DE102015105830B4 - Verfahren zum Herstellen eines Druckrohrs aus einem Faserverbund-Werkstoff - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Druckrohrs aus einem Faserverbund-Werkstoff Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Druckrohrs (1) aus einem Faserverbund-Werkstoff, bei dem
- ein Rohr (2) mit einem Liner (3) und einer auf dem Liner (3) außenseitig angeordneten Verstärkungshülle (4) aus einem Faserverbund-Werkstoff hergestellt wird und
- an dem Rohr (2) endseitig ein Bundelement (5) aus Metall angeordnet wird, wobei beim Herstellen des Liners (3) im Wickelverfahren auf einen Wickelkern (6) eine Lage (7) aus thermoplastischem Material, die frei von einer Faserverstärkung ist, und eine faserverstärkte Lage (9) aus thermoplastischem Material umfangsgewickelt werden und das thermoplastische Material der Lage (7) und / oder das thermoplastische Material der faserverstärkten Lage (9) beim Wickeln erwärmt werden, bis hin zum teilweisen Aufschmelzen, und nach dem Wickeln auf dem Wickelkern (6) abgekühlt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Druckrohrs aus einem Faserverbund-Werkstoff.
  • Hintergrund
  • Ein derartiges Druckrohr ist aus dem Dokument EP 1 627 176 B1 bekannt. Das Druckrohr verfügt über ein Rohr mit Innenrohr (Liner), auf welches außenseitig eine Verstärkungshülle aus Faserverbund-Werkstoff aufgebracht ist. Endseitig ist an dem Rohr ein Bundelement aus Metall angeordnet. Das Bundelement weist auf der dem Rohr zugewandten Seite einen umlaufenden Ringansatz auf, bei dem auf einer Außenseite eine gewellte Oberfläche mit Wellenbergen und Wellentälern gebildet ist. Die Verstärkungshülle überdeckt die gewellte Oberfläche.
  • Ein Verfahren zum Herstellen eines Rohrbauteils aus faserverstärktem Kunststoff ist im Dokument EP 2 189 274 A1 beschrieben.
  • Ein Druckrohr mit Bundelement ist weiterhin in Dokument WO 2011/053141 A1 wie auch im Dokument WO 03 / 050380 A1 offenbart.
  • Aus den Druckschriften WO 95 / 04 646 A1 sowie DE 10 2011 105 995 A1 sind Verfahren zum Herstellen eines Auskleidungsschlauchs bekannt, bei dem im Rahmen der Herstellung auf einen Wickelkern Materiallagen mit und ohne Fasern aufgewickelt werden, um einen Schlauch herzustellen. Im Weiteren wird der Schlauch mittels Einbringen eines Fluids aufgeblasen oder aufgeweitet, um im geweiteten Zustand auszuhärten.
  • Auch das Das Dokument DE 10 2013 111 094 A1 betrifft einen Auskleidungsschlauch für ein fluidführendes Leitungssystem.
  • Im Dokument DE 1 932 448 U ist ein druckfestes Rohr aus thermoplastischem Kunststoff beschrieben, bei dem auf einem Liner ein endseitiges Bundelement sowie eine Verstärkungshülle angeordnet sind.
  • Zusammenfassung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Druckrohrs aus einem Faserverbund-Werkstoff anzugeben, welches das Herstellen des Druckrohrs mit verbesserten Nutzungseigenschaften ermöglicht.
  • Zur Lösung der Aufgabe ist ein Verfahren zum Herstellen eines Druckrohrs aus einem Faserverbund-Werkstoff nach dem unabhängigen Anspruch 1 geschaffen. Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
  • Nach einem Aspekt ist ein Verfahren zum Herstellen eines Druckrohrs aus einem Faserverbund-Werkstoff geschaffen, bei dem ein Rohr mit einem Liner (Innenrohr) und einer auf dem Liner außenseitig angeordnete Verstärkungshülle aus einem Faserverbund-Werkstoff hergestellt werden. An dem Rohr wird endseitig ein Bundelement aus Metall angeordnet. Beim Herstellen des Liners im Wickelverfahren werden auf einen Wickelkern eine Lage aus thermoplastischem Material, die frei von einer Faserverstärkung ist, und eine faserverstärkte Lage aus thermoplastischem Material umfangsgewickelt. Das thermoplastische Material der Lage und / oder das thermoplastischen Material der faserverstärkten Lage werden beim Wickeln erwärmt, bis hin zum teilweisen Aufschmelzen, und nach dem Wickeln abgekühlt.
  • Das thermoplastische Material der Lage und das thermoplastische Material der faserverstärkten Lage können aus gleichen oder unterschiedlichen Thermoplasten bestehen. Bei dem Verfahren wird ein thermoplastischer Liner hergestellt, welcher ein ein- oder mehrschichtiges Innenrohr bildet. Die hierauf angeordnete Verstärkungshülle kann als geschlossene Verstärkungshülle ausgebildet werden. Die Verstärkungshülle kann stoffschlüssig auf dem Liner angeordnet werden.
  • Die Lage aus thermoplastischem Material, welche frei von einer Faserverstärkung ist, kann kalt gewickelt werden, also ohne Erwärmen oder Heizen, zum Beispiel bei Raumtemperatur. Bei dieser oder anderen Ausgestaltungen kann das thermoplastische Material als Band umfangsgewickelt werden, vorzugsweise Stoß an Stoß. Zum Beispiel kann ein Thermoplast-Tape verwendet werden, welches zumindest frei von einer Faserverstärkung.
  • Beim Herstellen des Liners können beim Wickeln des faserverstärkungsfreien thermoplastischen Materials ein oder mehrere Lagen mit Fasern eingewickelt werden, bei denen die Fasern in axialer Richtung orientiert sind. Es können Fasergelege, Faserbündel oder Einzelfasern verwendet werden.
  • Das Druckrohr kann als Hydraulikzylinder, Abschnitt einer Förderleitung oder Druckspeicher hergestellt werden. Bei dieser oder anderen Ausführungsformen kann das Bundelement aus Metall als Flansch ausgebildet sein, welcher zumindest abschnittsweise ein Innen- und / oder ein Außengewinde aufweisen kann.
  • Das Bundelement kann auf einer dem Liner zugewandten Seite einen Ringansatz mit einer radial umlaufenden gewellten Außenfläche mit Wellentälern und Wellenbergen aufweisen, wobei die Verstärkungshülle die gewellte Außenfläche wenigstens teilweise formschlüssig überdeckend gebildet wird. Die Wellenberge können zum distalen Ende des Ringansatzes hin mit abnehmender Höhe gebildet sein. Die Wellentäler und die Wellenberge können einer gerundeten Wellenform (Sinuswelle) entsprechend ausgeführt sein. Die Verstärkungshülle aus Faserverbund-Werkstoff kann sich auf dem Ringansatz bis in einen Bereich erstrecken, in welchem der Liner nicht mehr mit dem Bundelement überlappt.
  • Wenigstens teilweise überlappend kann mit der gewellten Außenfläche am Ringansatz auf der Verstärkungshülle eine Sicherungshülle hergestellt werden, mit der Fasern des Faserverbund-Werkstoffs der Verstärkungshülle in die Wellentäler der gewellten Außenfläche gedrückt werden. Die Sicherungshülle unterstützt die Stabilität der Verbindung zwischen Rohr und Bundelement. Der aufgrund des Herstellens der Sicherungshülle stattfindende Materialauftrag kann im Bereich der Wellentäler und dem Bereich der Wellenberge unterschiedlich sein, bis hin zum Ausbilden einer nicht mehr gewählten Oberfläche auf der Außenseite der Sicherungshülle. Die Sicherungshülle kann radial umlaufend als geschlossene Hülle hergestellt werden.
  • Die Sicherungshülle kann aus einem thermoplastischen Material hergestellt werden. Das thermoplastische Material der Sicherungshülle kann im Vergleich zum thermoplastischen Material der Lage und / oder dem thermoplastischen Material der faserverstärkten Lage gleich oder verschieden sein.
  • Das Herstellen der Sicherungshülle kann im Wickelverfahren ausgeführt werden. Hierbei kann ein Thermoplast-Tape verwendet werden.
  • Das thermoplastische Material der Sicherungshülle kann beim Auftragen erwärmt werden. Das Erwärmen, was zum Beispiel mit einer äußeren Heizquelle ausführbar ist, kann dazu führen, dass das thermoplastische Material der Sicherungshülle mit dem thermoplastischen Material des Rohres, insbesondere der Verstärkungshülle verschmilzt. Es kann ein Heißwickeln beim Herstellen der Sicherungshülle vorgesehen sein.
  • Fasern des Faserverbund-Werkstoffs der Verstärkungshülle können mittels eines Druckwerkzeugs in die Wellentäler der gewellten Außenfläche gedrückt werden. Als Druckwerkzeug kann zum Beispiel eine Druckzange verwendet werden, die wahlweise erwärmt werden kann. Das Anwenden des Druckwerkzeugs kann vor und / oder nach dem Herstellen der Sicherungshülle vorgesehen sein.
  • Die Wellentäler der gewellten Außenfläche können mit einer oder mehreren Umfangslagen von Fasern aufgefüllt werden. In den Umfangslagen sind die Fasern entlang des Umfangs orientiert. Umfangslagen können vor und / oder beim Ausbilden der Verstärkungshülle aufgetragen werden. Es kann ein Heißwickeln vorgesehen sein. Ein Thermoplast-Tape ist verwendbar.
  • Beim Herstellen der Verstärkungshülle aus dem Faserverbund-Werkstoff können ein oder mehrere Lagen von Fasern aufgetragen werden, die in Bezug auf den Liner axial orientiert sind. Die im thermoplastischen Material aufgenommenen Fasern können zum Beispiel unter Verwendung von Thermoplast-Tape aufgebracht werden, welches selbst faserverstärkt sein kann.
  • Vor dem Anordnen des Bundelements an dem Liner kann ein Bundelementsitz hergestellt werden. Der Bundelementsitz kann mit Hilfe oberflächenseitigem Materialabtrag auf der Außenseite des Liners hergestellt werden, zum Beispiel mittels Fräsen. Das Bundelement kann formschlüssig in dem Bundelement Sitz angeordnet werden, zum Beispiel mittels Aufsetzen oder Aufschrumpfen.
  • Figurenliste
  • Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung zum Herstellen einer Lage aus thermoplastischem Material für einen Liner im Wickelverfahren,
    • 2 eine schematische Darstellung zum Herstellen einer faserverstärkten Lage aus thermoplastischen Material für den Liner im Wickelverfahren,
    • 3 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem Wickelkern, welcher aus dem mittels Wickelverfahren hergestellten Liner entfernt wird,
    • 4 eine schematische Darstellung zum Herstellen eines Bundelementsitzes an dem Liner,
    • 5 eine schematische Darstellung zum Anordnen des Bundelements an dem Liner,
    • 6 eine schematische Darstellung zum Herstellen einer Verstärkungshülle aus einem Faserverbund-Werkstoff,
    • 7 eine schematische Darstellung eines Druckrohrs im Querschnitt, bei dem eine Sicherungshülle ausgebildet ist,
    • 8 eine schematische Darstellung der Anordnung aus 7, wobei das Bundelement für einen Anwendungszweck hergerichtet ist, und
    • 9 eine schematische Darstellung eines Druckrohrs mit einer weiteren Ausgestaltung des Bundelements, insbesondere in einer Ausgestaltung für die Verwendung bei einem Hydraulikzylinder.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 ein Verfahren zum Herstellen eines Druckrohrs 1 beschrieben, bei dem ein Rohr 2 mit einem Liner (Innenrohr) 3 sowie einer Verstärkungshülle 4 gebildet ist. Endseitig ist an dem Rohr 2 ein Bundelement 5 angeordnet.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung in Verbindung mit Herstellen des Liners 3 im Wickelverfahren. Auf einen Wickelkern 6 wird eine Lage 7 aus thermoplastischem Material aufgetragen, indem bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Thermoplast-Tape 8 Stoß an Stoß auf dem Wickelkern 6 aufgewickelt wird, beispielsweise mittels Kaltwickeln. Die Lage 7 ist frei von einer Faserverstärkung.
  • Gemäß 2 wird dann auf die Lage 7 eine faserverstärkte Lage 9 aufgebracht, indem ein faserverstärktes thermoplastisches Material 10 aufgewickelt wird, welches im gezeigten Beispiel ein faserverstärktes Thermoplast-Tape ist. Hierbei wird das faserverstärkte thermoplastische Material 10 mit Hilfe einer Heizquelle 11 erwärmt, derart, dass das thermoplastische Material der Lage 7 sowie das thermoplastische Material der faserverstärkten Lage 9 wenigstens teilweise miteinander verschmelzen.
  • In den 1 und 2 ist in der oberen Darstellung jeweils noch ein Schnittbild gezeigt.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung zu einem Verfahrensschritt, bei dem der Wickelkern 6 aus dem Rohr 2 entfernt wird, nachdem das thermoplastische Material abgekühlt ist. Gemäß 4 wird an dem Rohr 2 ein Bundelementsitz 12 mittels oberflächigen Materialabtrags hergestellt, zum Beispiel mittels Fräsen. Die Reihenfolge der in den 3 und 4 dargestellten Verfahrensschritte kann auch vertauscht sein.
  • Nach der schematischen Darstellung in 5 wird im Bereich des Bundelementsitzes 12 das Bundelement 5 aus Metall auf das Rohr 2 aufgesetzt, wahlweise aufgeschrumpft unter Beteiligung einer hierfür nutzbaren Heizquelle 13.
  • Im Weiteren wird gemäß 6 die Verstärkungshülle 4 hergestellt, indem Lagen 14 aus thermoplastischem Material mit Faserverstärkung aufgebracht werden bis in den Bereich eines Ringansatzes 15 des Bundelements 5 hinein. Hierbei können ein Bandmaterial aus thermoplastischem Material mit hierin eingebetteten Fasern oder eine Kombination von Lagen thermoplastischen Materials mit zwischengelegten Fasern verwendet werden. Fasern sind bevorzugt axial in Bezug auf das Rohr 2 orientiert. Ein Druckelement 16 kann genutzt werden, zum Beispiel ein Stempel, um die Materiallagen anzudrücken. Bei der dargestellten Ausführungsform dient eine weitere Heizquelle 17, beispielweise ein Laser, zum Erwärmen des thermoplastischen Materials beim Auftragen.
  • Gemäß 6 wird die Verstärkungshülle an dem Bundelement 13 im Bereich einer gewellten Oberfläche 18 des Ringansatzes 15 hergestellt. Die gewellte Oberfläche 18 weist Wellenberge 18a und Wellentäler 18b auf (vgl. 5). Die Verstärkungshülle 4 legt sich formschlüssig hieran an.
  • Gemäß 7 wird dann eine Sicherungshülle 19 hergestellt, die als eine Bandage ausgeführt sein kann und mittels der die Fasern des faserverstärkten thermoplastischen Materials in die Wellentäler 18b (zusätzlich) eingedrückt werden. Vor und / oder nach dem Herstellen der Sicherungshülle 19 können die Fasern des thermoplastischen Materials mit Hilfe eines Zangenwerkzeugs (nicht dargestellt) in die Wellentäler 18b gedrückt werden, wobei ein Erwärmen vorgesehen sein kann, beispielsweise mittels geheiztem Zangenwerkzeug.
  • 8 zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele für die Ausbildung des Bundelements 5. In der oberen Darstellung ist das Bundelement 5 als ein Flansch ausgeführt. In der mittleren Darstellung wird das Bundeelement 5 mittels einer Schraube 19 mit einem weiteren Rohrstück 20 verbunden.
  • 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Druckrohrs 1 mit einer weiteren Ausgestaltung des Bundelements 5, insbesondere in einer Ausgestaltung für die Verwendung bei einem Hydraulikzylinder. Hierbei ist das Bundelement 5 zur Aufnahme zumindest eines Zylinderbodens 30 ausgestaltet, zum Beispiel mittels eines Innengewindes. In der gezeigten Ausführung eine Fläche 31 zur Aufnahme eines Dichtelementes 32 vorgesehen, beispielweise eines O-Ringes. Diese Ausgestaltung ist optional. Weiterhin ist zumindest das Bundelement 5 zur Aufnahme eines Hydraulikanschlusses 33 vorbereitet, zum Beispiel mittels einer radialen Bohrung mit Innengewinde. Alternativ kann der Zylinderboden 30 zur Aufnahme eines Hydraulikanschlusses ausgebildet sein. Hierdurch kann ein Zylinderrohr für einen einseitig oder beidseitig wirkenden Hydraulikzylinder gebildet werden.
  • Das so gebildete Hydraulikzylinderrohr nimmt einen Kolben 34 mit Kolbenstange 35 auf, der zum Liner 3 hin abgedichtet sein kann und gegenüber dem Liner 3 axial verschiebbar ist. Am Kolben 34 kann einseitig oder beidseitig die Kolbenstange 35 angebracht oder einstückig mit diesem gebildet sein. Zumindest die Kolbenstange 35 verläuft durch eine Öffnung 36 in dem ihr zugeordneten Zylinderboden 30, kann zu diesem hin abgedichtet sein und ist in diesem axial verschiebbar gelagert. Hierdurch kann ein Hydraulikzylinder als Differenzial- oder Gleichgangzylinder gebildet sein.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Druckrohrs (1) aus einem Faserverbund-Werkstoff, bei dem - ein Rohr (2) mit einem Liner (3) und einer auf dem Liner (3) außenseitig angeordneten Verstärkungshülle (4) aus einem Faserverbund-Werkstoff hergestellt wird und - an dem Rohr (2) endseitig ein Bundelement (5) aus Metall angeordnet wird, wobei beim Herstellen des Liners (3) im Wickelverfahren auf einen Wickelkern (6) eine Lage (7) aus thermoplastischem Material, die frei von einer Faserverstärkung ist, und eine faserverstärkte Lage (9) aus thermoplastischem Material umfangsgewickelt werden und das thermoplastische Material der Lage (7) und / oder das thermoplastische Material der faserverstärkten Lage (9) beim Wickeln erwärmt werden, bis hin zum teilweisen Aufschmelzen, und nach dem Wickeln auf dem Wickelkern (6) abgekühlt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bundelement (5) auf einer dem Liner (3) zugewandten Seite einen Ringansatz (15) mit einer radial umlaufenden gewellten Außenfläche (18) mit Wellentälern (18b) und Wellenbergen (18a) aufweist, wobei die Verstärkungshülle (4) die gewellte Außenfläche (18) wenigstens teilweise formschlüssig überdeckend gebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens teilweise überlappend mit der gewellten Außenfläche (18) am Ringansatz (15) auf der Verstärkungshülle (4) eine Sicherungshülle (19) hergestellt wird, mit der Fasern des Faserverbund-Werkstoffs der Verstärkungshülle (4) in die Wellentäler (18b) der gewellten Außenfläche (18) gedrückt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungshülle (19) aus einem thermoplastischen Material hergestellt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material der Sicherungshülle (19) beim Auftragen erwärmt wird.
  6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern des Faserverbund-Werkstoffs der Verstärkungshülle (4) mittels eines Druckwerkzeugs in die Wellentäler (18b) der gewellten Außenfläche (18) gedrückt werden.
  7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellentäler (18b) der gewellten Außenfläche (18) mit einer oder mehreren Umfangslagen von Fasern aufgefüllt werden.
  8. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herstellen der Verstärkungshülle (4) aus dem Faserverbund-Werkstoff ein oder mehrere Lagen von Fasern aufgetragen werden, die in Bezug auf den Liner (3) axial orientiert sind.
  9. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Anordnen des Bundelementes (5) an dem Liner (3) ein Bundelementsitz (12) hergestellt wird.
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