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Vorrichtung zum Verteilen von Metallfasern
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auf einer Fläche
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Verteilen kurzer, steifer, loser Metallfasern auf einer Fläche in Form einer
Faserlage oder -matte.
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Auf vielen industriellen Anwendungsgebieten, z.B. bei der Herstellung
von faserverstärkten Platten (sheets) und faserverstärkten Straßen- und Fahrbahnbelägen
sowie von Schttbetongebilden, wie Brücken, Tunnels und Gebäuden, werden Faserlagen
oder -matten aus kurzen, steifen Metallfasern, z.B. aus Stahl, Eisen, Aluminium,
Tantal oder Bronze, benötigt. Um die erforderlichen Kraftdehnungsgrenzen einzuhalten,
ist es in vielen Fällen wünschenswert, daß die Fasern mehr oder weniger in im wesentlichen
parallelen Ebenen orientiert und ggf. auch in Längsrichtung ausgerichtet sind. Im
Fall von kurzen und steifen Fasern ist jedoch eine solche Verteilung aus einer Masse,
in welcher die Fasern ungleichmäßig bzw. wahllos verteilt sind, nicht einfach zu
erreichen.
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Eine Möglichkeit zur Erzielung einer solchen Verteilung besteht darin,
die Fasern durch Rohre zu leiten, deren Durchmesser kleiner ist als die Faserlänge.
Dieses Vorgehen ist jedoch für die Herstellung breiter Matten nicht unbedingt zweckmäßig,
weil dann zahlreiche Rohre benötigt werden, die parallel zueinander angeordnet werden
müssen, während die Fasern in Längsausrichtung in die Rohre eingeführt werden.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Fasern auf einer Fläche
abzulagern und dann zu versuchen, die Fasern durch Rechen oder Streichen (Rakeln)
der Matte zu orientieren. Je länger die Fasern sind, um so schwieriger gestaltet
sich jedoch dieses Vorgehen und um so größer ist die Wahrscheinlichkeit für eine
Störung der Gleichförmigkeit der Faserver-
teilung auf der Mattenoberfläche.
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Gegenstand der Erfindung ist eine relativ zu einer Unterlagefläche
bewegbare Vorrichtung zum Verteilen kurzer, steifer, loser Metallfasern in Form
einer Faserlage oder -matte auf dieser Fläche, die gekennzeichnet ist durch einen
Faser(vorrats)behälter mit einem bodenseitigen Auslaß, wobei der Faserbehälter eine
Masse kurzer, steifer, loser Metallfasern aufnimmt und die Fasern unter Schwerkrafteinfluß
über den Auslaß austrägt und wobei der Faserbehälter unter einem solchen Winkel
zur Waagerechten geneigt ist, daß sich die Fasern ungehindert und ohne Verdichtung
oder Zusammenballung im Auslaßbereich abwärts verlagern können, und durch eine im
unteren Endabschnitt des Faserbehälters angeordnete, schwingende Zufuhrwalze mit
einer Vielzahl von nach außen in Richtung auf die auslaßseitigen Wände abstehenden
Vorsprüngen (Stacheln), wobei die Zufuhrwalze den bodenseitigen Auslaß gegen einen
freien Durchtritt der losen Fasern verschließt und wobei die Vorsprünge in die im
Faserbehälter befindliche Fasermasse hineinreichen, so daß sie bei einer Schwingung
der Zufuhrwalze mit einer ggf. unsymmetrischen Geschwindigkeit Fasern aus der Fasermasse
herausziehen und die Fasern mit Zentrifugalbeschleunigung zur gegenüberliegenden
Wand schleudern, an welcher sich die Faserbündel auflösen und die Fasern zur Ablage
als Faserlage oder -matte längs einer schrägen Fläche herabrutschen.
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Zur Begünstigung der Längsorientierung der Fasern können diese durch
die Zufuhrwalze zu einer unter einem ausreichend großen Winkel zur Waagerechten
geneigten Rutsche gefördert werden, so daß sich die Fasern ungehindert auf der Rutschenfläche
abwärts zu bewegen vermögen, wobei diese Rutschenfläche mit
einer
Vielzahl von nach oben ragenden, im wesentlichen parallelen Längsrippen in gegenseitigen
Abständen, die kleiner sind als die Faserlänge, besetzt ist.
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Die durch die Zufuhrwalze bereits teilweise orientierten Fasern werden
somit bei ihrer Abwärtsbewegung längs der Rutsche durch die Rippen mehr oder weniger
vollständig in Längsrichtung und in derselben Ebene orientiert. Zur Verhinderung
eines Hängenbleibens von Fasern an den Rippenflächen muß der Abstand zwischen den
Rippen kleiner sein als die Faserlänge.
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Zur Begünstigung der Abwärtsverlagerung der Fasern längs der Rutsche
kann diese, ebenso wie der Faser(vorrats)behälter in Schwingung versetzt werden,
so daß der Neigungswinkel der Rutsche mehr an die Waagerechte angenähert werden
kann. Die Schwingung trägt auch dazu bei, die Fasern in Längsausrichtung zu bringen.
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Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung
gemäß der Erfindung mit einem Faser(vorrats)behälter (lotrechten Fülltrichter) vor-
und nachgeschalteten Rüttelrutschen, Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der
Zufuhrwalze, von der Oberseite des Austragendes es Faser(vorrats)behälters her gesehen,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Einbringen
einer
Faserlage oder -matte zwischen übereinander gelegte Lagen eines plastischen Matrixmaterials
bei der Herstellung einer faserverstärkten Kunststofflage oder -platte und Fig.
4 eine schematische Darstellung einer Anordnung, bei welcher die erfindungsgemäße
Vorrichtung zum Ablegen einer Faserlage oder -matte zwischen plastischen Schichten
flüssigen Betons für die Herstellung eines faserverstärkten Beton-Fahrbahnbelags
o.dgl. angeordnet ist.
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Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 weist einen lotrechten Fülltrichter 1
mit abwärts nach innen geneigten Wänden und einem Auslaß 8 am unteren Ende auf.
Eine Zufuhr-Rutsche 2 dient zur Förderung einer Masse loser, kurzer, steifer Metallfasern,
wie Stahlfasern, in den Fülltrichter 1. Die Rutsche 2 kann durch einen an sich bekannten,
keinen Teil der Erfindung bildenden Rüttler 17 in Schwingung bzw. Rüttelbewegung
versetzt werden.
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Innerhalb des Fülltrichters 1 erstreckt sich über dessen Auslaß eine
drehbare Speise- oder Zufuhrwalze 3, die mit einer Vielzahl von nach außen abstehenden
Stacheln 4 besetzt ist.
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Uber der Oberseite des Fülltrichters 1 befindet sich ein bei der dargestellten
Ausführungsform vier Krallenreihen aufweisendes Krallenrad 30, das die Zufuhr von
Fasern 4 von der Rutsche 2 in den Fülltrichter 1 steuert.
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Unter dem Auslaß 6 des Fülltrichters 1 ist eine schräggestellte Rutsche
6 angeordnet, deren Oberfläche mit einer Vielzahl von längsverlaufenden, parallelen
Rippen
7 in einem Abstand, der kleiner ist als die Länge der Fasern 5, aber größer als
die halbe Faserlänge, versehen ist. Diese Rippen 7 erstrecken sich in Längsrichtung
bis zum unteren Ende der Rutsche 6 und bewirken eine Längsorientierung der Fasern
bei ihrer Bewegung längs der Rutsche. Die Rutsche 6 ist auf Tragstangen 11 unter
einem solchen Winkel aufgehängt, daß sich die durch die Zufuhrwalze 3 zugeführten
Fasern frei bzw. ungehindert auf der Rutsche 6 abwärts verlagern können und letztere
somit eine gleichmäßige Masse längs ausgerichteter Fasern als Fasermatte 20 auf
ein Förderband 9 abwirft.
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Das Krallenrad 30 wird durch einen Elektromotor angetrieben, während
die mit Stacheln besetzte Zufuhrwalze 3 durch einen Druckluftzylinder und eine Kurbel
in Drehung versetzbar ist. Die Arbeitsgeschwindigkeit des Zylinders wird durch ein
Ventil mit verstellbaren Drosselauslässen geregelt. Die Fasern werden als wahllos
verteilte (heterogeneous) Masse, d.h. ohne bestimmte Faserorientierung, auf die
Rutsche 2 aufgegeben. Die Zufuhrwalze 3 reicht mit den Stacheln in die Fasermasse
im Fülltrichter 1 hinein, zieht die Fasern aus der Masse ab und liefert die Fasern,
bereits mit einer gewissen Längs orientierung infolge dieser Abziehförderung, auf
die schräggestellte Rutsche 6, auf welcher die Fasern durch die Rippen 7 endgültig
längs orientiert werden. Sodann gelangen die Fasern in vergleichsweise gleichmäßiger
Verteilung auf die Oberfläche des Förderbands 9, so daß auf diesem eine Fasermatte
10 mit in Längsrichtung ausgerichteten oder orientierten Fasern, deren Breite durch
die Breite der Rutsche 6 bestimmt wird, geformt wird.
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Fig. 3 veranschaulicht eine Anordnung zur Herstellung eines faserverstärkten
Lagen- oder Plattenmaterials.
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Dabei wird eine durch die erfindungsgemäße Vorrichtung geformte und
zugeführte Fasermatte zwischen zwei getrennten Matrixlagen eines durch zwei Auftragvorrichtungen
17a, 17b in halbfester Form abgelegten Materials eingeschlossen. Bei der Verbindung
dieser Lage mit der Fasermatte entsteht auf der Oberfläche eines umlaufenden Förderbands
18 eine faserverstärkte Lage oder Platte 28.
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Die Matrix-Auftragvorrichtung 17a liefert eine Schicht 25 eines halbfesten,
fließfähigen Matrixmaterials auf die Oberfläche des Förderbands 18. Diese Schicht
läuft sodann unter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 21 hindurch, welche den in
den Fig. 1 und 2 dargestellten Aufbau besitzt und eine Matte 23 aus in Längsrichtung
orientierten Fasern auf der Matrix-Schicht 25 ablegt.
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Eine zweite halbfeste, fließfähige Matrix-Schicht 26 wird sodann durch
die Auftragvorrichtung 1 7b auf die Oberseite der Matte 23 aufgebracht und durch
Rollen oder Walzen 22 gleichmäßig über die Fasermatte hinweg verteilt. Die beiden
Schichten 25, 26 fließen um die und durch die Matte 23 hindurch zusammen und bilden
dabei eine faserverstärkte Lage oder Platte 28.
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Das keinen Teil der Erfindung bildende Material der Matrix kann ein
thermoplastischer Kunststoff sein; in diesem Fall wird die faserverstärkte Lage
oder Platte nach ihrer Herstellung einfach ausgehärtet oder zum Erhärten abkühlen
gelassen. Wahlweise kann die Matrix aus einem teilweise polymerisierten, wärmehärtenden
Material, das hinter der Rolle oder Walze 22 durch Wärmeeinwirkung ausgehärtet wird,
oder aus einem zementartigen Material bestehen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist dabei einen Tisch 20 auf, auf
dem die losen Fasern zur Rutsche 2
überführt werden.
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Die Straßenbelag-Herstellungsanordnung nach Fig. 4 ist an einem oder
mehreren Fahrzeugen angebracht, die sich längs der Straßenbaustelle bewegen, und
umfaßt zwei Beton-Fülltrichter 35, 36 mit einer dazwischen angeordneten Vorrichtung
30 gemäß der Erfindung,- die eine Matte 33 aus einem Fasermaterial zwischen getrennt
aufgetragene Schichten 31, 32'aus halbfestem, fließfähigem Beton einbringt. Wenn
sich die Betonschichten um die und durch die Matrix 33 herum zu einer einzigen Masse
vereinigen, wird die Matte 33 zur zentralen Versteifungs- oder Armierungsschicht
des fertigen Betonstraßenbelags.
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Der Betonstraßenbelag wird auf eine geeignete Unterlage 29 herkömmlicher
Art, wie Unterfüllmaterial, d.h.
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Sand oder Kies, aufgebracht. Bei seiner Bewegung über diese Unterlage
gemäß Fig. 4 nach rechts trägt der Beton-Fülltrichter 35 eine Schicht 31 halbfesten,
fließfähigen Betons auf. Die nachfolgende Vorrichtung gemäß Fig. 30 gemäß der Erfindung,
die z.B. derjenigen nach Fig. 1 entspricht, legt dann die Faser-Schicht oder -Matte
33 ab, die ihrerseits mit einer anderen, vom Fülltrichter 36 gelieferten Betonschicht
32 bedeckt wird. Ein Rüttler 38b verfestigt hierauf die miteinander vereinigten
Schichten zu einer Schicht 39 (oder mehreren Schichten), die man dann auf übliche
Weise aushärten bzw. abbinden läßt. Die fertige Betonschicht 39 kann, wie angedeutet,
einen Anteil an losen Fasern 40 enthalten, welche dem in den Fülltrichtern 35, 36
enthaltenen Beton zugesetzt werden, doch sind diese zusätzlichen Fasern nicht unbedingt
erforderlich und können daher auch weggelassen werden.
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Die Gesamtanordnung aus den beiden Beton-Fülltrichtern 35, 36 und
der erfindungsgemäßen Faserlagen-Auftragvorrichtung 30 wird zweckmäßig als Ganzes
auf einer einzigen Plattform oder einem einzigen Fahrzeug montiert und für das Auftragen
einer Betonschicht der gewünschten Breite auf das Unterlagenmaterial benutzt. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung 30 kann dabei so angeordnet sein, daß sie eine Faserlage
mit einer kleineren Breite als derjenigen der Betonschichten ablegt, und sie kann
bei der Vorwärtsbewegung der Beton-Fülltrichter zwischen den Begrenzungen der Betonschichten
hin- und herbewegt werden.
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Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verteilten Fasern sind so
kurz, daß sie nicht zusammenklumpen (nonballing); ihr Längenverhältnis (aspect ratio)
beträgt weniger als 100. Dieses Längenverhältnis läßt sich als das Verhältnis zwischen
Länge L und Durchmesser D (L/D) der Fasern definieren. Beispiele für verarbeitbare
Fasern sind solche aus Eisen, Stahl, Aluminium, Bronze, Messing, Tantal, Molybdän,
Titan und Nickel sowie aus Legierungen einzelner oder mehrerer der genannten Metalle
mit anderen Metallen und Kohlenstoff, wie Monel, rostfreiem Stahl und Hastalloy.