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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines stabförmigen Elementes sowie ein solches stabförmiges Element.
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TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND
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Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, um massive stabförmige Elemente aus Metall, beispielsweise Metallstangen oder Metallstäbe, herzustellen. Hierzu wird ein vorgefertigter massiver zylindrischer Knüppel zu einem massiven stabförmigen Element aus Metall umgeformt, d.h. insbesondere gewalzt oder gezogen.
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Auf diese Weise hergestellte stabförmige Elemente werden beispielsweise zur Realisierung, Verstärkung und Armierung von Bauwerken eingesetzt. Um die Aufnahme hoher Zuglasten zu ermöglichen, wird der Durchmesser des jeweiligen stabförmigen Elements an die aufzunehmende Zuglast angepasst. Eine Vergrößerung des Durchmessers geht jedoch mit einer Erhöhung des Eigengewichts des stabförmigen Elements einher. Daher sind der Verwendung solcher stabförmiger Elemente insbesondere zur Verstärkung und Armierung von Bauwerken Grenzen gesetzt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es besteht daher ein Bedarf an einem stabförmigen Element sowie an einem Verfahren und einer Vorrichtung zu seiner Herstellung, welche zumindest einen der zuvor genannten Nachteile überwinden. Ferner besteht ein Bedarf an einem stabförmigen Element mit einer hohen Zugfestigkeit bei gleichzeitig geringem Eigengewicht.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird daher ein Verfahren zum Herstellen eines stabförmigen Elementes vorgeschlagen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
- Bereitstellen eines Rohres aus einem Metall, wobei das Rohr einen Außendurchmesser und eine Längsrichtung aufweist,
- Bereitstellen mindestens eines Stranges mit einer Mehrzahl von Garnen, wobei zumindest eines der Garne Kohlenstofffasern aufweist,
- Einbringen des mindestens einen Stranges in das Rohr, so dass sich der mindestens eine Strang in der Längsrichtung in dem Rohr erstreckt, und
- Kaltumformen des Rohres mit dem mindestens einen darin eingebrachten Strang mit einem Umformwerkzeug, so dass der Außendurchmesser des Rohres vor dem Kaltumformen größer ist als der Außendurchmesser des Rohres nach dem Kaltumformen.
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Die Idee, die diesem Verfahren zugrunde liegt, ist es, durch das Einbringen des mindestens einen Stranges in ein Rohr aus einem Metall eine Struktur, d.h. ein stabförmiges Element, mit hoher Zugfestigkeit bereitzustellen. Mit anderen Worten ausgedrückt bildet der mindestens eine Strang den Kern des stabförmigen Elementes, wobei sich das Rohr wie ein Mantel um den Kern herum erstreckt.
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Durch die geringere Materialdichte von Kohlenstofffasern gegenüber Metallen, wird bei vergleichbarer Zugfestigkeit das Eigengewicht des stabförmigen Elementes gegenüber einem massiven stabförmigen Element aus Metall mit gleichem Außendurchmesser reduziert.
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Das den Mantel der Anordnung bildende Rohr bietet zudem den Vorteil, dass es den innenliegenden Kern, d.h. den mindestens einen Strang, vor Umgebungseinflüssen schützt, beispielweise vor einem Abrieb durch einen das stabförmige Element im verbauten Zustand umgebenden Beton. Derartige Umgebungseinflüsse könnten anderenfalls zu einer Zerstörung oder Beeinträchtigung des Stranges führen.
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In einer Ausführungsform ist die Dehnung des Rohrs größer als die Dehnung des mindestens einen Stranges, während gleichzeitig die Zugfestigkeit des mindestens einen Stranges größer ist als die Zugfestigkeit des Rohrs.
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Das Herstellen von Rohren aus Metall ist prinzipiell bekannt. Im Wesentlichen werden mit den bekannten Verfahren nahtlose Rohre, d.h. Rohre ohne eine Schweißnaht in Längsrichtung, und in der Längsrichtung geschweißte Rohre, sog. längsgeschweißte Rohre, hergestellt.
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Im Falle der Verwendung eines nahtlosen Rohres wird der mindestens eine Strang axial in die Öffnung des bereitgestellten Rohres eingeführt. Für in der Längsrichtung geschweißte Rohre wird der Schritt des Einbringens des Stranges an anderer Stelle nachstehend im Detail beschrieben.
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Das Einbringen des mindestens einen Stranges birgt neben der Gewichtsreduktion zusätzlich den Vorteil, dass sich durch die eingebrachten Kohlenstofffasern in einer Ausführungsform erhöhte Zugfestigkeiten realisieren lassen verglichen mit einem massiven stabförmigen Element aus Metall oder einem Rohr aus Metall mit gleichem Außendurchmesser. Somit lässt sich durch das Einbringen des mindestens einen Stranges auch ein Vorteil gegenüber einem vergleichbaren Rohr aus Metall ohne Kern erreichen.
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Auch wirkt sich das Kaltumformen des Rohres mit dem darin angeordneten mindestens einen Strang in einer Ausführungsform positiv auf die Gesamtzugfestigkeit des stabförmigen Elementes aus. Kaltumformungsverfahren werden beispielsweise eingesetzt, um einen hohlen metallischen Grundkörper zu einem fertigen Rohr umzuformen. Durch das Kaltumformen lassen sich der Innen- und der Außendurchmesser eines Rohres verändern und sehr genau dimensionieren. Zudem ist die Kaltumformung geeignet, die Oberflächeneigenschaften des Rohres zu verbessern.
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Darüber hinaus geht mit der Kaltumformung eine Kaltverfestigung einher, wodurch sich die Eigenschaften der so hergestellten Rohre gezielt verändern lassen. Durch die Kaltverfestigung ist es möglich die Werkstofffestigkeit und damit auch die Zugfestigkeit des umgeformten Rohres zu steigern.
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Unter einer Kaltumformung im Sinne der vorliegenden Offenbarung wird eine Umformung bei einer Temperatur, welche geringer ist als die Rekristallisationstemperatur des Metalls, verstanden.
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Mit dem Kaltumformen und dem damit einhergehenden Kaltverfestigen können nicht nur die Eigenschaften des Rohres verändert werden, sondern durch das „Aufschrumpfen“ des Rohres auf den mindestens einen Strang und die dadurch entstehende form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen dem mindestens einen Strang und dem Rohr können die Eigenschaften des gesamten stabförmigen Elementes verbessert werden.
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Durch das Kaltumformen des Rohres mit dem sich darin erstreckenden Strang wird in einer Ausführungsform ein enger Formschluss zwischen dem Rohr und dem sich darin erstreckenden mindestens einen Strang in radialer Richtung bereitgestellt, so dass sich der mindestens eine Strang in radialer Richtung nicht gegenüber dem Rohr bewegen kann.
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In einer Ausführungsform wird durch das Kaltumformen ein Kraftschluss zwischen dem Rohr und dem sich darin erstreckenden mindestens einen Strang bereitgestellt, so dass die Reibkraft zwischen dem Rohr und dem mindestens einen Strang eine Relativbewegung zwischen Rohr und dem mindestens einem Strang in axialer Richtung verhindert. Durch das kraftschlüssige Verbinden wird somit ein stabförmiges Element hergestellt, dessen Zugfestigkeit in einer Ausführungsform größer ist als die Zugfestigkeit eines massiven stabförmigen Elementes aus Metall oder eines Rohres aus Metall mit gleichem Außendurchmesser.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind daher das Umformwerkzeug zum Kaltumformen und das Rohr derart ausgestaltet und angeordnet, dass nach dem Kaltumformen das Rohr und der mindestens eine Strang kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind nach dem Kaltumformen das Rohr und der mindestens eine Strang über die gesamte Erstreckung des Stranges in der Längsrichtung des Rohres kraftschlüssig miteinander verbunden.
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Es versteht sich, dass das Rohr mit dem Umformwerkzeug, je nachdem wie dieses eingestellt ist, derart verformt werden kann, dass das Rohr auf den mindestens einen Strang aufgepresst wird. Als Folge des Aufpressens entsteht die kraftschlüssige Verbindung. Durch das kraftschlüssige Verbinden des mindestens einen Stranges mit dem Rohr wird gewährleistet, dass der mindestens eine Strang sich nach dem Kaltumformen nicht mehr in axialer Richtung gegenüber dem Rohr verschieben kann. In radialer Richtung liegt dann ein isotroper Formschluss des mindestens einen Stranges vor.
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Ein Reiben einer Mehrzahl von Garnen mit Kohlenstofffasern aneinander oder einer Mehrzahl von Kohlenstofffasern aneinander kann dazu führen, dass zumindest einzelne Kohlenstoffasern geschwächt oder zerstört werden. Dadurch werden die Eigenschaften des aus den Garnen gebildeten Stranges nachhaltig verändert, z.B. seine Zugfestigkeit verringert. In einer Ausführungsform, in der durch das Kaltumformen ein Kraftschluss zwischen dem Rohr und dem mindestens einen Strang bewirkt wird, wird daher eine Reibung oder Beeinflussung zwischen den einzelnen Garnen und/oder zwischen einzelnen Kohlenstofffasern untereinander reduziert. Durch das Kaltumformen kann in einer Ausführungsform erreicht werden, dass sich die Garne und/oder in einer Ausführungsform mit mehreren Strängen die einzelnen Stränge nicht mehr oder nur noch in geringerem Umfang gegeneinander verschieben. Somit werden die Garne bzw. die Stränge innerhalb des Rohres durch das Kaltumformen geschützt.
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In einer Ausführungsform erfolgt der Schritt des Kaltumformens durch Kaltwalzen oder Kaltpilgerwalzen des Rohres mit dem sich darin erstreckenden mindestens einen Strang in der Längsrichtung in einer Kaltpilgerwalzanlage. Es versteht sich, dass in dieser Ausführungsform das Umformwerkzeug von Walzen oder Rollen gebildet wird.
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Das Kaltpilgerwalzen ist ein verbreitetes Umformverfahren, um die Innen- und Außendurchmesser eines Rohres einzustellen. Das Rohr wird dabei von zwei kalibrierten Rollen oder Walzen erfasst, die den Außendurchmesser des Rohres definieren, und ausgewalzt, so dass die Rollen oder Walzen den Außendurchmesser des einlaufenden Rohres auf den Außendurchmesser des stabförmigen Elements reduzieren.
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In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Kaltumformen durch Kaltziehen des Rohres zusammen mit dem sich darin erstreckenden mindestens einen Strang in der Längsrichtung durch eine Ziehmatrize. In dieser Ausführungsform wird das Umformwerkzeug von der Ziehmatrize gebildet.
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Bei dem Kaltziehen von Rohren wird grundsätzlich zwischen Verfahren ohne Innenwerkzeug, dem sogenannten Hohlzug, und Verfahren mit Innenwerkzeug, d.h. insbesondere Kernzug und Stangenzug, unterschieden. Erfolgt das Kaltumformen in einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung durch Kaltziehen, so erfolgt dieses grundsätzlich ohne ein Innenwerkzeug im Inneren des Rohres. Allerdings kann man den Ziehprozess des Rohres mit dem sich darin erstreckenden mindestens einen Strang zusammen durch die Ziehmatrize in einer Ausführungsform als Aufziehen des Rohres auf den mindestens einen Strang verstehen. Der mindestens eine Strang wird dabei als Innenwerkzeug verstanden. Dabei gilt es in einer Ausführungsform durch entsprechende Dimensionierung des Rohres, des mindestens einen Stranges und der Ziehmatrize eine enge Berührung des Rohres und des mindestens einen Stranges herbeizuführen, ohne jedoch den Strang durch Krafteinwirkung in radialer Richtung zu beeinträchtigen oder gar zu beschädigen.
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In einer Ausführungsform der Offenbarung erfolgt das Kaltumformen durch Kaltziehen des Rohres zusammen mit dem mindestens einen Strang in der Längsrichtung durch eine Ziehmatrize. Die Ziehmatrize bildet in dieser Ausführungsform das Umformwerkzeug im Sinne der vorliegenden Anmeldung. Dabei werden in einer Ausführungsform ein Innendurchmesser der Ziehmatrize und ein Außendurchmesser des Rohres vor dem Kaltziehen so gewählt, dass nach dem Kaltziehen das Rohr und der mindestens eine Strang kraftschlüssig verbunden sind.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind nach dem Kaltziehen das Rohr und der mindestens eine Strang über die gesamte Erstreckung des Stranges in der Längsrichtung des Rohres kraftschlüssig verbunden.
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Kohlenstofffasern im Sinne der vorliegenden Offenbarung werden auch als Carbonfasern oder Kohlefasern bezeichnet. Sie werden industriell hergestellt und durch an den Rohstoff angepasste chemische Reaktionen in graphitartig angeordneten Kohlenstoff umgewandelt. Kohlenstofffasern weisen hohe Festigkeiten und Steifigkeiten bei gleichzeitig geringer Bruchdehnung in axialer Richtung auf.
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Eine Mehrzahl von Kohlenstoffasern wird für die weitere Verarbeitung zu einem Garn zusammengefasst. Derartige Garne mit Kohlenstofffasern werden auch als Multifilamentgarne oder Rovings bezeichnet. Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird unter dem Begriff Garn ein langes, dünnes Gebilde verstanden. Ein Garn im Sinne der vorliegenden Offenbarung kann in einer Ausführungsform neben den Kohlenstofffasern auch Fasern aus einem oder mehreren anderen Materialien aufweisen. Das Garn dient als Zwischenprodukt zur Herstellung eines Stranges im Sinne der vorliegenden Offenbarung.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist der mindestens eine Strang ausgewählt aus einem Seil, einem Gewebe, einem Geflecht, einem Gewirk, einem Bündel, und einem Multiaxialgelege oder irgendeiner Kombination davon.
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Der mindestens eine Strang, der eine Mehrzahl von Garnen aufweist, enthält in einer Ausführungsform zusätzlich auch ein oder mehrere Garne aus oder mit einem oder mehreren anderen Materialien als Kohlenstofffasern.
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Beispielsweise weist der Strang in einer Ausführungsform zusätzlich ein Garn mit Fasern aus einem Material mit mindestens einer von den Eigenschaften der Kohlenstofffasern verschiedenen Eigenschaft auf. Eine solche zusätzliche Eigenschaft kann sich positiv auf die Charakteristik des stabförmigen Elementes auswirken. Z.B. kann in einer Ausführungsform ein hybrider Strang mit mindestens einem zusätzlichen Garn mit Aramidfasern und/oder Glasfasern eingebracht werden, um beispielsweise die lineare Dehngrenze des so hergestellten stabförmigen Elementes zu erhöhen.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist der mindestens eine Strang einen Anteil von mindestens 50 % Kohlenstofffasern auf.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist der mindestens eine Strang einen Anteil von mindestens 90 % Kohlenstofffasern auf.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung besteht der mindestens eine Strang vollständig aus Kohlenstofffasern.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung erfolgt nach dem Schritt des Kaltumformens ein Ablängen des stabförmigen Elementes auf eine gewünschte Länge.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst das Bereitstellen des Rohres die Schritte:
- Bereitstellen eines Streifens aus einem Metallblech, wobei der Streifen eine Längsrichtung und eine Querrichtung aufweist,
- Biegen des Streifens in der Querrichtung, so dass ein rohrförmiger Hohlkörper mit einer zylindrischen Querschnittsfläche entsteht,
- Zuschweißen des rohrförmigen Hohlkörpers mit einer Längsnaht, wobei sich die Längsnaht in der Längsrichtung erstreckt, so dass ein längsgeschweißtes Rohr entsteht,
- wobei das Einbringen des mindestens einen Stranges in das Rohr durch Aufbringen des Stranges auf den Streifen vor dem Zuschweißen erfolgt.
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In dieser Ausführungsform wird ein längsgeschweißtes Rohr als Mantel für den mindestens einen Strang verwendet. Der mindestens eine Strang wird bereits vor dem Zuschweißen des Rohres, d.h. vor der eigentlichen Fertigstellung des Rohres, in das Rohr eingebracht bzw. auf den Streifen aus Metallblech, der das Rohr bilden wird, aufgebracht. Daher wird mit dieser Ausführungsform ein einfaches Einbringen des mindestens einen Stranges in das Rohr ermöglicht. Anders als bei einem nahtlosen Rohr ist es nicht notwendig, den mindestens einen Strang axial in das Rohr einzuführen.
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Grundsätzlich ist es unerheblich, wann der Strang auf den Streifen aus Metallblech aufgebracht, d.h. mit dem Blech in Eingriff gebracht wird, solange das Aufbringen vor dem Zuschweißen erfolgt.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung allerdings umfasst das Biegen des Streifens in Querrichtung die Schritte:
- Vorbiegen des Streifens in der Querrichtung, so dass ein rinnenförmiger Hohlkörper mit einer sich in der Längsrichtung erstreckenden Öffnung entsteht, und
- Fertigbiegen des Streifens in der Querrichtung, so dass ein rohrförmiger Hohlkörper mit einer zylindrischen Querschnittsfläche entsteht,
- wobei das Einbringen des mindestens einen Stranges in das Rohr vor dem Fertigbiegen des Streifens und durch die Öffnung in den rinnenförmigen Hohlkörper erfolgt
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Dadurch, dass der Streifen in Querrichtung vorgebogen wird und ein rinnenförmiger Hohlkörper entsteht, wird der mindestens eine Strang beim Einbringen des mindestens einen Stranges in der durch das Vorbiegen entstehenden Rinne geführt. Beim Einbringen des mindestens einen Stranges wird somit gewährleistet, dass der mindestens eine Strang nicht in seiner eingebrachten Position auf dem Streifen verrutschen kann.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung erfolgt das Einbringen des mindestens einen Stranges in das Rohr und das Kaltumformen des Rohres mit dem mindestens einen Strang in einer Produktionslinie.
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Der Begriff „in einer Produktionslinie“, so wie er in der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, bedeutet, dass das Einbringen des mindestens einen Stranges in das Rohr und das Kaltumformen in derselben Produktionsanlage erfolgen. Dabei wird in einer Ausführungsform in einem Abschnitt des Rohres der Strang in das Rohr eingebracht, während ein anderer Abschnitt desselben Rohres bereits kaltumgeformt wird. Ferner erfolgt in einer Ausführungsform zwischen dem Ort, an dem der mindestens eine Strang eingebracht wird, und dem Ort, an dem das Rohr kaltumgeformt wird, auch das Zuschweißen des Rohres.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung erfolgen das Zuschweißen und das Kaltumformen in einem Abstand in einem Bereich von 2 m bis 4 m.
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Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass sich ein räumlicher Abstand von 2 m bis 4 m zwischen dem Ort, an welchem der Schritt des Zuschweißens ausgeführt wird, und dem Ort, an welchem der Schritt des Kaltumformens ausgeführt wird, positiv auf die Eigenschaften des hergestellten stabförmigen Elementes auswirkt. Erfolgt das Zuschweißen und das Kaltumformen in einem geringeren oder in einem weiteren Abstand voneinander, so kann dies zu Problemen bei dem Kaltumformen des Rohres mit dem sich darin erstreckendenden mindestens einen Strang führen.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung besteht das Rohr aus einem Edelstahl. Edelstahl besitzt den Vorteil einer vergleichsweise großen Zugfestigkeit gegenüber anderen Metallen und einer hohen Beständigkeit beispielsweise gegenüber Umwelteinflüssen.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung ist der Außendurchmesser des Rohres vor dem Kaltumformen, beispielsweise vor dem Kaltziehen, größer als nach dem Kaltumformen.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung werden das Umformwerkzeug und ein Außendurchmesser des Rohres vor dem Kaltumformen so gewählt, dass eine Wanddicke des Rohres vor dem Kaltumformen kleiner ist als nach dem Kaltumformen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung werden ein Innendurchmesser der Ziehmatrize und ein Außendurchmesser des Rohres vor dem Kaltziehen so gewählt, dass eine Wanddicke des Rohres vor dem Kaltziehen kleiner ist als nach dem Kaltziehen.
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Durch das Kaltumformen, insbesondere durch das Kaltziehen, wird Material des Rohres durch das Umformwerkzeug, beispielsweise die Ziehmatrize verdrängt. Dabei sind die Ziehmatrize und das Rohr zweckmäßigerweise so gewählt, dass das Material des Rohres konzentrisch nach innen verdrängt wird und so die Wanddicke des Rohres nach dem Kaltziehen größer ist als vor dem Kaltziehen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein stabförmiges Element vorgeschlagen, das durch irgendeine Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung erhältlich ist.
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Durch jede der zuvor beschriebenen Ausführungsformen bzw. jede Kombination der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens wird ein stabförmiges Element hergestellt, das eine hohe Zugfestigkeit und gegenüber einem massiven stabförmigen Element aus Metall mit gleicher Zugfestigkeit ein reduziertes Eigengewicht aufweist. Durch das Kaltumformen, das damit einhergehende Kaltverfestigen des Rohres und den damit verbundenen engen Formschluss zwischen dem Rohr und dem mindestens einen Strang werden die Eigenschaften des Rohres verändert und so dessen Zugfestigkeit erhöht.
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Ein derartig hergestelltes stabförmiges Element weist im Inneren mindestens einen Strang, bestehend aus einer Mehrzahl von Garnen auf, wobei zumindest eines der Garne Kohlenstofffasern aufweist, und ein den Strang umgebendes Rohr aus Metall, das den mindestens einen Strang umgibt.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wird das stabförmige Element mit einer Ausführungsform des Verfahrens erhalten, in der das Kaltumformen zu einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem mindestens einen Strang und dem Rohr führt. Es versteht sich, dass in dieser Ausführungsform die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Rohr und dem mindestens einen Strang während des Kaltumformens durch Aufpressen des Rohres auf den mindestens einen Strang bereitgestellt wird. Durch die Kombination des Aufpressens und der Kaltverfestigung entsteht so ein stabförmiges Element dessen Zugfestigkeit sowohl die Zugfestigkeit eines massiven stabförmigen Elements aus Metall gleichen Außendurchmessers als auch die Zugfestigkeit eines kaltumgeformten Rohres gleichen Außendurchmessers übersteigt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein stabförmiges Element vorgeschlagen, welches ein Rohr aus einem Metall, wobei das Rohr eine Längsrichtung aufweist, und mindestens einen sich in Längsrichtung in dem Rohr erstreckenden Strang aufweist, wobei der mindestens eine Strang eine Mehrzahl von Garnen mit Kohlenstofffasern aufweist und wobei das Rohr und der mindestens eine Strang kraftschlüssig verbunden sind.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind das Rohr und der mindestens eine Strang über die gesamte Erstreckung des Stranges in der Längsrichtung des Rohres kraftschlüssig miteinander verbunden.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft gemäß einem weiteren Aspekt auch eine Vorrichtung zum Herstellen eines stabförmigen Elementes, wobei die Vorrichtung aufweist:
- eine Zuführeinrichtung für ein Rohr aus Metall,
- eine Zuführeinrichtung für mindestens einen Strang mit einer Mehrzahl von Garnen,
- eine Umformeinrichtung, wobei die Umformeinrichtung ein Umformwerkzeug aufweist, wobei die Zuführeinrichtung für das Rohr und die Zuführeinrichtung für den mindestens einen Strang derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass sich in dem Betrieb der Vorrichtung der Strang in Materialflussrichtung vor dem Umformwerkzeug in dem Rohr erstreckt, und dass das Rohr aus Metall mit dem sich darin erstreckenden mindestens einen Strang mit dem Umformwerkzeug umformbar sind.
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Soweit im Folgenden Aspekte der Offenbarung im Hinblick auf eine Vorrichtung zum Herstellen eines stabförmigen Elementes beschrieben werden, so gelten diese auch für das entsprechende zuvor beschriebene Verfahren zum Herstellen eines stabförmigen Elementes und umgekehrt. Soweit das Verfahren mit einer Vorrichtung gemäß dieser Offenbarung ausgeführt wird, so weist die Vorrichtung die entsprechenden Einrichtungen und Geräte hierfür auf. Insbesondere sind Ausführungsformen der Vorrichtung zum Ausführen der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens geeignet.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind die Zuführeinrichtungen einerseits und die Umformeinrichtung andererseits in separaten, voneinander räumlich getrennten Produktionsanlagen realisiert. In einer weiteren Ausführungsform sind die Zuführeinrichtungen für das Rohr und den mindestens einen Strang sowie die Umformeinrichtung in einer einzigen Produktionsanlage realisiert, wobei diese Produktionsanlage die beanspruchte Vorrichtung ist.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist die Umformeinrichtung eine Ziehbank, wobei die Ziehbank als Umformwerkzeug eine Ziehmatrize aufweist und wobei sich in dem Betrieb der Vorrichtung der Strang in Materialflussrichtung vor der Ziehmatrize in dem Rohr erstreckt, so dass das Rohr aus Metall und der mindestens eine Strang gemeinsam durch die Ziehmatrize ziehbar sind.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist die Ziehbank eine kontinuierliche Ziehbank.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist die Zuführeinrichtung für das Rohr auf:
- eine Zuführeinrichtung für einen Streifen aus einem Metallblech, wobei der Streifen eine Längsrichtung und eine Querrichtung aufweist,
- eine Biegeeinrichtung zum Biegen des Streifens in der Querrichtung, so dass ein rohrförmiger Hohlkörper mit einer zylindrischen Querschnittsfläche entsteht, und
- eine Schweißeinrichtung zum Zuschweißen des rohrförmigen Hohlkörpers mit einer Längsnaht, wobei sich die Längsnaht in der Längsrichtung erstreckt, so dass ein längsgeschweißtes Rohr entsteht, und
- wobei die Zuführeinrichtung für das Rohr und die Zuführeinrichtung für den mindestens einen Strang derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass der Strang in Materialflussrichtung vor der Schweißeinrichtung auf den Streifen aus dem Metallblech aufbringbar ist.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist die Biegeeinrichtung zum Biegen des Streifens aus dem Metallblech in der Querrichtung eine Vorbiegeeinrichtung und eine Fertigbiegeeinrichtung auf, wobei die Vorbiegeeinrichtung derart eingerichtet und angeordnet ist, dass die Vorbiegeeinrichtung den Streifen in der Querrichtung zu einem rinnenförmigen Hohlkörper mit einer sich in der Längsrichtung erstreckenden Öffnung vorbiegt, und wobei die Fertigbiegeeinrichtung derart eingerichtet und angeordnet ist, dass die Fertigbiegeeinrichtung den Streifen in der Querrichtung zu einem rohrförmigen Hohlkörper mit einer zylindrischen Querschnittsfläche fertigbiegt und wobei die Zuführeinrichtung für den mindesten einen Strang derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Zuführeinrichtung den mindestens einen Strang in der Materialflussrichtung zwischen der Vorbiegeeinrichtung und der Fertigbiegeeinrichtung auf den rinnenförmigen Hohlkörper aus Metallbleich aufbringt.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist die Vorrichtung eine Steuereinrichtung auf, wobei die Steuereinrichtung derart wirksam mit der Zuführeinrichtung für den Streifen, mit der Zuführeinrichtung für den mindestens einen Strang und mit der Schweißeinrichtung verbunden ist, dass die Steuereinrichtung in einem Betrieb der Vorrichtung eine Zuführgeschwindigkeit der Zufuhreinrichtung für den Streifen, eine Zuführgeschwindigkeit der Zuführeinrichtung für den mindestens einen Strang und eine Schweißgeschwindigkeit der Schweißeinrichtung steuert.
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Mit der Steuereinrichtung werden in einer Ausführungsform die Zuführgeschwindigkeiten und Schweißgeschwindigkeit derart gesteuert, dass die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Rohr und dem mindestens einen Strang beeinflusst wird. In Abhängigkeit von der Steuerung der entsprechenden Geschwindigkeiten wird in einer Ausführungsform der Kraftschluss zwischen dem Rohr und dem mindestens einen Strang eingestellt, so dass beispielsweise das Rohr und der mindestens eine Strang über die gesamte Erstreckung des Stranges in der Längsrichtung des Rohres gleichmäßig kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
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In einer Ausführungsform steuert die Steuereinrichtung darüber hinaus die Bearbeitungsgeschwindigkeit der Umformeinrichtung.
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In einer Ausführungsform vermag auch die Steuerung der Bearbeitungsgeschwindigkeit die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Rohr und dem mindestens einen Strang zu beeinflussen.
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Es versteht sich, dass die Steuereinrichtung in einer Ausführungsform einen Computer oder einen Prozessor sowie ein darauf ablaufendes Computerprogramm umfasst.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass zwischen der Schweißeinrichtung und dem Umformwerkzeug der Umformeinrichtung, beispielsweise der Ziehmatrize der Ziehbank, ein Abstand von 2 m bis 4 m besteht. In einer solchen Ausführungsform sind die Schweißeinrichtung und das Umformwerkzeug Bestandteile einer einzigen Produktionsanlage.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Offenbarung werden anhand der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren deutlich. Die voranstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung einer Implementierung der vorliegenden Offenbarung sind besser verständlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden. Die gezeigten Implementierungen sind nicht auf die detailliert beschriebenen Ausgestaltungen beschränkt. In den Figuren sind ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
- 1 ist ein Ablaufdiagramm einer Implementierung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung zum Herstellen eines stabförmigen Elementes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 2 ist ein Ablaufdiagramm einer weiteren Implementierung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung zum Herstellen eines stabförmigen Elementes gemäß einer anderen Implementierung der vorliegenden Offenbarung.
- 3 ist eine schematische Draufsicht auf eine Implementierung der Vorrichtung zum Herstellen eines stabförmigen Elementes zum Realisieren des Verfahrens aus 2.
- 4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Implementierung des stabförmigen Elementes, welches es mit dem Verfahren aus 2 bzw. der Vorrichtung aus 3 erhalten wurde.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 ist ein Ablaufdiagramm einer Implementierung des Verfahrens zum Herstellen eines stabförmigen Elementes gemäß der vorliegenden Offenbarung. In einem ersten Schritt 100 wird ein Edelstahlrohr bereitgestellt, wobei das Edelstahlrohr eine Längsrichtung aufweist. In einem weiteren Schritt 101 wird gleichzeitig mit dem ersten Schritt 100 ein Geflecht bereitgestellt, das aus einer Vielzahl von Garnen aus Kohlenstofffasern gebildet wird. Der so gebildete Strang besteht in der gezeigten Implementierung zu 100 % aus Kohlenstofffasern.
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Das Edelstahlrohr ist in der gezeigten Implementierung ein nahtloses Rohr, d.h. ohne Schweißnaht in Längsrichtung, und der Strang wird in einem weiteren Schritt 102 axial in das Edelstahlrohr eingeschoben, sodass sich der Strang in Längsrichtung in dem Rohr erstreckt. Nach dem Einbringen 102 des Stranges in das Edelstahlrohr wird das Rohr mit dem sich in Längsrichtung in dem Rohr erstreckenden Strang in Schritt 103 mit einem Umformwerkzeug kaltumgeformt. In der gezeigten Implementierung wird das Kaltumformen durch Kaltwalzen in einer Kaltpilgerwalzanlage ausgeführt. Nach dem Kaltpilgerwalzen 103 sind das Edelstahlrohr und der Strang über die gesamte Erstreckung des Stranges in der Längsrichtung des Rohres kraftschlüssig miteinander verbunden.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer weiteren Implementierung des Verfahrens zum Herstellen eines stabförmigen Elementes. Dabei laufen die einzelnen Schritte des Verfahrens gemäß dieser Implementierung in einer Produktionsanlage ab, wobei der Produktionsanlage als Ausgangsmaterialien ein Streifen aus Edelstahlblech und der Strang zugeführt werden.
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Bei dem unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Verfahren umfasst der Schritt des Bereitstellens 100 des Edelstahlrohrs daher auch die eigentliche Fertigung des Edelstahlrohrs. Dazu umfasst das Bereitstellen 100 des Rohrs zunächst in Schritt 104 das Bereitstellen eines Streifens aus einem Edelstahlblech. Der Streifen weist dabei eine Längsrichtung und eine Querrichtung auf. In Schritt 105 wird der Streifen in Querrichtung zum Rohr gebogen.
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Zum Biegen des Rohrs wird der Streifen zunächst in Schritt 107 vorgebogen, sodass ein rinnenförmiger Hohlkörper mit einer sich in der Längsrichtung erstreckenden Öffnung entsteht. Gleichzeitig wird in Schritt 101 ein Strang mit einer Mehrzahl von Garnen mit Kohlenstofffasern bereitgestellt. In der gezeigten Implementierung besteht der Strang aus einem Geflecht mit einem Anteil von 60 % Kohlenstofffasern. Nach dem Vorbiegen 107 des Edelstahlbleches wird in Schritt 102 der Strang in Längsrichtung in den rinnenförmigen Hohlkörper eingebracht. Durch die Rinnenform wird der Strang auf dem Edelstahlblech geführt, sodass der Strang nicht von dem Edelstahlblech herunterrutschen kann. Nachdem der Strang in die Rinne eingebracht wurde, wird das Edelstahlblech in Schritt 108 in Querrichtung fertiggebogen, sodass ein rohrförmiger Hohlkörper mit einer zylindrischen Querschnittsfläche entsteht, der sich um den Strang legt. In Schritt 106 wird der rohrförmige Hohlkörper, der aus dem Edelstahlblech besteht, mit einer Längsnaht zu einem längsgeschweißten Edelstahlrohr zugeschweißt. Damit endet der Schritt 100 des Bereitstellens des Rohres.
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Nach dem Zuschweißen 106 wird in Schritt 103 das Rohr kaltumgeformt. In der Implementierung des Verfahrens gemäß 2 erfolgt das Kaltumformen durch Kaltziehen. Hierfür wird das Rohr gemeinsam mit dem Strang in der Längsrichtung durch eine Ziehmatrize als Umformwerkzeug gezogen. Nach dem Kaltziehen 103 sind das Edelstahlrohr und der Strang über die gesamte Erstreckung des Stranges in der Längsrichtung des Rohres kraftschlüssig miteinander verbunden.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung 1 zum Herstellen eines stabförmigen Elementes 20 in einer Implementierung der vorliegenden Offenbarung. Die Vorrichtung 1 zum Herstellen des stabförmigen Elementes 20 führt dabei das Verfahren zum Herstellen des stabförmigen Elementes 20 aus, so wie es unter Bezugnahme auf 2 zuvor beschrieben wurde.
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4 zeigt ergänzend dazu eine Querschnittsansicht in einer Schnittebene senkrecht zur Längsrichtung des stabförmigen Elementes 20, das mit der Vorrichtung 1 aus 3 hergestellt wurde.
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Die Vorrichtung 1 weist eine Zuführeinrichtung 2 für das Edelstahlrohr 3 auf, wobei sich die Zuführeinrichtung 2 aus einer Mehrzahl von Einrichtungen zusammensetzt.
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Die Zuführeinrichtung 2 für das Edelstahlrohr 3 umfasst zunächst eine Zuführeinrichtung 8 für den Streifen 9 aus Edelstahlblech. Der Streifen 9 besitzt eine Längsrichtung und eine Querrichtung, wobei die Ausdehnung in Längsrichtung deutlich größer ist als in Querrichtung.
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Darüber hinaus weist die Zuführeinrichtung 2 für das Edelstahlrohr 3 eine Biegeeinrichtung 10 zum Biegen des Streifens 9 auf. Die Biegeeinrichtung 10 besteht dabei aus einer Vorbiegeeinrichtung 11 und einer Fertigbiegeeinrichtung 12. Mit der Vorbiegeeinrichtung 11 wird zunächst der Streifen 9 vorgebogen, sodass der rinnenförmige Hohlkörper 16 entsteht. In diesen rinnenförmigen Hohlkörper 16 wird mit einer Zuführeinrichtung 4 der Strang 5 in den rinnenförmigen Hohlkörper eingebracht. Durch die Rinne des rinnenförmigen Hohlkörpers 16 wird der Strang 5 mittig auf dem Streifen 9 platziert und geführt, sodass der Strang 5 nicht von dem Streifen 9 herunterrutschen kann.
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Mit der Fertigbiegeeinrichtung 12 wird nach dem Aufbringen des Stranges 5 auf den Blechstreifen 16 der rinnenförmige Hohlkörper 16 zu einem rohrförmigen Hohlkörper 13 mit kreisförmigem Querschnitt gebogen, wobei sich der Strang 5 innerhalb des rohrförmigen Hohlkörpers 13 in Längsrichtung erstreckt. Mit einer Schweißeinrichtung 14, die ebenfalls Teil der Zuführeinrichtung 2 für das Rohr 3 ist, wird im Anschluss der rohrförmige Hohlkörper 13 mit einer Längsnaht 19 verschweißt, sodass sich die Längsnaht 19 in der Längsrichtung erstreckt und ein längsgeschweißtes Edelstahlrohr 3 entsteht.
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Hinter der Schweißeinrichtung 14 ist in einem Abstand d von 3 m die Ziehmatrize 7 einer Ziehbank 6 vorgesehen. Zum Ausführen des Ziehprozesses weist die Ziehbank 6 neben der Ziehmatrize 7 einen motorisch angetriebene Ziehschlitten 17 mit einem drauf montierten Spannzylinder 18 zum Greifen des Rohres 3 hinter der Ziehmatrize 7 auf.
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Durch das Ziehen des Rohres 3 mit dem darin angeordneten Strang 5 zusammen durch die Ziehmatrize 7 entsteht das stabförmige Element 20. Der Innendurchmesser der Ziehmatrize 7 und der Außendurchmesser des Edelstahlrohres 3 vor dem Ziehen sind dabei so gewählt, dass nach dem Kaltziehen das Edelstahlrohr eine wie in 4 dargestellte Wanddicke w aufweist. Während nach dem Kaltziehen der Außendurchmesser des Rohres verringert ist, ist die Wanddicke w nach dem Kaltziehen größer als vor dem Kaltziehen. Durch das Kaltziehen sind hinter der Ziehmatrize 7 das Rohr 3 und der Strang 5 über die gesamte Erstreckung des Stranges 5 in der Längsrichtung in dem Rohr 3 kraftschlüssig miteinander verbunden. Der Strang 5 kann innerhalb des Rohres 3 in axialer Richtung nicht verrutschen. Es ist ein stabförmiges Element 20 mit einer über die Zugfestigkeit des kaltgezogenen Rohres hinausgehenden Zugfestigkeit entstanden.
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Eine zentrale Steuereinrichtung 15 ist elektrisch mit der Zuführeinrichtung 8 für den Blechstreifen 9, mit der Zuführeinrichtung 4 für den Strang 5, mit der Schweißeinrichtung 14 sowie mit der Ziehbank 6 verbunden. Die Steuereinrichtung 15 steuert während des Betriebs der Anlage 1 die Zuführgeschwindigkeiten des Streifens 9, des Stranges 5 sowie die Schweißgeschwindigkeit der Schweißeinrichtung 14 und die Ziehgeschwindigkeit der Ziehbank 6. Durch das Steuern der zuvor genannten Geschwindigkeiten sind hinter der Ziehmatrize 7 das Rohr 3 und der Strang 5 über die gesamte Erstreckung des Stranges 5 in der Längsrichtung in dem Rohr 3 gleichmäßig kraftschlüssig miteinander verbunden.
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Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnung sowie den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
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Während die Offenbarung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Offenbarung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
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Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen“ nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel „eine“ oder „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt Ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur Herstellung eines stabförmigen Elementes
- 2
- Zuführeinrichtung für ein Edelstahlrohr
- 3
- Edelstahlrohr
- 4
- Zuführeinrichtung für einen Strang
- 5
- Strang
- 6
- Ziehbank
- 7
- Ziehmatrize
- 8
- Zuführeinrichtung für einen Streifen
- 9
- Streifen
- 10
- Biegeeinrichtung
- 11
- Vorbiegeeinrichtung
- 12
- Fertigbiegeeinrichtung
- 13
- Rohrförmiger Hohlkörper
- 14
- Schweißeinrichtung
- 15
- Steuereinrichtung
- 16
- Rinnenförmiger Hohlkörper
- 17
- Ziehwagen
- 18
- Spannzylinder
- 19
- Längsnaht
- 20
- Stabförmiges Element
- d
- Abstand
- w
- Wanddicke
- 100
- Bereitstellen eines Rohres
- 101
- Bereitstellen eines Stranges
- 102
- Einbringen eines Stranges
- 103
- Kaltumformen
- 104
- Bereitstellen eines Streifens
- 105
- Biegen eines Streifens
- 106
- Zuschweißen
- 107
- Vorbiegen eines Streifens
- 108
- Fertigbiegen eines Streifens
