DE2757871C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Stützverbunds nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die GB-PS 14 46 885 zeigt ein derartiges Verfahren, bei dem auf ein Formteil eine Lage aus einem Faserwerkstoff aufge­ bracht wird. Diese Lage ist in ihrer räumlichen Ausbildung an die Form des Formteils angepaßt. Infolge des spiralförmi­ gen Verlaufs der Fasern entsteht ein Verbund, der gegen Spannungen, die in Längsrichtung auftreten, vergleichsweise geringen Widerstand bietet. Des weiteren werden bei dem be­ kannten Verfahren zwei benachbarte Formteile so zueinander angeordnet, daß sie entweder ineinandergreifen und eine ge­ wellte Faserlage zwischen sich aufnehmen oder daß sie sich in Radialrichtung des Stützverbunds überhaupt nicht über­ lagern, d. h., daß zwischen ihnen eine glatte Faserlage sitzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren derart weiterzubilden, daß es zur Bildung eines gegen Beanspruchungen in hohem Maße widerstandsfähgen Stützverbunds führt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das Wickeln des verstärkten, länglichen flexiblen Elements in ge­ rader Linienführung an den Wellenflanken in Verbindung mit der gegenseitigen Verzahnung zwischen den Formteilen bzw. den gewellten Lagen führt dazu, daß die Festigkeitseigenschaften des vorzugsweise endlosen länglichen flexiblen Elements opti­ mal für die Widerstandskraft des Stützverbunds gegen Bean­ spruchungen ausgenutzt werden.

Die CH-PS 4 34 709 zeigt ein Wickelverfahren, bei dem auf ein Rohr aufgebrachte Formteile mit Fasern umwickelt werden, um das Rohr an besonders beanspruchten Abschnitten zu verstärken. Dabei wird jeweils ausschließlich das Formteil mit den Fasern umwickelt. An den Flanken des ringförmigen Formteil sind die Fasern gerade, sehnenartig angeordnet. Am äußeren Umfang des Formteils knicken die Fasern jeweils ab, um an der gegenüber­ liegenden Flanke des Formteils wieder gerade geführt zu werden. Die Flanken des Formteils sind somit durch eine Vielzahl ge­ rader Abschnitte der Fasern bedeckt, so daß die Zugfestigkeits­ eigenschaften zur Erhöhung der Festigkeit des Stützverbunds ge­ nutzt werden.

Die Erfindung ist bei der Herstellung von im Gewicht leichten, im Durchmesser großen Rohren mit einem Innendurchmesser von 200 mm und mehr und insbesondere für Rohre mit Innendurchmessern anwendbar, die einen Meter übersteigen. Leichtbaukonstruktionen oder -strukturen erfordern dünne Wände. Die Erfindung ist bei Rohren nützlich, die einen starren Querschnitt haben müssen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von mehreren Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 im Teillängsschnitt aufeinanderfolgende Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3 einen Teilschnitt durch die Wand eines erfindungsgemäß hergestellten Stützverbunds;

Fig. 4 schematisch einen weiteren Stützverbund.

Fig. 1 zeigt einen Dorn 10, der für ein Fadenwickelverfahren geeignet ist und üblicherweise in der Fadenwickeltechnik Anwendung findet. Der Dorn 10 ist um seine Längsachse 12 drehbar. Es sind Speiseeinrichtungen vorgesehen, um dem Dorn 10 Fäden und ähnliche langgestreckte flexible Elemente zuzuführen und diese in einem vorbestimmten Muster auf den Dorn 10 zu wickeln. Ferner sind auch geeignete Maßnahmen getroffen, um Fäden mit einem Harz zu imprägnieren, das vor, nach oder während des Wickelns des Fadens auf den Dorn aufgebracht werden kann.

In dem Verfahren werden Lagen da­ durch geformt, daß Fadenmaterial gemäß Vorbeschreibung ge­ wickelt wird. Eine Einzellage kann einen oder mehrere Durchgänge in Längsrichtung des Dorns 10 umfassen. Wo eine Lage mehrere Durchgänge umfaßt, können die Wickelwinkel aufeinanderfolgender Durchgänge gleiche Größe, jedoch entgegengesetzten Sinn haben.

Bei dem Verfahren ist ein Rohr auf dem Dorn 10 zu bilden. Der erste Verfahrensschritt besteht darin, daß eine rohrförmige Lage 14 aus harzimprägniertem Faden unmittelbar auf den Dorn 10 gewickelt wird. Auf die Lage 14 wird ein Streifen bzw. Formteil aus gummiartigem Material schrauben­ förmig aufgewickelt, wobei die einzelnen Windungen der Wick­ lung im Abstand stehen und eine nach außen vorstehende Rippe erzeugen. Anschließend wird harzimprägniertes Faden­ material über den Streifen 16 und die Lage 14 gewickelt, um eine gewellte rohrförmige Lage 18 zu erhalten (Fig. 2). Die Wirkung der zusätzlichen Lage 18 auf den Streifen 16 ist in Fig. 2 verdeutlicht. Die während des Wickelns auf die Fäden ausgeübte Spannung drückt den Streifen 16 gegen die Lage 14 und verformt die Ränder des Streifens 16 nach außen zu etwa dreieckförmigen Verlängerungen 16 a.

Anschließend wird ein weiterer ähnlicher Streifen 20 schraubenförmig so über die gewellte rohrförmige Lage 18 gewickelt, daß er in den Wellentälern der Wellen dieser Lage 18 liegt. Die Dicke des Streifens 20 ist etwa doppelt so groß wie die Dicke des Streifens 16, so daß der Streifen 20 über die Wellenberge der Lage 18 nach außen vorsteht. Es kann dann entsprechend der Lage 18 eine weitere ge­ wellte Lage aus harzimprägnierten Fäden aufgewickelt werden, die ihrerseits den Streifen 20 in ähnlicher Weise verformt.

Die Fig. 3 zeigt eine Wand eines Rohrs, das in der beschriebenen Weise hergestellt worden ist. Die Wand besitzt acht Formteile bzw. Gummistreifen 22 bis 29 sowie neun Lagen 30 bis 38 aus harzimprägnierten Fäden. Die innere und die äußere Lage 30 bzw. 38 sind nicht gewellt, während die restlichen Lagen 31 bis 37 jeweils gewellt sind. Der innere und der äußere Streifen 22 bzw. 29 haben jeweils die halbe Dicke der anderen Streifen 23 bis 28 der Wand. Auf diese Weise bilden der äußere Streifen 29 und die äußerste gewellte Lage 37 zusammen eine im wesentlichen glatte Außenfläche, auf die die letzte Lage 38 gewickelt werden kann. Die gewellten Lagen 31 bis 37 geben der Wand eine große Querschnittsfestigkeit. Ferner kann die Gummischicht eine gewisse Selbstdichtung liefern. Sollte die Wand im Einsatz z. B. durch ein Projektil durch­ drungen werden, wird Gummi in das entsprechende Loch gequetscht oder ge­ drückt, so daß eine gewisse Selbstdichtung erreicht wird. Ge­ eignetes Gummi hierfür ist chlorosulfoniertes Polyäthylen. Ge­ eignete Verstärkungsfäden oder -fasern sind Glasfaserstränge und/oder Stränge aus aromatischen Polyamidfasern.

Anstelle von Gummi kann geschäumter Kunststoff als Formteil bzw. Streifen verwendet werden. Dieser sollte niedrige Dichte haben und gleichzeitig eine ausreichende Druckfestigkeit bieten, um den Druckbelastungen zu widerstehen, die während des Wickelns der Fäden unter Spannung ausgeübt werden. Im Be­ darfsfall können einige der Formteile aus einem Dichtungsmaterial, z. B. aus Gummi, und einige aus Kunststoffschaum oder einem alternativen wenigdichten Material bestehen. Formteile aus wenigdichtendem Material können bei der Herstellung von Verrohrungen für Marinezwecke nützlich sein, z. B. bei der Herstellung von Steigrohren. Das Material niedriger Dichte gibt dem Rohr eine gute Schwimmfähigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Materialien wie Stahl.

Ist die Länge eines durch das Verfahren hergestellten Rohrs nicht zu groß, kann der Dorn 10 starr sein, wobei geeignete Trennmittel das Abziehen des geformten Rohrs vom Dorn 10 unterstützen, falls dies notwendig ist. Der Dorn 10 kann leicht konisch sein, um das Entfernen zu erleichtern. Alter­ nativ kann ein zusammenziehbarer Dorn 10 bekannter Art verwendet werden.

Beim bevorzugten Wickelverfahren sind die Fäden an den Formteilen in gerader Li­ nienführung geführt. Dies hat den Vorteil, daß man die Eigenschaften der Fäden in wirkungsvollerer Weise nutzt, da die Fäden größte Effektivität im Widerstand gegen Längszugbelastungen haben. Um möglichst nahe an die ideale Faseranordnung zu kommen, sollte das Formteil im Querschnitt vorgeformt sein, wie bei­ spielsweise das Formteil 20 a in Fig. 2a. Anstelle eines ein­ fachen Rechteckquerschnitts ist das modifizierte Formteil 20 a mit gerundeten Seitenflächen 40, 42 versehen. Die erforderliche Gestaltung dieser Seitenflächen 40, 42 kann in Ab­ hängigkeit von dem erwünschten Wickelwinkel und dem Durchmesser des Rohrs errechnet werden, so daß die Fäden der Gestalt der Formteile 20 a beim Aufwickeln folgen. Das schrauben­ förmige Wickeln eines Formteils, z. B. der Formteile 16 und 20 ist ein bevorzugtes Verfahren. Es können auch getrennte ringförmige Formteile verwendet wer­ den, die entlang dem Dorn 10 im Abstand angeordnet sind; es ist jedoch erheblich einfacher, ein kontinuierliches Formteil auf den Dorn 10 zu wickeln.

Die dargestellten Anordnungen sind insbesondere für Rohre großen Durchmessers geeignet, wo es auf die Querschnitts­ festigkeit ankommt. Bei solchen Rohren sind Materialkosten und Zusatzgewicht infolge von Material, das zur Erzielung der gewünschten Querschnittsfestigkeit ohne Wellungen erforderlich ist, erheblich. Die gewählten Anordnungen haben jedoch eine Anzahl von Vorteilen, die sowohl für Rohre mit großem Durch­ messer und hoher Querschnittsfestigkeit als auch für andere Rohre gelten:

• 1. Da die Wellungen innerhalb der Rohrwandung ausge­ bildet und untergebracht werden können, kann ein glatter zylindrischer Dorn verwendet werden, der leicht aus dem ge­ wickelten Rohr gezogen werden kann.
• 2. Längsverstärkende Fasern können im Rohr auch in im wesentlichen glatte Oberflächen eingegliedert werden, die durch Kombination einer gewellten Lage und eines Füllkörpers für diese Wellentäler dieser Lage gebildet werden.
• 3. Die glatte Rohrinnenfläche vermindert die Oberflächen­ reibung, falls Gase oder Flüssigkeiten durch die Rohre fließen müssen.
• 4. Das Formteilmaterial kann eine gewisse thermische und/oder Schallisolierung geben.
• 5. Soweit die Formteile hohl sind, können sie einen Kanal für die Zirkulation von Heiz- oder Kühlflüssigkeiten oder einen Speicher bilden, der z. B. Feuerlöschmaterial enthält. Alternativ können in den Formteilen Heizdrahtelemente untergebracht sein.
• 6. In die Rohrwandung kann im Bedarfsfall eine zusätzliche Verstärkung eingegliedert werden, ohne daß das innere oder äußere Profil beeinträchtigt wird, indem man anstelle von Formteilen örtliche Verstärkungen mit einwickelt.

Es ist bereits zuvor hervorgehoben worden, daß der Stützver­ bund der Rohrwandung relativ geringe Dichte besitzen kann, sofern Formteile aus wenig dichtem Material wie ge­ schäumter Kunststoff verwendet werden. Das Rohr kann daher Schwimmfähigkeit haben, z. B. bei Steigrohren für küstennahe Ölarbeiten.

Zusätzlich zu den Vorteilen erhöhter Querschnittssteifig­ keit zeigen die gewellten Abschnitte eine erheblich größere Zwischenschicht-Scherfestigkeit. Hierbei muß berücksichtigt werden, daß das Harzmaterial in den gewellten Lagen der Rohre durch Ineinanderdringen zwischen benachbarten Lagen eine Verbindung bewirkt. Sofern es erwünscht ist, diesen Effekt zu verstärken könnte ein geeigneter Kleb­ stoff verwendet werden, um die Zwischenschichtbindungsfestigkeit in den Berührungsbereichen zwischen benachbarten Lagen zu er­ höhen.

Es ist nicht notwendig, den Dorn aus dem Rohr zu entfernen. Ein Abschnitt des Rohrs kann überwickelt werden, um eine örtliche Versteifung zu erhalten, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Ein Rohr 60 beliebiger Konstruktion und beliebigen Materials ist mit zwei Glasfaserlagen 42 und 44 überwickelt. Die Lage 42 ist mit Hilfe einer Reihe getrennter, im Axial­ abstand stehender Ringe gewellt. Die Ringe 46 bestehen aus Schaumstoff. Die Ringe 48 bestehen aus relativ starrem Material, z. B. aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Die Täler der gewellten Lage 42 werden mit weiteren Ringen 50 aus Schaumstoff gefüllt, bevor das Überwickeln mit der ebenen Glasfaserlage 44 erfolgt.

Die Ringe 48 sind an ihrer Innenseite fest mit dem Rohr 60 verklebt; sie können durchbohrt oder mit Zapfen ver­ sehen werden, um Befestigungspunkte für eine an dem Rohr 60 zu befestigende äußere Einrichtung zu erhalten. Auf diese Weise werden Befestigungspunkte erhalten, ohne daß die Wand des Rohrs 60 durchbohrt werden muß, wobei gleichzeitig eine örtliche Versteigung des Rohrs erhalten wird, die eine Unterstützung beim Tragen der Lasten liefert, die durch die anzubringenden Teile aufgebracht werden. Im Bedarfsfall können die Befestigungspunkte in die Ringe 48 eingegliedert werden, bevor diese auf dem Rohr 60 angebracht werden, und es können geeignete Öffnungen in den Lagen 42 und 44 nach Beenden des Wickelvorgangs hergestellt werden. Sofern das Gewicht wichtig ist, kann jeder Ring 48 dort steif und schwer sein, wo vorgefertigte Befestigungspunkte sind; sonst kann er relativ leicht sein und nur als Formteil für die Wellungen der Lage 42 dienen. Diese Variante der Formteile kann auch bei Rohren angewendet werden, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind.

Für die beste Ausnutzung der Formteile muß das längliche, flexible Element die Gestalt annehmen, die durch das Formteil bestimmt wird. Soll eine gewellte Lage erzeugt werden, erfordert dies ein längliches, flexibles Element mit einem kleinen, runden Querschnitt oder zumindest ein schmales Band oder einen schmalen Streifen. Dieses Problem taucht jedoch nicht auf, wo eine ebene Lage zu erzeugen ist, so daß dort jegliches wickelbare Material unter Ein­ schluß von Metallstreifen benutzt werden kann.

Es wird bevorzugt, daß die für die Herstellung jeder Lage ver­ wendete Wicklung von Natur aus stabil ist. Einrichtungen, z. B. radial vorstehende Stifte, oder andere Mittel, Kleb­ stoff, der vorher auf das Element aufgebracht wird, um eine Klebwirkung zu erhalten, sollen sicherstellen, daß die Wicklung beim und nach dem Aufbringen in der gewünschten Stellung verbleibt.

Zur Bildung der Flanken der gewellten Lagen wird die in der GB-PS 10 27 107 beschriebene Wickeltechnik bevorzugt. Diese schränkt jedoch die Oberflächen­ gestalt ein, die sie erzeugt; es kann gezeigt werden, daß der Wickelwinkel und der Durchmesser der Wicklung die Tiefe und die axiale Ausdehnung einer Oberfläche bestimmen, die durch diese Technik erzeugt wird. Wo es erwünscht ist, die Zwischenlagenscher­ festigkeit zu verbessern, kann es zweckmäßig sein, die Wellen­ berge und/oder Wellentäler auszudehnen, um den Bindungsbereich zwischen benachbarten gewellten Lagen zu vergrößern. Dies wiederum erfordert einen Übergang von einer zylin­ drischen Wicklung auf den Wellenbergen und/oder in den Wellentälern auf eine nicht-zylindrische Wicklung an den Flanken der gewellten Lagen. Der Übergang kann so erreicht werden, daß die erzielbare Gesamttiefe der Flanken dadurch er­ höht wird, daß man das Formteil in der Übergangszone abrundet, wie es gestrichelt in Fig. 2a ange­ deutet ist, statt einen scharfen Übergang von der zylindrischen Wicklung auf die andere Wicklung vorzusehen. Die Abrundung sollte einen sanften Übergang vom zylindrischen zum nicht-zylindrischen Teil des Formteils bilden. Sie hat den zusätzlichen Vorteil, daß sehr scharfe Biegungen im länglichen, flexiblen Element vermieden werden und daß die Gesamtstabilität der Wicklungen und Windungen verbessert wird.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung eines Stützverbunds aus zumin­ dest drei rohrförmigen Lagen aus verstärktem Harz, bei dem auf die Außenfläche einer ersten Lage ein erstes Formteil aufge­ bracht wird, das in jedem Axialschnitt der ersten Lage mehrere einen Axialabstand zueinander aufweisende und über die Außen­ fläche der ersten Lage radial vorstehende Rippen ausbildet, wo­ bei um das erste Formteil und die erste Lage zur Herstellung einer zweiten, gewellten Lage ein verstärktes längsliches flexi­ bles Element gewickelt wird, und bei dem in die Wellentäler der zweiten Lage ein zweites Formteil aufgebracht wird, wobei um das zweite Formteil und die zweite Lage zur Herstellung einer dritten Lage ein weiteres verstärktes längliches flexibles Ele­ ment gewickelt wird, wobei die länglichen Elemente vor, während oder nach dem Wickeln mit einer aushärtenden Harzflüssigkeit ge­ tränkt werden und die Harzflüssigkeit ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Formteil und jedes weitere zur Herstellung gewellter Lagen dienende Formteil in Radialrichtung über den Außenumfang der zweiten Lage bzw. der unter ihm be­ findlichen Lage vorsteht und daß die länglichen Elemente an den Wellenflanken jeder gewellten Lage in gerader Linienfüh­ rung gewickelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Wellentäler der äußersten gewellten Lage ein Formteil derart eingebracht wird, daß seine Außenfläche mit dem Außen­ umfang der äußersten gewellten Lage fluchtet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Verbesserung des Fadenverlaufs Formteile mit konkav gerundeten Seitenflächen verwendet werden.