen Wert von etwa

ρ
PAv erhöht. Wenn dieser Spannungswert erreicht wird,

bildet der Faden 60 eine freistehende Schleife. Zusätzliche Platten können die Spannkräfte nicht weiter erhöhen, so daß es notwendig ist, die Spannkraft durch andere Einrichtun- W gen wie beispielsweise durch eine konvexe Fläche zu erhöhen, um das Aufwickeln um eine Spule.63 zu erleichtern.

Die Erfindung wird nun zum besseren Verständnis anhand eines Beispiels erläutert.

Es wurde eine Spannvorrichtung ähnlich der in Fig. 2 dargestellten verwendet, um einen fortlaufenden Aluminiumfaden aufzufangen und aufzuwickeln. Die mehrfach gekrümmte

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Fläche wurde aus einem Stahlblech mit einer Dicke von 0,94- mm (0.037 Zoll) hergestellt, gegen das ein Aluminiumdraht einen Reibungskoeffizienten von etwa 0,7 hat. Der Krümmungsradius der Fläche variierte von etwa 2,1 m (7 Fuß) im abfallenden Abschnitt bis etwa 60 cm (2 Fuß) im ansteigenden Abschnitt in der Nähe der konvexen Fläche. Der Krümmungsradius der konvexen Fläche betrug etwa 25 cm (10 Zoll). Der Durchmesser der ExtrusionsdÜse betrug etwa 0,183 mm (7,2 mils). Die Dichte der für den Metallfaden verwendeten Aluminiumschmelze betrug etwa 2,3 g/cm .

Die anfängliche Extrusionsgeschwindigkeit des Aluminiumstrahls an der Düse betrug 210 m/min (690 Fuß/min). Zur Stabilisation des Schmelzestrahls wurde in der Atmosphäre vorhandener Sauerstoff mit annähernd Raumtemperatur und Umgebungsdruck verwendet. Wenn ein im wesentlichen aus Aluminium bestehender Metalldraht mit diesem Durchmesser bei dieser Geschwindigkeit gesponnen wird, reicht die Sauerstoffkonzentration in der Luft aus, um sicherzustellen, daß D, unterhalb von D liegt. Dies wurde dadurch festgestellt, daß eine Auffangfläche längs des Strahls bewegt wurde, bis fortlaufende Fäden entstanden. Bei Verwendung des abfallenden Abschnitts der konakven Fläche wurde der Strahl etwas unterhalb des Punktes D_ bei etwa 3 m (10 Fuß) unterhalb der Düse bei einem Winkel von etwa 30° aufgefangen. Als sich der Faden die Fläche herunterbewegte, wurde

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das vordere Ende mit der Hand erfaßt und über die konvexe Fläche zu einer Aufwickelvorrichtung geführt. Die Aufwikke!vorrichtung war eine sich drehende Spule und eine Querführeinrichtung, um eine richtige Lage auf der Spule sicherzustellen.

Die freistehende Schleife entstand im ansteigenden Abschnitt an einer Stelle, die vom Auffangspunkt etwa 2 m (6,5 Fuß) entfernt war. Die Verdünnung des Fadens war hauptsächlich auf die reine, auf den Faden ausgeübte Spannung zurückzuführen, da die Fadengeschwindigkeit an der Auffangstelle im wesentlichen die gleiche war wie die Auffanggeschwindigkeit, d.h. etwa 215 m/min (700 Fuß/min).

Tabelle I zeigt, daß mit der Zunahme der Aufwickelgeschwindigkeit der Durchmesser des Fadens abnimmt.

Tabelle I	Aufwickelgeschwindigkeit	Fadendurchmesser
in cm/sec	in cm
550	0,018
362	0,0176
375	0,0173
387	0,017
400	0,0167
412	0,0164

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Der kleinere Durchmesser bei einer Aufwickelgeschwindigkeit von 350 cm/sec zeigt, daß die Verdünnung hauptsächlich auf das Gewicht des sich von der Düse bis zum Auffangpunkt erstreckenden Fadens, d.h. auf die Schwerkraft - Verdünnung zurückzuführen ist· Das durch die !Tabelle I aufgezeigte, wichtige Merkmal liegt darin, daß kleine, aber bedeutsame Änderungen in der Aufwickelgeschwindigkeit und/oder in der Extrusionsgeschwindigkeit sich auf das Aufwickeln und auf die Bildung eines fortlaufenden Fadens nicht nachteilig auswirken.

Obgleich bisher Rinnen und ähnliches verwendet wurden, um verschiedene Materialien aufzufangen, iet es bisher nicht gelungen, extrudierte Fäden mit zerbrechlichen oberen Abschnitten in einem Zug aufzuwickeln. Die Anmelderin hat jedoch in der Kenntnis, daß frühere Versuche zum Aufwickeln derartiger Fäden aufgrund des Spannungsbruches in den oberen Abschnitten fehlgeschlagen sind, nicht nur die erforderliche Aufwickelspannung vom oberen Abschnitt isoliert, sondern auch noch eine Vorrichtung und ein Verfahren zum selbstregelnden Aufwickeln geschaffen» die unabhängig von Veränderungen in der Extrusions- und Aufwickelgeschwindigkeit des Fadens sind.'

Aus den obigen Ausführungen geht hervor, daß die Erfindung das Anordnen von konkaven und/oder flachen Flächen enthält,

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um einen sich bewegenden Faden zu zwingen, sich gegen die Flächen zu bewegen. Die gesamte Länge der Fläche oder der Flächen ist ausreichend, um eine Reibwechselwirkung zwischen dem Faden und der Fläche oder den Flächen hervorzurufen, die eine Spannkraft im Faden erzeugen, deren Größe bis zu einem Grenzwert von PAv ansteigt. Andere wichtige Beiträge zur Erhöhung der Spannung im Faden bis auf den ge-

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wünschten Wert .von PAv sind der Luftwiderstand, die

Schwerkraft und das Fadengewicht. Bei einem Wert von j>k ν bildet der Faden eine freistehende Schleife. Da für das Aufwickeln eines Fadens ein Wert von etwas mehr als

y> A ν erforderlich ist, ist es notwendig, die Spannung im Faden weiter zu vergrößern. Dies kann auf verschiedenen Wegen erfolgen, deren Verwendung gewöhnlich von der Größe der erforderlichen Zunahme der Spannkraft abhängt. Sin Weg ist z.B. der, daß der Faden über eine konvexe Fläche geführt wird, die in einem vorherbestimmten Abstand über dem Punkt angeordnet ist, bei welchem sich eine freistehende Schleife bildet. Die Schwerkraft erhöht die Spannkraft auf einen Wert, welcher den Faden zwingt, sich gegen die konvexe Fläche zu bewegen. Die Reibwechselwirkung zwischen dem Faden und der konvexen Fläche erhöht die Spannkraft weiter.

Obgleich eine zweite Spanneinrichtung wie beispielsweise eine konvexe Fläche vor der Aufwickelvorrichtung vorzu-

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ziehen ist, kann unter gewissen Bedingungen die Aufwickeleinrichtung als eine zweite Spanneinrichtung verwendet werden, indem der Faden direkt nach dem Entstehen der freistehenden Schleife aufgewickelt wird, wobei nur die Wirkung der Schwerkraft ausgenutzt wird, um die Spannung auf einen

viert über jpA ν zu erhöhen. Es ist slebstverständlich, daß die Erfindung nicht nur für vertikal extrudierende Vorrichtungen, sondern auch für Vorrichtungen geeignet ist, die nicht in vertikaler -Richtung spinnen.

Die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung erreichen die oben beschriebenen Zeile und Vorteile. Nachdem die Erfindung anhand von einigen Ausführungsformen und Beispielen erläutert worden ist, wird es dem Fachmann nicht schwerfallen, anhand der obigen Erläuterungen weitere Abwandlungsformen und Änderungen zu finden. Dementsprechend decken die Ansprüche alle Abwandlungsformen und Änderungen, die in den allgemeinen Erfindungsgedanken fallen.

-Patentansprüche-

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Claims

Patentansprüche :

1. Vorrichtung zum Aufwickeln eines fortlaufenden, sich mit einer Geschwindigkeit ν "bewegenden Fadens, gekennzeichnet durch eine erste Spanneinrichtung mit mindestens einer Fläche zur Aufnahme des Fadens, um den Faden zu zwingen, sich längs der Fläche zu bewegen, bis im Faden eine Spannkraft von etwa y A ν herrscht, wobei P die Dichte und A die Querschnittsfläche des Fadens ist, wobei der Faden an dieser Stelle auf der Fläche eine freistehende Schleife bildet, eine zweite Spanneinrichtung zum Erhöhen der Spann—

2 kraft des Fadens auf einen Wert größer als γ A ν und eine Aufwickelvorrichtung, welche den Faden unter dieser Spannung aufwickelt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spanneinrichtung im wesentlichen eine konkave Fläche ist, welche den Faden in einem Winkel zwischen O⁰ und 90° auffängt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spanneinrichtung eine Vielzahl von im wesentlichen flachen oder im wesentlichen konkaven Flächen aufweist, die so angeordnet sind, daß ein sich bewegender Faden in eine 'Zentrifugalkräfte erzeugende Bahn gegen die Flächen gezwungen wird.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die konkaven Flächen so angeordnet sind, daß der untere Abschnitt einer jeden Fläche in der Nähe des oberen Abschnitts einer darunterliegenden konkaven Fläche angeordnet ist, so daß eine im wesentlichen nach unten gerichtete Bahn für den über die flächen laufenden Faden vorhanden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Spanneinrichtung ein gemeinsames Gestell mit einer unterschiedlich gekrümmten Oberfläche haben, die zum einen einen konkaven Bereich mit einem abfallenden, ersten Abschnitt zur" Aufnahme eines sich nach unten bewegenden, fortlaufenden Fadens an einen vorherbestimmten Punkt auf der Oberfläche und mit einem ansteigenden zweiten Abschnitt aufweist, wobei die Länge des konkaven Bereichs von dem vorherbestimmten Punkt, der Reibungskoeffizient zwischen der Fläche und einem sich über die Fläche bewegenden Faden und der Höhenunterschied zwischen den abfallenden und ansteigenden Abschnitten ausreichend sind, um den Faden zu veranlassen, eine freistehende Schleife zu bilden, und die zum anderen einen konvexen Bereich besitzt, der sich an den ansteigenden zweiten Abschnitt zum Anlegen einer durch Reibung hervorgerufenen Spannkraft an einen über den konvexen Bereich laufenden Faden anschließt.

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6. Verfahren zum Aufwickeln eines extrudierten, fortlaufenden Fadens mit einer geringen Zugfestigkeit im oberen Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß der Faden gezwungen wird, sich in einer gekrümmten Bahn mit mindestens einem Flächenteil zu bewegen, um eine Spannkraft hervorzurufen, die ausreicht, den Faden zu veranlassen, eine freistehende Schleife zu bilden und daß der Faden auf eine Aufwiekeleinrichtung mit einem Drehelement aufgewickelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die freistehende Schleife zusätzlich über eine konvexe Fläche geführt wird, die über dem Punkt angeordnet ist, an welchem die freistehende Schleife entsteht.

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