DE60003163T2

DE60003163T2 - Rohr aus thermoplastischem kunststoff

Info

Publication number: DE60003163T2
Application number: DE60003163T
Authority: DE
Inventors: Dirk Arjan VAN LENTHE; Hendrik Jan PRENGER; Jan Visscher
Original assignee: Wavin BV
Current assignee: Wavin BV
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 2000-03-03
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2020-03-04
Also published as: NL1012032C2; NZ513818A; PL350538A1; US20020022101A1; ATE242101T1; WO2000053392A1; WO2000053392A9; EP1159122A1; US7217379B2; CA2364488A1; JP2002538025A; PT1159122E; US20050062182A1; DK1159122T3; EP1159122B1; BR0008780B1; AU2949300A; AU776757B2; CA2364488C; ES2202064T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines Rohres aus thermoplastischem Material, insbesondere aus einem plastischen Polyolefin-Material wie zum Beispiel Polyethylen. Ebenso bezieht sich die Erfindung auf die Herstellung eines Kunststoffrohres, bei welchem das thermoplastische Material biaxial ausgerichtet ist, wobei dieses Verfahren als biaxialer Reckprozess bekannt ist. Ebenso bezieht sich die Erfindung auf Verbesserungen bei dem Verfahren zur Herstellung eines extrudierten Rohres aus einem thermoplastischen Werkstoff, wobei dieses Verfahren einen Teil des Produktionsablaufs zur Herstellung biaxial ausgerichteter Rohre bilden kann. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Herstellung einer verbesserten Naht zwischen Rohren, die aus biaxial gerichtetem Thermoplastmaterial hergestellt sind.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Herstellung eines Rohres aus biaxial ausgerichtetem Thermoplastmaterial mit einer integral darin ausgebildeten Muffe an einem Ende, so dass Rohre dieser Art über Muffenverbindungen mit einander gekoppelt werden können, um auf diese Weise eine Leitung zu bilden, beispielsweise zum Fördern von Wasser, Gas, usw.
In der internationalen Schrift WO 95/25626 wird ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für die Herstellung eines biaxial ausgerichteten Thermoplast-Rohres beschrieben, das auch als gerecktes bzw. gestrecktes bzw. gedehntes Rohr bekannt ist. Bei diesem Verfahren weist das gereckte Rohr einen gleichmäßigen Querschnitt auf, was bedeutet, dass es eine gleichmäßige Wandungsdicke und einen gleichmäßigen Durchmesser über seine gesamte Länge aufweist und auch in axialer und tangentialer Richtung (Umfangsrichtung) des Rohres über seine gesamte Länge gleichmäßig gereckt ist. Ein Verfahren zum Anbringen einer Muffe an einem der Enden des Rohres, das auf diese Weise hergestellt wurde, ist aus der Vorveröffentlichung WO 97/33739 bekannt.
Ein anderes Verfahren zur Herstellung eines Rohres aus einem biaxial gerichteten Kunststoffmaterial ist aus der britischen Patentschrift GB 1 589 052 bekannt. Dieses Verfahren baut auf einem Rohr auf, das aus einem Thermoplastmaterial hergestellt ist, bei dem eine biaxiale Ausrichtung nicht vorgenommen wurde, wobei das Rohr einen Rohrkörper aufweist, der an einem Ende einen Endabschnitt mit größerer Wandungsdicke als im Rohrkörper besitzt. Das Rohr wird in eine Form bzw. Matrize eingelegt und durch einen Innendruck so aufgedehnt, dass das Kunststoffmaterial des Rohres entlang zweier Achsen ausgerichtet wird. Bei diesem Prozess wird der Endabschnitt zur Bildung einer Muffe verformt.
In der Vorveröffentlichung WO 98/13190 wurde noch ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Rohren mit einer integral ausgebildeten Muffe aus einem biaxial ausgerichteten thermoplastischen Werkstoff beschrieben.
In der US-Patentschrift 3,264,383 wird ein Verfahren zur Ausbildung von Muffen auf Rohren vorgestellt, die nicht biaxial gereckt werden. Dabei werden die Muffen auf den Rohren dadurch gebildet, dass die aus dem Extruder austretende Folge von Rohren auf die gewünschten Abstände gestaucht werden, während sich die Folge von Rohrstücken immer noch in einem verformbaren Zustand befindet, um so eine größere Wandungsstärke auszubilden.
Die US-Patentschrift 5,096,634 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von biaxial gereckten Rohren. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Extrudieren eines thermoplastischen Rohrmaterials in viskosem Zustand, Führen des Rohrmaterials über einen Reckdorn, um das Rohrmaterial entlang zweier Achsen zu recken, und Überwachen der molekularen Ausrichtung in dem abgekühlten Rohrmaterial.
Trotz aller Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der Herstellung von Rohren aus einem biaxial ausgerichteten Thermoplastmaterial und insbesondere auf dem Gebiet der Ausbildung einer Muffe auf einem Rohr dieser Art haben Belastungsversuche immer noch bewiesen, dass die Muffe bei einem Rohr dieser Art den kritischen Teil des Rohres bildet. Der Grund hierfür wurde darin ausgemacht, dass das Rohr eher an der Muffe als im Rohrkörper bricht bzw. reißt und deshalb die Muffe eine unerwünschte Einschränkung bei der mechanischen Festigkeit des Rohres darstellt.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzuregen, mit denen es möglich wird, ein Rohr der vorgenannten Art mit einer integral daran ausgebildeten Muffe an einem oder an beiden Enden herzustellen. Des Weiteren regt die Erfindung auch Maßnahmen zum Verbessern des Einsteckteils des Rohres an, das in eine Muffe eingepasst werden soll.
Zu diesem Zweck sieht die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren nach Anspruch 1 vor. Wird das Verfahren gemäß der Erfindung durchgeführt, wird in dem Abschnitt zwischen der Extruderdüse und der Einrichtung zur Steuerung der Geschwindigkeit des Rohres, in der Praxis insbesondere unmittelbar auf der Austrittsseite der Extruderdüse, ein axiales Vorformlingsteil in periodischen Abständen gebildet, dessen Wandungsdicke sich von der in dem vorhergehenden Teil des Vorformlings unterscheidet.
Überraschenderweise hat es sich in der Praxis als möglich erwiesen, das Verfahren zum erfolgreichen biaxialen Recken des Vorformlings trotz der Veränderung in der Wandungsdicke des Vorformlings zu steuern, der über den Dorn aufgezogen werden soll. Insbesondere hat es sich als möglich erwiesen, dass ein Vorformlingsteil mit größerer Wandungsdicke über den Dorn aufgezogen wird, ohne dass dies zu unerwünschten Auswirkungen auf diesen Teil des Vorformlings führt, der eine kleinere Wandungsdicke besitzt und sich zwischen dem dicken Vorformlingsteil und der Ziehvorrichtung befindet.
Das Verfahren nach Anspruch 1 macht es möglich, ein gerecktes Rohr aus biaxial ausgerichtetem Thermoplastmaterial in einem kontinuierlichen Verfahren mit axialen Rohrteilen herzustellen, die sich verändernde Wandungsstärken besitzen.
In der Praxis hat es sich als günstig erwiesen, dass die maximale Wandungsstärke des Vorformlings 5 bis 15 % größer als die kleinste Wandungsdicke des Vorformlings sein muss, wie dies an einer Stelle unmittelbar auf der Austrittsseite der Extruderdüse zu sehen ist. Daraus wird deutlich, dass die anderen Werte ebenfalls in den Rahmen der Erfindung fallen.
Vorzugsweise erfolgt der Übergang der Wandungsstärke von einem Wert zu einem anderen Wert allmählich. Dies ist für die Stabilität des Verfahrens von Vorteil.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel muss das Verhältnis zwischen der Vorschubgeschwindigkeit des Vorformlings, das durch die Einrichtung zur Steuerung der Geschwindigkeit einerseits und die Abgabemenge des Extruders andererseits bestimmt wird, während eines ersten Zeitraums im Wesentlichen auf einen konstanten ersten Wert und für einen zweiten Zeitraum auf einen oder mehrere Werte eingestellt werden, die sich vom ersten Wert unterscheidet, wobei der zweite Zeitraum beträchtlich kürzer als der erste Zeitraum ist, woraufhin dieser Zyklus kontinuierlich wiederholt wird.
In der Praxis bedeutet dies, dass an einem Punkt hinter dem Aufdehndorn das gereckte Rohr in jedem Fall einen Abschnitt mit einer großen axialen Länge mit einer gleichmäßigen ersten Wandungsdicke und einem zugehörigen Durchmesser aufweist, an den sich ein erheblich kürzerer axialer Teil des Rohres anschließt, in dem sich die Wandungsdicke von der ersten Wandungsdicke unterscheidet und insbesondere bei Blickrichtung entlang der axialen Erstreckung des kürzeren Teils einen oder mehrere größere Werte aufweist.
Insbesondere sind Maßnahmen für die Wandungsdicke so vorgesehen, dass – bei Blickrichtung entlang der axialen Erstreckung – sich die Wandungsdicke zwischen einer Vielzahl von Werten im letztgenannten axialen Teil verändert, so dass sich ringförmige Flächen, die aneinander angrenzen und unterschiedliche Wandungsstärken aufweisen, in dem relevanten Teil des gereckten Rohres unterscheiden lassen.
Das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung lässt sich dadurch realisieren, dass die Austragsmenge des Extruders periodisch variiert wird, wobei in diesem Fall die Vorschubgeschwindigkeit des Vorformlings, die mittels der Einrichtung zur Steuerung der Geschwindigkeit des Rohres bestimmt wird, im Wesentlichen konstant gehalten wird. Dies setzt tatsächlich einen Extruder voraus, der sich innerhalb eines entsprechenden Bereichs in seiner Abgabemenge einstellen lässt.
Das Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung kann auch in seiner bevorzugten Form dadurch realisiert werden, dass die Abgabemenge des Extruders im Wesentlichen konstant gehalten wird und die Vorschubgeschwindigkeit des Vorformlings in periodischen Abständen verändert wird, die mittels der Einrichtung zur Steuerung der Geschwindigkeit des Rohres bestimmt wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung erfährt das gereckte Rohr im Wesentlichen die gleiche axiale Dehnung über seine gesamte Länge. Um dies zu erreichen, ist es bei dem Verfahren nach Anspruch 3 in einigen Fällen ausreichend, die Vorschubgeschwindigkeit des gereckten Rohres auf der Austragseite des Dorns, die mittels der Ziehvorrichtung bestimmt wird, konstant zu halten, so dass das Verhältnis der Vorschubgeschwindigkeit des gereckten Rohres auf der Austragseite . des Dorns einerseits und des Vorformlings auf der Zuführseite des Dorns andererseits im Wesentlichen konstant bleibt.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 4 verändert sich die Vorschubgeschwindigkeit des Vorformlings auf der Zuführseite des Dorns, die mittels der Einrichtung zum Steuern der Geschwindigkeit des Rohres bestimmt wird, und aus diesem Grund ist es dann notwendig, dass die Vorschubgeschwindigkeit des gereckten Rohres auf der Austragseite des Dorns, die von der Ziehvorrichtung bestimmt wird, in periodischen Abständen in der Weise verändert wird, dass das Verhältnis der Vorschubgeschwindigkeit des Rohres auf der Austragseite des Dorns einerseits und des Vorformlings auf der Zuführseite des Dorns andererseits im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Bei einer Variante des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sind Maßnahmen vorgesehen, damit die Rohrteile mit größerer Wandungsstärke nicht in dem gleichen Maße eine axiale Dehnung erfahren wie ein dazwischen liegender Rohrabschnitt mit einer kleineren Wandungsstärke, sondern dass sie vielmehr in stärkerem Maße axial gereckt werden. Zu diesem Zweck ist in dem Zeitraum, in dem ein Abschnitt des Vorformlings mit einer größeren Wandungsstärke über den Dorn aufgezogen wird, oder während eines Abschnitts dieses Zeitraums das Verhältnis der Vorschubgeschwindigkeit des gereckten Rohres einerseits, welche mittels der Ziehvorrichtung bestimmt wird, und der Vorschubgeschwindigkeit des Vorformlings andererseits, welche mittels der Einrichtung zum Steuern der Geschwindigkeit des Rohres größer ist als in dem Zeitraum, in dem ein Teil des Vorformlings mit einer kleineren Wandungsstärke über den Dorn aufgezogen wird, so dass ein Rohrabschnitt mit der größeren Wandungsstärke in stärkerem Maße in axialer Richtung gereckt wird als ein Rohrabschnitt mit einer kleineren Wandungsstärke.
Damit das Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung und insbesondere gemäß der vorstehend beschriebenen Variante mit Erfolg gesteuert werden kann, ist es wünschenswert, dass das Rohr seine Dehnung in axialer Richtung in einem exakt definierten Abschnitt erfährt und dass außerhalb dieses Abschnitts in dem Rohr keine zusätzliche axiale Reckarbeit vorgenommen wird. Um dies zu erreichen, ist bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass das gereckte Rohr auf der Austragsseite des Dehnungsabschnitts des Dorns in der Weise gekühlt wird, dass das gekühlte Rohr keine weitere Dehnung in axialer Richtung mehr erfährt und dass sich die Arbeit zum axialen Recken auf den Abschnitt konzentriert, der zwischen der Einrichtung zum Steuern der Geschwindigkeit des Rohres, die in der Nähe des Extruders angeordnet ist, und dem Ende des Dorns auf der Austragseite liegt. Vorzugsweise wird die Dehnung in axialer Richtung zwischen zwei Einrichtungen zum Steuern der Geschwindigkeit des Rohres vorgenommen, die in einem Abstand von einander angeordnet und beide zwischen dem Extruder und dem Dorn vorgesehen sind.
Daraus wird deutlich, dass in dem Augenblick, in dem ein Abschnitt des Vorformlings mit verdickter Wandung am Ende des Dorns auf der Zuführseite ankommt, eine möglicherweise kritische Veränderung in dem bis dahin stabilen Zustand des Verfahrens eintritt, insbesondere dann, wenn der verdickte Wandungsabschnitt des Vorformlings in diesem Augenblick nach innen vorsteht und somit einen kleineren Durchmesser als die angrenzenden Abschnitte des Vorformlings aufweist. Man würde dann erwarten, dass der Abschnitt des Vorformlings mit der größeren Wandungsstärke tatsächlich auf dem Dorn stecken bleibt, während der dünne und noch immer heiße Abschnitt des Vorformlings, der sich in Austragrichtung unmittelbar hinter diesem Abschnitt befindet, zusätzlich eine Dehnung in axialer Richtung erführe, möglicherweise in einem nicht akzeptablen Ausmaß.
Zur Lösung dieses Problems wird bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung, das in der Praxis von Vorteil ist, die Temperatur des Vorformlings in der Weise gesteuert, dass ein Abschnitt des Vorformlings mit größerer Wandungsstärke im Durchschnitt eine Temperatur aufweist, die an einer Stelle gemessen wird, die auf der Zuführseite des Dorns unmittelbar vor diesem liegt, welche höher ist als die Temperatur in einem Abschnitt des Vorformlings mit einer kleineren Wandungsstärke, welche sich in Austragrichtung an diesen Abschnitt unmittelbar anschließt und sich deshalb bereits auf dem Dorn befindet.
Wird davon ausgegangen, dass die Konditionierung der Temperatur im Wesentlichen darin besteht, den Vorformling abzukühlen, auch wenn aus dem Stand der Technik auch bekannt ist, dass dem Vorformling auf der Zuführseite des Dorns eine (vergleichsweise geringe) Wärmemenge zugeführt wird, lässt sich der vorstehend beschriebene Temperaturzustand des Vorformlings in der Praxis dadurch realisieren, dass die Kühleinrichtung, welche Teil der Einrichtung zum Steuern der Temperatur ist, im Wesentlichen konstant arbeitet. Dies lässt sich folgendermaßen erklären. In dem Abschnitt zwischen der Extruderdüse und dem Dorn ist es tatsächlich möglich, zwischen drei Teilbereichen zu unterscheiden. In dem ersten Teilbereich, der sich unmittelbar an die Extruderdüse anschließt, ist es möglich, einen Abschnitt des Vorformlings mit verdickter Wandung herzustellen, indem entsprechend der Beschreibung in Anspruch 1 gearbeitet wird. In dem anschließenden Teilbereich wird der Vorformling mit der Wirkung der Einrichtung zur Konditionierung der Temperatur beaufschlagt, insbesondere wird er dort abgekühlt, und im daran anschließenden dritten Teilbereich wird tatsächlich dem Vorformling keine bedeutende Wärmeenergie zugeführt oder von diesem abgezogen.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 3 bewegt sich ein Abschnitt des Vorformlings mit einer verdickten Wandung, der in dem ersten Teilbereich gebildet wird, an der Einrichtung zur Konditionierung der Temperatur vorbei in dem zweiten Abschnitt mit derselben Geschwindigkeit wie der Abschnitt des Vorformlings mit einer kleineren Wandungsstärke. Relativ ausgedrückt wird deshalb der dickere Abschnitt des Vorformlings weniger stark abgekühlt und erreicht somit den Dorn mit einer höheren Durchschnittstemperatur; insbesondere ist die Temperatur im Kern des verdickten Abschnitts des Vorformlings höhere. Wegen der höheren Temperatur ist – relativ ausgedrückt – das Elastizitätsmodul niedriger und lässt sich deshalb der verdickte Abschnitt des Vorformlings leichter verformen, ein Umstand, mit dem sich im praktischen Betrieb die Verdickung der Wandung in ausreichendem Maße ausgleichen lässt, um die vorstehend angesprochene kritische Situation zu vermeiden.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 4 wird die Geschwindigkeit des Vorformlings verringert, während ein Abschnitt des Vorformlings mit verdickter Wandung geformt wird. Auch in diesem Fall wird der Abschnitt des Vorformlings in dem ersten Teilbereich gebildet. Wegen dieser Verringerung der Geschwindigkeit wird der Abschnitt des Vorformlings, der sich während dieses Zeitraums in dem zweiten Teilabschnitt befindet, über einen längeren Zeitraum abgekühlt als der Abschnitt des Vorformlings, der bereits die Kühlung durchlaufen hat und sich in dem dritten Teilabschnitt befindet. Wenn der Abschnitt des Vorformlings mit verdickter Wandung komplett abgeschlossen ist, wird die Geschwindigkeit des Vorformlings wieder erhöht und durchläuft der Abschnitt des Vorformlings mit einer verdickten Wandung die Kühlung mit dieser höheren Geschwindigkeit, weshalb er weniger stark abgekühlt wird. Wenn der verdickte Abschnitt des Vorformlings dann an dem Dorn ankommt, lässt sich dieser Abschnitt leicht verformen, wohingegen der Abschnitt des Vorformlings mit der dünnen Wandung, der sich auf der Austragseite unmittelbar davor befindet, tatsächlich vergleichsweise starr ist. Eine Kombination der beiden Effekte macht es möglich, das Verfahren mit Erfolg in gesteuerter Weise durchzuführen.
Wie sich aus den vorstehenden Darstellungen ersehen lässt, ist es auf der Grundlage der Temperatur des Vorformlings – innerhalb eines Temperaturbereichs, der sich dazu eignet, eine Ausrichtung entlang zweier Achsen zu erzielen – und anhand des sich dabei ergebenden Elastizitätsmoduls möglich, die Dehnung des Vorformlings in axialer Richtung zu steuern. Indem dafür gesorgt wird, dass der Vorformling örtlich begrenzt, beispielsweise an einem verdickten Teil wie vorstehend beschrieben, eine höhere Temperatur aufweist als die anderen Abschnitte des Vorformlings zum Zeitpunkt der axialen Dehnung, ist es möglich, sicherzustellen, dass bei einer gegebenen konstanten Reckkraft zum Dehnen in axialer Richtung, die auf den Vorformling einwirkt, dessen wärmerer Teil eine stärkere Dehnung in axialer Richtung erfährt als die kühleren Abschnitte, auch wenn dieser wärmere Abschnitt eine größere Wandungsdicke besitzt. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die dünneren Abschnitte des Vorformlings eine Temperatur von etwa 90°C aufweisen, wohingegen ein wärmerer, bei Bedarf dickerer Abschnitt eine Temperatur in der Nähe von 120°C besitzt.
Es hat sich überraschenderweise als möglich herausgestellt, das Rohr nach dem Durchlaufen des Dehnungsdorns durch eine externe Kalibriervorrichtung zu führen. In diesem Fall konnte beobachtet werden, dass der verdickte Rohrabschnitt nach dem Verlassen des Dorns bezüglich der angrenzenden Abschnitte des Rohres nach außen vorsteht und dann von der externen Kalibriervorrichtung nach innen gedrückt wird.
Das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung lässt sich in einem kontinuierlichen Verfahren ausführen und auf diese Weise ist es möglich, ein Rohr aus einem biaxial gerichteten Thermoplastmaterial mit einem Rohrabschnitt herzustellen, der eine verdickte Wandung besitzt und in (regelmäßigen) axialen Abständen von einander vorgesehen ist. Dann ist es durch Sägen, Schneiden oder dergleichen Arbeiten durch das Rohr an der Stelle der verdickten Rohrabschnitte möglich, Rohrabschnitte herzustellen, die an einem oder an beiden Enden einen Endabschnitt mit einer Wandungsstärke herzustellen, die größer ist als die Wandungsstärke des Rohrkorpus. Außerdem sieht die Erfindung vor, dass die Rohrabschnitte anschließend einem Arbeitsgang zur Bildung einer Muffe unterzogen werden, wobei in diesem Fall aus einem Endabschnitt mit einer verdickten Wandung eine Muffe integral ausgebildet wird. Bei einer Variante – bei der beide Endabschnitte dicker ausgelegt sind – wird ein Endabschnitt in eine Muffe hinein verformt, während der andere Endabschnitt als Einsteckende verwendet wird. Sofern dies günstig ist, wird das Einsteckende ebenfalls noch weiter verformt, zum Beispiel wird es mit einer oder mehreren Ausbildungen in der Weise versehen, dass man eine formschlüssige Muffenverbindung erhalten kann.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel besitzt der Rohrabschnitt einen Rohrkorpus mit gleich bleibendem Querschnitt und mit gleich bleibender Wandungsdicke mit einer integralen Muffe an einem Ende und einem Einsteckende auf dem anderen Ende, dessen Wandungsstärke um 3 bis 10 % größer ist als die Wandungsstärke in dem Rohrkorpus.
Insbesondere hat sich gezeigt, dass man bei den Ausführungsbeispielen, bei denen der Endabschnitt mit einer verdickten Wandung – vor der Bildung der Muffe – eine Dehnung in axialer Richtung erfahren hat, die größer der Dehnung des Rohrkorpus mit kleinerer Wandungsstärke oder gleich dieser ist, eine Muffe erhält, die beträchtlich bessere Eigenschaften und eine höhere Belastbarkeit als die bekannten Muffen auf solchen Rohren besitzt.
Vorzugsweise ist nach Bildung der Muffe die Dehnung der Muffe in axialer Richtung größer als die Dehnung des Rohrkörpers in axialer Richtung oder gleich dieser.
Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung werden in den Ansprüchen und in der Beschreibung erläutert.
Die vorstehend aufgeführten Maßnahmen und weitere Merkmale, die gemäß der Erfindung vorgesehen sind, werden in den Ansprüchen und in der nachstehenden Beschreibung beschrieben und im folgenden erläutert, insbesondere unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in welcher:
1a und 1b schematisch eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, eines exemplarischen Ausführungsbeispiels einer Anlage zum Herstellen eines biaxial ausgerichteten thermoplastischen Rohrmaterials darstellen;
2a ein Längsschnitt durch einen Teil des Vorformlings unmittelbar nach dessen Durchlauf durch die Kalibriervorrichtung ist;
2b das Teil aus 2a nach dessen Durchlauf über den Dehnungsdorn darstellt;
2c das Teil aus 2b nach dem Durchlaufen der Kalibriervorrichtung auf der Austragseite des Dehnungsdorns darstellt;
2d das Teil aus 2c nach dessen Verformung zu einer Muffe zeigt;
3a eine Darstellung entsprechend 2a eines weiteren Ausführungsbeispiels des Vorformlings ist;
3b eine Darstellung entsprechend 2d des Teils aus 3a zeigt, das zu einer Muffe verformt wurde, und
4 ein Querschnitt durch einen Teil einer Extruderdüse gemäß der Erfindung ist:
5a und 5b in schematischer Form jeweils eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, eines exemplarischen Ausführungsbeispiels einer Anlage zur Herstellung eines biaxial ausgerichteten thermoplastischen Rohrmaterials sind;
6 den Ausschnitt II in 5a in vergrößertem Maßstab darstellt;
7 einen Teil des Dorns aus 5b in vergrößertem Maßstab zeigt;
8 eine perspektivische Ansicht des Dorns aus 3 ist;
9 einen Längsschnitt durch eine Verbindung zwischen zwei Rohrstücken darstellt, die aus einem biaxial ausgerichteten Thermoplastmaterial gemäß der Erfindung hergestellt sind, und
10 eine Ansicht entsprechend den 5a, 5b eines Teils einer Variante einer Anlage zur Herstellung eines biaxial ausgerichteten thermoplastischen Rohrmaterials ist.
1a und 1b zeigen in zwei Teilzeichnungen, die an einander angrenzen sollten, jeweils eine schematische Darstellung der wichtigsten Teile einer Anlage zur Herstellung eines biaxial ausgerichteten thermoplastischen Rohrmaterials in einem kontinuierlichen Prozess.
Dabei stellt 1a einen Extruder 1 mit einer oder mehreren Extrudierschnecken 2 und mit einem zugeordneten steuerbaren Antrieb dar, der einen Strom an Kunststoffschmelze erzeugt, der einer Extruderdüse 3 zugeführt wird, die auf dem Extruder 1 angeordnet ist.
Die Extruderdüse 3 weist einen Außenring 4 und einen innen angeordneten Kern 5 auf, die zusammen mit dem Außenring 4 eine ringförmige Auslassöffnung begrenzt, aus welcher ein extrudierter rohrförmiger Vorformling 6 aus thermoplastischem Material in einer im Wesentlichen horizontalen Richtung austritt. Bei dieser Anordnung definiert der innen liegende Kern 5 in dem Vorformling 6 einen axialen Hohlraum.
Die Extruderdüse 3 ist mit Einrichtungen zum Steuern der Wandungsstärke versehen, welche hier nicht dargestellt sind und dazu verwendet werden können, eine gleichmäßige Wandungsstärke (in Umfangsrichtung) des Vorformlings 6 zu erzeugen, der aus der Extruderdüse 3 austritt. An dem innen liegenden Kern 5 kann ein innen liegendes Kühlteil angebracht werden, um den Vorformling innen zu kühlen.
Der Vorformling 6 wird außen mit Hilfe der außen liegenden Kalibrierhülse 10 kalibriert.
Auf der Austragseite der Kalibrierhülse 10 befindet sich eine erste außen liegende Kühlvorrichtung 15, mittels derer der Vorformling 6 von außen gekühlt wird. Die außen liegende Kühlvorrichtung 15 weist beispielsweise eine Reihe von Kammern auf, die sich hinter einander befinden und durch welche Kühlwasser strömt und durch welche sich der Vorformling 6 bewegt und dabei in direkte Berührung mit dem Kühlwasser kommt. Sofern dies angezeigt ist, hat das Kühlwasser in jeder Kammer eine jeweils andere Temperatur, um auf diese Weise die Kühlung des Vorformlings 6 zu optimieren.
Auf der Austragseite der außen liegenden Kühlvorrichtung 15 befindet sich eine Einrichtung 20 zur Steuerung der Geschwindigkeit des Rohres, die auf die gekühlte äußere Schicht des Vorformlings 6 einwirkt. Die Einrichtung 20 zur Steuerung der Geschwindigkeit des Rohres kann in diesem Fall als Ziehvorrichtung ausgebildet sein, die an sich bekannt ist und eine Vielzahl von Bahnen besitzt, welche auf den Vorformling einwirken, wobei eine Ziehvorrichtung dieser Art für die Extrudierung von Kunststoffrohren üblich ist.
Auf der Austragseite der Einrichtung 20 zum Steuern der Geschwindigkeit des Rohres ist eine Heizvorrichtung 25 angeordnet. Diese Vorrichtung 25 umfasst eine Vielzahl von Heizeinheiten, die um den für den Vorformling 6 vorgesehenen Weg herum positioniert sind, einzeln angesteuert werden können und jeweils zu einem Sektor des Umfangs des Vorformlings 6 hin gerichtet sind. Infolgedessen kann jedem Sektor des Vorformlings 6, zum Beispiel sechs über den Umfang verteilten Sektoren zu jeweils 60°, eine separat steuerbare Wärmemenge zugeführt werden.
Die Anlage weist des Weiteren einen Dehnungsdorn 30 auf, der in diesem Fall nicht verformbar ist und auch hier als formstabil beschrieben wird. Der Dorn 30 besteht in diesem Fall aus Metall. Der Dorn 30 wird bezüglich des Extruders 1 in stationärer Position gehalten und ist in diesem Fall an dem Innenkern 5 mittels eines Verankerungsteils 31 befestigt.
Auf seinem zuführseitigen Ende weist der Dorn 30 ein Auflaufteil 32 auf, das in diesem Fall eine im Wesentlichen zylindrische Auslegung aufweist. An das Auflaufteil 32 schließt sich ein Dehnungsteil 33 an, dessen Außenfläche im Wesentlichen der Oberfläche eines Kegelstumpfes mit einem Durchmesser entspricht, der in Austragrichtung zunimmt. An das Dehnungsteil 33 schließt sich ein Ablaufteil 34 des Dorns 30 an, wobei das Teil 34 einen im Wesentlichen gleich bleibenden Durchmesser aufweist, wobei es dann, wenn es angemessen ist, sich etwas in der Austragrichtung verjüngt. Da der Vorformling 30 über den Dorn gezogen wird, verändert er sich zu einem gereckten Rohr 6'.
An der Stelle des Dorns 30, insbesondere des Ablaufteils 34, befindet sich eine zweite außen liegende Kühlvorrichtung 40, mittels derer das gereckte Rohr 6' auf der Außenseite gekühlt wird. Wie dies bei der Herstellung von biaxial ausgerichteten Kunststoffrohren ganz allgemein bekannt ist, wird das gedehnte Rohr abgekühlt, nachdem er das Dehnungsteil des Dehnungsdorns durchlaufen hat, so dass infolgedessen die Veränderungen, die in dem Kunststoffmaterial des Rohres herbeigeführt wurden, eingefroren werden.
In einem Abstand auf der Austragseite des Dorns 30 ist eine zweite außen liegende Kalibriervorrichtung 45 angeordnet, wobei die Kalibriervorrichtung 45 den Außendurchmesser des Rohres 6' verringert.
Die Anlage weist außerdem eine Ziehvorrichtung 50 auf, die auf der Austragseite des Dorns 30 und der außen liegenden Kalibriervorrichtung 45 angeordnet ist. Die Ziehvorrichtung 50 ist dazu vorgesehen, auf das gedehnte Rohr 6' eine erhebliche Zugkraft auszuüben. Auf der Austragseite der Ziehvorrichtung 50 befindet sich eine (hier nicht dargestellte) Zuschneidevorrichtung, beispielsweise eine Säge-, Schneid- oder Fräsvorrichtung, um von dem Rohr 6', das so hergestellt wurde, Abschnitte von der gewünschten Länge abzuschneiden.
Der aus der Extruderdüse 3 austretende Vorformling 6 besitzt eine vergleichsweise dicke Wandung, um es auf diese Weise möglich zu machen, dass ein Reckvorgang entlang zweier Achsen ausgeführt werden kann. Nachdem der Vorformling 6 die Extruderdüse 3 mit hoher Temperatur verlassen hat, wird der Vorformling 6 mit Hilfe der ersten außen liegenden Kühlvorrichtung 15 und mittels der Heizvorrichtung 25 in der Weise abgekühlt/örtlich begrenzt erneut erwärmt, dass das Kunststoffmaterial eine Ausrichtungstemperatur aufweist, die sich zur biaxialen Dehnung eignet, ehe der Vorformling 6 über das Dehnungsteil 33 des Dorns 30 gezogen wird.
Der Vorformling 6 wird unter dem Einfluss der Kräfte, die auf den Vorformling 6 und das Rohr 6' einwirken, mittels der Ziehvorrichtung 50 in Verbindung, mit der Einrichtung 20 zum Steuern der Geschwindigkeit des Rohres über den Dorn 30 gezogen. Mit Hilfe der Ziehvorrichtung 50 und der Einrichtung 20 zum Steuern der Geschwindigkeit des Rohres ist es möglich, die Vorschubgeschwindigkeit sowohl an einer Stelle auf der Zuführseite des Dorns 30 (an der Einrichtung 20 zum Steuern der Geschwindigkeit des Rohres) als auch an einer Stelle auf der Austragseite des Dorns 30 (an einer Ziehvorrichtung 50) präzise zu steuern.
Aufgrund des Durchlaufs über den Dorn 30 werden die Moleküle des Kunststoffmaterials ausgerichtet, d.h. gestreckt, und zwar sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung, was für die Eigenschaften des Rohres 6' von großem Nutzen ist.
Eine Einheit zum Messen der Wandungsdicke kann zwischen dem Extruder 1 und dem Dorn 30 angeordnet werden, mit deren Hilfe die Stärke des Vorformlings 6 und die Form des Querschnitts des Vorformlings 6 gemessen werden kann.
Auf der Austragseite des Dorns 30 befindet sich eine Einheit 60 zum Messen der Wandungsdicke. Diese Einheit 60 zum Messen der Wandungsdicke kann mit einer Steuereinheit verbunden sein, die anhand des gemessenen Querschnitts des gedehnten Rohres 6' den Betrieb der Ziehvorrichtung 50, die Vorrichtung 25 und gegebenenfalls den Abstand zwischen der Kalibriervorrichtung 45 und dem Dorn 30 steuert.
Der Dorn 30 kann mit einem oder mehreren Zuführkanälen versehen sein, die in der Außenfläche des Dorns 30 münden und über das Verankerungsteü 31 und die Extruderdüse 3 mit einer (hier nicht dargestellten) Pumpeinrichtung verbunden sind, um zwischen dem Dorn 30 und dem Vorformling 6 eine Flüssigkeit zuzuführen. Es ist somit möglich, einen Flüssigkeitsfilm zwischen dem Vorformling 6 und dem Dorn 30 zu bilden, insbesondere zwischen dem Vorformling 6 und dem Dehnungsteil 33 des Dorns 30. Es ist auch möglich, einen Flüssigkeitsfilm zwischen dem Ablaufteil 34 und dem Rohr 6' zu bilden, der dazu dient, die Reibung zwischen dem Rohr und dem Ablaufteil zu verringern, und möglicherweise andererseits auch als innen liegende Kühlung für das gereckten Rohr.
Bei einer Variante ist es möglich, ein Gas, insbesondere erwärmte Luft, unter Druck zwischen dem nicht verformbaren Dorn 30, insbesondere dessen Dehnungsteil, und dem Vorformling 6 einzuleiten, um auf diese Weise einen Gasfilm zu erhalten.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, die vorstehend beschriebene Anlage in einer Weise zu betreiben, dass der Vorformling 6 auf der Zuführseite des Dorns 30 einen gleichmäßigen Querschnitt so genau wie möglich aufweist, d.h. eine gleichmäßige Wandungsdicke und einen gleichmäßigen Durchmesser, und weist außerdem eine zur Orientierung geeignete Temperatur auf, die so gleichmäßig wie möglich ist. Auf der Austragseite des Dorns 30 weist das gereckte Rohr 6' dann einen größeren Durchmesser und eine kleinere Wandungsstärke auf.
Im Gegensatz zu dieser bekannten Art und Weise, die Anlage zu betreiben, ist es gemäß einem Aspekt der Erfindung möglich, durch periodisches Verändern des Verhältnisses zwischen der Vorschubgeschwindigkeit des Vorformlings 6 einerseits, die von der Einrichtung 20 zum Steuern der Geschwindigkeit des Rohrs bestimmt wird, und dem Austrag aus dem Extruder 1 andererseits zwischen einem ersten Wert und einem zweiten Wert, der niedriger als der erste Wert ist, für den extrudierten Vorformling 6 in dem Abschnitt zwischen dem Extruder 1 und der Einrichtung 20 zum Steuern der Geschwindigkeit des Rohres, um so abwechselnd eine erste Wandungsstärke zu erhalten – wenn das Verhältnis den ersten Wert aufweist – und eine zweite Wandungsstärke – wenn das Verhältnis den zweiten Wert besitzt – wobei die zweite Wandungsstärke größer als die erste Wandungsstärke ist.
Bei dem hier vorgestellten Beispiel geschieht dies dadurch, dass der Austrag aus dem Extruder 1 im Wesentlichen konstant gehalten wird und die Vorschubgeschwindigkeit des Vorformlings 6, die durch die Einrichtung 20 zum Steuern der Geschwindigkeit des Rohres bestimmt wird, periodisch verändert wird. Deshalb wird in diesem Fall das Verhältnis zwischen der Vorschubgeschwindigkeit des Vorformlings 6 einerseits, die von der Einrichtung 20 zum Steuern der Geschwindigkeit des Rohres bestimmt wird, und dem Austrag aus dem Extruder 1 andererseits im Wesentlichen während eines ersten Zeitraums konstant auf dem ersten Wert gehalten, so dass ein langes Stück des Vorformlings 6 mit einer ersten Wandungsstärke "d1" hergestellt wird. Während eines zweiten Zeitraums, der erheblich kürzer als der erste Zeitraum ist, wird dann die Geschwindigkeit der Einrichtung 20 zum Steuern der Rohrgeschwindigkeit auf einen niedrigeren Wert gesetzt, mit dem Ergebnis, dass ein Abschnitt des Vorformlings, der die zweite größere Wandungsstärke "d2" besitzt, dann unmittelbar dahinter auf der Austragseite der Extruderdüse 3 gebildet wird, wie dies in 1a mit dem Bezugszeichen 70 angegeben ist.
Das Verfahren sorgt für eine kontinuierliche Fertigung, bei welcher man vorzugsweise einen verdickten Abschnitt 70 des Vorformlings in regelmäßigen Abständen erhält.
Während der Kalibrierung 10 von außen nimmt der Vorformling 6 einen gleichmäßigen Außendurchmesser an, so dass der verdickte Abschnitt 70 des Vorformlings, bezogen auf den. Abschnitt des Vorformlings mit der ersten Wandungsstärke, nach innen in diesen Bereich vorsteht, wie dies mit der gestrichelten Linie angegeben ist.
Der verdickte Abschnitt 70 des Vorformlings durchläuft dann die außen liegende Kühlvorrichtung 15 und kommt an dem Dorn 30 an, wo der verdickte Abschnitt 70 des Vorformlings durch das Auflaufteil 32 des Dorns dazu veranlasst wird, sich nach außen zu wölben (was durch eine gestrichelte Linie angegeben ist).
Wenn der Vorformling 6 über den Dorn 30 geführt wird, dann wird er und infolgedessen auch der verdickte Abschnitt 70 des Vorformlings in axialer Richtung und in Umfangsrichtung gedehnt, wie dies nachstehend noch ausführlicher beschrieben wird.
Wenn der verdickte Abschnitt 70 durch die außen liegende Kalibriervorrichtung 45 läuft, wird er wieder nach innen gedrückt (wie dies mit einer gestrichelten Linie angegeben ist), was zu einem gedehnten Rohr 6' mit verdickten Abschnitten 70 in (regelmäßigen) Abständen in axialer Richtung führt, wobei zwischen diesen verdickten Abschnitten in jedem Fall ein langer Abschnitt mit geringerer Wandungsstärke d1 vorhanden ist.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel wird das Rohr 6' in Austragrichtung hinter der Ziehvorrichtung 50 an jedem verdickten Abschnitt 70 auf die richtige Länge zugeschnitten, wobei der Abstand zwischen zwei verdickten Abschnitten 70 der gewünschten Länge der Rohrabschnitte entspricht, die durch Zuschneiden des Rohres 6' auf die gewünschte Länge hergestellt wird. Infolgedessen weist jeder Rohrabschnitt dann einen Rohrkorpus und an einem Ende einen verdickten Rohrabschnitt mit größerer Wandungsstärke als im Rohrkorpus auf. Vorzugsweise wird der verdickte Endabschnitt des Rohres dann einem Arbeitsgang zur Ausbildung einer Muffe unterzogen, so dass man eine qualitativ hochwertige integrale Muffe erhalten kann.
Sei einer anderen Variante wird das Rohr 6' in der Weise in Stücke geschnitten, dass an jedem Ende eines Rohrabschnitts ein verdickter Endabschnitt vorhanden ist. Dann ist es möglich, dass eines der Enden in eine Muffe verformt wird, wohingegen das andere Ende ggf. ohne weitere Bearbeitung als verdickte Einsteckspitze bzw. verdicktes Einsteckteil verwendet werden kann.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erfährt das biaxial gereckte Rohr im Wesentlichen die gleiche Dehnung über seine gesamte Länge in axialer Richtung. Da die Vorschubgeschwindigkeit des Vorformlings 6 auf der Zuführseite des Dorns 30, die von der Einrichtung 20 zum Steuern der Geschwindigkeit des Rohres bestimmt wird, sich verändert, ist es deshalb notwendig, dass die Vorschubgeschwindigkeit des Rohres 6' in Austragrichtung hinter dem Dorn 30, die von der Ziehvorrichtung 50 bestimmt wird, periodisch in der Weise verändert wird, dass das Verhältnis zwischen der Vorschubgeschwindigkeit des Rohres 6' in Austragrichtung hinter dem Dorn 30 und die Geschwindigkeit des Vorformlings 6 in Zuführrichtung vor dem Dorn 30 während der Herstellung eines verdickten und eines nicht verdickten Teils im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Bei einer Variante des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sind Maßnahmen vorgesehen, mit denen ein verdickter Abschnitt 70 nicht die gleiche Dehnung in axialer Richtung erfährt wie die dazwischen liegenden Teile mit der ersten Wandungsstärke d1, sondern dass der verdickte Abschnitt 70 eine stärkere Dehnung in axialer Richtung erfährt. Zu diesem Zweck ist in dem Zeitraum, in welchem ein verdickter Abschnitt 70 über den Dorn 30 aufgezogen wird, bzw. während eines Teils dieses Zeitraums das Verhältnis zwischen der Vorschubgeschwindigkeit auf der Austragseite des Dorns 30, die von der Ziehvorrichtung 50 bestimmt wird, und der Vorschubgeschwindigkeit auf der Zuführrichtung des Dorns 30, die von der Einrichtung 20 zum Steuern der Geschwindigkeit des Rohres bestimmt wird, größer als in dem Zeitraum, in welchem ein Teil des Vorformlings, der die erste Wandungsstärke d1 besitzt, gerade über den Dorn 30 aufgezogen wird.
Damit der Arbeitsablauf mit Erfolg gesteuert werden kann, ist es wünschenswert, dass die Dehnung des Vorformlings in axialer Richtung innerhalb eines präzise definierten Teilabschnitts der Anlage stattfindet. Zu diesem Zweck ist es möglich, dass das gereckte Rohr 6' auf der Austragseite des Dehnteils 33 des Dorns 30 in der Weise gekühlt wird, dass das gekühlte Rohr 6' keine weitere Dehnung in axialer Richtung erfährt und dass sich die Ausbildung der axialen Reckwirkung auf den Abschnitt zwischen der Einrichtung 20 zum Steuern der Geschwindigkeit des Rohres und dem Ende des Dorns 30 auf der Austragseite konzentriert.
Zur Steuerung des Arbeitsablaufs ist es weiterhin von Vorteil, dass die Temperatur des Vorformlings 6 auf der Zuführseite des Dorns 30 mit Hilfe der Kühlvorrichtung 15 und gegebenenfalls in geringem Umfang mittels der Heizvorrichtung 25 in der Weise konditioniert wird, dass ein verdickter Abschnitt 70 des Vorformlings im Durchschnitt eine höhere Temperatur, gemessen an einer Stelle unmittel vor dem Dorn 30 in Zuführrichtung, aufweist als in dem unmittelbar anschließenden Teil des Vorformlings auf der Austragseite, der die erste Wandungsstärke d1 aufweist und sich bereits auf dem Dorn 30 befindet.
Wie schon beschrieben verringert sich die Geschwindigkeit des Vorformlings 6, während der Abschnitt 70 des Vorformlings mit einer verdickten Wandung geformt wird. Infolge dieser Verringerung der Geschwindigkeit wird der Teil des Vorformlings, der sich während dieses Zeitraums in der Kühlvorrichtung 15 befindet, mit der Kühlwirkung über einen längeren Zeitraum beaufschlagt als der Teil des Vorformlings, der die Kühlvorrichtung 15 bereits durchlaufen hat. Wenn der Abschnitt 70 des Vorformlings mit verdickter Wandung gebildet wurde, wird die Geschwindigkeit des Vorformlings wieder erhöht und durchläuft der Teil 70 des Vorformlings die Kühlung 15 mit dieser höheren Geschwindigkeit, so dass er, relativ ausgedrückt, in geringerem Umfang als der unmittelbar davor in Austragrichtung des Vorformlings 6 liegende Teil. Wenn der verdickte Teil 70 dann den Dorn 30 erreicht, ist das Teil 70 heiß und lässt sich leicht verformen, wohingegen der Teil des Vorformlings, der sich in Austragrichtung unmittelbar davor befindet und eine dünnere Wandung aufweist, tatsächlich vergleichsweise starr ist. Durch die Kombination der beiden Wirkungen ist es möglich, das verdickte Teil 70 mit Erfolg auf und über den Dorn zu ziehen, ohne dass dabei dessen in Austragrichtung davor liegender Teil in axialer Richtung zu stark gedehnt wird.
Mit Untersuchungen wurde nachgewiesen, dass im Falle eines PVC-Materials die Wandungsstärke der verdickten Abschnitte des Vorformlings um 15 % größer sein kann als die Wandungsstärke der dazwischen liegenden Abschnitte, ohne dass dadurch irgendwelche Probleme hervorgerufen werden.
Vorzugsweise erfolgt die Veränderung in der Wandungsstärke des Vorformlings 6 immer allmählich, so dass es keine abrupten Übergänge von einer Wandungsstärke zur nächsten Wandungsstärke gibt.
Es ist im übrigen auch vorstellbar, dass die verdickten Abschnitte des Vorformlings nicht speziell für die nachfolgende Ausbildung einer Muffe hergestellt werden, sondern vielmehr beispielsweise zu dem Zweck, es möglich zu machen, dass an das gereckte Rohr eine Zweigleitung angeschlossen werden kann. Außerdem könnte der verdickte Abschnitt des Rohres auch als Punkt für eine angeordnete Ziehvorrichtung verwendet werden, die zum Beispiel in Austragrichtung hinter dem Dehndorn liegt, um mit dem Rohr in Eingriff zu kommen, so dass auf das Rohr eine hohe Zugkraft einwirken kann, um den Vorformling über den Dehndorn aufzuziehen.
Die Form des in den 1a und 1b dargestellten verdickten Abschnitts 70 ist natürlich hier nur rein exemplarisch dargestellt. Tatsächlich hat es sich als möglich erwiesen, die Wandungsstärke des verdickten Abschnitts präzise zu steuern und auf diese Weise, bei Blickrichtung entlang der Längsachse des Rohres, in der Wandung des verdickten Abschnitts 70 ein spezielles Profil exakt auszubilden.
2a stellt einen Längsschnitt durch eine Hälfte des Vorformlings 6 an einer Stelle dar, an welcher er unmittelbar davor die Kalibriervorrichtung 10 durchlaufen hat und nun einen verdickten Rohrabschnitt 170 aufweist, der durch Verändern der Geschwindigkeit der Einrichtung 20 zum Steuern der Geschwindigkeit des Rohres, bezüglich des Austrags aus dem Extruder 1, hergestellt wird.
In 2a ist mit dem Bezugszeichen d1 die erste Wandungsstärke angegeben, die für einen langen Abschnitt des Vorformlings 6 herangezogen wird. Die Linie 171 entspricht der Mittelachse des Vorformlings 6. Der verdickte Abschnitt 170 besitzt ein Profil mit einer Vielzahl verschiedener Werte für die Wandungsstärke, die durch die Punkte A, B, C, D, E, F und G bezeichnet werden.
2b stellt den gleichen verdickten Abschnitt wie in 2 dar, doch in diesem Fall nach dessen Weg über den Dorn 30. Dies lässt sich deutlich anhand des größeren Durchmessers und der verringerten Wandungsstärke des nun gereckten Rohres 6' erkennen. Dabei wird deutlich, dass der Innendurchmesser des Rohres 6' nun gleichmäßig ist, wobei man das Profil der Wandungsstärke auf der Außenseite erkennen kann. Die Punkte A bis G zeigen, dass in axialer Richtung und in Umfangsrichtung des verdickten Abschnitts 170 gereckt wurde, als dieser Abschnitt über den Dorn 30 geführt wurde.
2c stellt den Abschnitt des Rohres 6' nach dessen Durchlauf durch die Kalibriervorrichtung 45 dar, wobei diese Vorrichtung gegebenenfalls bei dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung nur eine Option darstellt. Der Außendurchmesser ist auch hier wieder gleichmäßig, während das Profil auf der Innenseite zu erkennen ist.
Wie bereits beschrieben sind Maßnahmen getroffen, um das Rohr 6' an dem verdickten Abschnitt 170 auf die gewünschte Länge zu schneiden, in diesem Fall an der Linie 172. Dann wird der zugeschnittene Rohrabschnitt einem Arbeitsgang zur Ausbildung einer Muffe unterzogen, wobei in diesem Schritt der verdickte Abschnitt 170 des Rohrabschnitts so verformt wird, dass er eine Muffe bildet.
2d stellt ein mögliches Ausführungsbeispiel für das Ende eines Rohrabschnitts dar, das mit einer Muffe versehen ist und gemäß der Beschreibung unter Bezugnahme auf 2a, 2b und gegebenenfalls 2c hergestellt wurde.
An einem Ende weist der vorgefertigte Rohrabschnitt mit einem verdickten Rohrabschnitt 170 eine größere Wandungsstärke als der Rohrkorpus auf und ist die Dehnung des verdickten Endabschnitts in axialer Richtung vor dem Arbeitsgang zur Formung einer Muffe gleich der Dehnung des Rohrkorpus in axialer Richtung- oder vorzugsweise größer als diese. Aus dem vorstehenden Text wird deutlich, wie sich ein Rohrabschnitt dieser Art herstellen lässt.
Insbesondere zeigt 2c, dass der Endabschnitt des vorgefertigten Rohres bei Blickrichtung von dessen Stirnfläche her eine Vielzahl von ringförmigen Bereichen aufweist, die einander benachbart sind und eine Wandungsstärke aufweisen, die sich von einem ringförmigen Bereich zum nächsten ringförmigen Bereich verändert, wobei die Wandungsstärke im Falle einer Vielzahl von ringförmigen Bereichen größer als die Wandungsstärke des Rohrkorpus ist.
Dann wird in diesem Fall während des Arbeitsgangs zur Ausbildung einer Muffe der ringförmige Bereich zwischen den Punkten B und E in eine nach außen gewölbte Nutwandung 173 hinein verformt, welche eine innen liegende Nut 174 im Rohr begrenzt, in die ein (hier nicht dargestellter) Dichtungsring eingesetzt werden soll.
Die Nutwandung 173 kann vorteilhafterweise in stärkerem Maße in axialer Richtung gereckt sein als der Rohrkorpus mit einer Wandungsstärke e1, insbesondere wenn der verdickte Rohrabschnitt 170 in der Weise hergestellt wird, dass er bereits vor der Ausbildung der Muffe in stärkerem Maße gedehnt ist als der anschließende Rohrkorpus, mehr oder weniger jenseits des Punktes G. Die zusätzliche Wandungsstärke des ringförmigen Bereichs, aus dem die Wandung der Nut 173 gebildet wird, macht es möglich, dass sogar als Ergebnis der Vergrößerung des Durchmessers des Abschnitts während der Bildung der Muffe sichergestellt werden kann, dass die endgültige Wandungsstärke dieses Teils nicht geringer ist als die Wandungsstärke des Rohrkorpus. Insbesondere ist dies ohne Verringerung der axialen Dehnung des Abschnitts des Rohres möglich oder es kann insgesamt die Dehnung in eine negative Dehnung durch Zusammendrücken des Abschnitts umgesetzt werden, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Daraus wird deutlich, dass die vorstehend unter Hinweis auf die Nutwandung 173 angesprochenen Vorteile auch für die anderen Bereiche der Muffe gelten, die aus dem verdickten Rohrabschnitt 170 gebildet werden. Letztendlich ist es deshalb möglich, einen Rohrabschnitt aus einem biaxial ausgerichteten Kunststoffmaterial herzustellen, der einen Rohrkorpus und eine integral darin einbezogene Muffe aufweist, wobei die Dehnung der Muffe in axialer Richtung gleich der des Rohrkorpus oder vorzugsweise noch größer als diese ist. In diesem Fall kann die Wandungsstärke der Muffe auch gleich der des Rohrkorpus oder sogar größer als diese sein.
In einer der 2a entsprechenden Darstellung zeigt 3a ein weiteres Ausführungsbeispiel eines verdickten Abschnitts 190, der unter Durchführung des Verfahrens gemäß dieser Erfindung hergestellt wurde. Dieser verdickte Abschnitt 190 weist einen ersten Bereich auf, der durch die Punkte A bis G angedeutet ist und tatsächlich der vorstehend anhand von 2a gegebenen Beschreibung entspricht. Bei der Linie 191 handelt es sich um die Mittelachse. Weiter weg von dem Ende des herzustellenden Rohrabschnitts weist der verdickte Abschnitt 190 einen zweiten Bereich auf, der durch die Linie 192 angegeben ist und zwischen den Punkten G und N liegt und in dem eine Wandungsstärke d1 entsprechend der Stärke des Vorformlings außerhalb des verdickten Abschnitts 190 vorliegt. An diesen schließt sich ein dritter Bereich an, der durch die Punkte N bis K angegeben ist und in dem eine größere Wandungsstärke vorliegt.
Aus 3b wird deutlich, dass nur der erste Bereich des verdickten Abschnitts 190 in eine Muffe hinein verformt wurde. Dieser erste Bereich wird in der gleichen Weise verformt, wie dies unter Bezugnahme auf 2d beschrieben wurde, und weist eine Nutwandung 193 auf. Der dritte Bereich bildet einen nach innen vorstehenden Rand 194. Dieser Rand 194 dient zur Aufnahme einer Stützhülse, die in den ersten Bereich eingeschoben wird, wenn die Muffe geformt wird, um so für eine innenseitige Abstützung für diesen Bereich während der Erwärmung zu sorgen. Wenn die Muffe gebildet wird, wird diese Stützhülse noch weiter in das Rohr hinein geschoben und kommt gegen den Rand 194 in Anlage. Damit wird verhindert, dass die Abstützung zu weit in das Rohr hinein eindringt und andererseits wird eine örtlich begrenzte Überhitzung des Rohres durch diese Stützhülse verhindert.
Während der Bildung einer Muffe am Endabschnitt eines biaxial ausgerichteten Rohres, insbesondere an dem verdickten Endabschnitt, wie vorstehend erläutert wurde, wird es für günstig angesehen, wenn während der Bildung der Muffe unter Verwendung eines Dorns zur Muffenformung dieser Endabschnitt keinerlei Druckbelastung ausgesetzt ist, d.h. wenn auf ihn keine axialen Druckkräfte einwirken. Der Grund hierfür liegt darin, dass eine Druckbelastung zu einer Verringerung der axialen Dehnung in dem Endabschnitt führt, der in eine Muffe hinein verformt wird, und dies kann nachteilig sein. Beispielsweise ist aus der Vorveröffentlichung WO 97/33739 ersichtlich, dass während der Bildung der Muffe auf die Seite am Ende des Rohres ein Druck aufgebracht wird, so dass die Druckbelastung aufgebaut wird.
Um diese Druckbelastung während der Bildung der Muffe in der Weise zu steuern, dass die Druckbelastung auf einem niedrigen Niveau gehalten werden oder gar ganz vermieden werden kann, ist es möglich, dass das Rohr in der Nähe der Seite seines Endes mit einem Haltebereich versehen wird, der zwischen diesem Ende und dem Teil des Rohres liegt, der in eine Muffe hinein verformt werden soll. Ehe der Dorn zur Muffenformung in das Rohr eingeführt wird, wird dann das Rohr in dem Haltebereich erfasst und gehalten, während der Dorn zur Muffenformung in den Endabschnitt des Rohres bzw. Rohres so weit eingedrückt wird, dass er bis in den Abschnitt reicht, der zu einer Muffe verformt werden soll, wobei dieser Abschnitt bei Blickrichtung in der Einschubrichtung des Dorns jenseits des Haltebereichs liegt. Da der Haltebereich festgehalten wird, lässt sich eine unerwünschte und unsteuerbare Druckbelastung des Endabschnitts des Rohres vermeiden. Gegebenenfalls kann auch zwischen dem Dorn und dem Endabschnitt des Rohres für Schmierung gesorgt werden, um die Reibung zwischen diesen beiden Teilen zu verringern.
Vorzugsweise wird nach der Formung der Muffe der Haltebereich von dem Rohr abgenommen, beispielsweise mit Hilfe einer Schneid- oder Sägevorrichtung. Da dieser Haltebereich anschließend entfernt wird, ist es auch zulässig, dass dieser Bereich beim Erfassen beschädigt wird. Zum Beispiel wird zum Erfassen und Halten des Haltebereichs des Rohres eine Anlage zur Muffenbildung verwendet, die mit einem Dorn zur Muffenformung und einer betätigbaren Halteeinrichtung ausgerüstet ist. Die Halteeinrichtung weist zum Beispiel Zähne auf, welche fest in den Kunststoff in diesem Bereich eingreifen.
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird der Haltebereich als verdickte Ringfläche des Rohres ausgebildet. Gegebenenfalls bilden die Halteeinrichtungen eine Art Bund, der hinter der verdickten Ringfläche in Eingriff kommt.
4 stellt einen Querschnitt durch einen Teil der Extruderdüse 200 dar, die sich zur Verwendung bei dem vorstehend erläuterten Verfahren eignet und zum Extrudieren eines Vorformlings 201 aus thermoplastischem Material eingesetzt wird. Des Weiteren stellt die Figur einen Abschnitt einer außen liegenden Kalibriervorrichtung 202 dar, die auf der Austragseite der Extruderdüse 200 angeordnet ist.
Die Extruderdüse 200 weist einen Außenring 205 und einen innen liegenden Kern 206 auf, wobei zwischen diesen beiden Elementen ein Ringspalt für das Kunststoffmaterial begrenzt wird, das von einem (hier nicht dargestellten) Extruder zugeführt wird.
Die Kalibriervorrichtung 202 ist praktisch in Anlage gegen die Extruderdüse 200 dicht dahinter angeordnet, um so zu verhindern, dass der Vorformling 201 über eine unerwünscht lange Zeit der Außenluft ausgesetzt wird, was sowohl vom chemischen Standpunkt aus als auch im Hinblick auf die Wärmebedingungen von Vorteil ist.
Die Kalibriervorrichtung 202 besitzt eine Hülse 207, die den Außendurchmesser des Vorformlings 201 definiert. Die Kalibriervorrichtung 202 kühlt die Außenseite des Vorformlings und auf der Außenseite des Vorformlings 201 bildet sich eine verfestigte Haut.
Unmittelbar hinter der Extruderdüse 200 auf der Austragseite wird der Vorformling 201 auch innen mit Hilfe eines innen liegenden Kühlteils 208 gekühlt, von dem nur ein Teil dargestellt ist.
Wie vorstehend beschrieben sind Maßnahmen dafür getroffen, dass die Wandstärke des Vorformlings periodisch verändert wird, um auf diese Weise einen Abschnitt des Vorformlings mit einer größeren Wandungsstärke zu erhalten, wie dies in 4 dargestellt ist. Um einen Abschnitt des Vorformlings mit einer größeren Wandungsstärke als die Dicke zu erhalten, die durch den Spalt zwischen dem innen liegenden Kern 206 und dem Außenring 205 definiert wird, muss ein fließfähiges Kunststoffmaterial in der Lage sein, von der Extruderdüse 200 zu dem dickeren Abschnitt des Vorformlings zu fließen. Aus diesem Grund ist es unerwünscht, dass sich auf der Innenseite des Vorformlings eine verfestigte Haut bildet. Um dieser Hautbildung vorzubeugen, ist ein Isolierteil 210 vorgesehen, das an dem innen liegenden Kern 206 angebracht ist.
Das Isolierteil 210 besitzt eine konische Außenfläche 211, welche sich an die Außenfläche des innen liegenden Kerns 206 anschließt und einen Außendurchmesser besitzt, der sich in der Extrudierrichtung verringert. Während der Bildung eines verdickten Abschnitts in dem Vorformling 201 liegt dann das Kunststoffmaterial gegen das Isolierteil 210 an und somit wird an dieser Stelle die Bildung einer festen Haut verhindert. Die Außenfläche 211 des Isolierteils 210 liegt vorzugsweise zumindest teilweise innerhalb des Außenrings 205. Infolgedessen kann es sogar auf der Zuführseite der außen liegenden Kalibriervorrichtung 202, die dicht hinter der Extruderdüse 200 angeordnet ist, zu einem Anschwellen des Vorformlings 201 kommen, so dass man dort in dem Vorformling 201 einen verdickten Abschnitt erhält.
In zwei Teilzeichnungen, die an einander angrenzen sollen, stellen die 5a und 5b schematisch die wichtigsten Elemente einer Anlage zur Herstellung eines biaxial gerichteten Rohrmaterials aus thermoplastischem Material im Rahmen eines kontinuierlichen Fertigungsprozesses dar.
Die Wandungsstärke des herzustellenden Rohres ist vorzugsweise so gehalten, dass das Rohr formstabil ist. Insbesondere ist vorgesehen, ein Rohr herzustellen, das sich zum Zusammenbauen eines Leitungssystems zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gas, insbesondere Trinkwasser, Abwasser, Erdgas oder dergleichen eignet. Vorzugsweise ist das Rohr dabei zur Verlegung im Erdreich geeignet.
5a stellt einen Extruder 301 mit einer oder mehreren Extruderschnecken 302 mit einem zugehörigen steuerbaren Antrieb dar, mit dessen Hilfe ein Strom aus Kunststoffschmelze gebildet wird, der einer Extruderdüse 303 zugeführt wird, die auf dem Extruder 301 angeordnet ist.
Die Extruderdüse 303 weist einen Außenring 304 und einen innen liegenden Kern 305 auf, der zusammen mit dem Außenring 304 einen ringförmigen Auslass begrenzt, aus dem ein extrudierter Vorformling 306 aus thermoplastischem Material in einer im Wesentlichen horizontalen Richtung austritt. Bei dieser Anordnung definiert der innen liegende Kern 305 einen axialen Hohlraum in dem Vorformling 306.
Die Extruderdüse 303 ist mit Einrichtungen zum Steuern der Wandungsstärke (nicht dargestellt) ausgerüstet, mit deren Hilfe eine gleichmäßige Wandungsstärke (in Umfangsrichtung) des aus der Extruderdüse 303 austretenden Vorformlings 306 hergestellt werden kann.
Ein innen liegendes Kühlteil 310, dessen Aufbau nachstehend noch anhand von 6 erläutert wird, ist an dem innen liegenden Kern 303 angebracht. Das innen liegende Kühlteil 310 ist so ausgelegt, dass der aus der Extruderdüse 303 austretende Vorformling 306 auf der Austragseite unmittelbar hinter der Extruderdüse 303 von innen abgekühlt wird.
Der Vorformling 306 wird außen mit Hilfe der Kalibrierhülse 320 kalibriert. Diese Kalibrierhülse 320 führt zu einer geringfügigen Verringerung des Außendurchmessers des Vorformlings 306. Die Kalibrierhülse 320 ist auf der Austragseite hinter dem innen liegenden Kühlteil 310 an einer Stelle angeordnet, an welcher der Vorformling 306 innen nicht von einem festen Bauteil abgestützt wird. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der Vorformling 306 dann nicht an der Kalibrierhülse 320 ins Stocken geraten kann, da eine Verringerung des Innendurchmessers des Vorformlings 306 problemlos stattfinden kann.
Auf der Austragseite ist hinter der Kalibrierhülse 320 eine erste außen liegende Kühlvorrichtung 330 vorgesehen, mittels derer der Vorformling 306 von außen abgekühlt wird. Die außen liegende Kühlvorrichtung 330 weist beispielsweise eine Reihe von Kammern auf, die hinter einander positioniert sind und durch welche Kühlwasser strömt und sich der Vorformling 306 bewegt und dabei mit dem Kühlwasser in Berührung kommt. Gegebenenfalls kann das Kühlwasser in jeder Kammer eine andere Temperatur aufweisen, um die Abkühlung des Vorformlings 306 zu optimieren.
Da die außen liegende Kühlvorrichtung 330 auf der Austragseite hinter dem innen liegenden Kühlteil 310 angeordnet ist – in Extrudierrichtung gesehen – wird der aus der Extruderdüse 303 kommende Vorformling 306 anfänglich nur von innen abgekühlt (abgesehen von der sehr geringfügigen natürlichen Abkühlung auf der Außenseite des Vorformlings durch die Luft in der Umgebung) und wird erst danach von außen abgekühlt. Damit wird sichergestellt, dass der Vorformling 306 nicht gleichzeitig der Kühlwirkung des innen liegenden Kühlteils 310 und der außen liegenden Kühlvorrichtung 330 ausgesetzt wird. Je nach dem Abstand in axialer Richtung zwischen dem innen liegenden Kühlteil 310 und der außen angeordneten Kühlvorrichtung 330 kann es zu einer kleinen Überlappung zwischen der Kühlwirkung bei der Abkühlung von innen und von außen kommen.
Der Umstand, dass das innen liegende Kühlteil 310 und die außen angeordnete Kühlvorrichtung 330 in axialer Richtung gegen einander versetzt angeordnet sind, erweist sich insbesondere bei einem Thermoplastmaterial von Vorteil, das nach dem Extrudieren im Anschluss an die Abkühlung kristallisiert und infolgedessen eine erhebliche Schrumpfung im Volumen zeigt. Ein Material dieser Art enthält unter anderem Polyethylen (PE), bei dem die Volumenabnahme bis zu etwa 30 % betragen kann.
Infolge der Kühlwirkung des innen liegenden Kühlteils 310 bildet sich auf der Innenseite des Vorformlings unmittelbar hinter der Extruderdüse 303 auf deren Austragseite eine kalte Wandungsschicht. Soll auf der Außenseite gleichzeitig eine kalte Wandungsschicht mittels einer Kühlung von außen gebildet werden, so wäre eine noch immer heiße Zwischenschicht aus Kunststoff zwischen zwei kalten starren Wandungsschichten eingeschlossen. Die Abkühlung dieser Zwischenschicht kann dann leicht zu Schrumpfhohlräumen in der Zwischenschicht führen und außerdem besteht ein beträchtliches Risiko, das sich sichtbare Verformungen in Form von Grübchen oder Einsenkungen auf der Außenseite und der Innenseite des hergestellten Rohres 306' bilden. Wenn die Abkühlung anfänglich nur auf der Innenseite erfolgt, kann ein Schrumpfen dieser Zwischenschicht dadurch aufgefangen werden, dass Material von der ungekühlten Außenschicht des Vorformlings zugeführt wird. Sobald die Innenschicht abgekühlt ist, kann dann die Kühlung von außen beginnen.
Auf der Austragseite ist hinter der außen liegenden Kühlvorrichtung 330 eine Einrichtung 340 zum Steuern der Geschwindigkeit vorgesehen, welche auf die abgekühlte Außenschicht des Vorformlings 306 einwirkt. Die Einrichtung 340 zum Steuern der Geschwindigkeit ist in diesem Fall als Ziehvorrichtung ausgebildet, die an sich bekannt ist und eine Vielzahl von Bahnen aufweist, die auf das Rohr einwirken, wobei Ziehvorrichtungen dieser Art üblicherweise zum Extrudieren von Kunststoffrohren verwendet werden.
Auf der Austragseite ist hinter der Einrichtung 340 zum Steuern der Geschwindigkeit eine Heizvorrichtung 350 angeordnet. Diese Vorrichtung 350 weist eine Vielzahl von Heizeinheiten auf, die um den Weg des Vorformlings herum positioniert sind und separat angesteuert werden können, wobei jede von ihnen zu einem Sektor des Umfangs des Vorformlings 306 hin gerichtet ist. Infolgedessen kann jedem Sektor des Vorformlings 306 eine separat steuerbare Wärmemenge zugeführt werden, wobei zum Beispiel sechs Umfangssektoren zu jeweils 60° vorgesehen sind.
Des Weiteren weist die Anlage einen Dehndorn bzw. Aufweitdorn 360 auf, der in diesem Fall nicht verformbar ausgelegt ist und hier auch mit dem Begriff "formstabil" beschrieben wird. Der Dorn 360 ist in diesem Fall aus Metall hergestellt. Der Dorn 360 wird bezüglich des Extruders 301 in stationärer Position gehalten und wird hier mittels eines Verankerungsteils 361 auf dem innen liegenden Kühlteil 310 und über das innen liegende Kühlteil 310 an dem Extruder 301 angebracht, insbesondere an dessen innen liegendem Kern 305.
Auf dem zuführseitigen Ende weist der Dorn 360 ein Auflaufteil 362 auf, das in diesem Fall eine im Wesentlichen zylinderförmige Konstruktion besitzt. An das Auflaufteil 361 schließt sich ein Dehnteil 363 an, das eine Außenfläche aufweist, die im Wesentlichen der Oberfläche eines Kegelstumpfs mit einem Durchmesser entspricht, bei einem Durchmesser, der in Austragrichtung zunimmt. Auf das Dehn- bzw. Aufweitteil 363 folgt ein Ablaufteil 364 des Dorns 360, wobei dieses Teil einen im Wesentlichen gleich bleibenden Durchmesser besitzt oder dessen Durchmesser sich gegebenenfalls in Austragrichtung geringfügig verjüngt.
Am Dorn 360 befindet sich insbesondere im Bereich des Ablaufteils 364 eine zweite außen liegende Kühlvorrichtung 370, mit deren Hilfe das gedehnte Rohr 306' von außen gekühlt wird. Wie dies bei der Herstellung biaxial ausgerichteter Kunststoffrohre ganz allgemein bekannt ist, wird das gedehnte Rohr nach dem Durchlaufen des Aufweitteils des Dehndorns abgekühlt, so dass die Veränderungen, die in dem Kunststoffmaterial des Rohres bewirkt wurden, infolgedessen eingefroren werden.
Auf der Austragseite ist hinter dem Dorn 360 in einem gewissen Abstand eine zweite außen liegende Kalibriervorrichtung 380 vorgesehen, welche für eine Reduzierung des Außendurchmessers des gereckten Rohres 306' sorgt.
Die Anlage weist auch eine Ziehvorrichtung 390 auf, die auf der Austragseite hinter dem Dorn 360 und der außen liegenden Kalibriervorrichtung 380 angeordnet ist. Die Ziehvorrichtung 390 soll auf das Rohr 306' eine beträchtliche Zugkraft ausüben. Hinter der Ziehvorrichtung 390 kann auf der Austragseite eine Vorrichtung zum Zuschneiden, zum Beispiel eine Säge-, Schneid- oder Fräsvorrichtung, angeordnet werden, um Abschnitte des hergestellten Rohres auf eine gewünschte Länge zuzuschneiden. Alternativ könnte dann auch eine Aufwickelvorrichtung vorgesehen werden, um das hergestellten Rohr 306' auf eine Wickeltrommel aufzuwickeln.
Der aus der Extruderdüse 303 austretende Vorformling 306 besitzt eine dicke Wandung. Nachdem der Vorformling 306 die Extruderdüse 303 verlassen hat und dann eine hohe Temperatur aufweist, wird mit Hilfe des innen liegenden Kühlteils 310, der ersten außen liegenden Kühlvorrichtung 330 und mittels der Heizvorrichtung 350 in der Weise eine Abkühlung/örtlich begrenzte erneute Erwärmung des Vorformlings 306 in der Weise vorgenommen, dass sich das Kunststoffmaterial auf einer Ausrichttemperatur befindet, die sich für die biaxiale Ausrichtung des Materials eignet, ehe sich dieses zu dem Aufweitteil 363 des Dorns 360 weiterbewegt.
Der Vorformling 306 wird unter dem Einfluss der Kräfte über den Dorn 360 geführt, die auf den Vorformling 306 mittels der Ziehvorrichtung 390 in Verbindung mit der Einrichtung 340 zum Steuern der Geschwindigkeit ausgeübt werden. Die Geschwindigkeit des Vorformlings/Rohres 306 lässt sich mittels der Ziehvorrichtung 390 und der Steuervorrichtung 340 steuern, die sich beide an einer Stelle auf der Zuführseite des Dorns 360 (an der Einrichtung 340 zum Steuern der Geschwindigkeit) und an einer Stelle auf der Austragseite des Dorns 360 (an der Ziehvorrichtung 390) befinden.
Wegen des Durchlaufs über den Dorn 360 werden die Moleküle des Kunststoffmaterials sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung des Rohres 306' ausgerichtet, was für die Eigenschaften des Rohres 306' sehr vorteilhaft ist.
Nachstehend werden nun Einzelheiten der in 5a und 5b dargestellten Anlage in weiteren Einzelheiten ausführlicher beschrieben, zum Teil unter Bezugnahme auf die weiteren Figuren.
Das innen liegende Kühlteil
Ein Teil des innen liegenden Kühlteils 310 ist in 6 zu erkennen. Das innen liegende Kühlteil 310 weist eine starre formstabile zylindrische Außenwandung auf, die beispielsweise aus Metall gefertigt ist und einen langen Mittelabschnitt 311 aufweist, dessen Durchmesser etwas kleiner als der Durchmesser der Endabschnitte 312 ist, die an den beiden Enden auf der Zuführseite und der Austragseite des Mittelabschnitts 311 liegen (wovon allerdings nur der Endabschnitt auf der Austragseite in 6 zu erkennen ist). Der Unterschied im Durchmesser zwischen dem Abschnitt 311 und den Abschnitten 312 beträgt vorzugsweise nicht mehr als 3 Millimeter und mindestens 0,5 Millimeter. Dieser Unterschied ist in 5a in übertriebener Form dargestellt.
Die axiale Länge der Endabschnitte 312 ist beträchtlich kürzer als die Länge des Mittelabschnitts 311, wobei die Länge des Mittelabschnitts 311 vorzugsweise ein Mehrfaches der Abmessung im Querschnitt des Vorformlings 306 beträgt. In der Praxis wird bevorzugt, dass diese Länge einen Meter oder mehr beträgt.
Das innen liegende Kühlteil 310 ist mit einem Zuführkanal 313 versehen, der an einer oder mehreren Öffnungen 314 mündet, die in der Oberfläche des Mittelabschnitts 311 liegen, wobei die Öffnungen 314 sich in der Nähe des Endabschnitts 312 auf der Austragseite befinden. Des Weiteren weist das innen liegende Kühlteil 310 auch auf dem zuführseitigen Ende des Mittelabschnitts 311 eine oder mehrere (hier nicht dargestellte) Öffnungen auf, welche sich an einen Austrittskanal des innen liegenden Kühlteils 310 anschließen.
Außerdem weist die Anlage (hier nicht dargestellte) Zuführeinrichtungen für eine Kühlflüssigkeit auf, die mit dem Einlasskanal 313 verbunden sind und mittels welcher Kühlflüssigkeit zwischen dem Mittelabschnitt 311 des innen liegenden Kühlteils 310 und dem Vorformling eingeleitet werden kann. Diese Kühlflüssigkeit bildet dann einen Flüssigkeitsfilm und fließt – vorzugsweise mit hoher Geschwindigkeit – in einer Richtung, die entgegengesetzt zur Extrudierrichtung ist, und zu den Öffnungen des Austrittskanals hin. Auf diese Weise wird die Kühlung des Vorformlings 306 von innen vorgenommen.
Die hohe Geschwindigkeit der Kühlflüssigkeit in dem Flüssigkeitsfilm hat erstens den Vorteil, dass es trotz des geringen Volumens des Flüssigkeitsfilms immer noch möglich ist, eine effektive Kühlwirkung zu erzielen. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, dass die Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsfilm nicht verdunstet, da dies zu einem unerwünschten Druckaufbau in dem Vorformling 306 führen würde. Ein weiterer wichtiger Vorteil der hohen Geschwindigkeit hängt mit dem Problem der Bildung von Luft- oder Gasblasen in der Kühlflüssigkeit zusammen. Die verwendete Kühlflüssigkeit ist bekanntlich im Allgemeinen Wasser und dieses Kühlwasser führt Luft. Deshalb bilden sich bei Erwärmung des Kühlwassers Luftblasen, und diese Luftblasen steigen im Allgemeinen nach oben. Wenn mit Kühlung von innen gearbeitet wird, wobei eine Kühlflüssigkeit, die, wie vorstehend ausgeführt, Wasser ist, mit der Innenseite des Vorformlings aus Kunststoff in direkten Kontakt kommt und dort abkühlt, so stellen diese Luft- oder Gasblasen einen ganz erheblichen Nachteil dar. Wegen der Anwesenheit einer Luft- oder Gasblase kühlt sich die Innenseite des Vorformlings an dieser Stelle in geringerem Ausmaß ab als in dem Bereich in der Umgebung und wird infolgedessen weniger formstabil als die kühlere, sie umgebende Fläche. Infolge der Volumenschrumpfung des Kunststoffmaterials während der Abkühlung zieht, wie vorstehend beschrieben, das schrumpfende Material die bereits starre Hautschicht des Vorformlings in der Umgebung nach innen. Infolgedessen bildet sich in der Innenseite des Vorformlings an der Stelle der Luftblase ein Grübchen, wobei die Luftblase in dieser Vertiefung eingeschlossen wird. Als Folge hiervon bleibt die Luftblase an dieser Stelle in ihrer Position und ist die Abkühlung dieses kleinen Bereichs unzulänglich, so dass das Grübchen noch tiefer wird. Dies führt zu einer deutlich erkennbaren Vertiefung in der Innenfläche des gereckten Rohres, die nicht hinnehmbar ist. Daneben können auch Gase Blasen bilden, die aus dem extrudierten Vorformling freigesetzt werden.
Ganz allgemein wurde festgestellt, dass jede örtlich begrenzte Unterbrechung in der innen liegenden Kühlung auf der Innenseite des Rohres 306' eine sichtbare Markierung hinterlässt; aus diesem Grund ist es wichtig, dass die innen liegende Kühlung in hohem Maße regelmäßig ist.
Wird mit einer Flüssigkeitskühlung von innen gearbeitet, so werden die Blasen in bereits bekannter Weise mit Hilfe eines Absaugrohres abgesaugt, welches mit dem höchsten Punkt einer innen liegenden Kühlkammer verbunden ist, die in dem extrudierten Rohr vorhanden ist und durch welche die Kühlflüssigkeit fließt: Diese Lösung ist jedoch nicht immer möglich und/oder befriedigend, insbesondere da die nachteilige Wirkung der Luftblasen sehr rasch eintritt, nachdem der Vorformling mit den Luftblasen in Berührung gekommen ist und weil die Luftblasen trotz der Absaugung gerne weiterhin an dem Vorformling anhaften, sobald sie sich gebildet haben.
Aus diesen Gründen ist es wichtig, dass bei Verwendung einer innen liegenden Kühlung der Vorformling dadurch mit einer kühlen formstabilen Schicht auf der Innenseite versehen wird, dass gekühlt wird, sobald der Vorformling die Extruderdüse verlässt, wie dies bei dem vorstehend beschriebenen innen liegenden Kühlteil 310 der Fall ist. Dies ist insbesondere bei der innen liegenden Kühlung der Profile wichtig, die aus einem Kunststoffmaterial wie beispielsweise Polethylen (PE) und Polypropylen (PP) hergestellt sind. Es wurde festgestellt, dass im Fall von Polyvinylchlorid (PVC) beispielsweise dieses Problem eine geringere Rolle spielt. Außerdem ist es wichtig, dass diese kühle Schicht über den gesamten Weg aufrecht erhalten wird, auf dem die Kühlung von innen vorgenommen wird, da ansonsten immer noch die vorgenannte Grübchenbildung auftreten könnte. Außerdem wird deutlich, dass es von Bedeutung ist, der Bildung von Luftblasen entgegenzuwirken, insbesondere von großen Luftblasen oder einer Ansammlung von Luftblasen.
Im Falle des innen liegenden Kühlteils 310 stellt die hohe Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit sicher, dass sich nur kleine Luftblasen bilden, die von der rasch fließenden Flüssigkeit mitgenommen werden und nicht an der Innenseite des Vorformlings anhaften.
Die Bildung von Luftblasen während der Kühlung von innen kann auch dadurch verringert werden, dass erstens die Kühlflüssigkeit wie zum Beispiel Wasser entlüftet wird, ehe die Flüssigkeit in den Vorformling eingeleitet wird, der gekühlt werden soll. Diese Entlüftung kann beispielsweise dadurch vorgenommen werden, dass zunächst das Wasser zum Sieden gebracht wird und dass man es dann abkühlen lässt; gegebenenfalls kann das Sieden auch unter einem Druck unterhalb des Luftdrucks vorgenommen werden.
Eine andere Lösung, um den Nachteilen der Luft- oder Gasblasen während der Kühlung von innen entgegenzuwirken, ist die Verwendung einer Kühlflüssigkeit mit einer niedrigen Oberflächenspannung. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass Wasser als Kühlflüssigkeit herangezogen wird, dem eine oder mehre Substanzen zur Reduzierung der Oberflächenspannung zugesetzt werden. Hierzu kann zum Beispiel der Zusatz von Alkohol zu dem Kühlwasser gehören. Wegen der niedrigen Oberflächenspannung bilden sich leicht Luftblasen, doch sind die Luftblasen extrem klein, was zu einer weniger ausgeprägten Grübchenbildung führt.
Eine andere Lösung, um die nachteilige Auswirkung von Luft- oder Gasblasen zu vermeiden, besteht darin, eine schraubenlinienförmig ausgerichtete Strömung der Kühlflüssigkeit entlang der Innenseite des Vorformlings zu bilden, der gekühlt werden soll. Diese Strömung verhindert den Aufbau von Luftblasen entlang der Oberseite des inneren Umfangs des Rohres. Gegebenenfalls könnte bei Verwendung des innen liegenden Kühlteils 310 ein flaches schraubenlinienförmiges Profil in der Oberfläche 311 vorgesehen werden, um diese Strömung zu erzeugen.
Eine noch weitere Maßnahme, um die nachteilige Auswirkung von Luft- oder Gasblasen zu vermeiden, besteht darin, die Innenfläche des extrudierten Vorformlings zu benetzen, so dass die Flüssigkeit mit noch mehr Erfolg an der Oberfläche anhaftet und die Blasen noch leichter abgelöst bzw. freigesetzt werden.
In Verbindung mit dem innen liegenden Kühlteil 310, das an dem innen liegenden Kern 305 angebracht ist, ist es auch vorstellbar, dass der innen liegende Kern 305 mit einer Kühlung versehen wird, um auf diese Weise die Kühlung des extrudierten Vorformlings 306 noch früher einzuleiten.
Daraus wird deutlich, dass die hier beschriebenen Lösungen für die Kühlung von innen nicht nur für den Einsatz bei der Herstellung eines biaxial ausgerichteten Rohres sondern auch für jeden anderen Herstellungsprozess zum Extrudieren von Rohrabschnitten aus thermoplastischem Material geeignet sind. Allerdings liegt bei der Herstellung eines biaxial ausgerichteten Rohres aus kristallinem thermoplastischen Material wie zum Beispiel Polyethylen (PE) noch der weitere Faktor vor, dass die Kristallisierung und die damit einhergehende erhebliche Volumenverminderung in einem Temperaturbereich stattfinden, der in der Nähe der Ausrichttemperatur liegt, d.h. der Dehnungs- bzw. Recktemperatur, welche die Temperatur ist, auf der sich der Vorformling befinden muss, wenn er über den Dorn bewegt wird.
Unter Berücksichtigung der vorstehend dargestellten Konstruktion des innen liegenden Kühlteils ist die erste außen liegende Kalibrierhülse 320 insbesondere in einem Abstand auf der Austragseite des innen liegenden Kühlteils 310 angeordnet, wobei sich in diesem Fall zwischen dem Vorformling 306 und dem innen liegenden Kühlteil 310 nur ein dünner Flüssigkeitsfilm befindet. Die starre Konstruktion des innen liegenden Kühlteils 310 bedeutet, dass der Vorformling 306 nicht in der Lage wäre, sich dort zusammenzuziehen, ohne dass er auf dem innen liegenden Kühlteil 310 zum Stocken kommt.
Auswirkungen der kristallinen Zusammensetrung
Der Prozess der biaxialen Dehnung, bei dem ein Rohr extrudiert wird und dieses Rohr geradlinig über einen Reckdorn gezogen wird, wurde bereits mit Erfolg bei amorphen Thermoplastmaterialien insbesondere für Rohre eingesetzt, die aus Polyvinylchlorid hergestellt werden. Viele Rohre, zum Beispiel Trinkwasserrohre und Gasrohre, sind jedoch aus kristallinen thermoplastischen Materialien hergestellt, insbesondere aus Polyethylen und Polypropylen. Es wurde nachgewiesen, dass der Unterschied zwischen einer Zusammensetzung des als amorph oder kristallin beschriebenen Kunststoffmaterials erhebliche Auswirkungen auf den Fortgang und die Ausführung des beschriebenen Prozesses zum biaxialen Dehnen bzw. Recken hat. Deshalb sollte beachtet werden, dass kristalline Materialien wie zum Beispiel PE und PP tatsächlich Zweiphasensysteme sind, in denen ein Teil des Materials amorph ist und ein Teil kristallin. Das Verhältnis zwischen dem amorphen Teil einerseits und dem kristallinen Teil andererseits hängt insbesondere von der Kühlung des geschmolzenen Kunststoffmaterials und deshalb insbesondere von der Kühlgeschwindigkeit ab.
Im Falle des Arbeitsprozesses zum biaxialen Dehnen, bei dem beispielsweise die in 5a und 5b dargestellte Anlage zum Einsatz kommt, wird als erstes ein dickwandiger Vorformling extrudiert, der dann auf eine entsprechende Ausrichttemperatur abgekühlt werden muss, die erheblich niedriger liegt als die Temperatur des Vorformlings, wenn dieser die Extruderdüse verlässt. Aus diesem Grund sind das innen liegende Kühlteil 310 und die erste außen liegende Kühlvorrichtung 330 aktiv.
Angesichts der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Thermoplastmaterialien ist es bei diesem Herstellungsverfahren, bei dem offensichtlich der höchstmögliche Produktionsausstoß gewünscht wird, unvermeidlich, dass die Abkühlung des Kunststoffmaterials nicht gleichmäßig über den ganzen Querschnitt des Vorformlings abläuft. Insbesondere erfahren die Innen- und Außenseiten des Vorformlings, die mit einem Kühlmittel in Berührung kommen, eine rasche Abkühlung und infolgedessen schreitet die Abkühlung langsamer voran. Als Folge hiervon bildet sich im Inneren des Vorformlings eine große Anzahl von Kristallen, wenn auch in erster Linie sehr kleinen Kristallen, in diesen Bereichen auf den Innen- und Außenseiten des Vorformlings aus, wohingegen sich im Inneren des Vorformlings größere Kristalle bilden.
Dieser Unterschied kann einen Nachteil für die biaxiale Dehnung des Vorformlings und das erzielte Endergebnis darstellen. Um dieses Problem zu lösen oder abzumildern, ist es vorstellbar, dass man die stark abgekühlte Schicht des Vorformlings auf der Austragseite hinter der innen liegenden Kühlung des aus dem Extruder austretenden dickwandigen Vorformlings so erwärmt, dass das Wachstum der kleinen Kristalle einsetzt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass man eine Erwärmung dieser Schicht durch Wärmeübertragung aus der Mitte der Wandung zulässt und/oder die Innenseite des Vorformlings mit einem Wärmemedium in Berührung bringt. Insbesondere ist es möglich, auf der Austragseite hinter dem innen liegenden Kühlteil in dem hohlen Raum in dem Vorformling eine Kammer vorzusehen, die mit einer heißen Flüssigkeit gefüllt wird, welche zum Beispiel eine Temperatur zwischen 90 und 100°C hat.
Das vorstehend angesprochene Problem, dass bei Verwendung einer innen liegenden Kühlung bei einem aus einem kristallinen Thermoplastmaterial hergestellten Rohr oder einem Vorformling sich auf der intensiv gekühlten Innenseite kleine Kristalle in großer Zahl bilden, lässt sich auch dadurch lösen, dass das Rohr oder der Vorformling mit einer mehrlagigen Wandung konstruiert wird. In diesem Fall ist die innere Wandungsschicht, die durch die Innenkühlung am schnellsten gekühlt wird, vorzugsweise aus einem amorphen Thermoplastmaterial hergestellt, wohingegen die darum herumliegende Schicht aus einem kristallinen Thermoplastmaterial gebildet wird. Beispielsweise wird die Innenschicht aus Polyvinylchlorid hergestellt und wird die Außenschicht aus Polyethylen gebildet. Daneben kann der gleiche Gedanke auch bei der Situation mit außen liegender Kühlung eingesetzt werden, wobei es in diesem Fall von Vorteil ist, wenn eine Wandungsschicht aus einem kristallinen Thermoplastmaterial von einer Außenschicht aus amorphem Thermoplastmaterial umgeben wird. Verbindet man die vorgenannten Aspekte mit einander, so führt dies zu einem Profil mit einer inneren Wandungsschicht, die aus amorphem Material besteht, und einer äußeren Wandungsschicht, die aus amorphem Material hergestellt ist, wobei zwischen diesen beiden Schichten eine Wandungsschicht vorgesehen ist, die aus einem kristallinen Thermoplastmaterial besteht; beispielsweise erhält man so ein dreilagiges Profil mit zwei (dünnen) Schalen aus PVC, die eine dickere Zwischenschicht aus PE umschließen. Ein Profil dieser Art kann einem Prozess zur axialen Dehnung unterzogen werden, zum Beispiel indem man das Profil, das aus dem Extruder austritt, über einen austragseitig angeordneten Dehndorn aufzieht.
Die Kristallbildung kann auch dadurch beeinflusst werden, dass eine Substanz zugesetzt wird, die als Kern für die Bildung von Kristallen an dem Kunststoffmaterial dient. Es hat sich gezeigt, dass der Zusatz von Kreide eine günstige Auswirkung auf die Kristallbildung bei der Herstellung biaxial ausgerichteter Rohre aus Polyethylen erzeugt. Insbesondere bildet sich rasch eine große Anzahl von Kristallen. Dabei sollte auch beachtet werden, dass eine innere Wandungsschicht aus PVC das vorstehend beschriebene Problem der Grübchenbildung löst oder diesem entgegen wirkt, das durch Luftblasen in dem Kühlwasser bei der Kühlung von innen verursacht wird. Der Grund hierfür liegt darin, dass PVC eine bessere Wärmeleitfähigkeit als PE besitzt und dass auch die Benetzung mit einer Kühlflüssigkeit, insbesondere Wasser, besser ist.
Dabei sollte beachtet werden, dass Extrudiervorrichtungen zum Extrudieren mehrlagiger Rohre allgemein bekannt sind.
Steuerung der Wandungsstärke
Es hat sich gezeigt, dass während der biaxialen Dehnung eines Vorformlings über einem Dorn alle Abweichungen in der Wandungsstärke des Vorformlings, der noch über den Dorn geführt werden muss, beträchtlichen Einfluss auf das Verhalten des Vorformlings bei dessen Weg über den Dorn und damit auf die erzielte biaxiale Ausrichtung nehmen. Es ist bereits bekannt, eine Einheit zum Messen der Wandungsstärke zwischen dem Extruder und dem Dorn anzuordnen, die zum Messen der Stärke der Wandung und der Form des Querschnitts des Vorformlings verwendet werden kann. Bei Messeinheiten zum Messen der Wandungsstärke dieser Art handelt es sich häufig um Ultraschalleinheiten, bei denen von außen durch die Wandung ein Ultraschallimpuls übertragen wird und die Reflexion dieses Impulses die Wandungsstärke bestimmt. Der Grund hierfür ist die Tatsache, dass der Reflexion die Differenz zwischen der Geschwindigkeit bei der Schallübertragung durch die Wandung und bei der Übertragung durch das in dem Vorformling vorhandene Medium zugrunde liegt.
Wie bereits ausgeführt, ist der Vorformling in dem Abschnitt zwischen dem Extruder und dem Aufweitdorn immer noch vergleichsweise heiß, was Probleme beim Betrieb derartiger Ultraschalleinheiten zum Messen der Wandungsstärke schafft. Außerdem läuft im Falle von kristallinen Thermoplastmaterialien die Kristallisierung exakt bei den Temperaturen ab, die in diesem Abschnitt herrschen, was zu einer erheblichen Veränderung in der Dichte des Thermoplastmaterials führt, was sich wiederum auf die Übertragung des Ultraschallimpulses auswirkt. Diese Auswirkung ist auch für den Betrieb und die Zuverlässigkeit der Messungen unter Verwendung der Ultraschalleinheit zum Messen der Wandungsstärke von Nachteil. Es hat sich gezeigt, dass sich das Betriebsverhalten verbessert, wenn entlang der Innenseite des Vorformlings an der Stelle, an der die Wandungsstärke mit Ultraschall gemessen wird, eine Schicht aus einer kalten Flüssigkeit anliegt oder wenn der Vorformling mit einer kalten Flüssigkeit an dieser Stelle gefüllt wird. Wenn die Flüssigkeit heiß wäre, zum Beispiel Wasser mit einer Temperatur in der Nähe von 100°C, dann scheint die Messung der Wandungsstärke mit Ultraschall erheblich weniger genau zu funktionieren als mit einer kalten Flüssigkeit. Es wird davon ausgegangen, dass der Grund hierfür insbesondere darin liegt, dass die Differenz in der Übertragungsgeschwindigkeit zwischen dem Vorformling und der Flüssigkeit für die Reflexion des Ultraschallimpulses eine große Rolle spielt und dass im Falle einer heißen Flüssigkeit diese Differenz kleiner ist. Bei bekannten Ultraschalleinheiten zum Messen der Wandungsstärke laufen ein oder mehrere Ultraschall-Sender/Empfänger um das Rohr herum. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es vorstellbar, dass die Zuführung eines Stromes kalter Flüssigkeit an der gleichen Stelle im Inneren des Rohres umläuft.
In 5a ist mit dem Bezugszeichen 400 schematisch eine Ultraschalleinheit zum Messen der Wandungsstärke abgebildet, wobei die vorstehend beschriebene Schicht aus kalter Flüssigkeit unter Verwendung des innen liegenden Kühlteils 310 erzeugt wird, die vorstehend ausführlich beschrieben wurde.
Eine weitere Konsequenz der Messung der Wandungsstärke an einer Stelle zwischen dem Extruder 301 und dem Dorn 360 besteht darin, dass auch die Temperatur des Vorformlings 306 auf die Messung der Wandungsstärke mit Ultraschall einen Einfluss hat. Wie bereits beschrieben kann in diesem Abschnitt die Temperatur sich ändern, beispielsweise deswegen, weil die Wirkung der Kühlung von innen und von außen in der Anlaufphase eingestellt wird. Um den Einfluss der Wandungstemperatur des Vorformlings auf die gemessene Wandungsstärke zu verringern, ist es möglich, eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur der Rohrwandung in der Nähe der Einheit 400 zur Ultraschallmessung der Wandungsstärke anzuordnen und einen geeigneten Ausgleichsalgorithmus vorzusehen, der dazu verwendet wird, den Einfluss der Temperatur bei der gemessenen Wandungsstärke auszugleichen.
Bildung der Differenzen in der Wandungsstärke und der Ausrichtung
Bei dem Prozess zur biaxialen Dehnung ist der Durchlauf des Vorformlings über den Aufweitdorn einer der wichtigsten Aspekte, wodurch der Vorformling in radialer Richtung und möglicherweise auch in axialer Richtung gedehnt wird. Aus dem Stand der Technik ist die Bemühung bekannt, das extrudierte Rohr in dem Abschnitt zwischen dem Extruder und dem Dorn in der Weise zu behandeln, dass das Rohr an dem Dorn mit einer Wandungsstärke ankommt, die so gleichmäßig wie möglich ist, und vorzugsweise auch mit einer Temperatur, die innerhalb des Temperaturbereichs, der für die biaxiale Ausrichtung geeignet ist, auch so gleichmäßig wie möglich ist.
Ebenso ist es bekannt, dass trotz dieser vorbereitenden Arbeitsschritte immer noch Abweichungen im Querschnitt des Vorformlings infolge des Durchlaufs über den Dorn auftreten. Diese Abweichungen hängen mit der Wandungsstärke des Vorformlings zusammen, gesehen in Umfangsrichtung, und gegebenenfalls mit Abweichungen in der Exzentrizität der Innenseite bezüglich der Außenseite. Diese Abweichungen werden dann unter Verwendung einer zweiten Messeinheit 430 zum Messen der Wandungsstärke beobachtet, die in Austragrichtung hinter dem Dorn angeordnet ist. Um eine Korrektur dieser Abweichungen zu ermöglichen wird, wie ebenfalls bereits bekannt ist, die in 5b dargestellte Heizvorrichtung 350 verwendet. Wie schon ausgeführt, weist diese Heizvorrichtung 350 eine Vielzahl von Heizeinheiten auf, die in der Nähe des Dorns 360 und um den Vorformling 360 angeordnet sind. Jede dieser Heizeinheiten lässt sich dazu verwenden, an einen zugeordneten Sektor auf dem Umfang des Vorformlings 306, der sich daran vorbei bewegt, eine separat einstellbare Wärmemenge abzugeben. Infolge der zusätzlich zugeführten Wärme verändern sich die Temperatur und infolgedessen die Steifigkeit des Kunststoffmaterials. Auf diese Weise ist es möglich, den Widerstand, den der Vorformling 306 beim Durchlauf über den Dorn 360 erfährt, in Sektoren in Umfangsrichtung des Vorformlings einzustellen. Diese Einstellung ist an sich bekannt.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass es sogar dann, wenn diese Heizvorrichtung 350 eingesetzt wird, zu unerwünschten Abweichungen in der Querschnittsform und in der Wandungsdicke des Rohres kommt, das über den Dorn 360 aufgezogen wird. Dieses Problem und auch eine zugehörige Lösung werden ausführlicher unter Bezugnahme auf 7 und 8 erläutert.
7 und 8 stellen den Dorn 360 mit einem Auflaufteil 362, einem Dehnteil 363 und einem Ablaufteil 364 dar. Das Dehnteil 363 des Dorns 360 besitzt eine Außenfläche, die im Wesentlichen der Oberfläche eines Kegelstumpfes entspricht.
Der Dorn 360 weist einen oder mehrere Zuführkanäle 365 auf, die in der Nähe des Endes des Dehnteils 363 auf der Austragsseite in einer Außenfläche des Dorns 360 münden und über das Verankerungsteil 361 und die Extruderdüse 303 mit einer (hier nicht dargestellten) Pumpeinrichtung verbunden sind, um in den Raum zwischen dem Dorn 360 und dem Vorformling 306 eine Flüssigkeit zuzuführen. Des Weiteren weist der Dorn 360 einen oder mehrere Auslasskanäle 366 auf, die sich von einer in dem Auflaufteil 362 angeordneten Öffnung durch das Verankerungsteil 361 und die Extruderdüse 303 zu einem Auslass erstrecken. Mit Hilfe dieser Kanäle 365 und 366 und der zugehörigen Pumpeneinrichtung ist es möglich, einen fließenden Flüssigkeitsfilm zwischen dem Vorformling 306 und dem Dorn 360 zu bilden, insbesondere zwischen dem Vorformling/Rohr 306 und dem Dehnteil 363 des Dorns 360. Diese Bildung eines Flüssigkeitsfilms, beispielsweise eines Wasserfilms, zwischen dem Vorformling 306 und dem Dorn 360 ist an sich bekannt. In diesem Fall fließt die Flüssigkeit in dem Film in einer Richtung, die zur Bewegungsrichtung des Vorformlings 306 über das Dehnteil 363 entgegengesetzt ist. Wegen der Anwesenheit des Flüssigkeitsfilms kommt es tatsächlich zwischen dem Vorformling 306 und dem Dehnteil 363 nur zu wenig oder überhaupt keinem Kontakt. Der Flüssigkeitsfilm verringert nicht nur die Reibung, sondern er kühlt auch die Oberfläche des Dorns 360 auf eine Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Thermoplastmaterials. Oberhalb dieser Temperatur steigt der Reibungskoeffizient sehr rasch an.
In der Praxis hat sich in einer solchen bekannten Situation mit einem formstabilen Dorn und einem Wasserfilm zwischen dem Dorn und dem Vorformling gezeigt, dass dann, wenn der Vorformling sich über das Dehnteil bewegt, örtliche Unterschiede in der Wandungsdicke auf dem Umfang des Vorformlings auftreten, die auf der Zuführseite überhaupt nicht oder nur in sehr geringem Ausmaß vorhanden waren. Mit anderen Worten wird ganz allgemein beobachtet, dass ein Bereich auf dem Umfang des Vorformlings, der sich über den Dorn bewegt, deutlich dünner wird, während in benachbarten Bereichen nur eine geringe oder überhaupt keine Reduzierung in der Wandungsstärke auftritt. Dies führt nicht nur zu inakzeptablen Abweichungen in der Wandungsstärke des hergestellten Rohres, sondern auch zu einer Differenz in der biaxialen Ausrichtung.
Es wurde festgestellt, dass das vorstehend genannte Problem sich dadurch lösen/abmildern lässt, dass die Außenfläche des Dehnteils 363 des Dorns 360 mit axial verlaufenden, lang gestreckten Nuten und/oder Rippen an einer Vielzahl von Stellen um den Umfang des Dehnteils 363 herum versehen wird.
Aus 8 ist ersichtlich, dass eine große Anzahl flacher Nuten 367 in der Außenfläche des Dehnteils 363 ausgebildet ist. In dieser Figur ist aus Gründen der Deutlichkeit eine Reihe dieser Nuten 367 in übertrieben großem Maßstab dargestellt. 7 zeigt ebenfalls eine solche Nut 367. Die Nuten 367 verlaufen in axialer Richtung, d.h. in der Richtung, in der der Vorformling 306 über den Dorn 360 aufgezogen wird. Die Nuten 367 sind vorzugsweise über das Dehnteil in regelmäßigen Winkelabständen verteilt, die vorzugsweise zwischen 3° und 10° betragen.
Wenn der Vorformling 306 über den Dorn gezogen wird, bewegt sich etwas von dem weichen Kunststoffmaterial des Vorformlings 306 in diese Nuten 367, wie dies in 7 dargestellt ist. Diese Art des Eingriffs zwischen dem Vorformling und dem Dehnteil des Dorns schränkt die Bewegungsfreiheit des Kunststoffmaterials des Vorformlings in Umfangsrichtung des Dehnteils des Dorns ein, was einen Effekt darstellt, der nachgewiesenermaßen das vorstehend umrissene Problem der örtlich begrenzten Abweichung der Wandungsstärke des letztendlich erhaltenen Rohres erheblich mindert.
Flache Nuten 367 reichen aus, um die vorgenannte Wirkung zu erzielen. In der Praxis hat sich eine Tiefe von 5 Millimeter als Obergrenze erwiesen, wohingegen eine Tiefe zwischen 0,5 und 3 Millimeter bevorzugt wird; Nuten mit einer Tiefe von 0,5 Millimeter und einer Breite von 0,5 Millimeter wurden sogar als wirksam nachgewiesen.
Etwas von dem Wasserfilm zwischen dem Vorformling und dem Dorn fließt durch die Nuten 367, doch wird zwischen dem Dorn und dem Vorformling in den Bereichen, die zwischen den Nuten 367 liegen, ein Flüssigkeitsfilm aufrechterhalten. Es ist daneben auch vorstellbar, dass die Flüssigkeit nicht über den Kanal 365 sondern vielmehr über einen Kanal zugeführt wird, der weiter hinten in Austragrichtung in dem Ablaufteil 364 in der Außenfläche des Dorns mündete.
In der Praxis führen die Nuten 367 zu kleinen, in Längsrichtung verlaufenden Rippen auf dem Innenumfang des Vorformlings, der sich gerade über das Dehnteil des Dorns bewegt. Die Größe dieser Rippen wird jedoch durch das glatte Ablaufteil des Dorns beträchtlich verringert. In der Praxis bleibt nur ein sichtbarer Eindruck dieser Rippen, was akzeptabel ist. Wenn die Nuten 367 durch erhabene Rippen ersetzt würden, dann bildete sich natürlich in dem Rohr ein Muster aus flachen, in Längsrichtung verlaufenden Vertiefungen auf. Doch dies führt zu keinerlei Problemen.
Aus 7 sowie aus 5b wird deutlich, dass sich in an sich bekannter Weise zwischen dem Ablaufteil 365 des Dorns 360 und dem Rohr 306' ein zweiter Flüssigkeitsfilm bildet. Dieser zweite Flüssigkeitsfilm dient einerseits dazu, die Reibung zwischen dem Rohr und dem Ablaufteil zu verringern und kann andererseits auch als innen liegendes Kühlmittel für das gereckten Rohr dienen.
Bei einer hier nicht dargestellten Variante ist die Heizvorrichtung 350, die von bekannter Bauart ist und Infrarotstrahler aufweist, mit einer Einrichtung zum Erwärmen des Vorformlings unter Verwendung von Mikrowellenstrahlung versehen. Auf diese Weise könnte nicht nur die Oberfläche des Vorformlings sondern insbesondere auch der innere Teil der Wandung des Vorformlings erwärmt werden.
Erzeugen der nötigen Zugkraft
Die angestrebte Verbesserung in den Eigenschaften des Kunststoffmaterials bei dem Prozess zum biaxialen Recken wird insbesondere dann erzielt, wenn das extrudierte Rohr bzw. der extrudierte Rohr in axialer und auch in radialer Richtung in erheblichem Umfang gereckt bzw. gedehnt wird. Damit erhöht sich in der Praxis der Durchmesser des Rohres häufig um einen Faktor von zwei oder mehr, wenn das Rohr sich über den Dorn bewegt.
Bei der Ausrichttemperatur, die sich für den Prozess zum biaxialen Dehnen eignet, ist das Kunststoffmaterial jedoch schon in angemessener Weise starr und verformt sich nicht leicht. Infolgedessen müssen auf das Rohr ganz beträchtliche Kräfte ausgeübt werden, um es zu ermöglichen, dass das Rohr, das auf der Zuführseite des Dorns eine dicke Wandung besitzt, über den Dorn geführt werden kann. Sind zwischen dem Rohr und dem Dorn ein oder mehrere Flüssigkeitsfilme vorhanden, dann führt dies zu einer Verringerung der Zugkraft, aber die für den Dehnprozess nötigen Kräfte bleiben immer noch ein Problem.
Ein erstes Problem bezieht sich auf die Übertragung der Zugkraft auf das Rohr 306' mittels der Ziehvorrichtung 390, die auf der Austragseite des Dorns 360 angeordnet ist. Bei allgemein bekannten Zugbänken ist eine Vielzahl von angetriebenen Bahnen – zum Beispiel 2, 3 oder 4 solcher Bahnen – vorgesehen und liegt der Übertragung der Zugkraft von der Ziehvorrichtung auf das Rohr die Reibung zwischen dem Rohr und den Bahnen zugrunde. Die Reibung wird durch den Reibungskoeffizienten und die Normalkraft bestimmt. In diesem Fall wird der Reibungskoeffizient durch die Materialien bestimmt, die mit einander in Berührung kommen, und lässt sich nicht einfach deutlich erhöhen. Die Normalkraft wird durch die Belastbarkeit des Rohres beschränkt, um so Schäden zu vermeiden. Deshalb ist die Zugkraft, die mittels einer Zugvorrichtung ausgeübt werden kann, beschränkt.
Eine Maßnahme, die es möglich macht, dass die Zugkraft, die aufgebracht werden kann, zu erhöhen, besteht in der Verwendung einer Vielzahl von Ziehvorrichtungen, die hinter einander so angeordnet sind, dass die Reibung zwischen dem Rohr und den Ziehvorrichtungen über einen größeren Oberflächenbereich verteilt wird. In diesem Fall müssen die Ziehvorrichtungen das Rohr mit der gleichen Geschwindigkeit vorwärts ziehen, um so zu verhindern, dass die Bahnen einer der Ziehvorrichtungen auf dem Rohr abrutschen. Da das gedehnte Rohr an dieser Stelle bereits auf einen Wert abgekühlt ist, der deutlich unter der Ausrichttemperatur liegt, ist ein weiteres Dehnen in axialer Richtung auch unerwünscht.
Eine weitere Maßnahme besteht darin, das Rohr innen an der Stelle der Ziehvorrichtung 390 so abzustützen, dass die Ziehvorrichtung in der Lage ist, auf das Rohr eine größere Normalkraft auszuüben als in dem Fall, in dem diese innere Abstützung nicht vorhanden ist.
Die innere Abstützung könnte zum Beispiel darin bestehen, einen Innendruck in dem Rohr aufzubauen, beispielsweise durch Verwendung von zwei Schließeinrichtungen, die eine geschlossene Kammer in dem Rohr in Höhe der Ziehvorrichtung bilden, und durch Einleiten eines unter Druck stehenden Gases oder einer Flüssigkeit in diese Kammer.
Die innenseitige Abstützung könnte auch eine mechanische Konstruktion sein. 5b stellt schematisiert ein Beispiel hierfür dar, bei welchem eine innere Abstützvorrichtung 420 an dem Dorn 360 über ein Verankerungsteil 421 in Höhe der Ziehvorrichtung 329 angebracht ist. In diesem Fall weist die Stützvorrichtung 420 Druckbänder 422 auf, die zusammen mit dem Rohr 306' laufen und gegen die Innenseite des Rohres 306' gegenüber den Bändern der Ziehvorrichtung 390 anliegen. Infolgedessen kann die Ziehvorrichtung 390 fest gegen die Außenseite des Rohres 306' drücken, ohne dass die Gefahr besteht, dass das Rohr 306' beschädigt wird.
Bei größeren Rohrdurchmessern könnte die innen liegende Stützvorrichtung selbst ebenfalls mit einem Antrieb zum Vorschieben des Rohres 306' versehen sein, wobei in diesem Fall diese Vorrichtung sich dann über ein Teil, das mit Druck belastet werden kann, auf dem Dorn abstützt. Diese Abstützung führt dann zu einer Verringerung der Zugkraft in der Verbindung zwischen dem Extruder und dem Dorn.
Eine weitere Möglichkeit, um die nötige Zugkraft auf das Rohr während des Prozesses zum biaxialen Dehnen aufzubringen, besteht darin, die Übertragung der Zugkraft auf das Rohr auf einer formschlüssigen Verbindung zwischen der Ziehvorrichtung und dem Rohr statt auf der vorstehend beschriebenen Reibungswirkung aufzubauen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass man durch den Eingriff der auf der Austragseite vorgesehenen Ziehvorrichtung auf dem Rohr das Rohr sich an Stellen, die in einem axialen Abstand von einander liegen, tatsächlich verformen lässt, unter Umständen mit dauerhafter Beschädigung. Der Abstand zwischen den Eingriffspunkten ist dann vorzugsweise etwas größer als die Länge der herzustellenden Rohrabschnitte. Zum Beispiel greift die Ziehvorrichtung dabei mittels Vorsprüngen auf dem Rohr an, die in und durch die Rohrwandung vorstehen.
Aufrechterhalten der Eigenschaften des hergestellten Rohres
Ein erhebliches Problem bei Rohren aus Polyolefin besteht darin, dass die verbesserten Eigenschaften, die man durch den Prozess zum biaxialen Dehnen erzielt, sogar bei einer niedrigen Temperatur des Rohres (40°C bei PE) vollständig oder weitgehend wieder verloren gehen. Dies bedeutet, dass ein Rohr dieser Art nicht in der Sonne gelagert werden kann, ohne dass es zu den vorgenannten Einbußen kommt, wenn nicht spezielle Maßnahmen ergriffen werden, um die Stabilität des hergestellten Rohres zu verbessern.
Dabei sollten vorzugsweise Arbeitsgänge an dem Rohr zur Verbesserung der Stabilität angestrebt werden, die sich im Prozessablauf bei der Herstellung des Rohres ausführen lassen und nicht auf der Austragseite oder in einem separaten Prozess, bei dem die Rohrabschnitte behandelt werden. Zu diesem Zweck wird angeregt, dass der Vernetzungsvorgang im Prozessablauf in Austragrichtung hinter dem Dehnteil des Dehndorns ausgeführt wird.
Aus 5b ist ersichtlich, dass das Ablaufteil 364 des Dorns 360 eine erhebliche Länge aufweist, die in diesem Fall ein Mehrfaches der Wandungsstärke des Rohres beträgt. In der Praxis können Längen von mehr als 1 Meter von Vorteil sein, was insbesondere dann möglich ist, wenn zwischen dem Ablaufteil und dem Rohr ein Wasserfilm gebildet wird. Die große Länge des Ablaufteils 364 lässt das Rohr 306' stabiler werden, da das gedehnte Rohr 306' dann eine Form aufweist, die durch das Ablaufteil 364 über einen relativ langen Zeitraum definiert wird, wobei in diesem Zeitraum die Auswirkungen, die durch die Dehnung herbeigeführt werden, stabil werden können.
Eine andere Möglichkeit zum Verbessern der Stabilität des Rohres besteht darin, das Kunststoffmaterial des Rohres zu vernetzen. Dies kann auf verschiedene Weise erfolgen, wobei die Verfahren an sich bekannt sind. Es ist auch möglich, dass nur eine oder mehrere Schichten der Rohrwandung einer Behandlung zur Vernetzung unterzogen werden, zum Beispiel nur die Schicht auf der Außenseite des Rohres.
Die Stabilität lässt sich auch dadurch verbessern, das mehrlagige Rohre hergestellt werden, wie vorstehend bereits erläutert wurde; in diesem Fall ist die Form einer dieser Schichten tatsächlich so stabil, dass eine Formveränderung bei weniger stabilen Schichten, zum Beispiel einer Schicht aus unvernetztem PE, verhindert wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass eine derartige PE-Schicht mit einer PVC-Schicht kombiniert wird. Es ist auch vorstellbar, dass bestimmte Schichten des mehrlagigen Rohraufbaus vernetzt werden, so dass als Folge hiervon eine der Schichten eine Formveränderung der anderen Schicht bzw. Schichten blockiert.
Eine weitere Variante besteht darin, dass das hergestellte Rohr zunächst zugeschnitten wird, wodurch man Rohrabschnitte erhält, und dass diese Rohrabschnitte dann in einem separaten Prozess (im Chargenbetrieb) behandelt werden, um so die gewünschte Stabilisierung zu erreichen. Insbesondere ist es vorstellbar, dass ein Rohrabschnitt auf eine formstabile Innenabstützung aufgeschoben und dann über einen bestimmten Zeitraum von beispielsweise mehreren Stunden einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Während dieser Behandlung verhindert die Innenabstützung eine Formveränderung des biaxial ausgerichteten Rohrabschnitts, so dass die Form erhalten bleibt und ein beträchtlicher Teil der Dehnung des Kunststoffmaterials aufrechterhalten wird. Nach dieser Behandlung ist die Gefahr erheblich geringer, dass an dem Rohrabschnitt Einbußen bei den durch das Dehnen erzielten Eigenschaften festzustellen sind.
Unterzieht man das Rohr einer oder mehreren der vorstehend beschriebenen Behandlungen kann man ein Rohr aus einem biaxial ausgerichteten Kunststoffmaterial erhalten, bei dem es möglich ist, über eine Schweißnaht eine Verbindung mit einem Rohrteil oder einem damit zu verbindenden anderen Bauteil herzustellen. Schweißnähte dieser Art werden in erster Linie bei Rohrmaterial wie einem Polyolefin, zum Beispiel PE-Material, herangezogen. Wird nun ein Rohr aus einem biaxial ausgerichteten Polyethylen oder einem ähnlichen Material hergestellt, so kann zum Beispiel eine Abzweigschelle zur Herstellung einer Verbindung für ein Abzweigrohr fest daran angeschweißt werden, ohne dass sich die Form des Rohres in unerwünschter Weise unter dem Einfluss der zugeführten Wärme verändert.
Verbindung biaxial ausgerichteter Rohre
Es ist auch bereits bekannt, Rohrteile, die aus einem biaxial ausgerichteten Thermoplastmaterial, insbesondere PVC, hergestellt sind, mit einer Muffe an einem Ende zu versehen, damit es möglich wird, ein eine Leitung aus Rohrteilen zusammenzubauen, die zusammengepasst wurden. Bei dieser Anordnung wird bekanntlich eine Muffe dieser Art mit einem elastischen Dichtring versehen, der dicht gegen das Ende des anderen Rohres anliegt, welches dort eingepasst wurde.
Im Falle von Rohren, die aus einem biaxial ausgerichteten Polyolefin hergestellt sind, verursacht eine Muffenverbindung dieser Art hinsichtlich der Dichtung, insbesondere der langfristigen Abdichtung, Probleme. Diese Probleme ergeben sich insbesondere aus dem Umstand, dass viele Polyolefine einen beträchtlichen Betrag an plastischem Fließen aufweisen, was bedeutet, dass das Material im Laufe der Zeit unter einer Belastung nachzugeben beginnt. Bei einer Muffenverbindung der vorstehend beschriebenen Art verursacht diese Fließerscheinung eine allmähliche Abnahme des Kontaktdrucks zwischen dem Dichtring und dem eingeschobenen Rohrende, da die Wandung des Rohres im Laufe der Zeit nachzugeben beginnt. Dies führt dazu, dass die Verbindung insbesondere unter Druck undicht wird.
Um zwei Rohre aus einem biaxial ausgerichteten Thermoplastmaterial, insbesondere einem Material aus einem Polyolefin-Kunststoff, mit einander zu verbinden, wird deshalb eine verbesserte Verbindung angeregt, die nachstehend anhand von 9 ausführlicher beschrieben wird.
9 stellt diese Enden von zwei identischen Rohren 501, 502 aus einem biaxial ausgerichteten Polyethylen dar, die zum Beispiel mit dem vorstehend erläuterten Verfahren in der vorbeschriebenen Anlage hergestellt wurden und nun mit einander zu verbinden sind. Dabei ist jedes dieser Rohre 501, 502 an beiden Enden mit einer jeweiligen Muffe 503, 504 versehen, die in einer einfachen Ausführung ohne einen Dichtring in 9 dargestellt ist.
Diese Muffen 503, 504 werden in an sich bekannter Weise integral auf den Rohren 501, 502 geformt und weisen in diesem Fall einen größeren Innendurchmesser als der angrenzende Rohrabschnitt auf.
9 zeigt außerdem einen Korpus 510 eines Verbindungsrohrs aus Kunststoff, das zwei axiale Enden 511, 512 aufweist, die jeweils in eine Muffe 503, 504 eines zu verbindenden Rohres 501, 502 passen. Vorzugsweise passt dabei der Korpus 510 des Verbindungsrohres in die Muffe mit einem geringen Spiel, wie 9 dies zeigt.
Die Rohre 501, 502 werden am Korpus 510 mit Hilfe der Muffe jedes Rohres, das erwärmt wird, befestigt, mit dem Ergebnis, dass die Muffe zumindest im Querschnitt aufgeschrumpft wird und fest auf dem Ende des Korpus 510 des Verbindungsrohres festgeklemmt wird, das in die Muffe eingepasst ist.
Zum Erwärmen der Muffe, die darüber geschoben wurde, ist der Korpus 510 des Verbindungsrohres an jedem seiner Enden 511, 512 mit einer Heizeinrichtung versehen. Diese Heizeinrichtungen weisen in diesem Fall ein oder mehr elektrische Heizelemente auf, zum Beispiel Heizdrähte 515, die in diesem Fall in den Korpus 510 des Verbindungsrohres eingebettet sind und über den Anschluss 516 auf der Außenseite des Korpus 510 an eine Stromquelle angeschlossen werden können.
Bei einer Variante kann die Heizeinrichtung ein oder mehrere Elemente aufweisen, die sich von außen erwärmen lassen, zum Beispiel Elemente, die über Induktionswärme oder mittels Mikrowellenstrahlung erwärmt werden können und auf dem Rohrkorpus 510 angeordnet und/oder in diesen eingebettet sind.
Um die Weiterleitung von Wärme von der Muffe auf den angrenzenden Rohrabschnitt und damit dessen übermäßig starke Erwärmung zu verhindern, befinden sich die Heizdrähte 515 in einem Abstand von dem freien Ende des Korpus 510 des Verbindungsrohres.
Aus 9 ist außerdem ersichtlich, dass die Außenfläche an jedem Ende 511, 512 des Korpus 510 des Verbindungsrohres ein Profil aufweist, um so ein Bauteil zur formschlüssigen Verbindung zwischen dem Korpus 510 des Verbindungsrohres und der Muffe des Rohres zu bilden.
Vorteilhafterweise besitzt der Korpus des Verbindungsrohres einen Innendurchmesser, der im Wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des Teiles jedes Rohres ist, das außerhalb der Muffe liegt.
Die hier dargestellte Verbindung kann auch bei biaxial ausgerichteten Rohren verwendet werden, die einer Behandlung zur Vernetzung unterzogen wurden und/oder die eine mehrlagige Rohrwandung aufweisen, wie vorstehend erläutert wurde.
Axiales Dehnen auf der Zuführseite des Dorns
10 zeigt einen Schnitt durch eine Anlage zur Herstellung eines Rohres aus einem biaxial ausgerichteten Thermoplastmaterial, wobei es sich bei diesem Beispiel um einen Schnitt durch die Variante der Anlage handelt, die in den 5a, 5b dargestellt ist.
10 zeigt dabei den temperaturgesteuerten, hohlen rohrförmigen Vorformling 306, der aus einem Extruder ausgetreten ist, sowie die erste Einrichtung 340 zum Steuern der Geschwindigkeit, die in Austragrichtung hinter dem Extruder angeordnet ist und auf der Außenseite des Vorformlings 306 angreift, wobei sie auf diesen Vorformling mit einer steuerbaren ersten Vorschubgeschwindigkeit einwirkt.
10 zeigt des Weiteren eine zweite Einrichtung 600 zum Steuern der Geschwindigkeit, die in einem Abstand in Austragrichtung hinter der ersten Einrichtung 340 zum Steuern der Geschwindigkeit angeordnet ist. Diese zweite Einrichtung 600 zum Steuern der Geschwindigkeit greift auf der Außenseite des Vorformlings 306 an und ist so ausgelegt, dass sie den Vorformling mit einer steuerbaren zweiten Vorschubgeschwindigkeit beaufschlagt. Die zweite Einrichtung 600 zum Steuern der Geschwindigkeit befindet sich auf der Zuführseite des (hier nicht dargestellten) Dorns, über den der Vorformling bei einer Ausrichttemperatur gezogen wird, die sich für das jeweilige Kunststoffmaterial eignet. In jedem Fall befindet sich die zweite Einrichtung 600 zum Steuern der Geschwindigkeit auf der Zuführseite des Dehnteils des Dorns.
Bei einem an sich bekannten Ausführungsbeispiel sind die erste Einrichtung 340 zum Steuern der Geschwindigkeit und die zweite Einrichtung 600 zum Steuern der Geschwindigkeit jeweils mit einer Vielzahl von Endlosbahnen aufgebaut, zum Beispiel mit zwei Bahnen, die in der Vorveröffentlichung WO 95/25626 dargestellt sind und gegen den Vorformling anliegen. Die Einrichtungen 340 und 600 zum Steuern der Geschwindigkeit sind dann ebenfalls mit einem Bahnantrieb mit steuerbarer Geschwindigkeit ausgerüstet.
In der Anlage können auch eine oder mehrere dritte Einrichtungen zum Steuern der Geschwindigkeit vorgesehen sein, die sich in Austragrichtung hinter dem Dorn befinden und auf dem gedehnten Rohr angreifen, um so eine dritte Vorschubgeschwindigkeit des Rohres zu definieren.
Eine Anlage dieser Art macht es möglich, biaxial ausgerichtete Rohre in unterschiedlicher Art und Weise herzustellen. Beispielsweise könnte die zweite Einrichtung zum Steuern der Geschwindigkeit dazu herangezogen werden, eine Geschwindigkeit für das Rohr einzustellen, die sich zwischen einer Geschwindigkeit, die niedriger als jene der ersten Einrichtung zum Steuern der Geschwindigkeit ist, und einer Geschwindigkeit, die über der Geschwindigkeit der dritten Einrichtung zum Steuern der Geschwindigkeit liegt, verändert.
Insbesondere ist es möglich, den Vorformling 306 in axialer Richtung zu recken bzw. zu dehnen, was eine Verminderung der Wandungsstärke des Vorformlings 306 in dem Abschnitt zwischen der ersten und der zweiten Einrichtung 340 bzw. 600 zum Steuern der Geschwindigkeit nach sich zieht. In diesem Fall ist die zweite Geschwindigkeit dann höher als die erste Geschwindigkeit.
Das axiale Dehnen bzw. Strecken des Vorformlings 306, der in diesem Abschnitt hergestellt wird, kann der gewünschten Dehnung des Rohres in axialer Richtung entsprechen oder Teil dieses Streckvorgangs sein, wobei in diesem Fall der restliche Teil der Dehnung in Austragrichtung weiter abwärts in der Anlage herbeigeführt wird, zum Beispiel während des Durchlaufs über den Dorn. Dies hat den Vorteil, dass unter anderem das Verhalten des Vorformlings beim Weg über den Dorn stabil bleibt, so dass sich der Prozess mit Erfolg steuern lässt.
Aus 10 ist außerdem ersichtlich, dass der Vorformling durch eine Kalibrieröffnung einer Kalibriervorrichtung 610 in dem Abschnitt zwischen den Einrichtungen 340 und 600 zum Steuern der Geschwindigkeit geführt wird, in welcher der Vorformling eine axiale Dehnung erfährt, wobei diese Kalibriervorrichtung 610 eine definierte Verminderung im Außendurchmesser des Vorformlings 306 herbeiführt. Die Verminderung des Außendurchmessers und möglicherweise auch der Wandungsstärke des Vorformlings 306 konzentriert sich nun auf die Stelle, an der sich die Kalibriervorrichtung 610 befindet, wie dies aus 10 ersichtlich ist.
Infolge des Durchlaufs durch die Kalibriervorrichtung nimmt der Vorformling einen definierten Außendurchmesser an, was für den Eingriff der zweiten Einrichtung 600 zur Steuerung der Geschwindigkeit des Rohres auf dem Vorformling von Vorteil ist und die Stabilität des Prozesses verbessert.
Mittels der Einrichtung zur Steuerung der Geschwindigkeit, vorzugsweise in Verbindung mit der Kalibriervorrichtung 610, und eines geeigneten Dorns ist es beispielsweise möglich, sicherzustellen, dass der Gesamtbetrag der Dehnung in axialer Richtung und in Umfangsrichtung in etwa 5 beträgt. Mit Versuchen, bei denen Rohre aus einem biaxial gedehnten Polyethylen mit einem Innendruck beaufschlagt wurden, wurde nachgewiesen, dass bei diesem Wert kein plastisches Fließen in dem Kunststoffmaterial zu beobachten ist. Bei einem niedrigeren Wert wurde plastisches Fließen festgestellt. Eine mögliche Erklärung hierfür ist, dass beim Wert 5 die Moleküle in dem Kunststoffmaterial in etwa geradlinig ausgerichtet sind und somit nicht noch länger werden können. Deshalb würde ein höheres Dehnungsmaß einfach dazu führen, dass die mehr oder weniger geradlinigen Moleküle an einander vorbei gleiten. Vorzugsweise liegt hierbei zwischen dem Verhältnis der axialen Dehnung und dem Verhältnis der Dehnung in Umfangsrichtung das Verhältnis 3 : 2 vor.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines biaxial ausgerichteten Thermoplast-Rohres, welches die folgenden Schritte umfasst: Extrudieren eines rohrförmigen Vorformlings aus einem Thermoplastmaterial unter Verwendung eines Extruders (1), der mit einer Extruderdüse mit einem Innenkern (5) versehen ist, wobei der Innenkern (5) einen Hohlraum in dem Vorformling (6) definiert, wobei das Verfahren des Weiteren die folgenden Schritte umfasst: thermisches Konditionieren des Vorformlings (6) in der Weise, dass der Vorformling (6) eine Ausrichttemperatur erreicht, welche für das jeweils verwendete Kunststoffmaterial geeignet ist, und Aufziehen des temperierten Vorformlings (6) unter Kraftaufwand über einen Dorn (30), welcher ein Dehnteil (33) aufweist, das dessen Dehnung in Umfangsrichtung des über den Dorn aufgezogenen Vorformlings (6) in der Weise herbeiführt, dass ein gestrecktes Rohr (6') mit Kunststoffmaterial, das in axialer Richtung und in Umfangsrichtung erhalten wird, woran sich eine Abkühlung des gestreckten Rohres (6') anschließt, wobei eine Vorschubgeschwindigkeit des Vorformlings (6) auf der Zuführseite des Dorns mit Hilfe einer Einrichtung zur Steuerung der Geschwindigkeit (20) eingestellt wird, welche auf den Vorformling (6) auf der Zuführseite des Dorns einwirkt, und wobei eine einstellbare Vorschubgeschwindigkeit des Rohres (6') auf der Austragseite des Dorns (30) mit Hilfe einer Ziehvorrichtung (50) eingestellt wird, welche auf das gestreckte Rohr (6') auf der Austragseite des Dorns einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass – durch periodische Veränderung des Verhältnisses zwischen der Vorschubgeschwindigkeit des Vorformlings (6), welche mittels der Einrichtung (20) zur Steuerung der Geschwindigkeit festgelegt wird, einerseits und dem Austrag aus dem Extruder (1) andererseits zwischen einer Vielzahl unterschiedlicher Werte – die Stärke der Wandung des Vorformlings (6) periodisch verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Verhältnis zwischen der Vorschubgeschwindigkeit des Vorformlings (6), welche mittels der Einrichtung (20) zur Steuerung der Geschwindigkeit festgelegt wird, einerseits und dem Austrag aus dem Extruder (1) andererseits über einen ersten Zeitraum im Wesentlichen auf einem ersten Wert konstant gehalten wird, so dass der Vorformling dann eine erste Wandungsstärke erhält, und über einen zweiten Zeitraum auf einem oder mehrere Werte eingestellt wird, die von dem ersten Wert verschieden ist bzw. sind, wobei der zweite Zeitraum beträchtlich kürzer als der erste Zeitraum ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Austrag aus dem Extruder (1) in periodischen Abständen verändert wird und bei welchem die Vorschubgeschwindigkeit des Vorformlings (6), welche mittels der Einrichtung (20) zum Steuern der Geschwindigkeit festgelegt wird, im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Austrag aus dem Extruder (1) im Wesentlichen konstant gehalten wird und bei welchem die Vorschubgeschwindigkeit des Vorformlings (6), die mittels der Einrichtung (20) zum Steuern der Geschwindigkeit festgelegt wird, in periodischen Abständen verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die Vorschubgeschwindigkeit des gestreckten Rohres (6') auf der Austragseite des Dorns (3a), welche mittels der Ziehvorrichtung (50) festgelegt wird, in periodischen Abständen in der Weise verändert wird, dass der Verhältnis zwischen der Vorschubgeschwindigkeit des gestreckten Rohres (6') auf der Austragseite des Dorns (3a) einerseits und des Vorformlings (6) auf der Zuführseite des Dorns (30) andererseits im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem innerhalb des Zeitraums, während dessen oder während eines Teils desselben ein Teil des Vorformlings (6) mit einer Wandungsstärke, die größer ist als die erste Wandungsstärke, die gerade unter Kraftaufwand über den Dorn (30) gezogen wird, das Verhältnis zwischen der Vorschubgeschwindigkeit des gestreckten Rohres (6'), welche mittels der Ziehvorrichtung (50) festgelegt wird, einerseits und der Vorschubgeschwindigkeit des Vorformlings (6'), welche mittels der Einrichtung (20) zur Steuerung der Geschwindigkeit festgelegt wird, andererseits größer ist als in dem Zeitraum, während dessen ein Teil des Vorformlings (6) mit der ersten Wandungsstärke, die gerade unter Kraftaufwand über den Dorn (30) gezogen wird, so dass ein Rohrteil mit der größeren Wandungsstärke eine stärkere Streckung in axialer Richtung erfährt als ein Rohrabschnitt mit der ersten Wandungsstärke.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das gestreckte Rohr (6') auf der Austragseite des Dehnteils (33) des Dorns (30) in der Weise gekühlt wird, dass das gekühlte Rohr keine weitere Streckung in axialer Richtung erfährt und die Ausbildung der Streckung in axialer Richtung auf den Abschnitt zwischen einer Einrichtung (20) zum Steuern der Geschwindigkeit für den Vorformling (6) und dem austragseitigen Ende des Dorns (30) und/oder auf den Abschnitt zwischen einer Vielzahl von Einrichtungen zur Steuerung der Geschwindigkeit für den Vorformling konzentriert wird, welche auf der Zuführseite des Dorns angeordnet sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Vorformling (6) auf der Austragseite der Extruderdüse (3) einer Kalibrierung des Außendurchmessers des Vorformlings (6) unterzogen wird, so dass der Vorformling einen gleichmäßigen Außendurchmesser in diesem Bereich erhält und ein Abschnitt des Vorformlings mit einer größeren Wandungsstärke einen kleineren Innendurchmesser als die angrenzenden Teile des Vorformlings mit einer kleineren Wandungsstärke aufweist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Vorformling (6) auf der Austragseite der Extruderdüse (3) einer Kalibrierung des Innendurchmessers des Vorformlings (6) unterzogen wird, so dass der Vorformling einen gleichmäßigen Innendurchmesser in diesem Bereich erhält und ein Teil des Vorformlings mit einer größeren Wandungsstärke einen größeren Außendurchmesser als die angrenzenden Teile des Vorformlings mit einer kleineren Wandungsstärke aufweist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Vorformling (6) in der Weise temperiert wird, dass ein Teil des Vorformlings mit größerer Wandungsstärke im Mittel eine höhere Temperatur aufweist, die an einer Stelle unmittelbar zuführseitig von dem Dehndorn (33) gemessen wird, als ein auf der Austragseite unmittelbar angrenzender Teil des Vorformlings mit einer kleineren Wandungsstärke, der sich bereits auf dem Dorn befindet.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem in jedem Fall eine Reihe aus einer Vielzahl von Teilen mit einer größeren Wandungsstärke, die sich vergleichsweise nah bei einander befinden, auf dem Vorformling (6) geschaffen wird, woran sich ein beträchtlich längerer Abschnitt des Vorformlings mit einer gleichmäßigen kleineren Wandungsstärke anschließt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das gestreckte Rohr (6') in dem Abschnitt zwischen dem austragseitigen Ende des Dorns (30) und der Ziehvorrichtung (50) einer Kalibrierung des Außendurchmessers des Rohres unterzogen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das gestreckte Rohr (6') auf der Austragseite des Ziehvorrichtung (50) an der Stelle eines Rohrteils mit einer größeren Wandungsstärke, oder direkt daneben, unterteilt wird, was zu Rohrabschnitten führt, die an einem oder an beiden axialen Enden einen Endabschnitt mit einer größeren Wandungsstärke als der Rest des Rohrabschnitts aufweisen, der eine gleichmäßige kleinere Wandungsstärke aufweist.