Verfahren und Einrichtung zum kontinuierlichen Herstellen von Rohren aus faserarmiertem, verfestigtem Kunststoff
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum kontinuierlichen Herstellen von Rohren aus faserarmiertem, verfestigtem Kunststoff, insbesondere von nahtlosen Rohren aus wärmehärtendem Kunststoff, wobei Länge, Durchmesser und Wandstärke beliebig gewählt werden können.
Es ist eine charakteristische Eigenschaft der in Frage kommenden Kunststoffe, dass sie unter dem Einfluss von Wärme oder eines Katalysators oder eines Beschleunigers polymerisieren. Es ist dabei sehr wichtig, dass das Material während des Überganges vom flüssigen in den festen Zustand nicht gestört wird.
Dies ist der Hauptgrund dafür, dass sich solche Rohre nicht in einem Auspressverfahren herstellen lassen.
Üblicherweise wird der Kunststoff z. B. mit Glasfasern armiert, welche dem Erzeugnis eine hohe Steifigkeit verleihen. Es sind sowohl manuelle als auch maschinelle Herstellungsverfahren bekannt, wobei in der industriellen Fertigung auch ein gewisser Grad der Mechanisierung und Kontinuität erreicht worden ist.
Alle bisher bekannten Verfahren sind jedoch mehr oder weniger umständlich und erfordern einen beträchtlichen Aufwand an menschlicher Arbeit und Überwachung, was für den hohen Preis des Produktes verantwortlich ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist gekennzeichnet durch die kontinuierliche Herstellung eines Kerns aus einem leichtschmelzenden Material, das Auftragen des Rohrmaterials in verformbarem Zustand auf den Kern unter axialer Relativbewegung zwischen dem Kern und der Auftragstelle, und das fortlaufende Abschmelzen des Kerns nach Verfestigung des Rohrmaterials. Die Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist gekennzeichnet durch Mittel zum kontinuierlichen Ausstossen von Kernmaterial aus einem Sammelgefäss mit flüssigem Kernmaterial, weitere Mittel zum kontinuierlichen Auftragen des Rohrmaterials auf den Kern, Wärmeübertragungsmittel zum Verfestigen des Rohrmaterials und weiter Wärmeübertragungsmittel zum Abschmelzen des Kernmaterials.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläu- tert.
Fig. 1 ist eine schematische Schnittzeichnung einer Einrichtung gemäss dem ersten Beispiel,
Fig. 2 zeigt, ebenfalls schematisch und im Schnitt, eine Einrichtung gemäss dem zweiten Beispiel,
Fig. 3 zeigt in analoger Darstellung Wärmeübertragungsmittel, wie sie in Verbindung mit den Einrichtungen nach Fig. 1 oder 2 geeignet sind, und
Fig. 4 ist die schematische Darstellung einer vollständigen Produktionsanlage.
Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zur kontinuierlichen Herstellung eines Kerns in Form des Metallrohres 10. Die Einrichtung enthält eine hohle Giessdüse 11 und eine Druckpumpe 17, welche sich in einem Tiegel 14 befindet und von einem Elektromotor 20 angetrieben wird. Der Tiegel befindet sich unterhalb der Giessdüse 11 und enthält einen Vorrat einer leichtschmelzenden Legierung 15, welcher mittels eines thermostatisch gesteuerten, ebenfalls im Innern des Tiegels angeordneten, elektrischen Heizelementes beheizt wird. Alle diese Teile werden von einem zylindrischen Gehäuse 19 getragen, das auf einer vertikalen, drehbaren Hohlwelle 21 montiert ist, welche in zwei Lagern 22 in radialer und axialer Richtung geführt wird.
Mit Hilfe von bekannten, nicht dargestellten Antriebsmitteln wird das Ganze mit einer bestimmten Drehzahl angetrieben. Die Speisung des Elektromotors 20 und des Heizelementes 16 erfolgt über Schleifringe 23. Die beiden elektrischen Antriebsmotoren werden ferngesteuert, so dass das Rohr 10 aus der leichtschmelzenden Legierung mit einer bestimmten Geschwindigkeit gegossen wird und nach oben steigt, wobei es eine Rotation um seine Längsachse ausführt.
Oberhalb der Giessdüse 11, die mit Kühlrippen 13 versehen ist, und deren Öffnung mit 12 bezeichnet ist, wird ein mit Kunstharz imprägniertes Glasfaserband 25 aufgetragen. Infolge der Rotation und der Axialbewegung des Metallrohres 10 hängt die Wandstärke des entstehenden Rohres sowohl von diesen Grössen als auch von den Dimensionen und der Anzahl der Faserbänder ab. Das Kernrohr 10 wird so mit einer zusammenhängenden Schicht aus faserarmiertem Kunststoff bedeckt, welcher anschliessend zu verfestigen ist.
Es sei noch bemerkt, dass im Falle des Auftrages von Faserband der Bandführvorrichtung eine kontrollierte Auf- und Abbewegung erteilt werden kann, so dass eine kreuzweise Schichtung der Faserlagen entsteht, was dem Fertigprodukt 24 eine erhöhte Festigkeit in Längsrichtung verleiht.
Ferner ist es auch möglich, den Kunststoff und die Fasern auf andere Weise aufzutragen, beispielsweise durch Spritzen, Rollen oder Pressen, wobei die Fasern dem Kunststoff in geschnittenem Zustand beigegeben werden.
Die Einrichtung gemäss Fig. 2 ermöglicht in ähnlicher Weise wie diejenige nach Fig. 1 die kontinuierliche Herstellung eines metallischen Kernrohres 10 mit Hilfe der Giessdüse 11, dem Tiegel 14 und der in diesem angeordneten, vom Elektromotor 20 angetriebenen Druckpumpe 17. Der Tiegel enthält wiederum geschmolzenes Metall 15, dessen Temperatur durch das thermostatisch geregelte Heizelement 16 aufrecht erhalten wird.
Im Gegensatz zu der Anordnung nach Fig. 1 führen hier die Teile 11, 14, 19 und 20 keine Drehbewegung aus, doch wird auch hier das Metallrohr 10 nach oben ausgestossen. Eine weitere Düse 26 umgibt das Kernrohr oberhalb der Düse 11. Dieser wird eine Mischung aus geschnittenen Glasfasern und Kunstharz zugeführt, welche durch das Rohr 28 herangepumpt wird. Auf diese Weise wird der Kern 10 bei seiner Aufwärtsbewegung mit einer zusammen hängenden Schicht von der gewünschten Dicke überzogen.
Der Auftrag des Rohrmaterials in Form eines mit Kunststoff imprägnierten Faserbandes kann auch so bewerkstelligt werden, dass die Auftragsvorrichtung um den Kern herum rotiert, währenddem dieser lediglich die axiale Bewegung ausführt. Eine solche Vorrichtung ist in der Zeichnung nicht dargestellt.
Die Anordnung gemäss Fig. 3, welche in Verbindung mit den Einrichtungen nach Fig. 1 oder 2 verwendet werden kann, ist oberhalb der Auftragstelle des Rohrmaterials auf den Kern anzuordnen.
Ein zylinderförmiger, tunnelartiger Ofen 30 umgibt den ihn durchlaufenden, mit dem Rohrmaterial 24 belegten rohrförmigen Kern 10. Der Ofen 30 ist vorzugsweise elektrisch beheizt und thermostatisch auf eine Temperatur einreguliert, welche die Härtung des Rohrmaterials begünstigt. Die Länge des Ofens richtet sich unter anderem nach der Vorschubgeschwindigkeit des Rohres und ist so zu wählen, dass sich das Rohrmaterial so lange in dessen Innerem befindet, bis die Härtung vollzogen ist.
Über dem Härteofen 30 befindet sich ein elektrischer Induktionsofen 31, dessen wirksame Zone sich auf den metallischen, mit dem nun verfestigten Kunststoffrohr 24' überzogenen Kern 10 erstreckt.
Die im letzteren induzierten Wirbelströme heizen den Kern auf, so dass er beim Durchlaufen des Induktionsofens laufend abschmilzt, wobei das geschmolzene Metall durch den hohlen, noch starren Kern nach unten fällt und so zum Vorrat im Tiegel 14 zurückgeführt wird.
Das fertige, gehärtete Kunststoffrohr 24' steigt kontinuierlich aus dem Induktionsofen nach oben, nunmehr vollständig befreit vom metallischen Kern, welcher nur während der plastischen Phase des Rohres als dessen Stütze gedient hatte.
Die vollständige, automatische Produktionsanlage für ein glasfaserverstärktes Kunststoffrohr gemäss Fig. 4 ist auf einem Boden 33 aufgestellt, der den vertikalen Maschinenrahmen 34 mit oberen Querträgern 35 trägt. Auf dem Boden 33 steht ein Sockel 36 mit Lagern und Getriebe für die hohle Hauptwelle 21 der Maschine. Die Drehzahl des Antriebsmotors 37 wird vom Getriebe auf den für die Welle 21 zweckmässigen Wert reduziert. Auf dem Sockel 36 sitzt ein Gehäuse 38, welches die Schleifringe für die elektrischen Speise- und Steuerleitungen sowie bewegliche, abgedichtete Verbindungen für Leitungen einer Kühlflüssigkeit für die Giessdüse 11 enthält. Die elektrischen Leitungen und die Zirkulationsrohre führen im Innern der Hohlwelle 21 nach ihren Bestimmungsort. An der Hauptwelle ist ferner ein Gehäuse 19 für den Pumpenmotor 20 (Fig. 1) befestigt, dessen Drehzahl regulierbar ist.
Die Pumpe 17 (Fig. 1) befindet sich zusammen mit dem geschmolzenen Metall im Tiegel 14, in welchem auch das thermostatisch gesteuerte Heizelement angeordnet ist. Die Giessdüse 11 wird von der Pumpe 17 mit geschmolzenem Kernmetall unter Druck gespeist. Das Metall wird in dieser Düse gekühlt und verlässt sie in Form eines nach oben steigenden Kernrohres, wie weiter oben beschrieben.
Unmittelbar oberhalb der Giessdüse 11 befinden sich zwei Imprägniervorrichtungen 39, in welchen die Glasfaserbänder zwischen Rollen durch ein Kunstharzbad hindurchgeführt und getränkt werden, wobei gleichzeitig die Luft in den Bändern und überschüssiges Harz ausgepresst werden. Die Faserbänder werden aus dem Zentrum von kernlosen Spulen 41 herausgezogen und durch Heizkanäle 40 und Öffnungen in den Seitenwänden der Imprägniervorrichtungen hindurchgeführt.
Zwei Mischbehälter 42 dienen zur wechselweisen Abgabe des vorbereiteten Kunstharzes, dem Farbund andere Zusätze beigegeben sind. Der eine Behälter gibt jeweils die fertige Mischung ab, während der andere aus dem Haupttank 43 und dem Nebentank 44 neu aufgefüllt wird. Die vorbereitete Harzmischung wird, wie punktiert angedeutet, sowohl den beiden Imprägniervorrichtungen 39 als auch der weiter unten beschriebenen Auftragsdüse 46 zugeleitet.
Es ist noch zu bemerken, dass die den Faserbändern in den Heizkanälen 40 zugeführte Wärmemenge nicht so gross sein sollte, dass die kritische Erstarrungstemperatur für das Kunstharz in den Imprägniervorrichtungen 39 erreicht wird.
Die beiden Vorrichtungen 39 sind durch einen Stab 48 untereinander verbunden und werden mit der gewünschten Geschwindigkeit mittels der hydraulisch gesteuerten Zylinder- und Kolbenanordnung 47 auf und ab bewegt.
Die die Vorrichtungen 39 verlassenden, imprägnierten Faserbänder werden nach Massgabe der Drehzahl und des Vorschubes des metallischen Kernrohres 10 auf letzteres aufgewunden, wobei sie sich infolge der Vertikalbewegung der Vorrichtungen 39 kreuzweise überlappen und das Rohr 10 vollständig überdecken. Die Bewegungen der Vorrichtungen 39, die Dicke und Anzahl der Faserbänder. die Drehzahl des Rohres sowie die Menge des aufgetragenen Harzes bestimmen Qualität, Festigkeit, Wandstärke usw. des entstehenden faserarmierten Kunstharzrohres.
Das so entstehende Rohr passiert hierauf die Auftragdüse 46, welche eine dünne Aussenschicht von Harz aufträgt und die Oberfläche glättet.
Hier ist zu bemerken, dass es, obwohl nicht näher dargestellt, möglich ist, unterhalb, zwischen oder oberhalb der beiden Auftragstellen auf der Höhe der Vorrichtungen 39 ein thermoplastisches Band mit aufzuwickeln, so dass dieses als Innen-, Zwischenoder Aussenschicht einen Bestandteil des produzierten Rohres darstellt. Wie von anderen Herstellungsverfahren für solche Rohre bekannt ist, können solche Vorkehren in gewissen Fällen von Vorteil sein.
Das noch ungehärtete Kunststoffrohr gelangt dann weiter in einen elektrischen Induktionsofen 31', der im Metallkern Wirbelströme von solcher Intensität hervorruft, dass dieser auf eine Temperatur gerade unterhalb seines Schmelzpunktes gebracht wird, so dass Wärme von innen her auf das Kunststoffrohr 24 übertragen wird. Die Rohre 10 und 24 passieren sodann gemeinsam einen Tunnel 49 zwecks Infrarotbestrahlung zur weiteren Aufheizung des Kunststoffes. Die dem Kunststoff mittels der Heizrohre 40, des Induktionsofens 31' und dem Tunnel 49 zugeführte Wärmemenge muss unter der Berücksichtigung der exothermen Wärmeproduktion des Kunststoffes selbst eingestellt und so einreguliert werden, dass sich die gewünschte Härtetemperatur einstellt.
Die Härtetemperatur ist einer der bestimmenden Faktoren für die Härtezeit, die in einem kontinuierlichen Verfahren, wie dem vorliegenden, von grosser Bedeutung ist. Wird die zugeführte Wärmemenge richtig bemessen, so wird das Kunststoffrohr den an den Infrarottunnel 49 anschliessenden wärmeisolierten Kanal 30 vollständig ausgehärtet verlassen.
Im Anschluss an den Kanal 30 gelangen die Rohre 10 und 24 in einen weiteren Induktionsofen 31, der das Metallrohr 10 auf Schmelztemperatur erhitzt.
Obwohl nicht aus der Zeichnung ersichtlich, lässt es sich leicht vorstellen, dass das geschmolzene Metall von einem im Innern des Rohres angebrachten Trichter gesammelt wird, der mittels am Innenteil der Düse 11 befestigter Stäbe oder auf andere geeignete Weise in seiner Lage gehalten wird. Das Metall fliesst dann durch ein beheiztes Rohr nach unten und in den Tiegel 14 zurück, von wo es erneut am Kreislauf teilnimmt.
Nachdem das nun selbsttragende, faserarmierte Kunststoffrohr 24' in dieser Weise vom Kernrohr 10 befreit worden ist, steigt es weiter nach oben, geführt durch im Ring 50 gelagerte Leitrollen. Oberhalb dieses Ringes ist eine automatisch arbeitende Trennscheibe 58 angeordnet, welche vom Rohr 24' in seiner Vertikalbewegung mitgeführt wird. Die Trenn- scheibe dient zum Abtrennen von Rohrstücken bestimmter Länge. Vor dem Abschneiden wird das obere Rohrende von einem frei mitrotierenden Greifermechanismus 51 erfasst, der über einen Arm 52 von einem an vertikalen Schienen 54 geführten Wagen 53 getragen wird. Am Wagen 53 ist das an einer über die Umlenkrolle 56 geführten Kette 55 befestigte Gegengewicht 57 angehängt.
Infolge dieses Gewichtes übt der Greifermechanismus 51 während des Abtrennens einen Zug auf das Rohrstück 24' aus und führt dieses seitlich. Die Trennscheibe 58 sitzt auf der Welle des Motors 59, welcher auf einem ebenfalls auf den Schienen 54 geführten Wagen 60 montiert ist.
Sobald die Trennscheibe mit dem Rohr 24' in Berührung kommt, wird sie zusammen mit dem Motor 59 und dem Wagen 60 von diesem nach oben mitgeführt, solange der Eingriff bestehen bleibt und bis das Rohrstück abgetrennt ist. Die seitliche Bewegung der Trennscheibe in bezug auf das Rohr kann auf irgendeine bekannte Weise automatisch ausgeführt werden.
Nach dem Abtrennen des Rohrstückes 24' wird es vom Greifermechanismus 51 zur Seite geschwenkt.
Der den Mechanismus tragende Arm 52 setzt sich aus zwei Teilen zusammen, von denen der eine mittels einer nicht dargestellten Vorrichtung abgewinkelt werden kann. Das Rohrstück wird vom Greifermechanismus auf eine Gleitbahn 61 aufgesetzt, von welcher es hierauf auf ein Transportband 62 hinuntergleitet.
Natürlich sind die Bewegungen der Teile 51, 58, 59 und 60 in vorbestimmter Weise koordiniert, sie sind zu diesem Zweck mittels nicht dargestellter Mittel automatisch gesteuert.
Alle Geschwindigkeiten, Temperaturen und andere Betriebsdaten werden an dem auf dem Zwischenboden 64 stehenden Kontrollpult 63 angezeigt und von diesem aus ferngesteuert. Ausserdem ist die Anlage mit den erforderlichen Überwachungs-, Warnund Abschalteinrichtungen ausgerüstet.
Die Anlage ist so aufgebaut, dass für eine Ande- rung des Durchmessers des herzustellenden Rohres lediglich die Düsen 11 und 46 und die Pole der Induktionsöfen 31 und 31' auszuwechseln und einige Umstellungen am Kontrollpult 63 vorzunehmen sind.
Für einen Qualitätswechsel bei gleichbleibendem Durchmesser sind lediglich Umstellungen am Kontrollpult 63 erforderlich.
Eine Anlage zur Herstellung von Rohren mit etwa 5 bis 15 cm Durchmesser bei einem Vorschub von etwa 1,8 m pro Minute erhält eine Gesamthöhe von rund 15 m und kann von einem oder zwei Leuten bedient werden. Die Jahresproduktion einer solchen Anlage wird vom Durchmesser und der Wandstärke des Rohres abhängen, kann aber leicht 1000 Tonnen und mehr erreichen.
Der Schmelzpunkt der Kernlegierung soll zwischen der Härtetemperatur des Kunstharzes und der diesem gerade noch zuträglichen Grenztemperatur gewählt werden. Liegt beispielsweise die Härtetemperatur des Kunstharzes bei 1209C und die von ihm noch sicher ohne Schaden ertragene Grenztemperatur bei 1800 C, so ist eine eutektische Legierung mit einem Schmelzpunkt von etwa 1409C geeignet als Kernmaterial. Eine solche Legierung hat in geschmolzenem Zustand eine sehr geringe Viskosität, und das Kunststoffrohr wird nach Durchlaufen der Schmelzzone vom Kernmetall vollständig befreit sein, ohne irgendwelchen Schaden genommen zu haben.