DE3874271T2

DE3874271T2 - Verfahren und einrichtung zur herstellung von mehrschicht-schlaeuchen.

Info

Publication number: DE3874271T2
Application number: DE19883874271
Authority: DE
Inventors: David R Nelson; Dean C Youngkeit
Original assignee: Thiokol Corp
Current assignee: ATK Launch Systems LLC
Priority date: 1987-10-09
Filing date: 1988-10-06
Publication date: 1993-02-18
Anticipated expiration: 2008-10-07
Also published as: JPH01195026A; EP0311400A2; EP0311400A3; JPH0369702B2; DE3874271D1; EP0311400B1; CA1311595C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf auf Herstellung von Mehrschicht-Schläuchen (Rohrelementen), d.h., rohrförmigen Elementen, zum Beispiel Streben für die Verwendung in Raumstationen, die sich aus mehrschichtigen Fasermaterial und einem Harz zusammensetzen.
Ein derartiges rohrförmiges Verbundelement kann auf eine herkömmliche Weise durch Wickeln eines faserförmigen, mit einem Harz imprägnierten Materials auf einen Dorn und Aushärtung und Formgebung des mehrschichtigen Materials, während es auf dem Dorn ist, hergestellt werden, dieses rohrförmige Element kann eine Lage Aluminiumfolie um die Außenfläche des Mehrschicht-Materials aufweisen und mit diesem zusammen der Aushärtung unterworfen werden, um als äußere Schutzbeschichtung zum Schutz des Mehrschicht-Materials vor atomarer Sauerstoff-Erosion in den unteren Erdumlaufbahnen zu dienen. Aluminiumfolie, die eine hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit besitzt, kann auch vorgesehen werden, die Wärmedifferenz zwischen der der Sonne zugewandten Seite und der der Sonne abgewandten Seite des Rohrelements, während es im Raum ist, zu reduzieren. Die Verwendung einer zwei- oder mehrteiligen Form, d.h., einer Form, die für die Entnahme des Mehrschicht-Materials auf dem Dorn nach der Aushärtung längs öffnet, für die Formgebung des zusammengesetzten Materials kann mit einem Paar kosmetisch ungewünschter Formnhte längs des geformten Rohrelements enden, wobei diese Nähte auch die Aluminium-Folie beschädigen können.
Die Anwendung eines Chargen-Aushärtungsverfahrens, bei dem dieses Mehrschicht-Material in und mit der Form in einem Chargen-Aushärteständer untergebracht ist, der dann in einem Ofen für die Zuführung von Wärme zur Aushärtung des Materials plaziert wird, erfordert das unerwünschte Transportieren des Mehrschicht-Materials zum Ofen, und kann auch Planvorgabe-Konflikte zur Folge haben, welche unerwünscht zeitaufwendig sein können. Darüberhinaus kann ein solcher Ofen im Betrieb sehr kostenintensiv sein.
Lange Mehrschicht-Rohrelemente, d.h. diejenigen mit einer Länge von über 1.83 m (6 feet) können zu einer Durchbiegung neigen, unter Umständen um mehr als 0.508 mm (0.020 inch) bei über 1.83 m (6 feet) Länge, wenn die Form nicht ausreichend stabil oder starr ist, oder über die Länge für die Aushärtung nicht entsprechend ab-oder untersttzt ist.
Ein Verfahren, in welchem faserförmiges Material durch einen Spalt zwischen zwei konzentrischen Aluminiumrohrelemten durchgezogen und dann mit Harz imprägniert und ausgehärtet wird, und wobei danach Teile der Aluminiumelemente zum Erzielen einer gewünschten Dicke der Aluminium-Schutzschicht entfernt werden, ist ein kostenintensives und kompliziertes Verfahren, welches nicht einen gleichmässigen Ablauf der der Rohrherstellung dient.
Ein Verfahren, in welchem das mehrschichtige Verbundmaterial auf einen Dorn gewickelt und in einen sogenannten Rohrautoklav eingebracht wird, und in welchem ein Balg innenseitig eines Rohres vorgesehen ist, der zur einwärts gerichteten Druckausübung gegen das mehrschichtige Verbundmaterial zur Formung desselben während der Aushärtung druckbeaufschlagt ist, wird im UA-A-3,257,690 offenbart, welches zudem noch die Verwendung einer aufgeheizten Flüssigkeit als Druckmedium zur Beaufschlagung des Balges vorschlägt, um durch die Wärmeabgabe die Aushärtung zu beschleunigen. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung nahtloser Rohrelemente, jedoch exististiert hier ein Problem, indem nämlich das Entfernen vom Dorn infolge des auf das mehrschichtige Material ausgeübten Druckes in Richtung zum Dorn und die damit erzielte Verdichtung des ausgehärteten Materials Schwierigkeiten bereitet. Außerdem kann der auf das mehrschichtige Material für das Zusammenpressen ausgeübte Druck bewirken, daß sich die Fasern unerwünscht verwerfen und ringförmig ausgerichtet sind, d.h., daß die Fasern um das mehrschichtige Material in einem Winkel nahe 0º relativ zu einer Radialebene führen. In der Beschreibung und den Ansprüchen ist mit der Angabe "Radialebene" eine Ebene gemeint, die senkrecht zur Längsachse eines zu fertigenden Rohrelements oder eines Dorns verläuft, auf dem das Rohrelement gefertigt wird.
Gemäß einer Aufgabe der vorliegenden Erfindung, i st ein Verfahren zur Herstellung eines nahtlosen Mehrschicht-Rohrelements vorgesehen, umfassend die Schritte:
a. Auftragen von harzimprägniertem Fasermaterial auf einen langgestreckten Dorn, der einen aufblasbaren Balg aufweist,
b. Einbringen des Dorns, auf dem das harzimprägnierte Fasermaterial aufgebracht ist, in eine langgestreckte Kohlenstofffaser- und Harz-Mehrschicht-Form oder Matrize,
c. Druckbeaufschlagung des Balges zum Anspressen des darauf aufgebrachten harzimprägnierten Fasermaterials in Auswärtsrichtung gegen die innere Wandung der Form zur Formgebung desselben,
d. Zuführung von Wärme zur Aushärtung des in die Form eingebrachten harzimprägnierten Fasermaterials,
e. das ausgehärtete Fasermaterial anschließend abkühlen lassen, und --
f. Entfernen des ausgehärteten harzimprägnierten Fasermaterials aus der Form,
gekennzeichnet dadurch, daß die Form eine einteilige Kohlenstofffaser- und Harz-Mehrschichtform ist.
Damit wird folglich ein Verfahren zur Herstellung von Mehrschicht- Rohrelementen vorgeschlagenm, die gleichförmig, konstengünstig, unkompliziert und zuverlässig herzustellen sind, und zudem verhindert wird, daß sich die Fasern in dem Verbundmaterial während der Formgebung und Aushärtung deesselben verwerfen.
Wenn erforderlich, kann eine Abdeckung in Form einer Aluminiumfolie zusammen mit dem mehrschichtigen Material, ohne Beschädigung desselben, der Aushärtung unterworfen werden.
Gemäß einer anderen der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist eine Einrichtung zur Herstellung eines nahtlosen Mehrschicht-Rohrelements vorgesehen, welche aus einer länglichen Matrizenform mit einer längs durch diese hindurch erstreckenden Öffnung für das Einbringen eines Dorns besteht, auf welchem harzimprägniertes Fasermaterial zur Aushärtung und Formgebung desselben aufgebracht werden kann, und einen Dorn aufweist, der einen länglichen zylindrischen Körper mit einem Hohlraum innenseitig desselben einschließt, und in die Öffnung für die Aushärtung und Formgebung des darauf aufgebrachten harzimprägnierten Fasermaterial einsetzbar ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Form einstückig aus einem Kohlenstofffaser- und Harz-Verbundmaterial besteht, durch welche sich die Öffnung längs erstreckt und daß in dem Hohlraum des Dorns Mittel zur Wärmeerzeugung für die Aushärtung und Formgebung des auf dem Dorn aufgebrachten harzimprägnierten Fasermaterials untergebracht sind.
Bei der Verwendung von Mitteln zur Wärmeerzeugung innerseitig des Dorns kann der Verfahrensablauf der Rohrelement-Herstellung verbessert und der erforderliche Transport der zusammengesetzten Elemente zum Ofen eliminiert werden. Die Aushärtung kann im Fertigungsbereich oder frei wählbar an anderer Stelle erfolgen.
Die mehrschichtige Verbundform wird vorzugsweise in ein starres zylindrisches Element eingeführt, das diese eng umschließt, um damit die Geradlinigkeit der dieser einstückigen Verbundform aufrechtzuerhalten.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
In den Zeichnungen zeigt --
Figur 1 eine Seitenansicht der Einrichtung, die die vorliegende Erfindung beinhaltet;
Figur 2 eine Schnittansicht der Einrichtung der Figur 1 entlang der Schnittlinie 2 - 2 dieser Figur
Figur 3 eine schematische Darstellung der Herstellung einer Form, die die vorliegende Erfindung beinhaltet, und die die Winkel der Stränge harzimprägnierten Fasermaterials in der Form zeigt;
Figur 4 bis 12 schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines ei-Mehrschicht-Rohrelements in der Arbeitsfolge gemäß der vorliegenden Erfindung:
Figur 13 schematisch ide Zuführfolge der Bahnen imprgnierten Fasermaterials auf einen Dorn zur Herstellung eines mehrschichtigen Rohrelements gemäß dieser vorliegenden Erfindung;
Figur 14 eine graphische Darstellung der Bahnen der Figur 13, wie sie auf dem Dorn aufgebracht werden;
Figur 15 eine graphische Darstellung der Bahn-Ausrichtung der Bahnen der Figur 13 in einem fertiggestellten Rohrelement;
Figur 16 eine Seitenansicht eines Dorns, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt;
Figur 17 eine graphische Darstellung des Wärmeausdehnungskoeefizienten einesGraphit/Epoxyd-Laminats mit unterschiedlicher Faser-Ausrichtung; und
Figur 18 eine schematische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Einrichtung gemäß der vorliegender Erfindung.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 ist hierin eine Einrichtung 10 dargestellt, die einen Dorn 12 und eine längliche zylinrische Form 14 zur Herstellung eines mit der Bezugsziffer 16 bezeichneten mehrschichtigen Rohrelements (Schlauches) umfaßt.
Der Dorn 12 schließt ein längliches zylindrisches Rohr 18, welaus Stahl oder einem anderen geeigneten Material bestehen kann, ein, und das gemäß den bekannten Gründsätzen eines auf dem Fachgebiet dieser Erfindung erfahrenen Durchschnittsfachmannes bezüglich der gewünschten besonderen Länge und Durchmesser des Schlauches 16 dimensioniert ist. Die Endbereiche 20 und 21 des Rohres 18 haben ein Innengewinde 22 zum Einschrauben eines Endverschlußstücks 24 bzw. 25, die ein Außengewinde 26 aufweisen. Wenn in dem Rohr 18 festgelegt, erstreckt sich das jeweilige Endverschlußstück 24 und 25, das aus Stahl oder einem anderen geeigneten Material bestehen kann, axial über das jeweilige Ende des Rohres 18 nach aussen und weist dort einen Bereich auf, der radial einwärts konisch geformt ist, und zwar in einem kleinen, mit der Bezugsziffer 30 gekennzeichneten, Winkel von etwa zwischen ca. 5 und 15 Grad relativ zur Achse 32 des Rohres 18. In dieser Beschreibung und den Ansprüchen bezieht sich die Bezeichnung "axial" auf eine Richtung parallel zur Achse 32 des Dorns 12, welche auch die Achse eines darauf aufzubauenden mehrschichtigen Rohrelements 16 ist. Die Bezeichnung "radial" bezieht sich auf eine Richtung senkrecht zu dieser Achse 32. Die konischen Endbereiche 28 enden in einem Anschlußstück 34 mit reduziertem Durchmesser.
In einem umschließenden Eingriff mit dem Rohr 18 und den konischen Endbereichen 28 ist ein länglicher generell zylindrischer Balg 36, der aus einem dafür geeigneten elastischen Polymerisationsprodukt besteht, welches dehnbar ist, wenn Druck mittels Luft oder eines anderen geeigneten Mediums ausgeübt wird, wie nachfolgend noch zu beschreiben ist. Um zu ermöglichen, daß der Balg 36 wieder leicht von dem Mehrschicht-Element 16 gelöst werden kann, nachdem dieser für das Entfernen vom Dorn 12 ausgehärtet ist, als auch um eine gute Festigkeit und Hitzebeständigkeit einzubringen, ist der Balg 36 vorzugsweise aus Silikongummi. Eine Endkappe 38, die eine Öffnung 40 aufweist und in welche ein End-Formstück 34 eingesetzt wird, ist innenseitig konisch geformt, wie es mit der konisch geformten radial vergrößernden Öffnung 42 gezeigt ist, in welche die Öffnung 40 einmündet, und hat folglich im wesentlichen die gleiche Konizität 30 wie die Endkappe 38, um so über den konischen Bereich 28 zu passen und das jeweilige Ende des Balges 36 zwischen der inneren konischen Fläche 42 der Endkappe 38 und dem konischen Bereich 28 zu klemmen und damit zum jeweilgen End-Formstück hin an beiden Enden 20 und 21 abzudichten, so daß zur Dehnung des Balges 36 Druckluft zwischen dem Rohr 18 und dem Balg 36 eingebracht werden kann. Die Endkappe 38 wird auf den konischen Bereich 28 aufgebracht und darauf mittels einer Mutter 43, welche in Gewindeeingriff mit dem End-Formstück 34 ist, festgelegt.
An einem Ende 20 hat das entsprechende Endverschlußstück 24, der konische Bereich 28 und das End-Formstück 34 jeweils eine Öffnung und bilden damit einen Durchlaß 44 aus, der sich axial durch diese für die Passage von Druckluft von einer Druckluftversorgung 52 in den Rohrinnenraum 46 erstreckt. Zwischengeordnet dem konischen Bereich 28 und den Gewinden 22 sind Zweigdurchlässe 48 vorgesehen, die in kommunizierender Verbindung mit dem Durchlaß 44 sich radial vom Durchlaß 44 auswärts erstrecken und in einen Raum zwischen der radial äußeren Fläche des Endverschlußstücks 24 und dem Balg 36 öffnen, um so Druckluft zwischen den Balg 36 und den Verschlußstück 24 und Rohr 18 zur Dehnung des Balgs 36 einzubringen, so daß das Mehrschicht-Material gegen die Form 14 zur Formgebung desselben während der Aushärtung forciert oder gepreßt werden kann. Das Endverschlußstück 24 schließt mit einem äußeren Gewindeende 50 ab, an dem die Druckluftversorgung 52 festgelegt ist.
Das andere Endverschlußstück 25 hat eine Öffnung oder einen Durchlaß 53, der sich axial durch den Gewindebereich 26 desselben und zu einem Punkt zwischengeordnet den Rohr-Innengewinden 22 und dem konischen Bereich 28 desselben erstreckt, an dem sich kommunizierende Durchlässe 54 vom Durchlaß 53 radial nach außen zur radial äußeren Fläche des Endverschlußstücks 25 erstrecken und in einem Raum zwischen dem Endverschlußstück 24 und dem Balg 36 ausmünden, um so Druckluft von der Druckluftversorgung 52 über den Innenraum 46 des Rohres zwischen den Balg 36 und das Endverschlußstück 25 und Rohr 18 einzubringen, so daß eine gleichmäßige Verteilung der Druckluft über beide Endbereiche 20 und 21 des Rohres durchgeführt werden kann. Folglich, die Zuführung von Druckluft von der Druckluftversorgung 52 durch den Durchlaß 44 zum Rohr-Innenraum 46 und in den Durchlaß 53 und in die Zweigdurchlässe 48 und 54 an deren jeweilgen Rohr-Endbereichen 20 und 21 ermöglicht eine gleichmäßige Beaufschlagung des Balges mit Druckluft, während die Endkappen 38 die Balgenden gegen die konischen Bereiche 28 gepreßt halten und somit den Balg gegen Entweichen von Druckluft abdichten.
Mit dem Mehrschicht-Material 16 auf den Dorn 12 aufgebracht, wird dieser in die Öffnung 56 der Matrize 14 zum Formen und Aushärten des Materials eingesetzt. Mit "female mold" oder Matrize wird eine Form angesprochen, die eine längs sich erstreckende Öffnung für die Aufnahme des zu formenden Materials aufweist. Das Mehrschicht- Material für das Element 16 kann ein mit harzimprägniertes Fasermaterial sein, das auf geeignete Weise aufgetragen wird, wie zum Beispiel durch Rohrwalzen, wie dies noch nachfolgend beschrieben wird, mit dem Balg 36 in seiner entspannten Position, d.h., ohne Beaufschlagung mit Druckluft.
Das besondere Harz, welches verwendet werden kann für beides, die Form 14 und das Element 16, kann variierem, abhängig von solchen Variablen, wie die gewünschten Charakteristiken, der Preis und die Qualität. Dieses Harz, das ein Naturharz oder Kunstharz sein kann, ist vorzugsweise ein Epoxyd, welches weniger schrumpft und deshalb eine geringere Neigung zum Verwerfen oder Verziehen hat. Wenn eine hohe Schlagfestigkeit gewünscht wird, wäre dann ein thermoplastisches Härz wie zum Beispiel ein Phenolharz zu bevorzugen. Für Rohrstreben zur Verwendung in der Raumfahrt und für andere Anwendungen welche ein Produkt hoher Qualität erfordern, wird bevorzugt, daß das Epoxyd ein bei hoher Temperatur aushärtendes und brauchbares Epoxyd ist, d.h., eines, welches eine glasartige Umwandlungstemperatur höher als 204º Celsius (400º F) hat, wie zum Beispiel, Araldite My 220 oder 721, hergestellt von Cyba Geigy, und hier besonders zu bevorzugen vermischt mit Bismaleimid. Ein Epoxyd, vertrieben von Amoco Performance Products, Inc.of Itasca, Iliinois, unter Bezeichnung 1908B, wurde ebenfalls als gut befunden. Wenn hier in der Beschreibung und den Ansprüchen die Bezeichnung "resin" (Harz) verwendet wird, so bezieht sich dies auch auf andere geeignete Matrizen-Materialien, wie ein geeignetes keramisches oder geeignetes metallisches Material, in welches Fasermaterial eingebettet werden kann.
Um das Entfernen des Rohrelments 16 aus der Form 14 und vom Dorn 12 nach der Aushärtung unter Aufrechterhaltung einer hochqualitativen Oberflächenbeschaffenheit substantiell ohne Hohlräume oder Lunker (weniger als 1% Lunker) zu erleichtern, wird ein geeigneter auf Teflon hasierender Entformungs- oder Trennfilm, wie zum Beispiel ein FEP (fluorinated ethylene propylene) Trennfiln, hergestellt von Du Pont de Nemours & Co., auf die Rohroberfläche aufgetragen.
Um eine äußere Schutzbeschichtung zum Schutz des Rohrelements vor atomarer Sauerstoff-Erosion in der Umgebung einer unteren Erdumlaufbahn vorzusehen, als auch eine hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit zur Reduzierung der Wärmedifferenz zwischen der der Sonne zugewandeten Seite und der der Sonne abgewandten Seite des Rohrelements zu erzielen, wenn dieses im Raum ist, wird eine Aluminiumfolie 58 auf die Außenfläche des mehrschichtigen Materials 16 einlagig, mit geringer Überlappung, aufgebracht, und zusammen mit dem mehrschichtigen Material 16 ausgehärtet, wodurch Zeit und Kosten für das Festlegen der Folie eingespart werden. Ein Trenn- oder Entformungsfilm wird hierbei weder auf der Innenseite noch auf der Außenseite der Aluminiumfolie 58 aufgetragen. Wenn allerdings als erforderlich befunden, kann ein dafür geeignetes Klebemittel zwischen der Aluminiumfolie 58 und diesem mehrschichtigen Material 16 16 vorgesehen werden, obwohl das Harz im mehrschichtigen Material einige Klebeigenschaftem besitzt. Das Klebemittel kann vorab auf die Folie 58 aufgetragen werden, oder kann in Form einer Klebebahn auf dem mehrschichtigen Material 16 aufgebracht sein. Die Verwendung eines anderen Folienmaterials, außer einer Folie aus Aluminium, kann vorgesehen werden, dies ist jedoch allerdings von den geforderten Eigenschaften für das herzustellende Rohrelement.
Wenn die Form die einer kostenintensiven und schwierig zu fertigenden mehrteiligen Metall- oder zweiteiligen Type ist, welche entlang längsverlaufender um 180º versetzt angeordneter Trennfugen für das Einbringen des mehrschichtigen Materials und das Entnehmen des ausgehärteten Rohrelements öffnet, kann die Folie geschwächt oder auf andere Weise entlang den damit entstandenen Formnähten unerwünscht beschädigt werden. Um ein naht- oder gratloses Rohrelement in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung herzustellen, ist demzufolge die Form 14, wie sie in der Figur 2 gezeigt ist, eine einteilige Form, d.h., eine solche Form öffnet nicht entlang einer längsverlaufenden Trennfuge, sondern, das zu formende mehrschichtige Material ist hier ohne Öffnen derselben in die Form einsetzbar und aus dieser entnehmbar.
Nachdem der Dorn 12, der das mehrschichtige Material 16 enthält, in diese einteilige Form 14 eingebracht ist, wird der Balg 36 von der Druckluftversorgung 52 mit Druck beaufschlagt, wie es vorhergehend schon erläutert wurde, wodurch sich der Balg ausdehnt und das mehrschichtige Material 16 nach auswärts gegen die innere Fläche 56 der Form 14 zum Aushärten und Formen desselben gepreßt wird. Für eine typische Raumfahrt-Anwendung kann es erforderlich werden, daß das Rohrelement 16 aus einer Zusammensetzung von Kohlenstofffasern und Harz besteht. Die Öffnung einer herkömmlichen Metallform würde sich hier während der Aushärtung ausweiten und das Kohlenstoffaser-Rohrelement dann, infolge des vom Balg ausgeübten Druckes, entsprechend diesem expandierten Zustand geformt werden. Nach dem Abkühlen würde dann die Metallform-Öffnung zur Normalgröße rückkehren, der Kohlenstoff oder Graphit mit dem Abkühlen in dieser Größenordnung infolge seiner thermischen Stabilität jedoch nicht. Demzufolge, wenn eine einteilige Metallform zur Verwendung kommt, würde dann das Metall an dem Kohlen- oder Graphit-Mehrschicht-Rohrelement durch Festsitz blockieren und könnte dann nicht ohne Beschädigung des Rohrelements oder der Form entfernt werden. Um nun eine einteilige Form gemäß der vorliegenden Erfindung vorzusehen, aus der das Rohrelement 16 nach der Aushärtung leicht entfernt und die Form selbst verhältnismäßig billig gebaut werden kann, besteht die Form aus einer Zusammensetzung von Kohlenstoff- oder Graphit-Fasermaterial (beide nachfolgend mit "Kohlenstoff" bezeichnet), imprägniert mit einem geeigneten Harz. Das Kohlenstoff-Fasermaterial, normalerweise mit einem Elastizitätsmodul größer als 276 G Pa (40 msi = million pounds per square inch), weist einen Negativ-Wärmeausdehnungskoeffizienten in Faser-Längsrichtung auf, dargestellt mit Bezugsziffer 60 in den Figuren 3 und 13 für die gestrandeten Fasern 70 bzw. 61, während es fortgesetzt einen Positiv-Wärmeausdehnungkoeffizienten quer zur Faser- oder Längsrichtung zeigt, wie dies unter der Bezugsziffer 60 für die gestrandeten Fasern 70 bzw. 61 in den Figuren 3 und 13 gezeigt ist.
Die Figur 17 zeigt den Wärmeausdehnungskoeffizienten bei verschiedenen Ausrichtungen der Faser, d.h. Winkel 74 in Figur 3, für ein Graphit/Epoxy-Laminat. Obwohl die graphische Darstellung für verschiedene Typen des Kohlenstoff-Materials leicht variieren können, ist die graphische Darstellung in Figur 17 dennoch typisch. Obgleich Kohlenstofffasern einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten entlang der Länge derselben haben, resultiert daraus in einem Kohlenstoff-Mehrschicht-Rohrteil, wie die Form 14, ein Poissonscher Effekt, wie in Figur 17 gezeigt, und zwar im größten negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Form, wenn die Fasern in einem Winkel relativ zu einer radialen Ebene von zirka 30 Grad ausgerichtet sind, und mit nur einem geringfügig negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten für die Fasern in Umfangsrichtung. Deshalb, unter Bezugahme auf Figur 3, zeigt auch die Figur 17, daß eine mehrschichtige Form, in der die Kohlenstofffasern in einem Winkel von weniger als 45 Grad relativ zu einer Radialebene ausgerichtet sind, wie mit Bezugsziffer 64 dargestellt, zum Schrumpfen tendiert, wenn die Form aufgeheizt ist, so daß die Öffnung 56 im Durchmesser kleiner wird, und während des Abkühlens zum Ausdehnen tendiert, so daß dann der Durchmesser der Öffnung 56 größer wird. Wenn nun das mehrschichtige Rohrelement 16 Kohlenstofffasern aufweist, welche sich, wie die Figur 13 gezeigt, generell längs verlaufend desselben erstrecken, so daß der Winkel zwischen den Kohlenstofffasern und einer radialen Ebene, wie durch Bezugsziffer 66 dargestellt, größer als zirka 45 Grad ist, dann tendiert dieses mehrschichtige Material 16 bei Aufheizung sich radial auswärts auszudehnen und bei Abkühlung sich radial einwärts zusammenzuziehen. In einem solchen Fall, abhängig von der Wandungsdicke und Faser-Ausrichtung, kann der Öffnungs-(Innen-) Durchmesser der Form vielleicht um 12.7 bis 25.4 um (0.0005 bis 0.001 inch) zunehmen, während der Rohrelement-Durchmesser während der Abkühlung um vielleicht 25.4 bis 127 um (0.001 bis 0.005 inch) abnimmt, wodurch Spiel für das einfache Entnehmen der des ausgehärteten Rohrelements 16 gegeben ist. Wenn die Fasserausrichtung dieses Rohrelements 16 allerdings weniger längsverlaufend ist und/oder die Faserausrichtung der Form 14 von einem bevorzugten Winkel 74 von zirka 30 Grad abweicht, ist dieser Spiel selbstverständlich geringer. Außerdem, wenn das Fasermaterial des Rohrelements 16 einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, so kann dann das Abkühlen des Rohrelements 16 auch dahingehend tendieren, eine Abnahme im Durchmesser desselben zu bewirken, womit die Entnahme oder das Entfernen des Rohrelemts 16 aus der Form 14 zudem noch unterstützt wird. Folglich, bezogen auf Figur 3, wird diese Form 14 gemäß vorliegender Erfindung in Wickeltechnik oder durch anderweitiges Auftragen von Kohlenstofffaser-Filamenten, welche mit einem geeigneten Harz imprägniert sind, auf einen polierten Stahldorn 68, hergestellt. Um Faserkreuzungen zu vermeiden, die Lunker ergeben und dadurch in der inneren Fläche 56 der Form 14 Unebenheiten hervorrufen können, werden die anfänglichen oder inneren Lagen oder Schichten, zum Beispiel die erste und zweite Schicht oder Lage, wie unter 70 in der Figur 3 gezeigt, auf den Dorn 68 aufgelegt, mit den Fasern reifenförmig ausgerichtet, d.h. in einem Winkel von annähernd 0 Grad, d.h weniger als 5 Grad, im Verhältnis zur radialen Ebene 64. Um einen hohen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten in derForm 14 als auch axiale Festigkeit zur Verhinderung eines Bruches während der Handhabung zu erzielen, werden die restlichen Lagen oder Schichten über die anfänglichen oder ersten Lagen vorzugsweise spiralförmig gewickelt, so daß die Kohlenstofffasern, bezeichnet mit Bezugsziffer 72, in einem Winkel 74 ausgerichtet sind, der vorzugsweise zwischen zirka 15 und 40 Grad liegt, und im engeren Sinn bevorzugt zwischen zirka 25 und 35 Grad, wie zum Beispiel 30 Grad. Dieser Winkel 74 sollte gewählt werden, um damit eine ausreichende axiale Festigkeit zu schaffen, wobei eher eine Expansion als eine Kontraktion der Form 14 während des Abkühlens für die Entnahme des Rohrelelements 16 aus dieser zu bevorzugen ist, und kann gewählt werden unter Anwendung der Grundbegriffe, die einem Durchschnittsfachmann auf diesem Sachgebiet, dem diese Erfindung angeht, geläufig sind. Das spiralförmige Wickeln ist ein Filamentwickelverfahren, wobei der Winkel 74 entsprechend klein gehalten wird, um so der Wicklung auf der zylindrischen Fläche des Dorns 68 einen ausreichenden Halt zu geben. Auch dies ist einem Durchschnittsfachmann auf diesem Sachgebiet, den diese Erfindung angeht, bekannt. Nachdem das mit Harz imprägnierte Kohlenstofffaser-Material 70 und 72 auf den Stahldorn 68 aufgebracht ist, kann dieses dann durch Beheizung bei einer Temperatur von zirka 93ºC (200ºF) für 4 Stunden, nachfolgend bei einer Temperatur von zirka 177ºC (350ºF) für zirka 3 Stunden und darauffolgender Abkühlung ausgehärtet werden. Während des Abkühlens strecken oder verlängern sich die Fasern 70 und 72, während der Stahldorn 64 einen Schwund erfährt, so daß der Dorn 68 bequem und leichtgängig entfernt werden kann.
Das vorerwähnte Amoco 1908B Epoxyd fließt ausreichend gut, so daß das Ausbilden von Hohlräumen mit den daraus resultierenden Unebenheiten an der inneren Fläche 56 der Form 14 vermieden werden kann. Die ringförmigen Windungen 60 neigen allerdings dazu, während der Nutzung der Form 14 zu delaminieren. Um eine beständigere Arbeitsfläche 56 für eine solide Form zu schaffen, können diese Windungen 60 eliminiert werden, wie dies durch das Fehlen der Windungen aus der Figur 18 ersichtlich ist, und das Amoco 1908B Epoxyd einzusetzen.
Es wird nun auf die Figur 13 Bezug genommen. Um ein besseres Lösen und Entfernen des Rohrelements 16 von der Form zu ermöglichen, als auch die geforderten verschiedenen physikalischen Eigenschaften für solche Rohrelemente für den Einsatz in der Raumfahrt zu erfüllen, erstrecken sich die mit harzimprägnierten Kohlenstofffaser-Filamente 76 und 78 für das Rohrelement 16 in einem Winkel 82 bzw. 80 relativ zu einer radialen Ebene 66, der vorzugsweise größer als zirka 45 Grad ist, und hier insbesondere bevorzugt ein Winkel größer als zirka 60 Grad. Zum Beispiel können sich die Fasern 76 in einem Winkel 82 von zirka 60 Grad erstrecken, während die Fasern 78 in einem Winkel 80 von zirka 80 Grad liegen, dies ergibt einen hohen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie dies aus der Figur 17 ersichtlich ist.
In den Figuren 4 bis 12 ist ein schrittweises Verfahren zur Fertigung eines Rohrelements 16 in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in der Figur 4 dargestellt, wird das Verfahren initiiert durch die Aufbereitung des zusammengesetzten Materials, mit Bezugsziffer 90, für den Auftrag um den Dorn 12. Obwohl das Rohrelement 16, wenn so gewünscht, als Filament gewickelt oder gewunden werden kann, um Zeit und Kosten zu sparen, und um ein hochqualitatives Rohrelement zu schaffen, welches nicht leicht erodiert, wird das Material gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung in Form von einem oder mehreren Paaren transversaler Bandstücke 92 und 94 aufbereitet, die die Faserstränge in entgegengesetzten Winkeln 96 bzw. 98 relativ zur Seite 100 bzw. 102 ausgerichtet aufweisen, wobei diese Seiten 100 und 102 sich um den Umfang des Dorns 12 erstrecken und so eine radiale Ebene des aufzubauenden Rohrelements 16 darstellen. Wie im EP-A-0276169 offenbart, handelt es sich bei einem Transversalband, aus dem die Bandabschnitte 92 und 94 bestehen, um Steifen ungewebter, ungeknüpfter und ungewirkter harzimprägnierter Faserstrang-Abschnitte, worin eher das Harz als Wirken die Fasern zusammenhält, so daß das Fasermaterial adäquat staufrei ist, und übermäßige Taschen, die ein so gefertigtes Rohrelement andererseits leicht dem Erodieren zugängig macht, eliminiert werden.
Wie aus der Figur 5 ersichtlich, ist jedes Paar der zugeschnittenen Randabschnitte 92 und 94 zusammengefacht, mit den Vorder- und Hinterkanten 104 vorzugsweise versetzt, wie es durch die vorspringenden Bereiche 105 dargestellt ist, um damit ein übergangsloses und glattes Rohrelement 16 zu formen.
Nachdem eines oder mehrere Paare dieser zusammengesetzten Bandabschnitte vorbereitet wurden, werden diese in einer mit der Bezugsziffer 108 in Figur 6 gezeigten Einrichtung auf den Dorn 12 aufgegetragen oder aufgewickelt, wobei die Einrichtung ähnlich der in Figur 6 der vorerwähnten Anmeldung mit Serial No. 006,411 gezeigten Einrichtung entspricht. Der Dorn 12 wird zwischen 3 Verdichtungswalzen 106 eingesetzt, von denen mindestens eine dieser Walzen eine Antriebswalze ist, und die in einem den Umfang des Dorns 12 abständlich umgreifenden Verhältnis angeordnet sind. Eine Vielzahl von vielleicht sieben Druckkolben, schematisch mit Bezugsziffer 107 gezeigt und mit Druckluft beaufschlagt durch Zylinder 111, die montiert auf Tragelementen 109 abständlich über die Länge der Einrichtung 108 verteilt angeordnet sind, ermöglichen die Ausübung eines einstellbaren Druckes auf die Walzen 106 zur Druckbeaufschlagung der gefachten Bandlagen auf dem Dorn 12 für die Verdichtung deerselben. Diese Zylinder 111 sind über ein nicht gezeigtes Rohrverzweigungssystem miteinander verbunden, womit ein gleichförmiger Verdichtungsdruck ausgeübt werden kann. Die Kolben können eingezogen und die oberen Walzen 106 vom Dorn 12 abgehoben und wegbewegt werden, so daß der Dorn 12 schnell durch einen neuen Dorn ersetzt werden kann, wodurch eine rationelle Massenproduktion der Rohrelemente 16 erzielt werden kann. Ein geeigneter, nicht dargestellter Antrieb ist vorgesehen, der eine der Walzen 106 für das Auftragen und Aufrollen des Materials 90 auf den Dorn 12 antreibt, wenn dieses Material zwischen den Walzen 106 und dem Dorn 12 zu liegen kommend zugeführt wird. Alternativ kann eine Einrichtung ähnlich der in Figur 6 der vorerwähnten Anmeldung mit Serial No. 006,411 dargestellten Einrichtung verwendet werden.
Bezugnehmend auf die Figuren 13 bis 15 ist hierin dargestellt, daß das mit Harz imprägnierte Material 90 aus einer oder mehreren Bahnen 110 gefachter Bandlagen aufbereitet werden kann, die eine mit der Bezugsziffer 112 bezeichnete Länge haben, die im wesentlichen gleich oder länger als die Länge des zu formenden Rohrelements 16 ist, und deren Seiten 114, entsprechend den Seiten 100 und 102 in Figur 4, eine Länge 116 aufweisen, die im wesentlichen das Vielfache des Umfangs des Dorns 12 beträgt. Es kann zum Beispiel vorgesehen werden, daß, wie in Figur 14 gezeigt, die innere Fläche des Rohrelements 16 zwei Lagen des mit Harz imprägnierten Fasermaterials 90 hat, deren Fasern in einem Winkel von ±A liegen, gefolgt von sechs Lagen, deren Fasern sich in einem Winkel ±B erstrecken, auf denen wiederum zwei Lagen mit Fasern in einem Winkel von ±A liegen. Um eine solche Rohrelement-Konstruktion zu erzielen wird auf Figur 13 Bezug genommen, aus der hervorgeht, daß die Bahn 1 mit einem Faserwinkel ±A vorbereitet wurde und hierin eine Länge 116 aufweist, die gleich dem im wesentlichen zweifachen Umfang des Dorns 12 entspricht, so daß diese Bahn um den Dorn 12 gewickelt zwei Lagen des Fasermaterials ergibt, deren Faserwinkel ±A ist. Die Bahn 2 hat eine Seite 114 mit einer Länge 116, die im wesentlichen dem sechsfachen Umfang des Dorns 12 entspricht, wodurch sich sechs Lagen ergeben, deren Faserwinkel ±B ist. Letztlich die Bahn 3, welche gleich der Bahn 1 aufbereitet für zwei Lagen vorgesehen ist, deren Fasern sich wiederum in einem Winkel ±A erstrecken. Die Bahnen 110 der transversal verlaufenden Bänder werden in der Rohrwalz-Einrichtung 108 zuerst durch das Aufwalzen der Bahn 1 auf den Dorn 12, danach der Bahn 2 und darauffolgend der Bahn 3 aufgebracht.
Wie aus der Figur 15 ersichtlich werden die Bahnen 110 vorzugsweise versetzt zueinander aufgebracht, wobei die Seiten 114 über den Umfang des Rohrelements verteilt in verschiedenen Positionen ausgerichtet zu liegen kommen. Zum Beispiel kann die Bahn No. 1 auf den Dorn 12 so aufgebracht werden, daß die die Enden in der an einer 0º- Position zu liegen kommen. Die Bahn No.2 kann dann so aufgebracht werden, daß deren Enden in einer Position zu liegen kommen, welche auf dem Dorn um 120º entfernt ist. Die Bahn No.3 kann dann auf den Dorn 12 aufgewalzt werden, so daß deren Enden in einer Position zu liegen kommen, die in einem relativen Winkel von 240º ist. Demzufolge, nachdem Bahn 1 auf den Dorn 12 aufgetragen ist, wird dieser um 120º gedreht, wie in Figur 13 gezeigt, ehe die Bahn 2 aufgetragen wird, und nachdem Bahn 2 auftragen ist, wird der Dorn 12 wiederum um 120º gedreht, ehe die Bahn 3 aufgetragen wird. Darunter ist ist jedoch zu verstehen, daß die speziellen Arbeitsabläufe für das Auftragen des Materials, wie in den Figuren 13 bis 15 gezeigt, lediglich zum Zweck der Darstellung gegeben wurden, und verschiedene andere Arbeitsweisen zum Auftragen des Materials 90 für eine gewünschte Rohrelement-Konstruktion in Übereinstimmung mit Verfahren allgemein bekannt einem Durchschnittsfachmann auf diesem Sachgebiet, dem diese Erfindung angeht, angewendet werden können, und derartige andere Arbeitsweisen in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen.
Die spezifischen Winkel A und B der Faser-Ausrichtung in den Bahnen 110 können unter Anwendung der Grundsätze allgemein bekannt einem Durchschnittsfachmann auf diesem Sachgebiet, dem die vorliegende Erfindung angeht, ausgewählt werden, und sind auf solchen Kriterien wie axiale Steifigkeit (Widerstandsfähigkeit gegenüber axialer Kompression und Zugbeanspruchung), Verbiegen, Bedienungsschaden-Toleranz und Umfangsfestigkeit basieren. Ein typisches Rohrelement 16 kann einen Durchmesser von 5.08 cm (2 inches) haben, und eine Dicke, die auf der geforderten Steifigkeit und anderen Erfordernissen für den konstruktiven Aufbau basieren kann und die hier zwischen 1 und und 2.54 mm (0.040 und 0.01 inches) beträgt, was 8 bis 20 Lagen 92 und 94 bei einer typischen Dicke von 127 um (5 mils) pro Lage entspricht. Der in den Figuren 13 bis 15 gezeigte konstruktive Aufbau eines Rohrelements weist 20 Lagen auf und hat demzufolge eine Dicke von 2.54 mm (0.10 inch).
Nachdem das mehrschichtige Material 90 auf den Dorn 12 aufgebracht ist, wird es, wie in Figur 7 dargestellt, in Richtung 122 in die Kohlenstoff-Matrizenform 14 eingeführt.
Um ein einfaches Einführen des mehrschichtigen Materials 90 in die Form 14 zu erreichgen, ist der Durchmesser dieses ungehärtete mehrschichtigen Materials 90 auf dem Dorn vorzugsweise um 0.5 bis 1.52 mm (0.02 bis 0.06 inch) kleiner als der Durchmesser der Öffnung 56 der Form 14 gewählt, in die das mehrschichtige Material eingesetzt wird. Nach dem Einführen dieses mehrschichtigen Materials 90 in die Form 14 wird der Balg 36 durch Beaufschlagung mit Druckluft 52 ausgeweitet, um, wie bereits vorhergehend erläutert, das mehrschichtige Material 90 zur Formgebung gegen die Innenseite der Wandung der Form 14 zu pressen. Damit vergrößert sich der Durchmesser des mehrschichtigen Materials 90 vor der nachfolgenden Aushärtung um 0.5 um bis 1.52 mm (0.02 bis 0.06 inch). Um dafür die angemessene Balgausdehnung zu erreichen, wird der Balg 36 mit einem Luftdruck 52 von zirka 689.5 kPa 100 psi) beaufschlagt.
Die Figuren 8 und 9 zeigen, wie das mehrschichtige Material 90 in der Form 14 durch ein beliebiges geeignetes Verfahren gehärtet werden kann, indem es zusammen mit anderen mehrschichtigen mehrschichtigen Elementen in einem Chargen-Aushärteständer 124 untergebracht und in diesem dann in einem Aushärteofen (nicht dargestellt) plaziert wird, wobei dem Material eine entsprechende Wärme über einen entsprechenden Zeitraum zur Aushärtung des mehrschichtigen Materials zugeführt wird. Nachdem dann die gesamte Masse des mehrschichtigen Materials zum Beispiel auf 177ºC (350ºF) aufgeheizt ist, was in etwa 2 Stunden in Anspruch nimmt, kann das mehrschichtige Material für 2 weitere Stunden bei einer Temperatur von 177ºC (350ºF) ausgehärtet werden. Während der Aushärtung verkürzen sich die Fasern 70 und 72 in der Kohlenstoffform 14 durch deren negativen Wärausdehungskoeffizienten, was zur Folge hat, daß sich der Durchmesser der Öffnung 56 geringfügig, typischerweise um 12.7 bis 25.4 um (0.0005 bis 0.001 inch) reduziert.
Anders als ein Rohrautoklav, worin das auszuhärtende mehrschichtige Material in einen Balg eingebracht wird, der einwärts gegen das Mehrschichtmaterial gepreßt wird und Stauchung der Fasern in Wicklungsrichtung hervorruft, ist die Kohlenstoffform 14 der vorliegenden Erfindung im wesentlichen stabil oder fest in ihren Abmessungen (die Abnahme des Durchmessers weniger als 25.4 um, wie vorhergehend erläutert), und die Distanz, die das mehrschichtige Material anfänglich durch den unter Druck stehenden Balg 36 nach außen gedrückt wurde, wirkt sicherstellend gegen Stauchung der Fasern in Wicklungsrichtung und kann diese eher geraderichtend strecken, da das Rohrelement 16, wenn ausgehärtet, einen, wie bereits vorhergehend erläutert, größeren Durchmesser aufweist, als aufgewalzt vor der Aushärtung.
In der Figur 10 ist gezeigt, daß, nachdem das Rohrelement 16 ausgehärtet ist, dieses und die Form 14 aus dem Aushärteofen entnommen und bei Umgebungstemperatur abgekühlt werden, ehe das Rohrelement aus der Form entfernt wird. Das Abkühlen der Form 14 erlaubt den Fasern 70 und 72 darin, da sie einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, sich zu verlängern, so daß der Formen-Durchmesser 56 sich nicht reduziert, während sich der Durchmesser des Rohrelements, wie vorhergehend erläutert, reduziert, wodurch ein einfaches Entfernen des ausgehärteten Rohrelements 16 aus dieser Form in Richtung des Pfeiles 128 ermöglicht wird.
Es wird nun auf die Figuren 11 und 12 Bezug genommen. Nachdem das Rohrelemnt 16 aus der Form 14 entfernt wurde, und der Dorn 12 aus dem Rohrelement 16, kann das Rohrelemnt unter Verwendung eines geeigneten Schneidwerkzeugs 126 auf die gewünschte Länge zurechtgeschnitten werden, und das fertiggestellte Rohrelement 16 wird dann den erforderlichen Prüfungen unterworfen. Während des Aushärtungs- und Formungs-Verfahrens kann die Überlappung der Aluminium-Folie 58 als ein Stoß an der innenseitigen Fläche dieses Rohrelements 16 aufscheinen und folglich nicht an der Außenseite des Rohrelements.
Während die Verwendung eines Chargen-Aushärtungsständers 124, der in einen Aushärteofen (nicht dargestellt) eingebracht werden kann, wie dies in den Figuren 8 und 9 gezeigt ist, allgemein zufriedenstellend ist, kann dennoch ein solcher Ofen eine uneffiziente Verwendung thermischer Energie darstellen, und demzufolge der Betrieb desselben kostspielig sein. Ein Aushärteofen erfordert das an sich unerwünschte Transportieren der mehrschichtigen Elemente zum Ofen für das Aushärten, obwohl das Aushärten eher am Ort der Vorfertigung oder dergleichen gewünscht wird. Außerdem bestehen zeitliche Abstimmungskonflikte mit einem Aushärteofen, was zu unerwünschten zeitlichen Verzögerungen führt.
In der Figur 16 ist eine alternative Ausführungsform des Dorns der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Dorn, allgemein mit der Bezugsziffer 130 gekennzeichnet, umfaßt ein Rohr 132. Endverschlußstücke 134 und 136 mit Luftdurchlässen 158 und 162, 160, 140 und 164, und einen aufblasbaren Balg 138, wobei das Rohr ähnlich dem Rohr 18 in der Figur 1 ist, mit dessen Endverschlußstücken 24 und 25, und den Luftdurchlässen 44, 48, 53 und 54, sowie dem aufblasbaren Balg 36. Axial vom Luftdurchlaß 140 im Endverschlußstück 136 nach außen erstreckend ist ein axial auswärts des Endstücks 136 öffnender Durchlaß 142 für eine elektrische Verdrahtung vorgesehen. Zum Zweck eines mehr effizienteren Systems für die Aushärtung des mehrschichtigen Materials 90, als auch um einen verbesserten Fertigungsfluß im Gesamtbereich der Rohrelement-Herstellung zu erzielen sowie Abstimmungskonflikte im Arbeitsablauf zu eliminieren, die durch die Verwendung eines Aushärteofens gemäß einer Ausführungsform des Dorns der vorliegenden Erfindung auftreten können, ist eine Aushärte-Anordnung in Rohrinneren 146 vorgesehen, die aus einem elektrischen Heizelement 144 besteht. Des Heizelement 144 ist mit einer elektrischen Energiequelle über elektrische Leitungen 148 verbunden, welsich durch die Durchlässe 140 und 142 hindurch zum Stecker 150 erstrecken. Die Aushärtungstemperatur wird durch Thermoelemente geregelt, die in einer geeigneten Position angeordnet und über entsprechende Leitungen 152 mit einem geeigneten Temperaturaufzeichnungs- und Steuergerät 154 verbunden ist. Druckluft wird in Pfeilrichtung 156 durch den Durchlaß 158 und über Zweigdurchlässe 160 zur Druckbeaufschlagung des Balgs 138, und durch den Durchlaß 162 in den Rohrinnenraum 146, dann in den Durchlaß 140 im Endverschlußstück 136 und durch die Zweigdurchlässe 164 ebenfalls zur Druckbeaufschlagung des Balgs 138, ähnlich der Druckluftführung 52 in Figur 1, zugeführt. Um das Austreten von Druckluft durch den Durchlaß 142 zu verhindern, ist dieser auf geeignete Weise abgedichtet, wie zum Beispiel durch eine Dichtung 166.
Bezugnehmend auf Figur 18, ist hier das Verfahren zur Herstellung einer Form 200 entsprechend einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Form 200 umfaßt ein zylindrisches mehrschichtiges Element 202, welches ähnlich der Form 14 in Figur 3 ausgeführt sein kann. Dieses Element 202 ist durch ein spiralförmiges Wickeln von Kohlenstofffasern 204, ähnlich den Kohlenstofffasern 72, um einen metallischen Kern 210 in einem Winkel 206 relativ zur Radialebene 202 hergestellt, wobei der Winkel 206 ähnlich dem Winkel 74 in Figur 3 ist. Dieses Fasermaterial 204 ist mit einem geeigneten Harz imprägniert. Anders als in Figur 3 weist das Formelement 202 zur Schaffung einer verschleißfesteren inneren Fläche keine Lage ringförmiger Windungen auf, und es wird das vorhergehend erwähnte Amoco 1908B Epoxyd oder ein anderes geeignetes Epoxyd verwendet, welches ausreichend fließfähig ist und dadurch nur kleine oder überhaupt keine Lunker ausbildet.
Da die Form 200 infolge des niedrigen Fadenwindungswinkels 206 unzureichend starr sein kann, können Mehrschicht-Rohrelemente über 1.83 m (6 feet) Länge zu einer Durchbiegung tendieren, und zwar unter Umständen bis zu 0.5 mm (0.020 inch) bei über 1.83 m Lange während der Aushärtung in dieser Kohlenstoff-Mehrschichtform 200, wenn diese beim Aushärten über deren Länge nicht ausreichend abgestützt ist.
Um ein übermäßiges Durchbiegen der Rohrelemente zu verhindern. während diese zum Aushärten in der Form gemäß der alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind, ist ein starres rohrförmiges Element vorgesehen, in welches das Formelement 202 aufgenommen, jedoch nicht mit diesem verklebt ist, so daß das Formelement 202 davon unbeeinflusst ist. Obwohl dieses starre rohrförmige Element aus Stahl oder einem anderen starren Material bestehen kann, ist dieses Element 212 hierin aus Kohlenstoff-Mehrschichtmaterial hergestellt, wobei das Element 212 satt anliegend übergreift jedoch nicht auf andere Weise am Formelement 202 festgelegt ist, und eine Dicke im Bereich von 0.5 bis 1.52 mm (0.02 bis 0.06 inch) aufweist, um eine ausreichende Steifigkeit zur Verhinderung einer übermäßigen Durchbiegung der Rohrelemente während des Aushärtens zu erreichen. Die Form selbst kann eine Dicke im Breich von 2.54 bis 3.81 mm (0.1 bis 0.15 inch) haben.
Ein geeigneter auf Teflon basierender Trennfilm 214, wie beispielsweise die vorhergehend erwähnte FEP-Trennfaser, wird auf die Außenfläche des Formelements 202 zum Aufwickeln des Verstärkungselements 212 aufgebracht. Um einen Abstand vom 50.8 bis 101.6 um (0.002 bis 0.004 inch) zwischen den Elementen 202 und 212 zu wahren, als auch das mehrschichtige Material des Elements 202 zu stärken, wird vorzugsweise ein Teflon-Schrumpfband, vor der Aushärtung, auf das Element 202 aufgebracht und auch nach der Herstellung der Form 200 darauf belassen. Nachdem das Formelement 202 ausgehärtet ist, wird das starre rohrförmige Element 212 mittels Filamentwindungen aus Kohlenstoff-Filamentmaterial, imprägniert in einem geeigneten Harz darauf gewickelt, und zwar in einem Winkel 218 relativ zu einer Radialebene 220, der größer als zirka 60 Grad ist, wie zum Beispiel zirka 80 Grad, und der geeignet ist, die gewünschte Steifigkeit zu erzielen, wodurch die Größe der Durchbiegung auf weniger als 0.5 mm (0.005 inch) bei einer Länge über 1.83 m (6 feet) reduziert werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Mehrschicht-Rohrelementen (16). umfassend die Verfahrensschritte:

a. Auftragen von harzimprägnierten Fasermaterial auf einen langgestreckten Dorn (12), der einen aufblasbaren Balg (36) aufweist,

b. Einbringen des Dorns (12) auf dem das harzimprägnierte Fasermaterial aufgebracht ist, in eine langgestreckte Kohlenstofffaser- und Harz-Mehrschichtform (Matrize) (14),

c. Druckbeaufschlagung des Balges (36) zum Anpressen des darauf aufgebrachten harzimprägnierten Fasermaterials in Auswärtsrichtung gegen die innere Wandung der Form zur Formgebung desselben,

d. Zuführung von Wärme zur Aushärtung des in die Form eingebrachten harzimprägnierten Fasermaterials,

e. das ausgehärtete Fasermaterial anschließensabkühlen lassen, und -

f. Entfernen des ausgehärteten harzimprägnierten Fasermaterials aus der Form,

dadurch gekennzeichnet, daß die Form (14) eine einteilige Kohlenstofffaser- und Harz-Mehrschichtform ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (14) so gewählt ist, daß die Fasern (72) in einem Winkel zu einer Radialebene dieser Form ausgerichtet sind, der zwischen 15 und 40 Grad ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Auftragen des harzimprägnierten Fasermaterials auf den Dorn die Aufbereitung zumindest eines Stücks eines unidirektionalen Kohlenstofffaser-Querbandes (92,94) und das Aufwalzen des Bandes auf den Dorn einschließt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallfolie (58) um dieses aufgebrachte harzimprägnierte Fasermaterial herum aufgetragen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung von Wärme zur Aushärtung des harzimprägnierten Fasermaterials in der Form mittels einer Heiz-Einrichtung (144) erfolgt die innenseitig des Dorns (130) angeordnet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr mittels eines elektrischen Heizelements (144) erfolgt, angeordnet innerhalb eines Hohlraums im Dorn, und mit Leitungen (148) zur Zuführung elektrischer Energie, der Dorn (130) aus einem länglichen zylindrischen Körper besteht, um dessen radial äußere Fläche der Balg angeordnet ist, und wobei Luftdurchlässe (140,158,160,162,164) zwischen dem Hohlraum im Dorn und der äußeren zylindrischen Fläche des Dorns an beiden Enden desselben vorgesehen sind, und Luft unter Druck in diesen Hohlraum an einem Ende desselben zugeführt wird gegemüberliegend dem anderen abgedichteten Ende, durch welches die Leitungen (148) zur Außenseite des Dorns geführt sind, wobei die Luft durch die Durchlässe in den Balg an beiden Enden desselben zum Aufblasen desselben strömt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einteilige Kohlenstofffaser- und Harz-Mehrschichtform in einem starren zylindrischen Element (212) eingesetzt angeordnet ist, welches in einem engen umgreifenden Verhältnis mit der Form ist, wodurch die Geradlinigkeit der Form aufrechterhalten wird.

8. Einrichtung zur Herstellung eines nahtlosen Mehrschicht-Rohrelements (16), bestehend aus einer länglichen Matrizenform (14) mit einer längs durch diese hindurch erstreckenden Öffnung für das Einbringen eines Dorns, auf welchem harzimprägniertes Fasermaterial zur Aushärtung und Formgebung desselben aufgebracht werden kann, einem Dorn (12), welcher einen länglichen zylindrischen Körper mit einem Hohlraum innenseitig desselben einschließt, und in die Öffnung für die Aushärtung und Formgebung des darauf aufgebrachten harzimprägnierten Fasermaterials einsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (14) einstückig aus einem Kohlenstofffaser- und Harz-Verbundmaterial besteht, durch welches sich die Offnung längs erstreckt, und daß in dem Hohlraum des Dorns Mittel zur Wärmeerzeugung für die Aushärtung des auf den Dorn aufgebrachten harzimprägnierten Fasermaterials untergebracht sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, ferner gekennzeichnet durch eine radial äußere Fläche des Körpers, und einen Balg (36), angeordnet um diese radial äußere Fläche und ansprechend auf Druckbeaufschlagung für das Anpressen eines harzimprägnierten Fasermaterials, welches auf diesem aufgebracht ist, nach außen gegen die innere Fläche der Öffnung für die Formgebung des harzimprägnierten Fasermaterials, wobei das einstückige Verbandmaterialform Kohlenstofffaser-Material einschließt, welches einen negativen Wärmeausdehungskoeffizienten hat, und die Fasern des Materials in einen Winkel ausgerichtet sind, der zwischen 15 und 60 Grad relativ zu einer Radialebene der Form liegt.

10. Einrichtung nhach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg (36) aus Silikongummi besteht.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, ferner gekennzeichnet durch Mittel zur Versteifung, umfassend ein zylindrisches Element (212) in Anordnung um die einstückige Verbandform in einem eng-anliegenden umgreifenden Verhältnis für die Aufrechterhaltung der Geradlinigkeit dieser einstückigen Verbundform.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß dieses zylindrische Element sich aus ausgehärteten harzimprägnierten Kohlenstofffaser-Material zusammensetzt ist, worin die Fasern (216) in einem Winkel (218) ausgerichtet sind, welcher größer als 60 Grad relativ zu einer Radialebene der Form ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (216) des zylindrischen Elements (212) in einem Winkel (218) ausgerichtet sind, der gleich oder in etwa 80 Grad ralativ zu einer Radialebene der Form ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (72,204) des Kohlenstofffaser-Materials dieser einstückigen Verbundform (16,202) in einem Winkel (74,206) ausgerichtet sind, der zwischen 15 und 40 Grad relativ zu einer Radialebene (64,204) der Form liegt.

15. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (72,204) des Kohlenstofffaser-Materials in einem Winkel ausgerichtet sind, der zwischen 25 und 35 Grad relativ zu einer Radialabene der Form liegt.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (72,204) des Kohlenstofffaser-Materials in einem Winkel ausgerichtet sind, der bei zirka 30 Grad relativ zu einer Radialebene der Form liegt.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung zumindest ein elektrisches Heizelement (144) umfaßt.

18. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeerzeugenden Mittel ein elektrisches Heizelement (144), in Anordnung innerhalb eines Hohlraums im Dorn (130) und Leitungen (148) für die Zuführung elektrischer Energie zum Heizelement umfassen, ein Balg (36) um die radial äußere Fläche des Dorns angeordnet ist und ansprechend auf Druckbeaufschlagung zum Anpressen eines darauf aufgetragenen harzimprägnierten Fasermaterials auswärts gegen die innere Fläche der Öffnung der Form für die Formgebung des harzimprägnierten Fasermaterials, und Luftdurchlässe (140,158,160,162,164) zwischen dem Hohlraum im Dorn und dessen äußerer zylindrischer Fläche an beiden Enden desselben vorgesehen sind, die die zugeführte Luft unter Druck in den Hohlraum zum Aufblasen des Balgs an beiden Enden leiten, wobei an einem Ende des Dorns ein Einlaß für die Zuführung der Druckluft in diesen Hohlraum und am anderen Ende des Dorns eine Durchführung für die in den Hohlraum und zum elektrischen Heizelement führenden Leitungen vorgesehen ist, die gegen das Entweichen von Druckluft aus dem Hohlraum abgedichtet sind.