DE2004479C3 - Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus faserverstärktem Kunststoff - Google Patents

Description

50 Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren /ur

Herstellung eines Hohlkörpers aus faserverstärktem Kunststoff mit Verstärkungsringen, z. B. eines Behältermantels oder eines Rohres, bei dem auf einen sich drehenden. Umfangsrippen aufweisenden Dorn Zugfasern, ζ. B. Glasfasern, aufgebracht und diese mit kunststoffgetränkten Fasern überwickelt werden.

Mittels Fasern verstärkte Hohlkörper werden für viele Zwecke verwendet. Besonders vorteilhaft sind sie dort, wo es auf Beständigkeit gegen chemische An- ^₀ griffe ankommt. Dies gilt z. B. für Ölbehälter. Aus faserverstärktem Kunststoff bestehende Ölbehälter können nicht rosten, so daß die Gefahr einer Grundwasserverseuchung infolge Leckwerdens eines Behälters vermieden ist. g₅

Die Festigkeitswerte von Hohlkörpern aus faserverstärktem Kunststoff werden fast ausschließlich durch die zugfesten Fasern bestimmt. Der Kunststoff

479 hat im wesentlichen nur die Aufgabe, die Fasern zusammenzuhalten und die Wand durch Ausfüllen der Zwischenräume zwischen den Fasern dicht zu machen. Da die Fasereinlage sowohl axial als auch radial Spannungen aufnehmen soll, müssen die Fasern so verlegt werden, daß sie diese Aufgabe erfüllen können. Man kennt zwei hauptsächliche Verlegungsarten. Bei der ersten Art (USA.-Patentschrift 2718583), die als Radialverfahren bezeichnet werden kann, werden Faserstränge (sogenannte Rovings) oder Faservliese oder auch Fasergewebe auf einem glatten Wickelkern zunächst parallel zu dessen Achse verlegt. Danach werden bei sich drehendem Kern Fasern zugeführt und auf die in Längsrichtung verlegten Fasern aufgewikkelt, nachdem sie zuvor zum Zwecke ihrer Tränkung mit Kunststoff durch ein Bad aus flüssigem Kunststoff gezogen wurden. Hierbei läßt sich nicht erreichen, daß die parallel /ur Trommelachse verlaufenden Fasern gestreckt sind. Nicht gestreckte Fasern sind für die Festigkeit des Hohlkörpers ungünstiger als gestreckte Fasern.

Bei der /weiten bekannten Verlegungsart (britische Patentschrift 105h 142), die als Kreuzwickelverfahren bezeichnet wird, werden die Fasern wendelförmig auf einem glatten Wickelkern verlegt, und /war abwechselnd mit entgegengesetztem Steigungssinn, so daß Lagen aus sich überkreuzenden Fasern entstehen. Als idealer Steigungswinkel ergibt sich rechnerisch für einen zylindrischen Hohlkörper ein Winkel von etwa 54 . Bei Kreuzwickelverfahren besteht der Nachteil, daß der Steigungswinkel an den Enden des Hohlkörpers, an denen die Verlegungsvorrichtung ihre Bewegungsrichtung umkehrt, sehr stark abnimmt und im Umkehrpunkt sogar Null ist. Die axiale Festigkeit an den Körperenden ist deshalb sehr gering, so daß diese Enden oft als unbrauchbar entfernt werden müssen Um bis /um Hohlkörperende den günstigsten Steigungswinkel beibehalten zu können, wurde auch schon ein Verfahren entwickelt, bei dem an den Enden des Hohlkörperseine Krempe angebracht wurde, über die bei der Bewegungsumkehr der Verlegevorrichtung gewickelt wurde.

Es sind auch faserverstärkte Behälter bekannt (USA.-Patentschrift 3412891:, deutsche Offenlegungsschrift 1937973), die im Abstand voneinander angeordnete rippenartige Erweiterungen aufweisen, die mit der übrigen Wand des Hohlkörpers aus einem Stück bestehen und in deren Bereich wesentlich mehr sich in Umfangsrichtung des Hohlkörpers erstrekkende Fasern angeordnet sind als in den /wischen den Erweiterungen liegenden Wandteilen. Durch eine solche Konstruktion wird im Vergleich mit Behältern, die eine glatt durchlaufende Wand haben, eine wesentliche Erhöhung der Formsteifigkeit erzielt.

Es ist auch bekannt (französische Patentschrift l5h2905), Versteifungsrippen auf eine an sich glatt durchlaufende Behälterwand aufzusetzen und durch Überwickeln des gesamten Behälters mit einer dünnen Schicht aus Glasfasern an der Wand zu fixieren. Dieses Herstellungsverfahren ist aufwendig, da die Rippen in separaten Arbeitsgängen hergestellt werden müssen.

Bei der Herstellung von Rohren, d. h. von im Verhältnis zu ihrem Durchmesser langen Gebilden, ist es bekannt (französische Patentschrift 1312 754), parallel zur Längsachse des Rohres verlaufende Zugfasern mittels besonderer Spannvorrichtungen zu straffen. Hierzu ist ein beträchtlicher apparativer Aufwand er-

^{3 4}

forderlich, der sich nicht ohne weiteres auf die Her- aus zugiesten Fasern besteht. Da der umhüllende

stellang großer Hohlkörper, wie z. 3. Heizöltanks., Kunststoff nur eine geringe Festigkeit hat, läßt sich

übertragen lassen wurde. Die Uberwicklung der Zug- die Trennung sehr leicht durchführen,

fasern erfolgt bei dem bekannten Verfahren von einer Die Erfindung wird im folgenden an Hand der

Wickelstelle aus. . . Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

In dem älteren deutschen Patent 1950 108 wird Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Wickelvorrichtung

vorgeschlagen, beim Kreuzwickeln abschnittsweise in schematischer Darstellung,

gleichzeitig zu wickeln und in den Grenzbereichen der Fig. 2 einen Querschnitt durch die Wand des Dor-

Abschnitte Überlappungen herzustellen, wodurch in nes und durch eine lose auf diesen aufgelegte Schicht

diesen Grenzbercchen als Versteifungsrippen wir·- io von parallel zur Dornachse verlaufenden Fasern,

kende Verdickungen entstehen. Fig. 3 einen der Fig. 2 entsprechenden Schnitt

Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, ein nach Beginn des Aufwickeins der in Umfangsrichtung

Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubil - verlaufenden Fasern,

den, daß sich mit ihm unter Vermeidung besonderer Fig. 4 einen den Fig. 2 und 3 entsprechenden

Spannvorrichtungen parallel zur Behälterachse orien- 15 Schnitt nach Beendigung des Wickelvorganges,

tierte Zugfasern gestreckt verlegen lassen. Fig. 5 eine Manteiabwicklung eines im Kreuzwik-

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch kelverfahren bewickelten Domes in schematischer

gelöst, daß auf den Dorn zunächst parallel zur Dorn- Darstellung,

achse verlaufende Zugfasern in Form von Rovings, Fig. 6 einen radialen Schnitt durch einen Hohlkör-

Gelegen oder Geweben aufgebracht werden, wobei 20 per und

diese im wesentlichen nur auf den Rippen aufliegen Fig. 7 einen radialen Teilschnitt durch einen Hobl-

und daß die so aufgebrachte Lage in jedem Abschnitt körper, der am Ende durch einen Boden abgeschlos-

zwischen zwei benachbarten Rippen gleichzeitig sen ist.

überwickelt wird. Die in Fig. 1 dargestellte Wickelvorrichtung be-

Bei diesem Verfahren werden die sich längs den 25 steht im wesentlichen aus dem Dorn 1 und der Zufüh-Dorn-Mantellinien erstreckenden Fäden gespaanl, rungsvorrichtung 2 für die zugfesten Fasern,
weil sie nach dem Anlegen an den Dorn eine größere Der Dorn 1 hat einen Körper 3 und eine Welle 4, Länge belegen müssen als nach dem losen Auflegen, die in Lagern S drehbar gelagert ist. Auf dem Dornbei dem die Zwischenräume zwischen den Rippen in mantel sind in gleichmäßigen Abständen Rippen 6a wesentlichen frei überspannt werden. Durch das Fest- ₃₀ und 6g angeordnet. Der Dorn ist insgesamt zusamhalten der Fäden an mehreren Stellen werden beson- menklappbar, so daß er aus einem auf den Dorn aufdere Festhaltevorrichtungen vermieden. Durch das gewickelten Körper herausziehbar ist.
selbsttätige Spannen der Fäden beim LImwickeln er- Die Rippen 6a bis 6g können fest mit dem Dorn 3 hält man eine gestreckte Verlegung und dadurch die verbunden sein. Sie können aber auch als lose zusam-Sicherheit, daß bei Zugbeanspruchungen des Hohl- ₃₅ menklappbare Einzelteile ausgebildet sein,
körpers die Zugkräfte tatsächlich auf die Zugfasern Die Zuführungsvorrichtung 2 hat eine Schlittenübertragen werden. Dies wirkt sich in der Praxis in führung 7, auf der im dargestellten Fall insgesamt fünf einer wesentlichen Gewichtsverminderung aus. Gt- Schlitten 8a bis 8e in einer zur Achse des Domes 1 genüber Hohlkörpern gleicher Größe und gleicher parallelen Richtung verschiebbar sind. Die Schlitten Festigkeit mit ungespannten Fasern läßt sich eine Ge- 40 8a bis 8e sind durch schematisch als Doppelstriche wichtsersparnis von 20 ^r/r erzielen, wodurch zugleich dargestellte Verbindungsglieder 9 miteinander geeine wesentliche Verbilligung durch geringeren kuppelt. Auf den Schlitten 8a bis Se können sich Be-Wcrkstoffaufwand erzielt wird. halter befinden, die mit flüssigem Kunststoff gefüllt

Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl an- sind und durch die die zugfesten Fasern, in der Regel

wendbar, wenn in an sich bekannter Weise längs Um- 45 Glasfaden, durchgezogen werden,

fangslinien bewickelt wird, als auch dann, wenn in an /ur /uführungsvorrichtung 2 gehört auch ein Ge-

sich bekannter Weise längs sich kreuzender Schrau- stell M). in dem die Spulen mit den /ugfesten Fasern

benlinien bewickelt wird, wobei die Steigungsrithtung untergebracht werden. Die Spulen sind dort in nicht

am äußeren Bereich der einen Wickelabschnitt be- näher gezeigter Art und Weise gelagert. Von mehre-

gren/enden Rippen umgekehrt wird. Im letzteren Fall 50 ren Spulen werden Fäden 11 zu einem Schlitten 8 ge-

ist es von Vorteil, wenn gemäß einer Weiterbildung führt und treten am vorderen Ende des Schlittens nach

der Erfindung vor Umkehrung der Steigungsrichtung einer Art Bündelung aus dem Schlitten aus, wie dies

über einen Teil des Dornumfanges längs die Wickel- aus Fig. 1 deutlich zu ersehen ist.

abschnitte begrenzenden Rippen gewickelt wird. In den Fig. 2 bis 4 ist der Aufbau eines Hohlkörpers

Hierdurch erhält man an der Umkehrstelle der Stei- 55 in verschiedenen Schritten dargestellt. Zunächst wird

gungsrichtung eine gute Verankerung der Fäden und (dargestellt in Fig. 2) auf den Dorn 3 eine Schicht aus

eine große Steifigkeit in radialer Richtung. F-usern 12 aufgelegt, die sich parallel zur Dornachse

Die vorstehend für das Radialverfahren und das erstrecken. An Stelle einzelner Fäden kann auch ein

Kreuzwickelverfahren angegebenen Verfahren mit Fasergewebe aufgelegt werden. Wie Fig. 2 zeigt, lie-

anschnittsweiscr Bewicklung eignet sich auch zur 60 gen die Fasern 12 nur auf den Rippen 6 auf, so daß

gleichzeitigen Herstellung von zwei oder mehr Hohl- im Bereich zwischen den Rippen, zwischen den

körpern. In diesem Fall werden am Dorn unmittelbar Dornmantel 3 und den Fasern Zwischenräume 13

nebeneinander zwei Rippen angeordnet, und es wird verbleiben. Nach dem Auflegen der Fäden 12 werden

in jedem Wickelabschnitt beiderseits der beiden Rip- auf diese Fäden 11 aufgewickelt. In Fig. 3 ist der Zu-

pen nur jeweils eine Rippe bewickelt. Es ist dann leicht 65 stand bei Beginn der Bewicklung in Umfangsrichtung

eine Trennung zwischen den Rippen möglich. Eleiim dargestellt. Bei diesem Wickelvorgang dreht sich der

Kreuzwickelverfahren wird vermieden, daß über dip Dorn 3, und die Fäden 11 werden durch den sich dre-

«nätere.Trennstelle des Hohlkörpers eine Verbindung henden Dorn aus dem Schlitten 8a bis 8e herausgezo-

gen. Sie können dabei innerhalb der Schlitten ein Kunststoffbad durchlaufen, so daß sie beim Auflaufen auf den Dorn von flüssigem Kunststoff umgeben sind. Die Fäden 11 drücken die Fäden 12 nach unten, wobei diese gespannt und damit geradegestreckt werden. Die Schlitten 8a bis 86 bewegen sich entsprechend dem Doppelpfeil 14 hin und her, wobei jede der Vorrichtungen einen Abschnitt bewickelt, wie er in Fig. 1 mit den eckigen Klammern 15u bis 15e angedeutet ist. Hieraus ergibt sich im Bereich der Rippen 6a, 6h. 6c, 6/ und 6g eine Überlappung der Wickellagen. Dies bedeutet einen doppelten Auftrag an Fäden im Bereich der Rippen und eine Verzahnung der Schichten miteinander, da der Auftrag wechselweise erfolgt. Die Schlitten 8c, 8d sind so eingestellt, daß der Schlitten 8c nur die Rippe 6d und der Schlitten Sd nur die Rippe 6e mit Fasern versorgt, so daß also an dieser Stelle eine Überlappung nicht eintritt. Nach Auftrag von z. B. acht Schichten aus Fasern ist die Bewicklung beendet. Der Vorschub während der Bewicklung ist derart, daß die Steigung der Wendel gleich der Breite b des Bandes aus den Fäden 11 ist.

Die Verwendung mehrerer Schlitten 8 hat den Vorteil, daß der Bewegungsbereich eines Schlittens verhältnismäßig klein ist und daß deshalb die Fasern zwischen dem Gestell 10 und den Schlitten nur wenig abgelenkt werden, so daß der Abstand des Gestelles 10 von den Schlitten gegenüber konventionellen Vorrichtungen mit nur einem Schlitten stark vermindert werden kann.

Nach dem Bewickeln wird der Kunststoff ausgehärtet, und zwar im allgemeinen unter Wärmeeinwirkung. Danach wird der Dorn 3 zusammengeklappt und aus dem Hohlkörper herausgezogen. Wenn die Rippen 6 fest mit dem Dornmantel verbunden sind, muß dieser so weit zusammengeklappt werden, daß der Außenumfang der Rippen kleiner ist als der Inp.en.urnfangdes Behälters. Wenn die Rippen lose Teile sind, genügt ein geringfügiges Zusammenklappen des Domes. Nach dem Herausziehen des Domes werden dann die Rippen zusammengeklappt und aus dem Hohlkörper herausgezogen.

In Fig. 1 ist die gleichzeitige Herstellung von zwei Hohlkörpern dargestellt. Der eine dieser Hohlkörper erstreckt sich von der Rippe 6a bis zur Rippe 6d und der andere von der Rippe 6e bis zur Rippe 6g. Über die Trennungsebene zwischen den Rippen 6d und 6e hinweg werden keine Fäden gewickelt, so daß dort auch beim Kreuzwickeln nur eine Verbindung durch Kunststoff vorhanden ist, die sich sehr leicht trennen läßt.

In Fig. 5 ist das Kreuzwickelverfahren dargestellt.

das auch mit einer Vorrichtung entsprechend Fig. 1 durchgeführt werden kann. Beim Kreuzwickelverfahren ist die Hin- und Herbewegung der Schlitten 8 auf die Drehbewegung des Domes so abgestimmt, daß die Fäden 11 mit einem Steigungswinkel α von etwa

ic. 54" aufgewickelt werden. In den Endstellungen, also vor der Umkehr der Bewegungsrichtung, bleiben die Verlegevorrichtungen eine kurze Zeit stehen, während sich der Dorn 3 weiterdreht. Hierdurch werden die Fäden 11 bei 16 über einen Teil des Umfanges des Kernes 3 genau in Umfangsrichtung aufgewickelt. Die Teile 16 der Fäden ergeben die erwünschte große Festigkeit in radialer Richtung. Gleichzeitig hat das radiale Aufwickeln den Zweck, den Faden gut am Dorn zu verankern, bevor die Steigungsrichtung des Fadens umgekehrt wird, was bei entgegengesetzter Bewegungsrichtung des Schlittens der Fall ist. Auf diese Weise kann der günstige Winkel α überall beibehalten werden. Im Bereich der Rippen 6/, 6g entsteht wieder eine Überlappung und Verzahnung der einzelnen Wickelschichten. Im Bereich der Rippen 6d und 6e wird auf eine Überlappung wieder verzichtet, so daß dort eine leichte Trennung der beiderseits der Teile 6e, 6d befindlichen Teile des Hohlkörpers möglich ist.

In Fig. 6 ist der Hohlkörper, der entsprechend Fig. 5 gewickelt wurde, im Schnitt dargestellt. Die doppelte Belegung mit Fäden im Bereich der Verstärkungen 17, 18, die über den Rippen 6/, 6g gebildet wurde, ist dargestellt. Zum Unterschied hierzu ist bei 19 und 20 im Bereich der Rippen 6d. 6e nur eine einfache Belegung vorhanden.

In Fig. 7 ist dargestellt, wie an dem Hohlkörper ein Boden 21 befestigt werden kann. Der vorgefertigte Boden wird mit seinem Rand an die Endrippe 20 an-

gelegt und dort festgeheftet, z. B. durch Kleben. Danach wird im Bereich der Verbindungsstelle eine Bandage 22 aufgetragen. Diese kann wieder durch ein Kreuzwickelverfahren hergestellt werden. Man kann jedoch auch radial ein Gewebeband auftragen.

Die Rippenstärke der Rippen 17,18 oder auch der in Fig. 4 gezeigten Rippen kann beispielsweise in der Größe vom 2j5fächen der übrigen Wandstärke des Hohlkörpers liegen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche: 20

1. Verfahren zur 1 lerstellung eines Hohlkörpers *us faserverstärktem Kunststoff mit Verstär-Üungsringen, z. B. eines Behältermantels oder eines Rohres, bei dem auf einen sich drehenden. Umfangsrippen aufweisenden Dorn Zugfasem, ι. B. Glasfasern, aufgebracht und diese mit kunststoff getränkten Fasern überwickelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Dorn zunächst parallel zur Qornachse verlaufende Zugfasern in Form von Rovings, Gelegen oder «Geweben aufgebracht werden, wobei diese im wesentlichen nur auf den Rippen aufliegen, und daß die so aufgebrachte Lage in jedem Abschnitt zwischen zwei benachbarten Rippen gleichzeitig überwickelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Rippen die Bewicklungen der einzelnen Abschnitte schichtenweise überlappt werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise längs Umfangslinien bewickelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise längs sich kreuzenden Schraubenlinien bewickelt wird, wobei die Steigungsrichtung am äußeren Bereich der einen Wickelabschnitt begrenzenden Rippen umgekehrt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor Umkehrung der Steigungsrichtung über einen Teil des Dornuinfanges längs die Wickelabschnitte begrenzenden Rippen gewickelt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichzeitiger Herstellung von zwei oder mehr Hohlkörpern am Dorn unmittelbar nebeneinander zwei Rippen angeordnet werden und daß in jedem Wickelabschnitt beiderseits der beiden Rippen nur jeweils eine Rippe überwickelt wird.

45