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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Rohres aus einem Verbundwerkstoff sowie das anhand dieses Verfahrens hergestellte
Rohr aus Verbundwerkstoff, insbesondere zur Herstellung von eine
Hülse tragenden
Zylindern auf dem Gebiet des Druckens.
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Die
papier- und/oder kunststoffverarbeitende Industrie, das gewerbliche
Bedrucken von Zeitungen und/oder Verpackungen sowie die Textilveredelung verlangen
nach einer Verbesserung der Produktivität und somit nach Maschinen
mit größeren Abmessungen
und höheren
Arbeitsgeschwindigkeiten.
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Derartige
Maschinen umfassen im Wesentlichen ein Gestell und Zylinder, die
dazu verwendet werden, die Rolle, auf der der zu verarbeitende Werkstoff
gewickelt ist, anzutreiben bzw. zu führen, aber auch um an dieser
Verarbeitung mitzuwirken, indem sie den Werkstoff beschichten, ausdrücken, kaschieren
bzw. bedrucken.
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Diese
Zylinder bestehen aus Stahl oder aus Aluminium, wobei mit diesen
Werkstoffen jedoch die zur Verbesserung der Produktion bei gleichzeitiger Beibehaltung
der Qualität
der Verarbeitung erforderliche Grenze Masse/Trägheit/Steifheit erreicht ist.
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Durch
die Verwendung von Karbonfasern konnten teilweise diese Grenzen
bezüglich
der Geschwindigkeit und der Breite gesprengt werden.
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So
erhöhte
sich im Flexodruck die Geschwindigkeit von 150 auf 250 m/min und
die Breite vergrößerte sich
von 900 auf 1.200 mm.
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Die
Rotationsdruckmaschinen für
den Zeitungsdruck hingegen arbeiten auf einer Breite von 6 Seiten,
d.h. einer Breite von 2.000 mm und bei einer Geschwindigkeit von
15 m/s.
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Die
Herstellung der Karbonfaserzylinder hingegen erfolgt anhand von
so genannten Faserwickelverfahren, welche zahlreiche Schritte erfordern.
Die Kosten sind hoch und die Herstellung erfolgt in Einzelfertigung,
so dass die Herstellungsfristen mit den Bedürfnissen der Verwender der
Zylindermaschinen nicht vereinbar sind.
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Das
zur Beschreibung einer besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform gewählte Beispiel
ist die Herstellung eines Zylinders aus einem Verbundwerkstoff,
die insbesondere in der papierverarbeitenden Industrie und hier
besonders beim Bedrucken von Verpackungen Anwendung finden kann, wobei
ein derartiges Beispiel nicht einschränkend zu verstehen ist.
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Derartige
Zylinder sind dafür
vorgesehen, Druckhülsen
aufzunehmen, wie dies aus der US-A-5,324,248 hervorgeht. Auf diesem
Gebiet führen
die Verformungen der Träger
von Klischees schnell zu unakzeptablen Fehlern und, was noch viel wichtiger
ist, die sehr hohe Arbeitsgeschwindigkeit der Maschinen führt schnell
zu großen
Materialverlusten.
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Beim
Drucken, insbesondere beim Flexodruck, wird für jede Farbe ein Zylinder vorgesehen, welcher
ein oder mehrere Klischees trägt.
Bei Kontakt mit einem Auftragszylinder nehmen diese Klischees eine
sehr genaue Menge an Tinte auf, welche auf den Papier-, Pappträger bzw.
auf die Polymerfolie aufgebracht wird. Im Allgemeinen wird das Klischee auf
eine Hülse übertragen,
die ebenfalls aus einem Verbundwerkstoff hergestellt ist.
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Dieser
auch Farbauftrag genannte Kontakt ist somit sehr genau und ist von
zahlreichen Parametern bezüglich
des Klischees und des Sleeves abhängig.
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Die
Hülse ist
auf einem Trägerzylinder
montiert, der Teil der Maschine ist und den Antriebsmitteln unterworfen
ist. Derartige Zylinder sind im Allgemeinen hohl und aus Stahl hergestellt,
da es gilt, die Verformungen, insbesondere die Verformungen unter Last,
sowie den Rundlauffehler zu begrenzen, die in ihrer Gesamtheit auf
das Sleeve übertragen
und die Qualität
des Drucks beeinträchtigen
würden.
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Diese
Fehler werden durch die hohe Drehgeschwindigkeit dieser Zylinder
noch verstärkt.
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Beim
Drucken erhöht
sich mit der Vergrößerung der
Breite ebenfalls die Durchbiegung.
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Darüber hinaus
sind diese Stahlzylinder sehr schwer und es müssen im Allgemeinen Hebemittel zur
Hilfe genommen werden, um diese einzusetzen.
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Ist
die Breite gering, so werden die Verformungen meistens durch die
durch den Kontaktdruck hervorgerufene Ovalisierung des Zylinders
verursacht.
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Vor
dem Hintergrund dieser Probleme schlägt nun die vorliegende Erfindung
ein Verfahren zur Herstellung eines Rohres aus einem Verbundwerkstoff
vor, mit welchem die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile
vermieden werden und das insbesondere eine große Steifheit aufweist.
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Weitere
Vorteile des mit diesem Verfahren hergestellten Rohres ergeben sich
aus den gewählten
Ausführungsformen.
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Zu
diesem Zweck ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung
eines Rohres dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte
umfasst:
- – Bereitstellen
eines Außenrohres
aus einem ersten Werkstoff,
- – Bereitstellen
mindestens eines Innenrohres aus einem zweiten Werkstoff und
- – Anordnen
von Distanzhaltern mindestens zwischen dem Außenrohr und dem ersten der
Innenrohre, wobei diese Distanzhalter aus einem Verbundwerkstoff
hergestellt sind.
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Die
Distanzhalter werden in den bzw. die Zwischenräume zwischen den Rohren zwangseingeführt.
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In
einer Weiterbildung wird zwischen den zwei Rohren Harz bzw. eine
Harzmischung eingeführt,
um die Distanzhalter darin einzubetten, die Spalte auszufüllen und
auch um eine Drehverbindung zwischen den beiden Rohren sicherzustellen.
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Um
die weiter unten aufgeführten
Ergebnisse zu erzielen, werden die Rohre und die Distanzhalter aus
einem Verbundwerkstoff hergestellt, der auf durch Pultrusion erzielten,
sehr hochmoduligen Karbonfasern basiert.
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Das
Verfahren sieht auch einen Schritt vor, in dem der Rundlauffehler
im Falle einer Harzeinspritzung entfernt wird. In diesem Falle wird,
nach dem Einspritzen und vor dem Aushärten des Harzes der Punkt des
maximalen Rundlauffehlers ermittelt, und es wird auf diesen Punkt
eine gezielte Kraft ausgeübt,
um dem Rohr die angestrebte Geradheit zu verleihen, die Vernetzung
des Harzes wird abgewartet, die gezielte Ausübung der Kraft unterbrochen
und das Rohr entnommen.
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Vorzugsweise
werden die Distanzhalter aus Flachprofilen hergestellt, welche aus
sehr hochmoduligen, durch Pultrusion erzielten Karbonfasern bestehen
und in Abhängigkeit
von dem Zwischenraum zwischen den Rohren abgelängt werden.
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Die
Distanzhalter können
auch so geformt werden, dass sie dem Zwischenraum zwischen den Rohren
angepasst sind, so dass Segmente entstehen.
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Die
Erfindung umfasst auch das so erhaltene Rohr.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird nun anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1A und 1B zwei
Ansichten, im Schnitt und perspektivisch, einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Rohres
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2 eine
tabellarische Zusammenfassung der erzielten Merkmale,
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3 eine
zweite Ausführungsform
mit geformten Distanzhaltern und
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4 Zentrierungsmittel
für die
beiden Rohre.
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In 1 wurde das Ergebnis der Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt.
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Dieses
Verfahren besteht darin, ein Verbundrohr herzustellen, welches einen
sehr steifen Stützsteg
zur Aufnahme eines geeigneten Außenrohres aufweist.
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Dieses
Verfahren besteht darin:
- – ein Außenrohr 10 aus einem
ersten Werkstoff bereitzustellen,
- – mindestens
ein Innenrohr 12 aus einem zweiten Werkstoff bereitzustellen
und
- – Distanzhalter 14 mindestens
zwischen dem Außenrohr 10 und
dem ersten der Innenrohre, d.h. dem, das von außen nach innen direkt angrenzend
ist, anzuordnen. Diese Distanzhalter sind gleichmäßig über diesen
gesamten Zwischenraum oder über
einen Teil desselben verteilt. Diese Distanzhalter sind aus einem
Verbundwerkstoff hergestellt.
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Distanzhalter
können
gleichermaßen
zwischen den Rohrzwischenräumen,
welche zwischen den möglicherweise
vorhandenen weiteren Innenrohren entstehen, angeordnet sein, wobei
diese Distanzhalter ebenfalls aus einem Verbundwerkstoff hergestellt
sind.
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Diese
Distanzhalter sind insbesondere durch Pultrusion von Karbonfasern
hergestellt.
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Nach
einer ersten Ausführungsform
werden die bereitgestellten Außen-
und Innenrohre aus dem gleichem Werkstoff, der ebenfalls auf Karbonfasern basiert,
durch Pultrusion hergestellt.
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Der
Vorteil besteht darin, dass bereits industriell gefertigte Rohre
mit einem Standarddurchmesser verwendet werden können. Aus diesem Grund ist es
denkbar, anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte
Verbundrohre industriell zu fertigen, da das Zusammenfügen von
im Handel erhältlichen Standardrohren
wesentlich geringere Kosten bei Kleinserien verursacht als die,
die ein unmittelbar durch Pultrusion hergestelltes Rohr der gleichen
Dicke und mit den gleichen Merkmalen verursachen würde.
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In
der ersten Ausführungsform
werden die Distanzhalter aus Flachprofilen abgelängt, die aus Karbonfaser-Verbundwerkstoff
bestehen, wobei die Dicke und die Breite dieser Distanzhalter dem
aufgrund der Unterschiede im Durchmesser entstehenden Freiraum zwischen
den beiden koaxialen Rohren angepasst sind.
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Das
Montieren erfolgt durch das Einsetzen dieser Distanzhalter 14 zwischen
dem Außenrohr 10 und
dem ersten Innenrohr 12.
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Die
Anordnung ist zwangsweise symmetrisch, kann aber je nach gewünschter
Steifheit variieren.
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So
können
die Distanzhalter den Freiraum vollständig einnehmen oder gleichmäßig verteilt
sein und dabei Räume
freilassen.
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So
kann, je nach Anwendung, die Steifheit verstellt und das Endrohr
verstärkt
werden.
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Um
die Distanzhalter in diesem Zwischenraum zwischen den Rohren festlegen
zu können, sieht
das Verfahren einen Schritt vor, in dem ein Harz bzw. eine Harzmischung
zwischen die Rohre gespritzt wird, wobei das Harz dazu dient, die
Distanzhalter einzubetten und die Spalte auszufüllen und gleichzeitig auch
die beiden Rohre perfekt drehfest miteinander zu verbinden, so dass
Scherwirkungen vollständig
vermieden werden.
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Es
wird hier der Begriff Harz verwendet, da es sich um Polymere handelt;
dabei trifft der Begriff Klebstoff genauso zu, da dies letztendlich
dessen Funktion ist. Der Begriff Harz ist nicht einschränkend zu
verstehen, sondern bezieht sich vielmehr auf die Familie der Polymere.
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Das
so erhaltene Rohr ist besonders homogen. In dieser ersten Ausführungsform
wird das Gewicht des Rohres minimiert und die erhaltenen Merkmale
sind erstaunlich und erzielen sehr attraktive Werte. Die erzielten
Ergebnisse können
in der Vergleichstabelle in 2, in der
sie zusammengefasst sind, festgestellt werden.
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Die
Versuche entsprechen gleich entwickelten Rohren, die jeweils einen
Außendurchmesser von
160 mm, einen gleichen Innendurchmesser von 130 mm bei einer Breite
von 2.500 mm aufweisen.
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Die
verglichenen Werkstoffe sind Stahl, Aluminium und Kohlenstoff.
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Der
in der vorliegenden Erfindung beschriebene Distanzhalter wird durch
Pultrusion aus so genannten sehr hochmoduligen Karbonfasern hergestellt,
welche unter dem Handelsnamen Carbolam THM 400 erhältlich sind.
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Mit
dieser Faser und der erfindungsgemäßen Anordnung können die
nachstehend aufgeführten
außerordentlichen
und erstaunlichen Merkmale erzielt werden.
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Im
Vergleich wird festgestellt, dass das ganz aus Kohlenstoff bzw.
Karbon bestehende Rohr, das anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens
erzielt wird, fünf
Mal leichter ist als dasselbe jedoch aus Stahl bestehende Rohr bei
einem 1,7 Mal höheren E-Modul
von bis zu 350 GPa.
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Im
Vergleich zu einem Aluminiumrohr wiegt ein komplett aus Kohlenstoff
bestehendes Rohr bei einem fünffachen
E-Modul 2 Mal weniger als Aluminium.
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Was
die Verformung anbelangt, so wird sie unter den Versuchsbedingungen
gemessen, d.h. 3000 N, die zusätzlich
zum Eigengewicht über
die Breite verteilt werden.
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Bei
einer Herstellung aus reinem Karbon liegt diese Verformung unterhalb
von 0,11, was bei Weitem der geringste Wert ist. Bei Stahl beträgt diese 0,23
und bei Aluminium 0,55.
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Im
Falle von 3 besteht die Ausführungsform
darin, Distanzhalter 14-1 durch Pultrusion zu formen. Diese
Form muss in Abhängigkeit
des inneren und äußeren Durchmessers
optimiert werden, um an den Zwischenraum zwischen den Rohren 10-1 und 12-1 im
Falle einer lediglich aus zwei Rohren bestehenden Anordnung angepasst
zu sein.
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In
diesem Falle wird das Auffüllen
mit dem Werkstoff optimiert und die Harzmenge auf ein Minimum reduziert.
Es ist durchaus möglich,
das Harz ganz wegzulassen, wobei dies noch leichter ist als in der
ersten Ausführungsform,
da die Kontaktfläche zwischen
den Distanzhaltern und den beiden als Mantel ausgebildeten Rohren,
dem Außenrohr
und dem Innenrohr, noch vergrößert wird.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass im Falle eines ganz aus Karbon bestehenden
Rohres die Außenfläche mit
einem Oberflächenharz
beschichtet sein kann, das eine Verbesserung erlaubt, so dass ein
Durchmesser mit großer
Genauigkeit erzielt und der Rundlauffehler innerhalb derselben Toleranzen reduziert
werden kann.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, die Herstellung eines Trägers mit mindestens einem Innenrohr
und Distanzhaltern in den Zwischenräumen zwischen den Rohren zu
ermöglichen,
wobei die Distanzhalter aus einem stranggezogenen Karbon bestehen.
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Was
den Werkstoff des Außenrohres
anbelangt, so kann der Nutzer diesen auswählen, ohne dass dabei die Merkmale
des Endproduktes in bedeutendem Maße verloren gingen.
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Je
nach Anwendung, insbesondere, wenn das Außenrohr eine Beschichtung wie
zum Beispiel eine Keramikbeschichtung bzw. eine Oberflächenbehandlung
erhalten soll, kann ein Rohr aus einem Metallwerkstoff gewählt werden.
So kann sich ein Verchromen der Außenfläche des Außenrohres als vollkommen geeignet
erweisen, um aus Verbundwerkstoff bestehende Trägerhülsen für Klischees aufzunehmen.
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Das
Montieren dieser Hülsen
auf das Trägerrohr
erfolgt nämlich,
indem das Trägerrohr
unter Druck gesetzt wird und zwischen dem Trägerrohr und der Hülse ein
Druckluftfilm anhand von durch das Trägerrohr sich erstreckenden
Ansätzen
hergestellt wird. Dieser Luftfilm bewirkt eine sehr leichte Ausdehnung
der Hülse,
welche ausreicht, um dessen Montage auf einem Luftkissen zu ermöglichen,
wobei die Bedingung hierfür
jedoch ist, dass die Außenfläche des
Außenrohres
und die Innenfläche
der Hülse in
perfektem Zustand sind.
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Zudem
muss die Qualität
dieses Oberflächenzustands
im Laufe der Zeit und der Montiervorgänge beständig bleiben, wobei die Härte des Chroms
sich perfekt dafür
geeignet.
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Diese
Möglichkeit,
die Beschaffenheit des Außenrohres
wählen
zu können,
ist ein sehr wichtiger Vorteil.
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Es
müssen
nämlich
die derzeitigen Steifigkeitswerte unter Beibehaltung der Vorteile
der aus dem Stand der Technik bekannten Trägerrohre überschritten werden können, ohne
dabei die Innen- und Außenabmessungen
der Rohre zu verändern.
Die Hülsenlager
sind sehr wichtig und standardisiert und sie müssen wieder verwendbar sein.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung
besteht auch darin, dass sie es ermöglicht, den Rundlauffehler
des Rohres gleich bei der Fertigung, während des Schrittes der Harzeinbringung,
wenn dieser durchgeführt
wird, zu reduzieren.
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Es
wird auf 4 verwiesen, in der eine Schablone
gezeigt wird, die die Lagefixierung der beiden Rohre in einer absolut
koaxialen Ausrichtung gewährleistet,
um das Einspritzen des Harzes zu ermöglichen.
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Diese
Schablone wird an Drehantriebsmittel 16 montiert, um nach
dem Einspritzen und vor dem Aushärten
den Punkt des maximalen Rundlauffehlers zu bestimmen.
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Dann
muss auf diesen Punkt eine gezielte Kraft ausgeübt werden, um dem Rohr wieder
die angestrebte Geradheit zu verleihen. Nach dem Vernetzen des Harzes
kann die gezielte Ausübung
der Kraft unterbrochen werden und das Rohr behält die Geradheit, die es bei
der Fertigung hatte, bei.
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Versuche
haben gezeigt, dass die mit bekannten monolithischen Rohren erzielte
Genauigkeit von 3/10 auf 1/10 reduziert werden kann.
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Dies
ist vollkommen zufrieden stellend, denn die Verbesserung kann sehr
genau sein, mit, in jedem Fall, einem extrem reduzierten Materialabtrag innerhalb
der oberen Deckschicht.
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Ein
weiteres Problem, das mit den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Rohren angegangen werden kann, ist die Verformung
durch Ovalisierung. Bei einer geringen Breite von etwa einem Meter
bewirken die großen,
auf eine Erzeugende des Rohres ausgeübten Kräfte dessen Ovalisierung.
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Durch
die Distanzhalter können
die Steifheit des Rohrquerschnitts und ein kreisförmiger Querschnitt
erzielt werden.
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Selbst
wenn die Durchbiegung ein weniger kritischer Parameter ist, so ist
es doch dank der strahlenförmig
mehr oder weniger dicht angeordneten Distanzhalter möglich, diese
Verformungen unter Last zu kompensieren.
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So
können,
je nach Anwendung, die Zahl und die Anordnung der Distanzhalter
sowie deren Form angepasst werden, um das beste Preis-Leistungsverhältnis zu
erzielen.
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Die
erfindungsgemäßen Rohre
tragen ebenfalls dazu bei, das Problem der im Falle von drehenden
Maschinen erzeugten Störvibrationen
zu lösen.
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Wie
bereits erwähnt,
können
die linearen Umlaufgeschwindigkeiten bis zu 1.500 m/min betragen,
so dass hohe Drehgeschwindigkeiten erzielt werden, die zwangsläufig zu
Vibrationen führen.
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Beim
Drucken zum Beispiel verursachen die Vibrationen Fehler, die die
Qualität
stark herabsetzen, bzw. die dazu führen, dass die Produkte als
Ausschuss verworfen werden müssen.
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Die
Struktur mit mindestens einem Innenrohr und ein Außenrohr
abstützenden
Distanzhaltern unterbricht nun die Verbreitung, was allein durch
die Wahl eines anderen Werkstoffes bedingt sein mag und mindestens
die Übertragung
von identischen Frequenzen vermeidet, wie dies bei monolithischen Werkstoffen
der Fall ist.
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Die
Erfindung wurde beschrieben mit einer Architektur, welche zwei Rohre
und in dem Zwischenraum zwischen den beiden Rohren angeordnete Distanzhalter
umfasst, wobei es aber auch möglich
ist, ein weiteres Innenrohr mit einem weiteren Satz Distanzhalter,
welche in dem neu entstandenen Rohrzwischenraum angeordnet sind,
vorzusehen.
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Diese
Anordnung kann vorteilhaft sein, um die Vibrationen zu bekämpfen, um
innen und außen über einen
Metallwerkstoff zu verfügen,
der beispielsweise eine verchromte Oberflächenbeschaffenheit aufweist,
und dabei gleichzeitig die eingangs erwähnten, auf eine andere Weise
nicht erzielbaren mechanischen Merkmale zu erhalten.
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Obwohl
weitere, aufwändigere
Anordnungen mit einer größeren Anzahl
an Rohren denkbar sind, sollten diese, um nicht aus dem bei der
vorliegenden Erfindung angestrebten Industrialisierungsrahmen zu fallen,
außerordentlichen
Fällen
vorbehalten sein.
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In
bestimmten Anwendungen bietet die erfindungsgemäße Anordnung ebenfalls einen
großen Vorteil.
Zusätzlich
zu der gebotenen Möglichkeit,
der Durchbiegung, dem Rundlauffehler, dem Gewicht und den Vibrationen
entgegen zu wirken, gibt es noch ein weiteres Problem, nämlich das
der Erwärmung.
In bestimmten Anwendungen führen
die Reibungen zu Erwärmungen
und die für
die Rohre verwendeten Karbonwerkstoffe ermöglichen es nicht, die Wärme auf
einfache Weise abzuleiten. Dieses Problem besteht bereits bei anderen
Hülsenarten, zum
Beispiel bei mit einem Elastomerwerkstoff verkleideten Hülsen.
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De
facto gibt es Mittel, um zum Diffundieren der Wärme ein Kühlmedium in den Hülsen umlaufen zu
lassen und die Hülsen
auf einer angemessenen Temperatur durch Rohre hindurch zu halten.
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Es
versteht sich, dass in dem Fall der nach der erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Hülsen
es möglich
ist, in dem Zwischenraum zwischen den Rohren die Umlaufkanäle mit den
Distanzhaltern zu alternieren.
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Diese
Kanäle
können
durch die diese Kanäle begrenzenden
Distanzhalter selbst bzw. durch in dem Rohrzwischenraum zwischen
diesen Distanzhaltern angesetzte Kanäle verwirklicht werden.
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Die
zur Herstellung derartiger Kanäle
zu verwendenden Werkstoffe wird der Fachmann in Abhängigkeit
von den mechanischen Merkmalen, z.B. von der Wärmeübertragung bzw. von dem Gewicht,
dieses Werkstoffes wählen.