DE19512525C1

DE19512525C1 - Rohrförmiges Bauteil oder Hohlprofil mit besonderen Festigkeitseigenschaften bei geringem Gewicht und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE19512525C1
Application number: DE1995112525
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Groeschl; Gregor Twardawa
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1995-04-06
Filing date: 1995-04-06
Publication date: 1996-04-11
Anticipated expiration: 2015-04-07

Description

Die Erfindung betrifft ein rohrförmiges Bauteil oder Hohlprofil mit besonderen Festigkeitseigenschaften bei geringem Gewicht.

Zum Stand der Technik gehörende Rohre aus Stahl oder Leichtmetall sind für zahlreiche Anwendungsfälle, bei denen neben hoher Festigkeit ein geringes Gewicht verlangt wird, zu schwer.

Zur Reduzierung des Gewichts wurden Bauteile aus faserverstärkten Kunst stoffen hergestellt, wobei sich jedoch der Rohrmantel im Hinblick auf Schlag schutz, Berstschutz, Brandschutz und Bearbeitbarkeit seiner Oberfläche (Schweißen, Kleben, Lackieren, Eloxieren) als ungeeignet oder problema tisch erwies.

Aus der US 4,907,624 ist ein rohrförmiges Bauteil mit einer inneren Folie, einer wärmeaushärtbaren Schicht sowie einer äußeren Folie bekannt. Im nicht ausgehärteten Zustand der Schicht, die von einem geflochtenen Faser netzwerk umgeben sein kann, bildet das Bauteil einen flexiblen, formbaren Schlauch, der nach Aushärtung der Schicht seine endgültige Form erhält.

Die DE-G-87 09 557.2 beschreibt eine biegsame Rohrleitung aus einem Kunststoffinnenrohr und einem äußeren Metallgliederschlauch. Dabei ist ein radialer Abstand zwischen dem Außendruckmesser des Innenrohrs und dem Innendurchmesser des Außenrohrs vorgesehen, um eine Dehnung des In nenrohrs zu gestatten.

Aus der DE 38 06 593 C2 ist eine Rohrleitung für ein Triebwerk bekannt. Die Wandung besteht aus einer Innen- und einer Außenschicht aus faserver stärktem ausgehärteten Material, wobei zwischen Innen- und Außenschicht eine gasdichte, hochtemperaturfeste Metall-Folie angeordnet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gerade oder gekrümmte Rohre zu fertigen, die bei geringem Gewicht eine hohe Festigkeit bei gleichzeitigem Schutz und Bearbeitbarkeit der Oberfläche aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die wei teren Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils.

Das erfindungsgemäße rohrförmige Bauteil besteht aus einem nichtmetalli schen Faserverbundmaterial und umfaßt zusätzlich einen flexiblen Glieder schlauch als Innenmantel oder Außenmantel, wobei der Gliederschlauch mit dem Faserverbundmaterial formschlüssig und kraftschlüssig verbunden ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform umfaßt das erfindungsgemäße rohrför mige Bauteil aus nichtmetallischem Faserverbundmaterial einen Außenman tel aus einem flexiblen Gliederschlauch, der mit dem Faserverbundmaterial formschlüssig und kraftschlüssig verbunden ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfaßt das erfindungsgemä ße rohrförmige Bauteil aus nichtmetallischem Faserverbundmaterial einen In nenmantel aus einem flexiblen Gliederschlauch, der mit dem Faserverbund material formschlüssig und kraftschlüssig verbunden ist.

Bevorzugte Materialien für den Gliederschlauch sind Metalle wie z. B. Stahl, Messing, Aluminium sowie Kunststoffe wie z. B. Polyamid, Polyetherimid, Poly ethersulfon, Polyetheretherketon.

Die erfindungsgemäßen, mit CFK versteiften Rohre weisen bei geringem Ge wicht eine hohe Steifigkeit und einen hohen E-Modul auf. Die Vorteile von Metall- oder Kunststoff-Flächen (Beschichtung, Anbindung u. a.) müssen bei dieser Bauweise nicht aufgegeben werden, denn der erfindungsgemäß vor gesehene Mantel innen oder außen bildet eine Schutzschicht gegen Einflüs se auf die Wandung des Bauteils.

Die erfindungsgemäßen Rohre sind als Kombination der Werkstoffe Metall/Fa serverbund bzw. Kunststoff/Faserverbund auf den besonderen Anwendungs fall optimierbar, zum Beispiel als:

- Hochsteife Rohre für Tragwerke,
- Verbindungsstücke (Krümmer),
- Handlingsgeräte (Transporteinrichtungen), insbesondere für Pressenstra ßen,
- Verstärkte Profile ganz allgemein.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Rohre oder Profile ist darü be hinaus die Tatsache, daß beliebige dreidimensionale Konturen geschaffen werden können. Durch die Flexibilität des Gliederschlauchs (wenn hier von der Flexibilität des Gliederschlauchs die Rede ist, so ist damit immer dessen Eigenschaft vor dem Aushärten des Faserverbundmaterials gemeint, nach der Aushärtung des Faserverbundmaterials sind die erfindungsgemäßen Bauteile einschließlich des Gliederschlauchs steif und unbeweglich) kann das Bauteil vor dem Aushärten des Faserverbundmaterials frei und nach vorgegebener Kontur geformt werden. Durch die sich anschließende Aushärtung des Ver bundmaterials erhält das Bauteil seine endgültige Form.

Auf diese Weise können z. B. sehr leichte Rohrelemente (mit rundem oder rechteckigem Querschnitt) mit sehr dünnem, metallischem Innen- oder Außen mantel in einem Arbeitsgang unter Zuhilfenahme von einfachen Hilfswerkzeu gen zu komplexen, leichten Tragstrukturen während des Fertigungsvorgangs geformt werden.

Durch die Erfindung ist es möglich, Bauteile, die bisher aus mehreren, geradli nige oder nur schwach gekrümmten Rohren aufgebaut sind, durch ein einzi ges, komplex geformtes erfindungsgemäßes Bauteil zu ersetzen. Dadurch werden integrale, kostengünstige Bauteile ermöglicht, da insbesondere die bisher notwendigen Verbindungselemente zwischen den einzelnen Rohren wegfallen können.

Rohre mit metallischem Außenmantel eignen sich z. B. als Rohrkrümmer, die bei sehr geringem Gewicht eine sehr hoher Steifigkeit aufweisen, bei gleich zeitiger Beibehaltung einer für viele Anwendungen notwendigen Metallau ßenfläche.

In einer vorteilhaften Ausführung umfaßt das erfindungsgemäße Bauteil mit dem Gliederschlauch als Außenmantel zusätzlich einen Innenmantel aus ei nem thermoplastischen Material. Diese Ausführung eignet sich insbesondere als leichtes Hochdruckrohr.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Bauteils mit in teilweiser Schnittdarstellung,

Fig. 2 und 3 den Zuschnitt eines Prepregs,

Fig. 4 das Herstellen eines Prepregbands,

Fig. 5 bis 7 verschiedene Schritte zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils,

Fig. 8 ein erfindungsgemäßes Bauteil.

Der Aufbau eines erfindungsgemäßen faserverstärkten, rohrförmigen Bauteils mit einem Gliederschlauch als Außenmantel ist in Fig. 1 dargestellt. Das Rohr 1 (Rohrachse 3) besteht aus einem meist relativ dünnwandigen, vornehmlich metallischen Gliederschlauch 2 (zylindrisch oder auch gekrümmt) als Außen mantel, einer innerhalb des Gliederschlauchs 2 angeordneten Faserverstär kung 4, die Steifigkeit und Festigkeit erzeugt und einem Innenmantel 6 (z. B. Thermoplast oder Folie), der gegebenenfalls auch entfallen kann.

Der Gliederschlauch 2 besteht aus ineinandergreifenden und gegeneinander beweglichen Gliedern 2a, die in dieser Ausführung eckig geformt sind. Darü berhinaus sind aber auch beliebige ander Formen möglich, z. B. rund, oval. In einer bevorzugten Ausführung besteht der Gliederschlauch 2 aus einem einzelnen, endlosen Profilstrang, der spiralförmig (vergleichbar einer Spiralfe der) gewickelt ist. Dabei bilden die jeweils aneinanderliegenden Abschnitte des Profilstrangs die einzelnen Glieder. Die in Fig. 1 dargestellten Glieder 2a, die in dieser Schnittzeichnung als einzelne Elemente erscheinen, sind in Wirklichkeit also verschiedene Abschnitte desselben, spiralförmig gewickelten Profilstrangs.

Darüber hinaus können die Glieder aber auch einzelne, getrennte, also in der Regel ringförmige Elementen sein.

Wie in der Fig. 1 zu erkennen, sind die Glieder im linken und rechten Bereich des Gliederschlauchs 2 derart zueinander angeordnet, daß sie eine mäander förmige Linie bilden. Hier ist der Gliederschlauch 2 maximal auseinanderge zogen. Im mittleren Bereich dagegen ist der Gliederschlauch maximal ge staucht, so daß die horizontalen Bereiche zweier benachbarter Glieder über einander geschoben sind. Durch solche unterschiedlichen Bereiche innerhalb des Gliederschlauchs können die Eigenschaften des gesamten Bauteils ge zielt eingestellt werden. So wird man z. B. die gestauchten Bereiche vorteilhaft an Stellen verwenden, die einer hoher mechanischer Belastung ausgesetzt sind.

Die Faser-Verstärkung 4 ist in der Regel aus mehreren Schichten aufgebaut, deren Faserorientierung und Faserart auslegungsbedingt im wesentlichen die Eigenschaften des Produktes festlegt. Hohe Steifigkeit in Längsrichtung wird z. B durch eine in Längsrichtung orientierte, unidirektionale CFK-Verstärkung unter Verwendung einer Hochmodul-C-Faser erreicht. Torsionsfestigkeit wird durch das Einbringen von möglichst vielen Umfangs lagen erzeugt.

Nachfolgend werden die verschiedenen Schritte der Herstellung des erfin dungsgemäßen Gegenstands, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, (d. h. mit einem Gliederschlauch als Außenmantel) näher erläutert:

Fig. 2 "Herstellen von Prepreg-Zuschnitten":

X bezeichnet die Lieferbreite des Prepregs 8 für den unidirektionalen Aufbau;
Y entspricht ungefähr der Rohrlänge. Sind andere Faserorientierungen ent sprechend der Auslegung notwendig, so müssen entsprechend Fig. 3 die Prepregbahnen 10 im definierten Winkel geschnitten werden.

Fig. 4 "Herstellen einer Prepreg-Bahn":

Die einzelnen Prepregzuschnitte 8 werden zu einer langen Bahn 12 zusam mengeklebt oder gelegt. Die nötige Länge der Bahn 12 aus Lagen breiten wird über den Umfang des späteren Rohres und der Einzellagendicke be rechnet.

Fig. 5 "Aufwickeln der Prepreg-Bahn zu einem Prepreg-Rohr":

Entsprechend Fig. 5 wird die Prepreg-Bahn 12 vom Stapel 14 weg auf einen Dorn 16 gewickelt. Dabei läuft eine kleine Walze 18 mit und drückt das z. B. mittels Federdruck gegen den Dorn 16. Die Andrückrolle 18 ist zur Achse des Dornes parallel geführt und paßt sich so dem dicker werdenden Prepreg-Rohr 20 an. Der Dorn ist mit einem dünnen Vlies und z. B. einer Trennfolie 22 be legt, um das Prepreg-Rohr 20 nach Fertigstellung vom Dorn 16 abziehen zu können.

Nach Abziehen des Prepreg-Rohres 20 vom Dorn 16 wird es in den zu ver stärken den Gliederschlauch 2 eingeführt (Fig. 6, die einzelnen Glieder des Gliederschlauchs 2 sind in dieser schematischen Darstellung nicht darge stellt). Das Prepreg-Rohr 20 hat zunächst in diesem Zustand einen etwas klei neren Außendurchmesser als der zu verstärkende Gliederschlauch 2. An schließend wird außen und innen eine Vakuumverpackung durchgeführt.

Der Aufbau einer Vakuumverpackung ist in Fig. 7 in zwei Schnittzeichnungen dargestellt. Die rechte Abbildung zeigt einen Schnitt durch die in der linken Abbildung dargestellte Vorrichtung, und zwar senkrecht zur Zeichen ebene. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen dieselben Gegenstände. Die Vakuumver packung besteht aus Vakuumfolien 30, 31 als innerem und äußerem Mantel, z. B. als Schlauch vorkonfektioniert. Ein jeweils darunterliegendes Vlies 32, 33 garantiert die Luftführung beim Evakuieren. Trennfolien 34, 35 bildet den Ab schluß in Richtung Prepregrohr 20 bzw. Gliederschlauch 2 und verhindert ein Abfließen des Harzes im Prepregrohr 20. An einem Ende des Rohres wird ein Vakuumanschluß 38 integriert und gegen die Vakuumfolien 30, 31 abgedich tet. Es entsteht so ein evakuierbarer Raum zwischen den Vakuumfolien 30, 31 der dazu benutzt wird, bei Anlegen eines Vakuums das Prepregrohr 20 an den Innendurchmesser des Gliederschlauchs 2 anzulegen. Bei Aufbringen eines äußeren Druckes kann dieser Effekt verstärkt werden.

Nach der Evakuierung der Vakuumverpackung, also vor dem Aushärten des Prepregs, kann der vakuumverpackte Gliederschlauch 2 mit innenliegendem Prepregrohr 20 frei, z. B. von Hand, zur Erreichung einer vorgegebenen Kon tur geformt werden. Dabei bewirkt der unter Vakuum stehende Metallglieder schlauch, daß das gesamte Bauteil aus Gliederschlauch 2 und Prepregrohr 20 in jeder momentan erreichten Kontur verharrt, soweit es nicht weiter ver formt werden soll. Zusätzlich kann das Bauteil in einer Hilfsform fixiert werden.

Statt der Verwendung von Prepreg, wie in den Herstellschritten bis zum Abziehen des Prepregs vom Dorn beschrieben, können auch ausgehärtete Stäbe oder Profile aus Faserverbundmaterial Verwendung finden, die dann z. B. durch Einkleben in das Hohlprofil den gewünschten Verstärkungseffekt erzielen.

Es können auch statt der Prepregs naß imprägnierte Rovingbänder oder harzgetränkte Matten verwendet werden.

Wie in Fig. 1 dargestellt, kann der Vakuumaufbau (Fig. 7) durch einen zusätz lichen Innenmantel aus z. B. thermoplastischen Rohr ergänzt werden.

Nach der Verformung wird durch ein auf das verwendete Harzsystem abge stimmte Einbringen von Wärme und Überdruck (gegebenenfalls auch zu er setzen durch einen expandierbaren Innenkörper) das Prepreg-Rohr 20 auf das Hohlprofil 2 (Gliederschlauch) expandiert und in diesem Zustand ausge härtet. Die verwendete Härtetemperatur ist vom verwendeten Harzsystem ab hängig. Es können sowohl kalthärtende als auch warmhärtende Harzsysteme Anwendung finden. Expansion und Aushärtung finden in der Vakuumver packung statt.

Fig. 8 schließlich zeigt ein konkretes Ausführungsbeispiel für das erfindungs gemäße Bauteil mit einem Metallgliederschlauch als Außenmantel. Es zeigt ein Rohr mit rechtwinkligem Querschnitt und weist eine komplexe, dreidimen sionale Kontur auf.

Claims

1. Rohrförmiges Bauteil aus einem nichtmetallischen Faserverbundma terial (4), gekennzeichnet durch einen Innenmantel oder Außen mantel aus einem flexiblen Gliederschlauch (2), der mit dem Faserver bundmaterial (4) formschlüssig und kraftschlüssig verbunden ist.

2. Rohrförmiges Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gliederschlauch (2) den Außenmantel bildet.

3. Rohrförmiges Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gliederschlauch (2) den Innenmantel bildet.

4. Rohrförmiges Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß der Gliederschlauch (2) aus Metall oder Kunststoff besteht.

5. Rohrförmiges Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Stahl, Messing oder Aluminium und der Kunststoff Polyamid, Poly etherimid, Polyethersulfon oder Polyetherketon ist.

6. Rohrförmiges Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Faserverbundmaterial (4) aus mehreren Faserlagen besteht, die jeweils eine unidirektionaler Fasero rientierung aufweisen, und die Faserlagen relativ zueinander parallel verlaufen.

7. Rohrförmiges Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet daß das Faserverbundmaterial (4) aus meh reren Faserlagen besteht, die jeweils eine unidirektionale Faserorien tierung aufweisen und die Faserlagen relativ zueinander winklig ver laufen.

8. Rohrförmiges Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß sich innerhalb des Faserverbundmate rials (4) ein Innenmantel (6) aus thermoplastischem Werkstoff befindet.

9. Rohrförmiges Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß es eine komplexe, dreidimensionale Kontur aufweist.

10. Verfahren zur Herstellung eines rohrförmigen Bauteils oder zylindrischen Hohlprofils aus Faserverbundmaterial mit einem Außenmantel aus einem flexiblen Gliederschlauch nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschrit te:

- Zuschnitt einzelner Prepregs (8) entsprechend der zu ver stärken den Rohrlänge,
- Verklebung der Prepregzuschnitte (8) zu einer Bahn (12),
- Wickeln der Prepreg-Bahn (12) auf einem Dorn (16) zu ei nem Prepreg-Rohr (20),
- Abziehen des Prepreg-Rohrs (20) vom Dorn (16),
- Einführen des Prepreg-Rohrs (20) in das Innere des Glie derschlauchs (2),
- Vakuumverpacken des Gliederschlauchs (2) mit innenlie gendem Prepreg-Rohr (20),
- Evakuieren der Vakuumverpackung,
- Verformen des Gliederschlauchs (2) mit innenliegendem Prepreg-Rohr (20) in der evakuierten Vakuumverpackung zur Erreichung einer vorgegebenen Kontur,
- Expansion und Aushärtung des Prepreg-Rohrs (20).