EP1626847B1

EP1626847B1 - Vorrichtung und verfahren zum ausrichten magnetisierbarer partikel in einem pastösen material

Info

Publication number: EP1626847B1
Application number: EP04732601A
Authority: EP
Inventors: Shunli Zhang
Original assignee: Bakker Holding Son BV
Current assignee: Bakker Holding Son BV
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2004-05-13
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2024-05-13
Also published as: MXPA05012582A; JP2007511381A; CA2526705A1; EP1626847A1; WO2004103661A1; US20060244168A1; ATE347983T1; DE502004002312D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausrichten magnetisierbarer Partikel in einem pastösen Material mit einem Ausrichtkörper mit einer einen Frontflächenabschnitt und einen hinteren Flächenabschnitt umfassenden Wand, wobei der Ausrichtkörper mit seinem Frontflächenabschnitt zuvorderst relativ zu dem pastösen Material bewegbar ist, wobei der Ausrichtkörper ferner eine innerhalb des Ausrichtkörpers an der Innenseite des Frontflächenabschnittes angeordnete Magneteinheit aufweist, welche zum Ausrichten der magnetisierbaren Partikel ein periodisch veränderliches, auf das pastöse Material wirkendes Magnetfeld erzeugt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausrichten magnetisierbarer Partikel in einem pastösen Material.
Die Verwendung von Stahlfasern in Beton zu dessen Verstärkung ist seit ca. 20 Jahren bekannt. Dabei sind die Stahlfasern im Beton über sein Volumen gleichmäßig mit zufälliger Ausrichtung verteilt. Bei einer beispielsweise auf Biegung belasteten Betonplatte ist es wünschenswert, daß die Fasern in einer Ebene senkrecht zur angreifenden Biegekraft verteilt sind, so daß sie den Betonkörper entsprechend seiner Belastung maximal verstärken können. Diejenigen Fasern, die schräg oder gar parallel zur angreifenden Kraft angeordnet sind, tragen zu diesem Verstärkungseffekt nur vermindert oder gar nicht bei. Gegenüber Betonkörpern mit regellos verteilten Stahlfasern kann daher bei einem Betonkörper mit in der gewünschten Weise ausgerichteten Stahlfasern deren Dosierung reduziert werden, ohne daß sich das spezifische Belastungsverhalten des Betonkörpers merklich verschlechtert.
Neben dem Vorteil einer gezielten strukturellen Verstärkung des jeweiligen Betonbauteils durch das Ausrichten der enthaltenen Fasern, beispielsweise bei Industriefußböden, sind auch weitere Anwendungen solcher Betonbauteile denkbar. So läßt sich durch die Ausrichtung der Stahlfasern in einer Ebene beispielsweise eine elektrisch leitende Schicht in einer Betonwand erzeugen, wodurch diese beheizt oder eine elektromagnetische Abschirmung realisiert werden kann.
Aus dem Stand der Technik der offengelegten US-Patentanmeldung US 2002/0182395 A1 und der veröffentlichten Internationalen Anmeldung WO/9967072 ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausrichten magnetisierbarer Fasern in einem viskosen Körper, insbesondere von Stahlfasern in nichtabgebundenem Beton, bekannt. Die Vorrichtung besteht aus einem als Hohlprofil ausgebildeten Ausrichtkörper, welcher seinerseits aus einem nichtmagnetischen Material besteht. Der Ausrichtkörper weist im Querschnitt einen kreisbogenförmigen Frontflächenabschnitt auf, welcher über zwei Flankenabschnitte in Richtung eines hinteren Flächenabschnitts geradlinig spitz zuläuft. Konzentrisch mit dem kreisbogenförmigen Frontflächenabschnitt ist in dem Ausrichtkörper eine drehbar gelagerte Walze angeordnet, welche auf ihrer äußeren Umfangsfläche einen oder mehrere, insbesondere drei in einem Abstand von jeweils 120° zueinander angeordnete, Permanentmagneten aufweist. Da der Radius der Walze nur geringfügig kleiner ist als der Krümmungsradius des Frontflächenabschnittes, ist der Spalt zwischen der Innenseite des Frontflächenabschnittes und der Umfangsfläche der Walze minimiert. Durch Drehung der Magnetwalze wird ein rotierendes Magnetfeld erzeugt, welches die nichtmagnetische Wand des Ausrichtkörpers durchdringt und auf das den Ausrichtkörper umgebende Material wirkt.
Gemäß dem angegebenen Verfahren zum Ausrichten der Fasern im nichtabgebundenen Beton wird die Vorrichtung, d.h. der Ausrichtkörper mit rotierender Walze, quer zu seiner Längsachse durch den Betonkörper bzw. der pastöse, die auszurichtenden Fasern enthaltende Beton relativ zum stationären Ausrichtkörper bewegt, wobei der Beton den Ausrichtkörper entlang dessen gebogenen Frontflächenabschnitts umfließt. Durch das von den auf der rotierenden Walze angeordneten Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld werden die auf den Frontflächenabschnitt treffenden Fasern entsprechend der Rotationsrichtung der Walze um den Ausrichtkörper herumbewegt. Beim Übergang des kreisförmig gebogenen Frontflächenabschnittes in den geradlinigen Flankenabschnitt schwächt sich das Magnetfeld der rotierenden Magneten an der Wand des Ausrichtkörpers stark ab, da diese sich von der Wand wieder entfernen. Folglich bleiben die Fasern in ausgerichteter Position zurück. Aufgrund der kontinuierlichen Relativbewegung zwischen Beton und Ausrichtkörper bildet sich somit entlang des vom Ausrichtkörper relativ zum Beton zurückgelegten Weges eine Schicht ausgerichteter Fasern.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der bekannten Vorrichtung ist innerhalb der Magnetwalze zusätzlich zu dieser eine zweite wesentlich kleinere Magnetwalze im Bereich des Übergangs des Frontflächenabschnittes in den Flankenabschnitt angeordnet. Die Anordnung des auf der zweiten Walze vorhandenen Magneten sowie das Verhältnis der Durchmesser beider Walzen zueinander ist derart gewählt, daß das die Fasern um den Frontflächenabschnitt herumführende Magnetfeld der ersten Walze im Bereich der zweiten Walze nach außen, d.h. in Richtung der Fasern, zu einem gewissen Grade abgeschirmt ist, so daß die Freigabe der ausgerichteten Fasern an der gewünschten Position verbessert ist.
Nachteilig an der beschriebenen vorrichtung bzw. dem mit dieser Vorrichtung durchgeführten Verfahren ist, daß lediglich Fasern in unmittelbarer Nähe der Vorrichtung ausgerichtet werden können, so daß weiter entfernt liegende Fasern ihre regellose Ausrichtung beibehalten. Zudem ist die Ausrichtung der Fasern aufgrund der vergleichsweise hohen Restfeldstärke an der Freigabeposition nicht optimal. Eine bloße Erhöhung der Magnetfeldstärke durch den Einsatz stärkerer Magneten würde zwar die Reichweite des Magnetfeldes begrenzt erhöhen, dabei die Qualität des Schichtaufbaus jedoch infolge einer verschlechterten Freigabe der ausgerichteten Partikel erheblich vermindern.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die Vorrichtung des Standes der Technik so weiterzubilden, daß eine noch gezieltere Ausrichtung einer wesentlich größeren Zahl in einem pastösen Material enthaltener Partikel möglich wird. Die Vorrichtung soll sich ferner ohne großen technischen Aufwand und Kosten realisieren lassen. Weitere Aufgaben der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung und den Ausführungsbeispielen.
Die zuvor hergeleitete Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Magneteinheit derart ausgebildet ist, daß das durch sie erzeugte Magnetfeld mindestens zwei Zonen mit Teilfeldern unterschiedlicher Feldstärke und/oder unterschiedlichen Feldlinienverlaufs umfasst, wobei das Teilfeld der ersten Zone eine langreichweitige anziehende und ausrichtende Kraft auf die Partikel ausübt und das Teilfeld der zweiten Zone die Partikel in ausgerichteter Position wieder freigibt.
Durch die erfindungsgemäße Einteilung des durch die Magneteinheit erzeugten Magnetfeldes in mindestes zwei Zonen mit Teilfeldern unterschiedlicher Feldstärke und/oder unterschiedlichen Feldlinienverlaufs wird einerseits erreicht, daß auch die Partikel ausgerichtet werden, die einen vergleichsweise großen Abstand zum von Ausrichtkörper aufweisen. Andererseits wird durch das Teilfeld der zweiten Zone erreicht, daß die Partikel präzise in der dafür vorgesehenen Position an der Wand des Ausrichtkörpers wieder freigegeben werden, wodurch beispielsweise eine aus ausgerichteten Partikeln zu formende Schicht in dem pastösen Material die gewünschten Eigenschaften, insbesondere eine hohe Faserdichte in der Schichtebene bei gleichzeitig möglichst geringer Schichtdicke, erhält.
Der erfindungsgemäß vorgesehene Ausrichtkörper kann aus einem beliebigen Material bestehen. Besonders geeignet sind nichtmagnetische Materialien, da diese die Freigabe der ausgerichteten Partikel an der Wand des Ausrichtkörpers in der dafür vorgesehenen Position infolge eines eigenen Magnetfeld nicht behindern.
Hinsichtlich der durch das Teilfeld der ersten Zone erzeugten, auf die auszurichtenden Partikel wirkenden anziehenden Kraft kann deren Reichweite durch entsprechende Wahl des Feldstärke und des Feldlinienverlaufs des Teilfeldes in dieser Zone eingestellt werden. Somit kann der Anteil der Partikel in dem pastösen Material, die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit ausgerichtet werden sollen, bzw. der Anteil der Partikel, die weiterhin in regelloser Ausrichtung in dem Material verbleiben sollen, exakt eingestellt werden. Dabei werden ebenso die Materialeigenschaften des pastösen Materials, so z.B. dessen Viskosität bzw. die Größe und Form weiterer darin enthaltener Füllstoffe, berücksichtigt.
Der Feldlinienverlauf in der Magneteinheit lässt sich in verschiedener Weise einstellen. Eine vorteilhafte Einstellung besteht darin, dass die Feldlinien des Magnetfelds der Magneteinheit ausschließlich in einer Ebene senkrecht zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper und dem pastösen Material verlaufen. Es erfolgt somit eine Ausrichtung der Partikel ausschließlich in dieser Ebene. Dies hat zur Folge, daß die Partikel besonders leicht in der dafür vorgesehenen Position an der Wand des Ausrichtkörpers wieder freigegeben werden können, da es nicht zu einer Ausbildung eines Netzwerks magnetisierter Partikel entlang der Richtung der Relativbewegung kommt, die einen starken Zusammenhalt zwischen den magnetisierten Partikeln bewirkt und somit deren Freigabe erschwert.
Eine weitere Möglichkeit der Einstellung des Feldlinienverlaufs besteht darin, dass die Feldlinien in einer Ebene parallel zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper und dem pastösen Material verlaufen. Hier kommt es zwar zu der bereits geschilderten Netzwerkbildung. Dieser kann aber durch einen besonders variabel gestaltbaren Feldlinienverlauf wirksam begegnet werden. Hierbei ist es beispielsweise möglich, das Magnetfeld der Magneteinheit in drei Zonen mit Teilfeldern unterschiedlicher Feldstärke und/oder unterschiedlichen Feldlinienverlaufs einzuteilen, wobei das Teilfeld der ersten Zone eine langreichweitige anziehende Kraft auf die Partikel ausübt, das der zweiten Zone eine Haltekraft auf die Partikel ausübt, durch welche diese ausgerichtet werden, und das der dritten Zone die Partikel in ausgerichteter Position wieder freigibt. Durch die Einteilung des Magnetfeldes in drei Zonen ist einerseits weiterhin auch die Ausrichtung relativ weit vom Ausrichtkörper entfernt liegender Partikel gewährleistet, andererseits werden diese durch die durch das Teilfeld der zweiten Zone erzeugte moderate Haltekraft besonders präzise ausgerichtet und schließlich durch das Teilfeld der dritten Zone nach Erreichen der gewünschten Lage in dem pastösen Material wieder freigegeben. Diese Einteilung des Magnetfeldes ermöglicht es folglich, daß trotz der starken, langreichweitigen Anziehungskraft des Teilfeldes der ersten Zone die Qualität der Partikelausrichtung und deren kontrollierte Freigabe an der dafür vorgesehenen Position nicht beeinträchtigt wird.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist der Feldlinienverlauf des Magnetfelds der Magneteinheit kombiniert aus Anteilen, welche in einer Ebene senkrecht zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper und dem pastösen Material verlaufen, und Anteilen, welche parallel zur Relativbewegung verlaufen, zusammengesetzt. Durch diese Art des kombinierten Feldlinienverlaufs wird insbesondere ermöglicht, dass die ausgerichteten Partikel besonders gleichmäßig in dem Zielvolumen verteilt sind und keinerlei Tendenz mehr zur gehäuften Ansammlung entlang solcher Feldlinien aufweisen, welche ausschließlich parallel bzw. senkrecht zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper und dem pastösen Material verlaufen. Zudem ist die örtliche und zeitliche Stetigkeit des Ausrichtprozesses auch dann erreichbar, wenn die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Ausrichtkörper und dem pastösen Material und die Frequenz des periodisch veränderlichen Magnetfeldes nicht optimal aufeinander abgestimmt sind.
Bei der Einteilung des von der Magneteinheit erzeugten Magnetfeldes, dessen Feldlinien in einer Ebene parallel zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper und dem pastösen Material verlaufen, in die unterschiedlichen Zonen haben sich insbesondere zwei Lösungen als besonders vorteilhaft erwiesen. So kann einerseits die erste und die zweite Zone jeweils etwa einen 90°-Bereich und die dritte Zone einen etwa 180°-Bereich des Querschnitts der Magneteinheit überdecken. Zweckmäßig ist jedoch auch jeweils eine etwa 120°-Überdeckung des Querschnitts der Magneteinheit durch die drei Zonen.
Die Vorrichtung läßt sich insbesondere dadurch ohne zu großen technischen Aufwand und Kosten realisieren, daß die das periodisch veränderliche Magnetfeld erzeugende Magneteinheit als rotierender Körper mit statischer Feldverteilung ausgebildet ist. Wie bereits beim Stand der Technik gezeigt, ist der Ausrichtkörper vorteilhafterweise als ein sich quer zur Richtung der Relativbewegung zwischen Ausrichtkörper und pastösem Material erstreckendes Hohlprofil ausgebildet, dessen Querschnitt nach Art eines Tragflächenquerschnitts von dem im wesentlichen halbkreisförmig gebogenen Frontflächenabschnitt sich verjüngend über zwei Flankenflächen zum hinteren Flächenabschnitt zuläuft. Diese Form begünstigt einerseits die Ausrichtung der Partikel bei ihrem Transport entlang des gebogenen und andererseits ihre kontrollierte Freigabe am Übergang zwischen dem einen Ende des Frontflächenabschnittes und einer Flankenfläche.
Durch die Ausbildung der Magneteinheit als eine rotierende zylindrische Walze, deren Rotationsachse mit der Mittelachse des halbkreisförmig gebogenen Frontflächenabschnitts zusammenfällt, ist gewährleistet, daß der Spalt zwischen der Innenseite des Frontflächenabschnittes des Ausrichtkörpers und der Magnetwalze minimal ist, so daß deren Magnetfeld verlustarm auf das den Ausrichtkörper umgebende pastöse Material wirken kann. Zweckmäßigerweise erstreckt sich die Magnetwalze dabei über die gesamte Länge des Ausrichtkörpers. Entsprechend verlaufen die in einer Ebene parallel zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper und dem pastösen Material liegenden Feldlinien in axialer Richtung der Magnetwalze, während die in einer Ebene parallel zur Relativbewegung liegenden Feldlinien in Umfangsrichtung der Magnetwalze verlaufen.
Eine hohe Variabilität bei der Formung des aus den drei Teilfeldern gebildeten Magnetfeldes ist dann gegeben, wenn dieses von Permanentmagneten erzeugt wird. Besonders hohe Feldstärken lassen sich mit Permanentmagneten aus einer NdFeB-Legierung erzeugen. Dazu ist es zweckmäßig, wenn mindestens einer der Permanentmagneten aus dieser Legierung besteht.
Im Falle eines in drei Zonen eingeteilten Magnetfeldes besteht die Funktion der dritten Zone des Magnetfeldes darin, die Partikel in ausgerichteter Position wieder freizugeben. Dies läßt sich besonders effektiv dadurch erreichen, daß das Teilfeld der dritten Zone von einem weichmagnetischen Material, insbesondere einem kohlenstoffarmen Stahl, erzeugt wird. Dies führt zu einem räumlich auf das weichmagnetische Material beschränkten Rückfluß der Magnetfeldlinien mit der Folge, daß radial außerhalb dieser Zone die Feldstärke des Magnetfelds annähernd verschwindet und die Partikel in diesem Bereich praktisch keine anziehende Kraft mehr erfahren.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Ausrichten magnetisierbarer Partikel in einem pastösen Material anzugeben.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung gelöst. Die Vorteile dieser Vorrichtung gelten in gleichem Maße auch für das erfindungsgemäße Verfahren. Dieses hat insbesondere dann ein großes Anwendungsspektrum, wenn als pastöses Material nicht abgebundener Beton verwendet wird und die Partikel als Stahlfasern ausgebildet sind.
Alternativ können die Partikel auch als Stahlringe ausgebildet sein. Deren Einsatz erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn beispielsweise eine dünne Schicht in einer auf Biegung belasteten Betonplatte erzeugt werden soll. Bei der Verwendung von Stahlringen wird dabei ein besonders hoher Überlappungsgrad der einzelnen Partikel in der Schichtebene erreicht, wodurch die Effektivität der strukturellen Verstärkung erhöht wird. Dies ermöglicht u.a. gegenüber der Verwendung konventioneller eindimensional geformter Stahlspäne- oder fasern eine Reduzierung des Materialeinsatzes ohne eine sprürbare Verschlechterung des Belastungsverhaltens des verstärkten Bauteils.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 a,b: eine Vorrichtung zum Ausrichten magnetisierbarer Partikel in einem pastösen Material in schematischer Darstellung im Querschnitt und perspektivisch,
Fig. 2: das Funktionsprinzips der Vorrichtung der Fig. 1 in schematischer Darstellung,
Fig. 3: die Magneteinheit der Vorrichtung der Fig. 1 in einer Dreipol-Anordnung,
Fig. 4: die Magneteinheit der Vorrichtung der Fig. 1 in einer Zweipol-Anordnung mit radialer Magnetausrichtung,
Fig. 5 a,b: die Magneteinheit der Vorrichtung der Fig. 1 in asymmetrischer Magnetanordnung,
Fig. 6: die Magneteinheit der Vorrichtung der Fig. 1 in asymmetrischer Magnetanordnung mit Bucking Pol,
Fig. 7: die Magneteinheit der Vorrichtung der Fig. 1 in asymmetrischer Magnetanordnung mit linearem Halbach-Array.
Fig. 8: die Magneteinheit der Vorrichtung der Fig. 1 in einer alternativen Ausführung mit axial ausgerichtetem linearen Halbbach-Array,
Fig. 9: der Feldlinienverlauf in der Magneteinheit der Fig. 8 ausschnittsweise,
Fig. 10: die Magneteinheit der Vorrichtung der Fig. 1 in einer weiteren alternativen Ausführung mit kombiniert axial und radial versetzter Anordnung der Magnete ausschnittsweise und
Fig. 11: die Magneteinheit der Fig. 10 im Querschnitt entlang der Linie XI-XI der Fig. 10 mit eingezeichnetem Feldlinienverlauf.

In den Fig. 1a und 1b ist eine Vorrichtung zum Ausrichten magnetischer Partikel in einem pastösen Material dargestellt. Die Vorrichtung weist einen Ausrichtkörper 1 in Form eines Hohlprofils auf, welches aus einem nichtmagnetischen Material besteht. Gemäß der Querschnittsansicht der Fig. 1a umfaßt das Hohlprofil einen kreisbogenförmigen Frontflächenabschnitt 1a, welcher über zwei Flankenabschnitte 1c in Richtung eines hinteren Flächenabschnitts 1b geradlinig spitz zuläuft. Innerhalb des Ausrichtkörpers 1 ist eine Magneteinheit 2 angeordnet, die als drehbar gelagerte, konzentrisch mit dem kreisbogenförmigen Frontflächenabschnitt 1a angeordnete, zylindrische Walze ausgebildet ist. Die Magnetwalze 2 ist entlang ihrer Längsachse mit Permanentmagneten bestückt und wird beispielsweise durch einen oder mehrere Elektromotoren (nicht dargestellt) in Rotation versetzt. Somit wird ein rotierendes, d.h. periodisch veränderliches, auf die in dem pastösen Material enthaltenen Partikel wirkendes Magnetfeld erzeugt, welches in drei Zonen I, II, III mit Teilfeldern unterschiedlicher Feldstärke und/oder unterschiedlichen Feldlinienverlaufs eingeteilt ist. Dabei überdecken die erste und die zweite Zone jeweils einen 90°-Bereich sowie die dritte Zone den verbleibenden 180°-Bereich des kreisförmigen Querschnitts der Magneteinheit. Der Radius der Magnetwalze 2 ist nur geringfügig kleiner als der Krümmungsradius des Frontflächenabschnittes 1a, so daß der Spalt zwischen der Innenseite des Frontflächenabschnittes 1a und der Umfangsfläche der Magnetwalze 2 minimal ist und das Magnetfeld der Magnetwalze 2 verlustarm auf das den Ausrichtkörper 1 umgebende pastöse Material wirken kann.
Nicht dargestellt ist eine alternative Ausführungsform der Magneteinheit, nach der diese fest in dem Ausrichtkörper angeordnet und das periodisch veränderliche Magnetfeld durch eine Anordnung einzeln ansteuerbarer Elektromagneten innerhalb des Ausrichtkörpers realisiert ist.
Das Funktionsprinzip der Vorrichtung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Demnach wird der Ausrichtkörper 1 mit der darin angeordneten rotierenden Magnetwalze 2 quer zu seiner Längsachse 1f durch ein pastöses Material 3 in Form einer nichabgebundenen Betonschicht bewegt, welche magnetisierbare Partikel 4 in Form von Stahlfasern oder Stahlringen enthält. Ebenso kann der pastöse Beton 3 relativ zum stationären Ausrichtkörper 1 bewegt werden. In beiden Fällen umfließt der Beton 3 den Ausrichtkörper 1 entlang dessen gebogenen Frontflächenabschnitts 1a. Dabei rotiert die Magnetwalze 2 gegen den Uhrzeigersinn, so daß die magnetisierbaren Partikel 4 in der unten beschriebenen Weise in einer Schicht 6 unterhalb des Ausrichtkörpers 1 angeordnet werden. Wie in Fig. 2 leicht erkennbar, verlaufen die Feldlinien in einer Ebene parallel zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper 1 und dem pastösen Material 3.
Das Teilfeld der ersten Zone I übt auf die Stahlfasern 4 eine langreichweitige anziehende Kraft aus, so daß sich die Fasern 4 in einem langgestreckten Bereich 7 vor dem Frontflächenabschnitt 1a des Ausrichtkörpers 1 auf diesen zubewegen. Das Teilfeld der zweiten Zone II übt eine Haltekraft auf die angezogenen Partikel 4 aus, durch welche diese entsprechend der Rotationsrichtung der Magnetwalze 2 entlang des Frontflächenabschnittes 1a nach unten transportiert und dabei ausgerichtet werden. Das Teilfeld der dritten Zone III, dessen Feldstärke infolge der geschlossenen Magnetfeldlinien innerhalb dieser Zone radial außerhalb des Ausrichtkörpers 1 annähernd verschwindet, gibt die Partikel 4 in ausgerichteter Position ungefähr an der Stelle 1e des Übergangs des kreisförmig gebogenen Frontflächenabschnittes 1a in den unteren Flankenabschnitt 1c wieder frei.
Die Rotation des sich aus den drei Teilfeldern zusammensetzenden Gesamtmagnetfeldes der Magnetwalze 2 bedeutet, daß regelmäßig auch das Teilfeld der ersten Zone I an der Stelle der Freigabe der Partikel 4 wirkt. Dementsprechend ist die Ablösung der Partikel von der Wand des Ausrichtkörpers 1 regelmäßig kurzzeitig erschwert, was zu einer unerwünschten wellenförmigen Struktur der auszubildenden Partikelschicht 6 führen würde. Dem kann jedoch wirkungsvoll dadurch begegnet werden, daß die Rotationsfrequenz der Magnetwalze relativ zur Bewegung des Ausrichtkörpers 1 in der Betonschicht sehr hoch gewählt wird, wodurch eine etwaige Wellenstruktur der Schicht 6 geglättet wird.
In den Fig. 3 - 7 sind verschiedenen Anordnungen der Permanentmagneten in der Magnetwalze 2 dargestellt.
Gemäß der Fig. 3 erstreckt sich ein starker, vorzugsweise aus einer NdFeB-Legierung bestehender Permanentmagnet 8 von einem Punkt nahe der Rotationsachse der Magnetwalze 2 radial nach außen. Seine äußere Stirnfläche 8a, an der sich der magnetischen Nordpol befindet, ist dabei entsprechend der Krümmung der Magnetwalze geformt, so daß die Magnetwalze mit minimalem Spalt zur Innenfläche des Frontflächenabschnittes 1a des Ausrichtkörpers 1 rotieren kann. Weiterhin ist innerhalb der Magnetwalze 2 ein Polschuh 9 aus einem weichmagnetischen Material; vorzugsweise einem weichen unlegierten Stahl, vorgesehen. Der Polschuh 9 umfaßt einen Mittelabschnitt 9a, welcher an die innere Stirnfläche des Permanentmagneten 8, an der sich dessen magnetischer Südpol befindet, bündig angrenzt und die Rotationsachse der Magnetwalze 2 umgibt. Von dem Mittelabschnitt 9a steht zu beiden Seiten jeweils ein Endabschnitt 9b ab. Beide Endabschnitte 9b sind in Richtung des Permanentmagneten 8 leicht abgewinkelt und erstrecken sich bis zum Außenumfang der Magnetwalze 2, wobei ihre jeweiligen äußeren Stirnflächen 9c ebenso der Umfangskrümmung der Magnetwalze angepaßt sind.
Das von dieser Magnetanordnung erzeugte Magnetfeld ist in zwei Zonen I, II eingeteilt und wird durch seine Feldlinien grafisch dargestellt. Die erste Zone I wird von dem Permanentmagneten 8 und dem Polschuh 9 gebildet. Hierbei ist der Polschuh 9 durch den starken Permanentmagneten 8 magnetisiert, so daß sich an dessen Endabschnitten 9b jeweils ein magnetischer Südpol ausbildet. Dementsprechend verlaufen die Feldlinien vom Nordpol des Permanentmagneten 8 durch den die Magnetwalze bzw. den sie einschließenden Ausrichtkörper umgebenden Raum zu den Endabschnitten 9b des Polschuhs 9 mit der Folge, daß der in bezug auf die Magnetanordnung rückwärtige Bereich 10 der Magnetwalze, welcher die zweite Zone II bildet und beispielsweise mit Aluminium oder Stahl ausgefüllt sein kann, von einem Feld von nur geringer Feldstärke durchsetzt ist. Durch das vom Nordpol des Permanentmagneten 8 erzeugte Feld wird eine anziehende Kraft insbesondere auf magnetisierbares Material, welches sich in einem Bereich in Verlängerung seiner Längsachse befindet, ausgeübt. Die Magnetanordnung der Fig. 3 zeichnet sich insbesondere durch geringen Fertigungsaufwand und damit niedrige Kosten aus.
Die Magnetanordnung gemäß Fig. 4 umfaßt zwei von der Rotationsachse der Magnetwalze 2 sich radial nach außen erstreckende Permanentmagneten 11, 12 im wesentlichen gleicher Größe und Stärke. Beide Magneten 11, 12 bestehen vorzugsweise aus einer NdFeB-Legierung. Die Magneten 11, 12 stehen in spitzem Winkel von ca. 60° zueinander und verlaufen annähernd von der Rotationsachse der Magnetwalze 2 zu ihrer Umfangsfläche, wobei die äußeren Stirnflächen der Magneten 11, 12 wiederum der Umfangskrümmung der Magnetwalze 2 angepaßt sind, um das Spaltmaß zwischen Magnetwalze und Frontflächenabschnitt des Ausrichtkörpers (hier nicht eingezeichnet) zu minimieren. Beide Magneten 11, 12 sind entgegengesetzt ausgerichtet, so daß im Falle des ersten Magneten 11 der Nordpol nach außen weist und im Falle des zweiten Magneten 12 der Südpol.
Jenseits der Rotationsachse der Magnetwalze 2 in gleichem Winkelabstand zu den beiden Magneten 11, 12 befindet sich ein aus einem weichmagnetischen Material, vorzugsweise einem weichen unlegierten Stahl, bestehender Bereich 13, welcher sich über 180° und damit über die halbe Querschnittsfläche der Magnetwalze 2 erstreckt.
Das von dieser Magnetanordnung erzeugte Magnetfeld ist wiederum in zwei Zonen I, II eingeteilt und wird durch seine Feldlinienverlauf visualisiert. Das Teilfeld der ersten Zone wird durch die winklig angeordneten Magneten 11, 12 erzeugt. Durch ihre entgegengesetzte Ausrichtung wird ein tief in den Raum ragendes und damit eine weitreichende Anziehungskraft ausübendes Magnetfeld erzeugt. Der rückwärtig angeordnete aus dem weichmagnetischen Material bestehende Bereich 13 repräsentiert die zweite Zone II, in der die Feldlinien praktisch vollständig zurückgeführt werden. Folglich ist die Restfeldstärke in dem die zweite Zone außen umgebenden Bereich verschwindend gering, was Voraussetzung dafür ist, daß die angezogenen und ausgerichteten Partikel an der gewünschten Stelle wieder freigegeben werden können.
Durch die asymmetrische Magnetanordnung der in Fig. 5 dargestellten Magnetwalze 2 wird ein in drei Zonen I*, II*, III* eingeteiltes Magnetfeld (s. Fig. 5b) erzeugt. Im Vergleich zu der prinzipiellen Darstellung der Vorrichtung in Fig. 1 ist hierbei die Reihenfolge der Anordnung der Zonen I*, II*, III* umgekehrt. Folglich rotiert die Magnetwalze 2 der Fig. 5 im Betrieb im Uhrzeigersinn und die auszurichtenden Partikel 4 werden oberhalb des Ausrichtkörpers 1 in der pastösen Material 3 angeordnet.
Die Magnetwalze 2 selbst ist in zwei 180°-Sektoren 14, 15 mit einer mittleren Schnittfläche D unterteilt. Der Sektor 14 ist wiederum in zwei 90°-Sektoren 14a, 14b unterteilt. Im Sektor 14a ist ein starker Permanentmagnet 16 angeordnet, welcher sich rechtwinklig von der Schnittfläche D in Richtung der gegenüberliegenden Umfangsfläche der Magnetwalze 2 erstreckt, so daß sich sein Nordpol im Bereich der Umfangsfläche des Magnetwalze 2 befindet. In dem dazu benachbart gelegenen Sektor 14b ist parallel zum ersten Magneten 16, aber entgegengesetzt orientiert ein zweiter schwächerer Permanentmagnet 17 angeordnet. Beide Magneten 16, 17 bestehen vorzugsweise aus einer NdFeB-Legierung und sind bezüglich ihrer äußeren Stirnflächen der Krümmung der Umfangsfläche der Magnetwalze 2 angepaßt. Die zwischen den Magneten 16, 17 befindlichen Zwischenräume sind mit einem nichtmagnetischen Material, wie z.B. Aluminium ausgefüllt. Der zweite 180°-Sektor 15 besteht vollständig aus einem weichmagnetischen Material, vorzugsweise einem weichen unlegierten Stahl.
Die Wirkung dieser Magnetanordnung in bezug auf den Feldlinienverlauf ist in Fig. 5b dargestellt. Demnach übt das von dem starken Magneten 16 in der ersten Zone I* erzeugte Teilfeld eine besonders langreichweitige Anziehungskraft auf die magnetisierbaren Partikel aus, welche in dem die Magnetwalze 2 bzw. den Ausrichtkörper 1 umgebenden Material enthalten sind. Das Teilfeld der zweiten Zone II* ist schwächer als das der ersten Zone I*, ist dadurch jedoch vorzugsweise geeignet, die vom Magnetfeld der ersten Zone I* angezogenen Partikel zur Freigabeposition zu transportieren und dabei in der gewünschten Weise auszurichten. Das weichmagnetische Material des Sektors 15 sorgt dafür, daß die zurücklaufenden Feldlinien der Pole der Magneten 16, 17 annähernd vollständig im Teilfeld der dritten Zone III* eingeschlossen sind, so daß außerhalb praktisch keinerlei Kraft mehr auf die Partikel wirkt und diese somit leicht in ausgerichteter Position freigegeben werden können.
Der besondere Vorteil dieser asymmetrischen Magnetanordnung ist die hohe Reichweite der Anziehungskraft bei einem vergleichsweise einfach und kostengünstig zu realisierenden Aufbau.
Die Fig. 6 und 7 zeigen vorteilhafte Weiterbildungen der Magnetanordnung der Fig. 5.
In der in Fig. 6 dargestellten Anordnung mit Bucking Pol sind die Magneten 16, 17 durch einen weiteren quer angeordneten Magneten 19 räumlich verbunden, wobei der Nordpol dieses Magneten 19 zum starken Magneten 16 der ersten Zone I* weist. Durch diese Anordnung läßt sich die Reichweite des Teilfeldes der ersten Zone I* noch weiter steigern, so daß magnetisierbare Partikel aus noch größerer Entfernung angezogen werden können.
Die Anordnung der Fig. 7 basiert ebenfalls auf der asymmetrischen Magnetanordnung der Fig. 5. Zusätzlich zu den beiden Magneten 16, 17 sowie dem quer angeordneten Magneten 19 sind in dem 180°-Sektor 14 zwei weitere quer angeordnete Magneten 20, 21 vorgesehen, die an die jeweiligen äußeren Längsseiten der Magneten 16, 17 stoßen und so ausgerichtet sind, daß dem starken Magneten 16 jeweils der Nordpol, dem schwächeren Magneten 17 jeweils der Südpol zugewandt ist. Die somit insgesamt aus fünf Magneten 16, 17, 19, 20, 21 bestehende Anordnung entspricht der eines linearen Halbach-Arrays. Sie ist in zweierlei Hinsicht vorteilhaft. So wird einerseits die Reichweite der Anziehungskraft des Teilfeldes der ersten Zone I* gegenüber der Anordnung mit Bucking Pole maximiert. Andererseits ermöglicht sie eine vollständige Abschirmung des rückseitigen Bereichs (Zone III*), so daß die Feldstärke des Teilfeldes der dritten Zone III* verschwindet. Dadurch wird die Freigabe der magnetisierbaren Partikel in der gewünschten Position optimiert.
Die Anordnung mit Bucking Pol bzw. mit Halbach-Array läßt sich ebenfalls bei der Zweipol-Anordnung mit radialer Magnetausrichtung beispielsweise gemäß Fig. 4 realisieren und verbessert deren Wirkung in bezug auf die Anziehung und Ausrichtung der magnetisierbaren Partikel.
In den Fig. 8 und 9 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Bei dieser ist die Magnetwalze 2* mit einer Anzahl von in axialer Richtung der Walze 2* hintereinander angeordneten Permanentmagneten 22a - 22e vorzugsweise aus NdFeB bestückt. Die blockförmig geformten und damit besonders kostengünstig herstellbaren Magneten 22a - 22e bilden wiederum einen linearen Halbach-Array aus, welcher bei diesem Ausführungsbeispiel im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen in axialer Richtung der Magnetwalze 2* ausgerichtet ist. Entsprechend verlaufen die Feldlinien streng in axialer Richtung der Walze 2*, also in einer Ebene senkrecht zur Relativbewegung zwischen Ausrichtkörper 1 und pastösem Material 3 (s. Fig. 2). Durch die Magnetwalze gemäß der Fig. 8 wird ein aus zwei Zonen I**, II** bestehendes Magnetfeld geformt, bei dem das Teilfeld der ersten Zone I** eine langreichweitige Kraft auf die in dem pastösen Material vorhandenen Partikel ausübt und das verschwindende Teilfeld der zweiten Zone II** die Partikel etwa an der Position 1e des Ausrichtkörpers wieder freigibt.
Die Magneten 22a - 22e sind auf einem Walzenblock 23 mit halbkreisförmigem Querschnitt befestigt. Der Walzenblock 23 besteht dabei bevorzugt aus einem magnetischen Stahl hoher Permeabilität.
Der besondere Vorteil dieser axialen Anordnung der Magnete, welche ebenso auch in Form eines Bucking Pols angeordnet sein können, besteht nun darin, dass aufgrund des axialen Verlaufs der Magnetfeldlinien (s. Fig. 9) diese in Umfangsrichtung der Magnetwalze nicht streuen, d.h. das Magnetfeld ist in Umfangsrichtung streng begrenzt. Dadurch kommt es nicht zu einer Netzwerkbildung unter den magnetisierten Partikeln in Umfangsrichtung der Magnetwalze, was die Ablösung der ausgerichteten Partikel regelmäßig erschwert. Weiterhin ergibt sich durch den axialen Feldlinienverlauf eine besonders ausgedehnte Zone, in der das Magnetfeld verschwindet, was wiederum eine Freigabe der ausgerichteten Partikel erleichtert.
In den Fig. 10 und 11 ist schließlich eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Bei dieser ist die Magnetwalze 2** in wiederkehrender Reihenfolge mit Permanentmagneten 24a, 24b, 25 vorzugsweise aus NdFeB in der Weise bestückt, dass sich entlang der Längsachse der Magneteinheit jeweils zwei nebeneinander, symmetrisch zur Längsachse angeordnete Magnete 24a, 24b mit identischer Orientierung mit einem stärkeren, zentral stehenden Magneten 25 mit entgegen gerichteter Orientierung abwechseln. Die Magneten 24a, 24b, 25 sind wiederum auf einem Walzenblock 26 mit halbkreisförmigem Querschnitt befestigt. Der Walzenblock 23 besteht dabei bevorzugt aus einem magnetischen Stahl hoher Permeabilität. In Fig. 11 ist der Feldlinienverlauf der erfindungsgemäßen Magneteinheit 2** projiziert auf die Betrachtungsebene dargestellt. Wie dargestellt ist, verlaufen die Feldlinien vom Nordpol des zentral stehenden Magneten 25 zu den Südpolen der nebeneinander und zum Magneten 25 versetzt angeordneten Magnete 24a, 24b. Damit weisen die Feldlinien einerseits, wie in Fig. 11 erkennbar, senkrecht zur Längsachse der Magneteinheit 2** ausgerichtete Anteile auf und verlaufen somit in einer Ebene parallel zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper und dem pastösen Material. Andererseits weisen sie auch in axialer Richtung verlaufende Anteile auf, wodurch der axiale Versatz zwischen den Magnetpaaren 24a, 24b und dem zentralen Magneten 25 überbrückt wird.
Der besondere Vorteil einer solchen Magnetanordnung besteht darin, dass die ausgerichteten Partikel besonders gleichmäßig im Zielvolumen verteilt sind und keinerlei Tendenz mehr zur gehäuften Ansammlung entlang ausschließlich parallel bzw. senkrecht zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper und dem pastösen Material verlaufender Feldlinien aufweisen.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr ergeben sich für den Fachmann im Rahmen der Erfindung vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten. Insbesondere wird der Schutzumfang der Erfindung durch die Ansprüche festgelegt.

Claims

Vorrichtung zum Ausrichten magnetisierbarer Partikel (4) in einem pastösen Material (3) mit einem Ausrichtkörper (1) mit einer einen Frontflächenabschnitt (1a) und einen hinteren Flächenabschnitt (1b) umfassenden Wand, wobei der Ausrichtkörper (1) mit seinem Frontflächehabschnitt (1a) zuvorderst relativ zu dem pastösen Material (3) bewegbar ist, wobei der Ausrichtkörper (1) ferner einen innerhalb des Ausrichtkörpers (1) an der Innenseite des Frontflächenabschnitts (1a) angeordnete Magneteinheit (2) aufweist, welche zum Ausrichten der magnetisierbaren Partikel (4) ein periodisch veränderliches, auf das pastöse Material (3) einwirkendes Magnetfeld erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneteinheit (4) derart ausgebildet ist, dass das durch sie erzeugte Magnetfeld mindestens zwei Zonen (I, I**, II, II**) mit Teilfeldern unterschiedlicher Feldstärke und/oder Feldlinienverlauf umfasst, wobei das Teilfeld der ersten Zone (I, I**) eine langreichweitige anziehende und ausrichtende Kraft auf die Partikel ausübt und das Teilfeld der zweiten Zone (II, II**) die Partikel in ausgerichteter Position wieder freigibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Feldlinien des Magnetfelds der Magneteinheit (2) in einer Ebene senkrecht zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper (1) und dem pastösen Material (3) verlaufen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Feldlinien des Magnetfelds der Magneteinheit (2) in einer Ebene parallel zur Relativbewegung zwischen dem Ausrichtkörper (1) und dem pastösen Material (3) verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Magnetfeld in drei Zonen (I*, II*, III*) mit Teilfeldern unterschiedlicher Feldstärke und/oder unterschiedlichen Feldlinienverlaufs eingeteilt ist, wobei das Teilfeld der ersten Zone (I*) eine langreichweitige anziehende Kraft auf die Partikel (4) ausübt, das der zweiten Zone (II*) eine Haltekraft auf die Partikel (4) ausübt, durch welche diese ausgerichtet werden, und das der dritten Zone (III*) die Partikel in ausgerichteter Position wieder freigibt.
Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die erste und die zweite Zone (I*, II*) jeweils etwa einen 90°-Bereich und die dritte Zone (III*) etwa einen 180°-Bereich des Querschnitts der Magneteinheit (2) überdecken.
Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die drei Zonen (I*, II*, III*) jeweils etwa einen 120°-Sektor des Querschnitts der Magneteinheit (2) überdecken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die das periodisch veränderliche Magnetfeld erzeugende Magneteinheit (2) als rotierender Körper mit statischer Feldverteilung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Ausrichtkörper (1) als ein sich quer zur Richtung der Relativbewegung zwischen Ausrichtkörper (1) und pastösem Material (3) erstreckendes Hohlprofil ausgebildet ist, dessen Querschnitt nach Art eines Tragflächenquerschnitts von dem im wesentlichen halbkreisförmig gebogenen Frontflächenabschnitt (1a) sich verjüngend über zwei Flankenflächen (1c) zum hinteren Flächenabschnitt (1b) zuläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Magneteinheit (2) als eine sich über die gesamte Länge des Ausrichtkörpers (1) erstreckende rotierende zylindrische Walze ausgebildet ist, deren Rotationsachse mit der Mittelachse (1f) des halbkreisförmig gebogenen Frontflächenabschnitts (1a) zusammenfällt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Magnetfeld der Magneteinheit (2) von Permanentmagneten (8, 11, 12, 16, 17, 19, 20, 21) erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens einer der Permanentmagneten (8, 11, 12, 16, 17, 19, 20, 21) aus einer NdFeB-Legierung besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Teilfeld der dritten Zone (III*) von einem weichmagnetischen Material, insbesondere einem kohlenstoffarmen Stahl, erzeugt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Magnetfeld von einem Dreipol-System erzeugt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Magnetfeld von einem Zweipolsystem mit radialer Anordnung erzeugt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld von einer Anordnung mit Bucking Pol erzeugt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Magnetfeld von einem Halbach-Array erzeugt wird.
Verfahren zum Ausrichten magnetisierbarer Partikel in einem pastösen Material unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß
als pastöses Material (3) nicht abgebundener Beton verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Partikel (4) als Stahlfasern ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Partikel als Stahlringe ausgebildet sind.