Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus Fasermaterial und warm härtbarem Harz, insbesondere ein Verfahren zum Formen von mit warmhärtbarem Harz gebundenem Fasermaterial, welches übereinstimmende Ergebnisse in bezug auf Festigkeit, Genauigkeit und Oberflächenglätte des Hohlkörpers liefert und dabei wirtschaftlich ist im Hinblick auf Bearbeitung, erforderliche Geschicklichkeit des Arbeiters und Zeitaufwand.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren zur Herstellung eines hohlen, röhrenförmigen Körpers, der mindestens ein offenes Ende hat, wird ein Kern, dessen Form dem Hohlraum des herzustellenden Hohlkörpers ähnlich, aber etwas kleiner als dieser ist, mit einer luftundurchlässigen Membran bedeckt, diese Membran mit einer Schicht aus Fasermaterial überzogen, welches mit warm härtbarem Harz imprägniert ist, der überzogene Kern in eine hohle Form eingesetzt, deren Innenfläche der äussern Form des herzustellenden Hohlkörpers entspricht, die Membran mit der Form luftdicht verbunden, dabei ein Zwischenraum zwischen der Membran und der Form eingeschlossen, welche das vom Harz imprägnierte Fasermaterial enthält, dieser Zwischenraum wird evakuiert, so dass sich die aus Fasermaterial bestehende Schicht von dem Kern abhebt und sich an die Innenfläche der Form anlegt,
die überzogene Form wird in einen geschlossenen Kessel gebracht, Druck und Temperatur in diesem Kessel werden zum Härten des Harzes erhöht; dabei wird das Vakuum im Zwischenraum zwischen der Membran und dem Kern aufrechterhalten, dann die Form aus dem Kessel und der hergestellte Hohlkörper aus dem Kern herausgenommen.
Die Verwendung eines Kerns als vorläufigen Träger des Fasermaterials hat verschiedene Vorteile.
Derselbe kann sehr viel leichter konstruiert sein als die Form, weil er keinerlei Druckbeanspruchungen ausgesetzt wird. Er ist daher sehr viel leichter zusammen mit seinem Überzug aus Fasermaterial transportierbar. Er kann leicht an Zapfenhaltern befestigt und zur Erleichterung des Auftragens des Fasermaterials gedreht werden. Das Auftragen desselben ist auch auf der Aussenseite des Kerns leichter und rascher durchführbar als direkt auf der Innenfläche der Form, besonders im Falle von Hohlkörpern, die verhältnismässig lang im Vergleich zu ihrem Durchmesser oder an einem Ende geschlossen sind. Im Falle verhältnismässig grosser Körper werden auch die Formen besser ausgenutzt, welche verhältnismässig teure Einrichtungen darstellen.
Da das Aufbringen des Überzuges aus Fasermaterial mehr Zeit in Anspruch nimmt als das Härten, kann durch den Gebrauch von zwei oder mehr Kernen in Verbindung mit jeder Form die letztere vollständig ausgenutzt werden.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten röhrenförmigen Hohlkörper.
Behälter dieser Art können zum Beispiel als Mantelteile für Luftfahrzeuge benützt werden. Sie können im Längs schnitt spitzbogenförmig verjüngt oder zylindrisch sein.
Als Ausführungsbeispiel wird ein erfindungsgemäss es Verfahren zur Herstellung eines röhrenförmigen Hohlkörpers an Hand der Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen röhrenförmigen Mantelteil in perspektivischer Darstellung.
Fig. 2 ist eine Frontansicht des längs der Linie 2-2 in Fig. 3 teilweise geschnittenen Kerns für die Herstellung des in Fig. 1 gezeigten Mantelteils.
Fig. 3 zeigt eine Ansicht in Richtung des Pfeils 3 in Fig. 2, wobei ein Teil entfernt ist, um bestimmte Einzelheiten der Konstruktion des Kerns darzustellen.
Fig. 4 ist eine Vorderansicht, welche die Innenfläche einer Hälfte der Form zeigt, die zur Herstellung des in Fig. 1 dargestellten Mantelteils benutzt wird.
Fig. 5 ist eine Ansicht in Richtung des Pfeils 5 in Fig. 4, welche eine Stirnseite der Form zeigt.
Fig. 6 ist eine Schnittansicht und zeigt einen Teil des von der Membran bedeckten, überzogenen Kerns, der in die Form eingesetzt ist, wobei die Membran in dem Zustand gezeigt ist, in dem sie dichtend an die Form anschliesst.
Fig. 7 ist eine Schnittansicht und zeigt einen Teil des Hohlkörpers kurz bevor dessen innere Rohrfläche mit einem trocknenden oder erstarrenden flüssigen Dichtungsmittel überzogen wird.
Fig. 8 zeigt eine Konstruktionseinzelheit eines Teils des Hohlkörpers in einer Schnittdarstellung.
In Fig. 1 hat das röhrenartige Mantelteil allgemein Zylinderform und verstärkte Endringe 10, 11, deren Aussendurchmesser zweimal nach innen abgestuft ist, um in passend geformte Endringe der andern Mantelteile, welche spitzbogenförmigen Längsschnitt haben, hineinzupassen und dabei abgestufte überlappende Verbindungsringe zu bilden.
Das Mantelteil hat auf seine Länge verteilte, nach innen verdickte Ringe 12 mit je einer Stufe zur Aufnahme von Querwänden, die entsprechend abgestufte Flansche am Umfang haben. Das Mantelteil hat auch einen nach aussen verdickten Wandteil 13 nach Art eines Sattels, durch welches an den Zwischenwänden und am Mantel befestigtes Montagematerial hindurchgeht.
Für die Herstellung eines solchen Körpers nach dem erfindungsgemässen Verfahren sind eine Form und ein Kern erforderlich. Die Form ist in Fig. 4 und 5 gezeigt und besteht aus einem starken Metallzylinder, der aus zwei Teilen 14 und 15 (Fig. 5) längs einer Durchmesserebene zusammengesetzt ist.
Dabei sind diese Teile an den Flanschen 16 und 17 zusammengeschraubt. Die Innenfläche 18 (Fig. 4) der Form entspricht in Form und Abmessungen der Aussenfläche des herzustellenden Körpers. An jedem Ende ist eine erste Stufe 19, welche der Dicke des Randes des herzustellenden Körpers entspricht, eine zweite Stufe 20, welche der Stufe des überlappenden Verbindungsstückes entspricht, und eine dritte Stufe 21, welche der Dicke des Randes des angrenzenden Mantelteils entspricht. Im Bereiche der nach aussen verstärkten Wand oder des Sattels ist die Oberfläche 18 der Form entsprechend vertieft, wie bei 22. Wo eine Vertiefung in der Aussenfläche des herzustellenden Körpers erforderlich ist, beispielsweise zur Aufnahme eines Zubehörteils aus Metall, kann ein entsprechender Block an der Oberfläche der Form angebracht werden. Ein solcher Block 78 ist in Fig. 4 gezeigt.
Längs jeder der Verbindungsflächen der Flansche 16 sind zwei Rillen 23 und 24 vorgesehen. Die Rillen 24 nahe an der Formfläche 18 für den herzustellenden Körper gehen bis kurz an die Enden der Form und sind durch Löcher 26 mit Rohren 25 verbunden zum Anschluss an eine Vakuumpumpe, während die andern Rillen 23 sich von einem Ende der Form zum andern erstrecken, wobei jede dieser Rillen zur Aufnahme eines Dichtungsstreifens 27 aus Gummi ausgebildet ist (Fig. 5).
Wenn die beiden Teile 14 und 15 der Form zusammengeschraubt sind, so sind die Dichtungsstreifen 27 zwischen sie geklemmt, wie Fig. 5 zeigt, so dass eine luftdichte Verbindung zwischen den Vakuumrillen 24 und der Aussenseite der Form gewährleistet ist.
Dabei kann aber Luft von der Innenfläche 18 der Form durch die Verbindung zwischen den Flanschen 16, 17 in die Vakuumrille 24 mittels der Vakuumpumpe gesaugt werden. Um das Auseinan dernehmen der Hälften der Form nach Vollendung eines formenden Arbeitsganges zu erleichtern, sind Trennschrauben in Gewindelöcher 30 der Flanschen 16 vorgesehen, welche gegen die Flanschen 17 drücken, wenn sie angezogen werden. Die Form ist auch mit einem Paar Ringen ausgestattet, die weiter unten beschrieben werden, deren jeder an eine der Endflächen 31 oder 32 der nach aussen gerichteten, die offenen Enden der Form umgebenden Flansche 33, 34 geklemmt werden kann.
Der Kern ist in Fig. 2 und 3 dargestellt und enthält einen Zylinder, der aus drei aus Blech rinnenförmig gebogenen Stücken 35 zusammengesetzt und an den Enden durch Metallscheiben 36 (Fig. 2) geschlossen ist, die mit zentralen Zapfen 37 versehen sind (Fig. 3).
Jedes der rinnenförmig gebogenen Stücke 35 ist an jedem Ende mit einer Versteifung 39 mit winkelförmigem Querschnitt vernietet. Die Flanschen 40 der Versteifungen stehen nach innen radial vor und haben Löcher 41, durch welche hindurch die Stücke 35 mit den Scheiben 36 verschraubt sind. Die rinnenförmigen Stücke umfassen je einen Winkel von weniger als 1200, so dass diese Stücke durch längsverlaufende Spalte 43 voneinander getrennt sind und nach innen zusammengelegt werden können, wenn die Scheiben 36 entfernt werden. Auch können in den Scheiben 36 an Stelle der Löcher 41 radiale Schlitze für die Schrauben vorgesehen werden, wodurch erreicht wird, dass die rinnenförmig gebogenen Stücke sich hinreichend weit nach innen bewegen können, ohne dass die Scheiben entfernt werden müssen.
Die Aussenfläche des zylindrischen Teils des Kerns entspricht den Innenflächen des herzustellenden Körpers, die den kleinsten Durchmesser haben, das heisst den Innenflächen der Ringteile 10 an jedem Ende des Körpers und den Innenflächen der drei Ringteile 12 an den Stellen, an denen Querwände im endgültigen Behälterteil vorgesehen sind.
Zwischen diesen Ringteilen ist der Durchmesser des Kerns durch an den Zylinder angenietete Ringteile 45 entsprechend der kleineren Wandstärke des herzustellenden Körpers vergrössert. Die Ringteile 45 und die Versteifungen 39 werden aus Schichten von Glasgewebe hergestellt, die miteinander durch einen geeigneten, kalt härtenden Klebharz verbunden werden. Der Durchmesser des Kerns ist hinreichend kleiner als der innere Durchmesser des herzustellenden Körpers, damit er zusammen mit einem Über- zug aus Fasermaterial, dessen Dicke etwas grösser als die Dicke des entsprechenden Teils des fertigen Hohlkörpers ist, in seiner Längsrichtung in die Form eingesetzt werden kann. Ein Paar Halter 50, 51 (Fig. 2) mit Schlitzen 53 zur Aufnahme der Zapfen 37 sind vorgesehen, um den Kern in einer für das Arbeiten angenehmen Höhe frei drehbar zu halten.
Der herzustellende Körper wird aus flachen Stücken verfilzter Asbestfasern aufgebaut. Diese sind ungefähr 2 mm dick und mit einem wasserlöslichen Phenol - Formaldehyd - Harz imprägniert.
Diese Stücke sind zunächst biegsam und können in eine gewünschte Form gebracht und danach gehärtet werden.
Die erste Stufe des Verfahrens besteht darin, dass die Filze auf die erforderliche Form zugeschnitten werden. Das ist bequem im grossen möglich, indem eine ansehnliche Anzahl Schichten gleichzeitig mit Schneidmessern von geeignetem Profil geschnitten werden. Der Kern wird dann in einen schlauchförmigen Beutel mit offenem Ende hineingesteckt. Dieser Beutel ist in Fig. 6 mit 54 bezeichnet und aus einer Membran hergestellt, die genügend widerstandsfähig gegenüber den Temperaturen ist, die später beim Härten vorkommen.
Ein Material, welches sich für diesen Zweck als geeignet erwiesen hat, ist Polyvinylchlorid-Film in einer Stärke von ungefähr 0,13 mm, welches mittels einer bekannten Hochfrequenzeinrichtung leicht zu Beuteln jeder gewünschten Grösse zusammengeschweisst werden kann. Über den Beutel, welcher ganz lose auf dem Kern aufliegt, werden dann die zugeschnittenen Filze gelegt, so dass sie einander an Berührungsstellen 38 bis 64 mm überlappen. Zuerst werden die Teile des Kerns zwischen den Ringen 45 ausgefüllt. Dann werden Filzschichten, welche die ganze Oberfläche des Kerns bedecken, so darübergelegt, wie die Ziffer 56 in Fig. 6 verdeutlicht. Bei dieser Arbeit können die Filze durch kurzes Anlegen eines heissen Metallwerkzeuges zusammengeklebt werden, so dass sie nicht herunterfallen, wenn der Formkörper gedreht wird.
An Stelle eines heissen Metallwerkzeuges kann eine tragbare Hochfrequenz Schweissmaschine zu diesem Zusammenkleben benutzt werden.
Inzwischen wird die Form vorbereitet, indem ihre Innenfläche 18 mit einem Trennmittel überzogen wird, welches eine Bindung mit dem Fasermaterial verhindert. Für diesen Zweck haben sich Zinkstearat oder Trennmittel auf Silikonbasis bewährt. Dann wird an der Innenfläche der Form die Vertiefung 22, welche dem verstärkten Mantelteil des herzustellenden Körpers entspricht, mit genau zugeschnittenen Filzschichten 57 (Fig. 6) ausgefüllt. Schmale Filzringe 58 werden in die Ecken der Stufen gelegt, die sich an den Enden der Flächen der Form befinden, und an ihren Kanten 60 so zurechtgemacht, dass sie sich später gut mit den vom Kern getragenen Filzen 56 vereinigen können.
Der mit dem Filzüberzug versehene Kern wird dann von einer Stirnseite her in die Form eingesetzt und die Randteile an den offenen Enden des Beutels werden mittels Ringen 61 an die Endflächen 31 und 32 der Form geklemmt. Jeder Ring ist mit einem Gummiüberzug 62 versehen. Zwischen diesen und den betreffenden Endflächen 31 bzw.
32 wird die Membran geklemmt. Dann wird die Vakuumpumpe an die Leitung 25 angeschlossen und der zwischen dem Beutel und der Form befindliche Zwischenraum evakuiert. Dieser Zwischenraum enthält die vom Kern getragenen Filze; dieser Filzüberzug wird nun unter der Wirkung des atmosphärischen Druckes gegen die Fläche 18 der Form gedrückt. Der Kern wird nun durch einen der Klemmringe 61 hindurch herausgezogen. Um diese Arbeit zu erleichtern, kann er erforderlichenfalls zerlegt werden, indem die Scheiben 36 entfernt oder indem die Schrauben, welche diese Scheiben mit den rinnenförmigen Teilen 35 verbinden, gelockert werden. Letzteres genügt dann, wenn die Schrauben in Schlitzen der Endscheiben geführt sind, wie oben beschrieben wurde.
Der luftdichte Abschluss zwischen den Hälften der Form und zwischen dem Beutel und der Form kann auch durch Kontrolle der Höhe des von der Pumpe erzeugten Vakuums kontrolliert werden.
Die die Filze enthaltende Form wird nun in einen Druckkessel gebracht, welcher mit Heizvorrichtungen und mit Anschlüssen an eine Vakuumpumpe versehen ist. Der Vakuumanschluss wird wieder hergestellt, der Kessel geschlossen, geheizt und unter Druck gesetzt. Ein typischer Härteprozess erfolgt bei einem Druck von 5,6 kg/cm2, wobei die Temperatur während einer Aufheizperiode von 20 Minuten auf etwa 150"C gesteigert, während weiterer 20 Minuten auf diesem Wert gehalten wird und während einer anschliessenden Abkühlungsperiode auf unter 1000 C fällt. Während dieses Zyklus darf das Vakuum nicht unter 254 mm Quecksilbersäule fallen. Wenn die Temperatur 1000 C unterschritten hat, wird der Kessel wieder auf normalen Druck gebracht und geöffnet, so dass die Form herausgenommen werden kann.
Nach Entfernen der Klemmringe 61 können dann die beiden Hälften 14 und 15 der Form auseinandergenommen werden, indem die sie verbindenden Schrauben entfernt und die Trennschrauben angezogen werden.
Schliesslich wird der gehärtete Körper herausgenommen.
Dieser wird nun geputzt und der Membranbeutel wird herausgezogen. Die mit andern Teilen zu verkittenden Stellen werden sandgestrahlt, um die oberflächliche Harzschicht zu entfernen, die sich an der Oberfläche des gehärteten Körpers sammelt.
Die Löcher, die für die Montage von Ausrüstungen, Füll- und Entleerungsarmaturen erforderlich sind, werden angebracht.
Die Zwischenwände und irgendwelche andere gegossene Teile, die in den Hohlkörper eingekittet werden sollen, werden ähnlich zum Kitten vorbereitet. Die zu verkittenden Stellen werden sandgestrahlt und dann mit einem Harzkitt festgekittet. Derselbe soll so beschaffen sein, dass er Spalte gut ausfüllt. Für diesen Zweck hat sich ein kalt härtender Epoxy-Harz-Kitt, der mit 60 Gewichtsprozent eines Füllmaterials gemischt ist, als zufriedenstellend erwiesen. Füllmaterialien sind beispielsweise gemahlener Glimmer oder Kaolinpulver, die ein Sieb mit 79 Maschen pro cm passieren.
Auf diese Weise aus mit einem Phenol-Formaldehyd-Harz imprägniertem Asbestfilz hergestellte Hohlkörper haben oft kleine Spalten, Löcher und poröse Stellen, durch die Flüssigkeiten hindurchdringen können. Deshalb ist es nötig, die Oberfläche des Hohlkörpers mit einem Dichtungsmittel zu behandeln, wenn derselbe vollständig flüssigkeitsdicht sein soll. Das wird in folgender Weise erreicht: Die äussere Zylinderfläche des Hohlkörpers wird zuerst mit einer oder zwei Schichten 75 (Fig. 7) aus durchlässigem Material und dann mit einem Membranbeutel 76 bedeckt, der dem für das Formen benutzten Beutel ähnlich ist. Die Ränder des Beutels werden an den Enden des Hohlkörpers - durch Bandagen abgedichtet. Der Beutel ist mit einem Saugrohr 77 versehen, welches an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist.
Wenn die Pumpe arbeitet, wird der Beutel an der Aussenseite des Hohlkörpers zusammengedrückt, und durch etwaige Löcher oder poröse Stellen des Hohlkörpers hindurch wird Luft in die Pumpe gesaugt. Dann wird eine dichtende Flüssigkeit auf die ganze Innenfläche des Hohlkörpers aufgebracht und in das Material des Körpers hineingesaugt, soweit derselbe Spalten oder poröse Stellen aufweist, so dass die letzteren rasch abgedichtet sind. Das Dichtungsmaterial kann in zwei oder mehr Schichten aufgebracht werden. Mindestens die erste Schicht kann beispielsweise aus einer grundieren den Mischung und mindestens eine der letzten Schichten aus einem Oberflächenschutz bestehen.
Bei Hohlkörpern, die einem Eindringen von Flüssigkeiten von aussen her widerstehen sollen, ist es naheliegenderweise vorteilhaft, den Membranbeutel auf der Innenseite und das Dichtungsmaterial auf der Aussenseite anzuwenden.