DE10146253A1 - Simplified production of fiber-reinforced pipes by molding a powder matrix and reinforcement with an air-expanded internal tube, followed by hardening - Google Patents

Simplified production of fiber-reinforced pipes by molding a powder matrix and reinforcement with an air-expanded internal tube, followed by hardening

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    • B29C70/446—Moulding structures having an axis of symmetry or at least one channel, e.g. tubular structures, frames

Abstract

Production of fiber-reinforced pipes involves bringing the matrix material in powder form onto the inner wall of a pre-heated mold (1,2), laying the reinforcing material onto the mold (1,2) and fixing it over a tube (3) and, after placing the mold (1,2) in an oven, expanding tube (3) by air pressure and then hardening the pipe.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Rohre, bei dem die Aushärtung eines aus einem Matrixmaterial sowie einer Verstärkungsfaser bestehenden Gemisches in einem formgebenden beheizbaren Werkzeug und mittels eines druckbeaufschlagten Innenschlauches erfolgt.The invention relates to a method for manufacturing fiber-reinforced pipes, in which the curing of a made of a matrix material and a reinforcing fiber existing mixture in a shaping heatable Tool and by means of a pressurized Inner hose is done.

Zur Herstellung faserverstärkter Rohre sind eine Vielzahl von Fertigungsarten bekannt. Die häufigste Methode zur Fertigung vorzugsweise rotationssymmetrischer Rohre ist die Naßwickeltechnik, bei der Verstärkungsfäden mit einer ummantelnden Harzbeschichtung mittels eines Wickelautomaten über einen Kern gewickelt werden. Ein ähnliches Fertigungsprinzip wird bei der sogenannten Tapewickeltechnik angewandt. Neben diesen vergleichsweise aufwendigen Fertigungstechniken ist es insbesondere bei der Fertigung von Klimarohren für Verkehrsflugzeuge bereits bekannt, faserverstärkte Rohre mit Hilfe abwickelbarer vorimprägnierter Glasfasergewebe, sogenannter Prepregs, herzustellen. Bei diesem bekannten Verfahren werden die Prepregs entsprechend der vorgesehenen Rohrgeometrie zugeschnitten und in Halbschalenvorrichtungen eingelegt, in denen sie anschließend unter Vakuum ausgehärtet werden.For the production of fiber reinforced pipes are one Numerous types of production are known. The most frequent Manufacturing method preferred rotationally symmetrical tubes is the wet winding technique, with the reinforcing threads with a sheathing Resin coating using an automatic winder to be wound a core. A similar Manufacturing principle is the so-called  Tape winding technique applied. Besides these it is comparatively complex manufacturing techniques especially in the manufacture of air conditioning tubes for Commercial aircraft already known, fiber-reinforced Pipes pre-impregnated with the help of unwindable To manufacture glass fiber fabrics, so-called prepregs. In this known method, the prepregs according to the intended pipe geometry cut and in half-shell devices inserted in which they are then under vacuum be cured.

Alternativ dazu werden derartige Rohre, ebenfalls unter Verwendung von Prepregs, gemäß dem Verfahren der eingangs genannten Art mittels druckbeaufschlagter Silikonschläuche in formgebenden Werkzeugen gefertigt. Bei dieser Bauweise mittels Halbschalen wird das Prepreg mittels eines elastischen Schlauchs von innen an die Wandung des vor diesem Vorgang zu schließenden Werkzeuges gepreßt und anschließend ausgehärtet.Alternatively, such pipes are also under Use of prepregs, according to the process of type mentioned at the beginning by means of pressurized Silicone hoses manufactured in shaping tools. With this construction using half shells, this is Prepreg from the inside using an elastic tube to the wall of the one to be closed before this process Tool pressed and then cured.

Angewandt wird diese Technik vorwiegend für Rohre mit über die Rohrlänge angenähert konstantem Querschnitt und ohne Verzweigungen.This technology is mainly used for pipes Cross section approximately constant over the pipe length and without ramifications.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auch komplexe Rohre mit mehreren Verzweigungen einschließlich der Endmuffen in einem Schuß hergestellt werden können. Zugleich soll der erforderliche Montageaufwand reduziert und ein Operieren mit Einzelteilen oder Halbfertigprodukten vermieden werden. Schließlich soll insbesondere angesichts der teilweise geringen Anwendungshäufigkeit solcher komplexer Rohre der Aufwand für das zur Herstellung benötigte Werkzeug möglichst gering gehalten werden. The object of the invention is a method of type mentioned in such a way that also complex pipes with multiple branches including the end sleeves made in one shot can be. At the same time, the required Assembly effort reduced and an operation with Individual parts or semi-finished products can be avoided. Finally, especially in view of the partial low frequency of use of such complex pipes the effort for the tools required for the production be kept as low as possible.  

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem das Matrixmaterial pulverförmig auf die Innenwände des vorgeheizten Werkzeuges aufgebracht, das Verstärkungsmaterial anschließend in das Werkzeug eingelegt und über den Schlauch fixiert wird, bei dem der Schlauch nach dem Einbringen des Werkzeuges in einen Ofen mittels Luftdruckbeaufschlagung expandiert wird und bei dem anschließend die Aushärtung erfolgt.The invention solves this problem by a method in which the matrix material in powder form on the Inner walls of the preheated tool applied, the Reinforcement material then in the tool is inserted and fixed over the hose where the hose after inserting the tool in expanding an oven by pressurizing it with air and in which the curing then takes place.

Die Erfindung besitzt dabei den Vorteil, daß durch die getrennte Zuführung von Matrix und Verstärkungsfaser der kostenintensive Prepregprozeß umgangen wird und somit die Werkstoffkosten deutlich reduziert werden können. Werden bei dem Verfahren nach der Erfindung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform Gestricke eingesetzt, so entfällt zudem der zeitaufwendige Zuschnitt der Gewebelagen. Außerdem werden die Belegung der Vorrichtung sowie notwendigen Vor- und Nacharbeiten durch die Verwendung von trockenem Material anstelle der bereits getränkten Gewebe wesentlich vereinfacht. Im Gegensatz zur Lagerung von Prepregs ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weiterhin keine Lagerung des Vormaterials im Kühlhaus erforderlich. Schließlich lassen sich bedarfsgerechte Unterschiede im Harzgehalt realisieren. Beispielsweise kann mit einem Harzüberschuß im Flanschbereich oder im Bereich der Anschlußmuffen gearbeitet werden, um auf einfache Weise die erforderlichen Übergänge und Anschlüsse zu erhalten.The invention has the advantage that separate feeding of matrix and reinforcing fiber the expensive prepreg process is avoided and thus the material costs are significantly reduced can. Are in the method according to the invention according to a preferred embodiment, knitted fabrics used, the time-consuming is also eliminated Cutting the fabric layers. In addition, the occupancy the device and necessary preparatory and reworking through the use of dry material instead the already impregnated tissue is considerably simplified. In contrast to the storage of prepregs, the The inventive method still no storage of the raw material required in the cold store. Finally there are needs-based differences in resin content realize. For example, with a Resin excess in the flange area or in the area of Connection sleeves are worked to in a simple manner the necessary transitions and connections receive.

Die formgebenden Werkzeuge können bei dem Verfahren nach der Erfindung als glasfaserverstärkte Kunststofflaminate ausgeführt werden, die mittels Klammern oder Schnallenverschlüssen verschlossen werden. Neben ihren geringen Kosten weisen diese Werkzeuge den Vorteil auf, daß sie so leicht sind, daß die Handhabung und das Schließen in der Regel von Hand erfolgen können. Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht eine problemlose integrale Fertigung von Muffen und Anschlußelementen in einem Arbeitsgang, so daß die Durchlaufzeiten erheblich verkürzt und die Teilesteuerung in der Produktion wesentlich vereinfacht werden können.The shaping tools can be used in the process according to the invention as glass fiber reinforced Plastic laminates are executed using Clasps or buckles closed  become. In addition to their low cost, these show Tools have the advantage that they are so light that handling and closing usually by hand can be done. The method according to the invention enables problem-free, integral production of Sleeves and connecting elements in one operation, see above that the lead times are significantly reduced and the Part control in production considerably simplified can be.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.The invention is based on one in the Drawing shown embodiment closer are explained.

Die Figur zeigt dabei in perspektivischer Darstellung die für die Herstellung faserverstärkter Rohre benötigten Werkzeuge. Im einzelnen sind dies zwei Halbschalen 1 und 2 als Komponenten einer mehrteiligen Vorrichtung, ein Silikonschlauch 3 sowie, als endseitige Abschlüsse, zwei Flanschplatten 4 und 5.The figure shows a perspective view of the tools required for the production of fiber-reinforced pipes. Specifically, these are two half-shells 1 and 2 as components of a multi-part device, a silicone tube 3 and, as end closures, two flange plates 4 and 5 .

Die beiden als formgebendes Werkzeug dienenden Halbschalen 1 und 2 sind als GFK-Laminate ausgeführt und können mittels in der Figur nicht dargestellter Klammern oder Schnallenverschlüsse für den Aushärtungsprozeß verschlossen werden. Die Beheizung der Form erfolgt in einem Umluftofen. Zur besseren Zugänglichkeit sind alle Enden und Abzweigungen werkzeugseitig mit abnehmbaren Flanschplatten 4 bzw. 5 versehen, wobei über einen Stutzen 6 die zum Aufblasen des Silikonschlauches 3 erforderliche Druckluft zugeführt werden kann.The two half-shells 1 and 2 serving as shaping tools are designed as GRP laminates and can be closed for the curing process by means of clips or buckle closures (not shown in the figure). The mold is heated in a forced air oven. For better accessibility, all ends and branches are provided on the tool side with removable flange plates 4 and 5 , the compressed air required for inflating the silicone tube 3 being able to be supplied via a nozzle 6 .

Zur Herstellung eines faserverstärkten Klimarohres werden die beiden Hälften 1 und 2 der Vorrichtung zunächst im Ofen erhitzt und anschließend mit einem Pulver aus einem Thermoplast oder einem Duromer, das in einem definierten Temperaturspektrum thermoplastisches Verhalten zeigt, bestreut. Durch eine Änderung seines Aggregatzustandes haftet dieses Matrixmaterial an den Wänden des vorgeheizten Werkzeuges, sobald es mit diesen in Kontakt kommt. Nachfolgend wird das Verstärkungsmaterial, im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels ein Gestrick, eingelegt und über den flexiblen Silikonschlauch 3 fixiert. Anschließend wird die so beschickte Vorrichtung in den Ofen eingebracht.To produce a fiber-reinforced air-conditioning tube, the two halves 1 and 2 of the device are first heated in the oven and then sprinkled with a powder made of a thermoplastic or a thermoset which shows thermoplastic behavior in a defined temperature spectrum. By changing its physical state, this matrix material adheres to the walls of the preheated tool as soon as it comes into contact with it. Subsequently, the reinforcing material, in the case of the embodiment described here, a knitted fabric, is inserted and fixed via the flexible silicone tube 3 . The device loaded in this way is then introduced into the furnace.

Mittels Luftdruckbeaufschlagung wird der Silikonschlauch 3 expandiert und drückt dabei die Verstärkungsfasern in das Matrixmaterial, so daß die Fasergebilde mit dem Matrixmaterial getränkt werden. Im Falle eines thermoplastischen Matrixmaterials erfolgt nunmehr eine Abkühlen der Vorrichtung, bei einer Verwendung von Duromeren ein Aufheizen auf die Härtetemperatur des Matrixmaterials. Nach erfolgter Aushärtung kann schließlich das fertige Rohr entnommen werden.The silicone tube 3 is expanded by means of air pressure and thereby presses the reinforcing fibers into the matrix material, so that the fiber structures are impregnated with the matrix material. In the case of a thermoplastic matrix material, the device is then cooled, and when thermosets are used, the device is heated to the hardening temperature of the matrix material. After curing, the finished tube can finally be removed.

Als Matrixwerkstoffe finden bei diesem Verfahren entweder Polyetherimid (PEI), Polyphenylsulfid (PPS), Polypropylen (PP), Polyamid (PA) oder Phenolharze mit thermoplastischem Anteil Verwendung, letztere beispielsweise als Phenolharze, die bei Temperaturen zwischen 70 und 90°C thermoplastisches Verhalten zeigen. Als geeignete Verstärkungsfasern haben sich Glasfasern, Kohlenstoffasern, Aramidfasern sowie Naturfasern bewährt, die in Form von Gestricken, Geweben, Fasermatten, Gewirken oder Geflechten eingesetzt werden können.Find as matrix materials in this process either polyetherimide (PEI), polyphenyl sulfide (PPS), Polypropylene (PP), polyamide (PA) or phenolic resins thermoplastic portion use, the latter for example as phenolic resins, which at temperatures between 70 and 90 ° C thermoplastic behavior demonstrate. Suitable reinforcing fibers have been found Glass fibers, carbon fibers, aramid fibers as well Natural fibers proven in the form of knitted fabrics, Fabrics, fiber mats, knitted fabrics or braids can be used.

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Rohre, bei dem die Aushärtung eines aus einem Matrixmaterial sowie einer Verstärkungsfaser bestehenden Gemisches in einem formgebenden beheizbaren Werkzeug und mittels eines druckbeaufschlagten Innenschlauches erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial pulverförmig auf die Innenwände des vorgeheizten Werkzeuges (1, 2) aufgebracht, das Verstärkungsmaterial anschließend in das Werkzeug (1, 2) eingelegt und über den Schlauch (3) fixiert wird, daß der Schlauch (3) nach dem Einbringen des Werkzeuges (1, 2) in einen Ofen mittels Luftdruckbeaufschlagung expandiert wird und daß anschließend die Aushärtung erfolgt. 1. A process for the production of fiber-reinforced pipes, in which a mixture consisting of a matrix material and a reinforcing fiber is cured in a shaping, heatable tool and by means of a pressurized inner tube, characterized in that the matrix material is in powder form on the inner walls of the preheated tool ( 1 , 2 ) applied, the reinforcing material is then inserted into the tool ( 1 , 2 ) and fixed via the hose ( 3 ), that the hose ( 3 ) after the insertion of the tool ( 1 , 2 ) is expanded into an oven by means of air pressure and that then curing takes place. 2. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Rohre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Matrixmaterial zumindest in einem vorgebbaren Temperaturbereich thermoplastische Eigenschaften aufweist.2. Process for the production of fiber-reinforced pipes according to claim 1, characterized in that the matrix material used at least in one Predeterminable temperature range thermoplastic Has properties. 3. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Rohre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial aus einem Thermoplast besteht.3. Process for the production of fiber-reinforced pipes according to claim 1 or 2, characterized in that the matrix material from a thermoplastic consists. 4. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Rohre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial aus einem Duromer besteht.4. Process for the production of fiber-reinforced pipes according to claim 1 or 2, characterized in that the matrix material consists of a duromer. 5. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Rohre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial aus Polyetherimid (PEI) besteht.5. Process for the production of fiber-reinforced pipes according to claim 1 or 2, characterized in that the matrix material made of polyetherimide (PEI) consists. 6. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Rohre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial aus Polyphenylsulfid (PPS) besteht.6. Process for the production of fiber-reinforced pipes according to claim 1 or 2, characterized in that the matrix material made of polyphenyl sulfide (PPS) consists. 7. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Rohre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial aus Polypropylen (PP) besteht.7. Process for the production of fiber-reinforced pipes according to claim 1 or 2, characterized in that the matrix material made of polypropylene (PP) consists. 8. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Rohre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial aus Polyamid (PA) besteht. 8. Process for the production of fiber-reinforced pipes according to claim 1 or 2, characterized in that the matrix material consists of polyamide (PA).   9. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Rohre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial aus Phenolharzen mit thermoplastischem Anteil besteht.9. Process for the production of fiber-reinforced pipes according to claim 1 or 2, characterized in that the matrix material from phenolic resins with thermoplastic part. 10. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Rohre nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Phenolharz bei Temperaturen zwischen 70 und 90°C thermoplastisches Verhalten zeigt.10. Process for the production of fiber-reinforced pipes according to claim 7, characterized in that the Phenolic resin at temperatures between 70 and 90 ° C shows thermoplastic behavior. 11. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Rohre nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern in Form von Gestricken eingesetzt werden.11. Process for the production of fiber-reinforced pipes according to one of claims 1 to 8, characterized characterized in that the reinforcing fibers in the form of knitted fabrics. 12. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Rohre nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern in Form von Geweben, eingesetzt werden.12. Process for the production of fiber-reinforced pipes according to one of claims 1 to 8, characterized characterized in that the reinforcing fibers in the form of tissues. 13. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Rohre nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern in Form von Fasermatten eingesetzt werden.13. Process for the production of fiber-reinforced pipes according to one of claims 1 to 8, characterized characterized in that the reinforcing fibers in the form of fiber mats are used. 14. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Rohre nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern in Form von Gewirken eingesetzt werden.14. Process for the production of fiber-reinforced pipes according to one of claims 1 to 8, characterized characterized in that the reinforcing fibers in the form of knitted fabrics. 15. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Rohre nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern in Form von Geflechten eingesetzt werden.15. Process for the production of fiber-reinforced pipes according to one of claims 1 to 8, characterized characterized in that the reinforcing fibers in the form of braids.
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