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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung
auf den Kern einer zum Kalandrieren geeigneten Walze sowie eine
Vorrichtung, die für
dieses Verfahren verwendet werden kann.
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Kalandrieren
ist der Vorgang des Pressens eines Materials, beispielsweise Tuch,
Gummi, Kunststoff oder Papier, zwischen Walzen oder Platten, um es
zu glätten
oder zu satinieren oder es zu dünnen Lagen
auszudünnen.
Die Walzen dieser Erfindung sind als Kalandrierwalzen, Weichquetschkalandrierwalzen
und Superkalandrierwalzen bekannt und werden in Papierfabriken verwendet.
In einer typischen Papierfabrik werden sehr viele Walzen verwendet, und
zwar nicht nur zum Transportieren der Bahn, die zu Papier verarbeitet
werden soll, sondern auch zum Kalandrieren oder Verarbeiten der
Bahn zu einer bestimmten Papiersorte.
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Bekannte
Kalandrierwalzen umfassen einen Metallzylinder mit einem baumwollgefüllten Überzug oder
einem Duroplastverbundschicht-Überzug. Baumwollfüllmaterial
ist nicht widerstandsfähig
genug, um den hohen mechanischen Zug- und Stoßbelastungen und den hohen
Temperaturen gewachsen zu sein, wie sie für die mit höchsten Anforderungen verbundenen
Prozesse beispielsweise in der modernen Papierherstellung typisch
sind. In den Papierfabriken müssen
die baumwollgefüllten
Walzenüberzüge häufig regeneriert
und ausgewechselt werden, selbst wenn sie noch zufriedenstellend
arbeiten. Das führt
zu häufigem
Produktionsstillstand und hohen Lagerhaltungskosten in Verbindung
mit den Ersatzwalzen.
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Synthetische
Verbund-Walzenüberzüge basieren
auf einem Duroplastharz wie beispielsweise Epoxid, Gummi oder Polyurethan
als Basismaterial, das als Verstärkungsmaterial
zur Verbesserung der Festigkeit dient.
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Ein
synthetischer Verbund-Walzenüberzug ist
eine einzelne Schicht einer Verstärkungsfasermatte mit einem
Duroplastepoxid, das anschließend
gehärtet
wird. Die Oberfläche
der gehärteten
Einzelschicht wird dann entsprechend den Kundenwünschen maschinell geglättet. Alternativ
kann auch eine zusätzliche
Schicht einer Verstärkungsfasermatte über die
gehärtete
Einzelschicht gelegt werden, wobei diese zusätzliche Schicht mit einem Epoxid
imprägniert
wird, das dann zu einer Deckschicht ausgehärtet wird. Die Oberfläche der
gehärteten
Deckschicht wird dann maschinell bearbeitet. In der Praxis wird
eine Schicht des synthetischen Verbundüberzuges auf den Walzenkern
aufgebracht, indem ein mehrere Zentimeter breiter Streifen einer
trockenen Verstärkungsfasermatte
von einer Spule abgewickelt wird und der abgewickelte Streifen durch
ein Epoxidbad geführt
wird. Der Walzenkern ist horizontal ausgerichtet und wird gedreht,
um den epoxidimprägnierten
Streifen schraubenförmig
im Rechts-Links-Schwenk über die
gesamte Walzenkernlänge
auf den Walzenkern aufzuwickeln, bis die gewünschte Dicke erreicht ist.
Anschließend
lässt man
das Epoxid zu einer Schicht aushärten,
die dann maschinell eine glatte Oberfläche erhält.
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Synthetische
Verbundmaterialien wie beispielsweise jene, die auf Duroplastepoxiden
basieren, sind auch mit einigen Nachteilen behaftet. Um beispielsweise
einen synthetischen Verbund-Walzenüberzug zu formulieren, der
bestimmte erstrebenswerte Eigenschaften aufweist, wie zum Beispiel hohe
mechanische Belastbarkeit und hohe Temperaturbeständigkeit,
d. h. eine hohe Glasübergangstemperatur
(Tg), muss man in der Regel eine hohe Konzentration
an Verstärkungsfasern
aufwenden. Eine Erhöhung
der Konzentration an Verstärkungsfasern kann
zu leichterer Delaminierung, höherer
Sprödigkeit
und schlechter Verbindung zwischen dem Überzug und der Metallkernoberfläche führen. Synthetische
Verbund-Walzenüberzüge arbeiten
heute am besten unter Betriebsbedingungen, bei denen die maximalen
Betriebstemperaturen nicht wesentlich über etwa 120°C (etwa 250°F) liegen
und der maximale Quetschdruck nicht wesentlich über 690 bar (10.000 psi) liegt
und die Oberflächenrauigkeit
des Überzuges
deutlich unter 0,25 Ra μm
(10 Ra Mikro-Inch) liegt.
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WO
98/54405 offenbart eine Thermoplastüberzug-Walze und ein Verfahren
zu ihrer Herstellung, wobei die Walze einen Körper aufweist, der mit wenigstens
einer Schicht Endlosfasern, die mit Thermoplastharz imprägniert sind,
und wenigstens einer Schicht aus Thermoplastharz beschichtet ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Herstellung einer Walze mit einem verbesserten Überzug bereitzustellen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Aufbringen einer
Polymerbeschichtung auf einen im Allgemeinen zylindrischen Kern
einer Kalandrierwalze bereitgestellt, wobei das Verfahren die Merkmale
von Anspruch 1 umfasst.
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Vorzugsweise
enthält
das Verfahren den Schritt des Umwickelns der Außenoberfläche des Kerns mit einer trockenen
Verstärkungsmatte.
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Vorzugsweise
enthält
das Verfahren den zusätzlichen
Schritt des Einbringens eines Füllmaterials
auf die aufgebrachte Verstärkungsmatte.
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Das
Thermoplastmaterial kann aus einer breiten Vielfalt von Materialien
ausgewählt
werden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Thermoplastmaterial
um eines oder mehrere der folgenden Materialien:
- Polyetherimid;
- Polyethersulfon;
- Polyphenylensulfid;
- Polyetheretherketon oder
- Polyphenylenoxid.
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Gemäß einem
bevorzugten Aspekt umfasst das Thermoplastmaterial eine Innenschicht,
die ein Thermoplastmaterial mit hoher Faserkonzentration umfasst,
und eine Außenschicht,
die ein Thermoplastmaterial mit einer Faserkonzentration umfasst, die
geringer ist als die Faserkonzentration der Innenschicht.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei den Fasern um Glasfasern und/oder Kohlefasern
und/oder Aramidfasern. Die Faserkonzentration in der Innenschicht
liegt vorzugsweise zwischen 10 und 40 Gewichts-%.
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Der
Zylinder kann aus metallischem oder nichtmetallischem Material,
wie beispielsweise Kunststoff oder Papier, bestehen.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Aufbringen
eines Polymerüberzuges
auf einen Walzenkern bereit, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale
aufweist:
- a) einen Hauptrahmen mit einem Fundament,
vertikalen Seitenrahmenelementen und einem Querelement, das die
Seitenrahmenelemente überbrückt und
einen nach unten gerichteten ersten Spannkopf aufweist;
- b) eine motorgetriebene Hebevorrichtung mit einer vertikal beweglichen
Plattform, die mit einem nach oben gerichteten zweiten Spannkopf
in vertikaler Ausrichtung auf den ersten Spannkopf versehen ist;
- c) ein Zwischenstück,
das in der Nähe
des Unterendes des Walzenkerns angeordnet ist und einen Außenumfang
aufweist, der größer ist
als die Außenoberfläche des
Walzenkerns;
- d) einen Drehtisch, der an dem Fundament drehbar befestigt ist
und eine zentrale Öffnung
aufweist, die derart bemessen ist, dass sie eine Vertikalbewegung
des Walzenkerns durch sie hindurch ermöglicht;
- e) eine Formbandabgabevorrichtung an dem Drehtisch für die Abgabe
eines Längenabschnitts eines
Formbands, mit einer Führungskante
zum Befestigen an dem Zwischenstück;
- f) mindestens einen Extruder, der an dem Drehtisch angeordnet
ist, und
- g) eine Einrichtung zum Drehen des Drehtisches um den Walzenkern
herum, während
dieser durch Drehen der Hebevorrichtung von einer Startposition
zu einer Endposition abgesenkt wird, wobei die Einrichtung bewirkt,
dass sich die Formbandabgabevorrichtung und der Extruder auf einem
kreisförmigen
Weg um den Walzenkern herum vorwärts
bewegen, um das Band schraubenförmig um
die Außenoberfläche des
Walzenkerns in einem Abstand hierzu herumzuwickeln, damit eine Auftragszone
zwischen der Innenoberfläche
des Formbandes und der Walzenkernaußenoberfläche gebildet wird, wobei der
Extruder innerhalb der Auftragszone ein extrudiertes Filament aufbringt
und das Filament über
die Walzenkernaußenoberfläche wickelt,
um jene Oberfläche
zu bedecken, wenn der Walzenkern die Endposition erreicht.
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Andere
neuartige und den Erfindungsgedanken verkörpernde Aspekte sind in den
abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Damit
die Erfindung besser verstanden wird, wird sie beispielhaft anhand
der begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
eine Draufsicht auf eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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2 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 in 1.
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3 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in 2.
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4 ist
eine vergrößerte Schnittansicht entlang
der Linie 4-4 in 2.
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5 ist
eine isometrische Ansicht der motorgetriebenen Hebevorrichtung der
Vorrichtung von 1.
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6 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie 6-6 in 2.
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7 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie 7-7 in 2.
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8 ist
eine isometrische Ansicht eines Formbandes, das sich für die vorliegende
Erfindung eignet.
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9 ist
eine teilweise geschnittene Ansicht eines Metallwalzenkerns, der
mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung überzogen
wurde.
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9a ist
eine vergrößerte Ansicht
eines dreilagigen Formbandes, das schraubenförmig gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
gewickelt wurde.
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9b ist
eine vergrößerte Ansicht
eines zweilagigen Formbandes, das schraubenförmig gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
gewickelt wurde.
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10 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie 10-10 in 9.
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10a ist eine Schnittansicht eines Metallwalzenkerns,
der mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens
lediglich mit einem Polymermaterial überzogen wurde.
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11 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie 11-11 in 9.
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12 ist
eine Seitenansicht einer Formbandherstellungsvorrichtung, mit der
ein für
die Erfindung geeignetes Formband hergestellt werden kann.
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13 ist
eine vergrößerte Schnittansicht entlang
der Linie 13-13 in 12.
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14 ist
eine isometrische Ansicht einer Ausrichtung zweier Teile der Formbandherstellungsvorrichtung
von 12.
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15 ist
eine vergrößerte Schnittansicht entlang
der Linie 15-15 in 12.
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16 ist
eine isometrische Ansicht eines dreilagigen Formbandes, das sich
für das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet.
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17 ist
eine Seitenansicht der Punktschweißbacke der Formbandherstellungsvorrichtung von 12.
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18 ist
eine vergrößerte Schnittansicht entlang
der Linie 18-18 in 17.
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19 ist
eine isometrische Ansicht des unteren Abschnitts eines Metallwalzenkerns
mit einer trockenen Verstärkungsfasermatte,
die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
aufgebracht wurde.
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20 ist
eine isometrische Ansicht der trockenen Glasfasermattenunterschicht,
die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
aufgebracht wurde.
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21 ist
eine Schnittansicht, die demonstriert, wie eine trockene Glasfasermattenunterschicht mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
und unter Verwendung einer Trägermatte
auf den Metallwalzenkern gewickelt wird.
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22 ist
eine Querschnittsansicht eines Metallwalzenkerns mit der trockenen
Glasfasermatte, der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt
wurde.
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23 ist
eine teilweise geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines Walzenkerns,
der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellt wurde.
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24 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie 24-24 in 23.
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25 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie 25-25 in 23.
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26 ist
eine Schnittansicht eines Endabschnitts eines beschichteten Walzenkerns,
der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellt wurde.
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27 ist
eine Seitenansicht eines Walzenkerns, der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellt wurde.
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28 ist
eine Seitenansicht eines Walzenkerns, der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf einer Drehbank hergestellt wurde.
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29 ist
eine isometrische Ansicht eines fertigen Walzenkerns, der mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellt wurde.
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Wie
in den 1 und 2 gezeigt, umfasst die Vorrichtung 10 einen
Hauptrahmen 15, der ein Fundament 20 und ein horizontales
Querelement 35 umfasst, das zwischen einem Paar Seitenrahmenelementen 25 und 30 angebracht
ist, dergestalt, dass es vertikal relativ zu dem Fundament 20 hin
und her bewegt werden kann. Jedes Seitenrahmenelement 25 und 30 kann
jede zweckmäßige Höhe haben,
beispielsweise 12 Meter (40 Fuß),
und kann aus stählernen
Flanschträgern
bestehen. Das Querelement 35 besteht aus einem Kastenprofilträger. Wie
gezeigt, enthält
das Seitenrahmenelement 25 eine Innenseite 40 mit
längs verlaufenden
linearen Präzisionsführungsschienen 45,
und das Seitenrahmenelement 30 hat eine Innenseite 50 mit
den gleichen linearen Führungsschienen 55.
An jedem Ende der Unterseite des Querrahmenelements 35 befinden
sich Konsolen 60 bzw. 65. Konsole 60 enthält eine
Verstärkungsrippe 60a,
die (nicht gezeigte) Führungslager
enthält,
die über
den Führungsschienen 45 angeordnet
sind, um das Element 35 gleitend anzubringen. Konsole 65 enthält eine
Verstärkungsrippe 65a mit
Lagern, die über
den linearen Präzisionsführungsschienen 55 angeordnet
sind, um das Rahmenelement 35 an den Führungsschienen 55 gleitend
anzubringen. Das Querelement 35 kann somit von einer angehobenen Position
nahe der Oberseite der Seitenrahmenelemente 25 und 30 vertikal
nach unten in eine abgesenkte Position nahe der Unterseite der Seitenrahmenelemente 25 und 30 bewegt
werden. Oben ist ein Endanschlag 31 angeordnet, um eine
weitere Bewegung nach oben zu begrenzen.
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Der
Hauptrahmen 15 enthält
ein Gegengewicht, das ein Paar Rollenketten 70a und 70b enthält, die
an einem Ende mit dem Querelement 35 verbunden sind. Die
Rollenketten 70a und 70b verlaufen über die
Baugruppen 80a bzw. 80b, die jeweils ein Paar
Rollenkettenräder
umfassen, die an der Oberseite des Seitenrahmenelement 25 angeordnet
sind, und sind an ihren entgegengesetzten Enden mit einem Gegengewicht 85 verbunden.
Wie am besten in 3 zu sehen, bewegt sich das
Gegengewicht 85 an einer Längsschiene 90 an der
Außenseite
des Seitenrahmenelement 25 entlang. Ein Paar Rollenketten 75a und 75b verläuft über die
Baugruppen 100a bzw. 100b, die jeweils ein Paar
Rollenkettenräder
umfassen, die an der Oberseite des Seitenrahmenelement 30 angeordnet
sind. Die Rollenketten 75a und 75b sind an ihren
entgegengesetzten Enden mit einem Gegengewicht 105 verbunden,
das sich – wie
das Gegengewicht 85 – an
einer Längsschiene 110 entlang
bewegt (3).
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Ein
Elektroantrieb 145 ist antriebsmäßig mit einem der Rollenkettenräder bei 100b an
der Oberseite des Seitenrahmenelement 30 verbunden, um das
Querelement 35 nach oben zu fahren. Der Elektroantrieb 145 umfasst
einen Elektromotor, der über eine
(nicht gezeigte) Kupplungsbremse, die antriebsmäßig mit einem der Rollenkettenräder innerhalb
der Baugruppe 100b verbunden ist, an ein (nicht gezeigtes)
Untersetzungsgetriebe angekoppelt ist. Dieser wiederum ist über eine
Antriebsachse 150 mit einem Rollenkettenrad innerhalb der
Baugruppe 100a verbunden. Durch seine Verbindung mit Rollenkettenrädern, die
sich in den Baugruppen 100a und 100b befinden,
treibt der Elektroantrieb 145 die Rollenketten 75a (wie
am besten in 2 zu sehen) und 75b (wie am
besten in 3 zu sehen) an, die an einem
Ende mit dem Querelement 35 und am anderen Ende mit dem
Gegengewicht 105 verbunden sind. Ein ähnlicher Elektroantrieb 125 ist
antriebsmäßig mit
einem der Rollenkettenräder
innerhalb der Baugruppe 80a an der Oberseite des Seitenrahmenelement 25 verbunden.
Das motorgetriebene Rollenketten rad innerhalb der Baugruppe 80a ist über eine
Antriebsachse 130 mit einem Rollenkettenrad innerhalb der
Baugruppe 80b verbunden. Somit treibt der Elektroantrieb 125 die
Rollenketten 70a und 70b an, die an einem Ende
mit dem Querelement 35 und am entgegengesetzten Ende mit
dem Gegengewicht 85 verbunden sind. Die Antriebe 125 und 145 arbeiten
synchronisiert. Einer der Antriebe, d. h. Antrieb 125, könnte durch
eine leichte Hohlwelle mit einem Winkeltrieb an gegenüberliegenden
Enden (nicht gezeigt) ersetzt werden. Die Hohlwelle könnte an
einem ihrer Enden mit einem Winkeltrieb verbunden sein, dessen Abtriebsseite
mit dem Rollenkettenrad innerhalb der Baugruppe 100a verbunden
ist. Die Hohlwelle verläuft über dem
Querelement 35 von dem Seitenrahmenelement 30 zu
dem Seitenrahmenelement 25. An ihrem entgegengesetzten
Ende treibt die Hohlwelle den anderen Winkeltrieb an, der mit einem Rollenkettenrad
innerhalb der Baugruppe 80a verbunden ist. Auf diese Weise
entfällt
die Notwendigkeit eines zweiten, gleichzeitig angetriebenen Antriebs 125.
Somit kann über
die (nicht gezeigte) Hohlwelle und die Antriebsachsen 130 und 150 das
Querelement 35 auf eine gleichmäßige und synchronisierte Weise
mit Hilfe des einzelnen Antriebs 145 angehoben und abgesenkt
werden. Aufgrund der Gegengewichte braucht der Elektroantrieb 145 nur
eine geringe Hebekraft auszuüben,
um das Querelement 35 anzuheben.
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Wenden
wir uns noch einmal 1 und 2 zu. Das
Fundament 20 hat eine zentrale zylindrische Öffnung 180 mit
einer vertikalen Wand 182 aus einem beliebigen geeigneten
Material, beispielsweise ein Stahlzylinder mit einer Dicke von 2,5
cm (1 Inch). Die vertikale Wand 182 kann wasserdicht sein. Die
zentrale Öffnung 180 kann
so groß sein,
dass sie in sich eine motorgetriebene Hebevorrichtung 185 aufnehmen
kann (5), beispielsweise 13,2 m (44 Fuß) tief
und 2,1 m (7 Fuß)
im Durchmesser. Wie in 5 zu sehen, umfasst die motorgetriebene
Hebevorrichtung 185 einen Motor 190, der an ein
Untersetzungsgetriebe 212 ange koppelt sein kann, dessen Abtriebswellen
mit Kugelumlaufspindeln 195, die mit einem Gewinde versehen
sind, verbunden sind. Jede Kugelumlaufspindel 195 ist neben
der vertikalen Wand 182 befestigt und ist innerhalb der
zentralen Öffnung
mittels einer Konsole 197 an der vertikalen Wand 182 aufgehängt (2).
Das entgegengesetzte angetriebene Ende jeder Kugelumlaufspindel 195 hängt frei
in der zentralen Öffnung 180.
Wie am besten in 2 zu sehen, ist jede Kugelumlaufspindel 195 in
einem Lagergehäuse 198 gelagert,
das eine Drehbewegung der Kugelumlaufspindel 195 gestattet.
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Wenden
wir uns noch einmal 5 zu. Hier ist der Motor 190 mit
einer Antriebsscheibe 200 versehen, die unter dem Motor 190 verläuft, und
Endlosantriebssynchronriemen 205 verlaufen darüber. Die Antriebssynchronriemen 205 verlaufen
auch über den
Synchronriemenrädern 210,
um eine synchrone Drehung der Kugelumlaufspindeln 195 zu
ermöglichen.
Ein Untersetzungsgetriebe 212 ist zwischen jedem Synchronriemenrad 210 und
jeder Kugelumlaufspindel 195 angeordnet und verringert
die Zahl der Umdrehungen pro Minute von dem Synchronriemenrad 210 zu
der Kugelumlaufspindel 195.
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Ein
Kugelmutterelement 215 mit Innengewinde ist am besten in 5 zu
sehen. Die beweglichen Kugelmutterelemente 215 sind an
den Ecken einer allgemein dreieckigen Plattform 220 befestigt, die
eine horizontale Platte 225 umfasst, an der ein nach oben
weisender Universalspannkopf 230 angebracht ist, der ein
unteres Ende des Walzenkerns aufnimmt. Wenn sich die Kugelumlaufspindeln 195 per Motorantrieb
synchron in einer Richtung drehen, wird dadurch die Plattform 220 aufwärts bewegt,
und eine Drehbewegung in entgegengesetzter Richtung senkt die Plattform 220 ab.
Wie das Querelement 35, passiert die Plattform 220 die
zentrale Öffnung 180 von einer
angehobenen Position, in der sich die Kugelmutterelemente 215 nahe
der Oberseite der Kugelumlauf spindeln 195 neben den Konsolen 197 befinden,
zu einer abgesenkten Position, in der sich die Kugelmutterelemente 215 unmittelbar über den
Kettenrädern 275 befinden.
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Der
Motor 190, der in der Mitte eines Rahmens 240 untergebracht
ist, umfasst einen Mittelabschnitt, der durch zwei kreisrunde Platten 245 und 250 gebildet
wird, die jeweils eine zentrale Öffnung aufweisen,
in welcher der Motor 190 angeordnet ist. Der Rahmen 240 umfasst
des Weiteren Arme 255, die sich radial in Abständen von
120° von
dem Mittelabschnitt aus erstrecken. Jeder Arm 255 besteht
aus einem stählernen
Flanschträger
und ist an seinem proximalen Ende an dem Mittelabschnitt angeschweißt. Die
Platte 245 ist an der Oberseite der Arme 255 befestigt,
und die kreisrunde Platte 250 ist an der Unterseite befestigt.
Eine Konsole 270 ist am distalen Ende jedes Arms 255 an
dessen Oberseite angeschraubt.
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Wenden
wir uns den 5 und 7 zu. Hier
ist der gesamte Rahmen 240 mittels Ankerstäben 257 an
der vertikalen Wand 182 befestigt, wobei jeder Stab einen
Gewindeabschnitt und ein mit Innengewinde versehenes Spannschloss
aufweist. Jeder Ankerstab 257 umfasst ein erstes Ende,
das am distalen Ende jedes Arms 255 an der Konsole 270 angebracht
ist, und ein zweites Ende, das an der vertikalen Wand 182 der Öffnung 180 angebracht
ist. Wie am besten in 7 zu sehen, sind die Ankerstäbe 257 paarweise
angeordnet und sind relativ zu der Richtung der Drehbewegung des
Elektromotors tangential ausgerichtet, um Schwingen und Vibrationen zu
verringern, die während
des Betriebes des Elektromotors 190 entstehen, während gleichzeitig
wärme-
und lastinduzierte Längenänderungen
der Kugelumlaufspindeln 195 möglich sind.
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Jede
Konsole 270 hat eine Innenbohrung, durch die hindurch sich
eine der Kugelumlaufspindeln 195 erstreckt. Jede Kugelumlaufspindel 195 ist mit
einem zusätzlichen Kettenrad 275 versehen,
das sich unmittelbar über
jeder Konsole 270 befindet. Eine Endlos-Sicherheitskette 280 erstreckt
sich über die
Kettenräder 275.
Die Sicherheitskette 280 gewährleistet eine fortgesetzte
synchronisierte Drehung der Kugelumlaufspindeln 195 für den Fall,
dass während
des Betriebes der Vorrichtung 10 der Antriebssynchronriemen 205 ausfällt. Eine
Platte 290, die zwischen jeder Konsole 270 und
der Oberseite jedes Arms 255 befestigt ist, dient als Befestigungsfläche für eine Spannrollenvorrichtung 282 für die Sicherheitskette.
In ähnlicher
Form erstrecken sich Rollenvorrichtungen 295 von der Unterseite
der Arme 255 nach unten, um ein Spannen der Antriebssynchronriemen 205 zu
ermöglichen.
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Wie
am besten in den 5 und 6 zu sehen,
sind einander gegenüberliegende
lineare Führungsschienen 300 vertikal
an der Wand 182 der Öffnung 180 angeordnet.
Konsolen 305, die an gegenüberliegenden Enden der dreieckigen
Plattform 220 befestigt sind, enthalten Linearlager 310,
wobei jedes Linearlager über
jeder linearen Führungsschiene 300 angeordnet
ist, um eine vertikale Gleitbewegung jedes Linearlagers über die
Länge der
Führungsschienen 300 hinweg
zu ermöglichen.
Eine derartige Befestigung der dreieckigen Plattform 220 an den
Führungsschienen 300 verhindert
eine Dreh- und Lateralbewegung der Plattform 220 während des Anhebens
und Absenkens.
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Wie
am besten in 9 zu sehen, hat der Metallwalzenkern 320 Endkappen 324,
die Achszapfen 330 enthalten, welche zur Mittelachse des
Metallwalzenkerns 320 konzentrisch sind und die Aufnahme
des Kerns 320 in Spannköpfen 230 und 325 unterstützen. Die
Endkappen 324 haben mit Gewinde versehene Öffnungen 327,
an denen Verlängerungssegmente 340 mittels
Schrauben 335 befestigt sind. Jedes Verlängerungssegment 340 hat
einen Umfang, der ungefähr
gleich dem Umfang des Walzenkerns ist, und eine zentrale Öffnung 345,
damit das Verlängerungssegment 340 über den
Achszapfen 330 geschoben werden kann, so dass das Verlängerungssegment 340 an
der Endkappe 324 angebracht werden kann. Eine (nicht gezeigte)
Dichtung kann zwischen das Verlängerungssegment 340 und
die Endkappe 324 gelegt werden, um dazwischen eine hermetische
Abdichtung zu gewährleisten.
Des Weiteren ist am unteren Ende 319 des Walzenkerns 320 über dem
daran befindlichen Segment 340 ein Zwischenstück 350 angebracht.
Wie am besten in den 9 und 19 zu
sehen, umfasst das Zwischenstück 350 einen
Distanzring 355 und einen Verriegelungsring 360.
Der Distanzring 355 hat einen Außenumfang, der größer ist
als der Außenumfang
des Walzenkerns 320, und ist gleitend über dem Verlängerungssegment 340 mit
einem Verriegelungsring 360 angebracht. Wie am besten in 9 zu
sehen, stößt der Distanzring 355 gegen
das Verlängerungssegment 340,
und der Verriegelungsring 360 stößt gegen den Distanzring 355 und
ist mittels Schrauben 365 an dem Verlängerungssegment 340 befestigt. Der
Distanzring 355 kann sich somit gleitend konzentrisch um
das Verlängerungssegment 340 drehen.
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Wenden
wir uns wieder 19 zu. Der Distanzring 355 enthält eine
leicht schräge
Oberseite 355a, die sich ungefähr eine Umdrehung um den Walzenkern
herum erstreckt, dergestalt, dass eine Rampe entsteht. Die Schrägung über die
gesamte Länge
der Oberseite 355a hinweg, beispielsweise 12 mm (0,50 Inch),
basiert auf der Rate der Abwärtsbewegung
des Walzenkerns 320, beispielsweise 12 mm (0,50 Inch) pro
Umdrehung eines Drehtisches 400. Der Distanzring 355 hat
eine Öffnung 356,
durch die hindurch Walzenüberzugsmaterial
extrudiert werden kann, während
an dem Extruder Anfangsjustierungen in einer Weise vorgenommen werden,
die weiter unten näher
besprochen wird.
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Wenden
wir uns den 2 und 3 zu. Die
Vorrichtung 10 enthält
des Weiteren einen Drehtisch 400 mit einer zentralen kreisförmigen Öffnung 405,
die zu der zentralen Öffnung 180 in
dem Fundament 20 konzentrisch ist und im Wesentlichen den gleichen
Durchmesser aufweist wie die zentrale Öffnung 180 in dem
Fundament 20. Der Walzenkern 320 kann darum, wenn
er zwischen den Spannköpfen 325 und 230 eingespannt
ist, von einer angehobenen Position, in der sich der gesamte Walzenkern 320 einschließlich seines
unteren Endes 319 über
dem Fundament 20 und dem Drehtisch 400 befindet,
zu einer abgesenkten Position, in der sich die Walzenkernlänge 320 innerhalb
der zentralen Öffnung
des Drehtisches 400 und innerhalb der zentralen Öffnung 180 des
Fundaments befindet, abgesenkt werden.
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Wenden
wir uns den 2 und 4 zu. Der
Drehteller 400 ist drehbar an dem Fundament 20 einer
Laufringbaugruppe montiert, die einen oberen Laufring 455 (wie
am besten in 4 zu sehen), der an der Unterseite
des Drehtellers 400 befestigt ist, und einen unteren ortsfesten
Laufring 450 (wie am besten in 2 zu sehen),
der an einem Abschnitt des Fundaments 20 befestigt ist,
enthält.
Zusammen bilden der obere und der untere Laufring einen Ringkanal,
in dem Kugellager 460 den Drehteller 400 über das
Fundament 20 hinweg drehen. Der Drehmittelpunkt des Drehtellers
ist auf die Mittelachse der Spannköpfe 325 und 320 ausgerichtet.
In 2 ist ein Motor 470 mit einem angekoppelten
Untersetzungsgetriebe 475 auf einer Fläche des Fundaments 20 unter
dem Drehteller 400 angebracht. Der Motor 470 ist
antriebsmäßig über ein
Untersetzungszahnrad 473 mit einem Zahnkranz 465,
der mit dem oberen Laufring 455 integral ausgebildet ist
(wie am besten in 4 zu sehen) und sich auf der
Unterseite des Drehtellers befindet, mit dem Drehteller 400 verbunden.
Auf diese Weise steuern der Motor 470 und sein angekoppeltes
Untersetzungsgetriebe 475 die Drehbewegung des Drehtellers 400.
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In 2 und 3 sind
verschiedene Vorrichtungen gezeigt, die auf einer Plattform 512 befestigt
sind, welche drehbar in einer Mehrzahl von Längsschlitzen 514 in
dem Drehteller 400 befestigt ist. Zu diesen Vorrichtungen
ge hören
ein Extruder 410, eine Induktionsheizvorrichtung 420,
eine Formbandabgabevorrichtung 430 zum Abgeben eines Längenabschnitts
eines darauf aufgewickelten Formbandes 440, eine Schaltvorrichtung 449 und
weitere Vorrichtungen, die im Folgenden besprochen werden. Die Plattform 512 kann
entlang der Längsschlitze 514 bewegt
werden, um den Abstand der auf der Plattform montierten Vorrichtungen
zum Walzenkern einzustellen, um so die Einstellung der Dicke des
Filaments 510 zu ermöglichen,
bevor es auf die vorher aufgebrachte trockene Glasfasermattenschicht 332 aufgebracht
wird. Oder anders ausgedrückt:
Die einstellbare Plattform 512 gestattet eine radiale Positionierung
der Vorrichtungen in Abhängigkeit
von der radialen Abmessung des Walzenkerns. Alternativ könnten diese
Vorrichtungen auch direkt auf dem Drehteller montiert sein. Der
Drehteller 400 ermöglicht
die Bewegung dieser Vorrichtungen auf einer Kreisbahn um den Walzenkern 320 herum,
während der
Walzenkern von seiner angehobenen Position abgesenkt wird, dergestalt,
dass eine Schicht aus Polymermaterial oder Filament auf die vorher
aufgebrachte trockene Glasfasermattenschicht 332 aufgebracht
werden kann. Der Extruder 410 arbeitet in bekannter Weise
und umfasst Vorratsbehälter 412,
beispielsweise zwei, die pelletisiertes Polymermaterial 413 enthalten.
Das pelletisierte Polymermaterial 413 fällt durch die eigene Schwerkraft
aus jedem Vorratsbehälter 412 in
einen Einfülltrichter 414,
von wo aus es in einen Extruder 415 transportiert wird.
Jeder Extruder 415 extrudiert das Polymermaterial in einen gemeinsamen
Speiser 411 (wie am besten in den 2 und 3 zu
sehen), der ein Filament 510 des Polymermaterials auf die
Walzenkernaußenoberfläche 322 aufbringt.
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Weil
der Speiser 411 von mehreren Extrudern 415 gemeinsam
genutzt wird, können
mehrere unterschiedliche Polymermaterialien mit jeweils anderen
Mengen an Füllstoffen
oder Zusätzen
im Speiser 411 kombiniert und auf die trockene Fasermattenschicht 332 aufgebracht
werden, dergestalt, dass ein Polymerfilament 510 entsteht,
das aus mehreren diskreten Schichten besteht, wobei jede Schicht
andere mechanische Eigenschaften aufweist. Beispielsweise kann einer
der Vorratsbehälter 412 mit
pelletisiertem Thermoplastmaterial 413 mit niedriger Faserkonzentration
(oder ohne Fasergehalt) beschickt sein, während der andere mit pelletisiertem
Thermoplastmaterial 413 mit höherer Faserkonzentration beschickt
ist. Bei den verwendeten Fasern kann es sich um Glasfasern, Kohlefasern
und/oder Aramidfasern handeln. Auf diese Weise verschmelzen die
beiden unterschiedlichen Thermoplastmaterialien im Speiser 411 zu
einem Extrudat, bei dem es sich um ein Zweischichtfilament 510 handelt,
das eine thermoplastische lineare Schicht oder ein thermoplastisches Grundmaterial 510a mit
einem höheren
Fasergehalt und eine Außenschicht
oder ein Deckmaterial 510b mit einem geringeren Fasergehalt
(oder ohne Fasergehalt) umfasst. Der höhere Fasergehalt in dem thermoplastischen
Grundmaterial 510a verringert den Wärmeausdehnungskoeffizienten
dieser Schicht auf einen Wert, der näher an dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Metalloberfläche 322 des
Walzenkerns liegt, so dass Restspannungen beim Härten minimiert werden. Wenn
beispielsweise Glasfasern, Kohlefasern oder Aramidfasern in dem
Grundmaterial zum Einsatz kommen, so empfiehlt sich ein Anteil von
10 bis 40 Gewichts-% dieser Fasern. Ein höherer Fasergehalt in der Grundschicht 510a erhöht die mechanische
Belastbarkeit, die Wärmeleitfähigkeit,
die thermische Stabilität
und die Schlagzähigkeit
und minimiert Restspannungen beim Härten. Die geringere Faserkonzentration
des Deckmaterials 510b des Filaments 510 führt zu einer
weicheren und glatteren Außenfläche mit
erwünschten
Betriebseigenschaften. Wenn beispielsweise Glasfasern im Deckmaterial 510b verwendet
werden, so empfiehlt sich ein Glasfaseranteil von 0–20 Gewichts-%,
bevorzugt 10 Gewichts-%. Wenn Aramidfasern wie beispielsweise Kevlarfasern
im Deckmaterial verwendet werden, so empfiehlt sich ein Kevlarfaseranteil
von 0–15
Gewichts-%, bevorzugt 8 bis 9 Gewichts-%. Wenn Kohlefasern im Deckmaterial 510b verwendet
werden, so empfiehlt sich ein Kohlefaseranteil von 0–20 Gewichts-%,
bevorzugt 10 Gewichts-%. Alternativ können sowohl das Grundmaterial 510a als
auch das Deckmaterial 510b aus thermoplastischem Material mit
der gleichen Zusammensetzung, einschließlich des gleichen Fasergehalts,
bestehen. Dem thermoplastischen Material können anstatt Fasern auch andere
Zusätze
beigegeben werden, um die mechanischen Eigenschaften der Schichten
zu ändern.
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Das
Filament kann aus vielen verschiedenen Polymermaterialien, einschließlich Hochleistungs-Thermoplastmaterialien
und -Duroplastmaterialien, hergestellt sein. Repräsentative
Thermoplastmaterialien sind Polyetherimid oder Polyethersulfon, Polyphenylensulfid,
Polyphenylenoxid oder Polyetheretherketon. Weitere Materialien sind
beispielsweise Polyurethan und Epoxid, das auf die trockene Fasermattenaußenfläche 332 aufgebracht
werden kann.
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Wie
am besten in 2 und 4 zu sehen, werden
Strom und Steuersignale für
die auf dem Drehteller montierten Vorrichtungen von einer externen
Quelle über
Kabel 480 übertragen,
die mit leitfähigen
Bürsten 485 in
Verbindung stehen, welche mit jeweiligen konzentrisch montierten
Schleifringen 490 in elektrischem Kontakt stehen, die an
der Unterseite des Drehtellers 400 angeordnet sind (ebenfalls
in 4 zu sehen). Auf diese Weise wird elektrischer Strom
von den Schleifringen aufwärts
durch den Drehteller 400 geleitet, um die auf dem Drehteller montierten
Vorrichtungen ununterbrochen mit Strom und Prozesssteuerungssignalen
zu versorgen, unabhängig
davon, ob der Drehteller still steht oder sich dreht.
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Es
wird nun der Prozess des Umwickelns der Walzenkernaußenoberfläche 322 mit
der Glasfasermattenschicht 332 und des Extrudierens von
Polymermaterial 510 über
die Glasfasermattenschicht 332 beschrieben. Zuerst wird
alles abgenutzte Überzugsmaterial
physisch entfernt, und die Walzenkernaußenoberfläche 322 wird gründlich gereinigt,
beispielsweise mit bekannten Lösemitteln
und Lösungen.
Nach dem Entfetten werden die Verlängerungssegmente 340 an
den Enden des Walzenkerns 320 befestigt. Die gesamte Walzenkernaußenoberfläche 322 mit
den Verlängerungssegmenten 340 wird
kugelgestrahlt. Nach dem Kugelstrahlen wird eine chemische Lösung auf
gepinselt, um das Oxidieren der Außenoberfläche 322 zu unterstützen, um
deren Adhäsion
mit dem Epoxid zu verstärken,
das als Grundierung aufgetragen wird oder später im Verlauf des Prozesses
in die Glasfasermattenschicht 332 eingebracht wird, wenn
entschieden wird, keine Grundierung zu verwenden. Als nächstes wird
eine Schicht aus flüssigem
Epoxidgrund 331 (22) auf
die gesamte Außenoberfläche des
Walzenkerns 320 aufgebracht, um die Adhäsion mit der trockenen Glasfasermatte 332,
die darübergewickelt
wird, zu ermöglichen.
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Wenden
wir uns den 20 und 21 zu. Die
Glasfasermatte 332 umfasst Schichten aus Glasfasermaterial
und enthält
einen Innenschicht 600, eine zweite Schicht 605,
eine dritte Schicht 610 und eine Außenschicht 615. Wie
am besten in 21 zu sehen, ist die zweite
Schicht 605 nahe ihrer Vorderkante 605a mittels
beliebiger geeigneter Mittel, beispielsweise mittels Fadenheftung 606,
an der Innenschicht 600 befestigt, und zwar an einer Stelle,
die ungefähr
ein Viertel entlang der Länge
der Innenschicht 600 von der Vorderkante 600a der
Innenschicht 600 entfernt liegt, dergestalt, dass eine
Naht entsteht. Gleichermaßen
ist die dritte Schicht 610 nahe ihrer Vorderkante 610a mittels
beliebiger geeigneter Mittel, beispielsweise mittels Fadenheftung 611,
an der zweiten Schicht 605 befestigt, und zwar an einer
Stelle, die ungefähr
ein Viertel entlang der Länge
der zweiten Schicht 605 von der Vorderkante 605a der
zweiten Schicht 605 entfernt liegt, dergestalt, dass eine
Naht entsteht. Und schließlich
ist die Außenschicht 615 nahe
ihrer Vorderkante 615a mittels beliebiger geeigneter Mittel,
beispielsweise mittels Fadenheftung 616, an der dritten
Schicht 610 befestigt, und zwar an einer Stelle, die ungefähr ein Viertel
entlang der Länge
der dritten Schicht 610 von der Vorderkante 610a der
dritten Schicht 610 entfernt liegt, dergestalt, dass eine
Naht entsteht.
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Wie
am besten in 21 zu sehen, ist der Walzenkern
horizontal für
das Umwickeln mit der trockenen Glasfasermatte 332 ausgerichtet.
Die Glasfasermatte 332 wird im trockenen Zustand und ohne Zusatz
von Epoxidharz unter hoher Zugspannung fest über die Walzenkernaußenoberfläche gewickelt. Erst
wenn die Polymerschicht 510 über die Matte 332 gewickelt
wurde und auf eine entsprechende Oberflächentemperatur abgekühlt ist,
wird flüssiges
Epoxidharz durch die Polymerschicht 510 in die trockene Glasfasermatte 332 eingebracht,
worin man es aushärten
lässt.
Die Vorgehensweise beim Einbringen von Epoxidharz wird weiter unten
eingehend erläutert.
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Die
Vorderkante 600a der Innenschicht 600 wird zuerst
auf die epoxidgrundierte Walzenkernaußenoberfläche 322 aufgebracht.
Die trockene Glasfasermatte 332 wird von einer Spule 620 abgewickelt und über eine
Rolle 625 geleitet und fest auf die Walzenkernaußenoberfläche 322 gewickelt.
Gleichzeitig wird ein Längenabschnitt
eines Trägermaterials 630, beispielsweise
Papier, dass auf eine Spenderrolle 635 aufgewickelt ist,
von dort abgewickelt mit der Matte 332 über die Rolle 625 geleitet.
Das Trägermaterial 630 wird
mit der Matte 332 mitgeführt, wenn sich die Matte 332 um
einen größeren Abschnitt
der Walzenkernaußenoberfläche 322 herumlegt.
Auf diese Weise stützt
das Trägermaterial 630 die
trockene Glasfasermatte 332 und gewährleistet eine feste Wicklung
auf der Walzenkernaußenoberfläche 322. Das
Trägermaterial 630 wird
durch eine zweite Rolle 640 von der Walzenkernaußenoberfläche 322 weggelenkt
und wird auf der Rolle 645 aufgenommen. Es ist kein Vorwärmen der
Walzenkernaußenoberfläche erforderlich.
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Wenden
wir uns den 21 und 22 zu. Die
Länge der
Innenschicht 600, gemessen von ihrer Vorderkante 600a bis
zu ihrer Hinterkante 600b, ist etwa gleich dem Umfang der
Walzenkernaußenoberfläche 322,
dergestalt, dass, wenn die Innenschicht auf die Walzenkernaußenoberfläche 322 aufgebracht wird,
ihre Hinterkante 600b gegen ihre zuvor aufgebrachte Vorderkante 600a stößt. Das
Gegeneinanderstoßen
der Kanten 600a und 600b ist in 22 bei 600c gezeigt.
Die zweite Schicht 605 ist geringfügig länger als die Innenschicht 600,
dergestalt, dass, wenn die zweite Schicht über die Innenschicht gelegt wird,
ihre Hinterkante 605b gegen ihre Vorderkante 605a stößt. Das
Gegeneinanderstoßen
der Kanten 605a und 605b ist in 22 bei 605c gezeigt.
Gleichermaßen
ist die dritte Schicht 610 geringfügig länger als die zweite Schicht 605,
dergestalt, dass, wenn die dritte Schicht 610 über die
zweite Schicht 605 gelegt wird, ihre Hinterkante 610b gegen
ihre Vorderkante 610a stößt. Das Gegeneinanderstoßen der Kanten 610a und 610b ist
in 22 bei 610c gezeigt. Gleichermaßen ist
das Gegeneinanderstoßen
der Kanten 615a und 615b der Außenschicht 615 in 22 bei 615c gezeigt.
Die Vorderkante 615a und die Hinterkante 615b der
Außenschicht 615 sind
mittels beliebiger geeigneter Mittel, beispielsweise mittels Fadenheftung,
aneinander befestigt. Durch ein derartiges Umwickeln sind die Stoßnähte aller Schichten
(600c, 605c, 610c und 615c)
nicht übereinander
angeordnet, sondern sind um die Walzenkernaußenoberfläche 322 herum gleichmäßig voneinander
beabstandet. Wenn die Nähte übereinander angeordnet
werden, so kann das dazu führen,
dass sich in der Dicke der Außenschicht
des fertigen Walzenkerns eine Unregelmäßigkeit bilden. Die resultierende
verstärkte
Fasermatte 332 ist zwischen 0,25 und 0,32 Inch – und bevorzugt
9 mm (0,30 Inch) – dick.
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Wie
in 20 und 21 gezeigt,
bestehen die Schichten 600 und 605 der trockenen
Glasfasermatte jeweils aus einem Zweilagenaufbau. Das heißt, die
Innenschicht 600 besteht aus einer ersten Lage 601 aus
dicht gepackten Glasfasern, die in einer Zufallsstruktur angeordnet
sind, und einer zweiten Lage 602 aus dicht gepackten Glasfasern,
die in ein und derselben Richtung parallel zueinander und im rechten
Winkel zur Mittelachse des Walzenkerns 320 angeordnet sind.
Die zweite Schicht 605 besteht aus einer ersten Lage 607 aus
dicht gepackten Glasfasern, die in einer Zufallsstruktur angeordnet
sind, und einer zweiten Lage 608 aus dicht gepackten Glasfasern,
die in ein und derselben Richtung parallel zueinander und parallel
zur Mittelachse des Walzenkerns 320 angeordnet sind. Durch
Einbinden von Glasfasern, die linear sind und parallel und im rechten
Winkel zur Mittelachse des Walzenkerns angeordnet sind, bietet die
Glasfasermatte 332 eine erhöhte Zugfestigkeit in Richtung
der Mittelachse des Walzenkerns und über den Umfang des Walzenkerns hinweg.
Die dritte Schicht 610 und die Außenschicht 615 bestehen
beide aus einer einzelnen Lage aus dicht gepackten Glasfasern, die
in einer Zufallsstruktur angeordnet sind.
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Als
nächstes
wird, wie am besten in 23 zu sehen, der Distanzring 355 gleitend über dem
Verlängerungssegment,
das sich am unteren Ende 319 des Walzenkerns befindet,
mittels des Verriegelungsrings 360 in der oben beschriebenen
Weise montiert. Auf das Verlängerungssegment 340 wird
in der Nähe des
unteren Endes 319 des Walzenkerns zwischen der Unterkante
der Glasfasermattenschicht 332 und dem Distanzring 355 ein
Längenabschnitt
Dichtmittel 357 aufgetragen. Das Dichtmittel 357 dient
dazu, das Ausfließen
von Epoxidharz während
des weiter unten beschriebenen Einbringungsprozesses zu verhindern.
Der Walzenkern 320 mit der darauf aufgewickelten Matte
wird dann in der Vorrichtung 10 angeordnet und vertikal
zwischen den einan der gegenüberliegenden
Spannköpfen 230 und 325 in
der angehobenen Position in der oben beschriebenen Weise gehalten.
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Wie
oben angesprochen, könnte
auch ein Walzenkern, um den keine Glasfasermatte 325 gewunden
ist, zwischen den Spannköpfen 230 und 325 angeordnet
werden, um eine Polymerschicht direkt auf die Außenoberfläche des Walzenkerns aufzubringen.
In einem solchen Fall muss ein Erwärmungsschritt ausgeführt werden,
bevor der Walzenkern vertikal zwischen den einander gegenüberliegenden Spannköpfen 230 und 325 angeordnet
wird. Der gesamte Walzenkern 320 wird dafür in einen
Ofen 321 (1) eingebracht und vorgewärmt, bis
die Außenoberfläche 322 des
Walzenkerns (22) und die Verlängerungssegmente 340 eine
zuvor festgelegte Temperatur erreichen, beispielsweise 96°C bis 280°C (95°F bis 550°F). Sobald
die Außenoberfläche die
zuvor festgelegte Temperatur erreicht hat, wird der Walzenkern aus
dem Ofen 321 entnommen, in der Vorrichtung 10 angeordnet
und vertikal zwischen den einander gegenüberliegenden Spannköpfen 230 und 325 in
der angehobenen Position in der oben beschriebenen Weise gehalten.
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Als
nächstes
wird ein Anlaufprozess ausgeführt,
und zwar aus zwei Gründen:
(1) um das Formband 440 um einen zuvor festgelegten Betrag
zu spannen und (2) um das Polymermaterial, das aus dem Speiser 411 des
Extruders 410 extrudiert wird, zu stabilisieren, um eine
richtige Extrusionsrate während
der Drehung des Drehtisches 400 zu garantieren. Der Anlauf
erfolgt vor dem Aufbringen des Polymermaterials auf die trockene
Glasfasermattenschicht 332. Allgemein ausgedrückt, werden
während
des Anlaufens der Drehtisch 400 und der auf dem Drehtisch
befestigte Extruder 410 um den sich nicht drehenden Walzenkern
herum gedreht, während
die Hebevorrichtung daran gehindert ist, sich abzusenken. Filament,
das aus dem Speiser 411 extrudiert wird, fällt durch
die Öffnung 356 in
dem Distanzring 355, der sich mit dem Drehtisch und dem
Extruder 410 dreht.
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Wenden
wir uns 19 zu. Um den Anlauf durchzuführen, wird
eine Vorderkante des Formbandes 440 von der Formbandabgabevorrichtung 430 (1)
abgewickelt und wird auf geeignete Weise, beispielsweise mittels
eines Hochtemperaturklebebandes 445, an der Außenoberfläche des
Distanzrings 355 befestigt. Die Vorderkante des Formbandes 440 erstreckt
sich über
die Öffnung 356,
die einen integralen Bestandteil des Distanzrings 355 bildet.
Die Drehung des Drehtisches 400 wird begonnen, während die
Hebevorrichtung 185 fest steht und während der Walzenkern 320 sich
nicht dreht und sich in der angehobenen Position befindet. Während des
Anlaufprozesses ist es wichtig, dass das Formband 440 noch
nicht mit dem schraubenförmigen Aufwickeln
beginnt.
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Wenden
wir uns 9 und 11 zu.
Während
des Anlaufprozesses ist es wichtig, dass das Formband 440 nicht
um sich selbst gewunden wird. Um das zu verhindern, muss sich der
Distanzring 355, an dem die Vorderkante des Formbandes 440 befestigt
ist, mit dem Drehtisch drehen, während
der Walzenkern 320 sich nicht dreht. Um während des Anlaufprozesses
eine gleitende Drehbewegung des Distanzrings 355 zu ermöglichen,
ist der Distanzring 355 in seiner Seitenwand mit einer
Bohrung 495 versehen, die auf einen Bolzen 500 ausgerichtet
ist und diesen Bolzen 500 aufnimmt, welcher an der am Drehtisch
montierten Schaltvorrichtung 449 befestigt ist. Während des
Anlaufprozesses schaltet die Schaltvorrichtung 449 den
Bolzen 500 von einer zurückgezogenen Position (wie am
besten in 9 zu sehen), in der der Bolzen 500 aus
der Bohrung 495 zurückgezogen
ist, in eine ausgefahrene Position (wie am besten in 11 zu
sehen), in der der Bolzen 500 in der Bohrung 495 aufgenommen
ist. Die Schaltvorrichtung 449 wird mittels Druckluft betrieben,
die von einem Luftverdichter 447 kommt (wie am besten in 2 zu
sehen), der ebenfalls am Drehtisch 400 montiert ist und
synchron mit dem Beginn der Bewegung der Hebevorrichtung in Betrieb
genommen wird. Wenn der Bolzen 500 in der Bohrung 495 des
Distanzrings 355 aufgenommen ist (11), so
wird dadurch der Distanzring 355 relativ zur Walzenkernaußenoberfläche 322 gleitend
gedreht, wenn sich der Drehtisch 400 dreht. Auf diese Weise
wird verhindert, dass sich während
des Anlaufprozesses das Formband 440, dessen Vorderkante
am Distanzring 355 befestigt ist, auf dem Distanzring 355 aufwickelt.
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Dadurch,
dass sich das Formband 440 über die Öffnung 356 erstreckt
(wie am besten in den 11 und 19 zu
sehen), entsteht durch das Formband 440 eine Umfassung
mit einer offenen Oberseite und einer offenen Unterseite und einer äußeren Seitenwand.
Der Speiser 411 des Extruders 410 ist direkt über der
offenen Oberseite der Öffnung 356 angeordnet.
Weil der Bolzen 500 während
des Anlaufprozesses in der Bohrung 496 aufgenommen ist,
bleibt die Öffnung 356 direkt
unter dem Speiser 411 des Extruders angeordnet, wenn sich
der Drehtisch 400 dreht. Auf diese Weise wird – während der Speiser 411 so
eingestellt ist, dass er die richtige Zufuhrrate während der
Drehung erreicht – das
Polymermaterial 510 durch die Öffnung 356 extrudiert, anstatt
gegen die trockene Glasfasermattenschicht 332 (oder bei
Fehlen einer trockenen Glasfasermatte gegen die Metallwalzenkernaußenoberfläche 322) aufzulaufen.
Sobald die zuvor festgelegte Formbandspannung erreicht ist und sowohl
der Drehtisch 400 als auch das Extrudat aus dem Speiser 411 stabile Raten
erreicht haben, ist der Anlaufprozess beendet, und es kann eine
Polymerschicht aufgebaut werden, indem das Material auf die trockene
Glasfasermattenschicht 332 (bzw. auf die Metallwalzenkernaußenoberfläche 322)
gewunden wird. Der Anlaufprozess benötigt nur zwei bis vier Umdrehungen.
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Wenden
wir uns den 2 und 9 zu. Um
die Polymerschicht 510 aufzubauen, wird der Bolzen 500 aus
der Bohrung 495 des Zwischenstücks zurückgezogen, und der Distanzring 355 wird mit
dem Verlängerungssegment 340 beispielsweise durch
Klebeband verriegelt. Der Drehtisch 400 wird aktiviert.
Da der Distanzring 355 an dem Verlängerungssegment 340 befestigt
ist, wenn sich der Drehtisch 400 dreht, wird das Formband 440 abgewickelt. Gleichzeitig
wird die motorgetriebene Hebevorrichtung 185 aktiviert,
wodurch der Walzenkern 320 langsam von der angehobenen
Position mit einer geeigneten Geschwindigkeit, beispielsweise 12
mm (0,50 Inch) pro Umdrehung, abgesenkt wird, wobei diese Geschwindigkeit
durch die Abmessung des Extrusionsprofils bestimmt wird. Durch die
Drehung des Drehtisches 400 bewegt sich die Formbandabgabevorrichtung 430 auf
einer Kreisbahn um den Walzenkern 320 herum, und das Formband 440 wird
um den Distanzring 355 herum auf den Walzenkern 320 gewunden.
Wie am besten in den 2 und 9 zu sehen,
führt ein
Absenken des Walzenkerns 320 durch die Hebevorrichtung 185 dazu,
dass das Formband 440 schraubenförmig überlappend über die Länge der trockenen Glasfasermattenschicht 332 von
ihrem unteren Ende 319 zu ihrem oberen Ende 317 aufgewickelt
wird. Das Maß der Überlappung, beispielsweise
12 mm (0,5 Inch), wird durch die Rate der Abwärtsbewegung des Walzenkerns 320,
beispielsweise 12 mm (0,5 Inch), je Umdrehung sowie durch die Breite
des verwendeten Bandes, beispielsweise 25,4 mm (1 Inch) bestimmt.
Das resultierende Filament 510 ist von einer ausreichenden
Dicke, beispielsweise 14 mm (0,65 Inch), die es ermöglicht, dass
die Dicke der überzogenen
Walze maschinell auf einen vom Kunden gewünschten Wert verringert werden
kann, beispielsweise zwischen 12 mm und 10 mm (0,50 und 0,40 Inch).
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Wenn
die Polymerschicht 510 direkt auf die Außenoberfläche 322 des
Walzenkerns 320 aufgebracht wird, muss die Walzenkernaußenoberfläche 322 vorgewärmt werden.
Das kann mittels einer auf dem Drehtisch montierten Induktionsheizvorrichtung 420 (3)
erfolgen, die eine örtliche
Erwärmung
auf eine Temperatur entsprechend dem verwendeten Polymermaterial
vornimmt, beispielsweise auf etwa 399°C (750°F). Das Vorheizen erfolgt unmittelbar
vor dem Aufbringen des extrudierten thermoplastischen Filaments 510.
Die örtliche
Erwärmung
erfolgt etwa 6 mm (0,25 Inch) von der Walzenkernaußenoberfläche 322 entfernt.
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Die örtliche
Erwärmung
erfolgt nur bis auf eine flache Oberflächentiefe der Walzenkernaußenoberfläche, beispielsweise
bis auf eine Gesamttiefe von etwa 4 mm (0,15 Inch) unter die Oberfläche der metallischen
Außenhaut.
Eine örtliche
Erwärmung der
metallischen Außenhaut
verbessert die Adhäsion zwischen
dem schmelzflüssigen
Polymer und der Metalloberfläche.
Die übrige
Masse des Walzenkerns nimmt langsam Wärme von der Oberfläche auf.
Die Wärme
fungiert als Bremse und verhindert, dass die Abkühlung zu schnell erfolgt, während sich
der Polymerüberzug
seiner Glasübergangstemperatur
(Tg) nähert.
Durch Verlängern
des Zeitraums, in dem die Temperatur des Filaments 510 nahe,
aber nicht unter der Glasübergangstemperatur
(Tg) gehalten wird, vollzieht sich ein effektiver
Temperungsprozess, der Restspannungen im Filament 510 deutlich
verringert. Und weil die Unterschicht 510a einen höheren Fasergehalt
umfasst als das Deckmaterial 510b, werden die Restspannungen
während
des Abkühlens
aufgrund eines geringeren Unterschieds beim Wärmeausdehnungskoeffizienten
(WAK) zwischen der metallischen Außenhaut und der Unterschicht 510a und zwischen
der Unterschicht 510a und dem Deckmaterial 510b weiter
verringert. Ein Aufbau von Spannungen in dem extrudierten Filament 510 infolge
thermischer Schrumpfung wird minimiert, weil die Abkühlung allmählich erfolgt
und durch die Verbindungsschnittstelle 510c hindurch in
Richtung der Außenseite
des Deckmaterial 510b erfolgt. Auf diese Weise verringert
ein solches örtliches
Erwärmen
Restspannungen im extrudierten Filament 510, wodurch die Gefahr
von Rissbildung in dem Kunststoffüberzug minimiert wird. Das örtliche
Erwärmen
verbessert auch die Adhäsion
des Filaments 510 an der Walzenkernaußenoberfläche 322.
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Wie
am besten in den 8 und 16 zu sehen,
kann das Formband 440 aus jedem geeigneten Material hergestellt
werden, beispielsweise Edelstahl, und umfasst eine Mehrzahl von
Einzelbändern, d.
h. ein Innenband 541, ein Zwischenband 542 und ein
Außenband 543.
Jedes Einzelband kann 10 mm (0,4 Inch) hoch und 0,025 mm (0,005
Inch) dick sein. Die Einzelbänder
werden beispielsweise durch Heftschweißungen 444 überlappend
aneinandergefügt, so
dass ein Dreischichtaufbau entsteht. Die Überlappungszone zwischen dem
Innenband 541 und dem Zwischenband 542 und zwischen
dem Zwischenband 542 und dem Außenband 543 kann eine
beliebige geeignete Breite aufweisen, beispielsweise 2 mm (0,1 Inch).
Die Einzelbänder
werden dergestalt durch Heftschweißungen aneinander befestigt,
dass das resultierende Formband 440 bogenförmig ist oder über seine
Länge einen
zuvor festgelegten Krümmungsradius
aufweist (wie am besten in 8 zu sehen),
der ungefähr
gleich dem Umfang des Distanzrings 355 ist, beispielsweise
zwischen 8, 8 cm und 7, 6 cm (5 und 30 Inch). Wie in 16 veranschaulicht,
würde,
wenn man das bogenförmige Formband 440 geradestreckt
oder flachstreicht, das Einzelband 542 sich zwischen den
Heftschweißungen 444 wellen,
weil es am Einzelband 541 durch Heftschweißung befestigt
wurde, während
ein Krümmungsradius
beibehalten blieb. Gleichermaßen
würde sich
das Einzelband 543 zwischen den Heftschweißungen 444 wellen,
weil es am Einzelband 542 durch Heftschweißung befestigt
wurde, während ein
Krümmungsradius
beibehalten blieb.
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Das
Formband 440 wird mit einem eingearbeiteten Bogen oder
Krümmungsradius
hergestellt. Während
es abgerollt wird, neigt es dazu, sich um sich selbst zu wickeln,
so dass eine Schraubenform entsteht. In 9a sind
drei beispielhafte Wicklungen eines dreilagigen Formbandes 440 gezeigt.
Die dort gezeigten Wicklungen enthalten eine erste Wicklung, die
ein Innenband 541a, ein Zwischenband 542a und
ein Außenband 543a umfasst;
eine zweite Wicklung, die ein Innenband 541b, ein Zwischenband 542b und
ein Außenband 543b umfasst;
und eine dritte Wicklung, die ein Innenband 541c, ein Zwischenband 542c und
ein Außenband 543c umfasst. Wie
in 9a gezeigt, berührt und überlappt das Außenband 543b der
zweiten Wicklung das Zwischenband 542a der ersten Wicklung;
das Zwischenband 542b des zweiten Wicklung berührt und überlappt das
Innenband 541a der ersten Wicklung; und das Außenband 543c und
das Zwischenband 542c der dritten Wicklung berühren und überlappen
das Zwischenband 542b bzw. das Innenband 541b der
zweiten Wicklung. Wie ebenfalls am besten in 9a zu sehen,
kann das Maß an Überlappung
von einer Wicklung zur nächsten
gesteuert werden, indem man die Geschwindigkeit steuert, mit der
der Walzenkern durch die Hebevorrichtung 185 abgesenkt
wird. Wenn also das Formband 440 aufgewickelt wird, so führt dies,
wie in den 9, 9a und 10 gezeigt,
zu einer dreilagigen zylindrischen Gestalt, die das Innenband 541,
das Zwischenband 542 und das Außenband 543 umfasst.
Das Band 440, das aus der in 9b gezeigten
zweilagigen Konstruktion besteht, führt, wenn es so aufgewickelt
wird, wie es in Verbindung mit dem dreilagigen Aufbau beschrieben wurde,
zu einer zylindrischen Gestalt. Das zylindrisch geformte Formband 440 umgibt
den stoffüberzogenen
Walzenkern in einem Abstand dergestalt, dass eine Damm- oder Aufbringungszone 505 entsteht,
in der ein Filament 510 aus Polymermaterial extrudiert werden
kann (wie am besten in 9 zu sehen). Die Aufbringungszone 505 wird
durch den Raum. zwischen der Innenseite des schraubenförmig gewundenen
Formbandes 440 und der Außenseite der trockenen Glasfaserschicht 332 oder
der Außenseite
des Metallwalzenkerns 322 definiert.
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Während das
Formband 440 die Aufbringungszone 505 bildet,
extrudiert der Extruder 410 das Filament 510 aus Polymermaterial
auf die Glasfaserschicht 332 (oder auf die Außenseite
des Walzenkerns, wenn keine Glasfaserschicht 332 verwendet
wird). Wie oben besprochen, kann das Filament 510 aus einem
Zweilagenaufbau bestehen, der eine Unterschicht mit hohem Glasgehalt
und eine Außenschicht
mit niedrigem Glasgehalt umfasst. Das Formband 440 fungiert
als eine Art Stütze,
um ein Durchhängen
des Filaments 510 vor dem Aushärten zu vermeiden. Es definiert
des Weiteren den Außendurchmesser
des Filaments 510. Durch die Drehbewegung des Drehtisches 400 bewegt
sich der Extruder 410 in einer Kreisbahn um den Walzenkern 320 herum.
In Kombination mit dem langsamen Absenken des stoffüberzogenen
Walzenkerns 320 von der angehobenen Position zu der abgesenkten
Position innerhalb der zentralen Öffnung 180 bewirkt
dies, dass das kontinuierlich extrudierte Filament 510 zuerst
auf die Außenfläche des
Verlängerungssegments 340,
das sich am unteren Ende 319 des Walzenkerns befindet,
schraubenförmig
aufgewickelt wird. Die erste Wicklung des Filaments 510 wird durch
den Distanzring 355 gestützt. Die nachfolgenden Wicklungen
des Filaments 510 werden durch die vorangegangene Schicht
gestützt,
die während
der vorherigen Umdrehung aufgewickelt wurde. Anschließende Wicklungen
des Filaments 510 werden von unten nach oben auf die Glasfaserschicht 332 und
danach auf das Verlängerungssegment 340,
das sich am oberen Ende 317 des Walzenkerns befindet, aufgewickelt.
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Auf
diese Weise verhindert eine Glasfasermatte 332 mit einem
sehr niedrigen Wärmeleitungskoeffizienten
und einer hohen Temperaturbeständigkeit
ein übermäßig rasches
Abkühlen
und verhindert des Weiteren den Aufbau von Restspannungen und Rissbildung
im Filament 510 während
des Abkühlens.
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Das
Filament 510 kann mittels verschiedener Speisen 411 in
einer zuvor festgelegten Dicke, die für den Kunden geeignet ist,
beispielsweise zwischen 7 mm und 25,4 mm (0,300 Inch und 1,000 Inch),
extrudiert werden. Um das Filament 510 auf verschiedene
Walzenkerngrößen aufbringen
zu können,
sind der Extruder 410, die Induktionsheizvorrichtung 420 und
die Formbandabgabevorrichtung 430 – wie am besten in 3 zu
sehen – alle
auf einer beweglichen Plattform 512 montiert, die beweglich
in einer Mehrzahl von Längsschlitzen 514,
die im Drehtisch 400 angeordnet sind, gehalten werden.
Auf diese Weise kann die Plattform 512 in den Längsschlitzen 514 verschoben
werden, um den Abstand der auf der Plattform montierten Vorrichtungen
zur Walzenkernaußenoberfläche 322 einzustellen,
so dass eine Positionierung des Filaments 510 vor dem Aufbringen
auf die trockene Glasfaserschicht 332 oder die Walzenkernaußenoberfläche 322 möglich ist.
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Wie
oben angesprochen, dreht sich der Walzenkern 320 während des
schraubenförmigen
Aufwickelns des Filaments 510 nicht, während der Extruder 410 um
den Walzenkern 320 herum gedreht wird, anstatt dass der
Walzenkern 320 gedreht wird und der Extruder 410 und
die anderen auf der Plattform montierten Vorrichtungen still stehen.
Mit diesem Verfahren wird die Entstehung unerwünschter Zentrifugalkräfte vermieden,
die das extrudierte Filament 510 während des schraubenförmigen Aufwickelns von
der Walzenkernaußenoberfläche 322 wegtreiben würden, wodurch
die Verbondung zwischen dem extrudierten Filament 510 und
der trockenen Glasfaserschicht 332 beeinträchtigt werden
würde.
Die Zentrifugalkraft wirkt sich nachteilig aus, wenn sehr große Walzendurchmesser
mit Harzmaterialien, die eine relativ geringe Viskosität aufweisen
oder relativ langsam aushärten,
bei hohen Produktionsraten, d. h. einer hohen Rotationsgeschwindigkeit,
zu beschichten sind. Beim Aufbringen des kontinuierlichen Filaments 510 auf
den Walzenkern 320 in vertikaler Ausrichtung wird auch
die Schwerkraft genutzt, um das Filament 510 auf die Stützschicht
zu packen.
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Danach
lässt man
den beschichteten Walzenkern abkühlen,
während
er sich in der zentralen Öffnung 180 befindet.
(Alternativ kann der beschichtete Walzenkern auch aus der Vorrichtung 10 herausgenommen
und in einen Ofen oder eine andere wärmeisolierte Kammer eingebracht
werden, um die Abkühlungsrate
des beschichteten Walzenkerns zu steuern.)
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Wenn
eine Glasfasermatten-Unterschicht vorhanden ist, wird der Walzenkern
nach Beendigung des Abkühlens
für das
Einbringen von Epoxidharz in die fest aufgewickelte Glasfasermattenschicht 332 vorbereitet,
indem Löcher
durch das Formband 440 und die Polymerschicht 510 in
das Innere der Glasfasermattenschicht 332 hinein gebohrt
werden. Wie am besten in den 23 bis 25 zu
sehen, werden (wie am besten in den 23 und 24 zu sehen)
nahe dem unteren Ende 319 des Walzenkerns an den dort gezeigten
Stellen Einlauflöcher
gebohrt, in die dann Ventile 333 eingesetzt werden. Die Ventile 333 werden
jeweils an Leitungen 336 angeschlossen, durch die das Epoxidharz
zugeführt
wird. Ein ähnliches
Ventil 341 wird in ein Vakuumloch eingesetzt, das nahe
dem oberen Ende 317 des Walzenkerns gebohrt ist. Das Vakuumventil 341 wird über eine
Vakuumleitung 343 an eine Vakuumquelle angeschlossen, und
es wird ein Vakuum erzeugt. Das Epoxidharz wird durch die Einlaufventile 333 zugeführt und
fließt
durch die Glasfaserschicht 332. Das zuvor aufgebrachte
Dichtmittel 357 verhindert, dass das Epoxidharz abwärts über das
Verlängerungssegment 340,
das sich nahe dem unteren Ende 319 des Walzenkerns befindet,
herausläuft.
Indem man das Vakuumventil 341 in einer Ebene hält, die über der
Ebene der Einlaufventile 333 liegt, wird gewährleistet,
dass Luftblasen in der Glasfasermatte 332 während des
Einbringens des Epoxidharzes durch das Vakuumventil 341 entweichen.
Es kommt der Moment, wo das Epoxidharz aus dem Vakuumventil 341 heraustritt.
Wenn das geschieht, werden alle Ventile 333 und 341 geschlossen.
Dann lässt man
das Epoxidharz gelieren.
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26 veranschaulicht
ein anderes Verfahren zum Vorbereiten des Walzenkerns auf das Einbringen
des Epoxidharzes in die Glasfasermattenschicht 332. Bei
diesem Verfahren werden Durchgangslöcher durch das Verlängerungssegment 340, das
sich nahe dem unteren Ende 319 des Walzenkerns befindet,
und in das Innere der Glasfasermattenschicht 332 unmittelbar
oberhalb der Stelle des Dichtmittels 357 gebohrt, woraufhin
Ventile 333 in diese Löcher
eingesetzt werden. Dann kann der beschichtete Walzenkern mit dem
darauf gewickelten Formband 440 aus der Vorrichtung 10 herausgenommen
und horizontal in einen Ofen eingebracht werden, um das Epoxidharz
auszuhärten,
während
der Walzenkern gedreht wird.
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Als
nächstes
wird das Formband 440 von der Außenfläche des Polymermaterials 510 abgewickelt. Wie
am besten in 27 zu sehen, hat die Schicht aus
Polymermaterial 510 eine aufgeraute Oberfläche. Diese
wird maschinell auf einen gewünschten Glättungsgrad
gebracht, indem der beschichtete Walzenkern horizontal in eine Drehbank 520 eingespannt
wird und die Außenfläche der
Polymerschicht 510 mittels eines geeigneten Schneidwerkzeugs 525 auf
einen zuvor festgelegten Glättungsgrad 515 gearbeitet
wird, wie in 28 gezeigt.
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Der
nächste
Schritt des Prozesses besteht darin, die Schicht aus Polymermaterial 510 bis
zur Walzenkernaußenoberfläche 322 zu
durchtrennen und die beiden Verlängerungssegmente 340 an
deren Enden zu entfernen. Die Kanten können leicht angefast werden
(nicht gezeigt), so dass eine fertige Walze entsteht, die an den
Kunden zurückgeschickt werden
kann. Die fertige beschichtete Walze ist bei 550 in 29 mit
entfernten Verlängerungssegmenten 340 und
entferntem Zwischenstück 350 gezeigt. Eine
typische beschichtete Walze gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem Durchmesser von 51 cm (20 Inch) und 3,81 cm
(150 Inch) Länge
weist eine Kombination aus verbesserten Pro duktleistungseigenschaften
auf, beispielsweise: eine erreichbare Oberflächenrauigkeit zwischen 0 und
2 Ra Mikro-Inch,
ein Youngscher Modul zwischen 650.000 und 1.000.000 psi, eine Überzugshärte zwischen
87 und 83 Shore D und eine Glasübergangstemperatur Tg von etwa 220°C (430°F).
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Repräsentative
Kalandrierwalzen, die gemäß der vorliegenden
Erfindung behandelt werden können,
reichen in der Länge
von 2,54 m (100 Inch) bis 7,64 m (300 Inch) und im Durchmesser von
25,4 cm (10 Inch) bis 91,4 cm (36 Inch) nach dem Aufbringen des Überzugsmaterials
auf den Walzenkern. Typische Walzen für die Herstellung von Magnetband reichen
in der Länge
von 25,4 cm (10 Inch) bis 101,6 cm (40 Inch) und im Durchmesser
von 12 cm (6 Inch) bis 50,8 cm (20 Inch) nach dem Aufbringen des Überzugsmaterials
auf den Walzenkern. (Die oben genannten Längen und Durchmesser sind nur
Beispiele.) Die Walzenkerne können
nutzbringend in der Textilherstellung verwendet werden und können Abmessungen
aufweisen, die außerhalb
dieser Bereiche liegen.
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In 12 ist
eine Vorrichtung 700 zur Herstellung des mehrlagigen Formbandes 440 gezeigt. Die
Vorrichtung 700 umfasst Zufuhrrollen 705, 710 und 715,
auf denen jeweils ein Einzelband aufgewickelt ist. Ein Aufnahmerad 720,
das über
einen Treibriemen 730 mit einer motorgetriebenen Riemenscheibe 725 verbunden
ist, zieht die Einzelbänder 541, 542 und 543 gleichzeitig
von ihren jeweiligen Zufuhrrollen 705, 710 bzw. 715 und
transportiert sie mit einer kontinuierlichen Geschwindigkeitsrate durch
eine Ausrichtungsvorrichtung 735 und auf die Oberfläche eines
gerundeten Backen 740. Der gerundete Backen 740 hält die Einzelbänder in
einer gebogenen Position, während
eine darüber
angeordnete Schweißvorrichtung 736 die
Einzelbänder
mittels Heftschweißung
in bestimmten Abständen
aneinander befestigt, während
die unter der Schweißvorrichtung
hindurchgezogen werden, so dass ein Formband 440 mit einem
zuvor festgelegten Krümmungsradius
entsteht. Jede der Zufuhr rollen 705, 710 und 715 ist
mit einer Bremse 716 ausgestattet, um während der Herstellung des Formbandes 440 die
Zugspannung der Einzelbänder
einstellen zu können. Das
resultierende Formband 440 wird auf das Aufnahmerad 720 gewickelt.
Das Aufnahmerad 720 mit dem darauf aufgewickelten fertigen
Formband 440 kann aus der Vorrichtung 700 entnommen
und in die auf dem Drehteller montiere Formbandabgabevorrichtung 430 eingesetzt
werden.
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Wenden
wir uns den 13 und 14 zu. Die
Ausrichtungsvorrichtung 735 dient der gleichzeitigen Aufnahme
der Einzelbänder 541, 542 und 543 von
den Zufuhrrollen 705, 710 bzw. 715 und
dem Ausrichten der Einzelbänder
zueinander in einer im Wesentlichen parallelen und teilweise überlappenden
Weise, während
sie die Ausrichtungsvorrichtung durchlaufen, so dass das in 8 gezeigte
Formband 440 entsteht. Die Ausrichtungsvorrichtung 735 umfasst
einen oberen Abschnitt 750 und einen unteren Abschnitt 755,
welche durch Schrauben 760 so miteinander verbunden werden
können,
dass ein umschlossener Kanal 761 entsteht, wie am besten
in 13 zu sehen. Der untere Abschnitt 755 der
Ausrichtungsvorrichtung 735 enthält eine Rinne 770,
einen ersten Absatz 772 oberhalb der Rinne 770 und einen
zweiten Absatz 774 oberhalb des ersten Absatzes 772,
die zusammen einen Boden des umschlossenen Kanals 761 bilden.
Die Rinne 770 ist so bemessen, dass sie die gesamte Breite
und Dicke des Innenbandes 541 aufnehmen kann, wenn das
Einzelband den umschlossenen Kanal 761 durchläuft. Der erste
Absatz 772 ist so bemessen, dass er nur einen Abschnitt
der Breite des Zwischenbandes 542 aufnehmen kann, wobei
die übrige
Breite des Zwischenbandes 542 teilweise über dem
Innenband 541 liegt, wenn es den umschlossenen Kanal 761 durchläuft. Der
zweite Absatz 774 ist so bemessen, dass er nur einen Abschnitt
der Breite des Außenbandes 543 aufnehmen
kann, wobei die übrige
Breite des Außenbandes 543 teilweise über dem
Zwischenband 542 liegt, wenn es den umschlossenen Kanal 761 durchläuft.
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Der
obere Abschnitt 750 umfasst des Weiteren einander gegenüberliegende
Wände 751 und 752,
die sich abwärts
erstrecken. Die Wand 751 enthält eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen
(beispielsweise drei), die auf eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen
(beispielsweise drei), die sich in der gegenüberliegenden Wand 752 befinden,
ausgerichtet sind, um Walzen zwischen den Wänden und innerhalb des umschlossenen
Kanals 761 parallel zueinander zu halten. Jede Walze enthält eine
Mittelachse 756a und hat eine erste Schulter 758,
eine zweite Schulter 762 und eine dritte Schulter 764,
wobei die erste Schulter 758 einen geringfügig größeren Durchmesser
aufweist als die zweite Schulter 762 und die zweite Schulter 762 einen
geringfügig
größeren Durchmesser
aufweist als die dritte Schulter 764. Die erste Schulter 758 ist
in dem Kanal 761 in einem Abstand zur Rinne 770 dergestalt
angeordnet, dass dazwischen nur das Innenband 541 passieren
kann. Die zweite Schulter 762 ist in dem Kanal 761 in
einem Abstand zu dem ersten Absatz 772 dergestalt angeordnet,
dass dazwischen nur das Zwischenband 542 passieren kann.
Gleichermaßen
ist die dritte Schulter 764 in dem Kanal 761 in
einem Abstand zu dem zweiten Absatz 774 dergestalt angeordnet,
dass dazwischen nur das Außenband 543 passieren
kann. Auf diese Weise gewährleistet
die Ausrichtungsvorrichtung 735 die ordnungsgemäße Ausrichtung
der Einzelbänder 541, 542 und 543 in
einer im Wesentlichen parallelen und überlappenden Weise während des Schweißens, dergestalt,
dass das Formband 440 entsteht. Der untere Abschnitt 755 ist
des Weiteren mit Führungsrollen 776 versehen,
um den Durchlauf der Einzelbänder
durch den umschlossenen Kanal 761 hindurch zu erleichtern.
Außerdem
ist am unteren Abschnitt 755 ein V-förmiger Eintritt 778 vorhanden,
um die Einzelbänder 541, 542 und 543 aufzunehmen
und sie durch die Ausrichtungsvorrichtung 735 zu leiten.
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Der
in den 15, 17 und 18 gezeigte
gerundete Backen 740 stützt
die Einzelbänder 541, 542 und 543 in
einem zuvor festgelegten Krümmungsradius,
während
sie über den
Backen transportiert und mit der Schweißvorrichtung 736 mittels Heftschweißung aneinandergefügt werden.
Der gerundete Backen 740 umfasst ein Paar voneinander beabstandeter
ortsfester Elemente 780 und ein verstellbares Element 782.
Jedes ortsfeste Element 780 enthält eine gerundete Oberseite 780a zum
Stützen aufeinander
ausgerichteter Bänder 440,
während
sie darüber
gezogen werden. Wie am besten in 18 zu
sehen, sind die ortsfesten Elemente 780 an der Vorrichtung 700 beispielsweise
durch Schrauben 781 befestigt. Wie in 17 zu
sehen, befindet sich das verstellbare Element 782 zwischen
den ortsfesten Elementen 780 und enthält eine gerundete Oberseite 782a zum
Stützen
aufeinander ausgerichteter Einzelbänder 440, während sie
zum Schweißen
darüber gezogen
werden. Wie am besten in 18 zu
sehen, ist das verstellbare Element 782 an der Vorrichtung beispielsweise
durch Schrauben 781 befestigt. Wie am besten in 17 zu
sehen, enthält
das verstellbare Element 782 einen vertikalen Schlitz 783,
der in einer Ausnehmung 785 angeordnet ist. Die Schrauben 781 befinden
sich in der Ausnehmung 785 und erstrecken sich dergestalt
durch den Schlitz 783, dass das verstellbare Element 782 vertikal
von einer unteren Position (durch die unterbrochene Linie in 17 angedeutet)
durch eine Anzahl von Einstellpositionen zu einer oberen Position
bewegt werden kann (durch die durchgehende Linie in 17 angedeutet).
In der unteren Position verlaufen die aufeinander ausgerichteten
Bänder 440 (durch
die unterbrochene Linie in 17 angedeutet) über die
Oberseiten der ortsfesten Köpfe 780a und
des verstellbaren Kopfes 782a hinweg und werden darauf
in einem maximalen Krümmungsradius
gehalten. Des Weiteren sind Markierungen 787 auf den ortsfesten
Elementen 780 und dem verstellbaren Element 782 angebracht,
mit deren Hilfe ein Benutzer einen gewünschten Krümmungsradius des Formbandes 440 exakt
einstellen kann. Indem die Einzelbänder mittels Heftschweißung miteinander
verbunden werden, während
sie über
dem gerundeten Backen liegen, werden die Einzelbänder dergestalt unter einem
ge wünschten
Krümmungsradius
miteinander verbunden, dass das Formband 440 entsteht.
In der oberen Position verlaufen die aufeinander ausgerichteten Bänder 440 (durch
die durchgehende Linie in 17 angedeutet) über die
Oberseiten der ortsfesten Köpfe 780a und
des verstellbaren Kopfes 782a hinweg und werden darauf
in einem engen Krümmungsradius
gehalten. Wenn die Einzelbänder
mittels Heftschweißung
miteinander verbunden werden, so nimmt das resultierende Formband 440 diesen Krümmungsradius
an.
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Die
Schweißvorrichtung 736 hat
kreisförmige Schweißköpfe 784 und 786,
die über
elektrische Kontaktbürsten 790 mit
einer Spannungs-/Stromquelle 788 (12) in
elektrischer Verbindung stehen. Der Schweißkopf 784 berührt das
Zwischenband 542 in dem Bereich, in dem es über dem
Innenband 541 liegt. Gleichermaßen berührt der Schweißkopf 786 berührt das
Außenband 543 in
dem Bereich, in dem es über
dem Zwischenband 542 liegt. Wenn die Einzelbänder 541, 542 und 543 über den
gerundeten Backen gezogen werden, drehen sich die Schweißköpfe 784 und 786,
während
sie mit diesen Einzelbändern
in Kontakt bleiben. Die Spannungs/Stromquelle 788 gibt über den
Schweißkopf 784 in
regelmäßigen Abständen einen
Spannungs-/Stromstoß ab,
wodurch die Einzelbänder 542 und 541 mittels
einer Mehrzahl von Heftschweißungen 444 aneinander befestigt
werden (wie am besten in 8 zu sehen). Gleichermaßen wird über den
Schweißkopf 786 in
regelmäßigen Abständen ein
Spannungs/Stromstoß abgegeben,
wodurch die Einzelbänder 543 und 542 mittels
einer Mehrzahl von Heftschweißungen 444 aneinander
befestigt werden (wie ebenfalls am besten in 8 zu sehen).
Alternativ kann das verstellbare Element 782a des gerundeten
Backens 740 in der vorliegenden Erfindung durch eine Rolle
ersetzt werden, deren Oberfläche
maschinell entsprechend bearbeitet ist, um die Mehrzahl aufeinander
ausgerichteter Einzelbänder 440 stützen zu
können,
während
sie zum Schweißen
darüber
hinwegtransportiert werden.
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Wenden
wir uns den 2 und 9 zu. Hier
ist zu sehen, wie ein Walzenkern 320 mit der darüber gewundenen
Glasfasermatte 332 zwischen dem Spannkopf 230 und
dem Spannkopf 325 angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung
erwägt
auch klar die Verwendung der im vorliegenden Text beschriebenen
Vorrichtung zum Beschichten eines Metallwalzenkerns nur mit einem
Polymermaterial, wobei das Polymermaterial direkt auf die Außenoberfläche des
Walzenkerns aufgebracht wird, ohne dass dazwischen eine Fasermatten-Unterschicht
angeordnet ist. Ein solcher Walzenkern, bei dem das Polymermaterial
ohne eine Fasermatten-Unterschicht direkt auf die Außenoberfläche des
Walzenkerns aufgebracht ist, ist in 10a veranschaulicht.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung könnte somit ein Walzenkern,
der nicht mit einer Glasfasermatte 325 überzogen ist, zwischen dem
Spannkopf 230 und dem Spannkopf 325 angeordnet
werden, um eine Polymerschicht in erfindungsgemäßer Weise direkt auf die Außenoberfläche des
Walzenkerns aufzubringen. Wenn der Walzenkern in dieser vertikalen
Ausrichtung in der Vorrichtung 10 angeordnet wird, so umfasst
er ein oberes Ende 317 und ein unteres Ende 319.
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Vor
dem Einsetzen wird um die Außenoberfläche des
Kerns eine trockene Glasfasermattenschicht 332 gewickelt.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die Herstellung von Walzenkernüberzügen beschränkt, die
eine mit Harz getränkte
Fasermatten-Unterschicht beinhalten, wie beispielsweise in 9 gezeigt.
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Die
Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. Bei
dem Überzug
kann es sich um jedes beliebige thermoplastische Material, vorzugsweise
um ein Hochleistungs-Thermoplastmaterial, handeln. Der Überzug kann
auch aus anderen Materialien hergestellt werden, wie beispielsweise
aus extrudierbaren Elastomeren wie beispielsweise Gummisorten oder
weiterverarbeitungsfähige Urethane
und hoch-viskose Duroplastharze wie beispielsweise Polyurethane
und Epoxide. Bei dem Infiltrationsharz kann es sich um ein Epoxid,
ein Cyanatester, ein Vinylester oder ein phenolisches oder sonstiges
niedrig-viskoses Duroplastharz handeln. Die Verstärkungsfasermatten
bestehen vorzugsweise aus Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern
(beispielsweise Kevlar) oder aus anderen mineralischen oder metallischen
hoch-festen Fasern. Die Vorrichtung kann auch dazu verwendet werden,
andere Beschichtungen auf andere Substrate aufzubringen.