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Verfahren zur Kerstellung eines koaxialen Hochfrequenz -
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kabels r-it Rohlraumisolation und Einrichtung zur Durchführung, dieses
Verfahrens Die Erfindung betrifft #in Verfallrell zur Herstellung eines koaxialen
hochfrequenzkabels mit l#ohlraumisolation, des einen Innenleiter und einen Ausseleiter
aufweist, welcher vor: Innenleiter durch iri Längsabständen voneinander angeorc:nete
Abstandshalter aus thermoplstischem Kunststoff getrennt ist, die zwischen dep Innen-
und Aussenleiter isolierende Hohlräure begrenzen iiiid in einer Extruderanlage direkt
auf den durch diese Anlage hindurchgeleiteten Innenleiter aufextrudiert werden.
Die Erfindung betrifft aucli eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Roaxiale Hochfrequenz-(HF)Kabem haben in der Regel folgenden Aufbau:
Auf einen draht- oder rohrförmigen Iiineiileiter befindet sich eine Isolierung,
auf welcher ein
Aussenleiter angebracht ist, der entweder aus einem
Drahtgeflecht oder einem metallischen glatten bzw. aus mehreren Metallbändern besteht.
Ueber dem Aussenleiter ist meist ein Aussenmantel aus thermoplastischem Kunststoff,
vorwiegend Polyäthylen (PE), angeordnet. Es sind auch Ausführungen bekannt, bei
welchen Aussenleiter und -mantel zu einem Kabel-Konstruktionselement vereinigt werden,
dem sogenannten Schichtenmantel. Bei diesem besteht der Aussenleiter aus einem ein-
oder beidseitig mit einem Kunststoffilm beschichteten Metallband, das bei der Aussenmantelextrusion
zu einem Rohr mit sich überlappenden Bandkanten geformt und längseinlaufend dem
Extruderkopf zugeführt wird. Der extrudierte Aussenmantel verklebt bzw.
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verschweisst dann mit der Kunststoffbeschichtung des Metallbandes.
Als funktionelle Bedingung koaxialer HF-Kabel ist es notwendig, dass sie möglichst
dämpfungsarm sind. Um dieses Charakteristikum zu gewährleisten, ist es erforderlich,
für die Isolierung ein Material mit einer möglichst niedrigen, frequenzunabhängigen
relativen Dielektrizitätskonstante (Dk) zu verwenden. Allgemein üblich sind deshalb
Isolationen aus einem festen Dielektrikum aus thermoplastischem Kunststoff, wobei
normalerweise Polyäthylen und für Spezialanwendungen andere Materialien - wie z.B.
für hochtemperaturfeste Kabel Isolationen aus Fluorkunststoffen wie "Teflon", FEP,
usw. - eingesetzt werden. Um noch kleinere Dk-Werte als 2,0 - 2,5 zu erhalten, wie
sie für diese Kunststoffe charakteristisch sind, und möglichst in die Nähe des Wertes
von Luft mit einer Dk von 1 zu gelangen, werden vielfach für die Isolierung von
HF-Kabeln auch Misch-Dielektrika verwendet. Eine bekannte Form davon ist die sogenannte
Schaum- oder Zell-Polyäthylen-Isolation. Aus Gründen der sog. Querwasserdichtigkeit
(Dichtigkeit gegen Wasser, das durch den Kabelmantel, also quer zur Kabellängsachse,
eindringt)
und bei sehr hohen Verschäumungsgraden im Hinblick auf eine bessere Formbeständigkeit
wird über die Schaum-Polyäthylen-Isolation eine Schicht aus Voll-Polyäthylen aufgebracht,
wobei diese Variante dann Schwartenisolation genannt wird.
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Ein weiterer Isolationstyp für koaxiale HF-Kabel ist die sogenannte
Hohlraumisolierung. Hier wird der Raum zwischen Innen- und Aussenleiter nicht durch
eine Schaumstoff-Isolation mit möglichst hohem Luft- bzw. Gasanteil ausgefüllt,
sondern es wird versucht, den Aussenleiter mit geometrisch mehr oder minder exakten
Bauteilen aus festem Dielektrikum, den sogenannten Abstandshaltern, in einer definierten
Distanz konzentrisch auf dem Innenleiter abzustützen und dabei in den Raum zwischen
Innen-und Aussenleiter so wenig als unbedingt nötig Festdielektrikum und so viel
als möglich Luft einzubringen. Dazu sind zahlreiche Ausführungen bekannt. Als Abstandshalter
werden einfache, runde oder rechteckige Kunststoffstränge verwendet, die wendelförmig
entweder um den Innenleiter gewickelt oder extrudiert werden (Beispiel: US-PS 3'685'147),
oder es werden kompliziertere Kunststoffprofile auf den Innenleiter aufgebracht
(Beispiel: DT-AS 1 690 067; DT-OS 2 127 727; DDR-PS 91 847) Bei einer weiteren Variante
wird die Abstandshalterung dadurch erzeugt, dass über den Innenleiter ein dünnwandiges
Kunststoffrohr von wesentlich grösserer Dimension als der Innenleiter extrudiert
wird, welches anschliessend mittels einer speziellen Vorrichtung in bestimmten Abständen
bis auf den Innenleiter gequetscht wird, so dass es auf diesem stellenweise fest
verankert ist und dazwischen über diesem einen Hohlraum bildet (Beispiel: DT-OS
2 359 026). Ein in der Gestalt ähnliches Kabel ist das sogenannte Ballonkabel, bei
welchem bei der Extrusion durch den Einsatz von
Spezialwerkzeugen
und -aggregaten auf dem Innenleiter kontinuierlich einzelne ballonartige dünnwandige
Kunststoffkammern aufgebracht werden.
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Eine weitere geläufige Version ist das sogenannte Scheibchenkabel.
Als Abstandshalter werden hier entweder Kunststoff-Scheiben verwendet, die als geschlitzte
Vorfabrikate mit gleichmässiger bzw. variabler Distanz auf den Leiter aufgesteckt
werden, wobei zur Regelung der Distanz verschiedene Verfahren existieren (Beispiel:
US-PS 3 777 371), oder die Kunststoffscheiben werden mittels spezieller Spritzköpfe
und -werkzeuge - vorzugsweise Mehrfachwerkzeuge für mehrere Scheiben pro Innenleiter
und evt.
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mehrere Innenleiter parallel zueinander - auf den Innenleiter aufextrudiert
bzw. im Spritzguss aufgebracht. Dies geschieht diskontinuierlich mit feststehender.
oder mit dem Innenleiter in seiner Bewegung folgender Form (Beispiel: DT-OS 1 554
898; DT-OS 27 43 923). Zur Korrektur der bei dieser Fertigung auftretenden Fehler
bezüglich Formtreue und Abstandsgenauigkeit der Scheiben wurden verschiedene Verfahren
vorgeschlagen (Beispiel: DT-AS 1 640 095). Auch ein Verfahren zum kontinuierlichen
Aufbringen der Scheiben auf den Innenleiter ist bekannt.
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Dabei wird der Innenleiter in eine horizontale Kreisbahn geführt,
wo mittels sich schliessenden, mit der gleichen Geschwindigkeit in der Kreisbahn
sich vorwärts bewegenden Scheibenformen die Schalen aufgespritzt werden (Beispiel:
DT-OS 2 208 545).
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Die beschriebenen Beispiele von Hohlraumisolationen haben sämtliche
den Vorteil eines wesentlich grösseren Luftanteils und damit einer noch bedeutend
kleineren Dk, als sie die zuvor angeführten Schaum-Isolationen aufweisen.
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Sie finden z.B. Verwendung als die sog. CATV-Kabel (Gemeinschaftsantennenkabel)
oder als Koaxialtubenkabel im Fern- bzw. Bezirksnetz der Post. Hochleistungskabel,
wie sie beispielsweise als Senderkabel Verwendung finden, weisen meist einen rohrförmigen
glatten oder gewellten Innenleiter auf. Die Abstandshalter bestehen aus speziell
profilierten aufgespritzten Scheiben (Beispiel. DT-OS 1 590 413). Bei anderen Ausführungen
wird die Distanz zwischen Innen- und Aussenleiter, welche letzterer ebenfalls meist
aus einem gewellten Rohr besteht, mit einzelnen am Umfang verteilten Stützelementen
aus festem Dielektrikum erzielt, die in axialer Richtung in bestimmten Abständen
angeordnet sind.
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Den aufgeführten Vorteilen der iiohlraumisolation stehen einige erhebliche
Nachteile gegenüber. Bei einem Teil der lierstellungsverfahren ist nämlich die zu
erreichende Präzision nicht allzu gross. Dies trifft insbesondere zu auf die Kabel
mit den wendelartig auf den Innenleiter aufgewickelten oder sonstwie aufgebrachten
Kunststoffsträngen oder -Profilen, auf die Ballonkabel und auf die Kabel mit den
aufgesteckten Scheiben. Eine wesentlich bessere Formtreue und Dimensionsgenauigkeit
weisen die Kabel mit der gespritzten Wendel, dem abgequetschten Rohr oder den gespritzten
Scheiben auf. Sie bedingen jedoch naturgemäss einen erheblich höheren fertigungstechnischen
Aufwand; insbesondere sind die Investitionen für das Kabel mit kontinuierlich gespritzten
Scheiben, die technisch wahrscheinlich beste Lösung, sehr hoch. Besonders die Formkosten
sind erheblich, da von den sehr aufwendigen und feinmechanisch anspruchsvollen Spritzköpfen
mit Mehrfachwerkzeugen für jede Kabeldimension spezielle Aggregate benötigt werden.
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Zweck der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, das die Herstellung
von hochpräzisen hohlraumisolierten I#F-Kabeln auf normalen Extruderanlagen ermöglicht,
wie sie z.B. für die Herstellung von IlF-Adern verwendet werden, und welche eine
konstante Extrudergeschwindigkeit aufweisen. Dieses Verfahren der eingangs erwähnten
Art ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass man bei konstanter Geschwindigkeit
des aus der Düse der Extruderanlage austretenden thermoplastischen Kunststoffes
die Abzugsgeschwindigkeit des mit dem Kunststoff zu beschichtenden Innenleiters
variiert, so dass durch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten (volt v2) eine Kunststoffschicht
von variabler Dicke auf den Innenleiter aufgetragen wird, deren dicke Stellen als
Abstandshalter für den Aussenleiter oder für einen auf seiner Innenseite aufgebrachten
Schlauch dienen.
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Bei diesen Verfahren ist es weitaus am zweckmässigsten, dass die Geschwindigkeit
des Innenleiters rhythmisclí variiert wird, so dass die dicksten Stellen Wülste
von stets gleichem Durchmesser bilden und stets gleichbleibende Abstände (s) voneinander
aufweisen. Auf diese Weise werden die günstigsten Resultate erzielt.
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Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einer Extruderanlage
zur Beschichtung des Innenleiters und einem Abzugsaggregat für den Vorschub desselben
kennzeichnet sich erfindungsgemäss dadurch, dass vor und nach der Extruderanlage
Speicher zur Aufnahme eines Teils des fertigen Kabels bzw. des zu beschichtenden
Innenleiters angeordnet sind, die durch stationär gelagerte Umlenkräder und durch
wenigstens ein beweglich gelagertes Umlenkrad gebildet sind, wobei der eine Speicher
mit einer Vorrichtung zur zwangsläufigen Bewegung des beweglich gelagerten
Umlenkrades
ausgerüstet ist.
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Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen beispielsweise
näher erläutert; es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung der gesamten Anlage,
einschliesslich der Zusatzeinrichtung, Fig. 2a, Querschnitte durch ein auf der Anlage
herge-2b stelltes Kabel, Fig. 3 einen schematischen Ausschnitt aus dem Kopf der
einen Extruderanlage in Fig. 1, und Fig. 4 einen gleichen Ausschnitt aus dem Kopf
der zweiten Extruderanlage in Fig. 1.
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Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Anlage zur Herstellung
von Hochfrequenzkabeln mit Jiohlraumisolierung. Sie weist die folgenden bekannten
Teile auf: - 1,8: Abzugsaggregate für den Vorschub - 3,6: Extruder für die Isolation
und für den Deckmantel bzw. die sog. Schwarte, - 4,7: Kühlbäder Da diese Teile wie
erwähnt bekannt sind, brauchen sie nicht näher erläutert zu werden.
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Die Speicher 2, 5 hingegen sind Spezialkonstruktionen und stellen
die Zusatzeinrichtung zur Standardanlage dar.
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Anlagen zur Extrusion von Kunststoffisolationen, insbesondere solche
zur Herstellung von HF-Adern, sind ausgelegt zur Erzielung gleichförmiger Vorschub-
bzw. Abzugsgeschwindigkeiten v2 des Leiters. Im Zusammenwirken mit dem zeitlich
ebenfalls sehr gleichmässigen Ausstossverhalten des Extruders, dem eine gleichförmige
Massegeschwindigkeit vl in der Extruderdüse entspricht, er geben sich eine hohe
Dimensionsgenauigkeit und -stabilität und nur geringe Durchmesserschwankungen der
extrudierten Kunststoffisolation.
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Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird nun eine der beiden Geschwindigkeiten,
nämlich die Abzugsgeschwindigkeit v2 des Leiters, in einem bestimmten Rhythmus variiert,
und die Massegeschwindigkeit vl in der Extruderdüse konstant gehalten. Es ergibt
sich damit ein Profil der Isolierung, wie es in Fig. 3 ersichtlich ist. Dadurch,
dass nur eine Geschwindigkeit rhythmisch verändert und die andere konstant gehalten
wird, ist gewährleistet,.
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dass die Amplitude des Profils stets gleich gross ist und damit der
Durchmesser D1 (Fig. 2a, 2b) in sehr engen Toleranzgrenzen gehalten werden kann,
was für die Qualität des Kabels wichtig ist.
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Prinzipiell wäre es denkbar, die Variierung der Abzuysgeschwindigkeit
v2 auch auf anderem Wege zu erreichen, z.B. durch entsprechende Steuerung eines
der beiden oder beider Abzugsaggregate 1 und 8. Dagegen spricht aber, dass damit
eine relativ grosse, rhythmische Beschleunigung erheblicher Massen verbunden wäre,
was in der technischen Realisierung zumindest problematisch, auf jeden Fall nicht
sehr sinnvoll wäre. Ausserdem würden bei Ansteuerung beider Abzugsaggregate hinsichtlich
einer variablen Abzugsgeschwindigkeit nicht zu unterschätzende Gleichlaufprobleme
entstehen,
die bei nicht einwandfreier Bewältigung zu nicht tolerierbaren Schwankungen der
Durchmesser D1 und D2 führen können. Jedenfalls wäre eine solche Lösung technisch
wesentlich aufwendiger, von den Investitionskosten her gesehen erheblich teurer
und damit unwirtschaftlicher als die vorgeschlagene Speicherlösung.
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Das gleiche gilt für eine rhythmische Veränderung der Massegeschwindigkeit
vl im Extruderwerkzeug bzw eine entsprechende künstlich erzeugte Ausstossmengen-Schwankung
des Extruders. Grundsätzlich ist auch diese Lösung denkbar, etwa über eine entsprechende
rhythmische Variation der Schneckendrehzahl, eine axiale Bewegung der Schnecke,
eine axiale Bewegung eines der Schnecke vorgeschalteten Torpedos oder eines ähnlichen
Bauelementes, oder eine axiale Bewegung des Spritzkopfes bzw. des Spritzwerkzeuges.
Allen diesen Verfahren ist jedoch gemeinsam, dass sie recht aufwendig, für Anwendungen
nicht besonders geeignet und damit auch nicht sehr wirtschaftlich sind.
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Wesentlich einfacher ist hingegen das erfindungsgemässe Verfahren
der veränderlichen Abzugsgeschwindigkeit unter Verwendung der dargestellten Zusatzeinrichtung
Diese besteht im wesentlichen, wie bereits erwähnt, aus den zwei Speichern 2, 5.
Jeder derselben speichert eine gewisse variable Länge an Kabel (Speicher 5) bzw.
an Isolation (Speicher 2). Der Speicher 5 arbeitet im wesentlichen ähnlich wie ein
Flaschenzug, mit wenigstens zwei oberen, ortsfest gelagerten Umlenkrädern 51 und
wenigstens einem unteren Umlenkrad 52, das vertikal auf- und abbewegbar ist, wobei
sich der Abstand zu den Umlenkrädern 51 und damit auch die Länge an gespeichertem
Kabel verändert.
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Das Umlenkrad 52 befindet sich am Ende eines zwischen zwei
r'üi#ri:ngen
53 gelagerten kolbenähnlichen sialters 54, welcher von einem Kurbeltrieb 55 in bekannter
Weise hin-und herbewegt wird, und zwar mit einer sinusförmig variierenden Geschwindigkeit
V3. Dadurch wird der Anlagengesctlwindigkeit vz, d.h. der konstanten Vorschubgeschwindigkeit
des Abzugsaggregates 1, 8 eine zweite veränderliche Geschwindigkeit v3 überlagert,
so dass der Leiter zwischen den Speichern 2, 5 mit der variablen Geschwidigkeit
v = v2 + v3 fortbewegt wird. Wichig var dabei ist, dass die veränderliche Geschwindigkeit
v var nie kleiner wird als v2, damit der Leiter nicht durch den Spritzkopf des Extruders
3 zurückläuft. Die Geschwindigkeit v3 kann dadurch variiert werden, dass sowohl
die Drehzahl des Kurbeltriebs 55 durch Verwendung eines Antriebsmotors (nicht dargestellt)
mit stufenlos verstellbarem Getriebe als auch der Kurbel radius r vorändert werden;
die Verstellung des letzteren ist allgemein bekannt.
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Durch die Variation der Geschwindigkeit v3 wird der Prallt bzw. Innenleiter
9, welcher im Extruder 3 mittels einer Führung 10 (Fig. 3) geführt ist, durch die
mit der konstanten Geschwindigkeit vl aus der Extruderdüse 11 ausströmende Kunststoffschmelze
12 so bescllichtet, wie dies aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, d.h. es ergeben
sic Verdickungen 13, die voneinander einen Abstand s aufweisen. Durch die schon
erwähnte Variation der Geschwindigkeit v3 lässt sich der Abstand s in einem weiten
Bereich stufenlos variieren. Ueber den Kurbel radius r lässt sich die Amplitudenhöhe
des Isolationsprofils und damit das Verhältnis D2/D1 regulieren. Das dem rechnerischen
Bewegungsablauf des Kurbeltriebs entsprechende
Profil für einen
bestimmten Fall ist in Fig. 2a wiedergegeben. Aufgrund des viskoelastischen Verhaltens
der thermoplastischen Kunststoffschmelze 12 tritt jedoch eine leichte Verzerrung
ein, so dass das in Wirklichkeit erzielte Profil ähnlich wie in Fig. 2b aussieht.
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Grundsätzlich ist es möglich, die Längsbewegung des Speichers 5 auch
noch mit anderen Antriebselementen als mit einem Kurbeltrieb zu erzeugen. Geeignete
Antriebsarten sind insbesondere Kurvenscheiben, elektronisch gesteuerte Antriebsmotoren,
pneumatische oder hydraulische Steuerungen, usw. Diese sind insbesondere für Isolationsprofile
mit wechselndem Wulstabstand s, wie sie für bestimmte Kabel zur Erzielung besonders
guter Reflexionswerte in Erwägung zu ziehen sind, interessant.
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Der zweite Speicher, hier der Speicher 2, dient ledilich der Aufrechterhaltung
der Drahtspannung und passt sich im Gegenspiel den Bewegungen des gesteuerten Speichers
5 an. Er weist ebenfalls wenigstens zwei obere, stationär gelagerte Umlenkräder
21 und wenigstens ein unteres Umlenkrad 22 auf. Das letztere ist,wie dargestellt,
an einem mit einem Gewicht 23 belasteten, um ein ortsfestes Drehlager 24 schwenkbaren
hebel 25 gclagert. Durch die Unterschiede zwischen der variablen Geschwindigkeit
vvar und der konstanten Geschwindigkeit V2 des Innenleiters ergeben sich Aenderungen
in der Länge des gespeicherten Innenleiters, die durch Schwenkbewegungen des Hebels
25 und entsprechendem Anheben oder Absenken des darauf montierten Umlenkrades 22
ausgeglichen werden; das Gewicht 23 wirkt dabei als sogenannter Rücksteller.
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An die beiden Speicher muss die besondere Bedingung c3estellt
werden,
dass sie sehr leichtläufig und weitgehend massefrei arbeiten müssen. Für die Umlenkräder
21, 22, 51, 52 werden deshalb vorzugsweise Speichenräder vorgesehen, wie sie bei
Fahrrädern üblich sind.
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Die rhythmische Aenderung der Vorschubgeschwindigkeit v var wird wie
erwähnt im Ausführungsbeispiel durch einen Kurbeltrieb im Speicher 5 erzeugt, womit
diese Aenderung gleichzeitig auch noch sinusförmig wird. Anstelle des Kurbeltriebes
können aber auch andere Antriebsmittel vorgesehen werden, die ebenfalls eine rhythmische
Bewegung erzeugen können, wobei diese nicht notwendigerweise sinusförmig sein muss.
So kann beispielsweise eine Kurvenscheibe vorgesehen sein, auf welcher ein Nocken
direkt mit der Lagerung des Umlenkrades 52 verbunden ist. Eine weitere Möglichkeit
besteht in der Verwendung eines Antriebsmotors mit elektronisch gesteuerter Drehzahlregelung.
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Schliesslich lässt sich mittels geeigneter hydraulischer oder pneumatischer
Steuerungen ebenfalls eine rhythmische Bewegung des Umlenkrades 22 erreichen.
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Der in der Extruderanlage 3 beschichtete Innenleiter 9 kann in eine
zweite Extruderanlage 6 eingeführt werden.
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Diese weist gemäss Fig. 4 eine innere Führung 14 auf, zwischen welcher
und der Extruderdüse 15 ein Kunststoffschlauch 16 so extrudiert wird, dass er auf
den Verdickungen 13 aufliegt, wodurch die erwähnten Itohlräume 17 gebildet werden.
Weil der beschichtete Leiter nach Durchlaufen des Speichers 5 wieder eine konstante
Geschwindigkeit aufweist und auch die Extrusionsgeschwindigkeit ebenfalls den Wert
v2 aufweist, ergibt sich ein Schlauch von konstanter Dicke und von einem konstanten
Durchmesser D3.
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Es kann aber auch unter Verzicht auf den Kunststoffschlauch ab Extruder
6 eine sozusagen offene Hohlraumisolierung gewählt werden, bei welcher der Aussenleiter
direkt auf den Verdickungen 13 der Isolation aufliegt.
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Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht die wirtschaftliche Herstellung
von hochpräzisen IIF-Kabeln mit Hohlraumisolation mittels einer einfachen flinrichtung,
welche als Zusatzaggregat im Prinzip in jede Kabelextrusionsanlage, insbesondere
aber in liF-Anlagen installiert werden kann, und die durch Umschaltung wahweise
die Fabrikation von Kabeln mit Voll- oder Schaum-Kunststoffisolation bzw. hohlraumisolierten
Kabeln auf derselben Anlage ermöglicht.