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VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON STUETZELENTEN AUS VERSTAERKTEM CHEMISCHEN
WERKSTOFF UND NACH DEM VERFAHREN VERFAHREN HERGESTELLTES #TUETZ= ELEMENT Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Stützelementen aus verstärktem chemischem
Werkstoff, bei dem die Verstärkungen auf einem formstabilen, flexiblen oder durch
Druck auf Form gebrachten Formkern mit grossem I§ngen: Durchmesserunterschied schraubenartig
aufgebracht werden, sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Stützelemente
Bekannt ist das schrauben- oder andersartige Umwickeln eines schlauchförmigen oder
drahtartigen Körpers mit Textilien, oder das Ueberziehen eines solchen Körpers mit
einem Gewebeschlauch, z.B. in der Elektroindustrie zum Zwecke der Isolierung. Ausserdem
werden Stützelemente aus GFK als Sttitzkerne für GFK-Doppelschalen (Sandwichs) hergestellt,
indem ein mit Kunstharz getränkter Glasgewebesohlauch auf einem, durch Druck auf
Form gebrachten, gasdichten, flexiblen Schlauchkern in Form von Wicklungen über
einen festen Kern abgeformt wird. Hierbei hängt die Festigkeit solcher #tUtzelemente
vor allem von der Anzahl bzw.
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der Dichte der zum Gewebesohlauch geflochtenen Garne und Zwirne bzw.
ihrer Feinheit ab. Da die Zahl der beim Flechtvorgang benutzen Klöppel- nicht beliebig
erhöht werden kann, ist eine
Erhöhung der Festigkeit eines solchen
Stützelementes, insbesondere bei grösseren Durchmessern des Gewebeschlauches, begrenzt.
Das Uebereinanderziehen mehrerer Gewebeschläuche auf den schlauchartigen Formkern
ist nur im trockenen, ungetränkten Zustand möglich und erfordert einen ~mverhältnissinässig
hohen Arbeitsaufwand0 Beim Durchtränken dieser Schläuche gibt es durch den mehrlagigen
Aufbau Benetzungsprobleme und durch Falten und Verziehen nicht unerhebliche Verarbeitungsschwierigkeiten.
Anderseits verlangt die Auslegung besonders leichter und kleiner Stützelemente mit
geringem.
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Durchmesser in der praktischen Verarbeitung einen grossen Vorrat verschiedener
Gewebeschläuche. Die Stützelemente haben bei Verwendung von Gewebeschläuchen mit
grösseren Durchmessern eine zu geringe Festigkeit, und verwendet man Für sie eine
grössere Anzahl Gewebeschläuche mit kleineren Durchmessern, so werden die Stützelemente
für ihre Aufgabe schnell zu schwer.
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Per Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Stütz
elementen aus verstärktem chemischen Werkstoff, z.B. für die Kerne von Doppelachalen
oder von rohrartigen Formteilen mit grossem Längen: Durchmesserunterschied' unter
Vermeidung der oben erwähnten Nachteile durchzuführen z5 Die Aufgabe wird erfindungsgemäss
durch die folgenden Verfahren schritte gelöst: a) der Formkern wird unter Vorschub
mit unter Vorspannung stehenden Fasern, Fäden, Strängen, Matten-oder Gewebestreifen
umspult; b) der ohemisohe Werkstoff wird durch Vortränkung des Verstärkungßniatorial.
oder durch Benetzung des Fornikernes oder des Formpaketes
aufgebracht;
c) das Formpaket nach a) und b) wird vor seiner Aushärtung über einen weiteren,
formstabilen flexiblen oder aufblasbaren Formkern verformt.
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Durch die Vorspannung der Verstärkungsmaterialien ist ein Verrutschen
des Verstärkungsmaterials auf dem Formkern, selbst wenn er zur weiteren Abformung
oder aus anderem Grunde flexibel ist, auf ein Minimum beschränkt. Werden die Verstärkungsmaterialien
vor dieses Ummantelurig nicht mit Kunstharz getränkt, so kann die Tränkung oder
anderweitige Aufbringung des Harzes auch nach der Ummantelung erfolgen. Die schraubenartige
Ummantelung kann bei geringem Vorrichtungsaufwand den Formkern nur zum Teil, oder
völlig, oder überlappend, oder gleich-, oder gegenläufig mehrfach überdecken. Der
schraubenförmige Aufbau des Verstärkungsmaterials um die Längsachse des Formkernes
mit den zuvor aufgezählten Varian rnn hat den Vorteil, dass die jeweils erforderliche
Festigkeit des Stützelementes mit optimaler Gewichtsauslegung erreicht werden kann.
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Das erfindungagemässe Verfahren gestattet auch die Herstellung von
Stützelementen selbst und ihre Abformung über einen weiteren flexiblen oder festen
Formkern in einem Arbeitsgang, in dem auf die ~#hraubenförmige Umwicklung eines
schlauchartigen, flexiblen Formkernes und die Tränkung des Verstärkungsmaterials
mit Kunstharz direkt dessen Abwicklung über oder auf einen weiteren Formkern oder
in eine Forminulde und die Aushärtung mit oder ohne egenform erfolgt.
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Das nach dem geschilderten Verfahren hergestellte Stützelement, das
Je nach Aufbau des Formkernes nassiv oder im wesentlichen innenkörperlos ist, ist
dadurch gekennzeichnet, dass es eine schraubenförmige, aus Fasern, Fäden, Strängen,
Matten- oder Gewebestreifen bestehende Ummantelung (Stützung) aufweist, die es ganz,
überlappend, mehrfach gleich- oder gegenläufig, oder zum Teil umgibt und mit chemischem
Werkstoff durohtränkt ist.
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Die Herstellung des erfindungsgemässen Stützelementes wird nachstehend
in mehreren Varianten anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben, wobei aus
Zeichnung und Beschreibung auch noch weitere Merkmale des Stützelementes und seines
Herstellungsverfahrens hervorgehen. Die Fig. A, B und C zeigen drei Möglichkeiten
zur Herstellung eines als Sandwich verwendbaren Stützelementes, während die Fig.
D veranschaulicht, wie unter Verwendung solcher Stützelemente ein extrem steifes
doppelwandiges Rohr, das selbst ein Sandwichstützelement bilden kann, gefertigt
wird.
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In allen diesen Figuren ist 1 ein formstabiler, flexibler bzw.
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aufbiasbarer Formkern, der mit einem Laminat 2t bzw. zwei Laminaten
2" 2t nz.B. G1 n ebeband, umwickelt wird, die unter kontrollierter Vorspannung von
Spulen 2 abrollen. Diese Spulen 2 sind in entsprechender Schräglage auf Drehtellern
3 montiert, durch deren hohle Welle der Formkern 1 gefUhrt ist. In d er der Herstellungsvariante
nach Fig. A steht der Formkern 1 still, wrend sich der Drehteller 3 nicht nur um
den Formkern 1 dreht, sondern auch in Pfeilrichtung nach links bewegt. In den Herstellungsvarianten
nach den Fig. B und C führt der Drehteller 3 nur eine Drehbewegung aus, während
der
Formkern 1 samt seiner Bewicklung 2 sich in Pfeilrichtung nach rechts bewegt. In
beiden Fällen ergibt sich eine schraubenförmige Bewicklung des Formkerns 1. Das
Bewicklungsmaterial, nämlich Laminat 2', wird mittels einer Spritzdüse 4 mit Bettungsmasse,
z0B. Kunstharz, getränkt. Bei der Herstellungsvariante nach Fig. A erfolgt diese
Tränkung vor dem Aufbringen des Laminats 2' auf den Formkern 1 auf dem Wege von
der Spule 2 zum Formkern 1.
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In der Herstellungsvariante nach Fig. B besprUht die Spritzdüse 4
das bereits über den Formkern 1 gewickelte Laminat 2'.
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Bei der Herstellungsvariante nach Fig. C besprüht eine erste -Spritzdüse
4 den Formkern 1 vor der Bewicklung, so dass das Innenlaminat 2' auf die Bettungsmasse
gewickelt wird. Eine zweite Spritzdüse 4 besprüht dann das Innenlaminat 2 auch noch
von aussen und das Aussenlaminat 2" wird dann über das mit Bettungsmasse besprUhte
Innenlaminat gewickelt.
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Die Bewicklung erfolgt auf dreierlei Weise: Nach Fig. A ist der Vorschub
des Drehtellers 3 80 gross, dass die einzelnen Schraubengänge des Laminats 2' sich
nicht berühren oder gar überdecken. Nach Fig. B ist der Vorschub des Formkerns 1
so gering, dass die einzelnen Schraubengänge des Laminats 2' entweder mit ihren
Kanten zusammenstossen oder sich überlappen. Die Bewicklung nach Fig. a erfolgt
in gleicher#Weise wie die Bewicklung nach Fig. B, nur dass zwei Lagen Laminate 2,
2" gegenläufig übereinander gewickelt werden. Die Verdichtung zwischen dem Laminat
2 bzw 2lf und der Bettungsmasse wird bei den Herstellungsvarianten nach Fig. A und
Fig.0 durch den aus der Umspul-Vorspannung
resultierenden Anpressdruck
zwischen den Laminaten 2', 2'' mit eingelagerter Bettungsmasse und dem Formkern
1 bzw. dem Formpaket 1, 2' erzielt0 Ein vorsugsweise flexibler Abstreifer 5 sorgt
im Herstellungsverfahren nach Fig. B für eine Verdichtung zwischen dem Laminat 2'
und der Bettungsmasse sowie für ein Abstreifen der übersohüssigen Bettungsmasse.
Wird auch bei der Herstellungs variante nach Fig. A zusätzlich ein Abstreifer verwendet,
so muss sich dieser mit der gleichen Geschwindigkeit nach links bewegen mit der
der Drehteller 3 über den stillstehenden Formkern 1 gleit Bei den Herstellungsvarianten
nach Fig B,und gegebenenfalls nadi Fig C, hingegen ist der Abstreifer 5 stillstehend
und der umwickelte Formkern 1 gleitet durch ihn hindurch.
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Die Festigkeit der auf die geschilderte Weise hergestellten Stützelemente
ist einerseits durch die Dichte der Bewicklung, anderseits durch die Art und Festigkeit
des Laminats und des Verstärkungsmaterials und schliesslich durch den Grad der Verdichtung
zwischen Verstärkungsmaterial und Bettungsmasse bestimmt, der wieder Funktion der
Umspulvorspannung ist.
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Zur Herstellung des in Fig. D gezeigten doppelwandigen Stützelementes
wird ein grosser Formkern 6 verwendet, der einen Vorschub in Richtung des Pfeiles
1 und eine Drehbewegung in Richtung des Pfeiles Y erhilt. Sine Spritzdüse 4 besprüht
die Oberfläche des Formkerns 6, bevor dieser zunäohst mit einem-Innenlaminat 8'
das 8 ton einer feststehenden Spulejabrollt und dessen Ränder sich über lappen,
bewickelt wird. Als zweite Bewicklungeschicht folgen zwei
Stützelemente
9 und 10, die in gleicher Weise hergestellt werden, wie es Fig. C zeigt, jedoch
ohne zweite Bewicklung. Die spiralige Aufwicklung dieser beiden Stützelemente 9
und 10 wird durch die Drehung und den Vorschub des grossen Forzkernes 6 bewirkt.
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Die Bewicklung mit den beiden Stützelementen 9, 10 erfolgt bei diesem
Ausführungsbeispiel in gleicher Richtung wie die Bewicklung mit dem Innenlaminat
8' und durch entsprechende Anordnung der Zuführung logen sich die beiden Stützelemente
9, 10 in zueinander parallelen Windungen um den mit dem Innenlaminat 8' bewickelten
Formkern 6.
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Als letzte Umwicklung folgt ein als Verstärkungsmaterial dienendes
Aussenlaminat 7', das von der Spule 7 abrollt und ebenfalls gleich läufig auf den
bewickelten Formkern 6 aufgewickelt wird, wobei sich die Ränder des Aussenlaminats
7' überdecken. Eine zwischen des Spule 7 und dem bewickelten Formkern 6 angeordnete
Spritzdüse 4 tränkt das Aussenlaminat 71, bevor es aufgewickelt wird. Das fertige
Produkt ist, wie insbesondere an der Aufbruchstelle der Fig. D ersichtlich, ein
extrem steifes mehrwandiges Rohr.
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Selbstverständlich kann die Art und die Anzahl der Bewicklungen je
nach den Anforderungen und der gewünschten Festigkeit beliebig variiert werden.
So ist es denkbar, für das Innen- oder Aussenlaminat auch Je zwei oder mehrere parallel
oder gegenläufig aufgewickelte Innen- oder Aussenlamiante zu verwenden. Auch die
Anzahl der Stützelemente 9,10, die zur Bewicklung des grossen Formkernes 6 verwendet
werden, kann nach Wunsch und Verwendungszweck
kleiner oder grösser
sein, als im dargestellten Beispiel.
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Das in Fig. D gezeigte, mehrfach ummantelte Rohr stellt im ausgehärteten
Zustand ein Fertigprodukt dar. Wenn jedoch der Formkern 6 aus flexiblem Werkstoff
oder aus flexiblen und aufblasbaren Werkstoffen gefertigt ist, so kann das ganze
mehrwandige Rohr vor seiner Aushärtung erneut über einen weiteren Formkern gewickelt
werden Es wird dann selbst ein Sandwichstützelement, das trotz geringem Gewicht
auch bei grossem Durchmesser eine überaus hohe Druckfestigkeit aufweist. Für diese
Anwendungsvariante ist es unter Umständen auch denkbar, auf das Aussenlaminat 7'
zu verzichten.
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Innenkörperlose Sandwichstützkerne können nach ihrer Abformung und
Aushärtung als Strömungskanäle für flüssige oder gasförmige Medien, z.B1 in Heizungs-
oder Ellanlagen Verwendung finden. Für derartige Kanäle werden kreisförmige Querschnitte
bevorzugt, da auch bei hohen Innendrücken keine Kräfte auf die begrenzenden Deckschichten
übertragen werden, wie dies z.B. bei rechteckigen oder quadratischen Kanälen der
Fall ist. Werden einwandige Stützelemente nach den Fig, A bis C zum Aufbau eines
Sandwichs mit ideal rundem Querschnitt verwendet, wie dies bei dem als ausgehärtetes
Fertigteil gedachten Rohr nach Fig. D vorgesehen ist, so sind die einzelnen Stützelemente,
zumindest theoretisch, nur linienförmig untereinander und mit den Deckschichten
verklebt, was eine geringe Schubfestigkeit zur Folge hat. Wird ein Stützelement
gegen eine Innen- oder Aussenform abgeformt, so kann in der Praxis, auf Grund der
Fertigungstoleranzen für die Formen bei einem runden Querschnitt des Stützkernes
und bei gleichzeitiger
linienförmiger Verklebwlg mit den Deckschichten
einerseits und der Stützkerne untereinander andererseits, für ein Grossbauteil keine
Festigkeitsgarantie übernommen werden, da an einigen Stellen Stützkerne zusammengedrückt
werden und an anderen Stellen eine unkontrollierte Verklebung mit den Begrenzungsflächen
herrscht.
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Bei einem in sich als Sandwich aufgebauten Stützelement nach Fig.
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D, gegebenenfalls auch unter Verzicht auf das Aussenlaminat 7' können
jedoch die Drücke in den Formkernen 6 und 1 derart unterschiedlich gewählt werden,
dass beim Abformvorgang der Formkern 6 seine ideal kreisrunde Form beibehält, die
Formkern 1 dagegen, gewollt oder als-Folge der Formtoleranzen, teilweise einen quadratischen
oder rechteckigen Querschnitt erhalten, wodurch die Beruhrungsstellen flächig werden.
Dies ergibt einen SchubverbunA der Stützelemente untereinander und mit den Deckschichten,
der sowohl in der Achsrichtung des Formkern 6 als auch quer zu dies ei, unter Berücksichtigung
der Wickelsteigung der Stützelemente 9, 10, kontrollierbar ist.