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DE4035534A1 - Prodn. of high strength pump rotor - by roller pressing fibre mat plus hot extruded flat sheet, cooling, punching out shaped discs, and hot pressing stack of discs round centre shaft - Google Patents

Prodn. of high strength pump rotor - by roller pressing fibre mat plus hot extruded flat sheet, cooling, punching out shaped discs, and hot pressing stack of discs round centre shaft

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DE4035534A1
DE4035534A1 DE4035534A DE4035534A DE4035534A1 DE 4035534 A1 DE4035534 A1 DE 4035534A1 DE 4035534 A DE4035534 A DE 4035534A DE 4035534 A DE4035534 A DE 4035534A DE 4035534 A1 DE4035534 A1 DE 4035534A1
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KIRSTEN, GUENTER, 08451 CRIMMITSCHAU, DE
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Abstract

A pump impeller rotor is produced by cutting out discs of the required cross-section from sheets of FRP, assembling together these discs in a mould which is the negative of the rotor required, hot pressing the material in the mould, cooling and allowing it to harden. Specifically, a random fibre mat (e.g. glass, carbon, or aramid) is fed into the gap between rollers, together with an extruded thermoplastic section from a flat sheet die, so that the mat is impregnated with the polymer and compressed at the same time. The FRP formed is passed to a flat surface and set hard. It is then 1-2mm thick. This sheet is cut into the shaped discs (15a) by a punch. Each disc (15a) has the cross-section of the rotor e.g. with centre hole (18) for a shaft. A number of the punched shapes are hot pressed in the female cavity to form them into the rotor e.g. in which the punched out vanes (19) are laid spirally so as to form a screw shape. The necessary rotor shaft is placed in position beforehand in the mould. The assembly is pressed at 330 deg. C and the prod. is cooled under pressure. ADVANTAGE - The products have extremely high and uniform mechanical strength. (3/3)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Rotors für Verdrängermaschinen.The invention relates to a method for manufacturing a fiber-reinforced rotor for positive displacement machines.

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.Rotary displacement machines for compressing gases and for pumping fluids have two rotors with them Profiles rolling in the meshing engagement, wherein these profiles either with straight teeth, at for example for blowers, or with helical Gearing, for example for screw compressors, are available. The rotors are elongated bodies of over the entire length is essentially constant Ver tooth profile, the cross-sectional shape of the Profiles can rotate over the length.

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.Try injection molding the rotors largely failed because of chemical reaction and subsequent cooling  a loss of material arises, in which the complex Shape of the rotor body changed in an undefined way. It should be noted that the material thickness in Because of the shape of the wing, the rotor body is very local is different and that in thick-walled places the Material shrinkage is much larger than on thin-walled Put. One of rotors for displacement machines extremely high dimensional accuracy is required, because they work together acting complementary shaped rotors the sealing gap form. It has been found that with the usual injection molding technology does not meet the requirements appropriate dimensional accuracy of the rotor body is achievable.

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. DE 39 03 067 A describes a method for manufacturing a rotor for positive displacement machines, in which a poly merer material inserted into a negative form of the rotor is filled, so that the material from bottom to top in the negative form rises until it finally runs out fills. The polymeric material is then in the Hardened form and the rotor is finally removed from the Taken form. The peculiarity of this well-known Ver driving is that when filling the polymer materials in the mold a sudden warming takes place and that the reaction of the plastic in the Casting mold runs from the bottom up, which in the case of plastic material flowing away. In this known method can also be poured form a reinforcement insert that can be adjusted later included in the finished rotor. The However, known methods only allow the use of a essentially annular or elliptical Reinforcement insert, which the rotor shaft according to Art of a belt and not the entire rotor volume can capture.  

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.The rotors of displacement machines are in operation a high mechanical and possibly also thermal or exposed to chemical stress. You must therefore have one have great mechanical strength that with the conventional thermoplastic materials not achieved can be.

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.The invention has for its object a method for the manufacture of a rotor for positive displacement machines specify with the rotors with extremely high and local uniform strength can be produced.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.This object is achieved with the invention the features of claim 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.In the method according to the invention, first a Panel material made of fiber-reinforced plastic poses. The plate material turns into disks, which correspond to the cross-sectional shape of the rotor Cut. These slices become a stack of layers placed in a negative form and finally under Application of heat compressed. The warming takes place via the softening temperature of the plastic addition, so that the plastic components of the washers run into each other and fuse together. Each the discs contain a structure of reinforcement fibers that extend across the entire disc volume. The rotor made from the disk stack contains then the reinforcing fibers that cover the entire rotor take up volume.

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.The finished rotor consists of a plastic matrix with embedded reinforcement fibers. As a plastic a thermoplastic is preferably used, e.g. B. a Polyamide (PA), polycarbonate (PC) or a polyphenylene  sulfide (PPS). Are suitable as a reinforcing insert preferably non-woven fabric, woven, knitted or Crocheted. The fibers should be in all three rooms tion be oriented so that there is a high train strength of the rotor also in the longitudinal direction of the rotor results. It is therefore advisable to use the plate material in this way to produce such fibers the one running in the thickness direction of the plate Have orientation component. The reinforcing fibers can be glass fibers, carbon fibers or aramid fibers. You should have as high a share of the plates as possible have material that can be up to 80%.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.The following is with reference to the drawings an embodiment of the invention explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Herstellung des Plattenmaterials, Fig. 1 is a schematic representation of the preparation of the plate material,

Fig. 2 das Heraustrennen einer dem Rotorquerschnitt entsprechenden Scheibe aus dem Plattenmaterial und Fig. 2, the cutting out of a corresponding rotor cross-sectional slice of the plate material, and

Fig. 3 einen Schnitt durch die Negativform während des Zusammenpressens des Scheibenstapels. Fig. 3 shows a section through the negative mold during compression of the stack of discs.

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.According to FIG. 1, a pair of rollers consisting of two rollers 10 , 11 is provided, through the roller gap of which a web 12 of reinforcing fibers runs. The web 12 is a mat, which preferably consists of a non-woven fabric. In front of the nip there is a slot nozzle 13 , which is fed by an extruder 14 with thermoplastic material. The plastic emerging from the slot nozzle 13 is applied to the web 12 and it passes through the nip together with the web 12 . The web 12 is impregnated with the plastic and pressed between the rollers 10, 11 . The material emerging from the nip forms the plate material 15 , which is removed on the transport table 16 and hardens. The plate material 15 has a thickness of 1-2 mm. The reinforcing fibers of the web 12 are located in a uniform distribution in the plastic matrix .

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.The plate material 15 is divided into uniform pieces 15 a, one of which is shown in Fig. 2. With a punching tool, a disc 17 is punched out of the piece 15 a, which corresponds to the cross section of the rotor to be manufactured. The disk 17 can have a hole 18 through which the rotor shaft is later inserted. It can be seen that the disk 17 is essentially round and has projecting vanes 19 which correspond to the later rotor vanes.

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.The disks 17 are all identical to one another. A large number of such disks is inserted into the mold cavity 21 of the negative mold 20 shown in FIG. 3. The mold cavity 21 is shaped according to the contour of the rotor to be manufactured. In the present case, it is the female rotor of a screw compressor, in which the vanes 19 extend helically around the rotor axis. The rotor has a constant cross-sectional shape over its length, but the rotor cross-section is helically wound. Each of the disks 17 fills the cross section of the mold cavity 21 . In the mold cavity 21 , the discs 17 are inserted one above the other, so that they form a stack of discs. Because of the tortuous circumferential contour of the mold cavity 21 , two adjacent disks 17 of the disk stack are slightly rotated against each other around the axis.

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.After the entire length of the mold cavity 21 has been filled with disks, a rotor shaft 22 is introduced into the negative mold 20 . This rotor shaft 22 is made of metal and it extends through the openings 18 of all the disks 17 . A frustoconical shaft end 23 of the rotor shaft is received by a conical receptacle 24 of the negative mold 20 .

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.The negative mold 20 is provided with a heating device 25 in order to heat up the disks 17 located in the stack. The lower end of the mold cavity 21 is delimited by the bottom surface 26 , which forms a bearing surface for the stack of disks. The upper end of the mold cavity 21 is open. A pressure piece 28 projects into this end, which is slidably arranged on the rotor shaft 22 and is also heated. The pressure piece 28 has the shape of the toothing of the rotor to be manufactured, so that it can turn into the mold cavity 21 . A plunger 30 , with which axial pressure can be exerted, acts on the pressure piece 28 via an axial bearing 29 . Under the influence of the pressure force of the stamp 30, the pressure piece 28 presses the disks 17 together, the pressure piece 28 being able to move into the mold cavity 21 .

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.Due to the prevailing temperature in the negative mold of about 330 ° C and the high pressure of the stamp 30, he gives way to the plastic matrix of the plates 17 , so that the plates are welded together and firmly connected. The thermoplastic material fills all cavities and, in particular, it forms a continuous and smooth surface layer, which lies closely over the entire surface against the wall of the mold cavity 21 .

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.The plastic is then hardened by cooling the negative mold, while the pressure exerted by the stamp 30 is continued. This largely prevents material shrinkage during cooling.

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.Finally, the rotor body produced from the disks 17 is removed from the negative mold together with the rotor shaft 22 made of metal. The rotor body adheres firmly to the rotor shaft 22 . To improve this liability, the rotor shaft 22 may have a roughened structure in the area of the rotor body, e.g. B. longitudinal grooves into which the plastic matrix of the disks 17 is pressed, so that a hooking between the rotor body and the rotor shaft arises.

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.
1. A method for producing a rotor for displacement machines, comprising the following steps:
  • a) producing a plate material ( 15 ) from fiber-reinforced plastic,
  • b) cutting out disks ( 17 ), which have the cross-sectional shape of the rotor to be produced, from the plate material,
  • c) stacking the disks ( 17 ) in a negative form ( 20 ) of the rotor to be produced,
  • d) axially compressing the stack of disks in the negative mold ( 20 ) with supply of heat and
  • e) Allow the resulting rotor to cool and harden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Abkühlens der Preßdruck beibe­ halten wird.2. The method according to claim 1, characterized, that the pressing pressure remains during cooling will hold. 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.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the plate ( 15 ) with a reinforcing insert ( 12 ) is made, the fibers of which are oriented in all three spatial directions. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungseinlage ein Wirrfaservlies benutzt wird. 4. The method according to claim 3, characterized in that as a reinforcing insert a random fiber fleece is used.   5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil der Fasern in der Platte (15) zu etwa 80% gewählt wird.5. The method according to any one of claims 1-4, characterized in that the volume fraction of the fibers in the plate ( 15 ) is chosen to be about 80%. 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.6. Rotor for a displacement machine, with a rotor shaft ( 22 ) and a rotor body surrounding the rotor body, which has helical wings, characterized in that the rotor body consists of stacked fiber-reinforced discs ( 17 ).
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