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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Verstärkungsfasern und Verbundmaterialien
und insbesondere die Herstellung von Glasfäden aus einer Vielzahl von
Filamenten.
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Die
Herstellung von verstärkenden
Glasfäden
erfolgt bekanntermaßen
aus Glasstrahlen, die aus den Öffnungen
von Spinndüsen
fließen.
Diese Glasstrahlen werden zu endlosen Filamenten gezogen und zu
Basisfäden
vereinigt, die anschließend gesammelt
werden.
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Vor
der Vereinigung zu Fäden
werden die Filamente mittels Durchlauf über eine Beschichtungsvorrichtung
mit einer Schlichte überzogen.
Diese Beschichtung ist für
die Herstellung der Fäden
erforderlich und erlaubt deren Verbindung mit anderen organischen
und/oder anorganischen Materialien zur Herstellung von Verbundmaterialien.
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Dabei
dient die Schlichte in erster Linie als Gleitmittel und schützt die
Fäden vor
Abrieb, der aus der Reibung der Fäden an verschiedenen Organen bei
hoher Geschwindigkeit während
des zuvor beschriebenen Verfahrens resultiert.
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Die
Schlichte kann auch, insbesondere nach einer Polymerisation, die
Integrität
dieser Fäden,
d.h. die Verbindung der Filamente im Faden miteinander, sicherstellen.
Diese Integrität
ist insbesondere für textile
Verwendungen erwünscht,
wo die Fäden
starken mechanischen Spannungen unterliegen. Falls die Filamente
nicht sehr fest miteinander verbunden sind, brechen sie leichter
und stören
den Betrieb der Textilmaschinen. Nicht integrierte Fäden werden
außerdem
als schwierig zu handhaben angesehen.
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Die
Schlichte wird jedoch auch dann verwendet, wenn diese Integrität nicht
erwünscht
ist, wie bei Verstärkungsfasern,
wenn eine hohe Geschwindigkeit der Imprägnierung mit dem zu verstärkenden Material
erwünscht
ist. So werden bei spielsweise bei der Herstellung von Rohren durch
Verfahren mittels direkter Imprägnierung
und Aufwickeln der Filamente offene Fäden verwendet, in welchen die
Filamente voneinander getrennt sind. Dabei werden geringe Schlichtemengen,
insbesondere von weniger als 0,5 Gew.-%, eingesetzt.
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Die
Schlichte erleichtert auch das Benetzen und/oder Imprägnieren
der Fäden
mit dem zu verstärkenden
Material und unterstützt
Bindungen, die zwischen diesen Fäden
und diesem Material geschaffen werden. Dabei sind von der Qualität der Haftung
des Materials an den Fäden
und dem Vermögen,
die Fäden
mit dem Material zu benetzen und/oder zu imprägnieren, insbesondere die mechanischen
Eigenschaften der Verbundmaterialien abhängig, die aus dem Material
und den Fäden
erhalten werden.
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Die
meisten der gegenwärtig
verwendeten Schlichten sind wässrige
Schlichten, die einfach zu handhaben sind, aber, um Wirkung zu zeigen,
in großen
Mengen auf die Filamente aufgebracht werden müssen. Das Wasser macht im Allgemeinen
mehr als 90 Gew.-% dieser Schlichten aus (insbesondere aus Gründen der
Viskosität),
was dazu zwingt, die Fäden vor
ihrer Verwendung zu trocknen, da das Wasser die ordnungsgemäße Haftung
zwischen den Fäden
und dem zu verstärkenden
Material beeinträchtigen
kann. Diese Trocknungsvorgänge
sind langwierig, teuer, ihre Wirksamkeit ist nicht immer optimal
und sie verlangen den Einsatz von Trockenöfen mit großer Kapazität. Weiterhin erfordern sie,
wenn sie während des
Spinnvorgangs (d.h. vor dem Sammeln der Fäden, die durch Vereinigung
der Filamente erhalten worden sind) mit den Filamenten (WO 92/05122) oder
Fäden (
US-A 3 853 605 )
durchgeführt
werden, Trocknungsvorrichtungen unter jeder Spinndüse, und wenn
sie mit den Fadenspulen durchgeführt
werden, besteht die Gefahr einer unregelmäßigen und/oder selektiven Migration
von Schlichtekomponenten in die Spulen (wässrige Schlichten haben bereits
die Tendenz, sich aufgrund ihres Charakters auf den Fäden unregelmäßig zu verteilen)
und gegebenenfalls von Färbungsphänomen an
den Fäden
oder einer Verformung von Spulen. Andererseits wird eine Verformung
von Spulen oft ohne Trocknung bei Spulen aus feinen Fäden (d.h.
die einen "Titer" oder eine "längenbezogene Masse" von 300 bis 600
tex (g/km) oder weniger besitzen) mit geraden Rändern (Rovings), die mit einer
wässrigen
Schlichte überzogen sind,
beobachtet.
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Um
diese Nachteile zu beheben, ist ein neuer Typ einer Schlichte entwickelt
worden, der praktisch lösemittelfrei
ist und als wasserfrei bezeichnet wird. Die wasserfreien Schlichten
sind polymerisierbare und/oder vernetzbare Lösungen, die gegebenenfalls
organische Lösungsmittel
und/oder Wasser in kleinen Anteilen, im Allgemeinen von weniger
als 5 Gew.-%, enthalten. Sie unterscheiden sich vorteilhafterweise
von wässrigen
Schlichten durch ihr Vermögen,
sich homogen und gleichmäßig auf
der Oberfläche
der Filamente verteilen zu können,
d.h., dass sie Filme mit konstanter Dicke bilden und durch sie eine anschließende Trocknung
oder Entfernung des Lösungsmittels überflüssig wird,
da dessen geringe Menge beim Aufbringen der Schlichte auf die Filamente
und der Polymerisation dieser Schlichte verdampft.
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Weiterhin
ist die Menge der wasserfreien Schlichte, die auf den Filamenten
aufgebracht wird, deutlich geringer als die einer wässrigen
Schlichte; so bildet sie beim Beschichten mittels einer Beschichtungswalze
auf deren Oberfläche
einen Film, dessen Dicke bei einer wasserfreien Schlichte keine 15 μm erreicht,
anstelle eines Films mit einer Dicke von 90 μm bei einer wässrigen
Schlichte. Diese geringere Menge einer wasserfreien Schlichte wird
außerdem
auf die Filamente mit einem deutlich höheren Wirkungsgrad aufgebracht,
der bei sorgfältiger
Auswahl der Betriebsbedingungen 100% erreichen kann, während dieser
Wirkungsgrad bei wässrigen
Schlichten im Allgemeinen etwa 40 bis 75% beträgt.
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Die
wasserfreien Schlichten lassen sich grundsätzlich in drei Kategorien unterteilen.
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In
der ersten finden sich die Schlichten, die durch Ultraviolettstrahlung
polymerisierbar sind, wie sie im Patent
EP 0 570 283 beschrieben sind, und beispielsweise
umfassen:
- – mindestens
ein einfach oder mehrfach ungesättigtes
Monomer und/oder Oligomer vom Typ Polyesteracrylat, Epoxyacrylat,
Siliconverbindung und Urethanacrylat,
- – mindestens
einen Photoinitiator wie Benzoin, Acetophenon, Benzophenon, Sulfonylacetophenon
und ihre Derivate sowie Thioxanthone,
- – gegebenenfalls
mindestens ein organisches Lösungsmittel
und gegebenenfalls
- – Additive
wie mindestens ein Netzmittel, ein haftungsverstärkendes Mittel, ein Antischrumpfmittel und
ein Haftmittel, das speziell aus einem Silan besteht.
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Die
zweite Kategorie wasserfreier Schlichten ist diejenige der thermisch
polymerisierbaren und/oder vernetzbaren Schlichten, wie sie in den
Patentanmeldungen
FR 2 713 625 und
FR 2 743 361 beschrieben
sind.
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Beispielhaft
umfasst das Basissystem dieser Zusammensetzungen:
- – einen
acrylischen Bestandteil und ein thermisch radikalisierbares Peroxid
als Starter oder
- – einen
Epoxy-Bestandteil und einen Anhydridbestandteil, die polymerisieren,
indem sie miteinander reagieren.
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Die
dritte Kategorie wasserfreier Schlichten ist Bestandteil der Lehre
der Patentanmeldung
FR 2 763
328 : Dabei handelt es sich um bei Umgebungstemperatur polymerisierbare
Schlichten, deren Basissysteme ein oder mehrere ohne äußere Energiezufuhr
homopolymerisierbare Monomere und/oder mindestens zwei copolymerisierbare
Monomere enthalten können.
Im Falle einer Copolymerisation von zwei Monomeren oder Gemischen
aus Monomeren können
sie auf die Filamente in Form ihres gelösten Gemischs, unmittelbar
nachdem das Gemisch gebildet worden ist, oder in Form einer stabilen
ersten Lösung,
die das erste Monomer oder Monomer gemisch enthält, und einer zweiten stabilen
Lösung,
die das zweite Monomer oder Monomergemisch enthält, aufgebracht werden. Bei
letzterer Variante wird die erste Lösung auf die Filamente und
die zweite Lösung
später
aufgebracht, spätestens
bei der Vereinigung der Filamente zu Fäden. Unabhängig davon setzt die Copolymerisation
im Allgemeinen schon ein, wenn das erste und das zweite Monomer
oder die Monomergemische auf den Filamenten und gegebenenfalls mit dem/den
erforderlichen Katalysator/en miteinander in Berührung gebracht werden.
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Die
Behandlungen mit Ultraviolettstrahlung und die Wärmebehandlungen, die für die Polymerisation
der Schlichten der zwei ersten Typen erforderlich sind, werden auf
einmal oder mehrmals nach Vereinigung der Filamente zu Fäden durchgeführt. So
wird mitunter je nach der vorgesehenen Verwendung und dem Charakter
der Fäden
eine vorbehandelnde Bestrahlung oder Erwärmung zum Zeitpunkt des Sammelns
der Fäden
zu diversen Formen von Spulen derart durchgeführt, dass die Schlichte präpolymerisiert
wird, deren eigentliche Polymerisation dann bei einer späteren Bestrahlung
oder Erwärmung
erfolgt, wenn der Faden abgewickelt wird, um speziell dort, wofür er vorgesehen
ist, als textiler Faden oder als Verstärkung für organische oder anorganische
Materialien eingesetzt zu werden. Der mit der noch nicht polymerisierten
Zusammensetzung überzogene
Faden besitzt keine Integrität
im eigentlichen Sinne, da die umhüllten Filamente, die ihn bilden,
aneinander gleiten können.
Dieser Faden ist dann leicht handhabbar und, falls er zur Form von
Spulen aufgewickelt wird, kann er leicht von diesen abgezogen werden,
ohne dass zuvor die Schlichte polymerisiert werden müsste. Der
Faden, der mit der noch nicht polymerisierten Schlichtezusammensetzung überzogen ist,
hat weiterhin ein sehr gutes Vermögen, sich mit dem zu verstärkenden
Material benetzen und imprägnieren
zu lassen, wobei die Imprägnierung
schneller (Produktivitätserhöhung) erfolgen
kann und die erhaltenen Verbundmaterialien ein gleichmäßigeres Aussehen
und bestimmte verbesserte mechanische Eigenschaften besitzen.
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Wie
im Patent
EP 0 570 283 beschrieben, kann
die Polymerisation einer Schlichte durch Bestrahlung eines Fadens
in Form einer Spule mit Ultraviolettstrahlung auch Vorteile haben.
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Eines
der Probleme, die mit aller Schärfe
bei der Herstellung von Fäden
auftreten, die wenigstens teilweise aus Glas bestehen, ist dasjenige
des Zerbrechens, das man soweit wie möglich verhindern will. Wenn
ein oder mehrere Filamente, die vorgesehen sind, den Faden zu bilden,
zu zerbrechen beginnen, treten schnell gravierende Konsequenzen
auf. In erster Linie ist zu betonen, dass die Schlichte, mit welcher
die Filamente überzogen
sind, als Klebstoff wirkt; wenn ein so mit Schlichte überzogenes
Filament bricht, hat es eine umso größere Neigung, an den Elementen,
mit welchen es sich in Berührung
befindet, anzuhaften, je klebfähiger
es ist. Dabei besteht die Gefahr, dass es in sich drehende Mechanismen
hineingezogen wird, wodurch weitere Filamente herausgerissen werden,
die bis dahin ihre Integrität behalten
hatten, und es die Bildung von Spulen bewirkt, die in der Lage sind,
Elemente zum Aufbringen der Schlichte wie Filz und Rakel zu beschädigen oder die
Oberfläche
der Beschichtungswalzen zu zerkratzen.
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Darüber hinaus
hat das Zerbrechen eines oder mehrerer Filamente als weitere gravierende Konsequenz
die Bildung von Tropfen, die aus geschmolzenem Material, insbesondere
Glas, bestehen, deren Herabfallen die Gefahr eines Brandes bedeutet,
beispielsweise durch eine mehr oder weniger spontane Entzündung der
Schlichte, insbesondere, wenn sie wasserfrei ist. Des Weiteren wird
durch das Herabfallen von Tropfen aus geschmolzenen Filamenten auf
die Beschichtungswalze deren Oberfläche beschädigt, was das regelmäßige Aufbringen
der Schlichte beeinträchtigt
und, nach einer späteren Wiederinbetriebnahme,
neue Bruchvorgänge
verursachen kann.
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Aus
den Dokumenten
US 3 560 178 ,
US 4 036 622 und
FR 2 020 384 des Standes
der Technik sind Verfahren bekannt, welche die Detektion eines vollständigen Bruchs
des Fadens nach Vereinigung der Filamente oder des vollständigen Bruchs
von Filamenten vor der Vereinigung erlauben.
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Ein
anderes Problem tritt auf, wenn der Bruch von am Rand befindlichen
Filamenten stattfindet, das dynamische Gleichgewicht des Systems wird
dann relativ wenig gestört,
sodass der Spinnvorgang und das Aufwickeln weitergehen können, wobei ein
immer feinerer Faden produziert wird. Die Folgen können mehr
oder weniger gravierend sein, insbesondere bei einem Roving, der
zur Herstellung eines Gewebes oder von Netzen vorgesehen ist, für welche eine
bestimmte mechanische Widerstandsfähigkeit erforderlich ist, wie
bei Lochscheiben von Schleifscheiben.
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Daraus
folgt, dass es wichtig ist, das Zerbrechen der ersten Filamente
so früh
wie möglich
zu erkennen, um Maßnahmen
zu ergreifen, die es erlauben, zu verhindern, dass die zuvor beschriebenen Probleme
auftreten oder die Zerstörung
von Polymere enthaltenden Elementen wie Rohre, Elektrodrähte und
Sensorkomponenten stattfindet. Diese Maßnahmen können beispielsweise darin bestehen,
Beschichtungswalze und Spulmaschine anzuhalten und die Schutzhaube
der Beschichtungswalze zu schließen.
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Dazu
hat die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines endlosen Fadens
zum Gegenstand, in welchem eine Vielzahl endloser Filamente durch
mechanisches Ziehen einer Vielzahl von Strahlen aus einem oder mehreren
geschmolzenen wärmeformbaren
Materialien gebildet wird und diese Filamente zu mindestens einem
Faden vereinigt werden. Dieses Verfahren zeichnet sich durch die
Tatsache aus, dass die Spannung, die von einer Gruppe aus einigen
oder allen dieser Filamente ausgeübt wird, ständig überwacht wird, indem das Sinken
der Spannung unter einen festgelegten Wert nachgewiesen wird. Dieser
Wert ist erfindungsgemäß von Fall zu
Fall derart auszuwählen,
dass er den Bruch der kleinstmöglichen
Anzahl von Filamenten mit fast absoluter Sicherheit anzeigt. Deshalb
ist eine hohe Empfindlichkeit des Nachweises notwendig, welche die
Verwendung von zu entwickelnden Anordnungen und eine äußerst genaue
Regelung und/oder spezielle Detektoren, die ebenfalls sehr genau
sind, erfordert.
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Entsprechend
einer besonders praktischen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die kontrollierte
Spannung von der zuvor beschriebenen Gruppe aus Filamenten auf eine
Rolle ausgeübt,
die eine umfängliche
Nut besitzt, in welcher sie geführt werden.
Dabei handelt es sich bequemerweise um die Vereinigungsrolle, in deren
Nut eine Vielzahl von Filamenten mit verschiedenen einfallenden,
konvergierenden Richtungen derart geführt wird, dass sie ein einziges
Vorgarn, das Zwischenprodukt bei der Herstellung des Fadens, bilden.
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Dabei
sind die Arten und Weisen der Verbindung der Gruppe aus Filamenten,
deren Spannung durch das Mittel zur Kontrolle dieser Spannung zu kontrollieren
ist, unterschiedlich.
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Gemäß einer
ersten Abwandlung wird die Gruppe aus Filamenten derart mit einem
Hebel verbunden, dass dieser kippt, wenn die kontrollierte Spannung
unter den festgelegten Wert sinkt, wobei dann ein magnetischer Detektor
betätigt
wird. Diese Abwandlung ist in Einzelheiten in der weiter unten folgenden
Beschreibung der Zeichnungen beschrieben.
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Die
zweite und die dritte Abwandlung erlauben vorteilhafterweise den
Einsatz einer fast feststehenden Vereinigungsrolle; ein solches
Merkmal hat, verglichen mit demjenigen, das mit der ersten Abwandlung
erhalten wird, insbesondere den großen Vorteil der Einfachheit
des erneuten Startens der Maschine. Nicht nur, dass diese Ausführungsform
des Verfahrens eine Drehung der Rolle verbietet, sie macht auch
aufgrund des Vorhandenseins von zusätzlichen Einrichtungen, mit
denen die Rolle notwendigerweise ausgerüstet ist, wie Leitungen, Sensoren
und Sprühsysteme
jede weitere Bewegung wenig empfehlenswert. So wird gemäß einer
zweiten und einer dritten Abwandlung die Spannung der Filamente
mittels eines Spannungsmessstreifens kontrolliert, der mit Biegung
bzw. Torsion arbeitet. Ein Spannungsmessstreifen ist in der Lage,
sehr kleine Spannungsschwankungen festzustellen.
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Vorteilhafterweise
ist dann, wie zuvor erläutert,
die Vereinigungsrolle praktisch fest auf einer Welle angebracht.
In einem Fall ist der Spannungsmessstreifen längs in Bezug auf die Welle
derart angebracht, dass er einer Biegung unterliegt, wenn Filamente
brechen, was zu einer Veränderung
der Spannung führt,
die von der Gruppe aus Filamenten auf die Vereinigungsrolle ausgeübt wird.
Im anderen Fall ist die Welle zu einer sehr kleinen Drehung in der Lage,
die von einem Betrachter nicht wahrnehmbar ist, und ist der Spannungsmessstreifen
koaxial in Bezug auf die Achse dieser Drehung derart angebracht, dass
er einer Spannung unterliegt, wenn Filamente brechen.
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Die
Verwendung eines Torsionsdehnungsmessstreifens gemäß der dritten
Abwandlung erlaubt vorteilhafterweise eine kontinuierliche reale
Messung der Fadenspannung. Dies ist bei der zweiten Abwandlung nicht
möglich,
in welcher die detektierte Kraft eine Reibungskomponente enthält, die
in Abhängigkeit
von komplexen Kriterien schwanken kann.
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Entsprechend
der häufigsten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
bestehen alle Filamente, die den Faden bilden, aus Glas. Erfindungsgemäß ist jedoch
die Abwandlung nicht ausgeschlossen, in welcher der Faden aus Glasfilamenten und
Filamenten aus einem zweiten wärmeformbaren, speziell
organischen Material besteht. Dabei können dann ausschließlich die
Glasfilamente mit einer Schlichte oder einem ersten Schlichtebestandteil überzogen
sein und sind die organischen Filamente mit einem zweiten Schlichtebestandteil überzogen, der
gegebenenfalls in der Lage ist, mit dem ersten Bestandteil zu reagieren.
Dabei sind unter organischen Filamenten Filamente aus einem Thermoplast wie
Polyolefin (Polyethylen und Polypropylen), Polyamid oder Polyester
zu verstehen. Diese Polymerfilamente können zwischen die bereits mit
Schlichte überzogenen
Glasfilamente vor der Vereinigung aller Filamente zu einem Faden
geschleudert werden, wie im Patent
EP
0 599 695 beschrieben.
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Weitere
erfindungsgemäße Merkmale
und Vorteile werden anhand der folgenden Beschreibung der im Anhang
befindlichen Zeichnungen näher
erläutert,
wobei die 1 und 2 eine Ausführungsform
der ersten Abwandlung des zuvor beschriebenen Verfahrens ohne bzw.
mit einem Bruch von Filamenten zeigen.
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Eine
Vereinigungsrolle 1 enthält eine umfängliche Nut 2, in
welcher eine Vielzahl von Filamenten mit konvergierenden Richtungen
zu einem Vorgarn 3 vereinigt wird. Die Rolle 1 ist
schwenkbar auf einer Welle 4 angebracht, die ihrerseits
in Be zug auf eine Achse 5 kippbar ist, die sich in einem
Gehäuse 6 befindet.
Sie ist derart festgelegt, dass sie einer Position des Blattes der 1 mit
großer
horizontaler Achse (eine Position, die in den folgenden Erläuterungen
beibehalten wird) und sich nach oben erstreckender größerer Länge, d.h.
in zur Achse 5, ausgehend von der vertikalen Richtung,
verschobenen Position entspricht. Die Welle 4 umfasst an
der Achse 5 eine Metallzunge 7, die im Wesentlichen
zur Welle 4 senkrecht steht. Weiterhin ist im Gehäuse 6 eine
magnetische Detektionszelle 8 angebracht. Ist die Spannung,
die von den Filamenten des Vorgarns 3 auf die Rolle 1 ausgeübt wird,
mindestens gleich einem festgelegten Wert, der von Gewicht und Gestaltung
der Elemente der Vorrichtung abhängig
ist, d.h., wenn beispielsweise alle Filamente des Vorgarns 3 ihre
Integrität
behalten, wie in 1 gezeigt, kompensiert die Kraft,
die von dem Vorgarn 3 auf die Rolle 1 ausgeübt wird,
die in der Zeichnung nach rechts oben ausgerichtet ist, das Gewicht
der Rolle, sodass die Welle 4 in der in 1 dargestellten
Position unbeweglich ist, in welcher sich die Metallzunge 7 vor
der Zelle 8 befindet. Diese liefert, indem sie die Metallzunge 7 detektiert,
eine Spannung von 10 Volt.
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Wenn
im Gegensatz dazu eine solche Anzahl von Filamenten bricht, dass
die vom Vorgarn 3 ausgeübte
Spannung kleiner als der oben genannte festgelegte Wert wird, kompensiert
die vom Vorgarn 3 ausgeübte
Reaktionskraft das Gewicht der Rolle 1 nicht mehr und die
Welle 4 schwenkt im Uhrzeigersinn derart, dass die Metallzunge 7 aus
dem Detektionsfeld der Zelle 8 hinausbewegt wird. Diese
liefert dann eine Spannung von 0 Volt, die Funktionen wie das Anhalten
der Beschichtungswalze, das Schließen ihrer Schutzhaube und das
Anhalten der Spulmaschine, in welcher der erhaltene Faden aufgewickelt
wird, steuert.
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Somit
wird erfindungsgemäß ein Verfahren bereitgestellt,
in welchem ein Zerbrechen des Fadens sehr bald, schon nach dem Brechen
der ersten Filamente und auf jeden Fall bevor das gesamte Vorgarn
bricht, nachgewiesen wird, damit Maßnahmen ergriffen werden können, welche
es erlauben, die Probleme zu vermeiden, die aus dem Zerbrechen folgen
(beispielsweise das Hineinziehen von Fasern in sich drehende Mechanismen,
Ausbreitung und Vergrößerung des
Phänomens
des He rausreißens
von Fasern, Beschädigung
von rotierenden Mechanismen und Brand), bevor sie ein zu großes Ausmaß erreichen.