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Formen von Verbundringen mit kontinuierlicher Walzenreinigung - Dokument DE10123400A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10123400A1 07.02.2002
Titel Formen von Verbundringen mit kontinuierlicher Walzenreinigung
Anmelder The Boeing Company, Seattle, Wash., US
Erfinder Gallagher, Patrick, Albuquerque, N. Mex., US
Vertreter Wagner & Geyer Patentanwälte, 80538 München
DE-Anmeldedatum 14.05.2001
DE-Aktenzeichen 10123400
Offenlegungstag 07.02.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.02.2002
IPC-Hauptklasse B29C 53/56
IPC-Nebenklasse B29C 53/80   
Zusammenfassung Ein Verfahren und eine Vorrichtung (10) zum Formen von angenähert zylindrischen Strukturen (14) aus einem thermoplastischen Verbundmaterialband (30), die zumindest eine Kompaktierungswalze (40) für das Verfestigen des thermoplastischen Verbundbandes (30) durch einen leitenden Wärmeübergang nutzen. Die Formungsvorrichtung (10) weist eine Form (20) auf, die um eine Achse (24) durch einen elektrischen Motor oder einen anderen Drehantriebsmechanismus gedreht wird. Die sich drehende Oberfläche der Form (20) sieht eine Formungsoberfläche für die Herstellung einer zylindrischen Struktur (14) vor. Einlaufendes thermoplastisches Verbundmaterialband (30) wird angenähert gleichzeitig durch die erwärmte Kompaktierungswalze (40) über einen leitenden Wärmeübergang verdichtet und verfestigt. Die Kompaktierungswalze (40) wird kontinuierlich mit einem Brenner (50) gereinigt, der eine offene Flamme (54) auf die Walze (40) richtet zum Entfernen von Verunreinigungen und Resten des thermoplastischen Verbundmaterials, die an der Kompaktierungswalze (40) angehaftet sind.

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen für das Formen von thermoplastischen Ringstrukturen, und insbesondere bezieht sie sich auf Verfahren und Vorrichtungen für das Reinigen während des Wickelns und Formens von thermoplastischen Ringstrukturen.

Hintergrund der Erfindung

In der Vergangenheit wurden die meisten Verbundringstrukturen bzw. zusammengesetzten Ringstrukturen unter Verwendung von thermisch aushärtenden Materialien hergestellt. Bei der Verwendung von thermisch aushärtenden Verbundmaterialien zur Herstellung einer Ringstruktur musste der gesamte Ring in einem Autoklaven bei einer Temperatur ausgehärtet werden, clie geeignet ist, das Material in den letztendlich verfestigten Zustand zu bringen. Während des Autoklavprozesses neigen die Fasern im thermisch aushärtenden Material zum Relaxieren und verlieren die Ausrichtung in der Struktur. Das Relaxieren dieser Fasern ist ein unerwünschtes Ereignis, da im Stand der Technik gut bekannt ist, dass die Faserausrichtung deutlich die Festigkeitskonsistenz und Steifigkeit einer Verbundstruktur beeinflusst. Aufgrund dessen wurde die Verwendung von thermoplastischen Materialien als eine Alternative zu thermisch aushärtenden Materialien vorgeschlagen.

Die Verarbeitung von thermoplastischen Verbundmaterialien zum Formen von Ringstrukturen erfordert einen sehr unterschiedlichen Typ einer Maschine und eines Verfahrens im Vergleich zu jenen, die für thermisch aushärtende Materialien verwendet wurden. Einige hervorstechende Vorteile können aus der Nutzung von thermoplastischen Verbundmaterialien für die Erzeugung von Strukturen, wie beispielsweise zylindrische Ringe, gezogen werden. Speziell wenn die Kompaktierung und die Verfestigung eines thermoplastischen Verbundmaterialbandes in dem Moment einsetzt bzw. auftritt, in dem das neue Band zur Ringstruktur hinzu gegeben wird, wie beispielsweise bei einem Wickelarbeitsgang, werden die Fasern in der Matrix des thermoplastischen Verbundmaterials in irgend einer Form gehalten bzw. verriegelt, wie sie diesen Fasern in dem Moment der Kompaktierung und Verfestigung erteilt wird. Das Verriegeln der Fasern vermeidet die mit der zuvor erwäihnten Faserrelaxierung einhergehenden Nachteile. Somit erhöht das ausgerichtete Verriegeln der Fasern in der Matrix eines Verbundmaterials deutlich die Festigkeitskonsistenz und die Steifigkeit der resultierenden Verbundstruktur.

Die meiste Arbeit, die auf dem Gebiet der Herstellung von Ringstrukturen aus thermoplastischen Verbundmaterialien geleistet wurde, konzentrierte sich auf die Nutzung einer Konvektionsheizung, um das thermoplastische Verbundmaterialband auf eine Temperatur zu bringen, bei welcher eine Verfestidung des thermoplastischen Verbundmaterials einsetzen bzw. auftreten kann. Die Konvektionsheizung wurde im Stand der Technik hinsichtlich thermoplastischer Ringformung vor einigen Jahren zum Erhöhen der während der Ringformung erreichbaren Geschwindigkeiten eingeführt. Es war im Stand der Technik gut bekannt, dass die Wärmeübertragung durch Strahlung und Leitung nicht genug thermische Energie in das thermoplastische Verbundmaterialprodukt einleiten konnte, um eine Verfestigung des Materials mit einer Rate zu bewirken, die schneller als 1 bis 2 Zoll pro Sekunde war. Diese Rate bezieht sich auf die Geschwindigkeit, mit welcher ein neues thermoplastisches Verbundmaterialband den vorhergehenden Schichten aus thermoplastischen Verbundmaterialband bei der Formung bzw. Bildung der Ringstruktur hinzu gegeben wird. Eine Wärmeübertragung durch Konvektion wird dadurch erreicht, dass heißes Gas auf das thermoplastische Verbundmaterialband auf den Punkt geblasen wird, wo das neue Band in Kontakt kommt mit den vorhergehenden Schichten des Bandes während die Wicklung der Ringstruktur gebildet wird. Das Blasen von heißem Gas bewirkt ein Schmelzen des thermoplastischen Verbundmaterials, so dass sich das neue und alte Material zu einer festen Masse verbinden.

Eine Wärmeübertragung durch Konvektion ist jedoch hinsichtlich einiger Gesichtspunkte nicht wünschenswert, wobei einer davon ihre extreme Ineffizienz ist. Nur ein kleiner Teil der erzeugten Wärme wird tatsächlich für das Erwärmen des thermoplastischen Verbundmaterialbandes genutzt. Der Großteil der erzeugten Wärme wird über Nachbarbereiche der auftreffenden Strahlen hinweg geblasen, wobei die Maschine, Lager, Spindeln und zugeordnete Strukturen erwärmt werden. Ein zusätzlicher Nachteil ist es, dass die Konvektionsheizung nicht die eine Stelle erwärmen kann, deren Erwärmung beabsichtigt ist, und zwar der Kontaktpunkt zwischen dem neuen thermoplastischen Verbundmaterialband, das hinzugefügt wird, und den vorhergehenden Schichten aus thermoplastischen Verbundmaterialband, die auf den Ring gewickelt sind. Diese Stelle wird nicht erwärmt, da das blasende Gas am spitzen Winkel zwischen dem eingeführten Band und dem gewickelten Ring stagniert bzw. aufgehalten wird. Stagnierende Konvektionswärme hat keine Geschwindigkeit und daher kann sie keine Wärme übertragen.

Zusätzliche Probleme treten auch auf, wenn eine dicke Ringstruktur aus thermoplastischem Verbundmaterialband gewickelt wird. Zum Formen von dicken Ringstrukturen sind große Mengen thermoplastisches Verbundmaterialband erforderlich. Dies kann erreicht werden durch Zusammenfalzen bzw. Zusammenspleißen von einigen kurzen Läufen thermoplastischen Verbundmaterialbandes. Jedoch führen die Spleiße bzw. Einfalzungen von einlaufendem Band Diskontinuitäten in die Struktur ein, was die mechanischen Eigenschaften des gebildeten Produkts erniedrigt. Alternativ kann ein einziger, extrem langer Lauf aus thermoplastischen Verbundmaterialband für das Wickeln einer dicken Ringstruktur genutzt werden, was Einfalzungen aus dem Endprodukt eliminiert. Das Problem bei dieser Technik ist es, dass es extrem teuer ist, ein thermoplastisches Verbundmaterialband herzustellen, das einige tausend Fuss lang ist und das keine Einfalzungen enthält. Mehrere andere umständliche Vorgehensweisen wurden entworfen, und zwar alle mit nachteiligen Auswirkungen, die versuchten, Material während des Laufs bzw. des Prozesses einzufalzen oder welche eine Art Start und Stop Verfestigungstechnik benutzten.

Eine In-Situ-Verfestigung eines thermoplastischen Verbundmaterialbandes ist eine effiziente Technik für die Herstellung von Schwungradringstrukturen. Dieses Verfahren nutzt für gewöhnlich eine erwärmte Kompaktierungswalze, die die Oberfläche des thermoplastischen Verbundmaterialbandes auf die Oberfläche des Schwungradrings zum Bilden einer völlig verfestigten Struktur drückt. Ein Problem, das während dieses Verfahrens auftritt, ist die Tendenz, dass eine Beschichtung aus thermoplastischen Harz aus dem thermoplastischen Verbundmaterialband an der erwärmten Kompaktierungswalze haftet. Optimale Prozesstemperaturen resultieren für gewöhnlich in einem schnellen Aufbau des thermoplastischen Harzes auf der Walze. Diese Beschichtung ruft einige Probleme hervor, was Folgendes umfasst: eine Änderung der Wärmeübertragungsrate von der Walze auf den Ring, ungleichmäßiger Druck auf das thermoplastische Verbundmaterialband, was in Variationen der Dichte des Produkts resultiert, und zufälliges Ablösen des angesammelten bzw. aufgebauten Materials auf die Oberfläche des Produkts, was in einer unebenen Oberfläche mit breit variierenden Dichten resultiert.

In der Vergangenheit erforderte eine Reinigungseinrichtung für In-Situ- Verfestigung das Anhalten eines Formungsprozesses, um eine Walze mit einer Harzansammlung zu entfernen und die Walze manuell Reinigungsmitteln auszusetzen (d. h. Stahlwolle, Sandpapier usw.). Andere bekannte Techniken wurden vorgeschlagen und eingesetzt als Versuch, die thermoplastische Harzansammlung auf den Kompaktierungswalzen zufriedenstellend zu entfernen. Diese Techniken umfassten Folgendes: physikalisches Schaben bzw. Abkratzen (kontinuierlich und/oder manuell), passive Schaber, schraubenförmig angeordnete Kabel und Infrarotwärme (lokalisiert und konzentriert). Keine dieser Techniken erwies sich als erfolgreich. Schaber werden heiß aufgrund des Kontakts mit den Kompaktierungswalzen und dem angesammelten bzw. aufgebauten Material und nutzen sich somit ab, bevor ein langer Formprozess abgeschlossen werden kann. Gehärtete oder keramische Schaber beschädigen unannehmbar die Oberfläche der Kompaktierungswalzen. Schließlich kann konzentrierte Infrarotstrahlung das thermoplastische Harz nicht "sehen" und schafft es daher nicht, das Harz von der Oberfläche der Walzen zu brennen.

Ein anderer Nachteil der bekannten Reinigungstechniken von Verfestigungswalzen ist es, dass sie nicht kontinuierlich durchgeführt werden, während das zylindrische Produkt, d. h. der Ring gebildet wird. Dies ist von Bedeutung, da die Bildung eines thermoplastischen Verbundrings keine Diskontinuitäten erzeugen darf, welche auftreten, wenn der Prozess für zwischenzeitliche Walzenreinigungsarbeitsgänge angehalten und gestartet wird. Eine kontinuierliche Walzenreinigung ist wünschenswert, weil sie Harzspuren von der Walze entfernen kann, bevor das Harz mit dem neu einlaufenden thermoplastischen Verbundmaterialband am Punkt der Verfestigung in Kontakt kommt. Somit hilft eine kontinuierliche Reinigung dabei, sicher zu stellen, dass der durch die Kompaktierungswalze angelegte Druck konsistent ist über die Breite des Bandes, dort wo die Verfestigung statt findet.

Somit gibt es einen fortwährenden Bedarf nach einem neuen und verbesserten Verfahren und einer Vorrichtung für das Wickeln von Ringstrukturen unter Nutzung eines thermoplastischen Materials, die relativ kostengünstig sind, kontinuierlich saubere Kompaktierungswalzen aufweisen und eine Wärmeübertragung durch Leitung für das Erreichen einer Verfestigung der thermoplastischen Verbundmaterialien verwenden.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß dieser Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Formen einer angenähert zylindrischen Struktur aus einem Band, vorzugsweise einem thermoplastischen Verbundmaterialband vorgesehen, die eine kontinuierlich gereinigte Walze einsetzen. Das Verfahren umfasst das Drehen einer Form um eine Achse, um so eine drehende Formungsoberfläche für das Herstellen der zylindrischen Struktur darzustellen. Eines oder mehrere Bänder werden um die Formungsoberfläche der Form gewickelt bzw. gelegt zum Formen der angenähert zylindrischen Struktur. Während des Wickelns werden die Bänder gegen die Formungsoberfläche der Form durch eine oder mehrere Kompaktierungswalzen kompaktiert bzw. zusammengedrückt, die für eine Drehung und für das Drücken des thermoplastischen Materials gegen die Formungsoberfläche der Form positioniert sind. Die Kompaktierungswalzen werden kontinuierlich mit einem Brenner gereinigt, um Verunreinigungen und Reste des Bandes zu entfernen, die an der (den) Kompaktierungswalze(n) angehaftet sind. Zuletzt werden die Bänder erwärmt, so dass sich das Bandmaterial angenähert simultan mit der Kompaktierung des neuen Bandes gegen die äußere Schicht der gebildeten angenähert zylindrischen Struktur verfestigt. Die Kompaktierungswalzen verfestigen die Bänder durch Wärmeübertragung durch Leitung.

Gemäß anderen Aspekten der vorliegenden Erfindung ist der Brenner ein Brenner mit offener Flamme. Für die Optimierung der Entfernung der Verunreinigungen und Rückstände besitzt der Brenner vorzugsweise einen Heizpegel, der gesteuert werden kann. Der Brenner heizt die Kompaktierungswalze ausreichend auf, so dass die Kompaktierungswalze das Bandmaterial für dessen Verfestigung über leitende Wärmeübertragung erwärmt. Die kontinuierliche Reinigung der Kompaktierungswalze durch den Brenner entfernt im Wesentlichen die gesamten Verunreinigungen und Harzbestandteile des Bandes, die an der Kompaktierungswalze angehaftet sind. Ferner werden die thermoplastischen zylindrischen Strukturen unter Nutzung eines vollautomatischen Verfahrens hergestellt. Die kontinuierliche Reinigung der Kompaktierungswalze durch den Brenner gestattet eine Vollautomatisierung aufgrund dessen, dass die Notwendigkeit einer unterbrechenden bzw. zwischenzeitlichen manuellen Reinigung der Kompaktierungswalze eliminiert ist.

Gemäß anderen Aspekten der vorliegenden Erfindung wird die Form um eine Achse gedreht, um eine sich drehende Formungsoberfläche für die Herstellung einer zylindrischen Struktur zu präsentieren. Während die Form gedreht wird, wird ein Band um die Formungsoberfläche der Form gewickelt, was die zylindrische Struktur erzeugt. Das Bandmaterial wird gegen die Formungsoberfläche der Form durch eine Kompaktierungswalze kompaktiert bzw. zusammen gedrückt, die für eine Drehung und Drücken des Bandes gegen die sich dlrehende Formungsoberfläche der Form positioniert ist. Die Kompaktierungswalze wird kontinuierlich mit einem Brenner gereinigt, um Verunreinigungen und Harzbestandteile aus dem Bandmaterial zu entfernen, die an die Kompaktierungswalze angehaftet sind.

Gemäß noch weiteren Aspekten dieser Erfindung wird die Kompaktierungswalze erwärmt entweder durch den Brenner allein oder durch den Brenner zusammen mit einer elektrischen Heizung. Vorzugsweise ist der Brenner ein Brenner mit offener Flamme mit einem steuerbaren Heizpegel. Der Brenner heizt die Kompaktierungswalze ausreichend auf, so dass die Walze das Bandmaterial über leitende Wärmeübertragung verfestigt. Die kontinuierliche Reinigung der Kompaktierungswalze durch den Brenner entfernt im Wesentlichen die gesamten Verunreinigungen und Harzbestandteile aus dem Bandmaterial, die an der Kompaktierungswalze angehaftet sind.

Gemäß noch anderen Aspekten des vorliegenden Verfahrens ist das Band aus einem thermoplastischen Verbundmaterial gebildet.

Wie leicht aus der vorangegangenen Zusammenfassung zu würdigen ist, hat eine mit kontinuierlicher Reinigung versehene Ringwickelvorrichtung mit Kompaktierungswalze, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, einige Vorteile gegenüber den zuvor beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen des Standes der Technik. Weil die vorliegende Erfindung vorzugsweise eine leitende Wärmeübertragung für das gemeinsame Kompaktieren und Konsolidieren bzw. Verfestigen der zu formenden Ringstruktur nutzt, werden die vom Bandmaterial umfassten Fasern, die um die Form gewickelt werden, in Ausrichtung verriegelt bzw. festgehalten, was die mechanischen Eigenschaften der geformten Struktur verbessert. Das Wickeln des Bandmaterials um eine Formungsoberfläche einer Form und gemeinsames Kompaktieren/Verfestigen der mehreren Bänder durch erwärmte Kompaktierungswalzen gestattet es, dass die zylindrischen Strukturen ohne Einfalzungen hergestellt werden. Schließlich minimiert die Nutzung einer kontinuierlichen Reinigung der Kompaktierungswalzen Folgendes: (1) Änderungen der Wärmeübertragungsrate von der Walze auf den Ring, (2) ungleichmäßigen Druck auf das Band, was in Variationen der Dichte des Produkts resultiert, und (3) zufälliges Abschälen von angesammelten Material auf die Oberfläche des Produkts, was in einer unebenen Oberfläche mit stark variierenden Dichten resultiert. Das Endergebnis ist eine insgesamt überragende Teile- bzw. Produktqualität.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorangegangenen Aspekte und viele zugehörige Vorteile dieser Erfindung können besser gewürdigt werden aufgrund eines besseren Verständnisses durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung, wenn diese im Zusammenhang gesehen wird mit Fig. 1, welche eine Seitenansicht einer Verbundringwickelvorrichtung darstellt, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.

Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Fig. 1 stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Walzenringwickelvorrichtung 10 dar, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, und zwar zum Bilden von angenähert zylindrischen Strukturen 14 aus einem oder mehreren Bändern 30, die aus thermoplastischem Verbundmaterial gebildet sind, wobei eine oder mehrere Kompaktierungswalzen 40 für die Verfestigung bzw. Konsolidierung des thermoplastischen Verbundmaterials über eine leitende Wärmeübertragung verwendet werden. Die dargestellt Walzenringwickelvorrichtung 10 weist eine Form 20 auf, die um eine Achse 24 gedreht wird, und zwar durch einen elektrischen Motor oder eine andere Leistungsquelle für eine Drehung (nicht gezeigt). Das umfangsmäßige Äußere der Form 20 sieht eine sich drehende Formungsoberfläche für die Verwendung bei der Herstellung der zylindrischen geschichteten bzw. laminierten Struktur 14vor. Eines oder mehrere thermoplastische Verbundmaterialbänder werden um die Form gewickelt, während sich die Form dreht. Jedes der einlaufenden thermoplastischen Verbundmaterialbänder 30 wird angenähert simultan bzw. gleichzeitig verdichtet bzw. zusammengepresst und verfestigt bzw. konsolidiert durch ihre jeweiligen erwärmten Kompaktierungswalzen 40, und zwar über leitende Wärmeübertragung während das Band aufgewickelt wird. Zur Vereinfachung der Darstellung ist nur eine Kompaktierungswalze in Fig. 1 gezeigt. Die Kompaktierungswalze wird durch einen Mechanismus getragen, der die Kompaktierungswalze(n) gegen die äußere Schicht des auf die Form 20 gewickelten Bandes drückt. Der Tragemechanismus, der im Stand der Technik gut bekannt ist, ist schematisch als eine Feder 42 gezeigt, die gegen eine Welle 44 drückt, auf welcher die Kompaktierungswalze 40 montiert ist. Der Tragemechanismus erzeugt einen fortwährenden Kompaktierungsdruck gegen die äußere Bandwicklung. Gemäß dieser Erfindung wird die Kompaktierungswalze 40 fortwährend mit einem Brenner 50 gereinigt, der eine offene Flamme 54 auf die Oberfläche der Walze 40 entfernt vom Kompaktierungpunkt richtet, die Verunreinigungen und andere Harzbestandteile aus dem thermoplastischen Verbundband 30 entfernt, die an der Kompaktierungswalze 40 angehaftet sind.

Die Drehachse 24 der angetriebenen Form 20 liegt vorzugsweise im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene. Diese Drehorientierung ist bevorzugt, da das thermoplastische Verbundmaterialband 30 auf eine Verfestigungstemperatur durch die Kompaktierungswalze 40 erwärmt wird, was somit bewirkt, dass im thermoplastischen Verbundmaterialband enthaltene Harze viskos werden zu einem halb-geschmolzenem Zustand. Wenn die Drehachse 24 der angetriebenen Form 20 in einer im Wesentlichen vertikalen Ebene orientiert wäre, würde das viskos geschmolzene Harz dazu tendieren aufgrund der Schwerkraft axial in Richtung auf das untere Ende der zu formenden zylindrischen Struktur zu fließen, was ein fehlgeformtes Endprodukt erzeugen würde.

Bezug nehmend auf Fig. 1 wird das einlaufende thermoplastische Verbundmaterialband 30 vorzugsweise von einem Materialzufuhrrad (nicht gezeigt, jedoch im Stand der Technik gut bekannt) ausgegeben. Weiter ist es vorteilhaft, wenn während einem richtigen Verdichtungs- und Verfestigungsprozesses das einlaufende Band 30 sich in einem Spannungszustand befindet wenn das Band 30 sich der Kompaktierungswalze 40 nähert. Eine Spannung reduziert Defekte im Endprodukt, wie beispielsweise Knittern und andere Fehler beim Verdichten bzw. Kompaktieren. Um ein gespanntes eingehendes thermoplastisches Verbundmaterialband 30 zu erzeugen, werden vorzugsweise Spannungswalzen (nicht gezeigt, jedoch im Stand der Technik gut bekannt) verwendet. Die Spannungswalzen halten das Band 30 bei einem Punkt zurück, nachdem das Band das Versorgungsrad verlassen hat, jedoch bevor das Band 30 die Kompaktierungswalze 30 erreicht. Eine gut bekannte reibungsmäßige Rückhaltetechnik involviert das Führen des thermoplastischen Verbundmaterialbandes 30 zwischen einem Paar von einander gegenüber angeordneten Spannungswalzen.

Das thermoplastische Verbundmaterialband 30 wird gegen die Formungsoberfläche der Form 20 verdichtet durch die erwärmte Kompaktierungswalze 40, die, wie in Fig. 1 gezeigt und zuvor diskutiert, derart positioniert ist, dass sie sich dreht und das thermoplastische Verbundband 30 gegen die angenähert zylindrische Struktur 14 drückt, die auf der Oberfläche der Form 20 gebildet wird. Das thermoplastische Verbundmaterialband 30 wird durch Leitung erwärmt, und zwar durch den Kontakt mit der auf eine Temperatur (über der Glasübergangstemperatur des Materials) erwärmten Kompaktierungswalze 40, die ausreichend ist für die Verfestigung des thermoplastischen Verbundmaterials, das das Band 30 bildet, und zwar angenähert gleichzeitig mit der Verdichtung und der Zugabe des einlaufenden thermoplastischen Verbundmaterialbandes 30 auf die zylindrische geschichtete Struktur 14, die geformt wird.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorwiegend in Bezug auf die Bildung von angenähert zylindrischen Strukturen 14, die aus dem thermoplastischen Verbundmaterialband 30 gebildet werden, diskutiert wurde, kann die vorliegende Erfindung auch für die Erzeugung von Strukturen genutzt werden, die andere Materilatypen verwenden. Beispielsweise können auch thermisch ausheilende Materialkompaktierungsprozesse einen Brenner 50 mit einer offenen Flamme 54 für das Entfernen von Resten und/oder Verunreinigungen von einer Kompaktierungswalze 40 nutzen. Spezieller können gemäß der vorliegenden Erfindung Metall-, Legierungs-, Hybrid- und andere Verbundkompaktierungsprozesse, die Kompaktierungswalzen einsetzen, ebenso einen Brenner 50 für das Entfernen von Resten und Verunreinigungen von der Kompaktierungswalze 40 nutzen.

Wie in Fig. 1 gezeigt, verdichtet bzw. kompaktiert die Walze 40 das einlaufende thermoplastische Verbundmaterialband 30 in die angenähert zylindrische Struktur 14, die geformt wird, durch Drücken des einlaufenden Bandes gegen die umfangsmäßige Formungsoberfläche der angetriebenen Form 20. Wie zuvor diskutiert, wird die Kompaktierungswalze 40 erwärmt und die Walze heizt das thermoplastische Verbundmaterialband 30 über leitenden Kontakt mit dem Band 30. Die Wärme ist ausreichend für die Verfestigung des Harzes, das im Band enthalten ist, und zwar angenähert gleichzeitig mit der Kompaktierung des einlaufenden Bandes gegen die äußere Wicklung der zu bildenden Struktur. Früher eingesetzte erwärmte Kompaktierungswalzen nutzten Mechanismen, wie beispielsweise innere elektrische Spulen, um die notwendige Verfestigungstemperatur zu erzeugen (im Allgemeinen über der Glasübergangstemperatur des thermoplastischen Harzes). Wie zuvor erwähnt, erwärmt gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise der Brenner 50 die Kompaktierungswalze 40 ausreichend während seines fortwährenden Reinigungszyklus, wobei der Bedarf nach einem zusätzlichen Heizmechanismus eliminiert wird. Auf diese Weise reduziert die vorliegende Erfindung die Kosten und die Komplexität der Vorrichtung 10, so wie sie auch die Effizienz des Produktionsverfahrens erhöht. Alternative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung (oder für spezielle Materialtypen mit hohen Verfestigungstemperaturen) können innere elektrische Spulen oder andere Heizmechanismen (schematisch durch eine Spule 58 gezeigt) zusammen mit der von dem Brenner 50 abgeleiteten Erwärmung der Kompaktierungswalze 40 verwenden. Die elektrischen Spulen können für das Vorheizen der Kompaktierungswalze für eine Startphase verwendet werden. Sogar bei diesen Ausführungsbeispielen liefert der Brenner 50 zumindest etwas der Wärme, die für die Erwärmung der Kompaktierungswalze 40 auf eine geeignete Temperatur erforderlich ist. Somit reduziert sogar bei diesen Ausführungsbeispielen die Erfindung die erforderliche Energie und sieht wesentliche Kosteneinsparungen vor.

In anderen alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird die Kompaktierungswalze 40 vorwiegend (oder ausschließlich) für die Verdichtung bzw. Kompaktierung des thermoplastischen Verbundmaterialbandes 30 auf die äußeren Wicklungen der zu formenden zylindrischen Struktur 14 verwendet und nicht auch für die Verfestigung über eine leitende Wärmeübertragung. In solchen Ausführungsbeispielen der Erfindung werden andere Verfahren für das Erwärmen des thermoplastischen Verbundmaterialbandes 30 auf eine Verfestigungstemperatur (wie beispielsweise durch Konvektion, über Infrarotheizung usw.) genutzt. Weil die Kompaktierungswalze 40 immer noch anfällig dahingehend ist, dass sie mit Harz oder anderen Resten aus dem thermoplastischen Verbundmaterialband 30 bedeckt wird, sowie auch mit anderen Verunreinigungen, verwenden solche Ausführungsbeispiele den Brenner 50 der vorliegenden Erfindung für das Vorsehen der nötigen fortwährenden Reinigung der Kompaktierungswalze. Somit ist die fortwährende Reinigung der Kompaktierungswalze 40 durch den Brenner 50 in der vorliegenden Erfindung funktional und vorteilhaft ohne Betracht des Wärmeübertragungsverfahrens, das für die Erwärmung des thermoplastischen Verbundmaterialbandes 30 auf eine Verfestigungstemperatur verwendet wird.

Ein Brenner 50, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, entfernt vorzugsweise die gesamten Reste des thermoplastischen Materials und andere Verunreinigungen, die an der Kompaktierungswalze 40 anhaften, bevor die Walze 40 die Möglichkeit einer vollen Drehung hat und diese Verunreinigungen und Bestandteile in die sich neu formende Oberfläche der herzustellenden angenähert zylindrischen Struktur 14 kompaktiert bzw. drückt. Vorzugsweise verwendet der Brenner 50 eine offene Flamme. Ebenso ist vorzugsweise der Geschwindigkeitspegel der Wärme oder der offenen Flamme 54, die durch den Brenner erzeugt wird, steuerbar durch eine passende Steuerung 60. Eine Steuerung des Brenners 50 gestattet das Einstellen der Brennertemperatur und der Wärmegeschwindigkeit auf einen Pegel, der erforderlich ist, um ein vollständiges Entfernen von unterschiedlichen Arten von Materialresten und anderen Verunreinigungen zu erreichen. Somit gestattet die vorliegende Erfindung das Erreichen einer notwendigen offenen Flamme 54 und von Wärmepegeln durch den Brenner 50, während auch eine Kosteneffektivität in Situationen gestattet wird, in denen geringere Wärmepegel oder eine geringere Flamme annehmbar sind.

Ein zusätzlicher Vorteil ist es, dass eine sich fortwährend reinigende Kompaktierungswalzenringwickelvorrichtung 10, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, eine Vollautomatisierung des Formens bzw. Formprozesses der angenähert zylindrischen Struktur 14 gestattet. Die vorliegende Erfindung bietet zusätzliche Kosteneinsparungen gegenüber einem manuellen Abschaben, dadurch, dass der Bedarf nach Vollzeitarbeitskräften, die sich dem Abschaben von Verunreinigungen und Resten von der Kompaktierungswalze 40 widmen, eliminiert wird.

Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bevorzugte Verfahren und bevorzugte Vorrichtungen beschrieben. Der Fachmann kann nach dem Lesen der vorangegangenen Beschreibung verschiedene andere Änderungen, Abweichungen und Ersetzungen oder Äquivalente ausführen, ohne von den offenbarten Konzepten abzuweichen. Es sei daher klar, dass im Rahmen des Umfangs der beigefügten Ansprüche die Erfindung anders ausgeführt werden kann als hier speziell beschrieben wurde.


Anspruch[de]
  1. 1. Ein Verfahren für das Formen einer angenähert zylindrischen Struktur aus einem thermoplastischen Verbundmaterialband, wobei das Verfahren Folgendes aufweist:
    1. a) Drehen einer Form um eine Achse, um eine sich drehende Formungsoberfläche zu präsentieren;
    2. b) Wickeln von zumindest einem Band aus thermoplastischen Verbundmaterial um die Formungsoberfläche der Form zum Bilden bzw. Formen einer angenähert zylindrischen Struktur;
    3. c) Verdichten bzw. Kompaktieren des zumindest einen Bandes aus thermoplastischen Verbundmaterial gegen die Formungsoberfläche der Form mit zumindest einer Kompaktierungswalze, die für eine Drehung und ein Pressen des thermoplastischen Verbundmaterials gegen die Formungsoberfläche der Form positioniert ist;
    4. d) fortwährendes Reinigen der zumindest einen Kompaktierungswalze mit einem Brenner zum Entfernen von Verunreinigungen und Harzbestandteilen aus dem thermoplastischen Verbundmaterial, die an der zumindest einen Kompaktierungswalze angehaftet sind; und
    5. e) Erwärmen des zumindest einen thermoplastischen Verbundmaterialbandes für eine Verfestigung bzw. Konsolidierung des zumindest einen Bandes aus thermoplastischen Verbundmaterial angenähert gleichzeitig mit der Verdichtung bzw. Kompaktierung des thermoplastischen Verbundmaterials gegen die angenähert zylindrische Struktur, die geformt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brenner eine offene Flamme aufweist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brenner einen Heizpegel hat, der steuerbar ist.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brenner die zumindest eine Kompaktierungswalze ausreichend aufheizt, so dass die zumindest eine Kompaktierungswalze das thermoplastische Verbundmaterial über einen leitenden Wärmeübergang verfestigt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die fortwährende Reinigung der zumindest einen Kompaktierungswalze durch den Brenner im Wesentlichen die gesamten Verunreinigungen und Harzbestandteile aus dem thermoplastischen Verbundmaterial entfernt, die an der zumindest einen Kompaktierungswalze angehaftet sind.
  6. 6. Verfahren zum Formen einer angenähert zylindrischen Struktur, wobei das Verfahren Folgendes aufweist:
    1. a) Drehen einer Form um eine horizontale Achse, um eine sich drehende Formungsoberfläche zu präsentieren;
    2. b) Wickeln eines Materials um die Formungsoberfläche der Form zum Formen einer zylindrischen Struktur;
    3. c) Verdichten bzw. Kompaktieren des Materials gegen die Formungsoberfläche der Form mit zumindest einer Kompaktierungswalze, die für ein Drehen und Pressen des Materials gegen die Formungsoberfläche der Form positioniert ist; und
    4. d) kontinuierliches Reinigen der zumindest einen Kompaktierungswalze mit einem Brenner zum Entfernen von Verunreinigungen und Resten des Materials, die an der Kompaktierungswalze angehaftet sind.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Material ein thermoplastisches Verbundmaterial ist.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die zumindest eine Kompaktierungswalze erwärmt wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die zumindest eine Kompaktierungswalze nur durch den Brenner erwärmt wird.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die zumindest eine Kompaktierungswalze elektrisch erwärmt wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Brenner die zumindest eine Kompaktierungswalze ausreichend erwärmt, so dass die zumindest eine Kompaktierungswalze das thermoplastische Verbundmaterial durch eine leitende Wärmeübertragung verfestigt bzw. konsolidiert.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das kontinuierliche Reinigen der zumindest einen Kompaktierungswalze durch den Brenner im Wesentlichen die gesamten Verunreinigungen und Harzbestandteile des thermoplastischen Verbundmaterials entfernt, die an der zumindest einen Kompaktierungswalze angehaftet sind.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Brenner einen Brenner mit offener Flamme aufweist.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Brenner einen Heizpegel hat, der steuerbar ist.
  15. 15. Vorrichtung zum Formen einer angenähert zylindrischen Struktur aus einem thermoplastischen Verbundmaterialband, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist:
    1. a) eine Form mit einer Drehachse und einer Formungsoberfläche für die Aufnahme eines thermoplastischen Verbundmaterialbandes, wobei das thermoplastische Verbundmaterialband um die Formungsoberfläche der Form zum Formen einer angenähert zylindrischen Struktur gewickelt wird;
    2. b) zumindest eine Kompaktierungswalze, die für eine Drehung und ein einstellbares Kompaktieren bzw. Verdichten des thermoplastischen Verbundmaterialbandes gegen die Formungsoberfläche der Form positioniert ist; wobei die zumindest eine Kompaktierungswalze das Band aus thermoplastischen Verbundmaterials an angenähert dem Kontaktpunkt des thermoplastischen Verbundmaterials mit der Kompaktierungswalze verfestigt bzw. konsolidiert, wodurch die angenähert zylindrisch Struktur verfestigt und verdichtet wird; und
    3. c) einen Brenner, wobei der Brenner kontinuierlich die zumindest eine Kompaktierungswalze durch Entfernen von Verunreinigungen und Resten des thermoplastischen Verbundmaterials reinigt, die an der Kompaktierungswalze angehaftet sind.
  16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Brenner einen Brenner mit offener Flamme aufweist.
  17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 15, die eine Steuerung für das Steuern des Heizpegels des Brenners aufweist.
  18. 18. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Brenner die zumindest eine Kompaktierungswalze ausreichend erwärmt, so dass die zumindest eine Kompaktierungswalze das thermoplastische Verbundband über eine leitende Wärmeübertragung verfestigt.
  19. 19. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das kontinuierliche Reinigen der zumindest einen Kompaktierungswalze durch denn Brenner im Wesentlichen die gesamten Verunreinigungen und Harzbestandteile aus dem thermoplastischen Verbundband entfernt, die an der zumindest einen Kompaktierungswalze angehaftet sind.
  20. 20. Vorrichtung zum Formen einer angenähert zylindrischen Struktur, wobei die Vorrichtung Folgeendes aufweist:
    1. a) eine Form mit einer Drehachse und einer Formungsoberfläche für die Aufnahme von Material, das um die Formungsoberfläche der Form gewickelt wird zum Formen einer angenähert zylindrischen Struktur;
    2. b) zumindest eine Kompaktierungswalze, die für eine Drehung und ein einstellbares Verdichten bzw. Kompaktieren des Materials gegen die Formungsoberfläche der Form positioniert ist; und
    3. c) einen Brenner, wobei der Brenner kontinuierlich die zumindest eine Kompaktierungswalze durch Entfernen von Verunreinigungen und Resten des Materials reinigt, die an der Kompaktierungswalze angehaftet sind.
  21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei das Material ein thermoplastisches Verbundmaterial ist.
  22. 22. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Kompaktierungswalze erwärmt wird.
  23. 23. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Kompaktierungswalze nur durch den Brenner erwärmt wird.
  24. 24. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Kompaktierungswalze elektrisch erwärmt wird.
  25. 25. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei der Brenner die zumindest eine Kompaktierungswalze ausreichend erwärmt, so dass die zumindest eine Kompaktierungswalze das thermoplastische Verbundmaterial über eine leitende Wärmeübertragung verfestigt bzw. konsolidiert.
  26. 26. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die zumindest eine Kompaktierungswalze das thermoplastische Verbundband angenähert an dem Kontaktpunkt des thermoplastischen Verbundbandes mit der Kompaktierungswalze verfestigt, wodurch die angenähert zylindrische Struktur verfestigt und verdichtet wird.
  27. 27. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei das kontinuierliche Reinigen der zumindest einen Kompaktierungswalze durch den Brenner im Wesentlichen die gesamten Verunreinigungen und Harzbestandteile aus dem Material entfernt, die an der zumindest einen Kompaktierungswalze angehaftet sind.
  28. 28. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei der Brenner einen Brenner mit offener Flamme aufweist.
  29. 29. Vorrichtung nach Anspruch 20, die eine Steuerung zum Steuern des Heizpegels des Brenners aufweist.






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