DE4035534A1 - Verfahren zum herstellen eines rotors fuer verdraengermaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Rotors für Verdrängermaschinen.

Rotationsverdrängermaschinen zum Verdichten von Gasen und zum Pumpen von Fluiden haben zwei Rotoren mit sich im Verzahnungseingriff abwälzenden Profilen, wobei diese Profile entweder mit gerader Verzahnung, bei­ spielsweise für Gebläse, oder mit schraubenförmiger Verzahnung, beispielsweise für Schraubenverdichter, vorliegen. Die Rotoren sind längliche Körper von über die gesamte Länge im wesentlichen konstantem Ver­ zahnungsprofil, wobei sich die Querschnittsform des Profils über die Länge drehen kann.

Versuche, die Rotore im Spritzgußverfahren herzu­ stellen, sind weitgehend fehlgeschlagen, weil aufgrund der chemischen Reaktion und des nachfolgenden Abkühlens ein Materialschwund entsteht, bei dem sich die komplexe Form des Rotorkörpers in undefinierter Weise verändert. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Materialstärke im Rotorkörper wegen der Flügelform örtlich sehr unter­ schiedlich ist und daß an dickwandigen Stellen der Materialschwund viel größer ist als an dünnwandigen Stellen. Von Rotoren für Verdrängermaschinen wird eine extrem hohe Maßhaltigkeit gefordert, weil die zusammen­ wirkenden komplementär geformten Rotoren den Dichtspalt bilden. Es hat sich herausgestellt, daß mit der üblichen Spritzgußtechnik keine den gestellten Anforde­ rungen entsprechende Maßhaltigkeit der Rotorkörper erreichbar ist.

DE 39 03 067 A beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für Verdrängermaschinen, bei dem ein poly­ merer Werkstoff in eine Negativform des Rotors einge­ füllt wird, so daß der Werkstoff von unten nach oben in der Negativform ansteigt, bis er diese schließlich aus­ füllt. Der polymere Werkstoff wird anschließend in der Form gehärtet und der Rotor wird schließlich aus der Form entnommen. Die Besonderheit dieses bekannten Ver­ fahrens liegt darin, daß beim Einfüllen des Polymer­ materials in die Gießform eine schlagartige Erwärmung erfolgt und daß die Reaktion des Kunststoffs in der Gießform von unten nach oben abläuft, wodurch im Falle von Materialschwund flüssiger Kunststoff nachfließt. Bei diesem bekannten Verfahren kann auch in die Gieß­ form eine Verstärkungseinlage eingestellt werden, die später in dem fertigen Rotor enthalten ist. Das bekannte Verfahren läßt jedoch nur die Verwendung einer im wesentlichen ringförmigen oder ellipsenförmigen Verstärkungseinlage zu, die die Rotorwelle nach Art eines Gürtels umgibt und nicht das gesamte Rotorvolumen erfassen kann.

Die Rotoren von Verdrängermaschinen sind beim Betrieb einer hohen mechanischen und ggf. auch thermischen oder chemischen Belastung ausgesetzt. Sie müssen daher eine große mechanische Festigkeit haben, die mit den üblichen thermoplastischen Kunststoffen nicht erreicht werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für Verdrängermaschinen anzugeben, mit dem Rotoren mit extrem hoher und örtlich gleichmäßiger Festigkeit herstellbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Plattenmaterial aus faserverstärktem Kunststoff herge­ stellt. Aus dem Plattenmaterial werden Scheiben, welche der Querschnittsform des Rotors entsprechen, heraus­ getrennt. Diese Scheiben werden zu einem Schichtstapel in eine Negativform eingebracht und schließlich unter Anwendung von Wärme zusammengepreßt. Die Erwärmung erfolgt über die Erweichungstemperatur des Kunststoffs hinaus, so daß die Kunststoffkomponenten der Scheiben ineinander verlaufen und miteinander verschmelzen. Jede der Scheiben enthält eine Struktur aus Verstärkungs­ fasern, die sich im gesamten Scheibenvolumen erstreckt. Der aus dem Scheibenstapel hergestellte Rotor enthält dann die Verstärkungsfasern, die das gesamte Rotor­ volumen einnehmen.

Der fertige Rotor besteht aus einer Kunststoffmatrix mit eingebetteten Verstärkungsfasern. Als Kunststoff wird vorzugsweise ein Thermoplast benutzt, z. B. ein Polyamid (PA), Polycarbonat (PC) oder ein Polyphenylen­ sulfid (PPS). Als Verstärkungseinlage eignen sich vorzugsweise Wirrfaservliese, Gewebe, Gewirke oder Gestricke. Die Fasern sollten in allen drei Raumrich­ tungen orientiert sein, so daß sich eine hohe Zug­ festigkeit des Rotors auch in Längsrichtung des Rotors ergibt. Es ist daher zweckmäßig, das Plattenmaterial so herzustellen, daß auch solche Fasern vorhanden sind, die eine in Dickenrichtung der Platte verlaufende Orientierungskomponente haben. Die Verstärkungsfasern können Glasfasern, Kohlefasern oder Aramidfasern sein. Sie sollten einen möglichst hohen Anteil am Platten­ material haben, der bis zu 80% betragen kann.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Herstellung des Plattenmaterials,

Fig. 2 das Heraustrennen einer dem Rotorquerschnitt entsprechenden Scheibe aus dem Plattenmaterial und

Fig. 3 einen Schnitt durch die Negativform während des Zusammenpressens des Scheibenstapels.

Gemäß Fig. 1 ist ein aus zwei Walzen 10, 11 bestehendes Walzenpaar vorgesehen, durch dessen Walzenspalt eine Bahn 12 aus Verstärkungsfasern hindurchläuft. Bei der Bahn 12 handelt es sich um eine Matte, die vorzugsweise aus einem Wirrfaservlies besteht. Vor dem Walzenspalt befindet sich eine Schlitzdüse 13, die von einem Extruder 14 mit thermoplastischem Kunststoff gespeist wird. Der aus der Schlitzdüse 13 austretende Kunststoff wird auf die Bahn 12 aufgetragen und er durchläuft den Walzenspalt zusammen mit der Bahn 12. Dabei wird die Bahn 12 mit dem Kunststoff durchtränkt und zwischen den Walzen 10,11 gepreßt. Das aus dem Walzenspalt aus­ tretende Material bildet das Plattenmaterial 15, das auf dem Transporttisch 16 abgeführt wird und härtet. Das Plattenmaterial 15 hat eine Stärke von 1-2 mm. In der Kunststoffmatrix befinden sich in gleichmäßiger Verteilung die Verstärkungsfasern der Bahn 12.

Das Plattenmaterial 15 wird in gleichmäßige Stücke 15a zerteilt, von denen eines in Fig. 2 dargestellt ist. Mit einem Stanzwerkzeug wird aus dem Stück 15a eine Scheibe 17 ausgestanzt, die dem Querschnitt des herzu­ stellenden Rotors entspricht. Die Scheibe 17 kann ein Loch 18 aufweisen, durch das später die Rotorwelle hindurchgesteckt wird. Man erkennt, daß die Scheibe 17 im wesentlichen rund ist und abstehende Flügel 19 aufweist, die den späteren Rotorflügeln entsprechen.

Die Scheiben 17 sind sämtlich untereinander gleich. Eine Vielzahl solcher Scheiben wird in den Formhohlraum 21 der in Fig. 3 dargestellten Negativform 20 einge­ legt. Der Formhohlraum 21 ist entsprechend der Kontur des herzustellenden Rotors geformt. Im vorliegenden Fall handelt es sich um den weiblichen Rotor eines Schraubenverdichters, bei dem die Flügel 19 wendel­ förmig um die Rotorachse herum verlaufen. Der Rotor hat über seine Länge hinweg konstante Querschnittsform, wobei der Rotorquerschnitt jedoch schraubenförmig gewunden ist. Jede der Scheiben 17 füllt den Quer­ schnitt des Formhohlraums 21 aus. In den Formhohlraum 21 werden die Scheiben 17 übereinanderliegend einge­ führt, so daß sie einen Scheibenstapel bilden. Wegen der gewundenen Umfangskontur des Formhohlraums 21 sind jeweils zwei benachbarte Scheiben 17 des Scheiben­ stapels geringfügig um die Achse herum gegeneinander verdreht.

Nachdem die gesamte Länge des Formhohlraums 21 mit Scheiben gefüllt ist, wird eine Rotorwelle 22 in die Negativform 20 eingebracht. Diese Rotorwelle 22 besteht aus Metall und sie erstreckt sich durch die Öffnungen 18 sämtlicher Scheiben 17. Ein kegelstumpfförmiger Wellenstumpf 23 der Rotorwelle wird von einer kegel­ förmigen Aufnahme 24 der Negativform 20 aufgenommen.

Die Negativform 20 ist mit einer Heizvorrichtung 25 versehen, um die im Stapel befindlichen Scheiben 17 aufzuheizen. Das untere Ende des Formhohlraums 21 ist durch die Bodenfläche 26 begrenzt, die eine Anlage­ fläche für den Scheibenstapel bildet. Das obere Ende des Formhohlraums 21 ist offen. In dieses Ende ragt ein Druckstück 28 hinein, das gleitend auf der Rotorwelle 22 angeordnet ist und ebenfalls erwärmt wird. Das Druckstück 28 hat die Form der herzustellenden Ver­ zahnung des Rotors, so daß es sich in den Formhohlraum 21 eindrehen kann. Auf das Druckstück 28 wirkt über ein Axiallager 29 ein Stempel 30, mit dem ein axialer Druck ausgeübt werden kann. Unter dem Einfluß der Druckkraft des Stempels 30 preßt das Druckstück 28 die Scheiben 17 zusammen, wobei das Druckstück 28 in den Formhohlraum 21 hinein nachrücken kann.

Durch die in der Negativform herrschende Temperatur von etwa 330°C und den hohen Druck des Stempels 30 er­ weicht die Kunststoffmatrix der Platten 17, so daß die Platten untereinander verschweißt und fest verbunden werden. Der thermoplastische Kunststoff füllt dabei sämtliche Hohlräume aus und er bildet insbesondere eine kontinuierliche und glatte Oberflächenschicht, die ganzflächig eng an der Wand des Formhohlraums 21 anliegt.

Das Härten des Kunststoffs erfolgt anschließend durch Abkühlung der Negativform, während der vom Stempel 30 ausgeübte Druck fortgesetzt wird. Dadurch werden Materialschwindungen während des Abkühlens weitgehend vermieden.

Schließlich wird der aus den Scheiben 17 hergestellte Rotorkörper zusammen mit der aus Metall bestehenden Rotorwelle 22 aus der Negativform entnommen. Der Rotor­ körper haftet fest an der Rotorwelle 22. Zur Verbesse­ rung dieser Haftung kann die Rotorwelle 22 im Bereich des Rotorkörpers eine aufgerauhte Struktur haben, z. B. Längsnuten, in die die Kunststoffmatrix der Scheiben 17 hineingedrückt wird, so daß eine Verhakung zwischen Rotorkörper und Rotorwelle entsteht.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines Rotors für Ver­ drängermaschinen, mit folgenden Schritten:

• a) Herstellen eines Plattenmaterials (15) aus faserverstärktem Kunststoff,
• b) Heraustrennen von Scheiben (17), welche die Querschnittsform des herzustellenden Rotors haben, aus dem Plattenmaterial,
• c) Aufeinanderstapeln der Scheiben (17) in einer Negativform (20) des herzustellenden Rotors,
• d) axiales Zusammenpressen des Scheibenstapels in der Negativform (20) unter Wärmezufuhr und
• e) Abkühlenlassen und Aushärten des entstan­ denen Rotors.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Abkühlens der Preßdruck beibe­ halten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Platte (15) mit einer Verstär­ kungseinlage (12) hergestellt wird, deren Fasern in allen drei Raumrichtungen orientiert sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungseinlage ein Wirrfaservlies benutzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil der Fasern in der Platte (15) zu etwa 80% gewählt wird.

6. Rotor für eine Verdrängungsmaschine, mit einer Rotorwelle (22) und einem die Rotorwelle um­ gebenden Rotorkörper, der schraubenförmige Flügel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkörper aus aufeinandergeschichteten faserverstärkten Scheiben (17) besteht.