DE69702706T2

DE69702706T2 - Ausziehbarer gegenstand

Info

Publication number: DE69702706T2
Application number: DE69702706T
Authority: DE
Inventors: James Daton-Lovett
Original assignee: Rolatube Technology Ltd
Current assignee: Rolatube Technology Ltd
Priority date: 1996-03-25
Filing date: 1997-03-25
Publication date: 2001-04-12
Anticipated expiration: 2017-03-26
Also published as: CA2283278A1; GB9606200D0; NO984417L; ES2150228T3; JP4005138B2; CA2283278C; WO1997035706A1; EP0891248A1; RU2189316C2; CN1214006A; US6217975B1; JP2000507890A; CN1072101C; NO313662B1; NO984417D0; AU2039297A; EP0891248B1; AU721213B2; DE69702706D1

Description

Ausziehbarer Gegenstand

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein streckbares Element und auf ein Verfahren zur Herstellung eines streckbaren Elements.
Die WO-A-88/08620 macht ein Element bekannt, welches umkehrbar zwischen einem gewundenen Zustand und einem gestreckten Zustand konfiguriert werden kann. Bei einer darin beschriebenen Ausführungsform weist das Element eine Schicht auf, die in Richtung des gestreckten Zustands vorgespannt ist, mit welcher eine Schicht verbunden ist, welche während der Rekonfiguration des Elements einer plastischen Verformung unterzogen wird. Bei einer anderen, darin beschriebenen Ausführungsform weist das Element eine Schicht auf, welche in Richtung des gestreckten Zustands vorgespannt ist, mit welcher eine Schicht verbunden ist, welche sich in Längsrichtung erstreckende Fasern hat, welche die zweite Schicht in Richtung des gewundenen Zustands vorspannt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein streckbares Plattenelement vorgesehen, welches zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand konfigurierbar ist, wobei der erste Zustand ein gewundener Zustand ist, in welchem das Element im wesentlichen parallel zu einer ersten Achse gewunden ist, wobei der zweite Zustand ein gestreckter Zustand ist, in welchem sich das Element im wesentlichen parallel zu einer zweiten Achse unter irgendeinem Winkel zur ersten Achse erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß:
das Element, vollständig oder teilweise, aus einem beliebigen Material oder Materialien gebildet ist, welches/welche in Spannung und/oder in Druck unter irgendeinem Winkel zur ersten und/oder zweiten Achse stärker als in der Richtung der Achsen aufgrund der geometrischen und/oder molekularen Struktur des oder der Materialien ist/sind, derart, daß, wenn das Element in einer Richtung im wesentlichen parallel zur zweiten Achse gestreckt wird, die Verschiedenheit in der Zug- und/oder Druckfestigkeit ein Zusammenziehen in einer Richtung unter irgendeinem Winkel zur zweiten Achse bewirkt, um das Element in den zweiten Zustand vorzuspannen.
Diese Verschiedenheit kann vollständig oder teilweise durch Bereitstellen von Fasern in der Elementstruktur erzielt werden, wo solche Fasern Teil des Elements bilden. Somit kann das Element Fasern aufweisen, die Teil des Elements bilden und angeordnet sind, um die Verschiedenheit in der Zug- und/oder Druckfestigkeit in einem Winkel zur ersten und/oder zweiten Achse im Vergleich zur Zug- und/oder Druckfestigkeit in der Richtung der Achse zu verstärken.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein streckbares Plattenelement vorgesehen, welches zwischen einem ersten und zweiten Zustand konfigurierbar ist, wobei der erste Zustand ein gewundener Zustand ist, in welchem das Element im wesentlichen parallel zu einer ersten Achse gewunden ist, und der zweite Zustand ein gestreckter Zustand ist, in welchem das Element sich im wesentlichen parallel zu einer zweiten Achse in einem Winkel zur ersten Achse erstreckt, wobei das Element eine Mehrzahl von gekreuzten Fasern in oder parallel zu der Plattenebene aufweist, dadurch gekennzeichnet daß:
jede Faser unter einem Winkel zwischen 0º und 90º zur ersten Achse angeordnet ist, derart, daß, wenn das Element in einer Richtung im wesentlichen parallel zur zweiten Achse gestreckt wird, die gekreuzten Fasern ein Zusammenziehen in einer Richtung unter einem Winkel zur zweiten Achse bewirken, um das Element in den zweiten Zustand vorzuspannen.
Die genannten Fasern sind vorzugsweise elastisch.
Die Fasern können auf einer Seite eines Substrats vorgesehen sein. Alternativ dazu können die Fasern auf beiden gegenüberliegenden Seiten eines Substrats vorgesehen sein. Die Fasern können in einem Substrat eingebettet sein.
Es ist bevorzugt, daß das Substrat elastisch ist.
Zumindest einige der Fasern können gewirkt, gewoben und/oder als Reihe von dünnen Schichten vorgesehen sein.
Gruppen der genannten Fasern können in unterschiedlichen entsprechenden Winkeln zur ersten Achse angeordnet sein.
Die Fasern können in unterschiedlichen Winkeln zur ersten Achse angeordnet sein, wobei die Winkel über und entlang des Elements variieren.
Das Element mag Fasern über gewählten Abschnitten nur des Elements aufweisen, wobei andere Abschnitte des Elements frei von Fasern sind.
Der Übergang in den zweiten Zustand mag vollständig oder teilweise durch die Anwesenheit von rohrförmigen Kanälen innerhalb des Materials, aus dem das Element gebildet ist, bewirkt werden, wobei die Kanäle im wesentlichen parallel zur Ebene des Elements unter einem Winkel zur zweiten Achse verlaufen.
Das Element ist vorzugsweise umkehrbar zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand konfigurierbar.
In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, eine Einrichtung zum lösbaren Miteinander- Verriegeln von gegenüberliegenden Rändern des Elements vorzusehen, wenn das Element in dem zweiten Zustand ist. Eine solche Einrichtung kann z. B. eine Klammer, ineinandergreifende Zähne, ein Reißverschluß usw. sein. Die gegenüberliegenden Ränder können alternativ permanent aneinander befestigt sein, z. B. durch Schweißen oder durch Klebstoffe.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines streckbaren Plattenelements vorgesehen, welches zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand konfigurierbar ist, wobei der erste Zustand ein gewundener Zustand ist, in welchem das Element im wesentlichen parallel zu einer ersten Achse gewunden ist, wobei der zweite Zustand ein gestreckter Zustand ist, in welchem sich das Element im wesentlichen parallel zu einer zweiten Achse unter einem Winkel zur ersten Achse erstreckt, wobei das Element eine Mehrzahl von gekreuzten Fasern in der oder parallel zur Plattenebene aufweist, wobei jede Faser unter einem Winkel zwischen 0º und 90º zur ersten Achse angeordnet ist, derart, daß, wenn das Element in einer Richtung im wesentlichen parallel zur zweiten Achse gestreckt wird, die gekreuzten Fasern ein Zusammenziehen in einer Richtung unter einem Winkel zur zweiten Achse bewirken, um das Element in den zweiten Zustand vorzuspannen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Vorbeibewegen einer ersten Schicht, welche ein Substrat bildet, und einer zweiten Schicht, welche die Fasern umfaßt, über eine Heizeinrichtung, um die erste Schicht zu erwärmen, um dadurch die ersten und zweiten Schichten miteinander zu verbinden, und nachfolgendes Ausüben von Druck auf die verbundenen ersten und zweiten Schichten, um das Element in seinem gewundenen Zustand zu erzeugen.
Mehr als zwei Schichten mögen über die Heizeinrichtung vorbeibewegt werden, um sie miteinander zu verbinden, und nachfolgend mag Druck auf die verbundenen Schichten ausgeübt werden.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines streckbaren Plattenelements vorgesehen, welches zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand konfigurierbar ist, wobei der erste Zustand ein gewundener Zustand ist, in welchem das Element im wesentlichen parallel zu einer ersten Achse gewunden ist, wobei der zweite Zustand ein gestreckter Zustand ist, in welchem sich das Element im wesentlichen parallel zu einer zweiten Achse in einem Winkel zur ersten Achse erstreckt, wobei das Element eine Mehrzahl von gekreuzten Fasern in oder parallel zur Plattenebene aufweist, wobei jede Faser unter einem Winkel zwischen 0º und 90º zur ersten Achse angeordnet ist, derart, daß, wenn das Element in einer Richtung im wesentlichen parallel zur zweiten Achse gestreckt wird, die gekreuzten Fasern ein Zusammenziehen in einer Richtung unter einem Winkel zur zweiten Achse bewirken, um das Element in den zweiten Zustand vorzuspannen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Ausüben von Wärme und/oder Druck auf eine Schicht, welche ein Substrat bildet und welche die darin eingebetteten Fasern aufweist, um das Element in seinem gewundenen Zustand zu erzeugen.
Nun wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Elements gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Schaubild zur Erklärung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 bis 6 weitere Beispiele der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 7 eine schaubildliche Seitenansicht eines Beispiels der Vorrichtung zum Herstellen des Elements der vorliegenden Erfindung.
Bei einer Ausführungsform nimmt die vorliegende Erfindung die Form eines Bandes aus flexiblem Material an, welches so gebogen ist, daß es sich über seinen Anfangspunkt hinaus erstreckt und eine Spirale oder Windung bildet, welche sich im nicht gewundenen Zustand in eine zweite Richtung aufgrund von inneren Belastungen in dem Material, aus welchem das Band gefertigt ist, krümmt, wobei die Belastungen vollständig oder teilweise durch Strecken erzeugt werden. Die zweite gekrümmte Form kann ein Bogenabschnitt, ein rohrförmiger Abschnitt oder ein beliebiger zusammengesetzter gekrümmter Abschnitt sein. Die zweite gekrümmte Form kann entweder vorübergehend sein, d. h. abhängig von dem Band, welches in einer nicht gewundenen Form durch äußere Mittel gehalten wird, oder eine zweite stabile Gestalt oder Form des Bandes, welche nicht in ihre ursprüngliche gewundene oder spiralförmige Form ohne Ausüben einer äußeren Kraft zurückkehrt. Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer solchen Vorrichtung, bei welcher eine Windung 1.1 sich streckt und ein Rohr 1.2 bildet. Das äußere freie Ende der Windung 1.1 ist abgeflacht und von dem Körper der Windung weggezogen, wodurch sie sich spontan zu einem Rohr 1.2 formt.
Es gibt viele Bereiche in der Ingenieurspraxis, in welchen es erwünscht ist, ein Element strecken und dann zusammenziehen zu können, um ein lineares Betätigungsorgan zu bilden, oder ein gekrümmtes oder hohles Element für den Transport oder Lagerung kompakt zu gestalten, oder wenn ein solches Element - z. B. ein Wasserrohr oder eine elektrische Leitung - in Form von kurzen Stücken geliefert wird, welche am Verwendungsort zusammengefügt werden. Diese Erfindung bietet eine Alternative zu den herkömmlichen Einrichtungen, wie teleskopische oder verbundene Systeme, welche dieselbe Wirkung erzielen können. Sie kann auch zur Herstellung von Vorrichtungen, wie Förderbänder, verwendet werden, welche im wesentlichen im nicht gewundenen Zustand selbsttragend sind, jedoch ihre gewundene Form wieder annehmen können, um Transport über Rollen zu ermöglichen, um das Band entlang seiner Spur zurückzubewegen.
Bei einer Ausführungsform hängt die Erfindung von Fasern ab, welche Teil des Materials bilden, aus welchem es gebildet ist, welche das Band in die zweite gekrümmte Form, wie unten beschrieben, zwingen.
Es ist bekannt, daß, wenn ein Stück eines gewobenen oder gestrickten/gewirkten Materials 2, gezeigt in Fig. 2.1, entlang einer Richtung in einem Winkel zu seiner Webrichtung gestreckt wird, es sich senkrecht zur Streckrichtung zusammenzieht, gezeigt in Fig. 2.2. Somit könnte bei einer Ausführungsform der Erfindung ein gewundenes Stück eines flexiblen Substrats mit einem solchen Gewebe auf einer oder beiden Oberflächenseiten beschichtet werden, so daß im nicht gewundenen Zustand das Gewebe sich auf der Innenfläche streckt, was ein Zusammenziehen in senkrechter Richtung zur Streckrichtung bewirkt. Dieses Zusammenziehen zwingt das flexible Element dazu, daß es sich in diese Richtung krümmt, d. h., senkrecht zur ursprünglichen Krümmung. Gleichzeitig neigt das Material auf der Außenfläche dazu, daß es entlang der Ursprungsachse der Krümmung komprimiert wird und wenn das Element in Richtung der zweiten Krümmung gezwungen wird, eine Kraft abgibt, die dazu neigt, der ursprünglichen Krümmung entgegenzuwirken.
Wenn solche Fasern in einer Matrix eingebettet sind, so daß sie eine faserverstärkte Verbindung bilden, ergibt sich dieselbe Wirkung ohne daß ein darunterliegendes flexibles Substrat erforderlich ist, wobei der Verbund ein eigenes Element bildet und die Fasern in Form eines gewobenen oder gewirkten Materials sein können, wie oben beschrieben ist, oder in einer Reihe von dünnen Schichten gelegt werden können, wobei die Matrix diese in Form eines einheitlichen Elements zusammenhält. Bei einem solchen zusammengesetzten Element wirken die Kräfte in den Schichten auf der konkaven Seite der neutralen Biegeachse wie oben beschrieben, werden gedehnt und erzeugen eine Zugkraft, welche die zweite Krümmung bildet. Die Fasern auf der konvexen Seite der neutralen Biegeachse werden jedoch wie zuvor beschrieben komprimiert und aufgrund ihrer Unfähigkeit, sich innerhalb der Matrix zu verbiegen, zwingen sie das Element in Richtung seiner zweiten Krümmung und begradigen die ursprüngliche gekrümmte Form sofort und wirken nicht nur als Folge des Beginns der zweiten Krümmung. Eine solche Vorrichtung kann somit aus einem gewobenen, gewirkten oder aus dünnen Schichten bestehenden Verbund bestehen, wobei die Fasern in mindestens zwei Richtungen in Richtungswinkeln zur natürlichen Krümmung der Windung liegen. Weitere Schichten können hinzugefügt werden, entweder von ähnlicher Beschaffenheit oder aus einem flexiblen Material, welches nicht die Tendenz hat, natürlich eine zweite Krümmung zu bilden, welches jedoch dazu gezwungen werden kann, als Folge der Wirkung der gewinkelten Faserschichten.
In Abhängigkeit des Winkels zur Krümmungsachse und der Elastizität der Fasern in der Schicht oder Schichten, welche das Element in die zweite Form zwingen, kann die Flexibilität jeglicher anderen Schicht in dem Element enthalten sein und die Elastizität des Matrixmaterials, in welchem die Fasern eingebettet sind, falls eine solche Matrix verwendet wird, ist die zweite Form entweder vorübergehend, und behält ihre Form nur während eine externe Einschränkung ausgeübt wird, um ihre ursprüngliche Krümmung zu strecken oder kann eine vollkommen stabile zweite Form bilden, welche nicht in ihre ursprüngliche Krümmung zurückkehrt bis eine äußere Kraft ausgeübt wird, um die zweite Krümmung zu strecken, wodurch die ursprüngliche Form sich wieder selbst herstellen kann.
Diese Wirkung entsteht als Ergebnis des Zug- und oder Kompressions-Moduls der Fasern, welcher höher oder niedriger ist als der der Matrix, in welcher sie eingebettet sind und erscheint nicht, wenn die Matrix und die Fasern denselben Zug- und/oder Kompressionsmodul haben. Betrachtet als einzelnes Material, kann die Wirkung als Ergebnis der Zug- und/oder Kompressionskraft des Materials betrachtet werden, welche in den Achsen, um welche die Windung gebildet ist und/oder entlang welchen sich das Element erstreckt, geringer ist als in den Richtungen in einem Winkel zu diesen Achsen, welche die Richtungen sind, in welche die Fasern in den Ausführungsformen gerichtet sind, unter Verwendung eines flexiblen Elements, welches mit solchen Fasern beschichtet ist oder aus einem faserverstärkten Verbundmaterial gefertigt ist. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung könnte somit aus einem beliebigen Material gebildet werden, welches diese Eigenschaften entweder als Folge der geometrischen Struktur des Materials aufweist, wie in einer faserverstärkten Verbindung oder als Folge der Molekularstruktur des Materials.
Ein weiteres Beispiel eines Materials, dessen geometrische Struktur diese Wirkung erzeugt, wäre ein flexibles Element, in welchem eine Reihe von hohlen rohrförmigen Kanälen durch die Substanz des Elements in dieselben Richtungen läuft, wie die in der Ausführungsform beschriebenen Fasern unter Verwendung eines faserverstärkten Verbunds. Die Kanäle können zur Außenumgebung offen sind, mit Gasen oder Flüssigkeiten gefüllt sein oder evakuiert sein. Bei diesem Dokument kann das resultierende Material als äquivalent zu einem Material betrachtet werden, welches Fasern von geringerem Zug- oder Kompressionsmodul als die Matrix enthält.
Alle Argumente in bezug auf die Ausgestaltung der streckbaren hier beschriebenen Elemente sollten so betrachtet werden, daß sie auch auf die Verwendung der Materialien gelten, welche die oben beschriebene Wirkung als Folge ihrer molekularen oder geometrischen Struktur aufweisen, wobei solche Materialien die gesamte oder Teil der Struktur eines solchen streckbaren Element bilden.
Die Wirkungen der Fasern, die molekulare Struktur eines Materials oder Materialien und andere geometrische Strukturen, wie beispielsweise die Bereitstellung von rohrförmigen Kanälen kann in einer einzelnen Vorrichtung in beliebiger Kombination kombiniert werden, was für einen beliebigen Zweck geeignet sein kann.
Diese Wirkung kann vielleicht am deutlichsten verstanden werden, wenn das diese Wirkung erzeugende Material eine große Anzahl an scherenartigen Verbindungen enthält, in der Art eines Pantographs, welches sich in zwei Richtungen erstreckt. Somit ist ersichtlich, daß, wenn eine Platte von solchen Verbindungen sich in eine Richtung erstreckt, sie sich in die Richtung senkrecht zur Erstreckung zusammenzieht, und wenn sie in eine Richtung komprimiert wird, sich senkrecht zur Komprimierung expandiert.
In vielen Fällen kann es erwünscht sein, eine Einrichtung zum vorübergehenden Verbinden der Kanten eines solchen Elements bereitzustellen, um die Stärke des Elements während der Verwendung zu erhöhen. Dies kann z. B. mittels einer Art von Klammer, ineinander greifenden Zähnen, Reißverschluß oder einer anderen Einrichtung erzielt werden.
In anderen Fällen kann es wünschenswert sein, die Ränder des Elements nach dem Strecken permanent miteinander zu verbinden. Dies kann z. B. mittels Schweißen, Kleb- Stoffen oder anderen Mitteln erfolgen, um eine geschlossene, versiegelte hohle Struktur bereitzustellen.
Wenn die Windung oder Spirale, welche die ursprüngliche Form bildet, einen flachen Querschnitt hat, wird die zweite Form normalerweise entlang der Ursprungsrichtung der Krümmung begradigt, um ein Element zu bilden, welches einen geraden Bogenabschnitt hat, einen Verbundabschnitt oder einen rohrförmigen oder anderen hohlen Abschnitt. Wenn jedoch die ursprüngliche Windung oder Spirale mit einer Krümmung gebildet ist, bei welcher eine oder beide Kanten länger als der Mittelabschnitt der Windung oder Spirale sind, wie beispielsweise in Fig. 3.1 gezeigt ist, nimmt das Element eine zweite Form an, welche eine Kurve entlang der ursprünglichen Krümmungsachse ist, wobei der längere Rand oder Ränder das Äußere der Kurve, wie in Fig. 3.2. gezeigt, bilden.
Wenn die ursprüngliche Windung oder Spirale so gebildet ist, daß der Mittelabschnitt länger als die in Fig. 4.1 gezeigten Ränder sind, nimmt das Element eine zweite Form an, welche eine Kurve entlang der ursprünglichen Krümmungsachse ist, wobei die Ränder das Innere der Kurve bilden, was in Fig. 4.2 gezeigt ist.
Wenn im allgemeinen das Element in einer ersten Form gebildet ist, bei welcher Durchmesserunterschiede der Windung entlang ihrer Achse bestehen, zeigt die resultierende zweite Form Krümmungen dieser Art.
Wenn die ursprüngliche Form des Elements eine konstante Kurve ist, und die Winkel der Fasern innerhalb der Schicht oder Schichten, die die zweite Kurve bilden, entlang ihrer Länge gleich bleiben, wird die zweite Form einen konstanten Radius und Querschnitt haben. Falls erwünscht, kann der Radius und der Querschnitt der zweiten Form entlang der Länge durch Verstellen der Winkel der Fasern in den Schichten, welche die zweite Kurve bilden, oder durch Variieren des Krümmungsradius der ursprünglichen Windung oder Spirale entlang ihrer Länge variiert werden.
Verbundkurven können durch Variieren des Winkels der Fasern innerhalb der Schicht oder Schichten erzeugt werden, welche die zweite Kurve bilden oder durch Einbringen solcher Fasern nur in einigen Bereichen des gebildeten Bandes. Wie in Fig. 5 beispielhaft gezeigt ist, bewirkt somit die Verwendung von solchen Fasern in einem flexiblen Element in Streifen 5.1 entlang beiden Rändern eines flexiblen Elements, wobei ein Bereich zwischen 5.2 aus einem flexiblen Material gebildet ist, welches keine Tendenz hat, eine zweite Kurve zu bilden, daß das Band eine zweite Verbundkurve mit dem in Fig. 6 gezeigten Querschnitts bildet.
Eine beinahe unendliche Vielfalt eines solchen Verbunds und variablen zweiten Krümmungen kann durch Anwenden dieser allgemeinen Prinzipien gebildet werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung und eine Einrichtung zu deren Herstellung ist im folgenden beschrieben.
Jegliches Material mit geeigneten mechanischen Eigenschaften kann verwendet werden, um die Matrix zu bilden. Epoxy-, Polyester-, Phenol- und Urethanmatrizen, welche entweder katalytisch oder thermisch gehärtet werden können, sind wahrscheinlich die häufigsten Verbund-Matrixmaterialien, obwohl selbst Metallmatrizen verwendet werden können. Experimentelle Daten bis jetzt haben gezeigt, daß die besten Ergebnisse von thermoplastischen Materialien erhalten werden in Kombination mit einer Reihe von Verstärkungsfasern, welche Glas, Aramid, Polyester, Kohlefasern, Metallfasern, Polyethylen- Fasern von hoher Dichte und Flüssigkristallpolymere beinhalten. Die thermoplastischen Matrixmaterialien, welche gute Ergebnisse ergaben, beinhalten Polypropylen, PET, PES, PEEK, Polyamide, Polyethelene, ABS und thermoplastische Urethane. Es sollte beachtet werden, daß Materialien, wie Polyethylenfasern von hoher Dichte in einer Polyethylenmatrix und Flüssigkristallpolymere innerhalb von Matrizen desselben Polymers als faserverstärkter Verbund für die Herstellung der hier beschriebenen Vorrichtungen betrachtet werden sollten. Obwohl sie trotzdem eine einheitliche chemische Zusammensetzung haben, sind sie mechanisch ähnlich zu einem beliebigen faserverstärkten Verbund der herkömmlicheren Art, bei welchem die Matrix und Verstärkung im wesentlichen unterschiedliche Eigenschaften haben.
Obwohl kein Grund besteht, weshalb die Auswahl der hier beschriebenen Vorrichtungen nicht in einem einzigen Verfahren aus separaten Faser- und thermoplastischen Materialien hergestellt werden könnte, sind eine Anzahl an Produkten kommerziell erhältlich, bei welchen die Matrix und Verstärkung in einem Material kombiniert sind, welches zur Verarbeitung durch Anwenden von Wärme und Druck zum Bilden der Vorrichtung kombiniert sind. Im allgemeinen gibt es diese in drei Arten. Die erste sind gewobene, gewirkte oder geflochtene Materialien, bei welchen das thermoplastische Material als Faden beinhaltet ist, welcher mit der Verstärkung eingearbeitet ist, in dem Webmaterial als separate Faser beinhaltet ist oder auf die Oberfläche der Verstärkungsfaser aufbeschichtet ist. Die bekannteste wird vermarktet von Vetretex Ltd. in Form eines gewobenen Tuches mit eingearbeitetem Faden unter dem Handelsnamen Twintex. Die zweite sind Materialien, die ebenfalls aus eingearbeiteten Fäden gebildet werden oder durch Einarbeitung von separaten Fasern oder beschichteten Fasern, bei welchen die Fasern jedoch als flache dünne Schichten gelegt sind, welche dann durch Linien aus Stichen oder Wirken zusammengehalten werden, um ein einheitliches mehrschichtiges Material zu bilden, bei welchem die Faserausrichtung und die Anzahl an Schichten für einen bestimmten Zweck spezifiziert werden kann. Materialien dieser Art werden ebenfalls von Vetretex und Tech Textiles Ltd., einer Abteilung von Turner Newall hergestellt. Die dritte Klasse von Materialien besteht aus zuggepreßten in einer Richtung verstärkten Bändern, bei welchen die Faser vorab in der Matrix konsolidiert ist. Diese Bänder können dann geschnitten und zusammengesetzt werden, um eine beliebige gewünschte innere Struktur zu bilden, bevor sie unter Druck zum erneuten Schmelzen der Matrix erwärmt werden, wodurch die fertige Komponente gebildet wird.
Materialien dieser Art werden von Borealis Ltd., einer Tochtergesellschaft von Statoil Ltd. unter dem Handelsnamen Plytron und von Baycomp Ltd. in einer breiten Anzahl von Matrizen und Verstärkungen hergestellt.
Im allgemeinen wurden die besten Ergebnissen bei Krümmungsradien für die gestreckte Vorrichtung von mehr als 25 mm erzielt unter Verwendung von zuggepreßten zuvor konsolidierten Bändern. Unterhalb dieses Radius neigen gewobene, gewirkte oder geflochtene Materialien dazu, daß sie bessere Ergebnisse erzielen, da die inneren Belastungen des Übergangs zwischen den Formen geringer sind.
Falls erwünscht kann eine beliebige Kombination von einem oder mehr der obengenannten Materialien bei der Herstellung verwendet werden. Falls erwünscht, kann mehr als eine Matrix in derselben Vorrichtung verwendet werden, vorausgesetzt, daß eine Haftung sichergestellt werden kann.
Fig. 7 zeigt eines oder mehr Bänder 7.1 des Materials der oben beschriebenen Art, oder Schichten sowohl aus Verstärkungsmaterial als auch thermoplastischem Material, welche zur Verwendung als Matrix geeignet sind, wobei die Winkel der Verstärkung dergestalt sind, daß sie die gewünschte sekundäre Krümmung erzeugen. Eine typische Schicht kann aus fünf Schichten aus zuggepreßtem Band bestehen, welches z. B. in Winkeln zur Achse der Formwalze 7.3 von plus 55 Grad, minus 55 Grad, neunzig Grad, plus 55 und minus 55 Grad liegen kann. Diese werden auf den Schmelzpunkt des Matrixmaterials erhitzt, indem sie an einer Wärmequelle 7.2 vorbeitransportiert werden und dann über eine Kühlwalze 7.3 des Durchmessers und der Form weitergeleitet werden, welche erforderlich ist, um die erwünschte Windung oder Spirale zu erzeugen, während ein Druck durch eine Walze 7.4 ausgeübt wird, um ein kontinuierliches Band 7.5 zu erzeugen, welches als Spule so lange wie gewünscht akkumulieren kann. Diese Art von Verfahren kann kontinuierlich sein, wie gezeigt, oder mit Unterbrechungen, wobei das Material vorgeschoben und in Schritten geschmolzen wird und dann von einer Matrize, welche die Außenfläche bildet, auf die Formeinrichtung gedrückt wird, wobei dieses Verfahren wiederholt wird, sobald das geschmolzene Material abgekühlt ist. Es kann ebenfalls eine Einrichtung verwendet werden, um das Material durch Ultraschall zu schmelzen. Bei Verwendung des zuvor konsolidierten Ausgangsmaterials kann dies den Vorteil haben, daß keine Oberflächenschmelzung stattfinden muß, wodurch die Formwalzen und Matrize bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden können als wenn die Materialien auf der Oberfläche geschmolzen werden, wodurch sich die Durchsatzgeschwindigkeit erhöht.
Bei der Verwendung von zuvor konsolidierten Materialien ist es nicht erforderlich, daß die Matrix vollkommen geschmolzen wird. Was allein erforderlich ist, ist, daß eine hohe Integrationsschweißung zwischen den Schichten gebildet wird, um die Krümmung in der fertigen Windung einzustellen. Dies kann durch Ultraschall erfolgen oder indem die einzelnen Materialbänder an einer Anzahl von Wärmequellen mit einer solchen Geschwindigkeit vorbeitransportiert werden, daß nur ihre Oberflächen geschmolzen werden, wonach sie mittels Walzen oder einer Formmatrize zusammengepreßt werden, bis sie ausreichend abgekühlt sind, um auf die akkumulierende Windung des gefertigten Produkts abgewickelt werden können. Dies kann kontinuierlich oder mit Unterbrechungen, wie zuvor beschrieben, ausgeführt werden. In vielen Fällen kann es erwünscht sein, einen dünnen Film aus thermoplastischem Material, entweder aus demselben Material wie die Matrix oder einem anderen Material, welches sich mit der Matrix verbindet, vorzusehen. Vorteilhaft bei dieser Schmelzbearbeitung ist die höhere Produktionsgeschwindigkeit und reduzierte Energiekosten. Dasselbe Ergebnis kann durch eine beliebige andere Einrichtung außer Schmelzen erzielt werden, welche die zuvor konsolidierten Schichten mit ausreichender Integrität verbinden kann.
Es sollte beachtet werden, daß einige Schichten, insbesondere diejenigen, die weitgehend oder vollständig aus Schichtverstärkungen bestehen, die Tendenz aufweisen, eine Windung zu bilden, welche, wenn gewunden, in einem Winkel versetzt ist und eine Rotation entlang der Achse aufweist, wenn sie gestreckt ist. Dem kann entweder dadurch entgegengewirkt werden, indem die Winkel der Verstärkung nicht symmetrisch um die Formachse sind oder durch Passieren des Ausgangsmaterials in einem Winkel zur Formachse, welcher gleich zum Versatzwinkel ist, jedoch in der entgegengesetzten Richtung. Dies ergibt dann ein fertiges Produkt, welches entlang der Formachse rollt und sich senkrecht zur Formachse erstreckt.
Zu den vielzähligen Verwendungen, für welche diese Technologie verwendet werden kann, zählen Kabelkanäle, Wasserrohre, Kanalrohre, Abwasser und Bewässerungsrohre, Bohrlochauskleidungen für Petroleum oder Gas oder Wasserbrunnen, verlängerbare Griffe und Fühler, einziehbare Planen oder Fahrzeugmotorhauben, aufrollbare Leitern, Betätigungsorgane, Antennenmasten, Kameraständer, Mikrophonstützen, Beleuchtungsstützen, Förderbänder, Telekommunikations- oder Computerkabel-Führungen, Zeltstangen, vorübergehend gekrümmte Strukturen, Überwachungsstangen und andere Meßvorrichtungen, Streckvorrichtungen und vieles mehr.

Claims

1. Streckbares Plattenelement, welches zwischen ersten und zweiten Zuständen (1.1, 1.2) konfigurierbar ist, wobei der erste Zustand (1.1) ein gewundener Zustand ist, in welchem das Element im wesentlichen parallel zu einer ersten Achse gewunden ist, wobei der zweite Zustand (1.2) ein gestreckter Zustand ist, in welchem sich das Element im wesentlichen parallel zu einer zweiten Achse unter irgendeinem Winkel zur ersten Achse erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß:

das Element, vollständig oder teilweise, aus einem Material oder Materialien gebildet ist, welches/welche in Spannung und/oder in Druck unter irgendeinem Winkel zur ersten und/oder zweiten Achse stärker als in der Richtung der Achsen aufgrund der geometrischen und/oder molekularen Struktur des oder der Materialien ist/sind, derart, daß, wenn das Element in einer Richtung im wesentlichen parallel zur zweiten Achse gestreckt wird, die Verschiedenheit in der Zug- und/oder Druckfestigkeit ein Zusammenziehen in einer Richtung unter irgendeinem Winkel zur zweiten Achse bewirkt, um das Element in den zweiten Zustand (1.2) vorzuspannen.

2. Streckbares Element nach Anspruch 1, welches Fasern (2) umfaßt, die einen Teil des Elements bilden und die dazu ausgebildet sind, die Verschiedenheit in der Zug- und/oder Druckfestigkeit unter irgendeinem Winkel zur ersten und/oder zweiten Achse verglichen mit der Zug- und/oder Druckfestigkeit in der Richtung der Achse zu bewirken.

3. Streckbares Plattenelement, welches zwischen ersten und zweiten Zuständen (1.1, 1.2) konfigurierbar ist, wobei der erste Zustand (1.1) ein gewundener Zustand ist, in welchem das Element im wesentlichen parallel zu einer ersten Achse gewunden ist, wobei der zweite Zustand (1.2) ein gestreckter Zustand ist, in welchem sich das Element im wesentlichen parallel zu einer zweiten Achse unter irgendeinem Winkel zur ersten Achse erstreckt, wobei das Element eine Mehrzahl von gekreuzten Fasern (2) in oder parallel zur der Plattenebene aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß:

jede Faser (2) unter einem Winkel zwischen 0º und 90º zur ersten Achse angeordnet ist, derart, daß, wenn das Element in einer Richtung im wesentlichen parallel zur zweiten Achse gestreckt wird, die gekreuzten Fasern ein Zusammenziehen in einer Richtung unter irgendeinem Winkel zur zweiten Achse bewirken, um das Element in den zweiten Zustand (1.2) vorzuspannen.

4. Streckbares Element nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei dem die Fasern elastisch sind.

5. Streckbares Element nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Fasern an einer Seite eines Substrates vorgesehen sind.

6. Streckbares Element nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Fasern an beiden gegenüberliegenden Seiten eines Substrates vorgesehen sind.

7. Streckbares Element nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Fasern in ein Substrat eingebettet sind.

8. Streckbares Element nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem das Substrat elastisch ist.

9. Streckbares Element nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem zumindest einige der Fasern gewirkt sind.

10. Streckbares Element nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei dem zumindest einige der Fasern gewebt sind.

11. Streckbares Element nach einem der Ansprüche 2 bis 10, bei dem zumindest einige der Fasern eine Anzahl von dünnen Schichten sind.

12. Streckbares Element nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem Gruppen der Fasern unter jeweils verschiedenen Winkeln zur ersten Achse angeordnet sind.

13. Streckbares Element nach einem der Ansprüche 1 bis- 12, bei dem die Fasern unter variierenden Winkeln zur ersten Achse angeordnet sind, wobei die Winkel über und entlang dem Element variieren.

14. Streckbares Element nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem das Element Fasern über ausgewählte Abschnitte (5.1) nur des Elements aufweist, wobei andere Abschnitte (5.2) des Elements frei von Fasern sind.

15. Streckbares Element nach Anspruch 1, bei dem der Übergang in den zweiten Zustand (1.2), vollständig oder teilweise, durch die Anwesenheit von rohrförmigen Kanälen innerhalb des Materials, aus dem das Element gebildet ist, bewirkt wird, wobei die Kanäle im wesentlichen parallel zur Ebene des Elements unter irgendeinem Winkel zur zweiten Achse verlaufen.

16. Streckbares Element nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Element reversibel zwischen den ersten und zweiten Zuständen konfigurierbar ist.

17. Streckbares Element nach einem der Ansprüche 1 bis 16, welches eine Einrichtung umfaßt, um gegenüberliegende Kanten des Elements miteinander lösbar zu schließen, wenn das Element im zweiten Zustand ist.

18. Verfahren zum Herstellen eines streckbaren Plattenelements, welches zwischen ersten und zweiten Zuständen (1.1, 1.2) konfigurierbar ist, wobei der erste Zustand (1.1) ein gewundener Zustand ist, in welchem das Element im wesentlichen parallel zu einer ersten Achse gewunden ist, wobei der zweite Zustand (1.2) ein gestreckter Zustand ist, in welchem sich das Element im wesentlichen parallel zu einer zweiten Achse unter irgendeinem Winkel zur ersten Achse erstreckt, wobei das Element eine Mehrzahl von gekreuzten Fasern (2) in oder parallel zur Plattenebene aufweist, wobei jede Faser unter einem Winkel zwischen 0º und 90º zur ersten Achse angeordnet ist, derart, daß, wenn das Element in einer Richtung im wesentlichen parallel zur zweiten Achse gestreckt wird, die gekreuzten Fasern (2) ein Zusammenziehen unter irgendeinem Winkel zur zweiten Achse bewirken, um das Element in den zweiten Zustand vorzuspannen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

Vorbeibewegen einer ersten Schicht (7.1), welche ein Substrat bildet, und einer zweiten Schicht (7.1), welche die Fasern umfaßt, über eine Heizeinrichtung (7.2), um die erste Schicht zu erwärmen, um dadurch die ersten und zweiten Schichten miteinander zu verbinden; und

nachfolgendes Ausüben von Druck (7.4) auf die verbundenen ersten und zweiten Schichten, um das Element in seinem gewundenen Zustand (7.5) zu erzeugen.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem mehr als zwei Schichten über die Heizeinrichtung vorbeibewegt werden, um sie miteinander zu verbinden, und nachfolgend Druck auf die verbundenen Schichten ausgeübt wird.

20. Verfahren zum Herstellen eines streckbaren Plattenelements, welches zwischen ersten und zweiten Zuständen (1.1, 1.2) konfigurierbar ist, wobei der erste Zustand (1.1) ein gewundener Zustand ist, in welchem das Element im wesentlichen parallel zu einer ersten Achse gewunden ist, wobei der zweite Zustand (1.2) ein gestreckter Zustand ist, in welchem sich das Element im wesentlichen parallel zu einer zweiten Achse unter irgendeinem Winkel zur ersten Achse erstreckt, wobei das Element eine Mehrzahl von gekreuzten Fasern (2) in oder parallel zur der Plattenebene aufweist, wobei jede Faser unter einem Winkel zwischen 0º und 90º zur ersten Achse angeordnet ist, derart, daß, wenn das Element in einer Richtung im wesentlichen parallel zur zweiten Achse gestreckt wird, die gekreuzten Fasern ein Zusammenziehen unter irgendeinem Winkel zur zweiten Achse bewirken, um das Element in den zweiten Zustand vorzuspannen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Anlegen von Wärme (7.2) und/oder Druck (7.4) an eine Schicht (7.1), welche ein Substrat bildet und welche die darin eingebetteten Fasern aufweist, um das Element in seinem gewundenen Zustand (7.5) zu erzeugen.