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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur kontinuierlichen Herstellung von Segeln für Segelboote und insbesondere
die Herstellung von laminierten geformten Segeln.
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Herkömmliche moderne Segel für Segelboote
sind nicht flach, sondern haben eine dreidimensionale Folienform.
Die meisten Segel wurden bisher aus flachen Gewebebahnen, Tuchbahnen
und Filmlaminaten oder Filmlaminaten hergestellt, die mit Fäden verstärkt sind.
Die flachen Bahnen werden zuerst in eine vorbestimmte Form geschnitten,
und die Bahnen werden an benachbarten Rändern zusammengefügt. In einem
Broadseaming genannten Verfahren kann ein Rand oder beide benachbarten
Ränder
der Bahn gekrümmt
werden, so daß das
nachfolgende Zusammennähen
zu einer annähernd
dreidimensionalen Form führt.
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Die Herstellung eines Segels auf
einer statischen Form ist bekannt und in dem europäischen Patent
056,657 von Wagner und in dem US-Patent 2,565,219 von Gardiner und
dem US-Patent 5,097,784 von Baudet beschrieben.
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Das Baudet-Patent offenbart ein einstückiges dreidimensionales
Segel, das nahtlos und bahnlos ist. Das Segel wird auf einer konvexen
Form mit einer dreidimensionalen Gestalt hergestellt, wobei die
Gestalt der Form auf die gewünschte
Form des Segels einstellbar ist. Eine erste Filmschicht wird auf der
Form angeordnet, Verstärkungsgarne
werden mit einem Überkopfgerüst zusammen
mit Klebstoff aufgebracht, und eine abschließende Schicht des Films wird
aufgebracht. Das Laminat wird dann unter Druck erhitzt, um die Klebemittel
zu verbinden und das Laminat zu veranlassen, dauerhaft die Gestalt
der Form anzunehmen. Segel dieser Art werden gegenwärtig von
North Sails unter dem Warenzeichen „3DL" vermarktet und haben einen erheblichen
kommerziellen Erfolg.
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Während
das in dem Patent 5,097,784 beschriebene Segel höhere Qualitäten im Vergleich zu herkömmlichen
Segeln hat, die aus zusammengenähten
einzelnen Bahnen bestehen, ist der Prozeß zum Herstellen des Segels
arbeits- und zeitintensiv. Die Form muß groß genug sein, um eine Vielzahl
von Segelgrößen aufzunehmen,
und es kann jeweils nur ein einziges Segel auf der Form hergestellt
werden. Außerdem
hat die Form selbst eine komplizierte und teure Struktur, und der
Prozeß kann
viele Variable haben, die eine sorgfältige Steuerung erfordern.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein dreidimensionales Segel einer einstückigen Konstruktion auf einer
langsam rotierenden Walze hergestellt, die eine verformbare Außenfläche hat.
Die Walze ist in mehrere Segmente unterteilt, die sich quer über die
Breite der Walze erstrecken, wobei das Profil jedes Segments getrennt
und einzeln auf eine konvex gekrümmte
Form einstellbar ist, entsprechend in der Proportion dem vorderen
zum rückwärtigen Profil des
Segels in aufeinanderfolgenden Segmenten des Segels. Das Profil
der Segmente kann durch Linien einstellbarer Kolben eingestellt
werden, die sich von dem mittigen Abschnitt der Walze radial nach
außen erstrecken.
Die Linien der Kolben sind mit linearen flexiblen Bauteilen verbunden,
die eine Tragfläche auf
der Walze bilden.
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Ein fortlaufender Streifen oder Streifen
eines polymerischen Films wird, bzw. werden von einer Walze oder
von Walzen abgewickelt und auf einen nicht verformten zylindrischen
Abschnitt der Walze aufgebracht, um eine untere kontinuierliche
Filmschicht zu bilden. Wenn die Walze rotiert, werden aufeinanderfolgende
Sektoren des Films erwärmt, während den
Sektoren eine Krümmung
auferlegt wird, wobei normalerweise verschiedene Grade einer Profilkrümmung bei
den aufeinanderfolgenden Sektoren hervorgerufen werden, wodurch
eine dauerhafte Verformung des Films verursacht wird. Das Profil jedes
Sektors der Walze wird beibehalten, wenn die Walze rotiert, wobei
der aufgelagerte Film Bereiche eines Klebemittelapplikators und
eines Fadenapplikators durchläuft.
In dieser letzteren Zone bringen bewegliche Fadenapplikatoren, die
oberhalb der Walze angeordnet sind, Klebemittel beschichtete Verstärkungsfäden bzw.
Verstärkungsgarne
auf eine programmierte Weise auf den Film auf. Diese Applikatoren
sind in der Lage, Fäden
quer über
die Walze und entlang der Länge
des Films und im Winkel dazu abzulegen.
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Eine zweite formende Walze ist vorgesehen, um
eine zweite Filmschicht zu erwärmen
und zu verformen, so daß sie
mit der unteren oder Basisfilmschicht übereinstimmt. Die zweite oder
obere Filmschicht, die in drei Dimensionen verformt ist und mit der
Form der ersten Schicht übereinstimmt,
wird auf den Basisfilm aufgebracht und schließt das Netzwerk aus Verstärkungsfäden ein.
In einer Alternative wird die zweite Filmschicht direkt von Beschickungswalzen
auf die primäre
Walze zum Formen aufgebracht. Nach diesem Schritt wird das zusammengesetzte
Laminat Wärme
und Druck ausgesetzt, während
es auf der profilierten Walze gehalten wird. Der Schritt der Kompression
kann die Schritte enthalten, die Basisfilmschicht vor der Aufbringung
der zweiten Filmschicht zu durchlöchern, gefolgt von der Aufbringung des
zweiten Films unter Einwirkung von Vakuum oder Sog durch die Perforationen,
um die zwei Filmschichten zusammenzuziehen. Bevorzugt wird der Film
vor der Aufbringung auf die Trommel durchlöchert. Das Laminat wird durch
einen Strom heißer
Luft erwärmt, wodurch
das Klebemittel fließt
und die Schichten abdichtet.
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Das resultierende dreidimensionale
Laminat wird gekühlt
und aus dem Formzylinder entfernt, und das Profil der aufeinanderfolgenden
Walzensektoren wird zu der unverformten oder zylindrischen Form
zurückgebracht,
um einen neuen flachen Basisfilm aufzunehmen.
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Die Länge eines herzustellenden Segels
ist nicht auf den Umfang der Walze beschränkt, da das Profil der Sektoren
in einem breiten Grad eingestellt werden kann. Somit ermöglicht das
Verfahren die Herstellung von Segeln auf eine fortlaufende und ununterbrochene
Weise, beschränkt
nur durch die kontinuierliche Zuführung des rohen Films und des Garns.
Im Vergleich zu Verfahren, die statische Formen verwenden, wird
im beträchtlichem
Umfang Zeit und Arbeit eingespart. Das Design, das Gewicht pro Einheit
Fläche,
die Größe und die
Form des Segels sind in ein Computerprogramm eingegeben, das die Sektoren
der Walzenprofileinstellung und das Layout und die Dichte der Verstärkungsfäden automatisiert. Somit
ist mit Ausnahme von möglichen
Trimmund Fertigbearbeitungsvorgängen
das Verfahren kontinuierlich und automatisch.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird
zunächst
allgemein in Verbindung mit den 1 bis 4 beschrieben. Das Verfahren
wird in Verbindung mit einem fertigen Segel 50 beschrieben,
das 5 zeigt. Das vervollständigte Segel
hat eine typische dreieckige Form und enthält einen Kopf oder obere Ecke 51,
einen Hals oder eine vordere untere Ecke 52 und ein Horn 53.
Die drei Ränder
des Segels werden bezeichnet als Luvliek oder vorderer Rand, Leeliek
oder hinterer Rand und Fußliek 56 oder
unterer Rand bzw. Unterliek. Das fertige Segel ist ein Laminat mit
zwei äußeren Filmschichten 57 und
einem inneren Netzwerk von Verstärkungsfäden. Die
Fäden 58 erstrecken
sich allgemein von oben nach unten bei dem Segel und enthalten Fäden, die
zu den Ecken konvergieren. Die Garne 59 erstrecken sich allgemein
quer über
das Segel und zwischen den zwei unteren Ecken.
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Wie die 1 bis 4 zeigen,
wird das Segel auf einer Walze 10 hergestellt, die im Gegenuhrzeigersinn
rotiert, wie die 1 und 2 zeigen. Eine Basisschicht
eines perforierten Films 12 wird auf die Walze quer über ihre
Breite aufgebracht. Der Film 12 kann mit einem Klebemittel
vorbeschichtet sein, das Band kann weggelassen sein und benachbarte
Ränder
des Films können
sich überlappen.
Der Film kann aus Streifen bestehen, die von versetzten Walzen 14 und 16 abgewickelt
und an einander zugewandten oder überlappenden Rändern mit
einem Klebeband zusammengefügt
werden, das von einer Walze 18 zugeführt wird, wobei die verbundenen
Streifen von einer Führungswalze 20 unter
gleichmäßiger Spannung
geführt
werden. Während
der Bearbeitung wird die Basisfilmschicht 12 auf der Walzenfläche durch Aufbringen
eines partiellen Vakuums durch die zylindrische Wand der Walze bzw.
Rolle gehalten, wie weiter unten beschrieben wird.
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Die Walze hat eine flexible verformbare Oberfläche, wobei
benachbarte Flächensegmente 13 (2) quer über die Walze, d. h. parallel
zu der Drehachse, in aufeinanderfolgend konvex gekrümmte Profile
verformt werden können.
Die Basisfilmschicht 12 wird zuerst durch heiße Luft
oder einen Wärmestrahler 22 erwärmt, der
nahe der Walze angeordnet ist, um den Film weich zu machen. In der Zone,
die durch den Pfeil 24 bezeichnet ist, wird das Walzensegment,
das den erwärmten
Film trägt,
verformt, um den Film entlang enger benachbarter Segmente quer über die
Walze zu verformen.
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Die 3 und 4 zeigen schematisch eine Walze 10 mit
einer äußeren flexiblen
Fläche 26,
wobei das Flächenprofil
mit Hilfe von Kolben 28 einstellbar ist. 3 zeigt die Kolben in einer neutralen
Position, in der die Außenfläche des
Segmentes zylindrisch ist. 4 zeigt
eine solche Einstellung der Kolben, daß die Fläche 26 zu einem Flügelprofil
gekrümmt
ist. Wie 4 zeigt und
mit Bezug auf 5, würde das Luvliek 54 oder
der vordere Randabschnitt des Basisfilms des Segels an der linken
Seite der Zeichnung angeordnet, und das Leeliek 55 oder
der hintere Rand des Segels wird an oder nahe dem rechten Rand angeordnet.
Da der Film entlang einem gekrümmten
Profil in der Querrichtung verformt wird und in der Längsrichtung
oder Maschinenrichtung um den Zylinder gewickelt wird, wird der
Film auf fortlaufend variierende Weise in drei Dimensionen verformt. Mit
anderen Worten tragen die Krümmung
der Walze um ihren Umfang und das gekrümmte Profil der Sektoren beide
zu der permanenten Verformung des Films bei, so daß die Gauss'sche Krümmung des
Original entworfenen Segels an allen Punkten der Fläche bewahrt
wird. Wenn die Walze das Ende des Pfeils 24 erreicht, werden
die Kolben 28 blockiert, um das Profil des Filmsektors
beizubehalten, bis alle nachfolgenden Bearbeitungsschritte beendet
sind. Da die Krümmung
oder der Querschnitt des Segels von dem Kopf oder dem Top zu dem
Fuß oder
Boden variiert, verändert
sich die Querkrümmung
der aufeinanderfolgenden Profilkrümmungen.
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Die Form und die Abmessungen der
Segel werden von Standardmodellen bestimmt, und alle erforderlichen
Informationen können
in Datenform in einem Computer gespeichert werden. Die Informationen
können
in Signale umgewandelt werden, die eine individuelle Einstellung
jedes der Kolben 28 in einer sukzessiven Linie hervorrufen.
Bei der Verwendung für
ein Vorsegel oder eine Fock ist beispielsweise die Größe der Krümmung nahe
dem Luvliek 54 größer, und
die Dichte oder Anzahl der Kolben 28 kann in diesem Bereich
größer sein,
wie die 4 und 4a zeigen.
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4a zeigt
das Prinzip der Verwendung nur eines Abschnitts der Breite der Walze,
um Segel mit kleinerer Breite herzustellen. In einem solchen Fall wird
die Walze an der linken Seite verformt, wobei die rechte Seite unverformt
bleibt.
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Nach dem Erwärmen und Verformen wird der Film
mit Klebemittel beschichtet, beispielsweise durch einen Sprühkopf 30,
der Klebemittel in flüssiger Form
aufbringt und vorwärts
und rückwärts die
Filmfläche überquert,
während
er sich mit der Oberfläche bewegt,
um eine Bahn parallel zu der Achse des Zylinders zu erhalten. In
der bevorzugten Ausführungsform
ist der Film mit einem Klebemittel vorbeschichtet. Das Klebemittel
ist bevorzugt von der thermoplastischen oder heißschmelzenden Art.
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Der umlaufende klebemittelbeschichtete Film
läuft dann
unter mehreren Stationen 32 und 34 hindurch, damit
Verstärkungsgarn
auf den Film aufgebracht wird. Die Stationen 32 sind beabstandet, um
eine adäquate
Belegung der Fäden
auf den Film sicherzustellen. Die Stationen enthalten feststehende
Querträger 33,
die automatische Fadenabwickler 35 haben, die darauf beweglich
angebracht sind, wobei der Faden durch Rollen 37 geführt und
auf den Film aufgebracht wird. Die Abwickler 32 bewegen sich
vorwärts
und rückwärts quer über den
umlaufenden Film und bringen Fäden 58 auf,
die sich von dem Top 51 zu dem Boden 56 des Segels
(5) oder in spitzen Winkeln dazu erstrecken.
Da alle modernen Segel dreieckig sind, bringen die Stationen 32 Fäden auf,
die kontinuierlich von der oberen Ecke oder dem Kopf 51 in
dem Körper
des Segels auseinandergehen und zu den zwei unteren Ecken des Halses 32 und
des Horns 53 zusammenlaufen. Bevorzugt ist das Garn mit
Klebemittel vorbeschichtet.
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Die Station 34 dient zur
Aufbringung der Fäden 39 quer über die
Breite des Films, wie zwischen den Hals 52 und das Horn 53,
und quer über
die anderen Fäden 58 zwischen
den Rändern
des Segels. Alle Fäden 58 und 59 werden
bevorzugt auf kontinuierliche und ununterbrochene Weise von Ecke
zu Ecke, von Ecke zum Liek oder von Liek zu Liek aufgebracht. Wie
in 2 gezeigt, können die
Station 34 und der Klebemittelapplikator 30 auf
motorgetriebenen radialen Armen 31 und 33 angebracht
sein, um eine Bewegung der Applikatoren in Richtung der Bewegung
des Films zu ermöglichen.
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Nachdem eine ausreichende Anzahl
von Fäden
in dem gewünschten
Muster aufgebracht worden ist, um ein einziges Segel zu vervollständigen,
können
die Fäden
kontinuierlich von den Applikatoren einem benachbarten Bereich des
Films zugeführt
werden, um das nächste
Segel zu bilden. Alternativ hierzu können die Fäden abgetrennt und von den
Applikatoren zum Start eines neuen Segels wieder positioniert werden.
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Die Fäden können aus allen bekannten Arten bestehen,
die bei der modernen Segelherstellung verwendet werden. Dies schließt üblicherweise
gezwirnte und nichtgezwirnte kontinuierliche Filamentfäden aus
Polymeren wie Polyester, Aramid, orientiertem Polyethylen und dergleichen
ein sowie einzelne Monofilamentfäden.
Der Denier der Fäden
kann so eingestellt werden, daß er
zu dem speziellen Gewicht oder der speziellen Art des herzustellenden
Segels paßt,
und die Anzahl oder Dichte der Fäden kann
programmiert werden, um das gewünschte
Gewicht zu erhalten. Wie in dem US-Patent 5,097,784 von Baudet beschrieben,
werden die Fäden
bevorzugt in einem errechneten Muster aufgebracht, um am besten
die Hauptspannungslinien in dem Segel aufzunehmen, wenn das Segel
benutzt wird, so daß die
Fäden allgemein
von den Ecken ausstrahlen. Andere Fäden können sich mit den primären Fäden schneiden,
um Abstützungen
in der verschiedenen Segelwinkeln zu bilden und den Reißwiderstand
zu erhöhen.
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Die Zusammensetzung des Films kann
von jeder Art sein, die für
moderne Segellaminate verfügbar
ist und verwendet wird. Typischerweise werden zugfeste Filme aus
Polyester verwendet, jedoch sind auch andere Filme bekannt und verwendbar.
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Nach der Aufbringung der Fäden wird
eine zweite Filmschicht 40 auf die erste Schicht aufgebracht,
die nun das Garn und das Klebemittel auf seiner freiliegenden Fläche trägt. Die
zweite Filmschicht 40 ist nicht perforiert und kann in
der Form von Streifen von Walzen 42 zugeführt werden,
zusammengefügt
durch ein Klebeband 44, oder bei Vorbeschichtung durch Überlappung
der Ränder.
Der Film 40 kann auf einer zweiten getrennten, kleineren,
verformbaren Walze 46 mit einer Heizeinrichtung 48 geformt
werden. Die Walze 46 hat auch eine kontinuierlich einstellbar
profilierte Fläche,
so daß der
Film 40 so verformt wird, daß er mit dem perforierten Basisfilm 12 auf
der Walze 10 übereinstimmt.
In der bevorzugten Ausführungsform
wird der Film nicht vorgeformt, sondern kann in flacher Form direkt
der primären
Walze über
eine Freilaufwalze ähnlich
der Walze 20 stromaufwärts
der Heizeinrichtung 60 zugeführt werden. Damit wird die
zweite Filmschicht nur durch die Walze 10 verformt. Der
Film 40 wird auf die Walze 10 zugeführt, um
eine Schichtstruktur zu bilden, und die Struktur wird unter einer
Heizeinrichtung 60 hindurchgeführt und erwärmt. In der Walzenposition,
die durch den Pfeil 62 angezeigt ist, wird ein hochgradiges
Vakuum aufgebracht. Das Vakuum wird durch den perforierten Basisfilm 12 gesaugt
und bewirkt, daß die
zwei Filmschichten aneinander angezogen werden, während sie
erwärmt
werden, um das Klebemittel zu erhärten, wodurch ein dauerhaftes
Laminat gebildet wird.
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Das vervollständigte Laminat 63 wird
dann von der Formwalze abgeführt
und kann auf eine Aufwickelwalze 65 aufgewickelt werden.
Das Segel kann fertiggestellt werden, indem das Segel aus der Folie ausgeschnitten
wird, und es können
alle abschließenden
Bearbeitungen ausgeführt
werden. Das resultierende Segel ist, wie 5 zeigt,
von einer unitären,
nahtlosen und bahnlosen Struktur.
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Die Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung kann verwendet werden, um nacheinander einzelne Segel
auf einer kontinuierlichen Basis herzustellen, sowie Segel mit Abschnitten,
die sich innerhalb der Basisfilmschicht überlappen. Das letztere ist
in 6 dargestellt, wobei
drei aneinander anstoßende
Filmschichten oder Streifen 64a, 64b und 64c verwendet werden.
Das Maß 66 entspricht
einem Meter, und das Maß 68 entspricht
einer Umwicklung des Films auf der Walze. Es ist zu sehen, daß Abschnitte
aufeinanderfolgender Segel wie mit 70 und 72 angegeben, sich überlappen
können,
so daß Abschnitte
von zwei Segel zu der selben Zeit hergestellt werden. Die Größe des Segels
ist auf die maximale Breite der Walze und des Films beschränkt, die
in den meisten Fällen quer über den
Fuß gemessen
wird.
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7 zeigt
die Walze in einem Querschnitt, und 8 zeigt
einen Querschnitt eines Kolbens und einer Walzenabdeckungsanordnung.
Die Walze 10 ist an einem Tragrahmen 74 mit inneren
und äußeren Trägern 76 und 78 für die Kolben 80 befestigt.
Das äußere Ende
des Kolbens 80 ist mit einer flexiblen Leiste 82 verbunden,
die sich über
die Breite der Walze erstreckt. Die Kolben enthalten eine Verriegelungseinrichtung 84 (8) zum Verriegeln des Kolbens
in einer vorgeschobenen Position, und die Kolbenstangen werden nacheinander
durch einen Aktuator 86 vorgeschoben. Die Kolbenstangen
sind hohl und mit Vakuumumleitungen 88 verbunden, die durch eine
flexible Fläche 90 führen, die
die Leisten 82 überdeckt.
Falls gewünscht,
können
getrennte Vakuumleitungen für
die Fläche
verwendet werden. Die flexible Fläche kann eine Schicht eines
strukturierten Elastomers mit Vakuumöffnungen enthalten, wobei die
Schicht von einem durchlässigen
Gewebe überdeckt
ist, um das Vakuum gleichmäßig über die
Fläche
zu verteilen.
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Wie gezeigt, greift ein zurückziehbarer, pneumatisch
oder durch eine Spindel angetriebener Aktuator 92 an der
Stange des Kolbens 80 an und dreht sich damit, wenn der
Kolben radial nach außen in
die gewünschte
Position bewegt wird. Die Verriegelungseinrichtung 84 verriegelt
den Kolben in seiner ausgefahrenen Position, und ein zweiter Aktuator 96 ist
vorgesehen, um den Kolben an dem Ende des Trommelrotationszyklus
zu entriegeln und den Kolben in seiner Ausgangsposition zurückkehren
zu lassen. Die Kolben werden in die neutrale Position in dem Bogen 94 (1) zurückgebracht, nachdem das Laminat
von der Walze entfernt worden ist.
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Die 9 bis 11 zeigen eine alternative
und bevorzugte Anordnung eines verformbaren Rahmenwerks für die Außenfläche des
Form- und Tragzylinders 10. Eine erste Mehrzahl flexibler
Rollen 110 ist zu parallelen Kreisen mit teleskopischen
Enden geformt, um einen Walzenumfangstragabschnitt zu bilden. Eine
zweite Mehrzahl flexibler Stäbe 112 ist
in rechten Winkeln zu der und oberhalb der ersten Mehrzahl 110 angeordnet
und erstreckt sich parallel zu der Achse der Walze 10.
Die Stäbe 110 und 112 sind
beispielsweise durch einen flexiblen Streifen 114 miteinander
verbunden, der eine Mehrzahl beabstandeter Öffnungen 160 hat,
die entlang einer Linie angeordnet sind. Die Öffnungen 116 passen
durch die Stäbe 112 an
beabstandeten Stellen und sind nach oben um die Umfangsstäbe 110 geschlungen,
um die Anordnung in einer flexiblen Weise zusammenzuhalten. Die
Anordnung ist durch eine oder mehrere elastische Schichten bzw.
Folien überdeckt,
wie zuvor diskutiert, um eine Formfläche zu bilden. Die Umfangsstäbe sind
mit Kolben 118 durch Ösen 120 verbunden,
um wahlweise die Anordnung in einer radialen Richtung radial aufzuweiten
und zu arretieren.
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In der Praxis hat beispielsweise
die Hauptwalze einen Durchmesser von 3,048 m (120 Inches) und eine
Breite von mehr als 4,572 m (180 Inches) um die Breite von drei
Standard 1,524 m (60 Inches) breiten Filmrollen aufzunehmen. Etwa
1000 Kolben werden verwendet, wobei jede Reihe 20 bis 30 Kolben
mit einer Ausdehnung von bis zu 0,152 m (6 Inches) hat. Es wird
geschätzt,
daß die
Produktion bei etwa 0,051 m (2 Inches) Oberflächengeschwindigkeit pro Sekunde
stattfindet, wobei ein einziger Lauf 3.300 m Film unterteilt über sechs
Rollen, 215.000 m Kettgarn, 150.000 Füllgarn und etwa 47,627 kg (105 pounds)
Klebemittel verbraucht.
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Bevorzugt ist jeder der Fadenapplikatoren
in der Lage, mehr als einen einzigen Faden gleichzeitig abzulegen,
obwohl es wichtig ist, daß die
Fäden nicht quer
verbunden sind, wie in der Form eines Bandes, so daß jeder
einzelne Faden seiner Bahn folgen kann, während er aufgebracht wird,
um eine glatte Aufbringung sicher zu stellen.