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Verfahren zur Herstellung von insbesondere duroplastischen, gewickelten,
faserverstärkten Kunststoffrohren Es ist bekannt, Kunststoffrohre mit faserförmiger
Verstärkung aus Thermoplasten durch Blasformen oder Extrudieren herzustellen.
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Ferner ist die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffrohren aus
Duroplasten durch Schleudern flüssiger oder verflüssigter Kunstharze mit oder ohne
pulverförmigen Füllstoffen bekannt. Hierbei ist ein Zusatz kurzfaseriger Verstärkungsstoffe
in beschränktem Umfang möglich. In entsprechenden Werkzeugen können auch faserverstärkte
Kunststoffrohre durch Gießen aus Reaktionsharzen hergestellt werden. Es sind hierbei
alle bekannten Verstärkungsmaterialien anwendbar. Dieses Verfahren bedingt aber
sehr ohe Herstellungskosten. Mechanisch hochwertige Kunststoffrohre lassen sich
nur nach dem "Filament"-Wickelverfahren herstellen, bei dem kunstharzimprägnierte
faserförmige Verstärkungsstoffe auf einer entsprechenden Vorrichtung aufgewickelt
werden und danach durch Einwirkung von Wärme der Härtung unterworfen werden.
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Die Herstellung mechanisch hochwertiger Kunststoffrohre mit faserförmiger
Verstärkung ist z.Zt. nur mit dem nFilament-Wickelverfahren möglich. Nach diesem
Verfahren sind, insbesondere bei größeren Wanddicken auch bei sorgfältigster Verarbeitung,
Lufteinschlüsse nicht zu vermeiden. Diese bewirken insbesondere bei Anwendung in
der Hochspannungstechnik eine Verminderung der elektrischen Festigkeit. Außerdem
muß häufig die Außenoberfläche derartig gewickelter Rohre einer Nachbearbeitung
unterzogen werden.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, in rationeller Arbeitsweise, insbesondere
unter Vermeidung von aufwendigen Nachbearbeitungsverfahren, gewickelte, faserverstärkte
Kunststoffrohre herzustellen.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Kunststoffrohrkern hergestellt,
um diesen eine Faserverstärkung auf anorganischer oder organischer Basis gewickelt,
der umwickelte und mit einer äußeren Manschette umschlossene Kunststoffrohrkern
unter radialer Beschleunigung erwärmt und das entstandene faserverstärkte Kunststoffrohr
nach kurzer Zeit entformt wird. Durch das Erwärmen und gleichzeitige Schleudern
wird der im B-Zustand befindliche Harzrohrkern verflüssigt. Dabei wird eine gleichmäßige
und porenfreie Durchtränkung der aufgewickelten faserförmigen Verstärkungsmaterialien
erreicht. Parallel dazu härtet das Harz - bedingt durch die Wärmeeinwirkung - aus.
Der Harzrohrkern löst sich leicht vom inneren Formkern ab. Hierdurch ist eine sehr
einfache Entformung des ausgehärteten Rohres möglich. Durch Variation von Rohrvolumen
und Wickelauftrag kann Jede gewünschte Endwandstärke und jeder gewünschte Harzgehalt
eingestellt werden.
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Hohe Drehzahlen mit radialer Beschleunigung können durch eine schnellaufende
Drehbank oder eine Schleudereinrichtung erreicht werden.
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Erwärmt werden kann durch induktive Heizung, Hochfrequenz oder Heißluftgebläse.
Als besonders günstig hat sich eine induktive Aufheizung der äußeren Formmanschette
erwiesen.
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Es können sowohl duroplastische als auch thermoplastische Materialien
eingesetzt werden. Als besonders geeignet haben sich duroplastische Werkstoffe erwiesan,
wobei aus vorreagierten Reaktionsharzen bestehende Harzrohrkerne hergestellt werden
können.
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Geeignete vorreagierte Reaktionsharze sind Epoxidharze und Phenolharze.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird eine flüssige Reaktionsharzmischung in ein einseitig verschlossenes und mit
einem Formkern versehenes Rohrform-Werkzeug gegossen. Der von der Ummantelung befreite,
sich auf dem Formkern befindende Harzrohrkörper wird mit einem Faseretrang umwickelt.
Nach Anlegen einer äußeren Manschette wird die Vorrichtung unter Schleudern erwärmt.
Anschließend wird entformt.
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Das erhaltene faserverstärkte Kunststoffrohr, das sich leicht aus
der Form entformen läßt, zeichnet sich durch hohe mechanische Festigkeit und Lunkerfreiheit
aus.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können auch thermoplastische
Rohrträger wie z.B. Polyamide, die durch äußere Wärmeeinwirkung aufgeschmolzen,
verwendet werden.
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Geeignete Faserverstärkungen sind Garn, Band, Roving, Gewebe und Matte,
Vlies aus anorganischen oder organischen Materialien.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte faserverstärkte
Kunststoffrohre können beispielsweise als Löschkammern bei Hochspannungsschaltern
verwendet werden.
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Die Erfindung wird anhand von Beispielen und Figuren, die in einem
Prinzipschema das Verfahren zeigen, näher erläutert.
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Es veranschaulichen schematisch die Figuren 1 und 2 die Herstellung
des Harzrohrkerns, Fig.3 das Umwickeln mit einem faserförmigen Material und die
Figuren 4 und 5 das Überführen in das faserverstärkte Kunststoffrohr.
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Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt bei der
Herstellung duroplastischer Rohre in drei Verfahrensschritten.
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1. Herstellung des Harzrohrkerns (Fig.1 und 2) In ein Rohrform-Werkzeug
1 bestehend aus einem Formkern 2 und einem zweiteiligen Mantel 3 wird eine flüssige
Harzmischung 4 gefüllt, die bei Raumtemperatur in den festen B-Zustand übergeht.
Danach wird der zweiteilige Mantel 3 entfernt. Auf dem Formkern 6, der nicht entfernt
wird, liegt das Rohr 7 im B-Zustand vor (Fig.2).
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2. Umwickeln mit einem faserförmigen Material (Fig.3) Ein Faserstrang
8, beispielsweise Glasfaser-Rovings, wird in gewünschten Lagenzahl (Schichtdicke)
und Breite um den Harzrohrkörper 9 gewickelt, der sich auf dem Formkern 10 befindet.
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3. ueberführen in das faserverstärkte Kunststoffrohr (Fig. 4 u. 5)
Der so umwickelte Zylinder, bestehend aus dem Faserstrang 11 und dem Harzrohrkörper
12, der sich auf dem Formkern 13 befindet, wird nun mit einer zweiteiligen maßgenau
passenden Manschette 14 versehen und in eine maschinelle Vorrichtung eingespannt,
die hohe Drehzahlen erlaubt, z.B. in eine schnelllaufende Drehbank und erwärmt durch
Induktion oder Hochfrequenz.
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Das im B-Zustand befindliche Harzrohr 12 wird hierdurch verflüssigt
und durchdringt infolge der Zentrifugalkraft die aufliegende Faserverstärkung 11.
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Da das Harzrohr durch die Wärmeeinwirkung verflüssigt und das flüssige
Harz durch die Zentrifugalkraft vom inneren Formkern abgeschleudert wird, ist eine
sehr leichte Entformung des faserverstärkten Rohres 15 durch Lösen der zweiteiligen
Außenmanschette möglich.
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Bei der Herstellung thermoplastischer Rohre wird ein im Handel erhältliches
Halbzeug auf einen passenden Metallkern gesteckt, mit einem faserförmigen Material
umwickelt, mit einer zweltein gen passenden Manschette umhüllt und in eine maschinelle
Vor -richtung eingespannt, die hohe Drehzahlen erlaubt und gleichzeitig wird erwärmt.
Im Gegensatz zur Herstellung der duroplastischen Rohre muß beim thermoplastischen
Rohr die Form unter Beibehaltung der Drehzahl unter den Schmelzpunkt des verwendeten
Materials abgekühlt werden, bevor entformt werden kann.
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Beispiel 1 200 g eines Epoxidharzes auf Basis Bisphenol-A mit einer
EP-Zahl von ca. 0,52 werden mit 50 g 4,4'-Diaminodiphenylmethan als Härtungsmittel
versetzt und homogen eingemischt.
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Diese Gießharzmischung wird in eine Rohrform gegossen.
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Nach 24-36 Std. bei Raumtemperatur ist der sog. "B-Zustandt' erreicht
und der Form-Mantel kann entfernt werden (der innere Formkern wird nicht entformt).
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Dieser Rohr-Förmling wird mit einem Rovingstrang aus Kohlenstofffaser
(ebenso geeignet sind Rovingstränge bzw. Gewebe, Matten, Bänder etc auf der Basis
von Glas, Asbest, Organ.Fasern (z.B.
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KEVLAR der Dupont) umwickelt und fixiert.
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Dieser umwickelte Epoxidharz-Rohrformling wird nun mit einer passenden
zweiteiligen Metall-Manschette allseitig umhüllt.
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Mittels einer geeigneten Vorrichtung wird bei einer Drehzahl von 1000
Upm (andere Drehzahlen können auch angewandt werden) die Metallform in horizontaler
Lage durch (regelbare) induktive Heizung innerhalb 20 sec. auf 1500C - 1700C aufgeheizt.
Da sowohl die Wärmekapazität der Metallform als auch zusätzlich die Exothermie des
Harzsystems ausreichen, wird die induktive Aufheizung nach der o.a. Zeit abgeschaltet.
Es wird noch ca. 8 Min.
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bei gleicher Drehzahl weiter geschleudert.
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Nach dem Abkuhlen wird die Metallmanschette entfernt und das geschleuderte
Rohr entformt.
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Maße des gegossenen Rohr-Formlings: Innen ld 40 mm Außen 0 50 mm Nach
Schleudern und Aushärtung: Innen 46,4 mm Außen 52,0 mm Beispiel 2 200 g Novolackharz
auf Basis Phenol-Formaldehyd mit einem Schmelzpunkt von ca. 800C werden bei 950C
mit 20 g Hexamethylentetramin als Härtungsmittel versetzt und sofort in die kalte
Rohrform gegossen.
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Nach dem Erstarren der Gießmasse wird der Form Mantel entfernt.
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Der auf einem Hartpapierkern befindliche Phenolharz-Formling wird
einlagig mit Glasfasermatte umwickelt und diese fixiert.
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Dieser umwickelte Phenolharz-Rohrformling wird nun mit einer passenden
zweiteiligen Metallmanschette allseitig umhüllt.
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Mittels einer geeigneten Vorrichtung wird bei einer Drehzahl von 1200
Upn (andere Drehzahlen sind auch möglich) die Metallform in horizontaler Lage innerhalb
25 sec durch (regelbare) induktive Heizung auf 170-190°C aufgeheizt.
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Da die Wärmekapazität des Werkzeuges und auch der Harzmischung ausreichen,
wird nach der o.a. Zeit die induktive Heizung abgeschaltet und nach 10 Min. bei
gleicher Drehzahl weitergeschleudert. Nach dem Abkühlen wird die Metallmanschette
entfernt und das geschleuderte Rohr entformt.
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Maß des gegossenen Rohr-Formlings: Innen p 40 mm Außen 13 50 mm Nach
Schleudern und Aushärtung: Innen 47,0 mm Außen 1 52,0 mm BeisPiel 3 Ein handelsübliches
Polyamidrohr auf Basis 6-PA mit einer Wanddicke von 4 mm wird auf einen passenden
Metallkern geschoben.
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Nach Umwicklung mit einem Roving auf Basis eines aromatischen Polyamids
(KEVLAR 49 der Fa. Dupont) wird das umwickelte Polyamidrohr mit einer passenden
Metallmanschette (zweiteilig) allseitig umhüllt.
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Mittels einer geeigneten Vorrichtung wird bei einer Drehzahl von 1000
Upm die in horizontaler Lage befindliche Metallform durch (regelbare) induktive
Heizung innerhalb 30 sec. auf 250-2700C aufgeheizt. Danach wird die induktive Heizung
abgeschaltet und die Form noch 10 Min. bei gleicher Drehzahl weitergeschleudert.
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Danach wird durch Anblasen mit Preßluft und langsamer Verminderung
der Drehzahl die Form abgekühlt und danach das geschleuderte Rohr entformt.
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Maße des PA-Rohres: Innen 25 mm Außen 33 mm Nach Umwickeln und Schleudern:
Innen 29,0 mm Außen 34,0 mm 5 Patentansprüche 5 Figuren