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Verfahren zur Herstellung faserverstärkter, insbesondere glasfaserverstärkter Kunststoffrohre und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter, insbesondere glasfaserverstärkter Kunststoffrohre, bei welchen in mehreren Schichten bzw. Windungslagen zueinander im wesentlichen parallel verlaufende Fasern in den Kunststoff eingebettet sind und zwischen diesen Schichten bzw. Windungslagen kurze Faserstücke in ungeordneter Lage zueinander gleichfalls im Kunststoff eingebettet sind, wobei die Schichten parallellaufender Fasern durch Aufbringen von kunstharzgetränkten Faserbündeln, die auf einen Formkörper aufgewickelt werden, erhalten werden, die kurzen Fasern dazwischen eingefügt werden und das Kunstharz erhärtet wird.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens.
Kunststoffrohre dieser Art werden dadurch hergestellt, dass Faserbündel kontinuierlich mit Kunstharz getränkt werden und danach auf einen Formkörper aufgewickelt werden, wobei auch das Erhärten des Kunststoffes bewerkstelligt wird. Durch die im Kunststoff eingebetteten Fasern wird die Zugfestigkeit des Kunststoffes bzw. des aus Fasern und Kunststoff gebildeten Verbundmaterials bedeutend erhöht und es ist möglich, mit solchen Verbundstoffen, die aus Polyesterharzen und darin eingebetteten Glasfasern bestehen, Festigkeitswerte zu erzielen, die denen von Stahl gleichkommen. Solche hohen Festigkeitwerte werden dabei naturgemäss nur in Richtung der Längserstreckung der Fasern erreicht, während die erzielbare Festigkeit quer zur Längserstreckung der Fasern durch die Zugfestigkeit des Kunststoffes allein gegeben ist.
Um nun Kunststoffrohre zu erhalten, die in Umfangsrichtung und auch in axialer Richtung gute Festigkeitswerte besitzen, bettet man neben Fasern, die in Umfangsrichtung des Rohres verlaufen, auch Fasern in das Kunstharz ein, die in verschiedenen Richtungen, also auch in axialer Richtung verlaufen. Bei einem bekannten Verfahren dieser Art ist vorgesehen, dass zwischen einzelne Lagen des Rohres, die im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Fasern enthalten, die durch Aufwickeln von Faserbündeln erhalten werden, auch Lagen eingefügt werden, die aus vorgebundenen Bändern, in denen sich verhältnismässig kurze Fasern in zueinander ungeordneter Lage befinden, bestehen.
Durch die in den Bändern ungeordnet befindlichen Fasern soll dabei die Festigkeit des Rohres in axialer Richtung erhöht werden. Eine solche Vorgangsweise ist aber in ihrer praktischen Realisierung ausserordentlich aufwendig und kompliziert, wenn man Rohre entsprechender Festigkeitswerte herstellen will. Es ist dabei nämlich darauf zu achten, dass ein homogener Aufbau erhalten wird und dass ein vollständiges Durchtränken der Bänder mit dem Tränkharz stattfindet. Schon die Forderung nach Homogenität ist sehr schwer zu erfüllen, da beim schraubenlinienförmigen Aufwickeln der Bänder beim Fehlen einer Überlappung der einzelnen Windungen, die in den Bändern vorhandenen Faserstücke von Windung zu Windung keine Kräfte übertragen können und bei überlappendem Wickeln störende Dickenschwankungen der Bänderschichten auftreten.
Noch grössere Schwierigkeiten ergeben sich aus der Tatsache, dass die Bänder gut durchtränkt sein sollen und alle vor dem Wickeln in den Bändern vorhandene Luft aus denselben zu entfernen ist. Erst das Tränkharz gibt nämlich den Bänderlagen die
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erforderliche Festigkeit und es ist zu erwähnen, dass die vorgebundenen Bänder an sich praktisch überhaupt keine Festigkeit besitzen und bei mangelhafter Durchtränkung kein brauchbares Rohr erhalten wird.
Sowohl die Notwendigkeit, die in den Bändern vorhandene Luft aus denselben im Zuge des Herstellungsvorganges zu entfernen, als auch die Notwendigkeit, trotz des in den Bändern vorhandenen Verbindungsharzes eine innige Bindung von Tränkharz und Fasern zu erhalten, erschweren, neben der oberwähnten Komplikation beim Aneinanderschliessen der einzelnen Bandwindungen, die Herstellung beträchtlich.
Eine andere bekannte Methode zur Herstellung von rohrartigen Körpern guter Festigkeit in Umfangs-und Axialrichtung sieht vor, ein Faserbündel kontinuierlich in Art einer kreuzgewickelten Garnspule auf den Formkörper aufzuwickeln, wobei durch die verschiedene Schräglage der Längserstreckung des Faserbündels auch in Richtung der Rohrachse verlaufende Kräfte von den Fasern aufgenommen werden können. Eine solche Wickelart ist indessen sehr zeitraubend und erfordert kompliziert arbeitende Maschinen, wodurch eine wirtschaftliche Produktion kaum möglich ist. Im Sinne einer möglichst grossen Wirtschaftlichkeit der Herstellung ist es erwünscht, möglichst mehrere Faserbündel gleichzeitig auf den Formkörper aufzuwickeln, wobei der Wickelvorgang selbst tunlichst in Umfangsrichtung des Formkörpers erfolgen soll und die Wickelsteigung möglichst klein gehalten werden soll.
Hiedurch verläuft aber die Achse des bzw. der aufgewickelten Faserbündel nahezu in Umfangsrichtung des Rohres und die Orientierung des Faserbündels trägt nicht dazu bei, Kräfte in axialer Richtung des Rohres aufzunehmen ; zur Behebung dieses Nachteiles wurde bereits vorgeschlagen, Faserbündel aufzuwickeln, deren einzelne Fasern nicht glatt nebeneinander liegen und parallel zueinander verlaufen, sondern Faserbündel zu verwenden, bei denen durch unterschiedliche Faserlängen der Einzelfasern des Bündels in bestimmten Abschnitten erreicht ist, dass eine grössere Anzahl von Fasern schleifenartig aus dem Bündel heraustritt (sogenannter Spinnroving) ;
bei Verwendung letzterwähnter Faserbündel tritt beim Aufwickeln derselben durch die schleifenartig vorstehenden Fasern, die sich in den Bereich des Nachbarbündels legen, eine wesentlich bessere Verbindung der einzelnen Windungen der Faserbündel ein, als dies bei Faserbündeln mit gleich langen, parallellaufenden Fasern der Fall sein kann, was sich in besseren Werten der in axialer Richtung gemessenen Festigkeit solcherart hergestellter Rohre äussert ;
bei Verwendung der als Spinnroving bezeichneten Faserbündel ist jedoch der Nachteil gegeben, dass dieselben wesentlich teurer sind als Faserbündel mit parallellaufenden Einzelfasern und dass auch das unstete Gefüge der Faserbündel, bei denen die einzelnen Fasern abschnittsweise unterschiedliche Längen aufweisen, dazu neigt, in den einzelnen Phasen des Tränk-und Wickelvorganges Brüche von Einzelfasern zu begünstigen, welche Brüche fast stets Anlass zu ernsten Betriebsstörungen geben.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren ist es möglich, Nachteile obenerwähnter Art zu vermeiden. Das erfindungsgemässe Verfahren eingangs erwähnter Art ist dadurch gekennzeichnet, dass die kurzen, ungeordneten Faserstückchen lose eingefügt werden und dass vorzugsweise die parallelliegenden Faserbündel während des Tränkens gespannt werden.
Durch die lose eingefügten, kurzen Faserstückchen, die sich zwischen die einzelnen Windungen bzw. Windungslagen der in Umfangsrichtung verlaufenden Fasern legen, ist eine gute Verbindung zwischen benachbarten, parallelliegenden Fasern, die in Umfangsrichtung verlaufen, erzielt und damit eine ausreichende Festigkeit in Richtung der Rohrachse gegeben.
Dadurch, dass die kurzen Faserstücke lose eingefügt werden, wird ein besonders gleichmässiges Gefüge des solcherart hergestellten Rohres erreicht und es wird die Gleichmässigkeit des hergestellten Rohres durch die Massnahme, dass das Faserbündel während des Tränkens gespannt wird, wirkungsvoll unterstützt. Letzteres deshalb, weil das Einhalten eines bestimmten Wertes der Spannung während des Tränkvorganges die Menge des vom Faserbündel aufgenommenen Kunstharzes auf einem gleichmässigen Wert hält und ein unter Spannung vorgenommenes Tränken ein Vorsehen einer Einrichtung, die am bereits getränkten Faserbündel angreift, um die für den Wickelvorgang benötigte Spannung zu erzielen, erübrigen kann.
Letzteres bringt auch den Vorteil, dass der Harzgehalt nicht durch Spannvorrichtungen, welche stets ein gewisses Abquetschen des Harzes aus dem bereits getränkten Bündel bewirken, herabgesetzt wird.
Eine vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemässen Verfahrens sieht vor, dass die kurzen Faserstücke ungetränkt eingefügt werden. Dies ermöglicht eine sehr einfache Handhabung, da ungetränkte Faserstücke leicht an die gewünschte Stelle gebracht werden können. Das Tränken der kurzen Faserstücke erfolgt durch das in den Faserbündeln vorhandene Kunstharz, wobei es vorteilhaft ist, wenn die in den Faserbündeln vorhandene Harzmenge möglichst gross ist, was, wie bereits oben erwähnt, durch das Vermeiden der Verwendung von Spannvorrichtungen, die an den getränkten
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Faserbündeln angreifen, wirkungsvoll unterstützt werden kann.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausbildung des erfmdungsgemässen Verfahrens ist vorgesehen, die kurzen Faserstücke durch Teilen eines kontinuierlich zugeführten Faserstranges zu erhalten, wobei nach dem Teilvorgang die kurzen Faserstücke zweckmässig auf die bereits am Formkörper befindliche Lage von Faserbündeln aufgeblasen werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoffrohren gemäss einem Verfahren obenerwähnter Art ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Blasevorrichtung für die kurzen Faserstücke vorgesehen ist, deren Ausblaseöffnung kurz vor der jeweiligen Auflaufstelle des Faserbündels auf der Hohlform liegt und dass vorzugsweise die Vorratsspulen mit Bremsen versehen sind, um das ablaufende Faserbündel vor dem Eintritt in die Tränkeinrichtung zu bremsen bzw. zu spannen ; eine bevorzugte Ausführungsform einer solchen Vorrichtung, die für das Ausführen der oben an letzter Stelle angeführten Verfahrensform vorgesehen ist, weist das Merkmal auf, dass an der Blasevorrichtung eine Schneideeinrichtung zum Zerteilen eines fortlaufenden Faserbündels in kurze Faserstücke vorgesehen ist.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen die Fig. 1 und 2 im Querschnitt schematisch den Aufbau erfindungsgemäss hergestellter Kunststoffrohre, während in den Fig. 3 bis 5 Vorrichtungen zur Herstellung solcher Kunststoffrohre schematisch dargestellt sind, wobei diese Zeichnungen auch Herstellungsverfahren erfindungsgemässer Rohre verdeutlichen.
In der schematischen Darstellung nach Fig. l, die ein erfindungsgemäss erhaltenes Kunststoffrohr im Querschnitt zeigt, besteht dasselbe aus einer Anzahl konzentrisch zueinander angeordneter Schichten aus Kunststoff, in denen zur Erhöhung der Festigkeitswerte Glasfasern eingebettet sind. In den mit
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eine beträchtliche Festigkeit des Rohres in Umfangsrichtung, nicht jedoch in Axialrichtung. Es sind deshalb zwischen den einzelnen mit--l--bezeichneten Schichten bzw. Windungslagen weitere Schichten-2-eingefügt, in denen in die Kunststoffmasse kurze Faserstücke in ungeordneter Lage eingebettet sind.
Die kurzen Fasern liegen dabei völlig beliebig durcheinander, wie es sich ergibt, wenn solche Faserstücke ohne besondere Vorkehrungen aufgeschüttet werden, wobei durch die Schichtbildung die Fasern vorwiegend eine Lage einnehmen, die im wesentlichen in einer durch die Begrenzungen der Schicht festgelegten Fläche liegt. Die kurzen, ungeordnet liegenden Faserstücke sichern nun eine gute Verbindung der axial nebeneinanderliegenden, in Umfangsrichtung verlaufenden Fasern bzw.
Faserschichten, wodurch auch die axiale Festigkeit des Rohres einen für praktische Zwecke ausreichenden Wert annimmt. Naturgemäss werden dabei umso bessere Eigenschaften erhalten, je inniger die Verbindung der einzelnen Schichten untereinander erfolgt bzw. je dünner die einzelnen Schichten sind. Dem kann dadurch entsprochen werden, dass beim Herstellen des Kunststoffrohres durch Aufwickeln harzgetränkter Faserbündel unmittelbar zwischen den einzelnen Windungslagen kurze Faserstücke lose eingefügt werden. Der sich dabei ergebende Aufbau des Rohres ist in Fig. 2 verdeutlicht ; dabei ist naturgemäss, um eine gewisse Klarheit der Darstellung zu gewährleisten, die Dickenabmessung der einzelnen Schichten--l bzw. 2--wesentlich grösser gewählt als dies bei praktisch realisierten Rohren der Fall ist.
Auch ist bei dieser Darstellung nicht berücksichtigt, dass in den meisten Fällen beim Herstellen gewickelter Rohre den aufzuwickelnden Faserbündeln beim Wickeln auch eine Verschiebung in Axialrichtung des Rohres erteilt wird ; ein Inbetrachtziehen der genannten beiden Momente ergab, dass die Darstellung gemäss Fig. 2 bei realisierten Rohren ungefähr einer der Schichten, wie sie in Fig. 1 verdeutlicht sind, entspricht.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum erfindungsgemässen Herstellen von Rohren, welche eine drehbare Form-3--, die eine Rotation im Sinne des Pfeiles --4-- ausführt, eine Vorratseinrichtung --5-- für Faserbündel und eine Tränkeinrichtung --6-- für dieselbe umfasst. Die Einrichtung --5-- weist eine Spule --7-- auf, auf die die Faserbündel --8-- aufgewickelt sind, welche Spule im Maschinengestell gelagert und mit einer Bremse--9, 10-- versehen ist. Von der Spule-7-- ausgehend wird das Faserbündel durch eine in einer Wanne --11-- vorgesehene Kunstharzlösung--12-hindurchgeführt und in dieser durch eine Walze--13--umgelenkt.
Nach Umkehrung tritt das getränkte Faserbündel aus der Tränkvorrichtung aus und wird auf die Fbrin - - 3- -- aufgewickelt. Zwischen die einzelnen sich beim Aufwickeln ergebenden Windungslagen werden, durch Zuführen im Bereich--14-, kurze Faserstücke--15--eingefügt, welche Faserstücke im Bereich--14--in an sich beliebiger Weise zugeführt werden können. So ist es möglich, dieses Zuführen durch einfaches Aufschütten, durch Einlegen, Aufblasen od. dgl. auszuführen. Die kurzen Faserstücke selbst können bereits mit bindenden Harzen versehen sein ; es ist aber im Interesse einer
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einfachen Manipulation vorteilhafter, dass diese im trockenen Zustand zugeführt werden.
Das zum Binden derselben erforderliche Harz kann dabei durch stärkeres Tränken der Faserbündel --8-- oder auch durch zusätzliches Aufsprühen von Kunstharz während des Wickelvorganges beigefügt werden. Bei entsprechender Tränkung des Faserbündels-8-kann dabei auch ein Haften der aufzubringenden kurzen Faserstücke auf dem Faserbündel bzw. auf der vom Faserbündel bereits gebildeten Windungslage erzielt werden, so dass es möglich ist, die kurzen Faserstücke auf das Faserbündel selbst bzw. auf die momentan oberste Rohrschicht aufzuschütten, wo die kurzen Faserstücke dann so lange kleben bleiben,
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auf die jeweils oberste Schicht des herzustellenden Rohres ist in Fig.
4 dargestellt, wo die kurzen Faserstücke mittels eines Transportbandes --16-- der obersten Stelle des in Entstehung befindlichen Rohres zugeführt werden und in Gestalt einer Schicht-17--, die zunächst lose haftet, zur Auflaufstelle-18-des getränkten Faserbündels --8-- gelangen, wo sie dann zu einer kompakten Schicht verdichtet werden.
Es ist zweckmässig, das Faserbündel --8-- bereits während des Tränkens zu spannen, da hiedurch gleichmässigere Ergebnisse erzielbar sind, als bei einem Tränken in ungespanntem Zustand und einem nachfolgenden Abstreifen überschüssigen Harzes, welches Abstreifen nämlich, bedingt durch die Klebrigkeit des getränkten Faserbündels, meist nicht mit der erforderlichen Konstanz ausgeführt werden kann. Ein Tränken im gespannten Zustand ergibt auch die Möglichkeit, das Spannen des Faserbündels, das zum Erzielen eines gleichmässigen Aufwickelns nötig ist, vor dem Eintritt des Faserbündels in das Tränkbad vorzunehmen und am getränkten Faserbündel angreifende Maschinenteile zu vermeiden.
Eine solche Massnahme ist auch bei den in den Zeichnungen dargestellten Vorrichtungen getroffen, wo das Spannen des aufzuwickelnden Faserbündels-8-durch Bremsen der Vorratsspule --7-- bewirkt wird, welches Bremsen seinerseits durch ein Anpressen der Bremsbacken --10-- an die Bremsscheibe
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durch Aufblasen der kurzen Faserstücke erzielt. Eine zur Durchführung dieser Verfahrensausbildung geeignete Vorrichtung ist in Fig. 5 dargestellt, bei der eine Blaseinrichtung --20-- vorgesehen ist, die die Faserstücke-15-, kurz vor dem Auflaufen des Faserbündels auf die jeweils oberste Schicht des in Entstehung befindlichen Rohres, aufbringt.
Das Vorsehen einer Blasvorrichtung, die ihrerseits mit einer Schneideeinrichtung versehen ist, bietet dabei die Möglichkeit, ein Hantieren mit den losen Faserstücken, das naturgemäss insbesondere bei der Verwendung von Glasfasern mit gewissen gesundheitlichen Gefahren verbunden ist, zu vermeiden, da einer solcherart ausgebildeten Vorrichtung das Material auch in Form kontinuierlicher Faserstränge zugeführt werden kann ; die Faserstränge werden dann erst innerhalb der Vorrichtung zu kurzen Stücken zerschnitten und unmittelbar nach dem Zerschneiden auf das in Entstehung befindliche Rohr aufgeblasen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung faservertärkter, insbesondere glasfaserverstärkter Kunststoffe, bei welchen in mehreren Schichten bzw. Windungslagen zueinander im wesentlichen parallel verlaufende Fasern in den Kunststoff eingebettet sind und zwischen diesen Schichten bzw. Windungslagen kurze Faserstücke in ungeordneter Lage zueinander gleichfalls im Kunststoff eingebettet sind, wobei die Schichten parallellaufender Fasern durch Aufbringen von kunstharzgetränkten Faserbündeln, die auf einen Formkörper aufgewickelt werden, erhalten werden, die kurzen Fasern dazwischen eingefügt
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ungeordneten Faserstückchen lose eingefügt werden und dass vorzugsweise die parallelliegenden Faserbündel während des Tränkens gespannt werden.
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