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B @ S t. h r e i b u n
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DieErfindung betrilft ein Verfahien zur Herstellung von faserverstärkten
Kunstborzprodukten, insbesondere von Kunstharzprodukten, die durch in liner Richtung
ausgerichtete Fasern verstärkt sind, sowie eine Vorrichtung zur Herstellung dieser
Kunsthorzprodukte, Insbesondere unter Anwendung dieses Verfahrens.
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Es ist bekannt, daß Kunsthorzprodukte, die in einer Richtung durch
Fasern verstärkl@@@nd, bergestellt werden können durch Verwendung von Fasern mit
einer hohen Zugfestigkeit (Reißfestigket), wie z.B. tehletaden, Metallfasern, chemischenFasern
und dgl., als verstörkende Fasern und durch Uberziehen oder Imprägnieren dieser
aser mit einem in der Wärme aushurtenden Ijarz, wie z.fl. einer Phenolhorz, odei
einem in der Kälte aushärtenden Harz. wie ;.f. einem Lpoxyhai z. Dieses konventionelle
Verfahren hat jedoch den schwerwiegenden Nachteil. daß die Fasern unter der Einwirkung
des umgebenden Harzmaterials, das beim Aushärten schrumpll und nach der Wörmehärtung
wörmeschrumpft, sich zwongsldufig entspannen, wobei sie locker (schlaff) werden
und teilweise in @@@e@ tbngsrichtung einer Kompression ausgesetzt sind, so daß die
Fasern in dem Zustand, in dem sie teilweise gekrummt oder entspannt sind, für fall,
daß der lineare Ausdehnungskoeffizient der verwendeten Fasern kleiner ist als derjenige
des verwendeten Harzmaterials, fixiert werden. Da die Fasern die Kompression nicht
aufnehmen können, wenn sie in
ihrer Ldngsrichtung komprimiert werden,
weiden die Fasern nach der Aushärtung und Schrumpfung des Harzmateriols nicht-linear,
wellenlinienförmig oder unregelmäßig gekrummt und sie werden in dem entspannten
Zustand in dem Marzmatetial Fixiert. Daher sind die Fasern, ob(jleich sie in dem
getormten Produkt tn Längsrichtung orientiert zu sein scheinen, in Wahrheit im entspannten
Zustand fixiert und sie Liegen nicht in aer gewUnschten linearen parallelen Anordnung
oi. Deshalb weiser die auf diese Weise erhaltenen Produkte keine einheitliche Festigkeit
auf und sie kronen demzufolge auch nicht homogen sein und nicht die gewünschte Festigkeit
hoben, Man kann daher sagen, daß der Effekt des wirklich in einer Richtung durch
Fasern verstdrkten tlarzproduktes bei dem konvtntionelieri Verfahren nicht erreicht
werden kann Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein neues, verbessertes
Verfahren und eine neue, verbesserte Vorrichtung zur Herstallung von Harzprodukten,
die durch in einer Richtung otisgerichtete Fasern verstärkt sind, anzugeben, die
eine llamogenet einheitliche und hohe Festigkeit aufweisen.
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Es wurde nun gefunden, daß dieses Ziel erfindungsgemdß dadurch erreicht
werden kann, d.h. daß die anfängliche Biegung bzw Krümmung der Fasern dadurch minimal
geholten werden kann, daß man auf die in dem Harzmateriot angeordneten Fasern beim
Formen des in einer Richtung durch Fasern verstärkten Harzes eine Anfangsspannung
auf die Fasern ausübt, wobei man geformte Produkte (Formkörper) erhalt, die eine
einheitliche Festigkeit und Qualität und eine ausreichend hohe Festigkeit aufweisen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein verbessertes Verfahren zur Herstellung
eines in einer Richtung durch Fasern verstörkten Kunsthnrzprodtlkts, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß man die Fasern In einer Richtung anc::dnet und das Harzmaterial
aushärtet, während man auf die Fasern eine bestimmte Spannung (Zugspannung) atisUbt.
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Ein bevorzugter Gedanke der Erfindung liegt in einem Verfahren zur
Herstellung von in einer Richtung durch Fasern verstärkten Harzprodukten bei dem
man an die Fasern beim aushärten des Harzmaterials eine Anfangsspannung anlegt sowie
in einer Vorrichtung zur Hersiellung dieser Produkte, die im wesentlichen dadurch
charakterisiert ist, daß sie eine Einrichtung aufweist, welche die Fasern beim Ausharten
des Harzmaterials unter einer bestimmten Spannung (Zugspannung) hält. Durch Einwirkung
dieser anfänglichen Spannung aut die Fasern wird eine anfängliche Verformung der
Fasern stark herabgesetzt und man erhält ein Produkt mit einer ei:.heitlichen Qualität
und hohen Festigkeit.
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Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden
Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine vergrößerte tragmentarische Langsschnittansicht einer Rohrwand eines
rohrfbrmigen Produkts; Fig. 2 eine vergrößert fragmentarlsche Querschnittsansicht
der Rohrwand gemaß Fig. 1;
Fig. 3 eine vergrößerte fragnentarische
Löngsschnittansicht einer vorimprägnierten Folie mit eingearbeiteten Füllstoffen
Fig. 4 und 5 vergrdßerte fragmentarische Ansichten, teilweise im Längsschnitt, eines
rohrförmigen Produkts, das nach einem konventionellen Verfahren hergestellt worden
ist; Fjg. 6 und 7 ähnliche vergrößerte fragmentarische Ansichten, teilweise im Längschnitt,
eines rohrförmigen Produktes, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt
worden ist; Fig. 8 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines erfindung gemäßen
Dorns; Fig. 9 eine Seitenansicht des Dorns mit dei darum her@mgewickelten, mit einem
Harz imprdgnierten Folie; Fig, 10 Querschnitts- und Langsschnittsansichten einer
Klemmeinrichtung (Einspanneinrichtung), die für den Dorn der Fig. 8 und 9 verwendbar
ist; Fig. 11 eine Seitenansicht einer Fixierungs-Einspanneinrichtung, die zur Herstellung
eines massiven (festen) erfindungsgemäßen Produktes verwendet werden kann; und Fig.
12 Oucrschnitts- und Lingsschnittc.nsichten einer Klemmeinrichtung (Einsponneinrichtung),
die für die Fixierungs-Einspanneinrichtung gemäß Fig. 11 verwendbar ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter C5ZUJnAhme auf die t-iliegenden
Zeichnungen an hand bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert,
ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Form eines generellen rohrförmigen Produktes
im Längsschnitt bzw. im Querschnitt. Die Ziffer 1 bezeichnet Fasern und die Ziffer
2 bezeichnet ein Harzmaterial.
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Obgleich in den Fig. 1 und 2 eine Schichtstruktur aus drei Schichten
dargestellt ist, kann die Anzahl der Schichten je nach Bedarf in geeigneter Weise
ausgewdhlt werden.
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In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn die
aus Fasern und einem horzmaterial bestehenden Schichten um einen Dorn herumgewickelt
werden, der ein Profil hat, das der inneren Oberfläche des gewunschten rohrförmigen
Produktes entspricht und wenn der dabei erhaltene Schichtstoff (dos Laminat) einer
Aushörtung unterworfen wird, um das Harzmaterial auszuhärten, unter Anwendung des
konventionellen Verfahrens, um einen Formkörper mit der in den Fig. t und 2 dargestellten
Struktur herzustellen, das Harzmaterial schrumpft und die Fasern 1 zwangsläufig
gelockert oder entsp~;1nt werden, wie in Fig. 4 dargestellt, aus den weiter oben
angegebenen Gründen. Die auf das Harzmaterial 2 und die Fasern 1 einwirkenden Spannungen
sind durch die Pfeile 3 und 4 angezeigt. So wirkt beispielsweise auf die Fasern
1 eine Kompressionspannung 3 ein, während auf das Harzmaterial 2 eine Zugspannung
4 einwirkt, Wie oben erwähnt, ist die Kompressionsspannung der Fasern 1 begrenzt
und sie kann nicht groß sein.
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Wenn ein Biegemoment M auf das rohrförmige Produkt einwirkt aufgrund
seines Eigengewichtes oder aufgrund von äußeren Kräften, werden die auf der gespannten
Seite angeordneten Fasern 1 gestreckt und die auf der entspannten (lockeren) oder
komprimierten Seite angeordneten Fasern 1^ werden zurUckgezogen. So lange der Grad
der Verformung verhdltnismdßig gering ist, nimmt nur die Relaxierungsrate der Fasern
1 ab und es wird noch keine Zugspannung durch die Spannung der Fasern 1 selbst ausgeubt.
Daher kilt das rohrförmige Produkt der Biegung unter dem Einfluß der Zugspannung
4 und der Kompressionsspannung 4' des Harzmateriais 2 stand. Der Modul des Harzmaterials
beträgt jedoch beispielsweise bei aromatischen Polyamidfasern (KEVLAR-49, Handelsname
fUr ein Produkt der Firma Du Pont Co., USA) 1,3 x 106 kg/cm2. Daher kann das rohrförmige
Produkt verformt oder gebogen werden, wenn die Spannung nicht auf die Fasern ausgeubt
wird.
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Sobald das Biegemoment M größer wird und auf die Fasern 1 auf der
gespannten Seite in der Fig. 5 eine Spannung ausgeubt wird, geht die Faserspannung
3 in eine Zugspanr.ung Uber und verleiht den Fasern eine wirksame Verstörkungsfunktion.
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In den Fig. 8 bis 10 ist eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgema.ßen
Verfahrens und der erfindungsgemaßen Vorrichtung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
rohrförmigen Produktes dargestellt. Die Fig. 8 zeigt ein Beispiel für einen Dorn,
der eine sich konisch verjungende Form hat, deren Durch.
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messer sich entlang seiner Lange öndet. Natürlich kann erfindungsgemäß
erforderlichenfalls auch ein Dorn mit einem gleichmäßigen
Durchmesser
von einem Ende bis zu dem anderen Ende verwendet werden. Die Ziffer 6 bezeichnet
den Hauptteil des Dorns, der in seinem einen Endabschnitt ein inneres Schraubengewinde
7 und an seinem anderen Endabschnitt auf dem Umfang desselben eine Rille 8 aufweist.
Die Ziffer 9 bezeichnet einen Hilfsteil des Dorns. Eine Welle 11 mit einem Kopf
wird durch eine zentrale Bohrung in den Dorn-Hiltsteil 9 eingeführt, die an ihrem
einen Ende hinter einem Flansch 12, der eine integrale Einheit mit dem Dorn-Hilfsteil
9 bildet, eine Schraube 13 aufweist.
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Die Schraube 13 wird so weit in das Gewinde 7 eingeschraubt, bis der
Flansch 12 an dem Dorn-Hauptteil 6 anstößt, und der Dorn-Hilfsteil 9 gleitet in
eine Position, in der er mit dz Flansch 12 in Kontakt steht. Der Dorn-Hilfsteil
9 weist auf seinem Umfang auch eine Rille 10 auf. U..i den Dorn wird eine vorimprtignierte
Folie 14 aus in einer Richtung ausgerichteten Fasern, die mit einem Harzmaterial
imprdgniert worden sind, herumgewickelt, um so die Fasern parallel zur Achsenrichtung
des Dorns anzuordnen.
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In der Fig. 9 wird die um den Dorn herumgewickelte vorimprdgnierte
Folie 14 an ihren Endabschnitten mittels Klemmeinrichtungen 15, 15 festgehalten,
die mittels einer Schraube 17 in komplementäre Elemente unterteilbar sind, wie in
Fig. 10 dargestellt. Die Klemmpositionen entsprechen den Rillen 8 und 10.
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Wenn sich der Kopf der Welle 11 in der Richtung dreht, bei der die
Schraube 13 aus dem Gewinde 7 herausgeschraubt wird, vergrößert sich der Abstand
des Dorn-Hilfsteils 9 von dem Dorn-Hauptteil 6 und auf die Fasern der voripragnierten
Folie 14 wird eine Spannung (Zugkraft) ausgeübt. Um leicht eine geeignete
Spannung
(Zugkraft) zu erzeugen, wird die Anzahl der Umdrehungen der Schraube 13 zweckmußig
vorher in bezug auf die Lange des Dorns bestimmt.
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Die vorimprägnierte Folie 14 wird dann durch Erhitzen oder bei Normaltemperatur
ausgehärtet, wobei man die Fasern unter Spannung hält, anschließend wird sie gekühlt
und an den durch die Ziffern 16, 16' in der Fig. 9 angegebenen Stellen geschnitten.
Cle Klemmeinrichtungen 15, 15 werden dann geöffnet und die Abfölle des rohrförmigen
Produktes werden beseitigt und das zentrale rohrförmige Produkt wird herausgenommen.
Die innere Struktur des dabei erhaltenen rohrför..ligen Produktes ist in Form von
vergrößerten Schnittansichten in den Fig. 6 und 7 dargestellt.
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Die Fasern 1 sind linear und nicht im lockeren oder entspannten Zustand
angeordnet und fixiert. Die Ziffer 3 zeigt eine Zugbeanspruchung der Fasern 1 und
die Ziffer 4 zeigt eine Kompressionsbeanspruchung (Druckbeanspruchung) des Horzmaterials
2. Im Vergleich zu dem konventionellen Material ist daraus zu ersehen, daß die Richtungen
der Spannungen bzw. Beanspruchungen umgekehrt sind.
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Die Fig. 7 zeigt das gleiche rohrförmige Produkt, das einem Biegemoment
M ausgesetzt ist. Selbst wenn die Belastung verhöltnismößig gering ist, wird eine
Zugspannung 3 auf die Fasern 1 der gespannten Seite ausgeübt und die Zugspannung
3' bleibt bestehen, wenn auch vermindert. Daher wirkt sich die Faserspannung stets
auf die rohrförmigen Produkte aus entsprechend den angelegten dußeren Kröften.Damit
hängt der Grad der Verformung des rohrförmigen Produktes als Folge einer Spannung
(Zugspannung) oder einer
Biegung hauptsöchlich von dem Modul der
Fasern ab und die anföngliche Verformung kann stark herabgesetzt werden.
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Die Fig. 3 zeigt eine Form einer varimprögnierten Folie mit in ein
Harzmateriol 2 eingearbeiteten Füllstoffen 5, die dort verwendet werden, wo das
Harziaterial tiöglicherweise als Folge einer auf das Harzmaterial 2 ausgeübten Kompressìonsbeonspruchung
(Druckbeanspruchung) einer lang andauernden plastischen Verformung unterworfen wird.
In der Fig. 3 bezeichnet die Ziffer 1 ebenfulls die Fasern. Als Füllstoffe 5 werden
zweckmäßig feine Teilchen mit einem hohen Modul, wie z.B. hohle geschmolzene oder
feste (massive) Teilchen aus Aluminiumoxid, verwendet.
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Diese Teilchen werden so in das Harzmaterial eingearbeitet, daß sie
nebeneinander liegen und nicht nur dem Harzmaterial 2 eine hohe Kompressionsfestigkeit
und einen hohen Modul verleihen, sondern auch das Kriechen verhindern, das möglicherweise
auftritt, wenn das Harzmoterial ständig einer Spannung ausgesetzt ist.
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Obgleich die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf ein Verfahren
zur Herstellung eines ringförmigem hohlen Produktes, wie z.B. eines ringförmigem
Rohres oder einer Röhre, beschrieben worden ist, können selbstverständlich erfindungsgemäB
auch hohle oder massive Produkte mit anaoren (variierenden) Querschnitten hergestellt
werden. Zur Herstellung eines massiven Produktes können zweckmäßig eine Aushärtngs-Einspanneinrichtung
18, wie in der Fig. 11 dargestellt, und eine Klemmeinrichtung 21, wie in Fig. 12
dargestellt, verwendet werden. Ein massives Produkt 20 wird mittels einer Schraube
19 gestreckt. Auf diese
Weise kann die Klemmeimrichtung 21 das
Material unter eine bestimmte Spannung (Zugspannung) setzen. ohne daß das Material
gleitet.
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Die erfindungsgemaß hergestellten Produkte weisen ausgezeichnete,
in einer Richtung durch Fasern verstärkte Eigenschaften und eine ausgezeichnete
Leistungsfdhigkeit auf und sie können mit Vorteil als Fertigbearbeitungsstabe (Oberflochenbehondlungsstdbe)
oder -rohre in der chemischen Industrie verwendet werden.
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Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf bevorzugte
Ausführungsformen näher erlöutert, es ist jedoch fUr den Fachmann selbstverständlich,
daß sie darauf keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht
abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden
Erfindung verlassen wird.
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L e e r s e i t e