Faserarmierter Kunstharzprofilkörper und Verfahren zu dessen Herstellung
Es ist bekannt, volle oder hohle Profilkörper aus faserarmiertem Kunststoff, insbesondere aus faserarmierten Kunstharzen, herzustellen und das zur mechanischen Verstärkung dienende Fasermaterial in Form von losen Fasern, Strängen oder Geweben mit dem Harz zu verbinden oder auch einen vorgeformten Faserwickel mit Kunstharz zu imprägnieren.
Wenn nun solche Kunstharzprofilkörper in der Elektrotechnik als Isolierteile für Hochspannung benützt werden oder mechanisch hoch beansprucht sind, so muss man die Armierungsfasern in ganz bestimmter Weise anordnen, um das Material voll ausnützen zu können. Werden z. B. an die Kriechstromfestigkeit hohe Anforderungen gestellt oder wird auf einen rohrförmigen Profilkörper ein Aussengewinde geschnitten, um eine Armatur aufschrauben zu können, so sollen in der Oberflächenschicht möglichst keine Armierungsfasern in der Längsrichtung angeordnet sein, weil dadurch eine Kriechwegbildung begünstigt werden könnte und beim Einschneiden eines Gewindes die Fasern in kleine Teilstücke zertrennt würden, was die Längsfestigkeit beeinträchtigen würde.
Die vorliegende Erfindung vermeidet nun diesen Nachteil. Ihr Gegenstand ist ein faserarmierter Kunstharzprofilkörper, dessen Armierungsfasern der Oberflächenschicht im wesentlichen quer zur Längsachse des Körpers verlaufen und dessen zur Längsverstärkung dienenden Fasern in den innern Schichten des Profilkörpers angeordnet sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kunstharzprofilkörpers, bei welchem Verfahren die Armierungsfasern in annähernd konischen und sich überlappenden Lagen auf einen Träger gewickelt werden, indem während dem aus einer Dreh- und Vorschubbewegung bestehenden Wicklungsvorgang die Fasern noch zusätzlich in Richtung der Profilkörperachse hin und her geführt werden, wobei sie in ihrer geometrischen Abwicklung nach einer Wellenlinie verlaufen, und die Armierungsfasern vollständig in Kunststoff eingebettet werden.
Auf den nachstehenden Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Fig. 1 ist ein Teilschnitt eines rohrförmigen Kunstharzprofilkörpers und Fig. 2 zeigt die wellenlinienförmige Abwicklung des Faserstranges, welcher die Armierung eines Profilkörpers bildet. In Fig. 3 ist der schematische Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung eines beliebig langen Rohrprofils dargestellt und Fig. 4 zeigt einen Einzel ausschnitt von einer ähnlichen Vorrichtung zur Herstellung eines vollen Profils.
In Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel ein rohrförmiger Profilkörper dargestellt, und zwar das Endstück, mit dem bei seiner Herstellung entstehenden konisch auslaufenden Wickel aus Armierungsfasern.
Der zur Herstellung des Profilkörpers notwendige Wickeldorn 1 ist noch eingezeichnet. Im Sinne der Erfindung verlaufen die Armierungsfasern 2 und 3 der Oberflächenschichten im wesentlichen quer zur Längsachse des Körpers, während die zur Längsverstärkung dienenden Fasern 4 in den innern Schichten der Profilkörperwandung angeordnet sind. Die den Armierungswickel bildenden Fasern sind als zusammenhängender Strang gemäss dem nachstehend beschriebenen Verfahren aufgewickelt und sind vollständig in Kunstharz eingebettet.
Bei richtiger Wahl der Werkstoffe können aus vollen oder hohlen Kunstharzprofilen, welche die erfindungsgemässe Anordnung der Armierungsfasern aufweisen, Konstruktionsteile hergestellt werden, deren hervorragende Eigenschaften sie besonders im elektrischen Apparatebau geschätzt machen.
So werden beispielsweise von einer isolierenden Zugstange grosse mechanische und elektrische Festigkeit, Kriechstromsicherheit und gute Bearbeitbarkeit verlangt. Als Kunstharz eignen sich besonders solche Giessharze, die beim Aushärten keine Gase abgeben und ihr Volumen nicht ändern, also z. B. Polyesteroder Ethoxylinharze. Als Armierungsmaterial kommen vor allem Glasfasern in Frage, die in Form von Fasersträngen, Garnen oder Schnüren zur Anwendung kommen können. Durch den im wesentlichen quer zur Längsachse liegenden Verlauf der Fasern in der Oberflächenschicht erreicht man einerseits höchste Kriechstromsicherheit und die Möglichkeit, bei kreisrundem Querschnitt des Körpers ein Gewinde für die Befestigung einer Armatur einschneiden zu können, ohne die auch zur Längsverstärkung dienenden, in den innern Schichten angeordneten Armierungsfasern zu zertrennen.
Eine Faserarmierung der oben erwähnten Art für einen rohrförmigen Körper kann nun derartig aufgebaut werden, dass man zuerst eine Lage Faserstränge mit kleiner Steigung auf einen Dorn wickelt, dann den Teil der Armierung, der vorwiegend axiale Kräfte aufzunehmen hat, in Form eines Gewebes aufbringt und zuletzt die äussere Schicht wiederum bei kleiner Steigung aufwickelt. Es ist aber umständlich, einen sehr langen Profilkörper, dessen Faserarmierung aus getrennten Schichten verschiedener Art bestehen, in dieser Weise auszuführen.
Im folgenden wird ein weiteres Verfahren beschrieben, nach welchem beispielsweise ein Kunstharzprofilkörper gemäss der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann. Fig. 2 zeigt in geometrischer Abwicklung die Wellenlinienform eines Faserstranges wie er als Armierung in einem Profilkörper ähnlich Fig. 1 angeordnet ist. Da die Armierungsfasern in konischen und sich überlappenden Lagen angeordnet sind, ändert sich der Wicklungsradius längs einer jeden Lage. Die Abwicklung des Wicklungsumfanges ist in der Richtung A verkürzt aufgetragen, die Neigung der Geraden B ist durch die Vorschubgeschwindigkeit gegeben; die Amplitude C der Wellenlinie ergibt sich aus Vorschubgeschwindigkeit und dem Weg der hin und her gehenden Faserstrangführung.
Während dem Ablauf einer Hin- und Herbewegung, das heisst je zwischen den Punkten A1, A2, A3 usw. macht der Wickel mehrere Umdrehungen. D ist die Breite des aufgewickelten Faserstranges, welche zweckmässigerweise so gewählt werden kann, dass sie annähernd dem Vorschubweg ist, der während einer Hin- und Herbewegung zurückgelegt wird.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Armie rungsfasern in Form eines Faserstranges aufzuwickeln, wobei dieser Strang als flaches Faserbündel oder als eine Mehrzahl von nebeneinanderliegenden gezwirnten Garnen oder Schnüren bestehen kann; es können mehrere Faserstränge auch gleichzeitig aufgewickelt werden.
Bei den nachstehend beschriebenen Herstellungsweisen sind Wickeldrehzahl, Vorschubgeschwindigkeit, Weg und Geschwindigkeitsablauf der hin und her gehenden Faserstrangführung so zu wählen, dass der Faserverlauf in der Oberflächenschicht des Kunststoffprofilkörpers nicht mehr als 200 von der Querrichtung abweicht.
Faserarmierte Hohlprofilteile, die nicht sehr lang sind, können beispielsweise so hergestellt werden, dass ein Glasfasergarn in der angegebenen Weise auf einen Dorn gewickelt und in Kunstharz eingebettet wird, wobei der Dorn entweder feststeht und die das Wickelmaterial tragenden Spulen der Garnführung um den Dorn rotieren und sich axial verschieben oder aber der Dorn sich dreht und die Vorschubbewegung ausführt. Nach der Verfestigung des Kunstharzes muss dann der Wickeldorn herausgezogen werden.
Bei verhältnismässig langen Profilteilen ist aber das nachträgliche Herausziehen eines Wickeldorns mit grösseren Schwierigkeiten verbunden, auch ist es vorteilhafter, bei grossen Stückzahlen die Teile durch Abschneiden von einer mehrere Meter langen Stange herzustellen. Fig. 3 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Vorrichtung zum Herstellen von faserarmierten hohlen Kunstharzprofilen beliebiger Länge. 1 ist ein feststehender Dorn, über dessen Oberfläche ein strangförmiger Träger 6 gleitet. Dieser Träger kann aus mehreren Einzelbändern bestehen, die von den Spulen 7 ablaufen und durch geeignete Rollen 8 gegen den Dorn gepresst werden, so dass die Bänder dessen Oberfläche vollständig umhüllen.
Während der strangförmige Träger mit der gewünschten Vorschubgeschwindigkeit in der Pfeilrichtung langsam nach unten gezogen wird, drehen sich die Spule 9 mit dem darauf befindlichen Vorrat an Armierungsfasersträngen und mit der Führungseinrichtung 10 um Dorn und Träger herum. Gleichzeitig gibt man der Führung 10 eine hin und her gehende Bewegung in Richtung der Profilkörperachse, so dass der Faserstrang in seiner geometrischen Abwicklung eine wie in Fig. 2 dargestellte Wellenlinie beschreibt und ein Wickel gemäss Fig. 1 entsteht, bei dem die Fasern der Oberflächenschicht der Profilkörperwandung im wesentlichen quer zur Längsachse verlaufen. Anschliessend durchläuft der Wickel das Harzbad 11, wo er sich volltränkt, und wird dann noch durch eine die genaue Aussenprofilform gebende Düse 12 gezogen. Das Verfestigen und Aushärten des Harzes geschieht in üblicher Weise.
Unter Umständen kann es auch zweckmässiger sein, den Dorn 1 samt Träger 6, Spulen 7, Leitrollen 8 und Düse 12 umlaufen zu lassen und dafür die Spule 9 mit der Fühung 10 auf dem feststehenden Teil der Wickelvorrichtung zu lagern. Um einen gleichmässigen Füllfaktor zu erhalten, kann die Führungseinrichtung auch so vorgesehen sein, dass die Breite des Faserstranges im Verlauf der Hin- und Herbewegung verändert wird, indem z. B. bei Ver wendung eines flachen Faserstranges der Strang seitlich zusammengedrückt wird oder wenn nebeneinanderliegende Faserschnüre zur Anwendung kommen, deren gegenseitiger Abstand periodisch verändert wird.
Zur kontinuierlichen Herstellung von vollen, faserarmierten Kunstharzprofilen kann eine Vorrichtung benützt werden, die ähnlich der oben beschriebenen ist, nur ist dann der Dorn 1, wie Fig. 4 zeigt, nicht durch die Düse 12 hindurch verlängert, sondern flach oder konisch auslaufend ausgebildet.
Der noch plastische Wickel erhält seine endgültige Form in der Düse 12, also z. B. ein abgerundetes Flachprofil, wie es der Querschnitt 13 andeutet.
Bei Verwendung eines genügend festen Trägerbandes könnte auch auf einen Dorn verzichtet werden, wobei die Armierungsfasern direkt auf das straff gespannte Trägerband gewickelt werden, und dann der mit Harz durchtränkte Wickel durch die formgebende Düse gezogen wird.
In vielen Fällen, aber besonders bei Vollprofilen bleibt der Trägerstrang im fertigen Querschnitt eingeschlossen; man verwendet darum mit Vorteil einen Träger aus Glasfasergewebe. In andern Fällen, wo ein nachträgliches Entfernen des Trägers erwünscht ist, kann man ihn beispielsweise mit Poly-Tetrafluor äthylen imprägnieren, damit er nicht am Giessharz haftet.
Bei den beschriebenen Herstellungsweisen können die Armierungsfasern bzw. der Faserstrang schon vor dem Aufwickeln auf den Träger mit Kunstharz durchtränkt werden. Im allgemeinen wird es aber vorteilhafter sein, den fertigen Wickel durch ein Harzbad zu leiten, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.
Man könnte auch beide Arten des Imprägnierens kombinieren oder das flüssige Harz, wie Fig. 4 andeutet, durch eine Bohrung des Dornes 1 von innen zuführen. Ebenso kann ein Imprägnieren im Vakuum angezeigt sein, indem z. B. der bereits mit einer gewissen Menge Harz durchtränkte Wickel in ein besonderes
Gefäss gebracht wird, das zunächst luftleer gemacht und anschliessend mit flüssigem Harz angefüllt wird, wobei das Gefäss ebenfalls zur genauen Formgebung des faserarmierten Profilkörpers beigezogen werden kann.