EP1082475B1

EP1082475B1 - Drallscheibe sowie verfahren zur herstellung einer drallscheibe

Info

Publication number: EP1082475B1
Application number: EP99910077A
Authority: EP
Inventors: Christian Simmen; Joachim Möschel
Original assignee: Heberlein Fasertechnologie AG; Parker Hannifin GmbH and Co KG
Current assignee: Heberlein AG; Parker Hannifin GmbH and Co KG
Priority date: 1998-04-07
Filing date: 1999-04-07
Publication date: 2002-08-28
Anticipated expiration: 2019-04-07
Also published as: WO1999051803A1; EP1082475A1; DE19815578C1; DE59902473D1; TW459077B; AU2919399A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Drallscheibe zum Falschzwirnen eines textilen Fadens für Friktionsfalschdraller bestehend aus einer Nabe sowie einem Reifen mit peripherer Reibfläche, ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Drallscheibe zum Falschzwirnen eines textilen Fadens für Friktionsdraller, bestehend aus einer Nabe sowie einem Reifen als periphere Reibfläche.

Stand der Technik

Drallscheiben werden für die sogenannte Falschdralltexturierung von Garn eingesetzt. Am meisten verbreitet ist die Anwendung der Scheiben in einem Friktions-Texturieraggregat in Mehrfachkombination. Die einzelnen Drallscheiben sind auf drei gleichförmig drehenden Wellen aufgesetzt. Die drei Wellen sind in der Art eines gleichseitigen Dreiecks einander zugeordnet. Durch diese Zuordnung der Drallscheiben wird auf den angenähert schraubenlinienförmig abrollenden Faden ein gleichbleibender Torsionsdrall erteilt. Das Garn läuft kraft- bzw. formschlüssig mit einer hohen Transportgeschwindigkeit über die zusammenarbeitenden Drallscheiben mit blossem Reibkontakt vorbei. Die Drallscheiben werden auf hohe Umfangsgeschwindigkeit von z.B. 2000 m/min. angetrieben. Die Reibkraft zwischen dem Garn und den, in einer Querebene zu der Garntransportrichtung umlaufende Drallscheiben erzeugen fortlaufend den gewünschten Falschdrall. Wegen der Reibarbeit und der sehr hohen Umlaufgeschwindigkeit erwärmen sich die Drallscheiben beträchtlich. Diese Reibbeanspruchung verursacht an den Drallscheiben, durch die Erwärmung noch beschleunigt, eine Abnützung. Nach einer gewissen Standzeit von z.B. einigen Monaten bis zu einem Jahr müssen die Reibscheiben durch neue ersetzt werden, damit eine konstante Arbeitsqualität langfristig sichergestellt werden kann. Es sind vor allem vier spezifische Parameter im Vordergrund, die den Erfolg von Drallscheiben im Praxisbetrieb entscheiden:

Unempfindlichkeit im Hinblick auf Spinn-Präparation auch bei Wärmeeinflüssen,
die mechanische Festigkeit bei hoher Umlaufgeschwindigkeit
die Länge der Lebensdauer einer Einzelscheibe
ein guter Reibschluss zwischen Garn- und Drallscheibe.

Unter bestimmten Bedingungen können Drallscheiben aus Keramik eingesetzt werden. Der zentrale Nachteil bei Keramik ist ein beschränkter Reibschluss. In Bezug auf einen hohen Reibkoeffizient zwischen Faden und Drallscheibe wären an sich Gummiwerkstoffe ideal. Klassische Gummiwerkstoffe genügen jedoch hinsichtlich Abrieb und Weiterreissfestigkeit den gestellten Anforderungen, besonders bei höheren Temperaturen nicht mehr. Es kommt hinzu, dass Gummiwerkstoffe nicht nur eine enorme Vielfalt an Sorten und Mischungen beinhalten, sondern dass es grundsätzlich drei Möglichkeiten der Verarbeitung gibt, nämlich Giessen, Vulkanisieren und thermisch Aufschmelzen bzw. Spritzgiessen.

Im Stand der Technik wurde z.B. eine Optimierung der Materialwahl auf verschiedenste Weise angestrebt. Sowohl die US-PS 4 718 226 sowie die US-PS 5 400 507 versuchen über einen speziellen konstruktiven Aubau der Scheibe wenigstens einen Teil der Scheibe wiederverwertbar zu gestalten. Bei der US-PS 4 893 946 wird die Nabe bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt und die Verbindung zwischen der Nabe und dem peripheren Reifen kann mittels eines Haftmittels hergestellt werden. Der Kerngedanke liegt in der Verbindung des Reifens und der Nabe über einen Schwalbenschwanz. Als kritische Grösse wird das Verhältnis zwischen Reifendicke (W) und Reifenbreite (T) postuliert. Die DE 35 00 208 schlägt vor, die Drallscheibe auf der Basis von mit Polyamidpulver gefülltem Polyuretan herzustellen. Zur Aussteifung des Elementes wird eine metallische Scheibe eingesetzt, die von dem gummielastischen Material umschlossen wird. Als Vorteile werden erwähnt, dass im Betrieb ohne Nachbearbeitung der Reiboberfläche eine reproduzierbare Oberflächenstruktur erhalten bleibt. Das in Pulverform eingebrachte Verbundmaterial ist nicht nur an der Oberfläche, sondern genau so im Materialinneren vorhanden, so dass selbst bei Abnützung der Reibfläche immer die gleiche Oberflächenstruktur, bzw, immer der selbe Friktionskoeffizient erhalten bleibt. Ferner wird eine günstige chemische Beständigkeit sowie eine lange Lebensdauer angegeben. Der Anmelderin ist es nicht bekannt, ob Reibscheiben gemäss DE 35 00 208 erfolgreich in der Praxis eingesetzt wurden. Eine Verbindung Metall und Polyuretan ist nicht ganz unproblematisch, da das Metall für den Verbund vorbehandelt werden muss. Das Metall muss als äusseren Verbund mit einem Haftvermittler versehen werden, damit eine gute Haftfähigkeit zwischen Metall und Polyuretan entsteht. Dies ist kostenaufwendig und bedingt zusätzliche Arbeitsschritte. Die Japanische Publikation JP-A-Hei-6-240 528 geht ebenfalls von Polyurethan aus und schlägt eine spezifische Materialmischung für die Drallscheiben vor. (Polyurethan präpariert von einem Polyol basierend auf Polycarbonatepolyol sowie Diisocyanate basierend auf Para-pheneylendiisocyanate.) Als Vorteile werden eine gute Temperaturbeständigkeit, ein hoher Reibkoeffizient sowie eine lange Lebensdauer genannt. Mit vielen Versuchen konnte bestätigt werden, dass die beiden genannten Publikationen durchaus gute Lösungsansätze aufzeigen, dass aber beide Lösungen zwei zentrale Kriterien, nämlich Herstellprozess und Produktepreis, ungenügend berücksichtigen.

Darstellung der Erfindung

Die Erfinder hatten sich die Aufgabe gestellt, den Aufbau der Drallscheibe und die Materialwahl zu optimieren, so dass ein Herstellverfahren, insbesondere Spritzgiessen wählbar ist, welches die Faktoren Herstellkosten-Materialkosten optimieren lässt. Das Ziel war bestmögliche Materialqualitäten, preisgünstige Herstellung und geringe Materialkosten für eine ganze Drallscheibe, so dass bei gegebener Qualität der Stückpreis einer Drallscheibe möglichst tief und die Lebensdauer möglichst gross ist.

Die erfindungegemässe Drallscheibe ist dadurch gekennzeichnet, dass die periphere Reibfläche des Reifens gerundet und der Reifen dünnwandig mit angenähert konstanter Dicke ausgebildet ist, und aus einem Verbundmaterial mit hochhitzebeständiger Füllung in Konzentrationen von 1 bis 50 % Zugabe, insbesondere einer Aramidzugabe von 1 - 50 % besteht, wobei mit dem Reifen eine unlösliche, makromolekulare Verbindung, oder durch Eingiessen bzw. Einhüllen eines mit Stützkörpern mit der Nabe verbundenen Stützringes eine mechanische Verbindung hergestellt wird.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die periphere Reibfläche des Reifens gerundet und der Reifen dünnwandig mit angenähert konstanter Dicke ausgebildet ist und aus einem Verbundmaterial mit hochhitzebeständiger Füllung in Konzentrationen von 1 bis 50 % Zugabe, insbesondere einer Aramidzugabe von 1 - 50 %, im Spritzgiessverfahren hergestellt wird, wobei mit dem Reifen eine unlösliche, makromolekulare Verbindung oder durch Eingiessen bzw. Einhüllen eines mit Stützkörpern mit der Nabe verbundenen Stützringes eine mechanische Verbindung hergestellt wird.

Von den Erfindern ist erkannt worden, dass im Stand der Technik vor allem der kombinatorische Effekt der Materialzusammensetzung einerseits und die Mächtigkeit der örtlichen Materialmenge anderseits vernachlässigt wurde. Im Fahrzeugbau ist es schon längst eine allgemeine Erfahrungstatsache, dass das Verhalten von Vollgummirädern, mit Gummireifen versehene Räder, oder Eisenrädern mit einer dünnen aufgummierten Schicht ein je anderes Verhalten haben. Diese Aussage lässt sich auf die beiden Druckschriften des Standes der Technik übertragen. Die DE 35 00 208 stellt in dieser Betrachtungsweise ein Vollgummirad mit metallischer Tragscheibe und die genannte japanische Druckschrift ein Vollgummirad mit einer Kunststoffnabe dar.

Demgegenüber schlägt die neue Erfindung eine reifenartige Formgebung für die Reibpartie vor. Die reifenartige Form hat den entscheidenden Vorteil, dass ab einer minimalen Dicke des Materials das gummielastischen Verhalten, gleicherweise wie der Reibkoeffizient voll erhalten bleiben, was bei einer dünnen Reibschicht von z.B. wenigen Zehntel Millimetern nicht der Fall wäre. Es gibt eine bestimmte optimale "Reifendicke", die etwa zwischen 1 bis 3 Millimetern liegt. Ein weiterer grosser Vorteil liegt in der Materialmenge für das teuerste Material. Der Reifen braucht dabei nur einen Teil z.B. 10 - 25 % des teuersten Materials im Verhältnis zu einem Vollgummireifen des Standes der Technik. In dem Reifenmaterial selbst können noch teurere Füllstoffe in relativ geringen Prozentualen Anteilen eingemischt werden. Bereits 1 % eines hochhitzebeständigen Stoffes kann schon eine spürbare Wirkung ergeben. Je nach Stoffqualität können 2 bis 20 %, bzw. 3 bis 15 % oder 4 bis 12 % Verbundmaterial eingemischt werden. Die neue Lösung gestattet auf der Basis insbesondere der dünnwandigen Reifenausbildung einen Verbund mit Materialien höchster Qualität zu verwenden, optimale Bedingungen sowohl für einen inneren Verbund des Reifenmateriales wie einen äusseren Verbund mit dem Nabenmaterial ohne Haftvermittler, und das ganze mit einem sehr rationellen Spritzgiessverfahren herzustellen.

Die Erfindung gestattet ferner auch ohne Haftvermittler eine ganze Anzahl besonders vorteilhafter Ausgestaltungen. Bevorzugt wird der Reifen dünnwandig ausgebildet, und weist wenigstens eine Wandstärke von etwa 1 mm, vorzugsweise in dem Bereich von 1 bis 3 mm auf. Die Nabe kann einen Stützring aufweisen, der formähnlich zu der äusseren Reibfläche des Reifens ausgebildet und vom Reifen eingehüllt ist. Wird die Nabe in einem getrennten Arbeitsgang als Spritzgiesskörper hergestellt, so kann dieser einen, fest über eine Vielzahl von Speichen verbundenen Stützring aufweisen, der im wesentlichen durch das Verbundmaterial eingeschlossen wird. Nabe und Stützring werden speichenartig durch eine Vielzahl von Stützkörpern verbunden, wobei der Stützring und die Stützkörper vollständig durch das Verbundmaterial eingegossen werden. Der Reifen sollte an jeder Stelle angenähert eine konstante Dicke aufweisen. Gemäss einer weiteren Ausgestaltung wird der Reifen kappenartig auf der Nabe aufgesetzt und mit einer unlöslichen, makromolekularen, Verbindung mit der Nabe hergestellt.

Mit der neuen Lösung eröffnet sich damit eine neue Spritzgiesstechnologie für die Herstellung der Drallscheiben, wie in der Folge noch gezeigt wird. Wenn das Reifenmaterial aus einem aramidgefüllten thermoplastischen Polyurethan besteht, kann es mit Hilfe der Spritzgiesstechnik verarbeitet werden. Bevorzugt wird es aus Aufbaukomponenten wie Para-Phenylendiisocyanat (PPDI) und Polycarbonatdiol hergestellt.

Die besten Resultate konnten bisher erzielt werden, wenn die Nabe aus Hartthermoplast, insbesondere einem speziell modifizierten thermoplastischen Hartpolyurethan mit 40 % Glasfasern hergestellt ist. Gemäss einem ersten Herstellprozess wird die Nabe in einem vorangehenden Verfahrensschritt in Spritzgiesstechnik hergestellt, in eine zweite Spritzgiessform eingelegt und das Reifenverbundmaterial zu der Nabe in einem zweiten Verfahrensschritt aufgespritzt. Gemäss einem zweiten Herstellprozess wird die Drallscheibe in einem einstufigen Spritzgiessverfahren in den zwei Kavitäten eines einzigen Werkzeuges geformt. Hierbei kommt der neue Lösungsweg ganz besonders zum Tragen. Einstufige Spritzgiessverfahren sind an sich in speziellen Sektoren bekannt und gestatten Formteile in einer einzigen Form einstufig herzustellen. Dies ist aber wirtschaftlich erst möglich, wenn sehr grosse Stückzahlen von identischen Gegenständen produziert werden. Die Kosten pro Gegenstand sind markant tiefer im Verhältnis zu dem klassischen zweistufigen Verfahren. Der grosse Nachteil liegt beim einstufigen Spritzgiessen von mehreren Komponenten in massiv teureren Kosten für die Spritzgiessformen. Das grosse Problem liegt hier tatsächlich an dem Wort "wenn". Wenn ein Produkt gut und billig ist, verkauft man viel. Wenn das Pro-dukt nicht gut ist aber umgekehrt nur wenige. Der überwiegende Teil der qualitativen Testuntersuchungen können im Labor gemacht werden. Der entscheidende Test, der im Automobilbau erst in allerjüngster Zeit als "Eichtest" populär geworden ist, ist der Praxistest. Bevor nicht eine grössere Anzahl an Drallscheiben sich im Praxiseinsatz be-währt haben, wird diese nicht in grossen Mengen gekauft. Anderseits lässt sich ein Gegenstand nur bei einer Massenherstellung also bei grossen Stückzahlen preisgünst-ig herstellen. Ein besonders wichtiger Aspekt der neuen Erfindung liegt nun darin, dass die selbe Lösung schrittweise in eine rationelle Produktionstechnik überführt werden kann, wobei schon die erste. Stufe kommerziell sinnvoll ist. Wenn auch das Ziel darin liegt auf einen kostenintensiveren Schleifprozess nach dem Spritzen oder Giessen zu verzichten, so werden doch bevorzugt die fertiggespritzten Drallscheiben in Bezug auf den Rundlauf einem Schleifprozess unterworfen, mindestens soweit eine entsprechend Genauigkeit beim Spritzgiessen nicht einen viel grösseren Aufwand bedingt.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nun an Hand einiger Ausführungsbeispiele mit weiteren Einzelheiten erläutert. Es zeigen:

die Figur 1 schematisch ein Friktions-Texturieraggregat;

die Figur 2a und 2b eine Drallscheibe in zweifach vergrössertem Massstab;

die Figur 3a und 3b eine rohe Nabe für eine Drallscheibe;

die Figur 3c und 3d die Nabe von Figur 3a und 3b mit und ohne Reifen:

die Figur 4a bis 4c verschiedene Reifenausgestaltungen;

die Figur 5 einen einstufigen Herstellprozess für Drallscheiben;

die Figur 6 einen zweistufigen Herstellprozess für Drallscheiben.

Wege und Ausführung der Erfindung

In der Folge wird nun auf die Figuren 1 sowie 2a und 2b Bezug genommen. Ein vollständiges Friktions-Texturieraggregat 2 weist auf drei Wellen 3, 3' und 3" je drei Drallscheiben 1 auf, welche über einen nicht dargestellten Antriebsmotor auf eine sehr hohe Umdrehungszahl von über 10'000 U/min. in Rotation versetzt werden. Dem Garn 4 wird ein Falschdrall 5 aufgezwungen, der sich nach der mechanischen Einwirkung durch das Friktions-Texturieraggregat 2 im wesentlichen wieder auflöst, wie am Garn 6 mit parallelen Strichen angedeutet ist. Die Friktions-Drallerzeugung ist nun schon seit über 2 Jahrzehnten die meistverbreitete Technik und hat sich sehr gut bewährt. Für die Technik wird auf die entsprechende Fachliteratur verwiesen. Die ganze Falschdrallarbeit findet auf der relativ kleinen Reibfläche 7 statt, welche mit den Masspfellen 7' begrenzt und ähnlich ist wie die äussere Form eines Auto- oder Fahrradreifens. Die Reibfläche 7 ist zusätzlich mit einer dicken strichlierten Linie markiert. Die Drallscheibe 1 besteht aus einem Reifen 8, sowie nach innen, aus einer Nabe 9 mit einer konzentrischen Bohrung 10 zum Aufmontieren auf die Wellen 3, 3', 3". Wichtig bei Drallscheiben ist, dass sie gegenüber der jeweiligen Drehachse 11 einen maximal möglichen Rundlauf haben. Die Mehrzahl der Drallscheiben, zumindest diejenigen mit höherer Qualitat werden deshalb in dem Bereich der ganzen Reibfläche, insbesondere in Bezug auf Rundlauf geschliffen. Die äussere Umfangsfläche ist, wie mit Durchmesser D angedeutet ist, kreisringförmig. Nabe 9 sowie Reifen 8 haben unterschiedliche Funktionen und werden deshalb bevorzugt aus unterschiedlichen Materialien hergestellt. Durch die zusätzliche Wärme und Reibbeanspruchung werden an die Reifen entsprechend höhere Ansprüche gestellt.

Im Stand der Technik ist es bekannt als Nabenmaterialien Polyester oder Polyamide mit Glasfaseranteil zu verwenden. Die zuerst spritzgegossene Nabe (1. Stufe) wird beim Überspritzen mit einer weichen TPU-Komponente (2.Stufe) nicht kraftschlüssig angebunden (TPU = Thermoplastisches Polyurethan). Das heisst, um die notwendige Stabilität für die bei der Anwendung auftretenden Fliehkräfte zu gewährleisten, muss eine relativ aufwendige Nabenkonstruktion mit Verstrebungen gewählt werden oder die Nabe muss in einem zusätzlichen Zwischen-Produktionsschritt mit Haftvermittler behandelt werden. Erfindungsgemäss konnten nun aber spezielle Hartmaterialien so mit Modifizierungen versehen werden, damit mit den im 2. Schritt aufgespritzen TPU's direkt kraftschlüssige Verbindungen resultieren. Dies erlaubt, eine vereinfachte Nabenkonstruktion ohne Nachbehandlung mit Haftvermittler zu wählen. Als Hartmaterial wurde ein modifiziertes Hart-TPU für passend befunden. Dieses ist gefüllt mit etwa 40 % Glasfasern (E-Modul = 12000 MPa). Es eignen sich jedoch auch weitere Hartthermoplaste mit E-Modul > 5'000 MPa wie PA 12, PA 6, PA 66, teilaromatische Polyamide und PA 4.6, wenn sie zur Anhebung des E-Moduls mit einer entsprechenden Menge an Füllstoff (z.B. Glasfasern) ausgerüstet sind. Gemäss einer weiteren Ausgestaltung wird für die Reifen TPU-Material verwendet. Dabei wurde im Lauf der Entwircklung die nachfolgenden geschilderten Erfahrungen gewonnen. TPU's für sich sind beispielsweise den Gummiwerkstoffen hinsichtlich Abrieb und Weiterreissfestigkeit (wenn von aussen ein Riss entsteht und sich nach innen vergrössert) um ein vielfaches überlegen. Deshalb eignen sie sich ganz besonders zum Einsatz für Texturierungsscheiben. Aus Sicht der Anwender dieser Produkte ergeben sich jedoch folgende Nachteile:

Die mechanischen Eigenschaften der TPU's sind aufgrund ihrer Thermoptastizität sehr stark temperaturabhängig. Drallscheiben haben üblicherweise einen Durchmesser von 45 - 58 mm. Wegen der hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten (bei 50 bis 53 mm bis zu 200 U/sec., das heisst bis zu 35 m/sec. Umfangsgeschwindigkeit) und der Reibung erwärmen sich die Scheiben beträchlich. Zugfestigkeit, Weiterreissfestigkeit, Abriebbeständigkeit nehmen mit zunehmender Temperatur ab, was sich in kurzer Lebensdauer und Veränderungen hinsichtlich Garnqualität niederschlägt. Des weiteren können durch Fehlbedienung des Betriebspersonals, in der Praxis hohe abrasive Belastungen entstehen, die einen aufgespritzen TPU-Kranz sofort zerstören und tiefe Einschnitte erzeugen. Solche Scheiben müssen um den Prozess fortzuführen zu können sofort ausgewechselt werden. Erfindungsgemäss ist nun aber erkannt worden, dass auf Basis der beschriebenen hochtemperaturbeständigen polymeren Füllstoffe gefüllte TPU's die Materialqualität in Bezug auf die Texturierungsanwendung positiv beeinflusst wird:

Verbesserungen der Einreissfestigkeit (Einschnitte an der Scheibenoberfläche) und zwar auf ein Niveau, mit dem unter Praxisbedingungen die Beschädigungen quasi nicht mehr vorkommen.
Verringerung der Temperaturabhängigkeit von den bereits erwähnten mechanischen Eigenschaften: E-Modul, Zugfestigkeit, Weiterreissfestigkeit, und dadurch beträchtliche Erhöhung der Lebensdauer.
Verringerung von Abrieb und Verschleiss.
Als Folge der Qualitätsverbesserung der TPU's sind auch Verbesserungen an den textil-technologischen Kennwerten der damit hergestellen Garne (z.B. Erhöhung der Kräuselung und Stabilität der Kräuselung) zu erzielen.

Es hat sich gezeigt, dass Aramid eine ganze Anzahl Eigenschaften und Vorteile hat, welche eine besonders vorteilhafte Eignung für die Reifenherstellung von Drallscheiben haben. Es sind dies:
Resistenz gegenüber den chemischen Präparationsmitteln bzw. gute Chemikalienbeständigkeit, hundertprozentige Parakristallinität, sehr hoher Orientierungsgrad der Moleküle, sehr hohe Glasübergangstemperatur, extreme thermische Stabilität, extrem grosse Zugfestigkeitswerte, hoher E-Modul, ebenfalls hohe Festigkeit bei niedrigem Gewicht, keine Sprödigkeit, hohe Dimensionsstabilität, nicht abrasiv, jedoch abriebbeständig. Beschreibung von Aramid (exakte chemische Bezeichnung): Poly-(para-phenylen-terephthalamid) Hersteller: Akzo Nobel und DuPont, Handelsnamen: Twaron und Kevlar

Aramide können als Langfaser, Kurzfaser, Pulver und Pulpe eingesetzt werden. Nach den momentanen Kenntnissen wird die Pulverform bevorzugt, da sich diese besser eignet für die spritzgiessbaren TPU's. Alle bisherigen Untersuchungen haben bestätigt, dass Aramidfüllstoffe ideale Voraussetzungen haben für die Reifenherstellung, vor allem wenn speziell modifizierte Hart-Thermoplaste als Nabenmaterial eingebunden werden. Thermoplast mit besonderer Bevorzugung eines Hart-TPU, speziell modifiziert mit 40 % Glasfaser als Nabenmaterial weist unter enderem folgende Vorteile auf:

125°C Dauerbeständigkeit
günstige Medien- und Hydrolysebeständigkeit
gute Spritzgussverarbeitbarkeit,
Ausrüstung mit interner Modifizierung, damit Haftung zum aufgespritzen TPU ohne Nachbehandlung möglich wird.

Die aus den bereits erwähnten Bestandteilen hergestellten Polyurethane können mit Aramidkurzschnittsfaser. Pulpe oder -Pulver gefüllt werden. Es eignen sich jedoch ebenfalls weitere thermostabile Polymere zur Beimengung als funktioneller Hochleistungsfüllstoff. Diese haben in der Regel einen aromatischen Aufbau und Glasumwandlungstemperaturen von über 100°C. So ergibt sich folgende Aufzählung; Polyimide, Polybenzimidazole, Polyphenylensulfide, Polyphenylen, Polyoxdiazole, Poly (para-phenylen- 2,6, 2,6-Benzol bis Oxazol) PBO -benzobisoxazole (PBO), Polyetheretherketon (PEEK), Polyester, Poly-para-benzoesäure, Polysulfons, Polyhydantoin, Polyesterimid, Polyamidimid, Polybismaleinimid, Polyarylamid, Polyarylsulfon, Polyphenylensulfon sowie Karbonfasern. Aramid als internes Verbundmaterial für den Reifen grenzt sich von konventionellen Polymerfüllstoffen ab und ist temperaturbeständig bis mehr als 400 °C (geringe Veränderung von mechanischen Eigenschaften) ist abriebbeständig und dabei selbst nicht abrassiv und ist chemisch resistent gegen die bekannten Texturierungsmedien. In Zusammenwirkung des TPU mit Aramidfüllung mit beschriebenem Hartthermoplast ergeben sich grosse Vorteile hinsichtlich Herstellkosten. Für die textiltechnische Praxis ist eine Verlängerung der Standzeiten von Friktionsscheiben (Verringerung von Abrief und Anfälligkeit gegen Einschnitte), Verbesserung der textiltechnischen Kennwerte (Garnqualität, Stabilität der Kräuselung etc.) ferner eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen (100 - 125 °C) zu erwarten. Dies gilt ebenfalls mit den erwähnten Hochtemperaturpolymeren, wenn sie als faser- oder pulverförmiger Füllstoff dem thermoplastischen Polyurethan beigemengt werden.

Die Figuren 3a, 3b und 3c zeigen ein erstes Beispiel für eine Nabenausgestaltung. Dabei wird der Reifen nicht kraftschlüssig das heisst, nicht durch chemische Anbindung mit der Nabe verknüpft. Die Verbindung erfolgt rein mechanisch über einen Stützring 20, der über viele Speichen 21 mit dem Nabenkranz 22 ein einziges Spritzgiessteil darstellt. Der Nabenkranz ist wiederum verbunden mit einer Nabenscheibe 23 sowie einem Nabenlager 24. Die ganze Nabe wird einstückig in einem ersten Arbeitsprozess gespritzt. In der Figur 3d ist die selbe Nabe 9 bereits mit dem Reifenmaterial umgespritzt. Das Reifenmaterial umgreift den Stützring 20 vollständig, wobei auch die Speichen 21 durch das Reifenmaterial eingegossen werden. Das ganze Reifenmaterial umschliesst den Stützring 20 zweifach vollständig, sowohl in Umfangsrichtung wie auch im Querschnitt (Figur 3d). Damit ist der Reifen auch bei höchsten Drehzahlen von über 10'000 Umdrehungen pro Minute mechanisch fest mit der Nabe verbunden, ohne Haftvermittler und ohne dass eine molekulare Verbindung besteht. Mit dem Mass D ist die Reifendicke gekennzeichnet, die wie im Querschnitt der Figur 3d zu entnehmen ist, überall etwa gleich gross ist. Dies ist besonders im Hinblick auf den Vullanisationsvorgang vorteilhaft

Die Figuren 4a bis 4c zeigen weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen, die sowohl einstufig wie zweistufig mit der Spritzgiesstechnik herstellbar sind. Anstelle einer echten körperlichen Verankerung wird nun eine molekulare Verbindung vorausgesetzt, welche auf Grund der weiter Vorne beschriebenen Materialzusammensetzung erreichbar ist. Die Figur 4a zeigt eine einfache Kappenform des Reifens 8x. Reifenmaterial RM sowie das Nabenmaterial NM bilden gleichsam eine Verbindung, welche nur noch mit Gewaltmitteln trennbar ist. Das gleiche gilt bei den Varianten Figur 4b und 4c. In der Figur 4b ist der Reifen 8xx als Hut ausgebildet. In der Figur 4c ist der Reifen zusätzlich mit zwei Wülsten 30 gesichert, welche am inneren Ende von zwei seitlichen Schutzabdeckungen 31 angebracht wird. Die Lösungen gemäss den Figuren 4b und 4c haben den grossen Vorteil, dass in Bezug auf die chemisch teils sehr aggressiven Präparationsmittel, die an dem Garn im vorangehenden Verarbeitungsprozess aufgebracht werden.

Die Figur 5 zeigt die höchste Automatisierungsstufe als einstufigen Herstellprozess von Drallscheiben dar. Das eigentliche Problem dabei ist die Ausgestaltungen des Spritzgiesswerkzeuges 45 sowie der zeitlichen Steuerung und örtliche Führung der beiden Materialmengen für die Nabe sowie den Reifen. Sind die entsprechenden Spritzgiessprobleme einmal gelöst, können Drallscheiben von höchster Qualität mit den minimalsten Herstellkosten produziert werden.

Die Figur 6 zeigt den älteren, zweistufigen Spritzgiessprozess Dabei wird als erster Schritt in einer Form 40 über eine Spritzgiesschnecke 41 mit Nabenmaterial NM die Nabe 9 hergestellt. Die Nabe 9 wird in eine zweite Form 42 gelegt und über eine zweite Spritzgiesschnecke 43 mit Reifenmaterial RM der Reifen gespritzt. Besonders während einer Markteinführungsphase ist es wichtig, dass Formwerkzeuge wenn erforderlich schnell und preisgünstig geändert und neuen vorher nicht bekannten Kriterien angepasst werden können.

Für TPU's kann 4,4-Diphenylmethan Diisocyanat (MDI), welche die Einarbeitung von Aramid beinhaltet, verwendet werden, aber auch aliphatische wie cycloaliphatische Diisocyanate z.B. Isophorondiisocyanat, kernhydriertes MDI, Hexamethylendiisocyanat, insbesondere interessant für das angestrebte Patent sind Toluidindiisocyanat (TODI), Naphthylen- 1,5 diisocyanat (NDI) und Paraphenylendiisocyanat (PPDI). Als Dialkohole verwendet werden insbesondere Polyester, polylactone, Polyether, Polythioether, Polycarbonate und Polyethercarbonate oder Gemische aus den erwähnten Substanzen. Es werden kurzkettige Diole, wie Ethandiol, Butandiol-1,4, Hexandiol 1,6 und weitere Verbindungen wie es dem Stand der Technik entspricht zur Vernetzung herangezogen. Die bisherigen Praxisversuche mit Polyuretan-Drallscheiben mit Aramidfüllung haben gesamtheitlich sehr gute Resultate, ganz besonders schon eine Verlängerung der Lebensdauer gezeigt. Vor allem ergab sich eine gute Optimierung zwischen den beiden Extremen einer Gummischeibe sowie einer Keramikscheibe. Der Formschluss war optimal. Die Oberfläche ist nicht zu rauh, was schlecht ist und Fadenbrüche verursachen kann. Reibwert wie Griffigkeit waren sehr gut. Trotzdem war die Widerstandsfestigkeit bzw. die Einschnittfestigkeit sehr hoch. Es könnte gar kein Einschneiden des Garnes in die Scheibe festgestellt werden. Ferner wurden folgende zwei positive Sachverhalte durch Praxisversuche bestätigt:

1) Verbesserung der Wideranfahrbarkeit der Fadenposition (Spindelbereich: Faden wird auch nach mehreren Monaten Laufzeit beim Wiederanfahren des Fadens nicht durch die Drallscheiben aus der Fadenbahn geschleudert).

2) Bessere Prozessstabilität (geringere Streuungen, wichtiger Kenngrössen: z.B. Fadenzugkraft nach der Spindel → geringere Streuung bezüglich Spulenhärte der Aufwickelspulen und der Anfährbung im Garn.

Gemäss einem weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltungsgedanken wird vorgeschlagen, anstelle oder zusätzlich zu dem Aramidfüllstoff, Poly (para-phenylen-2,6-benzobisoxazole (PBO) oder Polyphenynel-Sulfon (PPSO₂) (Fa Höchst) zu wählen. In Bezug auf Aramid gestattet PBO nochmals eine Verbesserung der weiter oben aufgeführten Kennwerte, insbesondere Hitzebeständigkeit sowie der mechanishcen Festigkeitswerte. Die bevorzugte chemische Struktur von PBO ist:

Die neue Erfindung erlaubt, selbst mit mehreren Zwischenstufen, schrittweise das Ziel ökonomisch zu erreichen. Bei der höchsten Automatisierungsstufe dem einstufigen Spritzgiessprozess sind gegebenenfalls Reifen und Nabe in Abhängigkeit der Materialfarben von Auge nicht mehr zu unterscheiden.
Da die Materialzusammensetzung von aussen gegebenenfalls nicht mehr erkennbar ist, wird ferner vorgeschlagen, die Materialien der Drallscheibe einzufärben, um dadurch über die Farbe eine Qualitätserkennung zu geben. Z.B. kann die Nabe mit orange (RAL 2004 / RAL 2008) gekennzeichnet, und der Reifen in helleren Farben, z.B. gelb, grün, grau, oder allenfalls rot oder blau eingefärbt werden.

Claims

Drallscheibe (1) zum Falschzwirnen eines textilen Fadens (4,6) für Friktionsfalschdraller bestehend aus einer Nabe(9) sowie einem Reifen mit peripherer Reibfläche (7),
dadurch gekennzeichnet, dass die periphere Reibfläche (7) des Reifens (8, 8^x, 8^xx, 8^xxx) gerundet und der Reifen dünnwandig mit angenähert konstanter Dicke ausgebildet ist, und aus einem Verbundmaterial mit hochhitzebeständiger Füllung in Konzentrationen von 1 bis 50 % Zugabe, insbesondere einer Aramidzugabe von 1 - 50 % besteht, wobei mit dem Reifen eine unlösliche, makromolekulare Verbindung, oder durch Eingiessen bzw. Einhüllen eines mit Stützkörpern mit der Nabe verbundenen Stützringes eine mechanische Verbindung hergestellt wird.
Drallscheibe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperaturbeständigen Stoffe in einer Konzentration von 2 bis 20 % ausmachen.
Drallscheibe nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Reifen (8, 8^x, 8^xx, 8^xxx) an jeder Stelle angenähert eine konstante Wandstärke in dem Bereich von 1 bis 3 mm aufweist.
Drallscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (9) einen Stützring (20) aufweist, der formähnlich zu der äusseren Reibfläche (7) des Reifens (8, 8^x, 8^xx, 8^xxx) ausgebildet und vom Reifen (8, 8^x, 8^xx, 8^xxx) eingehüllt ist.
Drallscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (9) als Spritzgiesskörper hergestellt ist, mit einem, fest über eine Vielzahl von Speichen (21) verbundenen Stützring (20), der im wesentlichen durch das Verbundmaterial eingeschlossen wird.
Drallscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Reifen (8, 8^x, 8^xx, 8^xxx) kappenartig auf der Nabe (9) aufgesetzt ist und eine kraftschlüssige makromolekulare Verbindung mit der Nabe (9) hergestellt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Drallscheibe (1) zum Falschzwirnen eines textilen Fadens (4, 6) für Friktionsdraller, bestehend aus einer Nabe (9) sowie einem Reifen als periphere Reibfläche (7),
dadurch gekennzeichnet, dass die periphere Reibfläche (7) des Reifens (8, 8^x, 8^xx, 8^xxx) gerundet und der Reifen dünnwandig mit angenähert konstanter Dicke ausgebildet ist und aus einem Verbundmaterial mit hochhitzebeständiger Füllung in Konzentrationen von 1 bis 50 % Zugabe, insbesondere einer Aramidzugabe von 1 - 50 %, im Spritzgiessverfahren hergestellt wird, wobei mit dem Reifen eine unlösliche, makromolekulare Verbindung oder durch Eingiessen bzw. Einhüllen eines mit Stützkörpern mit der Nabe verbundenen Stützringes eine mechanische Verbindung hergestellt wird.
Drallscheibe nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das Reifenmaterial (RM) aus einem aramidgefüllten thermoplastischen Elastomer besteht und mit Spritzgiesstechnik hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet. dass der Reifen (8, 8^x, 8^xx, 8^xxx) aus einem Polyurethan auf der Basis von Para-Phenylendiisocyanat (PPDI) unter Verwendung von Polykarbonat und Polyätherkarbonatdiolen sowie deren Mischungen über einen Spritzgiessprozess mit hohem Druck hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (9) aus einem speziell modifizierten Hartthermoplast hergestellt ist, bevorzugt aus Hart-TPU mit Glasfaseranteilen von grösser als 10%.
Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (9) in einem vorangehenden Verfahrensschritt in Spritzgiesstechnik hergestellt, in eine Spritzgiessform eingelegt und das Reifenverbundmaterial (RM) zu der Nabe (9) in einem zweiten Verfahrensschritt gespritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die fertiggespritzte Drallscheibe (1) in Bezug auf den Rundlauf einem Schleifprozess unterworfen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Drallscheibe (1) in einem einstufigen Spritzgiessverfahren in den zwei oder mehreren Formhälften eines einzigen Werkzeuges geformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das Reifenmaterial (RM), vorzugsweise sowohl das Reifenmaterial (RM) wie das Nabenmaterial (NM) zur Qualitätskennzeichnung eingefärbt wird, wobei das Nabenmaterial (NM) bevorzugt orange und das Reifenmaterial (RM) mit anderer heller Farbe, insbesondere gelb, grün oder grau oder allenfalls rot oder blau eingefärbt wird.