CH434709A - Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffringe - Google Patents

Description

  
 



  Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffringe
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von als Versteifungsrippen für Rohre dienenden, mit Faserwicklungen verstärkten Kunststoffringen, sowie auf deren Verwendung zum Versteifen von Röhren aus faserverstärkten Kunststoffmaterialien.



   Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass man die Aussenfläche eines Formringes mit mindestens einer Lage von Endlosfasern bewickelt, diese Lage, bzw.



  Lagen, mit einem härtbaren Harz imprägniert und dieses aushärtet, wobei die Bewicklung so erfolgt, dass die Fasern die durch den Aussenumfang begrenzten Stirnflächen des Rings unter Spannung in einer Serie von geradlinigen Wegstrecken überqueren, welche in bezug auf die Peripherie Sehnenlinien darstellen, wobei aufeinanderfolgende Sehnen auf gegenüberliegenden Stirnflächen des Formringes liegen, bis der letztere mit einer Faserschicht vollständig umwickelt ist, wobei die Mittelpunkte der Sehnen um jede Stirnfläche herum in dessen innerer Umfangslinie liegen.



   Der Ausdruck  Sehne  wird in dieser Beschreibung in dem Sinne verwendet, dass Durchmesser-Linien, welche also durch den Mittelpunkt führen würden, ausgeschlossen sein sollen, da durch den Ringmittelpunkt führende Faserwicklungen nicht zur Bildung eines Rings, sondern einer Scheibe führen müssten. Der Ausdruck  Aussenfläche  ist in bezug auf den Formring so zu verstehen, dass diese sowohl die gekrümmte Oberfläche auf der äusseren Peripherie des Ringes als auch die durch den Aussenumfang begrenzten beiden flachen Stirnflächen des Ringes umfassen soll. Eine vollständige Bewicklung besteht aus einer so bemessenen Anzahl von Faserwindungen   oder -umläufen    um den Ring, dass dessen gesamte Aussenfläche, auf welcher die Windungen aufgebracht sind, vollständig bedeckt ist.



   Der Formring weist zweckmässig einen rechteckigen Querschnitt auf, so dass das resultierende Gebilde eine faserverstärkte Ringstruktur mit einem Querschnitt in der Form eines auf dem Kopf stehenden U aufweist.



   Mit Vorteil montiert man den Formring so, dass er um seine Achse in Rotation versetzt und das Fasermaterial während der Rotation auf den sich drehenden Formring aufgebracht werden kann. Dies lässt sich in der Weise bewerkstelligen, dass man den Ring von der Seite her auf einen zylindrischen Kern aufsteckt, dessen Aussendurchmesser gleich ist wie der Innendurchmesser des Formringes.



   Der Kern kann aus einem stählernen Zylinder, welcher nach vollständiger Aushärtung der Ringstruktur wieder herausgenommen werden kann, oder aber aus dem zu versteifenden Röhrengebilde bestehen. Im letzteren Falle bildet der Formring natürlich einen integrierenden Bestandteil der fertigen Struktur, d.h. des Endprodukts, indem die harzimprägnierten Fasern im Mittelpunkt ihrer Sehnenstrecken zugleich der Fixierung des Ringes auf der Grundstruktur dienen.



   Der Formring kann aus einer hohlen Schale eines harzimprägnierten röhrenförmigen Geflechtes, aus Schaumkunststoff oder aus einem Spritzguss-Erzeugnis aus Kunststoff bestehen, wenn er Bestandteil des Fertigproduktes sein soll.



   Wenn er dagegen abnehmbar auf einen Kern montiert werden soll, kann der Formring auch zerlegbar sein, damit er sich aus dem gehärteten Kunststoffring herausnehmen lässt. Zu diesem Zweck kann der Formring aus Stahl oder dgl. bestehen, da es in diesem Fall mehr auf Festigkeit und Robustheit als auf geringes Gewicht ankommt, wie dies bei Ringen der Fall ist, welche Bestandteil der Fertigstruktur bilden sollen. In beiden Fällen ist es wesentlich, dass der Formring eine hinreichende Festigkeit und Formbeständigkeit aufweist, um durch die beim Bewickeln und während der Aushärtung durch die Fasern ausgeübten Kompressionskräfte nicht   defonniert    zu werden. Die Dicke des Formringes ist nicht von Bedeutung.



  Er kann beispielsweise als gelochte Scheibe oder als von radialen Speichen gestützter Drahtring vorliegen; in einem solchen Fall gelangt praktisch das gesamte Fasermaterial auf die ebenen Stirn- oder Seitenflächen des Formringes.



   Zufolge der so gewählten Wicklungsanordnung erhalten die erfindungsgemäss hergestellten Kunstoffringe eine  ungewöhnliche Festigkeit gegen radiale Kompressionskräfte, indem diese in eine dazu senkrecht stehende Zugspannung der einzelnen Fasersehnen übertragen werden.



  Bei Wahl von Fasern hoher Reissfestigkeit lässt sich somit ein optimaler Nutzeffekt des Verstärkungsmaterials erzielen.



   Als Verstärkungsmaterial kommen alle Fasertypen ausreichender Reissfestigkeit in Betracht. Besonders vorteilhaft sind indessen im Hinblick auf die Reissfestigkeit speziell ausgewählte mehrfachige Glasfasergespinste.



   Als Harze können solche vom kalt- oder wärmehärtenden Typ verwendet werden, und für die Imprägnierung können die Fasern unmittelbar vor dem Wickeln durch das Harz hindurchgeführt werden, wobei man jedoch ebensogut auch den Formring vor dem Bewickeln mit dem Harz überziehen oder den fertiggewickelten Ring vor der Härtung mit dem Harz imprägnieren oder vorimprägnierte Fasern verwenden kann.



   Unter Benützung eines herausziehbaren Kerns und abnehmbarer Formringe hergestellte Ringe aus faserverstärktem Kunststoff können auf dem zu verstärkenden Rohr befestigt und auf dessen Aussenfläche durch gegenseitige Bindung fixiert werden. Sie können in mehrwandigen Rohren auch als Abstandhalter zwischen den koaxialen Wandschichten verwendet werden. In diesem Falle verläuft jede Faser-Sehne von der äusseren zur inneren und wiederum zur äusseren Wandung und wird an beide gebunden. Diese Konstruktion verleiht einem mehrwandigen Rohr eine sehr beachtliche Festigkeit gegen Quetschbeanspruchungen bzw. Kollabieren.



   Erfindungsgemäss hergestellte Versteifungsringe erweisen sich als ideal zur Versteifung von Rohren, die ihrerseits aus faserverstärktem Kunststoff bestehen; sie eignen sich aber auch zur Versteifung von Rohren beispielsweise aus Metallblech. Dies kann zu bedeutenden Gewichtseinsparungen und insbesondere im Fall der neueren teuren metallischen Werkstoffe, wie z.B. Titan, auch zu erheblichen Kosteneinsparungen führen.



   Zum besseren Verständnis der Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung ein Beispiel einer besonderen Ausführungsform beschrieben werden.



   In der Zeichnung stellt die Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein mit erfindungsgemäss hergestellten Kunststoffringen versteiftes Rohr dar.



   Die Figuren 2 und 3 sind schematische Darstellungen des benützten Wicklungsschemas.



   Gemäss Fig. 1 wurden aus Hartgummi bestehende Formringe 1 mit rechteckigem Querschnitt über ein aus glasfaserverstärktem Kunststoff auf übliche Weise hergestelltes Rohr 2 getrieben und auf diesem in gegenseitigem Abstand aufgereiht
Das Rohr 2 wurde dann um seine Längsachse in Drehung versetzt, wobei mehrere Schichten Glasfasergespinst 3 unter Spannung auf die Aussenflächen jedes einzelnen Formringes 1 aufgewickelt wurden. Das Gespinst wurde dabei durch ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Führungsorgan oder einen Garnverleger geführt, welcher sich bei der Wickeloperation von der einen Stirnfläche des Ringes zur andern   Ring und    herbewegt.



   Das zur Anwendung gelangende Wicklungsschema lässt sich aus den Figuren 2 und 3 erkennen. In Fig. 2 besteht der Formring 4 aus einer dünnen ringförmigen Scheibe, auf welche gerade etwas mehr als eine Wicklung einer Einzelfaser aufgebracht ist, wobei die gestrichelten Linien diejenigen Längenabschnitte der Faser darstellen, welche sich hinter der Scheibe befinden. Da die Faser unter Spannung aufgewickelt worden ist, verläuft sie vom Ausgangspunkt   (S.P.)    zum Endpunkt   (F.P.)    in einer Reihe geradliniger Wegstrecken, die in den Figuren durch Pfeile gekennzeichnet sind, wobei die Faser bei jedem Übergang von der einen Seite der Scheibe auf die andere Seite auf der Peripherie ihre Richtung ändert.



   Wenn der Formring 4 eine nicht zu vernachlässigende Dicke aufweist, wie dies in der Fig. 3 dargestellt ist, verläuft die Faser 5 auf den Seitenflächen des Formringes grundsätzlich über die gleichen Wegstrecken, wobei aber die auf die Faser wirkende Spannung dazu führt, dass sie zwischen den aufeinanderfolgenden Sehnenlinien auf den sich gegenüberliegenden Stirnflächen des Formringes eine geodätische Linie beschreibt. Dies bedeutet, dass das Ende einer Sehne gegenüber dem Beginn der darauffolgenden Sehne auf der Peripherie verschoben ist, im Gegensatz zur Linienfolge gemäss Fig. 2, wo die ringförmige Scheibe praktisch keine Dicke aufweist.



   Die Ausgangspunkte der aufeinanderfolgenden Wicklungen sind demzufolge rings um die äussere Peripherie des Formringes versetzt, so dass bei Vorhandensein einer genügenden Anzahl Windungen gegebenenfalls seine gesamte äussere Oberfläche mit einer Faserschicht überzogen ist.



   Beim Wicklungsprozess, der bei der vorliegenden Ausführungsform zur Anwendung gelangt, sind die Formringe auf einem Kern 2 montiert; dies führt dazu, dass die Mittelpunkte der auf den Sehnenlinien verlaufenden Fasern sich im einspringenden Winkel zwischen Kern und Ringflächen in einer Schicht von gewisser Dicke überlagern, so dass die Windungen 3 nach vollständiger Bewicklung den Querschnitt eines Hutes mit Krempe annehmen. Das hat den Vorteil, dass sich eine grössere Kontaktfläche zwischen Formring und dem zu verstärkenden Rohr bildet.



   Die vollständige Bewicklung 3 wurde dann mit einem Epoxyharz überschichtet, und während zwei Stunden bei 1300 C und während zwei weiteren Stunden bei 1500 C einem Härtungsprozess unterzogen.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH I Verfahren zur Herstellung von als Versteifungsrippen für Rohre dienenden, mit Faserwicklungen verstärkten Kunststoffringen, dadurch gekennzeichnet, dass man die Aussenfläche eines Formringes mit mindestens einer Lage von Endlosfasern bewickelt, diese Lage, bzw. Lagen, mit einem härtbaren Harz imprägniert und dieses aushärtet, wobei die Bewicklung so erfolgt, dass die Fasern die durch den Aussenumfang begrenzten Stirnflächen des Rings unter Spannung in einer Serie von geradlinigen Wegstrecken überqueren, welche in bezug auf die Peripherie Sehnenlinien darstellen, wobei aufeinanderfolgende Sehnen auf gegenüberliegenden Stirnflächen des Formringes liegen, bis der letztere mit einer Faserschicht voll- ständig umwickelt ist, wobei die Mittelpunkte der Sehnen um jede Stirnfläche des Formringes herum in dessen innerer Umfangslinie liegen.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren gemäss Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern auf den Formring aufgebracht werden, währenddem man diesen um seine Achse rotieren lässt.

   2. Verfahren gemäss Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formring in der Querrichtung auf einen zylindrischen Kern gesteckt ist, dessen Aussen durchmesser gleich dem Innendurchmesser des Formringes ist.

   3. Verfahren gemäss Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Kern aus dem zu versteifenden Rohr besteht, so dass der Formring zu einem integrierenden Bestandteil des Endproduktes wird.

   4. Verfahren gemäss Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass im Hinblick auf Reissfestigkeit speziell ausgewählte Multifilamentstränge aus Glasfilamenten verwendet werden.

   PATENTANSPRUCH II Nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch I hergestellter faserverstärkter Kunststoffring.

   PATENTANSPRUCH III Verwendung von faserverstärkten Kunststoffringen gemäss Patentanspruch II zum Versteifen von Rohren aus faserverstärkten Kunststoffmaterialien.