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Verfahren zur Herstellung von porösen Formkörpern aus Kunststoff Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von porösen Formkörpern
aus gegebenenfalls mit Glasfascrn verst.irktem und mittels Nadeln perforiertem Kunststoff
zum Durchblasen, Absaugen oder Filtrieren von gasförmigen oder flüssigen Medien.
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Als poröse Formkörper für die angegebenen Zwecke hat man bislang
hauptsächlich poröse Metallbleche benutzt, die aus ìs1ctallpulvern zusammengesintert
werden. In (gewissem Umfang erfüllen sie die an sie gestellten Forderungen. Ihr
Hauptnachteil besteht jedoch darin, daß sie mit der Zeit verstopfen, da die ganz
unregelmiißige Form der Poren zu viele Versperrungsmöglichkeiten für z. B. Staubteilchen
geben. Außerdem werden die feineren Poren beim Eindringen von Wasser infolge der
Kapillarität auf längere Zeit hin undurchlässig.
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Neuerdings geht man dazu über, die Poren in Metallbleche zu stanzen
oder zu bohren. Bei beiden Verfahren ist es schwierig. Porendurchmesser unter (,5
mm herzustellen. Da diese Schwierigkeiten mit wachsender Blechstärke zunehmen. so
ist die Blechstärke normalerweise nicht größer als der Porendurchmesser. Naturgemäß
ist es kaum möglich, mit derartig dünnen Blechen wellenfreie Oberflächen herzustellen.
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Sehr feinc Poren lassen sich beim Durchstechen geeigneter Materialien,
z. B. von Tuchbespannungen, mit Nadeln erreichen. Es ist jedoch klar, daß eine poröse
Tuchbespannung für tcchnische Anwendungen mit größeren Festigkeitsforderungen nicht
in Frage kommt.
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Das gleiche gilt für die bekannten Verfahren, bei denen z. B. mittels
einer oszillierenden Nadelreihe oder mittels einer mit Nadeln besetzten Walze eine
weiche Kunststoff- oder Gummifolie durchstochen wird. Die Besonderheiten dieser
Verfahren, wie Nadelheizung oder Anwendung eines Funkenüberschlags od. ä., können
hier unberücksichtigt bleiben, da alle Verfahren biegeschlaffe Folien voraussetzen,
die ohne weiteres durchstochen werden können. Für viele Zwecke kommen derartige
poröse Folien nicht in Frage. Es bleibt also das Problem, eine genügend biegesteife
Oberfläche großer Festigkeit mit sehr vielen und sehr feinen Poren zu schaffen,
die sich einerseits in technisch brauchbarer Weise herstellen läßt und andererseits
auch gegen Verstopfungen hinreichend betriebssicher ist.
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Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren werden erfindungsgemäß die
Nadeln in den zu einer Fläche ausgebreiteten flüssigen Kunststoff eingetaucht und
erst nach dem Verfestigen des Kunststoffes aus diesem wieder herausgezogen. Hierbei
wird die Fläche zwecksmäßig nicht nur längs einer Linie. sondern auf einer größeren
Fläche von vielen Nadeln gleichzeitig durchstoßen. Dazu können die Nadeln zuvor
in besonderen Nadelstreifen, die als Einstechwerkzeuge dienen. zusammengefaßt werden.
Nach dem Aushärten des Kunststoffes werden die Streifen aus der Kunststofffläche
herausgezogen und hinterlassen einen genauen und glattwandigen Abguß ihrer Form.
Das wesentliche dieses Vorganges besteht darin. daß beim genauen Abguß der Nadelform
die Schwankungen des kleinsten Porendurchmessers, d. h. an der Spitze der im allgemeinen
konischen Porenform ebenso klein gehalten werden können wie die Herstellungstoleranzen
der Nadeln.
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Als Kunststoffflächen sollen z. B. glasfaserverst irkte Polyesterkunstharzflächen
Verwendung finden. Zur Herstellung derartiger Flächen bzw. Platten tränkt man ein
geeignetes (Glasfaser-) Gewebe mit dem im flüssigen Zustand vorliegenden Kunststoff.
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Da der Phasenwechsel des Kunststoffes vom fiüssigen in den festen
Zustand Zeit erfordert. so ist im Gegensatz zur üblichen Anwendung von Nadeln ein
kurzzeitiges Einstechen und Herausziehen nicht möglich. Die Nadelstreifen bestehen
ähnlich wie die bekannten Kratzenbeläge von Textilmaschinen aus riemenartigen Streifen,
in denen eine große Zahl von Nadeln fest eingebettet ist.
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An Hand der Zeichnung wird das erfindungsgefäße Verfahren weiter
erläutert.
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Fig. ] zeigt einen Nadelstreifen, in den die oberen Enden der Nadeln
eingebettet sind;
Fig. 2 zeigt das untere Ende einer Nadel in vergrößertem
Maßstab; Fig. 3 veranschaulicht die Herstellung eines Nadelstreifens gemäß Fig.
1 in kleinerer Darstellung; Fig. 4 zeigt einen Nadelstreifen gemäß einer anderen
Ausführungsform; Fig. 5 veranschaulicht die Herstellung gewölbter poröser Kunststoffflächen;
Fig. 6 zeigt eine poröse Oberfläche für Absaugezwecke als Teil einer Sandwich-Bauweise;
Fig. 7 zeigt im Schnitt eine Kunststoffplatte, die aus drei Schichten gebildet ist
und deren mittlere Schicht Querkanäle aufweist; Fig. 7 a ist ein Schnitt nach der
LinieVIla-VIIa der Fig. 7.
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Fig. 8 und 9 zeigen rohrförmige Körper, welche aus mehreren Schichten
gebildet sind.
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Bei der Ausführungsform der Fig. 1 sind die Nadeln 1 in dem Nadelstreifen
2 gehalten, der aus einer Kunstharzschicht besteht. An dem eingebetteten Ende der
Nadeln 1 ist eine Quetschstelle 9 erkennbar, durch welche ein besserer Halt der
Nadeln in dem Kunstharz erreicht wird.
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Damit die Nadeln die gesamte Stärke der Kunststoffschicht durchdringen
können, wird (vgl. Fig. 5) die Kunststoflfläche 3 nicht direkt auf einer harten
Unterlage 4, sondern auf einer dünnen und weichen Zwischenschicht 5 ausgebreitet,
in welche die Nadelspitzen eindringen können. Infolge der konischen Form der Nadeln
1 (vgl. Fig. 1 und 2) bestimmt die Stärke der weichen Zwischenschicht die Größe
der Porenöffnungen auf einer Seite der Kunststoffiläche.
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Damit z. B. geringe Unterschiede in der Einstechtiefe der Nadeln
nicht zu großen Änderungen im Porendurchmesser führen, werden vorteilhaft Nadeln
besonderer Form verwendet, wie eine in Fig. 2 gezeigt ist. An eine möglichst kurze
Kegelspitze, die in die Zwischenschicht eindringen soll, schließt sich ein Schaft
mit einem zunächst kleinen Kegelwinkel an, der langsam auf einen größeren Kegelwinkel
übergeht und schließlich wieder in ein zylindrisches Stück ausläuft. An die Konstanz
des Nadeldurchmessers im Bereich der Nadelspitze sind hohe Anforderungen zu stellen.
Eine Schwankung des Porendurchmessers von 50/0 führt zur Änderung der Porenfläche
von rund 100in, wodurch der notwendige Beschleunigungsdruck zum Ansaugen einer bestimmten
Absaugemenge schon um etwa 20°/o schwankt.
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Wesentlich ist, daß der Porendurchmesser im Verhältnis zur Wandstärke
der Kunststoffschicht klein ist, wodurch sich die gewünschte steife und feste Wand
ergibt. Außerdem sollen bei dem gemäß der Erfindung hergestellten porösen Formkörper
viele Poren vorhanden sein. Die Porenform soll genau der Nadelform entsprechen.
Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die Nadeln nach dem Phasenwechsel
des Kunstharzes genau entgegengesetzt zur Einstichrichtung herausgezogen werden.
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Ein besonderer Vorzug des neuen Verfahrens liegt in der Unabhängigkeit
des Porendurchmessers von der Schichtdicke. So kann z. B. ein Porendurchmesser von
etwa 0,1 mm ohne weiteres mit einer Schichtdicke von etwa 10 mm kombiniert werden.
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Derartig dicke poröse Flächen ermöglichen infolge hoher Biegesteifigkeit
praktisch wellenfreie Oberflächen und können trotzdem leicht und fest aufgebaut
werden, wie ein unten näher erläutertes Beispiel (vgl. Fig. 7) zeigt.
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Da die Poren glattwandig sind und im allgemeinen eine konische Form
haben, so wird die Verstopfungsgefahr mindestens so gut vermieden wie bei gebohrten
Metallblechen. Staubteilchen, die in die Poren eindringen, können sich dort infolge
der glatten Wand und der konischen Form der Poren nicht mehr verklemmen. Dringt
Wasser in die Poren, so ist die Kapillarspannung bei Porendurchmessern von etwa
0,2 bis 0,5 mm mit einer Druckdifferenz von etwa 150 bis 60 kg m2 zu überwinden.
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Die als Stechwerkzeug dienenden Nadelstreifen können in folgender
Weise hergestellt werden (vgl. Fig. 3): Die Nadeln 1 werden in ähnlicher Weise wie
bei ihrer Herstellung maschinell ausgerichtet, geordnet und dann mit gewünschten
Abständen gefedert in eine weiche Halteschicht 6 eingestochen. Zur besseren Führung
kann diese Schicht, die z. B. aus unelastischen Schaumkunststoffen besteht und mit
einer kerbfesten Folie 7 bedeckt ist, in eine Halterung 8 aus festem Material eingebettet
werden. Die harte Innenseite der Halterung dient zur Ausrichtung der Nadeln in einer
Ebene. Anschließend erhält der Nadelstreifen eine geeignete Berandung und wird dann
von der Folienseite her mit einem metallklebenden Kunstharz überschichtet. Die Kunstharzschicht
2 (vgl. Fig. 1) dient zur endgültigen Fixierung der Nadeln, die sicherheitshalber
eine Quetschstelle 9 erhalten. Die Folie 7 dichtet das zunächst flüssige Kunstharz
2 gegen die Halteschicht 6 ab und erlaubt nach der Aushärtung ein einwandfreies
Entfernen der Halteschicht 6. Um die mechanischen Eigenschaften des Nadelstreifens
zu verbessern, kann man an Stelle des reinen Kunstharzes auch eine Verstärkung z.
B. mit Glasfaserschichten vorsehen.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 sind die dort gezeigten Nadeln
17 mit im Durchmesser runden Schäften 18 versehen, die aneinandergelegt und durch
eine Kunstharzschicht 19 miteinander verbunden sind. Durch das Aneinanderlegen der
zylindrischen Schäfte 18 ergibt sich für die im Durchmesser wesentlich dünneren
vorderen Nadelenden der erforderliche genaue Abstand. Eine maschinelle Ausrichtung
der Nadeln ist dann nicht mehr erforderlich.
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Bevor man die Nadelstreifen, wie vorstehend (Fig. 5) beschrieben,
benutzt, werden die Nadeln in ein Trennwachs (z. 13. Paraffin) getaucht, um sie
nachträglich leicht aus der porösen Kunststofffläche herausziehen zu können. Zum
gleichen Zweck kann man auch ein gabelähnliches Gerät zu Hilfe nehmen, dessen Zinken
als Keile zwischen Nadelstreifen und poröser Fläche eindringen können. Infolge der
Elastizität der Nadeln 1 und des Haltestreifens 2 ist es nicht notwendig, die Nadelstreifen
genau senkrecht herauszuziehen, vielmehr ist ein kleiner und unvermeidlicher Trennwinkel
durchaus zulässig. Es ist klar, daß sich schmale Nadelstreifen leichter wieder herausziehen
lassen als breite. Fig. 5 gibt eine Vorstellung davon, wie durch mehrere schmale
Nadelstreifen auch gewölbte Kunststoffflächen porös gemacht werden können. Ein weiterer
Vorzug des Verfahrens liegt darin, daß die Nadelstreifen praktisch keinen Verschleiß
zeigen und immer wieder verwendet werden können. Man benötigt daher nur eine begrenzte
Zahl von Nadelstreifen. Die hier beschriebene poröse Wandung kann natürlich durch
Anwendung von Nadelstreifen auf Walzen oder unendlichen Bändern mit dem Verfahren
zur kontinuierlichen Herstellung von glasfaserverstärkten
Kunststoffplatten
kombiniert werden, so daß die Herstellungskosten weit niedriger sein können als
bei anderen vergleichbaren porösen Oberflächen.
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Fig. 6 zeigt, wie eine poröse Oberfläche für Absaugezwecke als Teil
einer Sandwich-Bauweise benutzt wird. Dabei bildet die feinporöse Kunstsoffschicht
3 die Außenhaut z.B. eines Flügels. Die größere Öffnung der konischen Poren zeigt
zur Innenseite des Flügels. Die poröse Haut 3 wird durch einen wabenartigen Stützkern
10 gegen die gelochte Haut 11 gestützt. Durch die Löcher der Haut 11, deren Abstände
dem Wabenmuster entsprechen, tritt die abgesaugte Luft in das Flügelinnere.
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Der Nachteil dieser Konstruktion liegt darin, daß jeweils die Poren
an den Klebstellen verstopft werden und sich dadurch die Wabenstruktur des Stützkerns
bei laufender Absaugung auch der außen vorbeiströmenden Reibungsschicht aufprägt.
Die poröse Fläche ist damit vermutlich nicht mehr aerodynamisch glatt. Baut man
die poröse Fläche erfindungsgemäß nach Art der Fig. 7, so läßt sich dieser Nachteil
vermeiden. Zum Unterschied gegenüber der einfachen porösen Fläche 3 werden jetzt
zwei mit Kunststoff getränkte Glasfaserschichten 12 und 13 mit einem besonders vorbereiteten
Stützkern 14 verbunden und mit Hilfe der Nadelstreifen als Ganzes vor der Aushärtung
des Kunststoffes durchstochen. Der Stützkern 14, der z. B. aus einem harten Schaumkunststoff
bestehen kann, ist vor der Verarbeitung mit Einschnitten 15 versehen, deren Abstand
dem Nadelabstand genau entspricht. Beim Einstechen sollen die Nadeln in die Einschnitte
treffen. Die Einschnitte 15 wirken dann als Querkanäle und sorgen dafür, daß die
Poren der Innenhaut 13 auf einer gewissen Breite z. B. durch eine konstruktive notwendige
Auflage 16 verstopft sein können, ohne daß damit auch die darüberliegenden Poren
der Außenhaut 12 in Mitleidenschaft gezogen werden. Sind nämlich die Querschnitte
der lnnenhautporen und die der Querkanäle groß gegenüber den Querschnitten der Außenhautporen,
so wird die Verteilung des Absaugedruckes an der Außenhaut durch eine Verstopfung
einiger Poren der Innenhaut praktisch nicht geändert. Diese Wirkung kann durch kreuzweise
Einschnitte noch verbessert werden. Damit kann unter anderem die harte Kernschicht
14 auch doppelt gekrümmten Flächen angepaßt werden. Da eine derartig aufgebaute
poröse Fläche bereits für sich allein eine Sandwich-Bauweise mit hoher Steifigkeit
darstellt, so wird ihre Stützweite wesentlich größer als bei der einfachen porösen
Fläche 3.
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Für die Herstellung rohrförmiger Körper, die eine gute Absaugung
gestatten und eine genügende Festigkeit aufweisen, wird vorteilhaft auf einer aus
Glasfaser und flüssigem Kunststoff gebildeten Grundfläche ein Füllmaterial, z.B.
ein Schaumkunststoff, aufgebracht und damit verbunden. Das Füllmaterial ist mit
Längsrillen versehen. Nach dem Durchstoßen dieser Flächen in den Rillen mit einem
Nadelkissen wird die auf diese Weise gewonnene Platte zu einem zylindrischen Körper
mit dem Füllmaterial nach außen gebogen. Anschließend werden entweder zylindrisch
geformte Überlegstreifen mit Abstand voneinander auf den Grundkörper aufgebracht,
oder dieser wird mit einer ebenfalls zylindrischen, ohne Unterbrechung durchlaufenden
porösen Fläche aus Glasfasergewebe und Kunststoff umgeben. Fig. 8 zeigt die eine
und Fig. 9 die andere Ausführungsform.
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Bei beiden Ausführungsformen ist 20 die aus Glasfaser und Kunststoff
gebildete Grundschicht und 21 das mit Einschnitten versehene Füllmaterial. Über
diese zweite Schicht sind nach dem Verformen zu einem zylindrischen Körper bei der
Ausführungsform nach Fig. 8 die Ringe 22 mit Abstand voneinander aufgebracht, so
daß für das Absaugen Schlitze 23 frei bleiben. Die Ringe 22 bestehen z. B. aus Glasfasergewebe.
das nachträglich mit Kunststoff getränkt ist.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 9 ist eine poröse Fläche 24 auf
die beiden Schichten 20 und 21 aufgebracht. Da ein Teil der Poren der oberen Fläche
24 über den Schlitzen der Mittelschicht 21 zu liegen kommt, ist auch bei dieser
Ausführungsform eine Absaugung möglich.
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Es sei ferner darauf hingewiesen, daß das hier erläuterte Verfahren
auch die Möglichkeit bietet, die Achsrichtung der Poren schräg zur Oberfläche der
Formkörper anzuordnen, was in Sonderfällen, z. B. beim Ausblasen, aber auch beim
Einsaugen großer Luftmengen, Vorteile bietet. Weiterhin bestehen für derartige poröse
Flächen durch die Kombination feiner konisch geformter Poren in Verbindung mit einem
hochfesten korrosionssicheren Material aussichtsreiche Verwendungsmöglichkeiten
als Filtermaterial bei der Wasserreinigung. Gemäß der Erfindung hergestellte Platten
oder Wandungen können auch sonst bei der Wasseraufbereitung vorteilhaft Verwendung
finden.