Schaftstab und Schaftrahmen für eine Webmaschine

Abstract

 Der Schaftstab eines Schaftrahmens für eine Webmaschine mit flachem Profil ist als Sandwich aufgebaut mit einem leichten Sandwichkern (15) und damit verbundenen Deckschichten (16) aus thermoplastischem Verbundwerkstoff mit technischen Endlosfasern. An der Aussenseite des Profils ist eine steife Längsverstärkung (17) und an der Innenseite eine Tragschiene (18) angeordnet, welche beide mit der Deckschicht (16) mechanisch fest verbunden sind. Dies ergibt einfach aufgebaute, leichte und steife Schaftstäbe und Schaftrahmen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Schaftstab eines Schaftrahmens für eine Webmaschine, welcher Faserverbundwerkstoffe enthält und ein flaches Profil aufweist, sowie einen Schaftrahmen mit derartigen Schaftstäben und ein Verfahren zur Herstellung solcher Schaftstäbe. Schaftrahmen und Schaftstäbe moderner Webmaschinen müssen hohen mechanischen Beanspruchungen genügen. Sie sind daher bisher meist aus Metall aufgebaut, bei grossen Webbreiten eher aus Stahl, für schnellaufende Maschinen zunehmend aus Aluminium. Dabei sind sie aus vielen Teilen aufwendig zusammengesetzt und damit relativ teuer in der Herstellung. Zudem weisen sie immer noch relativ grosse träge Massen auf, was bei hohen und weiter steigenden Maschinendrehzahlen zunehmend Probleme aufwirft. Es sind auch schon Schaftrahmen, welche Duroplast-Verbundwerkstoffteile enthalten, bekannt geworden. Diese sind aber noch zu aufwendig und teuer in der Herstellung, immer noch kompliziert im Aufbau und überdies bestehen Probleme im Dauerbetrieb.

[0002] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu überwinden, bessere Schaftstäbe und damit aufgebaute Schaftrahmen zu schaffen wie auch ein Verfahren zur Herstellung dieser Schaftstäbe anzugeben. Dabei sollen die Schaftstäbe einfach aufgebaut, kostengünstig und rasch herstellbar sein, aus wenigen Teilen bestehen, reduzierte Massen und/oder höhere Steifigkeiten aufweisen und dabei hohe Betriebsdauern erreichen.

[0003] Diese Aufgaben werden durch erfindungsgemässe Schaftstäbe nach Anspruch 1 sowie durch Schaftrahmen nach Anspruch 22 und durch ein Verfahren zur Herstellung der Schaftstäbe nach Anspruch 25 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen dabei vorteilhafte Ausführungen und Weiterentwicklungen der Erfindung.

[0004] Die besonderen Vorteile der erfinderischen Lösung liegen darin, dass mit einer neuen Struktur, kombiniert mit neuen Verbundwerkstoffen und deren Anordnung, sowohl Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften als auch wesentliche Vereinfachungen und Kostenreduktionen erreicht werden. Im Prinzip wird auf möglichst einfache Art eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht erreicht durch Kombination der Sandwichstruktur mit beidseitigen tragenden und sehr steifen Verstärkungen an den flachen Enden des Profilstabs, d.h. durch die aussenseitige Längsverstärkung und die innenseitige Tragschiene, welche sowohl die Litzen trägt als auch gleichzeitig mechanisch fest in den Schaftstab integriert ist. Das Sandwich mit leichtem Kern und festen Deckschichten dient als leichte und stabile Abstandshalterung zwischen diesen endseitigen Längsverstärkungen. Dazu sind äussere Längsverstärkung und innere Tragschiene je mechanisch fest mit der Deckschicht verbunden. Die thermoplastische Matrix ergibt im Verbund überdies eine erhöhte Dauerfestigkeit und Schlagzähigkeit der Schaftstäbe bzw. des Schaftrahmens. Durch den Sandwichaufbau wird weiter eine erhöhte Biegesteifigkeit, eine hohe Schwingungsdämpfung und damit letztlich auch eine wesentliche Lärmreduktion erreicht.

[0005] Gemäss abhängigen Ansprüchen kann durch eine flächige Verbindung von Tragschiene und Deckschicht eine besonders günstige einfache Kraftübertragung erreicht werden, wobei die Höhe der Verbindungsfläche mit Vorteil mindestens so gross sein kann wie die Dicke der Tragschiene. Geeignete kostengünstige Ausführungen der Tragschiene können aus einem Stahlprofil oder einem Stahlblechprofil bestehen. Ebenso kann die Längsverstärkung aus Stahl-, Aluminiumprofilen oder Stahlblechprofilen bestehen. Besonders leichte und steife Ausführungen können mit UD-Verstärkungsfasern erreicht werden. Leichte und kostengünstige Deckschichten können mindestens 50 % Glasfasern und ±45° Glasfaserlaminat enthalten. Geeignete Matrixmaterialien von Sandwichkern und Deckschicht können aus PPS, PEI, PA, PES, PSU, PUR oder PE bestehen. Die Matrizen von Sandwichkern und Deckschicht können amorph miteinander verbunden oder verklebt sein. Besonders einfache und feste Verbindungen können durch Verschweissen von Sandwichkern und Deckschicht erzielt werden. Geeignete leichte und dauerfeste Sandwichkerne können aus Schaumstoff, aus einem Gestricke oder einem 3-dimensionalen Netzwerk bestehen. Besonders gute Steifigkeiten werden erreicht durch flache Uebergangsbereiche der Deckschicht zu Längsverstärkung und Tragschiene. Mit Vorteil betragen dabei deren Neigungswinkel höchstens 40°. Gute Krafteinleitungen in Anschlusspartien können durch Verdichtung des Sandwichkern zu kompaktem Material oder durch stellenweise injiziertes Polymer im Sandwichkern erreicht werden.

[0006] Besonders einfach aufgebaute und stabile Webschaftrahmen können durch identische, symmetrisch angeordnete obere und untere Schaftstäbe gebildet sein.

[0007] Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und Figuren weiter erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen erfindungsgemässen Schaftstab im Schnitt mit Sandwichstruktur und end seitigen Längsträgern;

Fig. 2 und 3 weitere Beispiele von Schaftstäben;

Fig. 4 bis 7 Beispiele von Längsverstärkungen des Schaftstabs;

Fig. 8 ein Prinzipschema des erfindungsgemässen Schaftstabes;

Fig. 9 einen erfindungsgemässen Schaftrahmen mit oberem und unterem Schaftstab;

Fig. 10 eine Anschlusspartie mit Betätigungs element;

Fig. 11 einen Anschlussbereich zu den Seiten stützen des Schaftrahmens.

[0008] Der prinzipielle Aufbau des erfindungsgemässen Schaftstabes ist in Fig. 8 und ein Ausführungsbeispiel in Fig. 1 dargestellt. Im Gegensatz zu bisherigen Schaftstäben weist der erfindungsgemässe Schaftstab 11 einen einfachen integrierten Aufbau mit zwei je an den Enden seines flachen Profils liegenden tragenden Längsverstärkungen auf: Mit einer äusseren Längsverstärkung 17 und einer inneren Tragschiene 18, welche auch die Litzen 8 trägt und damit die Litzenzugkräfte K8 aufnimmt (siehe auch Fig. 9). Diese Längsträger 17 und 18 bilden zusammen mit einem dazwischen liegenden Sandwichteil 15, 16 eine sehr leichte Tragstruktur mit grösstmöglicher Festigkeit und Biegesteifigkeit bezüglich der Litzenkräfte K8. Der Sandwichteil besteht aus einem leichten Sandwichkern 15 und leichten dünnen, mechanisch festen Deckschichten 16 bzw. 16a, 16b aus thermoplastischem Verbundwerkstoff mit technischen Endlosfasern, welcher als Abstandselement dient und dabei die Kräfte Ka, Kb zwischen den Trägern 17 und 18 überträgt bzw. aufnimmt. Mit einer relativ grossen Breite B des Sandwiches, welche die Schaftteilung C, d.h. den für einen Schaftrahmen zur Verfügung stehenden Platz, weitgehend ausfüllen kann, wird auch bezüglich tordierender Momente weiterer einwirkender Kräfte eine hohe Biegesteifigkeit erreicht. Damit werden auch Schwingungen unterdrückt oder vermieden. Dies ergibt auch eine wesentliche Lärmreduktion. Diese neue Bauweise ermöglicht es, die Kraftrichtung K8 der Litzen in die Mittelebene 24 des Stabprofils zu legen und damit Torsionskräfte zu vermindern. Ganz wesentlich ist die mechanisch feste Verbindung der Längsträger 17 und 18 mit der Deckschicht 16 des Sandwiches. Sehr leichte und steife Deckschichten können z.B. eine Schichtdicke von nur 0.3 bis 0.6 mm aufweisen.

[0009] In der Ausführung von Fig. 1 ist die Längsverstärkung als UD-Profil 31 ausgeführt. Dieses Profil mit hoher spezifischer Festigkeit und Steifigkeit besteht aus unidirektionalen Kohle- oder Glasfasern in thermoplastischer Matrix. Eine besonders gute Verbindung über die Verbindungsfläche 10 zwischen Längsverstärkung 17 und Deckschicht 16 wird erreicht, wenn beide dasselbe Matrixmaterial aufweisen und dieses an der Verbindungsfläche 10 thermoplastisch miteinander verschweisst ist. Solche Verbindungen sind überdies rasch und einfach auszuführen. Auf der Innenseite des Profils ist ein Stahlprofil 44 als Tragschiene 18 für die Litzen 8 mechanisch fest mit der Deckschicht 16 verbunden. Diese mechanisch feste Verbindung kann auch durch Verschrauben oder Nieten hergestellt sein. Besonders vorteilhaft sind jedoch flächige Verbindungen mittels Kleben, Schweissen oder amorphem Fügen, quasi thermoplastischem Löten. Das Stahlprofil 44 ist hier so ausgebildet, dass eine relativ grosse Verbindungsfläche 19 entsteht. Mit Vorteil ist dabei deren Höhe H grösser als die Dicke D der Tragschiene 18. Damit die Litzen 8 einfach in die Tragschiene 18 eingehängt werden können und damit die Litzenkräfte K8 in der Mittelebene 24 des Schaftstabes zu liegen kommen, ist hier die eine Deckschicht 16b in einem Uebergangsbereich 12 zwischen Stabmitte und Innenseite flach abgebogen. Zur Anpassung an die UD-Längsverstärkung 31 ist die Deckschicht beidseitig (16a und 16b) ebenfalls in einem Uebergangsbereich 12 flach abgebogen. Diese Uebergangsbereiche weisen relativ kleine Winkel W auf, vorzugsweise höchstens 40°.

[0010] Der Sandwichkern besteht z.B. aus leichten festen Schaumstoffen, aus Gestricken oder 3-dimensionalen Netzwerken mit Zwischenräumen. Der Kern 15 ist mit der Deckschicht ebenfalls mechanisch innig verbunden. Vorteilhaft sind auch hier Sandwichstrukturen, deren Deckschicht 16 und Kern 15 das gleiche Matrixmaterial aufweisen und die miteinander verschweisst sind.

[0011] Die erfindungsgemässe Sandwichstruktur kann beispielsweise bestehen aus:

• einem 3-dimensionalen Gestricke als Abstandsgewebe mit integrierten dichten Deckschichten aus Glas in einer PA Matrix;
• einem PEI-Schaum als Kern verbunden mit PSU-Glasfaser-Deckschichten;
• einem PEI-Schaum mit PEI-Glas-Deckschichten.

[0012] Weitere Kerne können aus PES, PUR oder PE Schaum bestehen und weitere Deckschichten z.B. auch eine PE Matrix oder Kohlefaserverstärkungen aufweisen.

[0013] Fig. 2 zeigt einen Sandwichschaftstab mit einer 2-teiligen Längsverstärkung 17 in Form von unidirektionalen Profilen 32 und einem einfach formbaren und kostengünstigen Stahlblechprofil 46 als Litzentragschiene 18. Ein weiterer Vorzug der erfindungsgemässen Sandwichstäbe liegt in der Möglichkeit, auf einfache Art Anschlusspartien für Anschlusselemente wie Führungselemente 4 und Betätigungselemente 3 herzustellen, welche eine günstige Krafteinleitung auf das Sandwich bzw. dessen Deckschicht 16 ergeben. Dazu kann einfach ein Polymermaterial in den Kern injiziert werden, womit eine Anschlusspartie 14 für ein Betätigungselement 3 gebildet ist (siehe auch Fig. 9 und 10).

[0014] An der Innenseite des Profils in der Nähe der Tragschiene 18 ist ein weiterer Anschluss- oder Verstärkungsbereich 13 durch thermoplastische Komprimierung des Schaumkern 15 gebildet.

[0015] Im Beispiel von Fig. 3 ist ein Anschlussbereich 5 durch thermoplastische Umformung und Kompaktierung im mittleren Bereich 25 des Stabprofils gebildet, welcher die Verbindung mit den Seitenstützen 2 eines Schaftrahmens aufnimmt, wie dies in Fig. 9 und 11 weiter ausgeführt ist. Die Längsverstärkung 17 ist hier als Stahlprofil 34 zwischen die Deckschichten 16a, 16b eingeklebt und so ausgebildet, dass an der Profilaussenseite kein gebogener Uebergangsbereich notwendig ist. Es ist nur an der Innenseite ein flach gebogener Uebergangsbereich 12 der einen Deckschicht 16b zur Tragschiene 18 erforderlich. Die Tragschiene 18 ist als weiteres Beispiel eines Stahlblechprofils 47 ausgeführt. An der Stabaussenseite ist ein Webschaft-Führungselement 4 auf die Deckschicht 16 aufgeklebt, wobei hier das Stahlprofil 34 auch als verstärkende Unterlage wirkt.

[0016] Die Beispiele der Figuren 4 bis 7 zeigen weitere geeignete Ausführungen der Längsverstärkung 17. Fig. 4 zeigt ein UD-Profil 33, welches beidseitig mit der Deckschicht 16 verschweisst ist und wo der dazwischenliegende Sandwichkern 15 kompakt verdichtet ist (13). Die auslaufende Form 49 des UD-Profils 33 ergibt einen besonders günstigen kontinuierlichen Verlauf der Kraftübertragung auf die Sandwichstruktur. Die Figuren 5 bis 7 zeigen weitere Beispiele kostengünstiger Stahlblechprofile 36 bis 38, mit ebenen Deckschichten beim Profil 36 und mit verschweissten Deckschichten 16 beim sehr einfachen Profil 37 und beim 2-teiligen Profil 38.

[0017] Fig. 9 zeigt einen Webschaftrahmen 1 mit erfindungsgemässen oberem und unterem Schaftstab 11. Besonders einfach herzustellen sind dabei Schaftrahmen mit identischen Schaftstäben, welche symmetrisch zur Schaftmitte 7 angeordnet sind. Der Schaftrahmen weist auch Seitenstützen 2 mit Führungsprofilen 6, Betätigungselemente 3 und obere und untere Führungselemente 4 auf.

[0018] Im Ausschnitt von Fig. 10 ist die Ausdehnung eines Anschlussbereichs 14 ersichtlich, welcher aus in den Schaumkern 15 injiziertem kompaktem Polymermaterial besteht. Das Betätigungselement 3 ist dabei lösbar, z.B. durch Verschraubung, oder auch durch Verklebung befestigt (vergleiche Fig. 2).

[0019] Fig. 11 zeigt eine Verbindung von Schaftstäben 11 und Seitenstützen 2. Ein Anschlussbereich 5 (Fig. 3) im mittleren Bereich des Profilstabs 11 ist gebildet durch eine thermoplastische Einbuchtung der Deckschicht 16 und Kompaktierung (13) des Sandwichkerns 15, welcher allfällig auch noch zusätzlich mit Polymermaterial zu einer kompakten Schicht 14 ausgefüllt werden kann. Die Seitenstützen 2 können ebenfalls aus thermoplastischem Verbundmaterial mit hochfesten technischen Fasern bestehen. Dann kann auch die eine Seitenstütze fest mit den Schaftstäben verschweisst sein, während die zweite Seitenstütze, zwecks Einzug der Litzen, lösbar verbunden wird.

Ansprüche

1. Schaftstab eines Schaftrahmens für eine Webmaschine, welcher Faserverbundwerkstoffe enthält und ein flaches Profil aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaftstab als Sandwich aufgebaut ist mit einem leichten Sandwichkern (15), einer damit mechanisch fest verbundenen beidseitigen Deckschicht (16) aus Faserverbundwerkstoff und einer an der aussenseite des Profils angeordneten und mit der Deckschicht fest verbundenen Längsverstärkung (17) hoher spezifischer Steifigkeit, wobei sowohl die Matrix der Deckschicht (16) als auch die des Sandwichkerns (15) aus thermoplastisch verformbarem Kunststoff und die Verstärkung der Deckschicht (16) aus technischen Endlosfasern besteht, sowie gekennzeichnet durch eine an der Innenseite des Profils angeordnete Tragschiene (18), welche ebenfalls mit der Deckschicht (16) mechanisch fest verbunden ist.

2. Schaftstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Tragschiene (18) und Deckschicht (16) über eine Verbindungsfläche (19) miteinander verbunden sind.

3. Schaftstab nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe H der Verbindungsfläche (19) zwischen Tragschiene (18) und Deckschicht (16) mindestens so gross ist wie die Dicke D der Tragschiene.

4. Schaftstab nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragschiene (18) aus einem Stahlprofil (44) besteht.

5. Schaftstab nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragschiene (18) aus einem Stahlblechprofil (46) besteht.

6. Schaftstab nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsverstärkung (17) aus einem Stahl- oder Aluminiumprofil (34) besteht.

7. Schaftstab nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsverstärkung (17) aus einem Stahlblechprofil (36) besteht.

8. Schaftstab nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsverstärkung (17) aus UD-Verstärkungsfasern (31) mit hoher spezifischer Steifigkeit wie Kohle- oder Glasfasern besteht.

9. Schaftstab nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (16) mindestens 50 Gew% Glasfasern enthält.

10. Schaftstab nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht aus ±45° Glasfaserlaminat oder Glasfasermatte besteht.

11. Schaftstab nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial von Sandwichkern (15) und/oder Deckschicht (16) aus PPS, PEI, PA, PES, PSU, PUR oder PE besteht.

12. Schaftstab nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix von Sandwichkern (15) und Deckschicht (16) miteinander verklebt sind.

13. Schaftstab nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix von Sandwichkern (15) und Deckschicht (16) aus dem gleichen Material bestehen und miteinander verschweisst sind.

14. Schaftstab nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix von Sandwichkern (15) und Deckschicht (16) aus verschiedenen, aber amorph verbindbaren Materialien bestehen und diese miteinander mechanisch fest verbunden sind.

15. Schaftstab nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sandwichkern (15) aus Schaum stoff besteht.

16. Schaftstab nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sandwichkern (15) aus einem Gestricke oder einem Zwischenräume enthaltenden 3-dimensionalen Netzwerk besteht, welche aus matrixgetränkten technischen Fasern gebildet sind.

17. Schaftstab nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Deckschicht (16a, 16b) flache Uebergangsbereiche (12) zu Längsverstärkung (17) und/oder Tragschiene (18) aufweist.

18. Schaftstab nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigungswinkel W der Uebergangsbereiche (12) höchstens 40° betragen.

19. Schaftstab nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sandwichkern (15) in Anschlusspartien (13) zu kompaktem Material verdichtet ist.

20. Schaftstab nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass verstärkte Anschlusspartien (14) im Sandwich durch stellenweise injiziertes kompaktes Polymer im Sandwichkern (15) gebildet sind.

21. Schaftstab nach einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch Anschlussbereiche (5) zu den Seitenstützen (2) eines Schaftrahmens, welche thermoplastisch umgeformt sind.

22. Schaftrahmen mit einem oberen und einem unteren Schaftstab (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 21.

23. Schaftrahmen nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der obere und der untere Schaftstab (11) identisch ausgebildet und symmetrisch zur Schaftmitte (7) angeordnet sind.

24. Schaftrahmen nach Anspruch 22 oder 23 mit Seitenstützen (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenstützen ebenfalls aus Thermoplastprofilen mit Verstärkungen aus technischen Endlosfasern gebildet sind.

25. Verfahren zur Herstellung eines Schaftstabs nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil bestehend aus Sandwichkern (15) und Deckschicht (16) in einem Arbeitsgang thermoplastisch in seine Endform gebracht wird.

Zeichnung