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Patent Searching and Data


Title:
WINDING SHAFT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/055713
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a tensioning shaft for winding a material web, in particular of plastic films, namely in particular of stretch films. In order to provide a tensioning shaft having the highest possible strength and rigidity, a tensioning shaft is provided which has a shaft body which in order to achieve the highest possible bending stiffness consists predominantly of fibre-reinforced plastic, and having cavities which are provided along the external circumference of the shaft body, wherein the cavities are delimited in the radial internal direction by a layer of the fibre-reinforced plastic are and wherein tensioning strips are expandable out of the cavities in the radial external direction.

Inventors:
HOFFMANN FRANK (DE)
Application Number:
PCT/EP2014/072108
Publication Date:
April 23, 2015
Filing Date:
October 15, 2014
Export Citation:
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Assignee:
WINDMOELLER & HOELSCHER (DE)
International Classes:
B65H75/24
Domestic Patent References:
WO2013003968A22013-01-10
WO2013003968A22013-01-10
WO2005124212A12005-12-29
Foreign References:
US5379964A1995-01-10
US5509618A1996-04-23
US20040035977A12004-02-26
DE202009001846U12009-05-20
GB1440788A1976-06-23
US5746387A1998-05-05
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Claims:
Wickelwelle

Patentansprüche

1 . Spannwelle zum Aufwickeln einer Materialbahn,

mit einem Wellenkörper, der zur Erreichung einer möglichst hohen Biegestei- figkeit zum Großteil aus faserverstärktem Kunststoff besteht, und mit Hohlräumen, die entlang des äußeren Umfangs des Wellenkörpers vorgesehen sind, wobei die Hohlräume in radialer Innenrichtung durch eine Schicht des faserverstärkten Kunststoffes begrenzt sind und wobei aus den Hohlräumen in radialer Außenrichtung Spannleisten expandierbar sind.

2. Spannwelle nach Anspruch 1 , wobei der faserverstärkte Kunststoff aus gerichteten Endlosfasern besteht, die mittels eines ausgehärteten Harzes verbunden sind.

3. Spannwelle nach einem der Ansprüche 1 - 2, wobei die gerichteten Endlosfasern aus Karbonfasern bestehen.

4. Spannwelle nach einem der Ansprüche 1 - 3, wobei die Spannleisten an ihrem radialen Ende schalenförmige Elemente aufweisen, die aus Kunststoff und/oder einem Faserverbundwerkstoff bestehen.

5. Verfahren zum Herstellen einer Spannwelle nach Anspruch 1 , bei dem Formkörper zur Aufnahme von radial expandierbaren Spannleisten vorgesehen sind, um die herum Endlosfasern geschichtet werden, wobei die Formkörper in radialer Innenrichtung auf mindestens einer Schicht mit gerichteten Endlosfasern aufliegen, bei dem die Formkörper zusammen mit den Endlosfasern mittels eines ausgehärteten Harzes verbunden werden, und bei dem nach dem Aushärten des Harzes die radial expandierbaren Spannleisten in die Formkörper eingebracht werden.

6. Verfahren zum Herstellen einer Spannwelle nach Anspruch 1 , bei dem ein Wellenkörper zur Erreichung einer möglichst hohen Biegesteifig- keit zum Großteil aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt wird, bei dem entlang des Umfangs des Wellenkörpers Hohlräume gefräst werden, wobei die Hohlräume in radialer Innenrichtung durch eine Schicht des faserverstärkten Kunststoffes begrenzt sind, und bei dem radial expandierbare Spannleisten in die Hohlräume eingebracht werden.

7. Wickler zum Aufwickeln einer Materialbahn, mit einer Spannwelle nach Anspruch 1 , mit einer an mindestens einer Seite der Spannwelle angeordneten Lageranordnung, in der das jeweilige Ende der Spannwelle in zwei voneinander beabstandeten Bereichen gelagert ist. Wickler nach Anspruch 7, mit an beiden Seiten der Spannwelle angeordneten Lageranordnungen, in denen die Enden der Spannwelle gelagert sind, wobei jede der beiden Lageranordnungen das zugehörige Ende der Spannwelle in zwei voneinander beabstandeten Bereichen lagert.

Wickler nach einem der Ansprüche 7 - 8, mit mindestens einer die Spannwelle umschließenden Wickelhülse, die mittels der expandierenden Spannleisten gegenüber der Spannwelle fixierbar ist.

Description:
Wickelwelle

Die Erfindung betrifft eine Spannwelle zum Aufwickeln einer Material bahn, insbesondere von Kunststofffolien, und zwar insbesondere von Stretchfolien. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Spannwelle sowie einen Wickler mit einer derartigen Spannwelle.

Wickelwellen bestehend aus einer Spannwelle und einer Wickelhülse zum Auf- und/oder Abwickeln von bahnförmigen, bandförmigen oder fadenförmigen Materialien der unterschiedlichsten Art, beispielsweise Papier, Aluminium- und Kunststofffolien, Textilien oder vliesartigen Geweben oder dergleichen, sind hinreichend bekannt und für den jeweiligen Verwendungszweck speziell ausgerichtet bzw. auf die bestimmte Wickeltechnik abgestellt.

Die Aufnahme der Wickelhülse in einem entsprechenden Wickler erfolgt gewöhnlich über expandierende Spannleisten bzw. Spannbacken mit einer mechanischen oder pneumatischen Steuerung, die ein zentrisches Spannen der Wickelhülse bewirken und einen Antrieb der Wickelhülse auch mit großen Drehmomenten ermöglichen.

Besondere Anforderungen an die Wickelwelle entstehen wiederum beim Aufwickeln von sogenannten Stretchfolien.

Stretchfolien - je nach Anwendungsfall auch Ladeeinheiten-Sicherungsfolie, Paletten- Stretchfolie, Wickel-Stretchfolie oder Verpackungs-Stretchfolie genannt - sind aus der modernen Logistik beim Transport palettierter Ladeeinheiten nicht mehr wegzudenken. Neben der Palettensicherung schützen derartige Folien das Palettengut auch vor Witterungseinflüssen und Verschmutzung. Die Stretchfolie passt sich dabei optimal der Paletten- und Produktform an ohne sie zu beschädigen. Für die Applikation der Stretchfolie sind außerdem inzwischen diverse halb- oder vollautomatischer Stretchanlagen zum "Einstretchen" der aufgestapelten Palette verfügbar.

Stretchfolien werden in den unterschiedlichsten Dicken und Breiten hergestellt. Typisch sind beispielsweise Foliendicken zwischen 12 - 35 μηι bei einer Rollenbreite von 200 mm - 1000 mm, vorzugsweise 500 mm, die auf 10 - 20 kg schweren Rollen ausgeliefert werden.

Mit derzeit ca. 1 ,5 Mio. Jahrestonnen europaweit und ca. 3,0 Mio. Jahrestonnen weltweit kommt dem Markt der Stretchfolien auch in Zukunft ein bedeutender Volumenanteil zu. Die Anforderungen an die Anlagen zur Herstellung von Stretchfolien steigen damit stetig mit Bezug auf Effizienz und Ausstoß. Diesen steigenden Anforderungen muss auch der Wickler nachkommen, der am Ende der Produktionsanlage die fertig produzierte Stretchfolie auf eine Wickelhülse aufwickelt. Hierbei kann eine Wickelhülse über die gesamte Produktionsbreite zum Einsatz kommen. Meistens werden jedoch mehrere Wickelhülsen nebeneinander eingesetzt, wobei die Stretchfolie vor dem Wickeln auf die Wickelhülsen dann durch entsprechende Messer in Produktionsrichtung geteilt wird. So werden beispielsweise bei einer Produktionsbreite von 1500 mm drei Nutzen je 500 mm parallel gefahren und aufgewickelt.

Die Wickelhülsen selber bestehen in der Regel aus einem Papprohr und können in Abhängigkeit vom Anwendungsfall in Breite, Innendurchmesser und Außendurchmesser und damit auch hinsichtlich ihrer Wandstärke sehr unterschiedlich sein.

Um für alle Anwendungsfälle die produzierte Stretchfolie auf die Wickelhülsen aufwickeln zu können, weist der betreffende Wickler eine sogenannte Spannwelle mit steuerbaren Spannbacken zum radialen Festklemmen der betreffenden Wickelhülsen auf. Da aber im Voraus nicht bekannt ist, mit welcher Art von Wickelhülsen die Spannwelle beladen wird, muss die Spannwelle für alle möglichen Arten von Betriebsfällen ausgelegt sein. Gleichzeitig ist zu beachten, dass die aufzuwickelnde Stretchfolie aufgrund der beschriebenen Eigenschaften eine hohe Dehnbarkeit von bis zu 400 % aufweist. Dies führt zu extremen Anforderungen an die Spannwelle. Aus WO2013/003968 A9 ist ein Wickler bekannt, bei dem die Spannwelle beidseitig in einem Doppellager gelagert ist, um unerwünschte Vibrationen der Spannwelle zu verhindern und gleichzeitig hohe Drehbeschleunigungen zu ermöglichen. Um für die Spannwelle eine hohe Biegesteifigkeit bei gleichzeitig geringem Außendurchmesser zu erzielen, ist es außerdem bekannt, Spannwellen ganz oder teilweise aus Faserverbundwerkstoffen herzustellen, wie dies beispielsweise in der WO 2005/124212 A1 oder in der US 5,746,387 beschrieben ist. Spannwellen aus Faserverbundwerkstoffen bestehen gewöhnlich aus einem Kunststoff- oder vernetztem Harzmaterial (Reaktionsharz), welches Verstärkungsfasern, beispielsweise Naturfasern, Glasfasern (GFK-Verbund) oder Kohlenstofffasern (CFK-Verbundmaterial), in Form von Bruchstücken endlicher Länge, Endlosfasern, Matten oder Geweben enthält. Verbundwerkstoffe mit Bruchfasern werden insbesondere endlos extrudiert oder im Spritzguss verarbeitet. Verbundwerkstoffe mit Endlosfasern werden insbesondere im Wickelverfahren (Filament Winding) oder Strangziehverfahren (Pultrusion) zu Rohren oder Hülsen verarbeitet. Besonders geeignet sind sogenannte CFK-Wellen (CFK für carbonfaserverstärkter Kunststoff oder englisch CFRP für carbon-fiber-reinforced plastic). CFK besteht dabei regelmäßig aus gerichteten Endlosfasern, die - meist in mehreren Lagen - in eine Kunststoff-Matrix eingebettet sind. Die für die Spannleisten erforderlichen Aussparungen verringern allerdings in unerwünschter Weise die Festigkeit und Steifigkeit der Spannwelle.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Spannwelle mit einer möglichst hohen Festigkeit und Steifigkeit bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Spannwelle zum Aufwickeln einer Materialbahn gelöst, mit einem Wellenkörper, der zur Erreichung einer möglichst hohen Biegesteifigkeit zum Großteil aus faserverstärktem Kunststoff besteht, und mit Hohlräumen, die entlang des äußeren Umfangs des Wellenkörpers vorgesehen sind, wobei die Hohlräume in radialer Innenrichtung durch eine Schicht des faserverstärkten Kunststoffes begrenzt sind und wobei aus den Hohlräumen in radialer Außenrichtung Spannleisten expandierbar sind. Eine wesentliche Erkenntnis der Erfindung besteht darin, dass die Hohlräume für die Spannleisten nicht aus radial durchgehenden Aussparungen bestehen, sondern in radialer Innenrichtung durch eine Schicht des faserverstärkten Kunststoffes begrenzt sind. Auf diese Weise kann die Festigkeit und Steifigkeit der Spannwelle wirksam erhöht werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der faserverstärkte Kunststoff aus gerichteten Endlosfasern besteht, die mittels eines ausgehärteten Harzes verbunden sind.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die gerichteten Endlosfasern aus Karbonfasern bestehen.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Spannleisten an ihrem radialen Ende schalenförmige Elemente aufweisen, die aus Kunststoff und/oder einem Faserverbundwerkstoff bestehen.

Ein mögliches Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Spannwelle ist ein Verfahren, bei dem Formkörper zur Aufnahme von radial expandierbaren Spannleisten vorgesehen sind, um die herum Endlosfasern geschichtet werden, wobei die Formkörper in radialer Innenrichtung auf mindestens einer Schicht mit gerichteten Endlosfasern aufliegen, bei dem die Formkörper zusammen mit den Endlosfasern mittels eines ausgehärteten Harzes verbunden werden, und bei dem nach dem Aushärten des Harzes die radial expandierbaren Spannleisten in die Formkörper eingebracht werden.

Die Formkörper können beispielsweise aus Aluminium oder Kunststoff bestehen. Damit die Formkörper in ihren Passungen möglichst fest sitzen, können die Formkörper zusätzlich zur Haftkraft seitens des Harzes eingeklebt und/oder eingeschraubt werden.

Ein anderes mögliches Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Spannwelle ist ein Verfahren, bei dem ein Wellenkörper zur Erreichung einer möglichst hohen Biegesteifigkeit zum Großteil aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt wird, bei dem entlang des Umfangs des Wellenkörpers Hohlräume gefräst werden, wobei die Hohlräume in radialer Innenrichtung durch eine Schicht des faserverstärkten Kunststoffes begrenzt sind, und bei dem radial expandierbare Spannleisten in die Hohlräume eingebracht werden. Bei dem Wickler zum Aufwickeln einer Materialbahn mit der erfindungsgemäßen Spannwelle handelt es sich vorzugsweise um einen Wickler mit einer an mindestens einer Seite der Spannwelle angeordneten Lageranordnung, in der das jeweilige Ende der Spannwelle in zwei voneinander beabstandeten Bereichen gelagert ist.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind an beiden Seiten der Spannwelle angeordnete Lageranordnungen vorgesehen, in denen die Enden der Spannwelle gelagert sind, wobei jede der beiden Lageranordnungen das zugehörige Ende der Spannwelle in zwei voneinander beabstandeten Bereichen lagert.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine die Spannwelle umschließende Wickelhülse vorgesehen, die mittels der expandierenden Spannleisten gegenüber der Spannwelle fixierbar ist.

Die Vorteile der Erfindung sind insgesamt eine höhere Festigkeit und Steifigkeit der Spannwelle sowie ihrer Lagerung, womit dauerhaft höhere Produktionsgeschwindigkeiten aufgrund einer höheren biegekritischen Drehzahl möglich sind.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigen:

Fig. 1 eine Wickelwelle mit einer ungünstigen Ausrichtung der Hohlräume mit

Bezug auf die Endlosfasern,

Fig. 2 eine Wickelwelle mit einer Ausrichtung der Hohlräume auf schräg verlaufende Endlosfasern, Fig. 3 eine Wickelwelle mit einer Ausrichtung der Hohlräume auf axial verlaufende

Endlosfasern,

Fig. 4 die beidseitige Lagerung einer Spannwelle mit Doppellagern, und Fig. 5 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Spannwelle. Zunächst wird die Ausrichtung der Hohlräume mit Bezug auf die Endlosfasern beschrieben.

Wird die Spannwelle mit Endlosfasern im Wickelverfahren (Filament Winding) hergestellt, dann ist zu beachten, dass eine parallele Ausrichtung der Endlosfasern zur Achse aufgrund der bei der Herstellung der Wickelhülse vorliegenden maschinenseitigen Begrenzungen nicht möglich ist. Möglich sind vielmehr nur Ausrichtungen bis ca. 7° zur Achsrichtung. Wenn nun - wie in Fig. 1 dargestellt - die Aussparungen der Hohlräume dennoch axial ausgerichtet werden, dann hat dies hinsichtlich der dazu kreuzenden Endlosfasern einen negativen Einfluss auf die Festigkeit und Steifigkeit der Spannwelle.

Fig. 1 zeigt die linke Hälfte einer Wickelwelle mit einer Spannwelle 101. Die Wickelwelle weist axial ausgerichtete Hohlräume 102 auf, in die Spannleisten einbringbar sind, die pneumatisch nach außen gepresst werden können und optional über Federkraft wieder zurückführbar sind. Mit 103 ist die Ausrichtung einer ersten Lage von Endlosfasern und mit 104 die Ausrichtung einer zweiten Lage von Endlosfasern innerhalb der Spannwelle angedeutet. Da die Hohlräume die Endlosfasern 103 und 104 verkürzen, hat diese Ausrichtung der Hohlräume einen negativen Einfluss auf die Festigkeit und Steifigkeit der Spannwelle.

Fig. 2 zeigt eine Wickelwelle mit einer Spannwelle 201 und mit einer Ausrichtung der Hohlräume auf schräg verlaufende Endlosfasern. Die Bezugszeichen 201 , 203 und 204 entsprechen den Bezugszeichen 101 , 103 und 104, sodass diesbezüglich auf die Beschreibung aus Fig. 1 verwiesen werden kann. Die Hohlräume 202 sind allerdings nunmehr entlang der gerichteten Endlosfasern 204 ausgerichtet, sodass der besagte negative Einfluss auf die Festigkeit und Steifigkeit der Spannwelle reduziert werden kann. Fig. 3 zeigt eine Wickelwelle mit einer speziell gefertigten Spannwelle 301 , wie diese beispielsweise aus der WO 2005/124212 A1 bekannt ist. Die Bezugszeichen 301 und 302 entsprechen den Bezugszeichen 101 und 102 aus Fig. 1 , sodass diesbezüglich auf die Beschreibung von Fig. 1 verwiesen werden kann. Die Spannwelle ist nunmehr so gefertigt, dass die gerichteten Endlosfasern 303 axial zur Spannwelle 301 und zu den axial ausgerichteten Hohlräumen 302 verlaufen. Dies ist gemäß der WO 2005/124212 A1 durch die Verwendung von Versteifungsrippen möglich, die im Pultrusionsverfahren hergestellt wurden und die einen besonders hohen Faservolumenanteil erlauben. In entsprechender Weise sind auch die Hohlräume ausgerichtet.

Fig. 4 zeigt die beidseitige Lagerung einer Spannwelle mit Doppellagern, wie diese aus WO 2013/003968 A9 bekannt ist. WO 2013/003968 A9 offenbart allerdings nicht die Kombination einer Doppellagerung mit einer Spannwelle aus faserverstärktem Kunststoff. Diese Kombination ist aus der Sicht der Erfindung ebenfalls besonders vorteilhaft. Die demnach aus CFK gefertigte Spannwelle 401 ist auf der linken Seite in das Doppellager 402 fest eingespannt. Die Lageranordnung 403 ist ebenfalls als Doppellager ausgeführt, allerdings ist diese Lageranordnung über eine zweiarmige Schereneinheit lösbar, sodass ein oder mehrere Wickelhülsen von rechts auf die Spannwelle geschoben bzw. von dieser wieder entnommen werden können, nachdem die Schereneinheit die Lageranordnung 403 weggeschwenkt hat. Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Spannwelle auf faserverstärktem Kunststoff. Die Spannwelle 501 weist entlang ihres Umfangs fünf Hohlräume auf, in die pneumatische Schläuche 502 sowie bewegliche Spannleisten 503 eingebracht sind. In radialer Innenrichtung sind die Hohlräume durch eine Schicht des faserverstärkten Kunststoffes begrenzt, sodass sich die gewünschte Steifigkeit der Spannwelle einstellt. Optional - aber nicht notwendigerweise - sind die Spannleisten 503 außerdem mit Federelementen vorgespannt, die die Spannleisten in die gemäß Fig. 5a gezeigte Position bringen, sobald genügend Luft aus den Schläuchen 502 entwichen ist. Soweit die Spannleisten 503 nicht vorgespannt sind, befinden sich die Spannleisten 503 bei entwichener Luft in einer Position zwischen den jeweiligen Anschlägen, ohne dass jedoch ein Drehmoment auf die außen liegende Wickelhülse übertragen werden kann.

Werden nunmehr ausgehend von dem Zustand gemäß Fig. 5a die Schläuche 502 mit Druckluft gefüllt, stellt sich der Zustand gemäß Fig. 5b ein, wonach die Spannleisten 503 ausgefahren sind und eine radiale Kraft auf die außen liegende Wickelhülse ausüben können.

Die Spannleisten 503 können sich durchgehend in axialer Richtung über die gesamte Spannwelle erstrecken. Alternativ ist es aber genauso möglich, dass die Spannleisten aus mehreren kleineren Elementen, deren Anzahl so gewählt wird, dass genügend Drehmoment auf die außen liegende Wickelhülse übertragen werden kann. Die Spannwelle 501 selber kann ganz aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt sein oder aber aus einer Hybrid-Struktur mit einem faserverstärktem Kunststoff und einem Metall bestehen.

Bezugszeichenliste Spannwelle

Hohlraum bzw. Spannleiste

Ausrichtung einer ersten Lage von Endlosfasern Ausrichtung einer zweiten Lage von Endlosfasern Spannwelle

Hohlraum bzw. Spannleiste

Ausrichtung einer ersten Lage von Endlosfasern Ausrichtung einer zweiten Lage von Endlosfasern Spannwelle

Hohlraum bzw. Spannleiste

Gerichtete Endlosfasern Spannwelle

Lageranordnung, fest

Lageranordnung, lösbar Spannwelle

pneumatische Schläuche

Spannleiste