DE2402512A1 - Verfahren zur herstellung von kontinuierlichen faeden - Google Patents

Description

DIPL.-ING. KLAUS RUPPRBCHT

PATENTANWALT

KDB/BST

D-6 FRANKFURT (MAIN) 1,

TTLMENSTRASSE 37 McCANN HAUS

TELEFON

1. November 1973

BATTELLE DEVELOPMENT CORPORATION COLUMBUS/OHIO (V.St.A.)

Verfahren zur Herstellung von kontinuierlichen Fäden

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Technik der Verfestigung eines schmelzflüssigeh Materials an einem bewegten, wärmeableitenden Bauteil, um einen langgestreckten Festkörper auf einem solchen Bauteil auszubilden.

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Nach der DT-OS 2 225 684 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von Fäden direkt aus schmelzflüssigem Material bekannt. Nach dieser Veröffentlichung werden keine äußeren Kräfte an den Faden angelegt, wenn er das rotierende, wärmeableitende Bauteil verläßt, und als Folge davon variiert der Ablösungspunkt des Fadens während des Verfahrens ein wenig. Gleichermaßen wird in der US-Patentschrift 2 895 108 ein Verfahren zur Herstellung von Fäden durch Auftreffenlassen eines Strahles aus schmelzflüssigem Material auf ein schnell bewegtes, wärmeableitendes Bauteil offenbart. Nach beiden Verfahren der Fadenherstellung machen die Änderungen der Adhäsion an dem rotierenden, wärmeableitenden Bauteil den Ablösungspunkt instabil, weshalb beide Verfahren Unzulänglichkeiten aufweisen, die die vorliegende Erfindung beseitigt.

Überraschenderweise hat sich nämlich herausgestellt, daß dann, wenn eine Zugspannung an den Faden angelegt und der Faden aufgelegt oder abgestützt wird, die von Natur aus vorhandene, variable Adhäsionskraft überwunden und der Ablösungspunkt stabilisi'ert wird, ohne daß Bruchstellen in dem Faden aufgrund von Schwankungen in der Zugkraft herbeigeführt werden.

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Außerdem führt die an den Faden angelegte Kraft zu keiner Unterbrechung der Fadenverfestigung auf dem rotierenden, wärmeableitenden Bauteil, selbst dann nicht, wenn die Zugspannung sehr nahe dem Ort der Fadenverfestigung angelegt wird. Dies ist besonders beeindruckend, wenn man sich vorstellt, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit hohen Rotationsgeschwindigkeiten arbeitet und zur Herstellung von dünnen fadenförmigen Materialien dient.

Nach einer Ausführungsart der Erfindung wird des weiteren Fadenbruch durch Steuerung der Abkühlungsgeschwindigkeit des Fadens im Anschluß an die Fadenbildung aus der Schmelze reduziert, wodurch die Versprödung des Fadens infolge von Umwandlungsvorgängen im festen Zustand in Abhängigkeit von der Abkühlungsgeschwindigkeit verringert wird.

Ein anderes Ziel der Erfindung liegt darin, den Ablösungspunkt des Fadens von dem rotierenden, wärmeableitenden Bauteil zu stabilisieren. In Erfüllung dieser Aufgabe mindert die Erfindung zahlreiche Unzulänglichkeiten der Verfahren nach den zuvor erwähnten Veröffentlichungen. Die Erfindung ist auf be-

kannte Verfahren zur Fadenbildung anwendbar, die auf der spontanen Ablösung von fadenförmigen Erzeugnissen von dem

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rotierenden, wärmeableitenden Bauteil basieren.

Wenn eine solche Ablösung erfolgt, wird sie durch die Geschwindigkeit des rotierenden Bauteils beeinflußt; die Bahnkurve des abgelösten Fadens ist eine Funktion dieser Geschwindigkeit. Hieraus ergibt sich, daß die Aufnahme oder Ansammlung des Fadens schwierig ist, weil die Sammel- oder Auffangeinrichtungen fähig sein müssen, sich den verschiedenen Bahnkurven anzupassen, die sich bei Änderung der Geschwindigkeit des rotierenden Bauteils ergeben. Die vorliegende Erfindung macht die Bahnkurve des Fadens unabhängig von der Rotationsgeschwindigkeit des wärmeableitenden Batteils und beseitigt daher einige Schwierigkeiten bei dem Auffangen bzw. Aufnehmen der Fäden.

Außerdem werden nach den beiden vorgenannten bekannten Verfahren im Querschnitt kleine Fäden mit hohen Geschwindigkeiten in eine gashaltige Atmosphäre eingeleitet. Dies führt zu der Erzeugung von aerodynamischen Kräften auf diese Fäden, die die Neigung haben, den Faden mitten in der Luft auszuknicken. Sollen nach einem solchen Verfahren kontinuierliche Fäden hergestellt werden, verhindert dieses Ausknicken und das darauf folgende Verheddern des Fadens die Aufnahme und Ansammlung von

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Fäden in einer brauchbaren Form, wodurch deren Verwendung beschränkt wird. Die Erfindung verringert die auf den Faden ausgeübten aerodynamischen Kräfte durch ein Gleitenlassen des Fadens auf einem Auflageteil, das zwischen dem Ablösungspunkt und den die Zugspannung auf den Faden ausübenden Einrichtungen angeordnet wird; daher kann der Faden in einer geordneten Weise aufgenommen werden, was mit den bisher bekannten Verfahren unmöglich war.

Der Gleitkontakt des Fadens bei der Berührung mit dem Auflageteil hat zusätzliche Vorteile. Zunächst wird der Zutritt von Umgebungsluft an die Oberfläche des Fadens beschränkt, was zur Verringerung der Oxydation des Fadens führt. Zum zweiten kann das Auflageteil selbst zur Beeinflussung und Steuerung der von dem Faden abgeleiteten Wärmemengen bzw. der Abkühlungsgeschwindigkeiten durch Einstellung der thermischen Kapazität des Auflageteils ausgenutzt werden. Auf diese Weise können Materialien, die zur Versprödung führenden Umwandlungen in Abhängigkeit von der Abkühlungsgeschwindigkeit unterliegen, auch in den Fällen aufgenommen werden, in denen dies bisher infolge des Versprodungsprozesses normalerweise praktisch unmöglich war.

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Die Erfindung verbessert nicht nur die Anwendung und Durchführung der bekannten Verfahren zur Herstellung kontinuierlicher Fäden, sondern sie macht außerdem solche Verfahren brauchbar für das Aufnehmen von kontinuierlichen Längen aus Materialien, von denen man bisher annahm, daß sie wegen ihrer Sprödigkeit für eine direkte Herstellung aus dem schmelzflüssigen Material nicht verwendbar wären.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Stabilisierung des Ablösungspunktes bei Faden-Herstellungsverfahren, bei denen ein fadenförmiges Produkt auf der Oberfläche eines rotierenden, wärmeableitenden Bauteils unter spontaner Ablösung des Fadens von der Oberfläche des rotierenden Bauteils verfestigt wird. Durch Ausübung einer Zugkraft auf den Faden im Anschluß an dessen Ablösung von dem rotierenden Bauteil, wobei der Faden in einer Lage unterhalb der Bahnkurve, die sich bei freiem Flug des Fadens einstellen würde, abgestützt wird, wird die Arbeitsweise des Herstellungsverfahrens verbessert; Schwierigkeiten, die mit dem Aufnehmen bzw. Auffangen oder Aufwickeln des Erzeugnisses und dessen Handhabung verbunden sind, werden verringert. Die zur Auflage oder Abstützung des Fadens verwendeten Einrichtungen können außerdem zur

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Beeinflussung der Abkühlungsgeschwindigkeit des Fadens im Anschluß an dessen Ablösung von dem rotierenden Bauteil eingesetzt werden, und zwar durch Änderung der thermischen Kapazität des Auflageteils.

Die Erfindung umfaßt die Anwendung einer Zugkraft auf einen Faden nach dessen Ablösung von einem rotierenden, wärmeableitenden Bauteil und das Auflegen bzw. Abstützen eines solchen Fadens auf ein Auflagefca.1, das unterhalb der freien Flugbahn des Fadens angeordnet ist, der ohne angelegte Zugspannung den Rotationskörper verläßt. Die Größe der Spannung ist geringer als die anderen Kräfte, die das Ablösen des Fadens von dem Rotationskörper herbeiführen, und diese Kraft ist lediglich ausreichend, um die Änderungen in der Adhäsionskraft des Fadens an dem Rotationskörper bei der spontanen Ablösung des Fadens von diesem Körper mit oder ohne Ausübung der Zugspannung zu überwinden.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Darstellung sowie aus den bdgefügten Abbildungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung hervor.

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Es zeigt

Figur 1 teilweise im Querschnitt eine Ausführungsart der
Erfindung bei der Verwendung in Verbindung mit
einem besonderen Fadenbildungsverfahren, wobei der
Zusammenhang zwischen dem Verfahren der Fadenbildung und der Ausübung einer gerichteten Kraft durch
den Faden hindurch gezeigt ist,

Figur 2 einen Querschnitt der peripheren Kante des rotierenden Bauteils nach Figur 1,

Figur 3 teilweise im Querschnitt eine Ausführungsart der Erfindung bei der Verwendung mit einem zweiten Fadenbildungsverfahren, wobei die Beziehung der Freiflug-Bahnkurve zu dem Weg des Fadens bei Anwendung der Erfindung gezeigt ist, und

Figur 4 eine Ausführungsart der zur Erzeugung der Zugspannung auf den Faden verwendeten Einrichtung.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet ein verbessertes Verfahren zur Ausbildung eines kontinuierlichen, festen Fadens durch
zumindest teilweises Verfestigen von schmelzflüssigem Material in Form eines Fadens auf einem rotierenden, wärmeableitenden Bauteil, wobei der Faden von diesem Bauteil spontan abgelöst wird. Die geringen Zug- und Biegekräfte, die sogar auf Materialien

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ausgeübt werden, die eine kleine meßbare Dvktilität zeigen, fördern keineswegs das Bruchverhalten; außerdem ist eine Kontinuität der Erzeugnisse bedeutend leichter mit dem erfiLndungsgemäßen Verfahren als mit den bekannten Techniken, einschließlich den bekannten Verfahren mit spontaner Fadenablösung, einzuhalten. Die Ausübung einer gerichteten Zugkraft stabilisiert das Fadenbildungsverfahren, indem ein gleichbleibender Ablösungspunkt des Fadens von dem wärmeablextenden Bauteil herbeigeführt wird. Das vorliegende Verfahren ist in einigen Ausführungsarten mit extrem spröden Materialien durchführbar und ermöglicht einen feststehenden Ablösungspunkt, ohne daß ein Brechen des Fadens eintritt.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsart der Erfindung. Das rotierende, scheibenähnliche Bauteil 30 steht mit seiner peripheren Kante 32 in Berührung mit der Oberfläche 15 eines Bades aus schmelzflüssigem Material 10. Der fertige Faden 20 ist an der peripheren Kante 32 verfestigt (20') dargestellt; dann gibt er die Berührung mit der Kante 32 an dem Ablösungspunkt oder der Ablösungsstelle 21 auf. Der Ablösungspunkt 21 wird zum Teil durch

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die Ausbildung des Fiihrungsteiles bzw. Auflageteiles 50 und die Kraft F bestimmt, die durch den Faden 20 hindurch auferlegt wird. Diese Kraft F besitzt zwei wirksame Komponenten, von denen F,« die Zugkomponente der Kraft F an der Stelle 51 bedeutet, an der der Faden 20 mit dem Führungsteil 50 in Berührung kommt, und von denen F die Normalkomponente zu F_r„ an der Stelle 51 bedeutet, die den Faden mit dsm Teil 50 in Berührung hält.

Obwohl die Ausübung einer Zugkraft F sowohl F^₁ als auch F hervorruft, besitzen diese beiden Kräfte zwei getrennte Funktionen. Fm wird durch den Faden hindurch ausgeübt und bestimmt den Ort des Ablosungspunktes 21; und gerade die Stabilisierung dieses Ablosungspunktes ergibt eine Verbesserung in der Wirkungsweise gegenüber den bekannten Verfahren. Die Normalkraft F , wie sie durch den Faden 20 auf das Teil 50 ausgeübt wird, hält den Faden 20 in Berührung mit dem Auflageteil 50. Diese Berührung hält das geometrische Verhältnis der Zugspannung Fm aufrecht, die für die Stabilität des Ablosungspunktes 21 sorgt.

Die Berührung des Fadens 20 mit einem Auflageteil 50 zwischen der Ablösung des Fadens und den Einrichtungen zur Ausübung der Kraft F sind notwendige Bestandteile der vorliegenden Erfindung.

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Die Ausübung einer Zugkraft in dem Faden in Verbindung mit dem Auflager führt zu einer Besserung der Fadenkontinuität.

Außer zu der Erhöhung der Fadenkontinuität, die durch die vorliegende Erfindung herbeigeführt wird, kann das Auflageteil 50 auch zur Erreichung anderer Verbesserungen des Verfahrens verwendet werden.

Neigt der Faden nach seiner Bildung zur Oxydation, wird durch die Berührung mit dem Auflageteil 50 eine Seite des Fadens von der gashaltigen Umgebung geschützt, \rährend der Zutritt von Gas zu der anderen Seite durch Verhinderung eines ungestörten Gasflußes über den Faden reduziert werden kann.

Das Auflageteil 50 kann außerdem als eine Einrichtung zur Beeinflussung der Abkühlungsgeschwindigkeit des Fadens nach dessen Ausbildung Verwendung finden. Unterliegt das Fadenmaterial einer von der Abkuhlungsgeschwindigkeit abhängigen Umwandlung in festem Zustand (z.B. die martensitische Reaktion von Kohlenstoffstahl), kann das Auflageteil 50 erhitzt werden, um die Abkühlungsgeschwindigkeit des Fadens zu verringern und dadurch den Abschreckeffekt der den Faden umgebenden Atmosphäre im Anschluß an dessen Bildung aus der Schmelze zu reduzieren. Ferner kann die thermische Kapazität des Führungs- oder Auflageteiles 50 zur Steuerung der Abkühlungsgeschwindigkeit des Fadens dienen. Ist eine Beschleunigung der

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Abkühlung bzw. Wärmeableitung vom Faden erwünscht, kann das Teil 50 eine hohe thermische Kapazität besitzen. Ein solches Teil könnte aus einem massiven Block aus Material mit einer hohen ^HHBHH^ Wärmekapazität bestehen oder in Form von festem Material mit künstlicher Kühlung ausgebildet sein. Ist eine Verzögerung der Abkühlung gefordert, könnte das Auflageteil erhitzt werden, wodurch dessen Eigenschaft der Wärmeableitung von dem Faden, der mit dem Teil in Berührung steht, verringert wird. Der Ausdruck "thermische Kapazität" bedeutet hier keine spezifische Materialeigenschaft, wie die Wärmekapazität oder die thermische Leitfähigkeit, sondern dient einfach zur Beschreibung der Eigenschaft bzw. des Einflußes des Auflageteils auf die Temperaturänderung des mit ihm in Berührung stehenden Fadens infolge von Wärmetransport.

Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht der peripheren Kante des rotierenden Bauteils 30, das zur Herstellung eines fadenförmigen Produktes gemäß vorliegender lirfindung vorgesehen ist. Die Ausführungsart nach Figur 2 entspricht der Figur 4 in der DT-OS 2 225 684 und besteht aus einem scheibenförmigen Teil 30 mit einer V-förmigen Kante an der Peripherie. Die Schenkel 31

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des Vs sind winkelförmig in einem Winkel θ angeordnet, wobei die Spitze 32 des Vs (siehe Figur l) einen Krümmungsradius r in der Zeichnungsebene der Figur 2 besitzt. Die V-förmige, periphere Kante 32 befindet sich in einem Abstand jR von der Drehachse des Bauteiles 30 und reicht bis unterhalb der Oberfläche 15 der Schmelze 10.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 und dient zur Herstellung von kontinuierlichem, fadenförmigem Material, wobei das Bauteil 30 in seinen Abmessungen in den folgenden Bereichen liegt:

Radius (R) zwischen 5 und 25,4 cm (2 bis 10 Zoll), Dicke (T) zwischen 0,125 und 5,1 cm (0,05 und 2 Zoll), θ zwischen 60 ° und 120 °,
r zwischen 0,125 und 2,54 mm (0,005 Zoll und 0,1 Zoll).

Ein solches Teil wurde mit einer Geschwindigkeit über 0,9 m/sec (3 Fuß/sec) und vorzugsweise weniger als 15 m/sec (50 Fuß/sec), gemessen an der peripheren Kante,in Drehung versetzt und besaß

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eine Eintauchtiefe (d) in die Schmelze 10 von weniger als 1,5 mm (60 mils) unter die Oberfläche 15. Die obere Grenze der bevorzugten Rotationsgeschwindigkeit scheint eine Folge von vorrichtungsbedingten Einschränkungen zu sein und auf die hohen Rotationsgeschwindigkeiten zurückzugehen; es handelt sich dagegen nicht um eine grundsätzliche Einschränkung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es liegt im Bereich des fachmännischen Könnens, Vorrichtungen mit rotierenden Körpern zu entwickeln, die zu größeren Umfangsgeschwindigkeiten im Vergleich zu der oberen Grenzgeschwindigkeit der bevorzugten Ausführungsart der Erfindung fähig sind.

Die Erfindung ist außerdem in Verbindung mit anderen Einrichtungen zur Erzeugung von fadenförmigem Material durch Verfestigung von schmelzflüssigem Material in Form eines Fadens an einem rotierenden, wärmeableitenden Bauteil ausführbar. Figur 3 beschreibt die vorliegende Erfindung bei Verwendung mit einer Variante der Lehre nach der US-Patentschrift 2 825 108 (Pond). Das rotierende, wärmeableitende Bauteil 30 * ist in diesem Fall ein zylinderförmiges, scheibenähnliches Gebilde mit einer glatten radialen Außenfläche

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Ein geschlossener Behälter 40 mit einer Gasdruck-Quelle 43 wird zur Erhitzung eines Volumens von schmelzflüssigem Material 10 mit Hilfe des in der Behälterwandung angeordneten Heizelementes 42 verwendet. Eine Öffnung 41 in dem Behälter 40 bringt das schmelzflüssige Material 10 unter der Auswirkung des Gasdruckes in eine kontinuierliche, fadenähnliche Form 22. Liegt die Ausströmungsgeschwindigkeit des schmelzflüssigen Materials aus der Öffnung im wesentlichen in der Nähe der Lineargeschwindigkeit der radialen Außenfläche 33 des rotierenden Bauteils 30', dann wird ein kontinuierliches Erzeugnis 20 ausgebildet. Ähnlich wie bei der Ausführungsart nach Figur 1 ist die Adhäsion des Fadens 20 an der Oberfläche 33 variabel, und als Ergebnis daraus folgt, daß der Ablösungspunkt 21* ebenfalls variabel ist. Nach Figur 3 ist die Bahnkurve des Fadens 20 ohne Anwendung einer Kraft F als Weg 70 dargestellt. Der Einfluß der Kraft F senkt den Weg des Fadens 20 unter die Bahnkurve 70, die im freien Flug unter Gleichgewichtsbedingungen entstäien würde, und bringt den Faden in gleitenden Kontakt mit dem Auflageteil 50.

Die vorliegende Erfindung wurde für zwei Verfahren zur Her-

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Stellung von kontinuierlichem, fadenförmigem Material erläutert, jedoch ist sie nicht auf diese beiden Ausführungsarten beschränkt. Die Erfindung ist auf jede Methode zur Fadenerzeugung anwendbar, bei der ein kontinuierlicher fester Faden durch Verfestigung von schmelzflüssigem Material auf der Oberfläche eines sich bewegenden, wärmeableitenden Bauteils hergestellt wird und bei der ein solcher Faden spontan von der Oberfläche abgelöst wird, ohne daß externe Kräfte zur Überwindung der Adhäsionskraft zwischen dem Faden und der Oberfläche erforderlich sind.

Mit der Bezeichnung fadenförmiges Erzeugnis ist im vorliegenden Fall ein Produkt gemeint, daß einen effektiven Durchmesser unter etwa 1,5 mm (60 mils) haben sollte. Mit effektivem Durchmesser wird die Größe eines Fadens definiert,der einen nichtkreisförmigen Querschnitt haben kann. Ein Faden mit einem effektiven Durchmesser von 1,5 mm besitzt einen Querschnitt, der der Querschnittsfläche eines runden Fadens mit einem Radius von 1,5 mm entspricht. Die vorliegende Erfindung ist daher auf Fäden anwendbar, die ein großes Verhältnis ihrer Breite zu ihrer Dicke aufweisen und üblicherweise als bänderförmige Fäden (ribbon fiber) bezeichnet werden.

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Die Erfindung ist ihrem Wesen nach nicht auf die Geschwindigkeit beschränkt, mit der das Bauteil 30 rotiert (die Rotationsgeschwindigkeit bestimmt selbstverständlich die lineare Geschwindigkeit der Fadenerzeugung), so lange die zur Erzeugung der Zugspannung F verwendeten Einrichtungen ihre Aufgabe bei der Arbeitsgeschwindigkeit erfüllen können. Bei normalen Produktionsgeschwindigkeiten hat sich eine synchrone Karussellbzw. Kreistransport-Anordnung, wie sie in Figur 4 gezeigt ist, als eine brauchbare Ausführungsart erwiesen, die eine selbstregulierende Zugspannung der erforderlichen Größe erzeugt.

Das Bauteil 60 dreht sich in einer horizontalen Ebene, in der der Faden 20 naturgemäß das Auflageteil 50 verläßt. Das Bauteil 60 rotiert mit einer kontinuierlichen Geschwindigkeit und besitzt einen vertikalen Kand 61 an seinem Umfang. Die selbstregulierende Kraft wird dadurch erzeugt, daß dieser äußere Umfang mit einer linearen Geschwindigkeit bewegt wird, die über der Zuführgeschwindigkeit des Fadens 20 liegt. Der Unterschied in den Geschwindigkeiten hat sich als nicht kritisch erwiesen, doch hat sich diese Ausführungsart als betriebsfähig gezeigt, wenn die lineare Geschwindigkeit an

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dem vertikalen Rand 100% größer als die Eingangsgeschwindigkeit des Fadens war. Bei der Ingangsetzung des Verfahrens
wandert der Faden 20 auf seiner Freiflug-Bahnkurve und trifft auf die horizontale Fläche 65. Diese Fläche ist relativ eben, weshalb der Faden 20 seine Bewegung auf dieser Fläche 65 solange fortsetzt, bis er an der vertikalen Begrenzung 61 anschlägt. Die Drehbewegung des Bauteiles 60 führt den Faden über den
Kreisumfang und plaziert dabei einen Teil des Fadens 20 in
einem bestimmten Radius auf der Fläche 65, nämlich dort, wo die Lineargeschwindigkeit des Fadens der Lineargeschwindigkeit der Fläche 65 beim Auftreffen entspricht, so daß dort keine Relativbewegung zwischen dem Faden 20 und der Oberfläche 65 besteht. Dieser Radius wird als Gleichgewichts-Sammelradius auf der einem Drehtisch ähnlichen Fläche 65 bezeichnet. Auf diese Weise ist es dem Faden möglich, einen Radius auf der
Oberfläche 65 frei zu bestimmen, ohne daß die Notwendigkeit für genaues Anpassen der Geschwindigkeiten des Aufnahmetisches an die Geschwindigkeit der den Faden erzeugenden Einrichtung oder der mechanischen Führung des Fadens an den Gleichgewichts-Sammelradius 62 besteht. Wird der Faden 20 in einem solchen Radius aufgewickelt, wird eine Kraft auf den Faden 20 über-

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tragen, die den Faden in Berührung mit dem Auflageteil 50 zieht und den Ablösungspunkt des Fadens von dem rotierenden, wärmeableitenden Bauteil 30 stabilisiert.

Die einzige Anforderung an die die Spannung ausübende Einrichtung besteht darin, daß sie eine begrenzte und relativ konstante Zugkraft F einer besonderen Größe erzeugen muß. Die genaue Spannung, die zur Erreichung der erfindungsgemäßen Vorteile erforderlich ist, wird qualitativ von der verwendeten Anordnung des Bauteils 30, der Größe und der Zusammensetzung des Fadens und der Anordnung sowie der Form des Auflageteiles 50 bestimmt.

Quantitativ muß die Größe der an dem Ablösungspunkt ausgeübten Kraft (F_T) einigen Beziehungen entsprechen. Die den Faden an der Oberfläche des rotierenden Teiles haltende Kraft setzt sich zusammen aus einer Minimalkraft der Adhäsion

oberhalb F^ zuzüglich der Abweichung Λ der Adhäsionskraft von dem Wert von F.. Es ist die Auswirkung der Abweichung &- , die zu einer Variation des Ablosungspunktes relativ zu der Lage an dem rotierenden Bauteil führt. Wenn sich das System im

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Gleichgewicht befindet, sind drei Hauptkräfte vorhanden, die ein Abreißen der Adhäsion des Fadens an der formgebenden Fläche des rotierenden, wärmeableitenden Bauteils herbeizuführen suchen. Diese drei Hauptkräfte besitzen Komponenten, die eine Scherkraft parallel zu der formgebenden Fläche und eine Normalkomponente zu dieser Fläche erzeugen. Sowohl die Scher- als auch die Normalkräfte bewirken ein Ablösen des Fadens von der formgebenden Fläche, jedoch führen die Normalkräfte außerdem zu einer Entfernung des Fadens von der formenden Fläche. Die erste Hauptkraft ist die Zentrifugalkraft (F ), die zu der formgebenden Fläche senkrecht steht. Die Größe von F hängt von der Masse des Fadens sowie von dem Durchmesser sowie der Geschwindigkeit des rotierenden Bauteiles ab. Die zweite Kraft ist danach vorwiegend eine Scherkraft, die durch die differentielle thermische Kontraktion (F,) zwischen dem Faden und der formgebenden Fläche beim Abkühlvorgang entsteht. Diese Kraft verläuft parallel zu der formenden Oberfläche und wird durch die Differenz zwischen der thermischen Kontraktion der^ Fadenmaterialien und dem Material der formgebenden Fläche bei deren jeweiligen Arbeitstemperaturen bestimmt. Die dritte Hauptkraft ist die auf den Faden ausgeübte Zugspannung (F„). Eine solche Kraft besitzt wegen der geometrischen Beziehung der Zugspannung zu dem Ablösungspunkt, sowohl

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eine Normalkomponente (Fnv,) als auch eine Scherkomponente (^ργ~)· Des weiteren erzeugt der kontinuierliche Faden naturgemäß eine geringe Kraft (F ), wie durch die Tatsache augenscheinlich wird, daß die Freiflug-Bahnkurve des diskontinuierlichen Fadens etwas anders als die Bahnkurve eines kontinuierlichen Fadens verläuft. Von dieser Kraft wird angenommen, daß sie eine vernachlässigbare Scherkomponente besitzt; und sie umfaßt hauptsächlich
eine senkrecht zu der formgebenden Fläche wirkende Kraft. Diese Kraft wird durch das Gewicht des kontinuierlichen, weder an der formgebenden Fläche anhaftenden noch von dem Auflageteil 50 abgestützten Fadens hervorgerufen.

Zusammengefaßt handelt es sich bei den den Ablösungspunkt bestimmenden Kräften um folgende:

F. = Minimalkraft der Adhäsion des Fadens an der

formgebenden Fläche des rotierenden Bauteils, ,*

= Äbweichung der Adhäsionskraft von dem Wert F. nach oben, = senkrecht zu der gestaltenden Fläche wirkende,
durch die Zentrifugalkraft auf den Faden erzeugte Kraftkomponente

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F^ = parallel zu der formgebenden Fläche verlaufende, durch die differentielle thermische Kontraktion hervorgerufene Kraft, also eine Scherkraft,

F_ = in dem Faden hervorgerufene Kraft bzw. Spannung,

bestehend sowohl aus Normal- und Scherkomponenten, F__n = die senkrecht zu der formgebenden Fläche wirkende Komponente der Zugspannung F_T, F_ = die parallel zu der formgebenden Fläche wirkende Komponente der Zugkraft F„,

F = die Kraft, die erzeugt wird, wenn ein kontinuierliches Produkt gefertigt wird und die senkrecht zu der formgebenden Oberfläche wirkt.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die Kraftkomponente F„ zur Überwindung der Auswirkung der Kraftkomponente <£± einzusetzen, um dadurch den Ablösungspunkt des Fadens von der formenden Oberfläche zu stabilisieren. Die Ablösung des Fadens von dieser Oberfläche erfolgt spontan mit oder ohne Ausübung der Kraft F™ und daher nach der Gleichung

^FA ^{+ Δ < F}C ^{+ F}d ⁺ V

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Dies bedeutet lediglich, daß, wenn keine äußere Kraft F_m angelegt wird, die Zentrifugalkraft, die differentielle thermische Kontraktion und die kleine inhärente Zugkraft ausreüien, um ein Ablösen des Fadens herbeizuführen. Die Schwierigkeit liegt darin, daß die variierende Adhäsionskraft F + Ζλ.

el

zu einer Variation des Ablösungspunktes führt, was sowohl bei der Fadenherstellung als auch bei der Fadenaufnahrae oder -Sammlung Instabilitäten zur Folge hat.

Wenn die äußere Zugspannung Fm angelegt wird, wirkt die Scherkomponente F_m in Verbindung mit der anderen Scherkraft F, an der formgebenden Fläche. Wird die Zugspannung Fm vergrößert, bewegt sich der Ablösungspunkt in Richtung auf eine solche Lage an der formgebenden Fläche, die die Normalkomponente F™ auf ein Minimum reduziert, und, außer bei richtiger Geometrie, kann sich die Gleichgewichtslage an einer Stelle vor der Fadenbildung oder an einer Stelle, an der der Faden eine ungenügende Festigkeit gegenüber der Zugspannung aufweist, einstellen. Bei einer geometrischen Konfiguration, bei der F_m durch den Faden hindurch ausgeübt wird, so daß F_m tangential zu der formgebenden Fläche an dem Ablösungspunkt verläuft, kann eine

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beträchtliche Zugspannung ausgeübt werden, ohne daß sich der Ablösungspunkt bewegt, weil keine Normalkraft (F™ ) vorhanden ist, die eine Bewegung des Ablösungspunktes herbeiführen könnte; die Scherkraft (F_fp ) führt nicht zur Einleitung der Trennung des Fadens von der formgebenden Fläche. Wenn im Gegensatz dazu die Normalkomponente F₁J. bedeutend ist, wird die Auswirkung von /\ minimal und der Ablösungspunkt wird stabilisiert, ohne daß die Notwendigkeit der Ausübung einer großen Zugspannung F™ durch den Faden hindurch besteht.

Die Anwendung der normalen Spannungskomponente F_T ist nicht erforderlich, um den Faden von der formgebenden Fläche wegzubewegen; ein solches Ablösen erfolgt spontan mit oder ohne Anlegung einer normalen Zugkraft. F™ verringert die Auswirkung von /\ auf ein Minimum und fördert die Stabilität des Ablösungspunktes. Daraus folgt:

Während die absoluten Größen der Kräfte nicht bekannt sind, genügen die relativen Werte zur Darstellung der Erfindung. Der Fachmann kann unter Verwendung der Lehre nach dieser

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Offenbarung eine betriebsfähige Ausführungsart der Erfindung ohne zumutbare Experimente entwickeln.

Es ist verständlich, daß F und Δ in ihre Normal- und Scherkomponenten zerlegt werden können, doch genügt es, diese Kräfte ganz allgemein zu beschreiben, weil die Scherkomponenten den Faden-Ablösungspunkt nicht verändern, sondern lediglich die Adhäsxonsbindung verringern, so daß die Normalkräfte leichter die Trennung des Fadens von der formgebenden Fläche beeinflussen können.

Das Bauteil 50 bestimmt den Weg des Fadens 20 und daher die Richtung der Zugspannung F_T. Das Vorhandensein dieses Auflageteils 50 ist für die vorliegende Erfindung von Bedeutung; die Anlegung einer Zugspannung ohne ein Auflageteil führt nicht zu einer Stabilisierung des Faden-Ablösungspunktes. Obgleich es kein Anzeichen dafür gibt, daß die folgende Ausbildung die einzig betriebsfähige Ausführungsart der Erfindung darstellt, wurde doch ein besonderer Erfolg dann erreicht, wenn sich das Auflageteil unterhalb der Freiflug-Bahnkurve des abgelösten Fadens befand und wenn die Zugspannung derart ausgeübt wurde,

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daß sich eine Absenkung des Fadenweges auf das Auflageteil ergab. Es sollte außerdem möglich sein, den Faden oberhalb der Freiflug-Bahn abzustützen, jedoch muß dann dafür Sorge getragen werden, daß die Position des Auflageteils nicht zu einer großen Normalkraft an dem Ablösungspunkt führt, so daß der Ablösungspunkt zu weit gegen den Bereich der Fadenbildung bewegt wird.

Die in Figur 3 dargestellte Ausführungsart der Erfindung ist auf metallische Fäden beschränkt; die in den Figuren 1 und wiedergegebenen Ausführungsbeispiele gelten für Materialien mit den folgenden Eigenschaften bei einer Temperatur innerhalb einer Abweichung von 25% ihres in ⁰K gemessenen Schmelzpunktes: Ihre Viskosität muß im Bereich zwischen 10 ° und 1 Poise liegen, die Oberflächenspannung im Bereich zwischen 10 und 2000 dyn/cm, sie müssen einen angemessenen diskreten Schmelzpunkt besitzen und zumindest eine vorübergehende Kompatibilität mit einem festen Material aufweisen, das ausreichende Wärmekapazität besitzt, um die Verfestigung einzuleiten. Ein angemessener diskreter Schmelzpunkt ist definitionsgemäß im allgemeinen dann vorhanden, wenn ein Material eine diskontinuierliche Vergrößerung seiner Viskosität bei Abkühlung in dem schmelzflüssigen Zustand zeigt.

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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf spezielle Materialien beschränkt, die sich nach Ausführungsarten der Faden-Herstellungsmethoden als kritisch erwiesen haben. Die Erfindung ist anwendbar auf jedes fadenförmige Material, das sich durch Verfestigung an einem bewegten, wärmeableitenden Bauteil herstellen läßt.

Die Erfindung hat sich in folgenden Beispielen als durchführbar erwiesen:

Beispiel 1

Die Drehtisch-Anordnung nach Figur 4 wurde verwendet, um eine Zugspannung an einen kontinuierlichen Aluminiumfaden anzulegen, der durch Rotation eines aus Messing bestehenden, wärmeableitenden Bauteils hergestellt wurde, das den allgemeinen Aufbau der bekannten Ausführungsart nach Figur 2 besaß und in Berührung mit der Oberfläche von schmelzflüssigem Aluminium gebracht wurde. Als Aluminium wurde handelsübliches Reinaluminium (1100) bei einer Temperatur von etwa 760 ⁰C verwendet. Das rotierende Bauteil besaß einen V-förmigen peripheren Rand und einen Durchmesser von etwa 20,8 cm (8 Zoll). Der periphere Rand wurde mit der Oberfläche des

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schmelzflüssigen Aluminiums mit einer linearen Geschwindigkeit von etwa 4,5 m/sec (15 Fuß/sec) in Berührung gebracht. Nach Ablösung von dem rotierenden Bauteil wurde der Faden unter seiner Freiflug-Bahnkurve auf einem Auflageteil in Form eines Metallstreifens bzw. Bleches abgestützt. Der Faden wurde mit Hilfe des Auflageteils auf einen rotierenden Drehtisch gerichtet, so daß sich ein Radius mit einer sich der Geschwindigkeit des Fadens annähernden Geschwindigkeit ergab. Der Faden wurde auf dem Drehtisch im Bereich des Gleichgewichtsradius aufgenommen bzw. aufgewickelt, wobei der Faden auf das Auflageteil abgesenkt wurde, und es entstand ein kontinuierlicher Aluminiumfaden mit einem effektiven Durchmesser von 0,53 mm (21 mils) während einer Betriebsdauer von 30 Minuten.

Beispiel 2

Die gleiche Ausführungsart zur Ausübung einer Spannung wie im vorangegangenen Beispiel wurde verwendet, um einen kontinuierlichen austenitischen Manganstahlfaden (Hadfield) mit einer typischen Zusammensetzung von 11 bis 13% Mn, 1,0 bis 1,3% C, 0,7 bis 0,3% Si, Rest Fe herzustellen. Ein aus Nickel bestehendes rotierendes Bauteil mit der V-förmigen Kante am

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Umkreis gemäß Figur 2 wurde eingesetzt. Das Rad besaß einen Durchmesser von 20,8 cm (8 Zoll) und wurde durch Wasser mit einer Fließgeschwindigkeit von 300 l/h (80 gallons/h) gekühlt. Die formgebende Oberfläche besaß an der Peripherie eine Geschwindigkeit von 1,5 m/sec (5 Fuß/sec). Stahlfasern in Längen bis zu 270 m (900 Fuß) mit einem effektiven Durchmesser von etwa 0,46 mm (18 mils) wurden hergestellt. Die Schmelztemperatur während der Fadenbildung lag bei etwa 1540 C (2800 ⁰F).

Beispiel 3

Wiederum wurde die Ausführungsart mit horizontalem Drehtisch verwendet, um dem kontinuierlichen Faden eine Spannung zu verleihen. Der erzeugte Faden bestand aus Weißgußeisen mit einer Zusammensetzung von ungefähr 4,0% C, 0,8% Si, 0,7% Mn, Rest Fe, Der fertige Faden hatte eine geringe meßbare Duktilität und war äußerst spröde. Mit einem Kupferrad wurde der Faden hergestellt, indem dieses Rad mit seiner V-förmigen peripheren Kante mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 2,1 m/sec (7 Fuß/sec) die Oberfläche des schmelzflüssigen Eisens, dessen Temperatur bei 1466 ⁰C (2670 ⁰F) lag, berührte. Durch die an-

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gelegte Spannung wurde der Faden hinab aus seiner Freiflug-Bahnkurve in gleitende Berührung mit einem Auflageteil gezogen; auf dem die Zugspannung herbeiführenden Drehtisch wurden spröde Gußeisenfasern in Längen von 15 m (50 Fuß) abgelagert. Die Fäden hatten einen effektiven Durchmesser von 0,3 mm (12 mils).

Beispiel 4

Es wurde, wie in den vorangegangenen Beispielen, ein horizontaler Drehtisch verwendet, um die Spannung in den fadenförmigen Erzeugnissen hervorzurufen. Das fadenförmige Produkt bestand aus einem unlegierten Kohlenstoffwalzstahl (Typ 1005) mit ungefähr O,O5?6 C, 0,2% Mn, Rest im wesentlichen Eisen. Eine Aluminiumscheibe mit V-förmiger Kante an der Peripherie wurde zur Ausbildung des Fadens verwendet, indem der spitze Winkel der Kante mit der Oberfläche des schmelzflüssigen Stahls mit einer Geschwindigkeit von 2,1 m/sec (7 Fuß/sec) in Berührung gebracht wurde. Der Stahl besaß eine Temperatur

ο °
von etwa 1593 C (2900 F). Der Faden befand sich unter seiner Freiflug-Bahnkurve im gleitenden Kontakt mit einem Auflageteil. Ein kontinuierlicher Faden wurde von dem Drehtisch

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aufgenommen. Der Faden besaß einen effektiven Durchmesser von 0,63 mm (25 mils).

Obgleich die Erfindung anhand von speziellen Ausführungsarten und Beispielen offenbart wurde, ist der Umfang der Erfindung nicht hierauf beschränkt. Die Ausführbarkeit der Erfindung mit weiteren Metallegierungen außer denjenigen, die in den Beispielen genannt sind, ist bekannt, z.B. mit Legierungen von Kupfer, Zink, Zinn, Nickel und Kobalt. Die Erfindung wurde in zahlreichen Versuchen durchgeführt; und sie ist im Umfang der beigefügten Ansprüche durchführbar. Nicht erfolgreiche Versuche stellen nicht die Grenzen der Erfindung dar, sondern waren leicht aus der angewandten Technologie zu erklären.

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Claims (12)

1. Patentansprüche

   (λ.) Verfahren zur Herstellung von kontinuierlichem, fadenförmigen Material; bei dem dieses Material in Fadenform an einem rotierenden, wärmeableitenden Bauteil verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung des Ablösungspunktes (21,21') des Fadens (20) von dem rotierenden Bautäl (30,3O¹) auf diesen Faden (20) eine Zugspannung (F) ausgeübt und durch diese Kraft der Faden in gleitende Berührung mit einem Auflageteil (50) gebracht wird, das zwischen dem Ablösungspunkt (21,21*) und dem Ort der Zugspannungsausübung angeordnet ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablösungspunkt durch die am Faden im Bereich des Ablösungspunktes wirkenden Kräfte stabilisiert wird, die den folgenden Beziehungen genügen:

   ^FT - ^FTn ^{+ F}Ts

   ^FTn,

   wobei die einzelnen Größen (in Einheiten für die

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   Kräfte) folgende Bedeutung besitzen:

   F. = Minimum der Adhäsionskraft des Fadens an dem rotierenden Bauteil

   nach oben = Abweichung der Adhäsionskraft von dem Wert F/

   F = Zentrifugalkraft, die während des Anhaftens des Fadens an dem rotierenden Bauteil auf den Faden ausgeübt wird,

   F, = durch die differentielle thermische Kontraktion d

   an der Fläche zwischen Faden und rotierendem Bauteil an dem Ablösungspunkt ausgeübte Scherkraft ,

   F = die inhärente Normalkraft aufgrund des nicht w °

   abgestützten Gewichts des kontinuierlichen Fadens
   Fm = auf den Faden ausgeübte Zugkraft

   ^FTn ^{= zu der form}S^eDenden Fläche senkrechte Komponente

   der Zugkraft F_T
   F™ = zu der formgebenden Fläche parallele Komponente

   der Zugkraft F_T.

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3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auflageteil (50) unterhalb der Freiflug-Bahnkurve (70) des abgelösten Fadens (20) angeordnet wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Bildung des Fadens (20) zunächst schmelzflüssiges Material (10) durch eine Öffnung (41) hindurchdrückt und sodann in Form eines freien Strahls (22) aus schmelzflüssigem Material vor einer Umwandlung des Strahls durch Oberflächenspannung in ein nichtfadenförmiges Teil auf die polierte Mantelfläche eines zylinderförmigen, rotierenden, wärmeableitenden Bauteils (30') auftreffen läßt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Faden durch in Drehung Versetzen der V-förmigen Umfangsfläche (32) eines scheibenähnlichen, wärmeableitenden Bauteils (30,3O¹), die mit der Oberfläche (15) einer Schmelze (10) in Berührung steht, ausgebildet wird, wobei das Bauteil (30,3O¹) mit einer Geschwindigkeit rotiert, die einer linearen Geschwindigkeit an der Umfangsfläche (32) über 0,9 m/sec (3 Fuß/sec) entspricht.

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6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Wärmeableitung von dem Faden (20) nach seiner Ablösung von dem rotierenden Bauteil (3o, 30') durch die thermische Kapazität des Auflageteils (50) gesteuert wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verwendung eines Auflageteils (50) mit niedriger thermischer Kapazität die Abkühlungsgeschwindigkeit verringert wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verwendung eines Auflageteils (50) mit hoher thermischer Kapazität die Abkühlungsgeschwindigkeit erhöht wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Lenken des Fadens (20) mit Hilfe des Auflageteils (50) auf die Oberfläche eines sich drehenden, horizontalen Tisches (65) die Zugspannung auf den Faden (20) ausgeübt wird, und daß man den Faden frei laufen läßt, so daß sich ein Gleichgewichtssammelradius einstellt.

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10. 10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schmelze (10) ein Material verwendet wird, das bei einer Temperatur, die maximal um 25% von der in°K gemessenen Schmelztemperatur unter Gleichgewichtsbedingungen abweicht, eine Viskosität im Bereich von 10 bis 1 Poise, eine Oberflächenspannung im Bereich von 10 bis 2000 dyn/cm und einen angemessenen diskreten Schmelzpunkt besitzt.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schmelze (10) als Ausgangsmaterial ein Metall aus der Gruppe der Legierungen von Eisen, Aluminium, Kupfer, Zink, Zinn, Nickel und Kobalt verwendet wird.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schmelze (10) als Ausgangsmaterial eine Legierung aus der Gruppe 1100 Aluminium (Al 99,0 mindestens), Weißgußeisen, austenitischer Manganstahl, unlegierter, weicher Stahl, verwendet wird.

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