Verfahren und Vorrichtung zum Aufbringen einer Verstärkung auf ein Kunststoffrohr durch ein Wickelschweißverfahren Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Her- stellen einer Verstärkung an einem Kunststoffrohr sowie ein Kunststoffrohr mit einer Verstärkung.
Im Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zu Herstellen von ver- stärkten Muffen an Kunststoffrohren bekannt. So ist aus der DE 101 52 604 Al bekannt, ein Kunststoffrohr mit einem Ende auf einen Stützdorn aufzuschieben und zusammen mit dem Stützdorn um seine Längsachse zu drehen, wobei wäh- rend der Drehung auf einen vorgeformten Muffenbereich des Rohres eine Kunst- stoffschicht aufextrudiert wird, die eine verstärkende, an das Kunststoffrohr ange- formte Muffe bildet. Dieses Verfahren bewirkt zwar eine Verstärkung des Kunst- stoffrohres gegenüber einmaligen statischen Belastungen. Eine Verstärkung ge- genüber statischen Dauerbelastungen mit der Folge, dass auch ein Kriechens des Kunststoffes vermieden wird, wird aber nur kaum erreicht. Eine solche Dauerbe- lastung findet vor allem im Dichtungsbereich von Muffen statt, wenn ein weiteres Kunststoffrohr in die Muffe eingeschoben ist, und eine Ringdichtung von innen mit großem Druck gegen die Muffe presst. Dieser Druck kann auf Dauer ein Krie- chen des Kunststoffrohres verursachen mit der Folge von Undichtigkeiten im Muffenbereich.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kunststoffrohr mit ei- ner Verstärkung an einer Anschlussstelle bzw. Muffe bereitzustellen, bei der eine verbesserte Belastbarkeit gegenüber Dauerbelastungen gegeben ist, um ein Krie- chen des Kunststoffes zu vermeiden. Außerdem ist es eine Aufgabe der vorlie-
genden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines sol- chen Kunststoffrohres bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung gemäß Anspruch 22 und ein Kunststoffrohr gemäß Anspruch 14 gelöst. Die ab- hängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der folgen- den Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Kunststoffrohr mit einer verstärkten Muffe nach der vor- liegenden Erfindung ; Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zum Herstellen einer Verstärkung an einem Kunststoffrohr ; Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zum Herstellen einer Verstärkung an einem Kunststoffrohr ; Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zum Herstellen einer Verstärkung an einem Kunststoffrohr ; Fig. 5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zum Herstellen einer Verstärkung an einem Kunststoffrohr ; Fig. 6 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des ersten bzw. des zweiten Ausführungsbeispiels ; Fig. 7 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des dritten bzw. des vierten Ausführungsbeispiels ; Fig. 8 zeigt eine Einrichtung, die alternativ zu den in Fig. 6 und 7 gezeig- ten Einrichtungen für eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwen- det werden kann ;
Fig. 9 zeigt eine weitere Einrichtung, die ebenfalls alternativ zu den in den Fig. 6 und 7 gezeigten Einrichtungen für eine erfindungsgemä- ße Vorrichtung verwendet werden kann ; Fig. 10 zeigt eine Einrichtung zum Abstützen und Drehen eines Kunststoff- rohres für das erste bzw. dritte Ausführungsbeispiel ; Fig. 11 und 12 zeigen noch eine weitere Einrichtung, die alternativ zu den in Fig.
6 und 7 gezeigten Einrichtungen für eine erfindungsgemäße Vor- richtung verwendet werden kann ; Fig. 13 zeigt eine verstärkte Muffe nach der vorliegenden Erfindung ; Fig. 14 zeigt eine Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, die strom- abwärts von einer Wellrohranlage mit Extruder angeordnet ist.
In Fig. 1 ist ein Kunststoffrohr 1 mit einer gewellten Außenwandung und einer glatten Innenwandung dargestellt. Das Kunststoffrohr 1 weist eine Muffe bzw.
Anschlussstelle 3 auf zur Verbindung mit einem weiteren Kunststoffrohr 3, wobei die Anschlussstelle 2 durch eine Dichtung 4 abgedichtet ist. In dem Bereich der Dichtung 4 weist die Anschlussstelle 2 des Kunststoffrohrs 1 ein Verstärkungs- band 5 auf, das nach der vorliegenden Erfindung nicht nur eine Verstärkung ge- genüber einmaligen statischen Belastungen bietet, sondern auch eine Verstärkung gegenüber statischen Dauerbelastungen, um ein Kriechen der Anschlussstelle 2 im Bereich der Dichtung 4 zu verhindern.
Das Verstärkungsband 5 besteht aus Kunststoff, insbesondere aus thermoplasti- schem Kunststoff, z. B. das Material des Kunststoffrohres, high-density Polyethy- len (HDPE) oder Polypropylen (PP), und umfasst einen oder mehrere Verstär- kungswerkstoffe, die eine hohe und dauerhafte Zugfestigkeit aufweisen, insbe- sondere Naturfasern, Kunststofffasern, Kunststofffäden, Glasfasern, Fiberglasfa- sern, Kevlarfasern, Kohlefasern, Metallfasern oder Metalldrähte. Besonders vor- teilhaft ist es dabei, einfache oder geflochtene Fäden aus diesen Verstärkungs- werkstoffen bzw. Gewebe aus diesen Verstärkungswerkstoffen zu verwenden.
Vor allem flache Metallgewebe haben sich als besonders geeignetes Verstär-
kungsmaterial für die vorliegende Erfindung herausgestellt. Denn das Metallge- weben weist nicht nur eine hohe dauerhafte Zugfestigkeit auf, sondern erzeugt eine relativ geringe Flächenpressung gegen das Kunststoffrohr, so dass ein Ein- schneiden vermieden wird, wenn das Verstärkungsmaterial mit Vorspannung auf das Kunststoffrohr aufgebracht wird.
Die Verstärkungswerkstoffe sind dabei vorteilhaft in Längsrichtung des Verstär- kungsbandes ausgerichtet und können einseitig auf dem Kunststoff des Verstär- kungsbandes aufgebracht sein. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Verstärkungs- werkstoffe beidseitig mit Kunststoff kaschiert sind bzw. im Kunststoff eingebettet sind. Durch die vorgeschlagenen Verstärkungswerkstoffe wird eine bisher nicht erreichte Widerstandsfähigkeit gegenüber statischen Dauerbelastungen erreicht, so dass ein Kriechens des Kunststoffes von Rohren im Dichtungsbereich von Muffen verhindert werden kann. Die Verwendung von geflochtenen Stahlseilen und Me- tallgeweben ist dabei besonders vorteilhaft. Somit wird es ermöglicht, bei Kunst- stoffrohre mit über 2 Metern Durchmessern eine dauerhafte Abdichtung zu ge- währleisten.
Das Verstärkungsband 5 kann einmal um die Anschlussstelle 2 herumgewickelt sein, wobei der Anfang und das Ende des Verstärkungsbandes 5 miteinander ver- bunden werden. Vorteilhaft ist es jedoch, das Verstärkungsband-wie in Fig. 13 angedeutet ist-mehrmals übereinander zu umwickeln, um einen Selbsthem- mungseffekt zu erreichen. Das Verstärkungsband 5 kann dabei spiralförmig und/oder überlappend um die Anschlussstelle 2 gewickelt sein, wobei der Endbe- reich des aufgewickelten Verstärkungsbandes direkt mit der Anschlussstelle oder mit der darunter liegenden Wicklung des Verstärkungsbandes 5 verschweißt oder verklebt ist. Das Verstärkungsband 5 wird vorteilhaft durch Hitzeeinwirkung mit der Anschlussstelle 2 verschweißt. Es ist aber auch ausreichend, wenn das Ver- stärkungsband 5 mit der Anschlussstelle 2 nur verklebt ist.
Das Verstärkungsband 5 kann durch ein im folgenden beschriebenen Wickel- schweißverfahren auf die Anschlussstelle 2 aufgebracht werden. Nach der vorlie- genden Erfindung ist es jedoch auch möglich, das Verstärkungsband 5 zusammen mit dem Verstärkungswerkstoff auf die Anschlussstelle 2 unmittelbar aufzuextru- dieren.
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 6 nach der vorlie- genden Erfindung zum Herstellen eines Verstärkungsbandes an einem Kunststoff- rohr 1. Im linken Teil der Fig. 2 ist eine Zuführvorrichtung 7 dargestellt, von wel- cher ein Kunststoffrohr mit Hilfe von Hebelarmen 8 in die Arbeitsstellung 9 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 6 zu überführen, die in der Mitte der Fig. 2 dar- gestellt ist. Alternativ zu dem in Fig. 2 gezeigten Hebelarmen 8 kann auch ein Hub-Querförderer verwendet werden. Das Kunststoffrohr 1 wird in der Arbeits- stellung 9 durch Stützrollen 10,11 sowie durch obere Anpressrollen 12 gehalten, wobei die Stützrolle 11 durch einen Motor 13 angetrieben wird, um das Kunst- stoffrohr 1 drehen zu können. Die Vorrichtung 6 weist weiter eine Einrichtung zum Förderern eines Verstärkungsbandes 5 und eine Einrichtung zum Verschwei- ßen des Verstärkungsbandes 5 mit dem Kunststoffrohr 1 auf, die in Fig. 2 gemein- sam mit dem Bezugszeichen 14 versehen sind.
In Fig. 2 sind die Einrichtungen 14 stationär in der Vorrichtung 6 angeordnet, wo- bei das Aufwickeln des Verstärkungsbandes 5 durch ein-oder mehrmaliges Dre- hen des Kunststoffrohres 1 erreicht wird. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist es jedoch auch möglich, die Einrichtungen 14 um das Kunststoffrohr 1 einmal oder mehr- mals herumzuführen, wobei das Kunststoffrohr 1 in einer Klemmvorrichtung 16 fest eingespannt bleibt. Diese Drehbewegung der Einrichtungen 14 kann erreicht werden, indem diese mit Hilfe eines Drehkranzes bzw. Rotors 15, der durch einen Motor 17 angetrieben wird, gedreht werden. In Fig. 3 ist der Rotor 15 mit dem Motor 17 über einen Keilriemen bzw. Antriebsband 18 verbunden. Es ist jedoch auch möglich, den Motor 17 direkt an der Vorrichtung 6 anzubringen, wobei ein
am Motor angebrachtes Ritzel direkt mit Zähnen am Außenumfang des Rotors 15 in Eingriff steht.
Die Einrichtungen 14 müssen bei dieser Ausführungsform mindestens um etwa 360° gedreht werden können. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn mehrfache Drehun- gen um das Kunststoffrohr 1 möglich sind. Der Antrieb der Einrichtungen 14 kann reversibel erfolgen, um eine leichtere Versorgung durch Verbindungskabel zu ermöglichen, bei festem Anschluss die nicht beliebig oft um das Kunststoffrohr umwickelt werden können.
Der besondere Vorteil der Drehbewegung der Einrichtungen 14 um das Kunst- stoffrohr 1 besteht darin, dass somit die erfindungsgemäße Vorrichtung 6 unmit- telbar stromabwärts von einer Wellrohranlage bzw. Corrugator 19 angeordnet sein kann, wie in Fig. 14 dargestellt ist. Der Corrugator 19 wird von einem Extruder 20, der einen Spritzkopf 21 aufweist, mit plastifiziertem Kunststoff gespeist zur Herstellung eines Kunststoffrohres 1. Bei diesem Herstellungsprozess ist es nicht möglich das Kunststoffrohr 1 zu drehen. Daher wird es mit der erfindungsgemä- ßen Vorrichtung 6 mit drehenden Einrichtungen 14 erstmals ermöglicht, ein Ver- stärkungsband 5 unmittelbar nach der Formstrecke eines Corrugators 19 anzu- bringen, so dass die Rohrherstellung insgesamt effizienter und bei kleinerem Raumbedarf erfolgen kann.
Da sich das Kunststoffrohr 1 bei seiner Herstellung langsam entlang der Form- strecke bewegt (vgl. Pfeil 22 in Fig. 14), ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung 6 entlang von Schienen 25 mit Hilfe eines Motors 23 synchron mit der Produktions- geschwindigkeit des Kunststoffrohres 1 bewegt werden kann. Für eine exakte Be- arbeitung ist dabei von Vorteil, eine Klemmvorrichtung 26 vorzusehen. Während des erfinderischen Wickelschweißvorganges bewegt sich die Vorrichtung 6 somit von dem stromaufwärtigen Ende der Schienen 25 zum stromabwärtigen Ende der Schienen 25. Danach wird die Vorrichtung 6 mit Hilfe des Motors 23 wieder an sein stromaufwärtiges Ende gefahren, um die nächste Anschlussstelle 2 mit einem
Verstärkungsband 5 zu versehen. Dabei sei erwähnt, dass Kunststoffrohre in ei- nem Endlosverfahren hergestellt werden mit eingearbeiteten Anschlussstellen, wobei das Kunststoffrohr nach dessen Herstellung mit der gewünschten Länge an der Anschlussstelle abgetrennt bzw. abgelängt wird, um einzelne Rohrstücke zu erhalten.
In den Fig. 6 bis 9 sowie in den Fig. 11 und 12 sind verschiedene Ausführungs- möglichkeiten für Einrichtungen 14 zum Herstellen bzw. Aufbringen des Verstär- kungsbandes 5 dargestellt. In Fig. 7 ist eine Trommel 30 dargestellt, auf welcher das Verstärkungsband 5 aufgewickelt ist. Das Verstärkungsband 5 wird über eine Umlenkrolle 31 und eine Anpressrolle 32 einer Antriebsvorrichtung 33 zugeführt, welche das Verstärkungsband 5 von der Trommel 30 abwickelt, um es einem Ar- beitsbereich 34 am Kunststoffrohr 1 zuzuführen. Die Antriebseinheit 33 weist eine angetriebene Rolle 35 und eine Gegenrolle 36 auf, die durch einen Pneuma- tik-oder Hydraulikzylinder 37 gegen die angetriebene Rolle 35 gedrückt wird.
Der Arbeitsbereich 34 wird durch ein Heißluftgebläse 38 mit einer Heißluftdüse 39 aufgeheizt, um das Kunststoffrohr 1 örtlich zu plastifizieren. Durch die er- zeugte Heißluft wird außerdem der Kunststoff des Verstärkungsbandes 5 plastifi- ziert, so dass eine Verschweißung des Verstärkungsbandes 1 mit dem Kunststoff- rohr 1 erreicht wird, indem die nachfolgenden Anpressrollen 40,41 das Verstär- kungsband 5 gegen das Kunststoffrohr 1 drücken.
In Fig. 6 ist eine Schneidevorrichtung 42 der Einrichtung 14 genauer zu sehen, die ein Schneidemesser 43 aufweist. Wenn das Verstärkungsband 5 mit der ge- wünschten Länge um das Kunststoffrohr 1 gewickelt wurde, wird das Schneide- messer 43 durch einen Zylinder nach links verschoben um das Verstärkungsband 5 abzutrennen. Das Verstärkungsband 5 wird dabei durch ein Gegenblech 44 fest- gehalten. Der Endbereich des abgetrennten Endes des Verstärkungsbandes 5 wird daraufhin durch das Heißluftgebläse und die Anpressrollen 40,41 mit dem dar- unter liegenden Bereich des Verstärkungsbandes verschweißt.
In Fig. 8 ist eine weitere Ausführungsform einer Einrichtung 14 zum Aufbringen eines Verstärkungsbandes 5 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird plastifi- zierter Kunststoff unmittelbar auf das Kunststoffrohr 1 aufextrudiert, wobei das Verstärkungsmaterial separat zugeführt wird. Auf einer Trommel 46 ist ein Kunststoffdraht 48 aufgewickelt, der einem Kleinschneckenextruder 45 zugeführt wird. Im Kleinschneckenextruder 45 befindet sich eine Extruderschnecke und eine Heizeinrichtung, welche den zugeführten Kunststoff plastifizieren. Über den An- schlusshals 49 wird der plastifizierte Kunststoff einem Querspritzkopf 50 zuge- führt, der einen zylinderförmigen Hohlraum aufweist, der sich zur Düse 51 hin verjüngt. Auf einer Trommel 53 ist außerdem Verstärkungsmaterial 47 aufgewik- kelt, insbesondere Naturfasern, Kunststofffasem, Kunststofffäden, Glasfasern, Fiberglasfasern, Kevlarfasem, Kohlefasern, Metallfasern oder Metalldrähte sowie Fäden bzw. Gewebe aus diesen Verstärkungswerkstoffen. Das Verstärkungsmate- rial wird durch eine Einschubvorrichtung 54 in einen konusförmigen Hohlraum im Querspritzkopf 50 eingeführt und tritt durch einen gesonderten Kanal der Düse 51 aus und wird sodann von dem plastifizierten Kunststoff umschlossen. Auf die- se Weise wird ein Verstärkungsband erzeugt, das durch die Anpressrolle 52 auf das Kunststoffrohr 1 aufgebracht wird. Die Heizluftvorrichtung muss dabei nur das Kunststoffrohr 1 örtlich plastifizieren, da der Kunststoff des Verstärkungs- bandes sich bereits im plastifizierten Zustand befindet. Kurz vor Ende des Wickel- bzw. Aufextrusionsvorganges wird das Verstärkungsmaterial durch eine Schnei- devorrichtung 55 getrennt, so dass die Aufwicklung des Verstärkungsbandes 5 beendet werden kann.
Die Düse 51 des Querspritzkopfes 50 kann als Runddüse oder als Flachdüse aus- gebildet sein. Eine Runddüse wird vorzugsweise verwendet bei einem Verstär- kungsmaterial mit rundem Querschnitt. Für ein flaches Metall-oder Kunststoff- gewebe wird dagegen vorzugsweise eine entsprechende Flachdüse verwendet.
In Fig. 9 ist eine Abwandlung gegenüber der in Fig. 8 gezeigten Einrichtung dar- gestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel findet die Zuführung des Verstärkungs-
materials nicht durch den Querspritzkopf hindurch statt, sondern wird von außen zugeführt. Zunächst wird also das Verstärkungsmaterial durch eine (nicht darge- stellte) Führung zum Anliegen mit dem Kunststoffrohr 1 gebracht und wird so- dann von plastifiziertem Kunststoff, das in diesem Ausführungsbeispiel aus einer Breitschlitzdüse 54 austritt, bedeckt. Die Schneidevorrichtung 55 und die Ein- schubvorrichtung 56 sind in diesem Ausführungsbeispiel nicht hinter dem Quer- spritzkopf angeordnet, sondern seitlich davon.
Alternativ zu den in den Fig. 8 und 9 dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Zuführung des Verstärkungsmaterials auch derart erfolgen, dass kurzfasrige Verstärkungsmaterialien zusammen mit dem Kunststoff in den Kleinschnek- kenextruder 45 eingespeist werden. Die Trommel 53 für das Verstärkungsmateri- al, entsprechende Führungen für das Verstärkungsmaterial und eine Schneidevor- richtung kann in diesem Ausführungsbeispiel entfallen.
Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einrichtung 14 ist in den Fig. 11 und 12 dargestellt. Im Gegensatz zu dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel wird hier das Verstärkungsband und das Kunststoffrohr 1 mittels eines Lasers 58 plastifiziert und dann durch Anpressrollen 40,41 miteinander verbunden. Der besondere Vorteil der Verwendung eines Lasers besteht darin, dass der zu plastifi- zierende Kunststoff sehr gezielt erwärmt werden kann, so dass die gesamte Hitze- einwirkung geringer ist im Vergleich zu der Verwendung eines Heißluftgerätes.
Wie in Fig. 12 dargestellt ist, kann der Laser durch Bündelung des Strahles auch zum Schneiden des Verstärkungsbandes 5 verwendet werden, so dass die Anzahl der erforderlichen Einrichtungen reduziert wird. Alternativ kann aber auch eine mechanische Schneidevorrichtung vorgesehen sein.
Bei allen oben dargestellten Ausführungsbeispielen ist es vorteilhaft, wenn das Verstärkungsband bzw. Verstärkungsmaterial mit einer Vorspannung auf das Kunststoffrohr aufgebracht wird. Beim Aufwickeln kann daher-je nach Kunst- stoffrohrdurchmesser und Verstärkungsgrad-eine Zugspannung von mehr als 100
N bis 1000 N auf das Verstärkungsband bzw. Verstärkungsmaterial aufgebracht werden. Dies kann erreicht werden, indem die Einrichtung zum Drehen das Ver- stärkungsband bzw. Verstärkungsmaterial mit Zugspannung abwickelt, wobei entweder die entsprechende Trommel oder das Verstärkungsband bzw. Verstär- kungsmaterial selbst kontrolliert mittels einer Rückhaltevorrichtung gebremst wird.
Bei den oben dargestellten Ausführungsbeispielen ist es auch denkbar, dass Ver- stärkungsband 5 nur nach vorbestimmten Längen jeweils mit dem Kunststoffrohr 1 zu verschweißen. Dadurch wird der Energiebedarf und die dementsprechende Hitzebelastung weiter reduziert, wobei die Verstärkung des Kunststoffrohres 1 gegenüber einer statischen Dauerbelastung praktisch nicht beeinträchtigt wird.
Bei den oben dargestellten Ausführungsbeispielen ist es vorteilhaft, eine Compu- tersteuerung vorzusehen zum Steuern der einzelnen Motoren, der Schneidevor- richtung, der Heizeinrichtungen bzw. des Lasers und der sonstigen Einrichtungen, um einen vollautomatischen Betrieb zu ermöglichen.
