DE19508193A1 - Rohrförmiges Bauteil oder Hohlprofil mit besonderen Festigkeitseigenschaften bei geringem Gewicht sowie Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Rohrförmiges Bauteil oder Hohlprofil mit besonderen Festigkeitseigenschaften bei geringem Gewicht sowie Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft ein rohrförmiges Bauteil oder Hohlprofil mit besonderen Festigkeitseigenschaften bei geringem Gewicht.
Zum Stand der Technik gehörende Rohre, die vollständig aus Stahl oder Leichtmetall sind, sind für zahlreiche Anwendungsfälle, bei denen neben ho­ her Festigkeit ein geringes Gewicht verlangt wird, zu schwer.
Zur Reduzierung des Gewichts wurden Bauteile der beschriebenen Art auch vollständig aus faserverstärkten Kunststoffen hergestellt, wobei sich jedoch der Rohrmantel im Hinblick auf Schlagschutz, Berstschutz, Brandschutz und Bearbeitbarkeit seiner Oberfläche (Schweißen, Kleben, Lackieren, Eloxieren) als ungeeignet oder problematisch erwies.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gerades oder gekrümmtes rohrförmiges Bau­ teil zu schaffen, das bei geringem Gewicht eine hohe Festigkeit bei gleichzeiti­ gem Schutz und Bearbeitbarkeit der Oberfläche aufweist.
Diese Aufgabe wird mit einem Bauteil nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung sind Gegen­ stände weiterer Ansprüche.
Das erfindungsgemäße rohrförmige Bauteil umfaßt ein eine innere und eine äußere Ummantelung. Der Zwischenraum zwischen innerer und äußerer Um­ mantelung ist von einem Verbundmaterial ausfüllt, welches ein Fasergelege enthält.
Die Rohrwandung besteht somit aus einem Faserverbundkern, auf dessen In­ nen- und Außenseite die Ummantelung angeordnet ist. Durch den Verbund­ kern mit Fasergelege erhält das Bauteil eine hohe Festigkeit und Steifigkeit. Die Ummantelung aus Metall sorgt dafür, daß der Faserverbundkern gegen äußere Einflüsse, z. B. Schläge oder Chemikalien geschützt wird. Sie ist auch in solchen Fällen vorteilhaft, in denen die Ummantelung als Gleitfläche oder Dichtungsfläche dient.
Die Ummantelung kann sowohl aus metallischen wie auch aus nichtmetalli­ schen Werkstoffen bestehen, die jedoch keine Faserverbundmaterialien sind. Bevorzugte Materialien für die innere wie auch für die äußere Ummantelung sind Stahl, Al und Messing sowie Kunststoffe, z. B. PVC, PVDF. Äußere und in­ nere Ummantelung bestehen in bevorzugten Ausführungsformen aus den gleichen Materialien. Es ist aber auch möglich, für innere Ummantelung und äußere Ummantelung unterschiedliche Materialien zu verwenden.
Als Fasern für das Verbundmaterial werden vorteilhaft C-Fasern verwendet. Das Faserverbundmaterial enthält ein Harz, dessen Volumen beim Aushärten zunimmt (expandiert). Diese Eigenschaft ist bedeutend insbesondere für die Herstellung des Bauteils, wie auch im weiteren noch näher dargelegt werden wird.
Die Ausrichtung der Fasern wird vorteilhaft entsprechend der Belastung im konkreten Einsatzfall gewählt. Hierbei werden insbesondere folgende Anord­ nungen der Fasern verwendet:
  • a) unidirektionale Ausrichtung der Fasern in Richtung der Rohrachse
  • b) unidirektionale Ausrichtung der Fasern senkrecht zur Rohrachse (in Rich­ tung der Umfangslinien)
  • c) Kombination der Ausrichtungen nach a) und b), wobei vorteilhaft ein Gewebe verwendet wird.
Darüberhinaus sind jedoch auch beliebige andere Kombinationen von Rich­ tungen, in denen einzelne Gruppen von Fasern ausgerichtet werden, möglich.
Die Oberfläche des Innenmantels und des Außenmantel aus Kunststoff oder Metall kann besonders vorteilhaft als Gleitfläche eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind mehrstufige, hydraulische Teleskopzylinder.
Weitere Einsatzmöglichkeiten sind z. B. als:
  • - Hydraulikrohre
  • - druckbeaufschlagte Bauteile, Hochdruckrohre
  • - schwingungsdämpfende Bauteile
  • - Trägerarme
  • - Leichtbauteile (Baukastensystem), Baugerüste, Rahmenkonstruktionen
  • - Teleskopgreifsysteme zum Überbrücken großer Spannweiten
  • - Hebezeug
  • - Masten-Greifsysteme, Baukran-Säulen.
Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils
Ein Fasergelege mit entsprechender, an den Anwendungsfall angepaßter Orientierung, wird mit einem Harzsystem getränkt und auf das Innenrohr (in­ nere Ummantelung) aufgewickelt. Das Harz hat die Eigenschaft, daß sein Vo­ lumen beim Aushärten zunimmt, z. B. durch Porenbildung. Vorteilhaft wird hier­ bei ein Harzsystem nach der EP 069 076 verwendet. Das auf dem Innenrohr aufgewickelte Gelege muß im Durchmesser geringfügig kleiner sein (z. B. 2 bis 3 mm) als der Innendurchmesser des äußeren Rohres (äußere Ummante­ lung). Dadurch ist sichergestellt, daß anschließend das innere Rohr mit darauf gewickeltem Gelege in das äußere Rohr eingeschoben werden kann. Mittels Wärmezufuhr (z. B. 60°C) und /oder unter Druckbeaufschlagung härtet das Harz aus, wobei dessen Volumen zunimmt. Durch diese Expansion des Har­ zes wird der Zwischenraum zwischen Gelege und äußerem Rohr gefüllt, so daß der entstehende Faserverbundkern kraft- und formschlüssig sowohl mit dem äußeren als auch dem inneren Rohr verbunden ist. Der Faseranteil vor dem Aushärten beträgt in einer bevorzugten Ausführungsform z. B. 60%, der sich nach Aushärten und Expansion auf ca. 50% vermindert.
Neben warmhärtenden Harzsystemen können auch kalthärtende Harzsyste­ me verwendet werden.
Auf diese Weise können Rohre bis zu mindestens 4 m Länge hergestellt wer­ den.
Die Erfindung wird anhand einer Fig. näher erläutert. Sie zeigt ein erfindungs­ gemäßes Rohr 1 in Schnittdarstellung. Es besteht aus einer meist relativ dünnwandigen, vornehmlich metallischen äußeren Ummantelung äußeres Metallrohr 2 (z. B. Al-Strangpreßprofil, Stahlhohlprofil; zylindrisch oder auch gekrümmt), sowie einer inneren Ummantelung inneres Metallrohr 6, (z. B. aus den gleichen Materialien wie die der äußeren Ummantelung).
Zwischen der inneren und der äußeren Ummantelung ist das Faserverbund­ material 4 angeordnet, das Steifigkeit und Festigkeit erzeugt. Das Faserver­ bundmaterial 4 ist kraft- und formschlüssig mit innerem 6 und äußerem 2 Me­ tallrohr verbunden.
Die Faserverstärkung 4 ist in der Regel aus mehreren Schichten aufgebaut, deren Faserorientierung und Faserart auslegungsbedingt im wesentlichen die Eigenschaften des Produkts festlegt. Hohe Steifigkeit in Längsrichtung wird z. B. durch eine in Längsrichtung orientierte, unidirektionale CFK-Verstärkung unter Verwendung einer Hochmodul-C-Faser erreicht. Torsionsfestigkeit wird durch das Einbringen von möglichst vielen Umfangslagen erzeugt.

Claims (9)

1. Rohrförmiges Bauteil (1), gekennzeichnet durch eine innere (6) und eine äußere (2) Ummantelung, wobei der Zwischenraum zwischen inne­ rer und äußerer Ummantelung von einem Verbundmaterial (4) ausgefüllt ist, und das Verbundmaterial ein Fasergelege enthält.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundma­ terial (4) ein Harz enthält, das beim Aushärten eine Volumenzunahme zeigt.
3. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fasern des Fasergeleges aus Kohlenstoff sind.
4. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die innere (6) und/oder die äußere (2) Ummantelung aus Stahl, Al, Messing oder Kunststoff besteht.
5. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fasern des Fasergeleges unidirektional angeordnet sind.
6. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Fasergelege ein Gewebe ist.
7. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fasern des Fasergeleges parallel zur Rohrachse aus­ gerichtet sind.
8. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fasern des Fasergeleges senkrecht zur Rohrachse ausgerichtet sind.
9. Verfahren zur Herstellung von röhrförmige Bauteilen nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens­ schritte:
  • - das in Harz getränkte Fasergelege wird auf die innere Ummantelung aufgewickelt
  • - die innere Ummantelung mit dem darauf gewickelten Fasergelege wird in die äußere Ummantelung eingeschoben
  • - Aushärtung des Harzes unter Volumenzunahme und Formschluß mit der äußeren Ummantelung.
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