DE2060261C3 - Verfahren zum Herstellen eines Rohres aus faserverstärktem Kunststoff sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf ein Verfahren zum Herstellen eines Rohres aus faserverstärktem Kunststoff mit Längs- und Querverstärkungen, bei dem Faserbänder mit Kunststoff imprägniert und kontinuierlich auf einen rotierenden Wickeldorn wendelförmig aufgewickelt werden und der Kunststoff dann gehärtet wird.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei einem bekannten Verfahren (NL-OS 68 07 550) werden vorgefertigte Faserbänder verwendet, in denen der Hauptanteil der Fasern rechtwinklig zur Bandlängsrichtung verläuft. Diese Bänder bestehen aus einzelnen, mit Abstand parallel zueinander angeordneten Heftfäden, auf weiche rechtwinklig die die Längsverstärkung des fertigen Rohres bildenden Fasern hoher Festigkeit aufgeklebt werden. Die Heftfäden haben lediglich die Aufgabe, die auf ihnen liegenden Fasern zu tragen: sie übertragen keinerlei Kräfte in dem fertigen Rohr. Zur Erzeugung der Radialfestigkeit der Rohre werden über die Faserbänder in Umfangsrichtung Verstärkungsfasern gewickelt. Die Faserbänder lassen sich in bekannter Weise mit einem axial verschiebbaren Schlitten auf einen Dorn wickeln. Um die quer zur Bandlängsrichtung verlaufenden Fasern auszunutzen, ist es erforderlich, das Band mit einer gewissen Überdeckung aufzuwikkeln, wobei die sich überlappenden Kanten durch das härtende Kunstharz verbunden werden. In dieser Weise entstehen zwei Schichten mit in der Rohrlängsrichtung verlaufenden Fasern, wobei sich jedoch in der Mitte des Bandes nur eine Schicht zur Aufnahme der in Rohr-., längsrichtung verlaufenden Beanspruchungen befindet' Zwar könnte man mit breiteren Bändern arbeiten, jedoch sind diese Kosten aufwendig und beim Wickelvorgang schwer zu steuern. Insbesondere die im Überlappungsbereich verlaufende Bandkante muß mit einem größeren Radius aufgewickelt werden, so daß ein Schiefzug beim Wickelvorgang kaum zu vermeiden ist ίο Das führt zu einem Verziehen der Fasern beim Wickelvorgang und dazu, daß die in Bandquerrichtung angeordneten Fasern nicht mehr parallel zur Dornachse aufgelegt werden. Auch stört der Herstellungsaufwand·

derartiger Bänder. .

Bei den'bekannten Verfahren (»Kunststoffe«, Band 55, 1965, Heft 1, Seite 2) müssen die in Längsrichtung orientierten Fasern in Form von sogenannten unidirektionellen Bändern od. dgl. von Hand auf den Dorn aufgelegt und anschließend über die tangential zugeführten Fasern auf dem Dorn festgehalten werden. Die tangentiale Zuführung der Fasern erfolgt zumeist mit Hilfe eines parallel zur Rohrachse verfahrbaren Schlittens. Diese Maßnahme setzt voraus, daß beim Einlegen der Stränge mit den in Längsrichtung orientierten Fasern jeweils die Drehbewegung des Dorns angehalten wd. Zwar erreicht man so eine definierte Ausrichtung der Fasern sowohl in Längsrichtung als auch in Umfangsrichtung des Rohres, jedoch ist diese Arbeitsweise mit einem erheblichen Zeitaufwand verbunden. Dies gut um so mehr, da es Schwierigkeiten bereitet, die Bänder mit in Längsrichtung orientierten Fasern ohne gegenseitige Zwischenräume einwandfrei aufzulegen. Um Rißbildungen aufgrund der Spannungen während des Aushärtens des Kunststoffes zu vermeiden, müssen daher eine Vielzahl von Schichten aufgebracht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zur schaffen, welches auf einfache und schnelle Weise die Herstellung von Rohren aus faserverstärktem Kunststoff mit in Längsund in Umfangsrichtung orientierten Fasern ohne die Verwendung von vorgefertigten unidirektionellen Bändern zuläßt sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß die der Längsverstärkung dienenden Fasern in Stücke geschnitten werden, die größer sind als die Steigung der wendeiförmigen Wicklung, diese Faserstücke auf ein dem Wickeldorn tangential zulaufendes Band aus den die Querverstärkung bildenden Fasern abgelegt und diese zusammen aufgewickelt werden. Zweckmäßig wird dabei so vorgegangen, daß die Faserstücke der Längsverstärkung auf einem Band aus den die Querverstärkung bildenden Fasern abgelegt werden, wobei die Breite dieses Bandes und die Länge der abgeschnittenen Faserstücke ein mehrfaches der erwähnten Steigung beträgt, und daß das Band beim Wickelvorgang zumindest annähernd horizontal gegen die untere Dornseite geführt wird.

Die erreichten Vorteile sind zum einen darin zu sehen, daß mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens eine kontinuierliche Fertigung der Rohre durchführbar ist. Ein Anhalten der Drehbewegung des Domes zum Einlegen der in Längsrichtung orientierten Fasern oder der Einsatz von kostenaufwendigen und umständlich herzustellenden unidirektionellen Bändern entfällt.

Zum anderen wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht, daß unterschiedliche Spannungen über

lie Breite der Faserbänder — bedingt durch die unterichiedlichen Radien in den Bandkanten beim überlapjenden Wickeln — sich ausgleichen, da die Bandlängsfa- ;ern individuell auf den Dorn auflaufen. Dadurch könien die in Bandquerrichtung aufliegenden Fasern paralel zur Dornachse aufgewickelt werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens mit einem rotierenden Wickeldorn und einer Einrichtung zur Zuführung eines Bandes aus Querverstäi kungsfasern, wobei die Kennzeichnung darin besteht, daß eine Einrichtung zum Aufbringen der Längsverstärkung vorgesehen ist, die eine Schneidvorrichtung zum Abschneiden der Faserstücke von einem Faserband, Organe zur Oberführung der abgeschnittenen Faserstücke auf die Oberfläche einer mit Öffnungen versehenen Walze, eine Saugvorrichtung zum Erzeugen eines Unterdruckes im Walzeninneren sowie Organen zur kurzseitigen Unterbrechung des Unterdruckes aufweist. Zweckmäßig kann die Walze Organe aufweisen, die Gebläseluft durch die Waizenoffnungen leiten, urn die Fasern bei deren Überführung auf die Oberseite des Bandes aus Querverstärkungsfasern abzublasen. Mittels der beschriebenen Vorrichtung läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren vollautomatisch durchführen, wobei die Längsverstärkung mit großer Genauigkeit ausgerichtet wird.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 in perspektivischer Darstellung die erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 2 einen achsenparallelen Schnitt nach der Linie A-A durch die Wand eines auf der Vorrichtung hergestellten Rohres,

Fig.3 einen senkrechten Querschnitt durch eine zur erfindungsgemäßen Vorrichtung gehörende Einrichtung zum Aufbringen der Längsverstärkung,

F i g. 4 die Einrichtung in der Aufsicht,

F i g. 5 einen axialen Schnitt durch die gleiche Einrichtung und

F i g. 6 ein Detail der Einrichtung in einer geänderten Ausführungsform.

Die in Fig. 1 und 3 dargestellte Vorrichtung besteht aus einem Wickeldorn 1 an einem Achszapfen 2, der in nicht dargestellten Lagern derart gelagert ist. daß er mittels eines nicht dargestellten Motors in der Richtung des Pfeiles in Umdrehung versetzt werden kann. Der Wickeldorn 1 ist wie an sich bekannt so aufgebaut, daß das auf den Wickeldorn J gewickelte Rohr während der Rotation des Wickeldorns 1 fortlaufend nach rechts verschoben wird und über das lagerungsfreie rechte Dornende hinweg vom Wickeldorn 1 abgeschoben wird.

Die Fasern können von beiden Wickeldornseiten so aufgetragen werden, daß die Fasern von der einen Dornseite auf die Dornoberseite und die Fasern von der anderen Dornseite auf die Dornunterseite auflaufen. Der Deutlichkeit halber ist auf der Zeichnung lediglich das Aufwickeln der Fasern von der Dorr.unterseite aus dargestellt, wo die Querverstärkung und die Längsverstärkung gleichzeitig aufgetragen werden.

Die Querverstärkung kommt von einer Vielzahl von Spulen mit nicht gesponnenen Glasfasern, sogenannten Rovings. Die Spulen sind in einem Spulenständer 3 so angeordnet, daß jede einzelne Glasfaser an einem Ständerende herausgeführt wird, wo alle Glasfasern zu einem breiten Band gesammelt werden. Das Band kann evtl. durch ein nicht dargestelltes Imprägnierungsbad geführt werden, in dem die einzelnen Rovings mit flüssigem Kunststoff getränkt werden. Das Bad ist nicht Teil der Erfindung. Der flüssige Kunststoff kann auch ir anderer Weise aufgetragen werden. Die Querverstärkung wird zur Unterseite des umlaufenden Wickeldorns

geführt. Eine Einrichtung 4 zur Aufbringung der Längsverstärkung wird synchron zur Dornumdrehung mittels eines Kettentriebs 5 und eines Kegelradtriebs 6 angetrieben. Von einem gesonderten Spulenständer 7 laufen in einem Bad geordnete Fasern in diese

ίο Einrichtung 4 ein, wo die Fasern durch eine Schneidvorrichtung in Stücke geschnitten werden, deren Länge annähernd der Breite des durch die Einheit laufenden, die Querverstärkung bildenden Rovingbandes entspricht. Die Einrichtung 4 ist so eingerichtet, daß jede Gruppe von parallel abgeschnittenen Fasern für die Längsverstärkung bis über das Band für die Querverstärkung geführt werden, wo die Stücke so losgelassen werden, daß sie sich auf das der Querverstärkung dienende Faserband auflegen.

Das aus den tangential anlaufendrr Rovings bestehende Tragband der Querverstärkung wini somit durch eine gleichmäßige Schicht aus abgeschnittenen Fasern für die Längsverstärkung abgedeckt, die auch dann stets parallel zur Dornachse orientiert sind, wenn der Einlaufwinkel des Roving-Bandes etwas von 90° abweicht. Die abgeschnittenen Fasern liegen somit lose auf dem waagerecht einlaufenden Band, bis sie den Wickeldorn ■ erreichen, wo sie vom Faserband festgehalten werden. Das so aufgebaute System aus Verstärkungsfasern läßt sich in verschiedener, die Erfindung nicht betreffender Weise mit flüssigem Kunstharz imprägnieren und wandert bei der Rotation des Wickeldorns 1 mit konstanter Geschwindigkeit nach rechts. Zur Erzielung der größtmöglichen Produkts tionsgeschwindigkeit empfiehlt es sich, durch Wärme zu härten.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die faserverstärkte Wand eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Rohres. Die Länge der abgeschnittenen Stücke beträgt hier ungefähr das vierfache der Verschiebung per Wickeldornumdrehung. Es ergibt sich hieraus ein Aufbau bestehend aus vier Schichten von in der Längsrichtung verlaufenden Fasern und vier Schichten von in der Rohrumfangsrichiung verlaufen-

den Fasern an jeder beliebigen Stelle des Rohres. Die Rohrwand ist in Fig. 2 der Deutlichkeithalbcr im Verhältnis zur Verschiebung per Dornumdrehung zu dick dargestellt. Die in der Längsrichtung verlaufenden Fasern liegen in Wirklichkeit fast parallel zur Oberflä-

ehe des Produktes. Man sieht deutlich, daß die rechte Kante des Faserbandes mit einem größeren Radius einläuft als die linke Kante. Dies führt jedoch keinen Unter ,cried in der Faserspannung mit sich, da es sich hier ja um individuell auflaufende Bandfasern handelt.

Wenn man auch von der entgegengesetzter; Wickeldornseite Fasern einführt, kann man diese über den gleichen Bereich regelmäßig verteilen und dadurch eine größere Schichtdicke erreichen, ohne daß sich der Aufbau im übrigen ändert.

F i g. 3,4 und 5 zeigen die Einrichtung 4 zum Auflegen abgeschnittener Glasfasern für die Längsverstärkung auf das durch diese laufende Faserband der Querverstärkung. Die abgeschnittenen Faserstücke haben alle die gleiche Länge urv! werden parallel zur Wickeldorn-

'^⁵ achse aufgelegt, indem man durch Anpassung der Schneidfrequenz an die Peripheriegeschwindigkcil des Wickeldorns 1 dafür Sorge trägt, daß die aufgelegten Gruppen von Rovings ohne gegenseitigen Zwischen-

raum aufgelegt werden.

Das stufenlos regelbare Getriebe 8 !reibt über einen Ketten- und Zahnradtrieb eine Messerwalze 9 einer Schneidvorrichtung, deren Umkreis die Länge der abgeschnittenen Fasern bestimmt. Die Messerwalze ist mit einem radial nach auDen ragenden Messer 10 bestückt, das sich parallel zur Walzenachse und über die gesamte Walzenlänge erstreckt. Eine die Messerwalze 9 berührende, frei drehbare Gummiwalze 11 wird durch Friktion von der Messerwalze 9 milgedreht, wodurch die zwischen den beiden Walzen verlaufenden Fasern in Stücke geschnitten werden, deren Länge dem Umkreis der Messerwalze 9 entspricht. Eine Hilfswalze 12 liegt an der Gummiwalze 11 an und sorgt dafür, daß trotz des taktweisen Abschneidens von Faserstücken dauernd Fasern in die Einrichtung 4 eingeführt werden.

Die zwischen der Messerwalze 9 und der Gummiwal-7e It heraustretenden abgeschnittenen Faserstücke gelangen auf eine umlaufende Walze 13 aus perforiertem Blech. Die Walze 13 ist an der einen der Stirnplatten der Vorrichtung fliegend gelagert und über einen Kettentrieb derart mit der Messerwalze 9 gekuppelt, daß die Umfangsgeschwindigkeit der an der Oberfläche mit öffnungen versehenen Walze 13 in der Pfeilrichtung etwas größer ist als die der Messerwalze 9. Die Walze 13 ist an ihrem der Lagerung entgegengesetzten Ende offen. An diesem Walzenende befindet sich die freie Walzenkantc dicht an der anderen Stirnplatte der Einrichtung. An dieser Stirnplatte ist ein Zentrifugalgebläse 14 montiert, das durch eine öffnung 16 aus dem Walzeninnern Luft ansaugt und diese Luft durch einen Kanal 17 senkrecht nach oben bläst. Eine ortsfeste Trennwand 18 schließt sich bei 19 und 20 in der gesamten Walzenlänge dicht an die umlaufende Walze 13 an und schirmt somit den nicht benutzten Teil der Walzenobcrfläche ab. Durch diese Anordnung werden die Fasern an der Walzenoberfläche festgehalten und bei der Drehung der Walze 13 zur Walzenunterseite und in eine Position unmittelbar über dem durch die Einrichtung laufenden Rovingband gebracht.

Eine bei 22 schwenkbar gelagerte und sich dort dicht an die Trennwand 18 anschließende Trennwand 21 wird normalerweise in der durch Vollstrichlinien dargestellten Stellung gehalten, in welcher der Saugeffekt die Fasern ungehindert auch auf dem unteren Walzenteil festhalten kann. Eine Nockenscheibe 23 auf der Abtriebswelle des stufenlosen Getriebes betätigt eine Stoßstange 24 mit einer Kurvenrolle. Die nur teilweise dargestellte Stoßstange ist mit der Trennwand 21 verbunden, die dadurch bei jeder Umdrehung der Messerwalze 9 kurzzeitig in die gestrichelt dargestellte Lage gebracht wird, wodurch der die Fasern am unteren Walzenteil festhaltende Saugeffekt kurzzeitig aufhört. Die an der Walzenoberfläche festgehaltenen Fasern werden somit unter Einwirkung der Schwerkraft auf dem Rovingband abgelegt und von diesem zum Wickeldorn geführt.

Beim Hindurchführen der Glasfasern durch Führungsösen und über die Walzen entsteht bisweilen statische Elektrizität, die unter gewissen Umständen zur Folge hat, daß die Fasern an der perforierten Walze 13 haften bleiben und nicht ordnungsgemäß und mit der korrekten Orientierung abgelegt werden. Dieser Mangel läßt sich durch die in Fig.6 dargestellte geänderte Ausführungsform beheben, bei der die Trennwand 21 eine unmittelbar an der Stirnwand mit dem Zentrifugalgebläse 14 befindliche Blende 25 aufweist. Die Blende hat einen SDaIt 26. der in der Sperrstellung der Trennwand 21 mit einem entsprechenden Spalt in de Stirnplatte fluchtet, wodurch eine Verbindung zu Gebläsedruckseite geschaffen wird. Durch ein zweckmäßiger Weise gestaltetes Leitblech im Gebläsegehäuse läßt sich so kurzzeitig im unteren Walzenraum ein Überdruck aufbauen, während sich die Trennwan 21 in der Spcrrstellung befindet, so daß die Fasern trot; eines eventuellen durch statische Elektrizität hcrvorge rufenen Hafteffekts von der Walzenoberfläche we;

ίο geblasen werden.

Das Übersetzungsverhältnis zwischen der Walze 1 und der Messerwalze 9 ist so gewählt, daß sich wit erwähnt die Walzenoberfläche etwas schneller beweg als die Oberfläche der Messerwalze 9. Hierdurch wire zwischen der Walzenoberfläche und den noch nich abgeschnittenen Fasern ein gewisser Schlupf gewährlei stet, so daß die Fasern in völlig gestrecktem Zustam aufgelegt werden. Sind die Fasern abgeschnitten um von den beiden Walzen freigegeben, hört bezug'!; dieser abgeschnittenen Teile der Schlupf auf, wonacl die Faserstücke der Walzenoberfläche folgen, so da zwischen diesen und der nachfolgenden Gruppe e ständig wachsender Abstand entsteht, bis die Faser abgelegt werden.

Durch die im Vergleich zur Messerwalze 9 etwa größere Umfangsgeschwindigkeit der perforierte: Walze 13 wird außer der völlig geradlinigen un geureckten Ablage der Fasern weiterhin erreicht, da das Abwerfen die noch nicht abgeschnittene Grupp nicht berührt, indem die Klappe im Zwischenraur zwischen den beiden Gruppen geschlossen wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Rohres aus faserverstärktem Kunststoff mit Längs- und Querverstärkungen, bei dem Faserbänder mit Kunststoff imprägniert und kontinuierlich auf einen rotierenden Wickeldorn wendelförmig aufgewickelt werden und der Kunststoff dann gehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die der Längsverstärkung dienenden Fasern in Stücke geschnitten werden, die größer sind als die Steigung der wendeiförmigen Wicklung, diese Faserstücke auf ein dem Wickeldorn tangential zulaufendes Band aus den die Querverstärkung bildenden Fasern abgelegt und diese zusammen aufgewickelt werden.

2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem rotierenden Wickeldorn und einer Einrichtung zur Zuführung eines Bandes aus Querverstärkungsfasem, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Aufbringen der Längsverstärkung vorgesehen ist, die eine Schneidvorrichtung zum Abschneiden der Faserstücke von einem Faserband, Organe zur Überführung der abgeschnittenen Faserstücke auf die Oberfläche einer mit öffnungen versehenen Walze, eine Saugvorrichtung zum Erzeugen eines Unterdrucks im Walzeninnerer, sowie Organe zur kurzzeitigen Unterbrechung des Unterdruckes aufweist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze Organe aufweist, die Gebläseluft durch die Walzenöffnungen leiten, um die Fasern bei deren Überführ;, .ig auf die Oberseite des Bandes aus Querverstärkungsfasem abzublasen.