DE19961829A1 - Kernrohr zum verbesserten Wickeln und Tragen einer Papierrolle - Google Patents

Abstract

Erfindungsgemäße Kerne für Papier weisen einen Aufbau auf, der Aufwickel- und Abwickel-Spannfuttern ermöglicht, den Innendurchmesser und die Form der inneren Körperwand des Kerns zu deformieren, und dabei einer Deformierung der Kernaußenseite widersteht, um ein Mittenplatzen-Versagen zu verhindern. Die erfindungsgemäßen Kerne für Papier weisen eine mehrlagige Zone aus hochfesten, aber relativ nachgiebigen Papplagen in den äußeren 70% (basierend auf der Gesamt-Körperwanddicke) der Körperwand auf, wobei die Dicke der Zone wenigstens ungefähr 4 mm beträgt. Eine innere Zone, die wenigstens ungefähr 25% der Gesamtdicke der Körperwand bildet, ist aus extrem hochfesten, extrem hochdichten Papplagen gebildet. Die Gesamt-Wanddicke des Kerns ist vorzugsweise ungefähr 15 mm und daher vorzugsweise größer im Vergleich zu der Wanddicke herkömmlicher hochfester breiter Kerne für Papier, die vollständig aus extrem hochfesten, extrem hochdichten, nicht nachgiebigen Papplagen gebildet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Pappkernstruktur bzw. auf ein Pappkernrohr zum Wickeln und Tragen schwerer Rollen von breiten kontinuierlichen Papierbahnen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein mehrschichtiges Pappkernrohr mit einer hohen Flachstauchfestigkeit und Schwingungs- bzw. Ermü­ dungsfestigkeit zum Wickeln und Tragen von Rollen mit konti­ nuierlichen Papierbahnen, die eine Breite von mehr als 254 cm (100 inch) und einen Rollendurchmesser aufweisen, der übli­ cherweise über ungefähr 127 cm (50 inch) liegt.

Breite, schwere Pappkernrohre bzw. Pappkerne zum Tragen brei­ ter und schwerer Papierrollen, die bei hochwertigen Endanwen­ dungen, wie z. B. Tiefdruck, eingesetzt werden, sind so auf­ gebaut, daß sie einen Anforderungssatz an Festigkeitserfor­ dernissen erfüllen, zu denen eine hohe Flachstauchfestigkeit und eine hohe Schwingungs- bzw. Ermüdungsfestigkeit gehören. Diese und weitere Festigkeitsanforderungen sind notwendig, da die Pappkerne innen an ihren Enden durch sich aufweitende bzw. spreizende Spannfutter während der Aufwickel- und der Abwickelvorgänge abgestützt sind, bei denen die auf den Kern aufgewickelte Papierrolle ein Gewicht von mehr als 1.800 kg (2 tons) aufweist, üblicherweise 4.500 kg (5 tons) nahekommt oder überschreitet und eine Breite von üblicherweise zwischen ungefähr 254 cm und 356 cm (100 inch und 140 inch) über­ spannt. Diese Kerne werden derzeit mit zwei Standard-Innen­ durchmesser-Abmessungen 76,2 mm (3 inch) und 152,0 mm (6 inch) in den USA und mit einem Standard-Innendurchmesser von 150,4 mm in Europa geliefert (was dem US-Kern für Papier mit einem Innendurchmesser von 6 inch entspricht).

Das als "Mittenplatzen"(center burst)-Versagen dieser schwe­ ren und breiten Papierrollen bekannte Problem hat die Papier­ industrie seit Jahren behindert bzw. frustriert. Insbesondere Papierrollen, die, wenn sie gewickelt sind, perfekt erschei­ nen, versagen anschließend aus nichtersichtlichen Gründen beim Abwickelvorgang während des Druckens. Die Anzeichen des Mittenplatzen-Versagens sind wohlbekannt und übereinstimmend bzw. reproduzierbar. Papier in dem Abschnitt der Rolle nahe dem Kern und an den Enden der Rolle oberhalb der Abwickel- Spannfutter platzt, und Papierstücke können seitwärts aus der Rolle herausgedrückt werden. Diese Papierstücke erhöhen sig­ nifikant die Wahrscheinlichkeit eines Bahnrisses während des Druckvorganges, was zu kostenintensiven Ausfallzeiten im Druckraum führt. Auch können Papierstücke auf der Oberseite der verbleibenden Bahn liegen und Fehldrucke sowie Qualitäts­ probleme verursachen. Solche zu dem Papierzulieferer zurück­ gesandte fehlerhafte Papierrollen können eine größere Auswir­ kung auf die Profitabilität haben.

Die exakte Ursache für Mittenplatzen-Versagen ist nicht iden­ tifiziert worden. Beispielsweise hat eine Untersuchung von Pappkernen, die Papierrollen mit Mittenplatzen-Versagensde­ fekten tragen, nicht zur Identifizierung irgendwelcher dies­ bezüglicher Defekte in den Kernen geführt. Mittenplatzen-Ver­ sagen tritt bei ungefähr 1-8% der Papierrollen auf, und es ist bekannt, daß die Häufigkeit von Mittenplatzen-Versagen gestiegen ist. Dieser Anstieg ist der Verwendung von breite­ ren und schwereren Papierrollen zugeschrieben worden. Auch sind, im Vergleich zu hochwertigen Papieren bzw. dünnen Qua­ litätspapieren früherer Jahrzehnte, die derzeitigen hochwer­ tigen Papiere bzw. dünnen Qualitätspapiere häufig dünner mit Oberflächen, die eine niedrigere Reibung aufweisen, und haben sie häufig eine geringere Festigkeit aufgrund eines höheren Anteils an recycelten Fasern. Im Ergebnis ist es viel schwie­ riger, eine Wickelspannung aufrechtzuerhalten und eine gleichmäßige Struktur über den gesamten Durchmesser der Pa­ pierrolle hinweg aufzubauen. Mit diesen Problemen haben sich Modifikationen von Papierwickelvorrichtungen befaßt, um ein kontinuierliches Überwachen und eine kontinuierliche Steue­ rung der Papierspannung während des Wickelns zusammen mit dem Aufbringen eines Drehmoments in solch einer Weise vorzusehen, daß ein gewünschtes Profil der Wickelspannung ausgebildet wird. Diese Modifikationen bauen Reibung und Druck in die gewickelte Papierrolle ein, um einen möglichen Schaden an der Papierrolle aufgrund eines Gleitens verschiedener Schichten auf der Rolle während des Transports und des nachfolgenden Abwickelns zu minimieren. Nichtsdestoweniger besteht das Mit­ tenplatzen-Versagen weiter und steigt auch weiter an mit kei­ nem vorhersagbaren Muster oder keiner vorhersagbarer Ursache.

Der Inhaber der vorliegenden Anmeldung hat verschiedene Pappkern-Strukturen und -Techniken entwickelt, um spezifi­ sche Probleme mit Pappkernen, die für spezifische Endverwen­ dungen ausgelegt sind, anzugehen. Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 5,393,582, das am 28. Februar 1995 an Yiming Wang, Monica McCarthy, Terry D. Gerhardt und Charles G. Johnson erteilt wurde, Papprohrstrukturen mit verbesserter Flachstauchfestigkeit. Diese Strukturen betreffen die Verwen­ dung von Zonen oder Schichten aus Papplagen, die in der Rohr­ wand so verteilt sind, daß Papplagen mit geringerer Festig­ keit und geringerer Dichte an den äußeren und inneren Ab­ schnitten der Rohrwand positioniert sind, während Papplagen mit höherer Dichte und höherer Festigkeit im mittleren oder zentralen Abschnitt der Papprohrwand positioniert sind. Das US-Patent Nr. 5,505,395, das am 9. April 1996 an Yanping Qiu und Terry D. Gerhardt erteilt wurde, offenbart Papprohrstruk­ turen, die Probleme der Rohrinnendurchmesser-Deformation an­ gehen, die auftreten, wenn Rohre auf einem Dorn bzw. einer Spindel abgestützt und einer im wesentlichen radialen Druck­ belastung ausgesetzt sind als ein Ergebnis von Garnen oder Folien, die sich sehr stark verkürzen können und auf den Kern unter hoher Spannung aufgewickelt sind. Diese Kernstrukturen betreffen die Verwendung von Zonen mit Papplagen hoher Fes­ tigkeit und hoher Dichte, die in den äußeren und inneren Ab­ schnitten der Rohrwand positioniert sind, wobei Papplagen geringerer Festigkeit und geringerer Dichte im mittleren oder zentralen Abschnitt der Pappwand positioniert sind. Außerdem sind Faktoren, die die radiale Druckfestigkeit von Papprohren beeinflussen, in T. D. Gerhardt "External Pressure Loading of Spiral Tape Paper Tubes: Theory and Experiment", Journal of Engineering Materials and Technology, Vol. 112, Seiten 144-150 (1990), diskutiert.

Obwohl diese und andere Rohrstrukturen und Modifikationen vorgeschlagen worden sind, um spezifische Anforderungen der Endverwendung von Pappkernen zu erfüllen, ist nicht gezeigt worden, daß das Mittenplatzen-Problem, das mit den breiten schweren Papierkernen für breite schwere Papierbahnrollen verbunden ist, durch irgendeine Eigenschaft der Pappkerne oder irgendeinen in diesen ersichtlichen Defekt verursacht wird. Außerdem geben das extreme Gewicht der Papierrollen und die extremen Schwing- bzw. Ermüdungsbeanspruchungen, die auf den Pappkern während Wickelvorgängen aufgebracht werden, vor, daß diese Pappkerne eine hohe Flachstauch- und Schwingungs- bzw. Ermüdungsfestigkeit zeigen, wodurch der Bereich an Kern­ modifikationen begrenzt wird, der für mögliche Kernstruktur­ varianten innerhalb des gewünschten Wanddickenbereiches zur Verfügung steht, um Mittenplatzen-Versagen zu verringern. Mögliche Kernmodifikationen sind ferner dadurch beschränkt, daß die Abschnitte des Pappkerns in der Nähe des Innendurch­ messers aus Papplagen extrem hoher Festigkeit und hoher Dich­ te gebildet sind, aufgrund der sog. "Auskau"-Kräfte des Spann­ futters, die von der Oberfläche des Wickel-Spannfutters auf die Innenfläche des Kerns beim Wickeln aufgebracht werden. Tatsächlich werden aufgrund dieser verschiedenen Anforderun­ gen Pappkerne für breite, schwere Papierrollen herkömmlicher­ weise vollständig aus Papplagen extrem hoher Festigkeit und hoher Dichte konstruiert. Üblicherweise weisen die Papplagen eine Dichte auf, die 0,80 g/cc überschreitet, und eine ausrei­ chende Anzahl von Lagen werden im Fall eines Pappkerns mit einem Innendurchmesser von 150 und 152 mm (6 inch) verwendet, um eine Wanddicke von ungefähr 13 mm (0,512 inch) auszubil­ den, oder im Fall des Pappkerns mit einem Innendurchmesser von 76,2 mm (3 inch) verwendet, um eine Wanddicke von unge­ fähr 16 mm (0,630 inch) auszubilden.

In jüngerer Zeit hat der Inhaber der vorliegenden Anmeldung die herkömmlichen Konstruktionen für Papierwickelkerne modi­ fiziert, um die hinsichtlich der Flachstauchfestigkeit opti­ mierten Konstruktionen einzubauen, die im US-Patent Nr. 5,393,582 offenbart sind, das am 28. Februar 1995 an Yiming Wang, Monica McCarthy, Terry D. Gerhardt und Charles G. Johnson erteilt wurde. Dementsprechend werden bei den derzei­ tigen Konstruktionen für Papierwickelkerne des Inhabers der vorliegenden Anmeldung Zonen mit Papplagen an den äußeren und inneren Abschnitten der Rohrwand eingesetzt, bei denen die Lagendichte im unteren Teil des Hochfestigkeits- bzw. Hoch­ dichtebereiches (0,80 bis 0,92 g/cc) liegt, zusammen mit einer zentralen Zone von Lagen, die eine Dichte im oberen Teil des Hochfestigkeits- bzw. Hochdichtebereiches (0,80 bis 0,92 g/cc) aufweisen. Die Wirksamkeit dieser Kerne hinsichtlich Mitten­ platzen übersteigt allgemein die oder ist zumindest ver­ gleichbar mit der Wirksamkeit konventioneller Papierwickel­ kerne des Wettbewerbs hinsichtlich Mittenplatzen.

Trotz der hohen Festigkeit und der hohen Dauerhaftigkeit der herkömmlichen Pappkernstrukturen und der modifizierten Kern­ strukturen des Inhabers der vorliegenden Anmeldung, und wenn auch die Wickelvorrichtung modifiziert worden ist, um den Aufbau von Papierrollen zu optimieren, dauern nichtsdestowe­ niger die Vorkommnisse von Mittenplatzen-Versagen weiter fort und ist deren Anzahl angestiegen.

Die Erfindung stellt Pappkernstrukturen bzw. -rohre zur Ver­ fügung, die Mittenplatzenfehler in breiten, schweren Papier­ rollen wesentlich reduzieren oder beseitigen können. Den Papp­ kernkonstruktionen der Erfindung liegt eine Identifizierung einer zuvor nicht erkannten Ursache des Mitten- bzw. Kern­ platzen-Versagens sowie neue Modifikationen der Pappkerne zugrunde, um dem neuidentifizierten Problem entgegenzuwirken.

Insbesondere haben die Erfinder herausgefunden, daß während der Wickelvorgänge verwendete Spannfutter den Außendurchmes­ ser und die Außenform des Pappkerns signifikant deformieren. Die Deformation ist jedoch nicht augenscheinlich, da, nachdem das Wickeln beendet und die Spannfutter gelöst sind, der Kern normalerweise in seine Ausgangsgröße und -form zurückkehrt. Da der Durchmesser und die Form des Kerns während des Wickel­ vorgangs deformiert sind, liegt den in die Papierrolle ein­ gebrachten Druck- und Reibungsbeanspruchungen die deformierte bzw. verzerrte Form des Rohrs während des Wickelvorgangs zu­ grunde. Wenn jedoch die Spannfutter nach dem Wickeln außer Eingriff sind und der Kern in seine ursprüngliche Größe und Form zurückkehrt, kann ein signifikanter Anteil der vorteil­ haften Effekte der in die Papierrolle beim Wickeln einge­ brachten Druck- und Reibungsspannungen verloren gehen. Die Verformung des Pappkerns und der während des Wickelns gebil­ deten Papierrolle und die diesbezüglichen Veränderungen der Papierrollenstruktur beim Abnehmen des Kerns von den Wickel­ spannfuttern werden durch weitere nachfolgende variable Span­ nungen verkompliziert, die auf die Papierrolle durch die Ab­ wickel-Spannfutter aufgebracht werden können, die während des Abwickelvorgangs in die Enden des Kerns für Papier eingesetzt werden. Es wird geglaubt, daß die Verformungen des Pappkerns, die durch den Druck der Abwickel-Spannfutter während des Ab­ wickelvorgangs verursacht werden, in einigen Fällen schädli­ che Effekte der beim Wickeln erzeugten Verformungsspannungen verschlimmern können und/oder den Verlust an vorteilhaften Spannungen bei der Abnahme des Kerns von den Wickelspannfut­ tern verschlimmern können, so daß dadurch die Möglichkeit eines Mitten- bzw. Kernplatzen-Versagens erhöht wird. In an­ deren Fällen jedoch können von den Abwickel-Spannfuttern auf die Kernenden aufgebrachte Kräfte zumindest teilweise dem Verlust an nützlichen Spannungen und/oder den Wickelverfor­ mungsspannungen entgegenwirken, die beim Wickelvorgang von dem verformten Kern in die Papierrolle eingebracht werden. Es wird geglaubt, daß die Abhängigkeit des Mitten- bzw. Kern­ platzen-Versagens von diesen getrennten Ereignissen, die mit dem Aufwickeln und Abwickeln zusammenhängen, weiter verrin­ gert wurde mit der Identifikation möglicher Ursachen für Mit­ tenplatzen-Versagen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind Pappkerne für ein Auf­ wickeln von breiten und schweren Papierrollen in Papierfa­ briken modifziert, um die Übertragung von Kräften, die von Aufwickel- und von Abwickel-Spannfuttern auf die Innenseite des Kerns aufgebracht werden, nach außen signifikant zu ver­ ringern oder zu minimieren. Insbesondere sind die erfindungs­ gemäßen Kerne für Papier aufgebaut, um Aufwickel- und Abwi­ ckel-Spannfuttern zu ermöglichen, den Innendurchmesser und die Form der inneren Körperwand des Kerns zu verformen, wobei dieser einer Verformung der Kernaußenseite widersteht, i. e. die entsprechende Verformung der Kernaußenseite ist signifi­ kant geringer oder im wesentlichen minimiert. Die Modifika­ tionen der erfindungsgemäßen Kerne für Papier können erreicht werden, während die Eigenschaften einer hohen Flachstauchfes­ tigkeit und Schwingungs- bzw. Ermüdungsfestigkeit, wie sie für Kerne für Papier gefordert werden, beibehalten werden.

Die gemäß der Erfindung bereitgestellten Pappkernrohre, die einem Mittenplatzen-Versagen entgegenwirken, weisen eine mehrlagige Zone von Papplagen hoher Festigkeit, die jedoch relativ nachgiebig sind, innerhalb der äußeren 70% (basierend auf der Gesamtdicke der Körperwand) der Körperwand auf. Die Zone relativ nachgiebiger, hochfester Papplagen weist eine Dicke von wenigstens ungefähr 4 mm auf. Zusätzlich beträgt die Gesamtwanddicke des Kerns vorzugsweise wenigstens unge­ fähr 15 mm und ist somit vorzugsweise vergrößert im Vergleich zu der Wanddicke herkömmlicher hochfester breiter Kerne für Papier, die vollständig aus extrem hochfesten, extrem hoch­ dichten, nicht nachgiebigen Papplagen gebildet sind.

Vorteilhafterweise weisen die relativ nachgiebigen, hochfes­ ten Papplagen eine Dichte von zwischen ungefähr 0,65 und un­ gefähr 0,75 g/cc auf, vorzugsweise zwischen ungefähr 0,67 und ungefähr 0,73 g/cc auf. Im Fall des Kerns mit einem Innen­ durchmesser von 152 mm in der US-Version und 150 mm in der Europa-Version (6 inch) ist die Zone aus relativ nachgiebi­ gen, hochfesten Papplagen vorzugsweise im mittleren Abschnitt der Pappwand positioniert. Im Fall von Kernen mit einem In­ nendurchmesser von ungefähr 76 mm (3 inch) ist die Zone mit relativ nachgiebigen, hochfesten Papplagen vorzugsweise in den äußeren 50% der Körperwand positioniert, und es ist der­ zeit bevorzugt, daß diese Zone die außenliegenden 40% der Körperwand bildet.

Die verbesserten Kernkonstruktionen bzw. -rohre gemäß der Erfindung reduzieren die durch die Wickel-Spannfutter verur­ sachten Änderungen der Außendurchmesser wesentlich und ver­ ringern auch eine Übertragung schädlicher Kräfte von Ab­ wickel-Spannfuttern auf die Papierrolle. Erfindungsgemäß wird dieses erreicht eher durch eine Zone von etwas nachgiebigeren Papplagen als durch weiteres Verstärken der Kernwand, aus Gründen, die nachfolgend detaillierter erläutert werden. Die bevorzugte vergrößerte Kernwanddicke ermöglicht der Zone aus nachgiebigeren, hochfesten Papplagen wirksam bzw. ergänzt diese wirksam mit dem Ziel, die Gesamt-Flachstauchfestigkeit und -Schwingungsfestigkeit bzw. -Ermüdungsfestigkeit des Papp­ kerns beizubehalten. Darüber hinaus können bevorzugte Ver­ größerungen bei der Wanddicke auch die maximale mögliche bzw. zulässige Wickelgeschwindigkeit während Aufwickel- und Abwickel­ vorgängen (bekannt als kritische Geschwindigkeit) stei­ gern.

In überaus bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weist der Kern für Papier mit einem Innendurchmesser von 150 oder 152 mm (6 inch) eine Gesamtwanddicke von über ungefähr 15 mm, noch bevorzugter ungefähr 16 mm, und daher eine im Vergleich zur Wanddicke von 13 mm, die herkömmlicherweise bei breiten, hochfesten Kernen mit einem Innendurchmesser von 150 oder 152 mm (6 inch) verwendet wird, erhöhte Wanddicke auf. Vorteil­ hafterweise sind die inneren 25-40% der Körperwanddicke aus extrem dichten, hochfesten Papplagen gebildet, bei denen die Dichte im Bereich von ungefähr 0,80 bis ungefähr 0,92 g/cc liegt. Die mittleren 30-35% der Körperwanddicke sind vorzugs­ weise aus hochfesten, nachgiebigeren Papplagen mit einer Dichte zwischen ungefähr 0,65 und 0,75 g/cc geformt. Die äus­ seren 30-35% der Kernwand sind vorzugsweise aus der extrem dichten, hochfesten Pappe gebildet, die zur Bildung der in­ neren Zone der Körperwand, wie oben beschrieben, verwendet werden.

Im Fall eines erfindungsgemäßen Pappkerns mit einem Innen­ durchmesser von 76 mm (3 inch) ist es bevorzugt, daß die in­ neren 55-65% der Kern-Körperwanddicke aus den extrem dichten, hochfesten Papplagen, wie oben beschrieben, geformt sind, und daß die äußeren 35-45% der Wanddicke des Kerns mit einem In­ nendurchmesser von 76 mm (3 inch) aus den oben beschriebenen hochfesten, nachgiebigeren Papplagen gebildet sind. Die Kerne mit einem Innendurchmesser von 76 mm (3 inch) weisen vorzugs­ weise eine Wanddicke von ungefähr 17-19 mm im Vergleich zur herkömmlichen Wanddicke von 15 mm auf, die bei Kernen für Papier mit einem Innendurchmesser von 76 mm (3 inch) verwen­ det werden.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann ein Teil der hochfesten, nachgiebigeren Papplagen mit den extrem hochfesten Papplagen in den inneren 30% der Kern-Kör­ perwand gemischt werden. Nichtsdestoweniger sind in dieser Ausführungsform ausreichende, extrem hochfeste Papplagen in den inneren 30% der Kern-Körperwand vorgesehen, so daß wenigs­ tens die Hälfte der Lagen in diesem Abschnitt der Körperwand extrem hochfeste Lagen sind; und alle oder im wesentlichen alle Lagen, die die inneren 15% der Körperwand bilden, sind extrem hochfeste Lagen. Die Gesamt-Körperwanddicke über­ schreitet ungefähr 15 mm; die Gesamtdicke der Lagen im Be­ reich mit niedrigerer Dichte, hoher Festigkeit, jedoch Nach­ giebigkeit überschreitet ungefähr 5 mm; und die Gesamtdicke von Lagen im Bereich extrem hoher Dichte überschreitet unge­ fähr 9 mm.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen bei­ spielsweise noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Teil-Perspektivansicht eines Aufwickel-Spannfutters, dargestellt im Querschnitt, das in das Ende eines herkömmlichen Kerns für Papier eingesetzt ist und einen Teil einer Papierrolle trägt, wobei vergrößert dargestellt ist, daß die Tragelemente des Wickel-Spannfut­ ters den Außendurchmesser und die Außen­ form des Pappkerns deformieren;

Fig. 2 eine schematische Teil-Perspektivansicht eines Abwickel-Spannfutters (dargestellt in einer Querschnittsansicht) von unter­ schiedlicher Ausbildung im Vergleich zu dem in Fig. 1 dargestellten Aufwickel- Spannfutter, wobei das Abwickel-Spannfut­ ter in das Ende eines Pappkerns einge­ setzt ist und einen Teil einer Papierrol­ le trägt und dargestellt ist, daß die Tragelemente des Abwickel-Spannfutters mit dem Inneren des Pappkerns in einer Anordnung in Eingriff stehen, die ent­ sprechend anders ist als der Eingriff des Aufwickel-Spannfutters aus Fig. 1 mit dem Kern;

Fig. 3 eine schematische Perspektivansicht eines herkömmlichen Pappkerns für Papier und die variierende Deformation des Außen­ durchmessers und der Außenform des Kerns in drei unterschiedlichen Zonen längs der Länge des Kerns als ein Ergebnis der von einer herkömmlichen Wickelvorrichtung aufgebrachten Kraft;

Fig. 4 eine teilweise weggebrochene Quer­ schnittsansicht, die schematisch einen erfindungsgemäßen bevorzugten Pappkern darstellt;

Fig. 5 eine Teil-Querschnittsansicht, die das Zusammenwirken zwischen dem in Fig. 4 dargestellten bevorzugten Kern und den Tragelementen eines Aufwickel- oder Ab­ wickel-Spannfutters darstellt;

Fig. 6 eine teilweise weggebrochene Quer­ schnittsansicht, die einen weiteren er­ findungsgemäßen bevorzugten Pappkern für Papier darstellt; und

Fig. 7 eine teilweise weggebrochene Quer­ schnittsansicht, die noch einen weiteren erfindungsgemäßen vorteilhaften Pappkern für Papier darstellt.

Die vorliegende Erfindung wird nun nachfolgend vollständiger mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. Diese Erfindung kann jedoch in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert sein und sollte nicht als beschränkt auf die hier beschriebenen Ausführungsformen angesehen werden; vielmehr werden diese Ausführungsformen angegeben, damit diese Offenbarung sorgfältig und vervollständigt ist und den Rahmen der Erfindung Fachleuten vollständig vermittelt. Glei­ che Bezugszeichen beziehen sich immer auf gleiche Elemente.

Fig. 1 zeigt einen Wickelvorgang mit einem herkömmlichen Kern für Papier, wobei ein Teil einer Papierrolle 10 als auf einem herkömmlichen Pappkern 12 getragen dargestellt ist, der wiederum in seinen inneren Endabschnitten von einem Wickel- Spannfutter 14 abgestützt ist, das eine Mehrzahl von radial vorragenden Tragelementen 16 aufweist. Wie Fachleuten wohl­ bekannt ist, können die Tragelemente 16 radial einwärts und radial auswärts durch verschiedene wohlbekannte (nicht darge­ stellte) Mechanismen bewegt werden, um ein Montieren des Pappkerns 12 auf dem Spannfutter 14 und ein Ineingriffkommen des Spannfutters 14 mit dem Pappkern 12 zu ermöglichen.

Insbesondere kann der Pappkern, wenn die Tragelemente 16 sich in einer (nicht dargestellten) radial zurückgezogenen Stel­ lung befinden, koaxial auf das Spannfutter 14 montiert wer­ den. Ein Zurückziehen der Tragelemente 16 bei Beendigung eines Aufwickelvorganges ermöglicht auch die Abnahme des Pappkerns 12 und der vollen Papierrolle 10 vom Spannfutter 14. Andererseits liegen die Tragelemente, wenn die Tragele­ mente 16 radial nach außen vorragen, mit Kraft an der Innen­ fläche des Pappkerns 12 an, so daß eine Rotation des Spann­ futters 14 auch den Kern 12 rotieren läßt.

Die herkömmlichen Spannfutter 14 erstrecken sich axial nur einen Teil in die Enden des Kerns 12 hinein, üblicherweise über eine Länge von zwischen ungefähr 51 mm (2 inch) und un­ gefähr 127 mm (5 inch). Aufgrund des extrem hohen Gewichtes der Papierrolle 10 (i. e. mehr als 1.800 kg (2 tons, 4000 lbs), wobei üblicherweise 4.500 kg (5 tons, 10.000 lbs) er­ reicht oder überschritten werden) und auch aufgrund deren beträchtlichen Länge (üblicherweise zwischen ungefähr 2,5 m (100 inch) und 3,6 m (142 inch)) und ferner aufgrund des be­ trächtlichen Drehmoments, das vom Spannfutter 14 auf den her­ kömmlichen Pappkern 12 übertragen werden muß, sind die Trag­ elemente 16 des Spannfutters 14 ausgelegt, um sich radial nach außen aufzuweiten bzw. zu spreizen. Die Tragelemente 16 werden durch Druck von einem Drehmoment-Aktivierungsmechanis­ mus nach außen getrieben, der die Tragelemente 16 um eine Strecke nach außen drückt, die ausreicht, um mit der Innen­ fläche des Kerns in Eingriff zu kommen.

Der herkömmliche Pappkern 12, der zum Aufwickeln von breiten, schweren Papierrollen in Papierfabriken eingesetzt wird, ist vollständig aus einer Mehrzahl von Lagen extrem hochdichter, extrem hochfester Pappe gebildet. Üblicherweise ist der her­ kömmliche Kern mit einem Innendurchmesser von 152 mm (6 inch) aus ungefähr 20-25 Lagen Pappe von extrem hoher Dichte und hoher Festigkeit geformt, das bedeutet, die Pappe weist eine Dichte auf, die üblicherweise größer ist als ungefähr 0,80 g/cc und bis ungefähr 0,92 g/cc hinaufreicht.

Es wurde von den Erfindern der vorliegenden Erfindung er­ kannt, daß die extrem hohe Dichte der Papplagen, die zur Bil­ dung des herkömmlichen Kerns für breite, schwere Papierrollen verwendet werden, solch eine hohe Dichte ist, daß eine Ab­ sorption der auf den herkömmlichen Pappkern 12 aufgebrachten Spannfutterkräfte durch Zusammendrücken der Wand des Papp­ kerns 12 theoretisch begrenzt ist. Dementsprechend haben die Erfinder Experimente entworfen, bei denen eine Mehrzahl von Miniatur-Dehnungsmeßstreifen auf die Oberfläche eines herkömm­ lichen Wickelkerns aufgebracht sind, um die Effekte des her­ kömmlichen Wickel-Spannfutters 14, wie z. B. des in Fig. 1 dargestellten, auf einen herkömmlichen Pappkern 12 während eines Echtzeit-Wickelvorganges zu messen. Als ein Ergebnis dieser Tests wurde herausgefunden, daß die Außenseite der Pappkerne während des Wickelvorganges signifikant deformiert wurden. Die Deformierung des Pappkerns an seinen Enden ist in Fig. 1 dargestellt. Insbesondere wirken die Tragelemente 16 mit dem entsprechenden darüberliegenden Teil des herkömmli­ chen Pappkerns, dargestellt in Fig. 1 gezeigten Bereich 20, derart zusammen, daß diese Teile des Kerns nach außen gebogen sind, was die Form des Kerns sich zu der Form eines Quadrates (oder eines anderen Polygons) entwickeln läßt, wie in Fig. 1 dargestellt. Aufgrund der extrem hohen Dichte des Pappkerns erzeugt daher die Deformierung der Innenform des Kerns durch die Tragelemente 16 eine entsprechende Deformie­ rung der Außenseite des Kerns 12. Die Bereiche 22 der Papier­ rolle 10, die über den vorragenden Bereichen 20 des Pappkerns 12 liegen, werden ihrerseits um ein größeres Maß nach außen gedrückt als die Bereiche 24 der Rolle 10, die nicht über einem Tragelement 16 des Spannfutters 14 liegen.

Es wurde auch herausgefunden, daß, wenn der Wickelvorgang beendet worden ist und die vollständig gewickelte Papierrolle 10, die von dem herkömmlichen Wickelkern 12 getragen wird, vom Spannfutter 14 abgenommen ist, die signifikanten an der Oberfläche des Pappkerns 12 beobachteten Umfangsspannungen nachlassen bzw. geringer werden. Als eine praktische Auswir­ kung bedeutet dies, daß der Pappkern 12 zu seiner ursprüngli­ chen Kreisform zurückkehrt. Daher können die Bereiche 22 der Papierrolle 10, die auf die Oberseite der vorragenden Teile 20 des Pappkerns 12 aufgewickelt sind, die vorteilhaften Ef­ fekte von Radial- und Reibungsspannungen verlieren, die sich während des Aufwickelvorganges entwickelt haben und die wie­ derum dabei unterstützen können, die Unversehrtheit der Rolle bis zum Abwickelvorgang aufrechtzuerhalten. Außerdem wird geglaubt, daß in einigen Fällen die Bereiche 22 der Papier­ rolle 10 auch schädliche Effekte als ein Ergebnis unter­ schiedlichen Drucks beim Aufwickeln, entsprechend der defor­ mierten Außenform des Pappkerns zurückbehalten können.

Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, in der dargestellt ist, daß, wenn die Papierrolle 10 vom Endverbraucher, i. e. vom Drucker, verwendet wird, der zuvor deformierte Pappkern 12 in seinen Innenenden von einem Abwickel-Spannfutter 34 gestützt ist. In vielen Fällen jedoch ist die Auslegung und die Konstruktion der Abwickel-Spannfutter 34 vollständig an­ ders als die Konstruktion der Aufwickel-Spannfutter 14. Die­ ses ist nur zur Erläuterung durch die Darstellung dreier Tragelemente 36 in dem Abwickel-Spannfutter 34 gezeigt, im Gegensatz zu den vier Tragelementen 16 im Aufwickel-Spannfut­ ter 14.

Während des Abwickelns bringt die Aufweitung bzw. Spreizung der Tragelemente 36 des Abwickel-Spannfutters 34 eine be­ trächtliche Radialkraft auf den Innendurchmesser und daher auf den Außendurchmesser des zuvor deformierten Pappkerns 12 auf, wie durch Kraftlinien 38 angegeben. Aufgrund von Unter­ schieden zwischen den Konstruktionen des Aufwickel- und des Abwickel-Spannfutters oder zwischen der Lage der Rollenenden in Bezug auf die Spannfutter-Tragelemente während der unter­ schiedlichen Aufwickel- und Abwickel-Vorgänge kann die Aus­ senseite des Kerns an den Enden ein beträchtlich unter­ schiedliches Muster an Kräften auf die Papierrolle beim Ab­ wickeln übertragen (dargestellt in Fig. 2 als dreiseitig verteilte Kräfte) im Vergleich zu den Kräften, die auf die Papierrolle durch den deformierten Kern beim Aufwickeln auf­ gebracht werden.

In einigen Fällen kann der Teil des Pappkerns 20, der während des in Fig. 1 dargestellten Aufwickelvorgangs nach außen deformiert wurde, während des Abwickelns an einer Stelle, bezeichnet als Stelle 40 in Fig. 2, zwischen zwei vorragen­ den Tragelementen 36 positioniert sein und nicht länger über den vorragenden Tragelementen liegen, wie dies während des Aufwickelns der Fall war, i. e. bei dem der Teil über den in Fig. 1 dargestellten Tragelementen 16 liegt. Dementsprechend kann eine signifikante radiale Druckentlastung in einer sol­ chen Situation zwischen dem Kern und dem Papier in der Rolle 10 in den Bereichen 42 auftreten, die über dem zuvor vorra­ genden Teil des Pappkerns liegen. In ähnlicher Weise können Bereiche 44 der Papierrolle 10, die über den vorragenden Tragelementen 36 des Abwickel-Spannfutters 34 liegen, Berei­ chen 24 der in Fig. 1 dargestellten Papierrolle entsprechen, die zwischen, und nicht über, den vorragenden Tragelementen 16 des Aufwickel-Spannfutters 14 positioniert waren. Dieses kann zu einem Aufbringen von Spannungen auf die Papierrolle führen, die in Umfangsrichtung in einem signifikant anderen Muster im Vergleich zu Aufwickelspannungen verteilt sind, wodurch alle schädlichen Effekte, die in der Papierrolle als ein Ergebnis der beim Aufwickeln aufgebrachten Deformations­ spannungen zurückbehalten sind, verschlimmert werden. Ande­ rerseits können, falls die Tragelemente 36 des Abwickel-Spann­ futters 34 mit der Papierrolle in einer Weise ausgerichtet sind, die im wesentlichen der ursprünglichen Ausrichtung der Tragelemente 16 des Aufwickel-Spannfutters 14 während des Aufwickelvorgangs entspricht, die von dem Abwickel-Spannfut­ ter 34 auf die Papierrolle aufgebrachten Spannungen mögli­ cherweise Schäden mildern, die aus dem Verlust an vorteilhaf­ ten Radial- und Reibungs-Aufwickelspannungen herrühren, der beim Lösen der Aufwickel-Spannfutter eingetreten ist (wie früher beschrieben).

Die Schwingungs- bzw. Ermüdungsspannungen, die auf die Pa­ pierrolle an ihren Enden während des Aufwickelns aufgebracht sind, schließen das Vorhandensein von Schwingungs- bzw. Er­ müdungs-Scherspannungen (axiales Gleiten der die Papierrolle bildenden Bahn zwischen den Schichten) an den Enden der Rolle ein. Da außerdem die Schwingungs- bzw. Ermüdungsspannungen nach 100-200 mm nach außen auf die Papierrolle aufgewickeltem Papier wesentlich reduziert sind, ist die Schwingungs- bzw. Ermüdungs-Scherspannung im allgemeinen nur an den inneren Ab­ schnitten der Papierrolle vorhanden, i. e. an den Abschnitten der Papierrolle, in denen das Papier durch Mittenplatzen-Ver­ sagen einer Papierrolle während eines Druckvorganges beschä­ digt ist.

Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen, in der die deformier­ te Gestalt des Pappkerns beim Aufwickeln dargestellt ist. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, weist der breite Pappkern 10 drei Zonen längs seiner Länge auf, zu denen zwei Endabschnit­ te 50 und ein längerer Mittelabschnitt 52 gehören. Wie allge­ mein in Fig. 3 dargestellt ist, tritt die Umfangsdeformation des Kerns allgemein in den Endabschnitten 50 des Kerns auf, wohingegen der Mittelabschnitt 52 des Kerns nicht deformiert ist, da das Spannfutter 14, wie in Fig. 1 dargestellt, sich nur in die Endabschnitte 50 des Kerns hinein erstreckt, wie in Fig. 3 dargestellt. Wie allgemein in Fig. 3 dargestellt, ragen die Teile 20 des Kerns, die über einem vorragenden Tragelement 16 des in Fig. 1 dargestellten Aufwickel-Spann­ futters 14 liegen, mehr nach außen als die Bereiche 24 der Endabschnitte 50 des Kerns, die zwischen den Bereichen 20 angeordnet sind. Dementsprechend wird die Komplexität der Druck- und der Reibungskräfte, die beim Aufwickeln auf den Abschnitt der Papierrolle nahe dem Kern aufgebracht werden, aus der deformierten Kerngestalt, die allgemein in Fig. 3 dargestellt ist, deutlich werden.

Fig. 4 zeigt einen bevorzugten Kernaufbau gemäß der vorlie­ genden Erfindung. Der in Fig. 4 dargestellte Kernaufbau 100 der Erfindung ist der derzeit bevorzugte Aufbau für erfin­ dungsgemäße Kerne für Papier, mit einem Innendurchmesser von 150 oder 152 mm (6 inch). Wie in Fig. 4 dargestellt, weist die Wand des Kerns 100 drei mehrschichtige Zonen 102, 104 und 106 auf, die nacheinander von dem inneren Abschnitt der Wand des Kerns 100 bis zum äußeren Abschnitt der Wand des Kerns 100 angeordnet sind. Jede der drei Zonen 102, 104 und 106 weist eine Mehrzahl von Papplagen 102a, 104a bzw. 106a auf. Die Lagen 102a in der Zone 102 sind aus einer extrem hoch­ dichten, extrem hochfesten Pappe gebildet, d. h. die Pappe weist eine Dichte von mehr als ungefähr 0,80 g/cc, vorteil­ hafterweise zwischen ungefähr 0,80 g/cc und ungefähr 0,92 g/CC, auf und weist vorzugsweise eine Dichte von ungefähr 0,82 g/cc oder höher, und ganz besonders bevorzugt eine Dich­ te im Bereich von zwischen ungefähr 0,82 und 0,90 g/cc auf.

Dichten von Pappe werden für die Zwecke der Erfindung ent­ sprechend den Standardtests TAPPI 220 und 411 bestimmt. Gemäß diesen Tests wird die Pappe vollständig konditioniert bzw. vorbehandelt bei 22,8° plus oder minus 0,556°C (73° plus oder minus einem Grad F) und bei 50% plus oder minus 2% relative Feuchtigkeit, bis sie Gleichgewicht erreicht. Danach werden wenigstens fünf Pappeproben hinsichtlich Dicke und Fläche ge­ messen und gewogen. Die Dichte wird dann bestimmt, indem das Gewicht in Gramm durch das Volumen in Kubikzentimeter geteilt wird.

Es wird nun wieder auf Fig. 4 Bezug genommen, in der darge­ stellt ist, daß die mehreren Lagen 106a, die die Zone oder Schicht 106 der Wand des Kerns 100 bilden, wie in Fig. 4 dargestellt, auch vorteilhafterweise aus extrem hochdichter, ex-trem hochfester Pappe gebildet sind, wie oben in Verbin­ dung mit Zone 102 in Fig. 4 beschrieben wurde. Die mehreren Lagen 104a, die die zentrale oder mittlere Zone 104 der Wand des Pappkerns 100 bilden, sind aus einer hochfesten, jedoch relativ nachgiebigen Pappe gebildet, i. e. aus einer Pappe mit einer Dichte zwischen ungefähr 0,65 und ungefähr 0,75 g/cc, besonders bevorzugt zwischen ungefähr 0,67 und ungefähr 0,73 g/cc. Die ganz außenliegende Lage oder ganz außenliegenden Lagen 110, die wahlweise angeordnet ist bzw. sind, kann bzw. können eine Lage oder mehreren Lagen sein (i. e. eine Lage oder drei Lagen, üblicherweise eine Lage oder zwei Lagen), die sich unterscheiden von den extrem hochdichten, extrem hochfesten Papplagen der Zone 102 und sich ebenfalls unter­ scheiden von den hochfesten, aber relativ nachgiebigen Papp­ lagen der Zone 104. In dieser Hinsicht ist anzumerken, daß äußere Lagen von Wickelkernen häufig gewählt werden, um der Außenseite des Kernkörpers verschiedene reibungswirksame oder dekorative Oberflächenaspekte zu verleihen; und/oder um den Herstellungsvorgang zu verbessern, z. B. einen Spiralwickel- oder einen linearen Ziehvorgang; und/oder um die Adhäsion der Außenschicht zu verbessern; wie Fachleuten deutlich werden wird. In ähnlicher Weise können die innerste Lage oder Lagen 111 des Kernkörpers in der Weise und aus den Gründen variiert werden, wie sie oben mit Bezug auf die Lage oder Lagen 110 beschrieben wurden.

Aus den unten in Verbindung mit Fig. 5 beschriebenen Gründen weist die Zone 104 der Wand des in Fig. 4 dargestellten Kerns eine Dicke 114 von vorzugsweise wenigstens ungefähr 4 mm auf. Besonders bevorzugt weist die Zone 104 eine Dicke 114 auf, die größer ist als ungefähr 4,5 mm, vorzugsweise größer ist als ungefähr 5 mm, besonders bevorzugt zwischen ungefähr 4, 5 und 6,5 mm liegt. Derzeit ist es bevorzugt, daß die Zone 104 eine Dicke von zwischen ungefähr 5 und ungefähr 6 mm, besonders bevorzugt ungefähr 5,6 mm aufweist. Es ist eben­ falls bevorzugt, daß die Zone 104, gebildet aus den nachgie­ bigen hochfesten Papplagen, zwischen ungefähr 25 und 40% der Gesamtwanddicke des Kerns, vorzugsweise zwischen ungefähr 30 und 35% der Wanddicke, bildet.

Die Zonen 102 und 106, die aus den extrem hochdichten, extrem hochfesten Papplagen gebildet sind, weisen jeweils eine Dicke 116 bzw. 118, auf, die zwischen ungefähr 25 und ungefähr 40% der Gesamtwanddicke des Kerns 100 bildet. Vorzugsweise bildet jede Zone 102 und 106 zwischen ungefähr 30 und 35% der Ge­ samtwanddicke des Kerns 100. Es ist derzeit bevorzugt, daß jede der Zonen 102 und 106 eine Dicke 116 bzw. 118 aufweist, die ungefähr 33% der Gesamtwanddicke des Kerns 100 bildet.

Fig. 5 zeigt in einem vergrößerten Detail, wie die Kern­ strukturen der Erfindung mit den radial sich spreizenden Tragelementen 16 eines herkömmlichen Spannfutters 14 zusam­ menwirken. Insbesondere, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, verursacht eine radiale Auswärtsspreizung der Tragelemente 16 eine Deformation der innersten Zone 102, die aus extrem hoch­ dichten, extrem hochfesten Papplagen gebildet ist, aus einer zylindrischen Ausbildung heraus. Daher wird jeder der Teile 120a der Zone 102 der Kernkörperwand nach außen gedrückt, um "Ecken- oder Scheitelpunkte" einer quadratähnlichen oder po­ lygonzugähnlichen Form zu bilden. Da jedoch die mehreren Lagen 104a der Zone 104 relativ nachgiebiges und weniger dichtes Pappmaterial sind, können die Teile 120b der Zone 104, die über den Tragelementen 16 liegen, die gesamte oder einen wesentlichen Anteil der radial nach außen gerichteten Aufweitung des Teils 120a der inneren Zone 102 der Körperwand des Kerns 100 absorbieren. Der Teil 120c der äußeren Zone 106 der Wand des Kerns 100 ist vorzugsweise nur um ein minimales Maß radial nach außen aufgeweitet bzw. gespreizt aufgrund der Absorption der Formänderungsarbeit durch die Zone 104.

Allgemein und besonders bei dem Aufbau der Pappkerne mit einem Innendurchmesser von 150 oder 152 mm (6 inch), wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt, ist es bevorzugt, daß eine Zone mit extrem hochfester, extrem hochdichter Pappe, i. e. die Zone 106 in Fig. 4, auswärts der Zone 104 mit relativ nachgiebiger, hochfester Pappe positioniert ist. Es wird ge­ glaubt, daß dieses die Absorption der durch die Tragelemente 16 bewirkten radialen Aufweitung durch die Zone 104 verbes­ sert, ohne eine wesentliche Außenverformung des Kernkörpers 100 zu verursachen.

Aufgrund der extrem hohen Dichte der Papplagen, die die in­ nere und die äußere Zone 102 bzw. 106 der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Körperwand 100 bilden, drückt die radiale nach außen gerichtete Spreizung der Tragelemente 16 des Spannfutters 14 (wie in Fig. 5 dargestellt) die Dicke 116 der inneren Zone 102 oder die Dicke 118 der äußeren Zone 106 der Körperwand nicht signifikant zusammen. Da jedoch die Zone 104 aus einer relativ nachgiebigen Pappe niedriger Dichte gebildet ist, kann die Dicke 114 der Zone 104 zusammenge­ drückt werden, insbesondere in denjenigen Teilen 120b der Zone 104, die über den nach außen sich spreizenden Tragele­ menten 16 des Spannfutters 14 liegen. Im allgemeinen sind die Gesamtdicke und die Anzahl an Lagen in der relativ nachgiebi­ gen Zone 104 so ausgewählt, daß sie eine Absorption der Auf­ weitungs- bzw. Spreizungsstrecke der Spannfutter-Tragelemente 16 ermöglichen. Auf diese Weise kann dort, wo Pappmaterialien mit niedriger Dichte im unteren Abschnitt des bevorzugten Be­ reiches zur Bildung der Zone 104 gewählt werden, die Gesamt­ dicke der Zone 104 geringer sein als im Vergleich zu dem Zu­ stand, bei dem Pappmaterialien höherer Dichte im bevorzugten Bereich zur Bildung der Zone 104 gewählt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Gesamtanzahl von Lagen, die zur Bildung der Körperwand des Kerns 100 ver­ wendet wird, wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt, im Be­ reich von ungefähr 25 bis ungefähr 35 Lagen, vorzugsweise von ungefähr 28 bis ungefähr 32 Lagen. Im allgemeinen werden die Lagen höherer Dichte üblicherweise eine kleinere Dicke im Vergleich zu den Lagen niedrigerer Dichte aufweisen. Bei­ spielsweise kann die Körperwand des Kerns 100 vorteilhafter­ weise aus einer Mehrzahl von extrem hochdichten, extrem hoch­ festen Papplagen, die jeweils eine Gesamtdicke von ungefähr 0,56 mm (0,022 inch) aufweisen, und einer Mehrzahl von rela­ tiv nachgiebigen, hochfesten Papplagen mit einer Dicke von ungefähr 0,64 mm (0,025 inch) geformt sein.

Fachleute werden sehr wohl verstehen, daß die Dicke und Dichte von Papplagen in einem weiten Bereich variiert werden kann. Vorzugsweise werden die bei der Erfindung eingesetzten Papplagen jeweils eine Dichte zwischen ungefähr 0,65 und un­ gefähr 0,92 g/cc, besonders bevorzugt zwischen ungefähr 0,67 und ungefähr 0,90 g/cc, aufweisen. Die Festigkeit und Dichte der Pappe werden im allgemeinen durch Variieren der Pulpe- Behandlung, durch Variieren des Grades des Klemmdruckes bzw. des Druckes im Walzenspalt und durch Variationen der die Pul­ pe bildenden Rohmaterialien variiert. Dichten und Festigkei­ ten von Pappe können auch geändert werden, indem verschiedene bekannte Additive und die Festigkeit erhöhende Mittel während des Papierherstellungsvorganges verwendet werden. In dem hier beschriebenen Zusammenhang brauchbare Papplagen werden übli­ cherweise eine Dicke in dem Bereich zwischen ungefähr 0,51 mm (0,020 inch) und ungefähr 0,89 mm (0,035 inch), und insbeson­ dere zwischen ungefähr 0,56 mm (0,022 inch) und ungefähr 0,76 mm (0,030 inch), aufweisen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Anzahl zuvor nicht erkannter Probleme und ursächlicher Fak­ toren, die mit dem Mittenplatzen-Problem verbunden sind. In signifikanter Weise wird die Festigkeit extrem hochdichter, extrem hochfester Papplagen, wie sie normalerweise zur Bil­ dung der Körperwand von breiten Kernen für Papier verwendet werden, zum großen Teil durch eine Hochdruck-Kompression einer Papierpulpe hoher Qualität gewonnen. Jedoch behält die resultierende hochdichte, hochfeste Pappe eine extrem geringe Kapazität für eine weitere Kompression, i. e. für eine weitere Dickenreduktion. Dementsprechend beruht die vorliegende Er­ findung auf der Verwendung einer Mehrzahl von relativ starken Papplagen, die jedoch immer noch die Kapazität für eine wei­ tere Kompression und Dickenreduktion aufweisen. Daher können die hochfesten Papplagen niedriger Dichte, die in der vorlie­ genden Erfindung verwendet werden, eine beträchtliche Menge der radialen Aufweitung bzw. Spreizung der Tragelemente eines herkömmlichen Spannfutters absorbieren, um dadurch der radia­ len Aufweitung entgegen zu wirken, die andernfalls in einer entsprechenden Größe an die Außenseite des Pappkerns übertra­ gen werden würde.

Fig. 6 zeigt einen bevorzugten Kernaufbau der Erfindung, wie er auf einen Kern für Papier, mit einem Innendurchmesser von 76 mm (3 inch), angewendet wird. Der in Fig. 6 dargestellte Kern weist zwei Zonen auf, eine innere Zone 202 und eine äus­ sere Zone 204. Die innere Zone 202 ist aus einer Mehrzahl extrem hochdichter, extrem hochfester Papplagen 202a gebil­ det, während die äußere Zone 204 aus einer Mehrzahl von hoch­ festen, aber relativ nachgiebigen Lagen 204a gebildet ist. Bei dem in Fig. 6 dargestellten Kernaufbau ist die Zone hochfester, aber relativ nachgiebiger Pappschichten 204 vor­ teilhafterweise in den äußeren 50% der Körperwand des Papp­ kerns positioniert. Vorzugsweise weist die Zone 204 eine Dicke 214 auf, die ungefähr 30 bis ungefähr 45% der Körper­ wanddicke bildet, ganz besonders bevorzugt zwischen ungefähr 35 und 45% der Wanddicke, z. B. ungefähr 40% der Wanddicke. In ähnlicher Weise weist die innere Zone 202 eine Dicke 216 auf, die ungefähr 50% bis ungefähr 70% der Körperwanddicke bildet, ganz besonders bevorzugt zwischen ungefähr 55% und 65% der Wanddicke, z. B. ungefähr 60% der Wanddicke.

Wenn die hochfesten, eine relativ nachgiebige Dichte aufwei­ senden Papplagen in einer Zone an oder nahe der Außenseite der Körperwand positioniert sind, wie in dem in Fig. 6 dar­ gestellten Aufbau, ist es bevorzugt, daß die Gesamtdicke 214 der Zone wenigstens ungefähr 5 mm beträgt, vorzugweise von ungefähr 6 bis ungefähr 9 mm. Eine bevorzugte Dicke 214 für die Zone 204 des in Fig. 6 dargestellten Pappkern-Aufbaus mit einem Innendurchmesser von 76 mm (3 inch) beträgt unge­ fähr 6,8 bis ungefähr 7,2 mm. Die derzeit bevorzugte Gesamt­ wanddicke des in Fig. 6 dargestellten Pappkerns mit einem Innendurchmesser von 76 mm (3 inch) beträgt ungefähr 17 bis ungefähr 19 mm.

Zusätzlich kann der Kern 200 aus Fig. 6 wahlweise eine äus­ serste Lage oder Lagen 210 aufweisen, die zu den extrem hoch­ dichten, extrem hochfesten Papplagen der Zone 202 unter­ schiedlich sind, und auch zu den hochfesten, aber relativ nachgiebigen Papplagen der Zone 204 unterschiedlich sind. Die äußere Lage oder Lagen 210 werden, wenn sie vorhanden sind, in der Weise und aus den Gründen variiert, die oben in Ver­ bindung mit der Lage oder den Lagen 110 aus Fig. 4 beschrie­ ben wurden, wie Fachleuten deutlich sein wird. In ähnlicher Weise können die innerste Lage oder Lagen 211 des Kernkörpers 200 aus Fig. 6 in der Weise und aus den Gründen variiert werden.

Noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt. Der Kern für Papier aus Fig. 7 ist vorteil­ hafterweise ein Kern für Papier mit einem Innendurchmesser von 150 mm oder 152 mm (6 inch). Der in Fig. 7 dargestellte Kern weist fünf Zonen auf, eine innere Zone 302, eine äußere Zone 312, eine zentrale Zone 306 sowie zwei Zonen 304 und 308, die zwischen der inneren und der zentralen Zone bzw. zwischen der äußeren und der zentralen Zone positioniert sind. Bei dem Kernaufbau aus Fig. 7 ist die innere Zone 302 aus einer Mehrzahl extrem hochdichter, extrem hochfester Papp­ lagen 302a gebildet, während die äußere Zone 312 ebenfalls aus einer Mehrzahl extrem hochfester Papplagen 312a gebildet ist. In ähnlicher Weise ist die zentrale Zone 306 aus einer Mehrzahl extrem hochfester, extrem hochdichter Papplagen ge­ bildet. Die Zonen 304 und 308 sind jeweils aus einer Mehrzahl relativ nachgiebiger hochfester Papplagen 304a bzw. 308a nie­ driger Dichte gebildet.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Pappkernaufbau bilden die innere und die äußere extrem hochfeste, hochdichte Zone 302 bzw. 312 jeweils ungefähr ein Sechstel der Gesamtdicke des Wandaufbaus. Gleichfalls bilden jeweils die Pappzonen 304 und 308, die aus relativ nachgiebigen hochfesten Papplagen nied­ riger Dichte gebildet sind, ungefähr ein Sechstel der Ge­ samtdicke der Pappkörperwand. Die zentrale Zone 306, die aus extrem hochfesten, extrem hochdichten Papplagen gebildet ist, weist vorzugsweise eine Dicke von ungefähr einem Drittel der Dicke der Körperwand auf. Die Körperwand weist vorzugsweise eine Gesamtdicke von wenigstens ungefähr 15 mm auf. Der Kern 300 aus Fig. 7 kann wahlweise eine äußerste Lage oder Lagen 310 aufweisen, die anders als die extrem hochdichten, extrem hochfesten Papplagen der Zonen 302, 312 und 306 sind, und auch unterschiedlich zu den hochfesten, aber relativ nachgie­ bigen Papplagen der Zonen 304 und 308 sind. Die äußere Lage oder Lagen 310 werden, wenn sie vorhanden sind, in der Weise und aus den Gründen variiert, die oben in Verbindung mit der äußeren Lage oder den äußeren Lagen aus den Fig. 4 und 6 beschrieben wurden, wie Fachleuten deutlich sein wird. In ähnlicher Weise können die innerste Lage oder Lagen 311 des Kernkörpers 300 aus Fig. 7 in der Weise und aus den Gründen variiert werden.

Der in Fig. 7 dargestellte Pappkernaufbau ist derzeit nicht bevorzugt; er bietet jedoch beachtliche Festigkeitseigen­ schaften, während die Deformation der Kernaußenseite beim Aufbringen einer signifikanten Radialkraft auf das Kerninnere wesentlich verringert ist.

Die breiten, hochfesten Pappkerne der Erfindung weisen allge­ mein eine Länge auf, die größer als ungefähr 2,5 m (100 inch) ist, üblicherweise größer als ungefähr 3 m (120 inch) ist, insbesondere ungefähr 3,6 m (142 inch) oder größer ist. Vor­ teilhafterweise weisen die Pappkerne eine minimale Körper­ wanddicke von ungefähr 13 mm und bevorzugt eine Gesamt-Kör­ perwanddicke von wenigstens ungefähr 15 mm oder größer auf. Ganz besonders bevorzugt überschreitet die Gesamt-Körperwand­ dicke die herkömmliche Körperwanddicke, die für einen hoch­ festen Pappkern mit entsprechendem Innendurchmesser verwendet wird. Daher wird die Körperwanddicke des in den Fig. 4 und 5 dargestellten Kerns mit einem Innendurchmesser von 152 mm (6 inch) vorzugsweise ungefähr 15 mm überschreiten, und daher die Standard-Körperwanddicke 13 mm überschreiten. In ähnli­ cher Weise wird die Körperwanddicke des in Fig. 6 darge­ stellten Kerns mit einem Innendurchmesser von 76 mm (3 inch) vorzugsweise die herkömmliche Körperwanddicke von 15 mm bei Kernen mit einem Innendurchmesser von 76 mm (3 inch) über­ schreiten.

Die Verwendung einer Gesamt-Körperwanddicke, die die Körper­ wanddicke eines herkömmlichen breiten, hochfesten Pappkerns mit demselben oder vergleichbaren Innendurchmesser über­ schreitet, bietet mehrere signifikante Nutzen und Vorteile. Insbesondere kompensiert ein Erhöhen der Körperwanddicke die Verwendung einer kleineren Menge (i. e. einer kleineren Anzahl von Lagen) von extrem hochdichten, extrem hochfesten Papp­ lagen im Vergleich zu den herkömmlichen Aufbauarten, während immer noch eine Flachstauchfestigkeit ausgebildet wird, die mit der Flachstauchfestigkeit der herkömmlichen Aufbauarten vergleichbar ist oder diese überschreitet. Allgemein werden die Pappkerne der vorliegenden Erfindung eine extrem hohe Flachstauchfestigkeit von wenigstens ungefähr 3.500 N/100 mm (200 lbs/in) aufweisen. Beispielsweise weist ein herkömmli­ cher hochfester Pappkern mit einem Innendurchmesser von 152 mm (6 inch), der vollständig aus extrem hochdichten, extrem hochfesten Papplagen gebildet ist, eine Flachstauchfestigkeit von ungefähr 3.500 N/100 mm (200 lbs/in) auf. Ein bevorzugter Pappkern mit einem Innendurchmesser von 152 mm (6 inch), wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt, kann ohne weiteres eine Gesamt-Wanddicke von 16 mm (0,630 inch) aufweisen und ist daher um einen Betrag von ungefähr 3 mm dicker als der her­ kömmliche Aufbau, was folglich eine Erhöhung von 23% der Wanddicke darstellt. Jedoch sind nur ungefähr 65-70% der Ge­ samt-Wanddicke in diesem Fall aus extrem hochfester, extrem hochdichter Pappe gebildet; daher ist der in den Fig. 4 und 5 dargestellte Aufbau vorzugsweise nur aus ungefähr 80% der extrem hochfesten, extrem hochdichten Pappe gebildet, wie sie zur Bildung des herkömmlichen Aufbaus verwendet werden würde. Nichtsdestoweniger kann der in den Fig. 4 und 5 dargestellte bevorzugte Pappkernaufbau ohne weiteres eine Flachstauchfestigkeit von ungefähr 3.850 N/100 mm (220 lbs/- in) aufweisen. Außerdem vermindert der in den Fig. 4 und 5 dargestellte bevorzugte Aufbau die Größe der Außendurchmes­ ser-Aufweitung des Kerns bei einem Spannfuttereingriff um ungefähr 30%, verglichen mit einem herkömmlichen Kern.

In ähnlicher Weise können die bevorzugten Aufbauarten für Kerne mit einem Innendurchmesser von 76 mm (3 inch), wie in Fig. 6 dargestellt, ohne weiteres eine 25%ige Kernplatzen- Verbesserung (Reduzierung der Größe der Außendurchmesser-Auf­ weitung des Kerns bei Spannfutter-Eingriff) aufweisen im Ver­ gleich zu dem herkömmlichen Aufbau mit 15 mm Wanddicke. Nichtsdestoweniger kann die Flachstauchfestigkeit der in Fig. 6 dargestellten bevorzugten Aufbauarten ohne weiteres ungefähr 5.425 N/100 mm (312 lbs/in) sein, im Vergleich zu der herkömmlichen Flachstauchfestigkeit von ungefähr 5.250 N/100 mm (300 lbs/in) für einen Kern mit einem Innendurch­ messer von 76 mm (3 inch) und einer Körperwanddicke von 15 mm. Außerdem sind die Schwingungs- bzw. Ermüdungsfestigkeits­ eigenschaften des in Fig. 6 dargestellten Pappkerns vor­ zugsweise vergleichbar mit der Schwingungs- bzw. Ermüdungs­ festigkeit des herkömmlichen Kerns mit vergleichbarem Innen­ durchmesser oder überschreiten diese.

Die Verwendung größerer Wanddicken gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht auch das Erreichen einer höheren zuläs­ sigen Rotationsgeschwindigkeit oder "kritischen Geschwindig­ keit". Dementsprechend können die bevorzugten erfindungsge­ mäßen Pappkerne mit Geschwindigkeiten rotieren, die ungefähr 3 bis ungefähr 5% größer als die kritische Rotationsgeschwin­ digkeit herkömmlicher Kernstrukturen sind. Vorzugsweise wird die Steigerung der Rotationsgeschwindigkeit durch Verwendung einer Gesamt-Körperwanddicke erreicht, die größer als unge­ fähr 15 mm in jeder Ausführungsform der Erfindung ist. Die mit den bevorzugten Strukturen bzw. Aufbauarten verbundene größere Wanddicke erhöht den Kernaußendurchmesser. Der ver­ größerte Außendurchmesser führt zu einer niedrigeren Rota­ tionsgeschwindigkeit für jede Bahngeschwindigkeit während des Aufwickelns und des Abwickelns. Auf diese Weise wird die Leis­ tung bezüglich der kritischen Geschwindigkeit verbessert. Beispiele erfindungsgemäßer, derzeit bevorzugter Wickelkerne für Papier weisen die nachstehend angegebenen Konstruktionen auf:

Konstruktion 1

Innendurchmesser: 150,4 mm; Außendurchmesser: 182,4 mm; Wand­ dicke (geschätzt): 16 mm

Konstruktion 2

Innendurchmesser: 78,7 mm; Außendurchmesser: 110,7 mm; Wand­ dicke (geschätzt): 17 mm

Konstruktion 3

Innendurchmesser: 76 mm (3 inch); Außendurchmesser (ge­ schätzt): 84,5 mm (3,72 inch); Wanddicke (geschätzt): 18,2 mm (0,717 inch)

Konstruktion 4

Innendurchmesser: 152 mm (6 inch); Außendurchmesser (ge­ schätzt): 168,4 mm (6.63 inch); Wanddicke (geschätzt): 16,1 mm (0,633 inch)

Konstruktion 5

Innendurchmesser: 15,2 mm (6 inch); Außendurchmesser (ge­ schätzt): 168,4 mm (6.63 inch); Wanddicke (geschätzt): 16,1 mm (0,633 inch)

Ein Fachmann, den diese Erfindung betrifft, wird viele Modi­ fikationen und andere Ausführungsformen der Erfindung in Er­ wägung ziehen, die den Nutzen der in den vorstehenden Be­ schreibungen und zugehörigen Zeichnungen angegebenen Lehren aufweisen. Daher versteht es sich, daß die Erfindung nicht auf die spezifischen offenbarten Ausführungsformen beschränkt werden darf und daß Modifikationen und andere Ausführungsfor­ men im Rahmen der beigefügten Ansprüche enthalten sein sol­ len. Obwohl spezifische Ausdrücke hier verwendet werden, wer­ den diese nur in einem allgemeinen und beschreibenden Sinn und nicht zur Beschränkung verwendet.

Claims (17)

1. Mehrlagiger Pappkern zum Tragen einer Rolle aus einer brei­ ten, kontinuierlichen Papierbahn, mit:

• - einer mehrlagigen Pappkernkonstruktion (12), deren Länge größer als ungefähr 255 cm (100 inch) ist und die von einer allgemein zylindrischen Körperwand mit einer Dicke von wenigstens ungefähr 15 mm gebildet ist;
• - wobei die Körperwand eine radial innere mehrlagige Zone (102, 202, 302 + 306) aufweist, die wenigstens ungefähr 25% der Gesamtdicke der Körperwand bildet und im wesent­ lichen Papplagen mit jeweils einer Dichte von mehr als ungefähr 0,80 g/cc aufweist; und mit
• - einer zweiten mehrlagigen Zone (104, 204, 308) in den radial äußeren 70% der Gesamtdicke der Körperwand, wobei die zweite Zone im wesentlichen aus Papplagen mit je­ weils einer Dichte zwischen ungefähr 0,65 und ungefähr 0,75 g/cc gebildet ist und eine Dicke von wenigstens ungefähr 4 mm aufweist.

2. Pappkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Papplagen in der inneren mehrlagigen Zone (102, 202, 302 + 306) jeweils eine Dichte zwischen ungefähr 0,82 und 0,90 g/cc aufweisen.

3. Pappkern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Papplagen in der zweiten mehrlagigen Zone (104, 204, 308) jeweils eine Dichte zwischen ungefähr 0,67 und 0,73 g/cc aufweisen.

4. Pappkern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere mehrlagige Zone (102, 202) zwischen ungefähr 30 und 35% der Gesamtdicke der Körperwand bildet.

5. Pappkern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite mehrlagige Zone (104, 204) eine Dicke zwischen ungefähr 30 und 35% der Gesamtdicke der Körperwand aufweist.

6. Pappkern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite mehrlagige Zone (204) eine Dicke zwischen un­ gefähr 40 und 50% der Gesamtdicke der Körperwand aufweist.

7. Mehrlagiger Pappkern zum Tragen einer Rolle aus einer brei­ ten, kontinuierlichen Papierbahn, mit:

• - einer mehrlagigen Pappkernstruktur (12), die eine Länge größer als 255 cm (100 inch) aufweist und von einer all­ gemein zylindrischen Körperwand gebildet ist, deren Dicke wenigstens ungefähr 15 mm und deren Innendurchmes­ ser ungefähr 152 mm (6 inch) beträgt;
• - wobei die Körperwand eine radial innere mehrlagige Zone (102) aufweist, die ungefähr 25% bis ungefähr 35% der Gesamtdicke der Körperwand bildet und im wesentlichen Papplagen aufweist, deren Dichte jeweils ungefähr 0,80 g/cc überschreitet;
• - einer zweiten mehrlagigen Zone (104) in einem mittigen Teil der Körperwand, wobei die zweite Zone im wesentli­ chen Papplagen mit einer jeweiligen Dichte zwischen un­ gefähr 0,65 und 0,75 g/cc aufweist, zwischen ungefähr 35% und ungefähr 45% der Gesamtdicke der Körperwand bil­ det und eine Dicke von wenigstens ungefähr 4 mm auf­ weist; und
• - einer dritten mehrlagigen Zone (106) in einem radial äußeren Teil der Körperwand, wobei die dritte Zone im wesentlichen Papplagen mit einer jeweiligen Dichte grös­ ser als ungefähr 0,80 g/cc aufweist und zwischen unge­ fähr 30% und ungefähr 35% der Gesamtdicke der Körperwand bildet.

8. Pappkern nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Papplagen in der radial inneren mehrlagigen Zone (102) jeweils eine Dichte zwischen ungefähr 0,82 und 0,90 g/cc aufweisen.

9. Pappkern nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Papplagen in der zweiten mehrlagigen Zone (104) je­ weils eine Dichte zwischen ungefähr 0,67 und 0,73 g/cc auf­ weisen.

10. Pappkern nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die innere mehrlagige Zone (102) ungefähr 33% der Gesamt­ dicke der Körperwand bildet.

11. Pappkern nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite mehrlagige Zone (104) eine Dicke von ungefähr 33% der Gesamtdicke der Körperwand aufweist.

12. Mehrlagiger Pappkern zum Tragen einer Rolle aus einer brei­ ten, kontinuierlichen Papierbahn, mit:

• - einer mehrlagigen Pappkernstruktur (12), die eine Länge größer als ungefähr 255 cm (100 inch) aufweist und von einer allgemein zylindrischen Körperwand gebildet ist, deren Dicke wenigstens ungefähr 15 mm und deren Innen­ durchmesser ungefähr 76,2 mm (3 inch) beträgt;
• - wobei die Körperwand eine radial innere mehrlagige Zone (202) aufweist, die wenigstens ungefähr 50% der Gesamt­ dicke der Körperwand bildet und im wesentlichen Pappla­ gen mit jeweils einer Dichte größer als ungefähr 0,80 g/cc aufweist; und mit
• - einer zweiten mehrlagigen Zone (204) in den radial äuße­ ren 50% der Körperwanddicke, wobei die zweite Zone (204) im wesentlichen Papplagen mit einer jeweiligen Dichte zwischen ungefähr 0,65 und 0,75 g/cc sowie eine Dicke von wenigstens ungefähr 5 mm aufweist.

13. Pappkern nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Papplagen in der radial inneren mehrlagigen Zone (202) jeweils eine Dichte zwischen ungefähr 0,82 und 0,90 ­ g/cc aufweisen.

14. Pappkern nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Papplagen in der zweiten mehrlagigen Zone (204) je­ weils eine Dichte zwischen ungefähr 0,67 und 0,73 g/cc auf­ weisen.

15. Pappkern nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die innere mehrlagige Zone (202) ungefähr 55 bis ungefähr 65% der Gesamtdicke der Körperwand bildet.

16. Pappkern nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite mehrlagige Zone (204) eine Dicke zwischen un­ gefähr 35 und ungefähr 45% der Gesamtdicke der Körperwand aufweist.

17. Pappkern nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Körperwand eine Gesamtdicke von ungefähr 16 mm oder mehr aufweist.