DE4402984A1 - Verfahren zur Herstellung von Rohrleitungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Rohrleitungen

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Rohrleitungen mit räumlich gekrümmter Geometrie und vorgegebenem Steifigkeitsverlauf.
Rohrleitungen in Leichtbauweise mit komplizierter räumlich gekrümmter Geometrie und vorgegebenem entlang ihrer Länge unterschiedlichen Steifigkeitsverhalten, werden insbesondere zur Übertragung von Treibstoffen in der Luft- und Raumfahrt benötigt, z. B. als Betankungssystem zur Zufuhr von Brennstoffen, wie N₂O₄, MMH (Monomethylhydrazin) etc., wie sie im Ariane-Raumfahrtsystem benötigt werden.
Derartige Rohrleitungen wurden bisher in Form kurzer Rohrleitungsabschnitte mit einfachem geradlinigen Aufbau entweder durch die übliche Wickeltechnik oder durch Laminieren zweier Halbschalen in einer positiven Form erzeugt, wobei die Halbschalen anschließend zu einem Rohrleitungsabschnitt verbunden wurden und die verschiedenen Rohrleitungsabschnitte mittels Verbindungsstücken zur erforderlichen räumlich gekrümmten Geometrie und einem vorgegebenen Steifigkeitsverlauf vereinigt wurden, wobei Rohrabschnitte unterschiedlicher Dicke hergestellt werden mußten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Rohrleitungen mit räumlich gekrümmter Geometrie und vorgegebenem Steifigkeitsverlauf zu schaffen, bei dem die Rohrleitung in ihrer Gesamtlänge mit vorgegebener komplizierter räumlich gekrümmter Geometrie in einem Arbeitsgang und geringem Aufwand herstellbar ist und zugleich einen vorgegebenen Steifigkeitsverlauf aufweist, d. h. an besonders beanspruchten Stellen eine höhere Wanddicke aufweist, ohne daß Verbindungsstücke für die geradlinigen Rohrabschnitte zur Erzielung der räumlich gekrümmten Geometrie erforderlich sind.
Gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel weist das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte auf:
Herstellen eines den Innendurchmesser der Rohrleitung angepaßten Kernes aus einem niedrigschmelzenden Material;
Überführen des Kernes in die gewünschte Form;
Aufschieben einer Hülle aus einem thermoplastischen Material auf den Kern;
Aufziehen eines elastischen schlauchförmigen Gewebestrumpfes aus Faserverbundstoff auf die Hülle mit einem Kraftaufwand, der zum Anliegen des Gewebestrumpfes auf der am Kern anliegenden Hülle führt;
Tränken des Gewebestrumpfes mit einem aushärtbaren Harz;
Aushärten des derart imprägnierten Gewebestrumpfes und
Ausschmelzen des Kernes durch Erwärmen.
Gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel weist das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte auf:
Herstellen einer dem Außendurchmesser der Rohrleitung angepaßten Hohlform aus einem niedrigschmelzenden Material;
Überführen der Hohlform in die gewünschte Gestalt;
Einziehen eines elastischen schlauchförmigen Gewebestrumpfes aus Faserverbundwerkstoff in die Hohlform;
Einschieben einer Hülle aus einem thermoplastischen Material in den Gewebestrumpf;
Einschieben eines aufblasbaren mit einer Druckfluidquelle verbundenen Schlauches in die Hülle und Beaufschlagen des Schlauches mit dem Druckfluid mit einem Kraftaufwand, der zum Anliegen des Gewebestrumpfes an der Innenwand der Hohlform führt;
Tränken des Gewebestrumpfes mit einem aushärtbaren Harz;
Aushärten des derart imprägnierten Gewebestrumpfes und
Entfernen der Hohlform durch Erwärmen.
Die erfindungsgemäßen Rohrleitungen sind ohne Sonderfertigungsmittel in Leichtbauweise mit variablem Durchmesser und/oder variablen Steifigkeiten schnell und einfach herstellbar. Sie eignen sich insbesondere zum Betanken von Raketen für die Raumfahrt, wobei sie eine beliebige vorgegebene Geometrie aufweisen können und keinerlei Verbindungsstücke zwischen ihren beiden Endanschlüssen benötigen, um diese Geometrie zu erzielen. Mit ihnen können sowohl flüssige als auch gasförmige Medien übertragen werden; bereits bei der Herstellung an den beiden Enden integrierte Verbindungsstücke in Form von Rohrfittingen und Rohrmuffen, ermöglichen einen schnellen zeitsparenden Anschluß an den Vorratsbehälter für den Treibstoff bzw. den Aufnahmebehälter an der Rakete.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Rohrleitung während des Herstellungsverfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Rohrleitung während des Herstellungsverfahrens gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Kern in Form eines Hohlrohrs aus einem niedrigschmelzenden Material bezeichnet, das z. B. ein Ferrometall ist und einen Schmelzpunkt in der Größenordnung von 50°C aufweist. Der Kern 1 kann in beliebiger Länge und als gerades Rohr (oder auch als Vollrund) hergestellt werden und anschließend mit den bekannten Biegeverfahren beispielsweise auf einer CNC-Biegemaschine in die entsprechende Form gebogen werden, die beliebig kompliziert sein kann; die Gesamtlänge des Kerns 1 entspricht der Gesamtlänge der erwünschten Rohrleitung. Der Kern 1 kann auch in einer entsprechenden Form gemäß der gewünschten Geometrie gegossen werden und verschieden dicke Abschnitte aufweisen.
Nachdem der Kern 1 in die gewünschte Form überführt worden ist, wird auf ihn eine Hülle 2 aus einem thermoplastischen schlauchförmigen Material aufgeschoben; diese Hülle 2 kann entweder vor dem Biegen des Kerns 1 zusammen mit einer Schutzfolie auf den Kern 1 aufgeschoben werden oder aber nach dem Biegen als Schrumpfschlauch auf den Kern 1 aufgeschoben werden. Die Armierung der Hülle 2 erfolgt mittels eines schlauchförmigen Gewebestrumpfes 3, der aus einem elastischen Faserverbundstoff, wie z. B. Glasfasern, Kohle, Bor etc. besteht und der auf die Hülle 2 mit einem Kraftaufwand aufgezogen wird, der zum Anliegen des elastischen schlauchartigen Gewebestrumpfes 3 auf die Außenwand der Hülle 2 führt.
Der Gewebestrumpf 3 kann vor dem Aufziehen auf die Hülle 2 mit einem Harz getränkt sein; vorteilhafterweise wird jedoch der schlauchartige Gewebestrumpf 3 nach dem Aufziehen auf die Hülle 2 mit dem bekannten Vakuum-Injektionsverfahren mit einem Kunstharz getränkt, das später ausgehärtet wird.
Die an den beiden Enden der herzustellenden Rohrleitung erforderlichen Fittinge, d. h. Verbindungsstücke, werden bereits während des Herstellungsverfahrens fest mit der Hülle 2 und dem Gewebestrumpf 3 aus Faserverbundwerkstoff verbunden.
Nach dem Tränken des Gewebestrumpfes 3 mit einem Harz erfolgt dessen Aushärtung z. B. durch UV-Bestrahlung oder aber bei Temperaturen, die unterhalb der Schmelztemperaturen des Kerns 1 liegen müssen; eine Entfernung des Kerns 1 erfolgt durch dessen Ausschmelzen durch Wärmezufuhr auf eine Temperatur, die höher als dessen Schmelztemperatur ist; nach dem Ausschmelzen des Kernes 1 kann der elastische schlauchförmige ausgehärtete Gewebestrumpf 3 noch getempert werden.
Um eine besonders glatte Innenfläche der Hülle 2 zu erzielen, die mit dem zu transportierenden Brennstoff in Verbindung steht, ist es vorteilhaft, vor dem Aufbringen der Hülle 2 auf den Kern 1 letzteren mit einer Schrumpfschlauch-Schutzfolie zu versehen, welche nach dem Ausschmelzen des Kerns wieder entfernt wird, um so zu verhindern, daß Rückstände an der Innenwand der Hülle 2 haften bleiben, die später zu unerwünschten Turbulenzen im strömenden Fluid in der Rohrleitung führen könnten.
Zur Erzielung des gewünschten Steifigkeitsverhaltens können an vorgegebenen Stellen der herzustellenden Rohrleitung lokale Verdickungen der Wandstärke durch ein- oder mehrmaliges Umstülpen des schlauchförmigen Gewebestrumpfes 3 erzeugt werden oder aber auch dadurch, daß an vorgegebenen Stellen der Rohrleitung ein oder mehrere Gewebestrumpf- Abschnitte zusätzlich auf den bereits aufgezogenen Gewebestrumpf 3 aufgeschoben werden und ebenfalls mit Harz getränkt werden. Dadurch ist es möglich, eine Verdoppelung, Verdreifachung, Vervierfachung etc. der Wandstärke des Gewebestrumpfes 3 an ausgewählten Stellen und damit eine Erhöhung des Steifigkeitsverhaltens der Rohrleitung an diesen Stellen zu erzielen.
Gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Querschnitt einer erfindungsgemäßen Rohrleitung während des Herstellungsverfahrens wird eine Hohlform 11 aus einem niedrigschmelzenden Material, beispielsweise Ferrometall, mit einem Schmelzpunkt von 50°C hergestellt, und zwar als einteiliges Rohr, dessen Innendurchmesser dem Außendurchmesser der herzustellenden Rohrleitung angepaßt ist oder aber (wie es in der Zeichnung angedeutet ist) aus zwei Halbschalen, die nach der getrennten Herstellung zusammengefügt werden. Nachdem die Hohlform durch Biegen oder bereits durch den Gußvorgang in die entsprechende gewünschte Gestalt überführt worden ist, wird ein elastischer schlauchförmiger Gewebestrumpf 13 aus Faserverbundstoff in die Hohlform 11 eingezogen und anschließend eine Hülle 12 aus einem thermoplastischen Material in den schlauchförmigen Gewebestrumpf 13 eingeschoben. Ein nicht dargestellter elastischer aufblasbarer Schlauch wird in die Hülle 12 aus thermoplastischem Material eingeführt und mit einer Druckfluidquelle verbunden. Auch hier wird der schlauchförmige Gewebestrumpf 13 mit einem entsprechenden Kunstharz getränkt, beispielsweise im Vakuum- Injektionsverfahren oder aber auch vorimprägniert; nach dem Aufblasen des in die Hülle 12 eingeführten Schlauches durch Verbinden mit einer Druckfluidquelle liegt der Gewebestrumpf 13 an der Innenwand der Hohlform 11 an und die Hülle 12 an der Innenwand des Gewebestrumpfes 13. Nach dem nun erfolgenden Aushärten des Gewebestrumpfes 13 und Entfernen der Hohlform 11 beispielsweise durch Ausschmelzen bzw. Lösen der Verbindungen zwischen den beiden Halbschalen erhält man die aus Hülle 12 und Armierung 13 bestehende Rohrleitung; um auch hier ein vorgegebenes variables Steifigkeitsverhalten zu erzielen, werden Gewebeverstärkungsbandagen oder Strumpfstulpen analog (Fig. 1) hergestellt.
Bei der Rohrleitung, die gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 1) hergestellt wird, erzielt man eine glatte Innenwand bei einer zugleich rauhen Außenwand; bei der Rohrleitung, die gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 2) hergestellt wird, erzielt man sowohl eine glatte Außenwand als auch eine glatte Innenwand, wobei auch hierbei zwischen dem aufblasbaren Schlauch und der Hülle eine Schutzfolie während des Herstellungsvorgangs eingeführt werden kann, die nach dem Entfernen des aufblasbaren Schlauches ebenfalls entfernt wird.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung von Rohrleitungen mit räumlich gekrümmter Geometrie und vorgegebenem Steifigkeitsverlauf, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Verfahrensschritte:
  • - Herstellen eines dem Innendurchmesser der Rohrleitung angepaßten Kernes aus einem niedrigschmelzenden Material;
  • - Überführen des Kernes in die gewünschte Form;
  • - Aufschieben einer Hülle aus einem thermoplastischen Material auf den Kern;
  • - Aufziehen eines elastischen schlauchförmigen Gewebestrumpfes aus Faserverbundstoff auf die Hülle mit einem Kraftaufwand, der zum Anliegen des Gewebestrumpfes auf der am Kern anliegenden Hülle führt;
  • - Tränken des Gewebestrumpfes mit einem aushärtbaren Harz;
  • - Aushärten des derart imprägnierten Gewebestrumpfes und
  • - Ausschmelzen des Kernes durch Erwärmen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als niedrigschmelzendes Material ein Ferrometall mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 40 bis 60°C verwendet wird.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ferrometall in Form eines geraden Rohres hergestellt wird, das mittels einer Biegemaschine in die erwünschte Form überführt wird.
4. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ferrometall in Gestalt der endgültigen Rohrleitung durch Gießen in zwei Halbschalen mit anschließendem Verbinden hergestellt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufschieben der Hülle eine Schrumpfschlauch-Schutzfolie auf den Kern aufgebracht wird, die nach dem Ausschmelzen des Kernes entfernt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle nach dem Biegen des Kernes in Form eines eng anliegenden schrumpfbaren Schlauches aufgeschoben wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der schlauchförmige Gewebestrumpf mittels des Vakuum-Injektions-Verfahrens mit einem Kunstharz getränkt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an vorgegebenen Stellen der Rohrleitung lokale Verdickungen der Wandstärke durch ein- oder mehrfaches Umstülpen des schlauchförmigen Gewebestrumpfes erzeugt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an vorgegebenen Stellen der Rohrleitung lokale Verdickungen der Wandstärke durch Aufschieben eines oder mehrerer Gewebestrumpf-Abschnitte erzeugt werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden der Rohrleitung Verbindungsstücke vorgesehen werden, die sowohl mit der Hülle als auch mit dem schlauchförmigen Gewebestrumpf verbunden werden.
11. Verfahren zur Herstellung von Rohrleitungen mit räumlich gekrümmt er Geometrie und vorgegebenem Steifigkeitsverlauf, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Verfahrensschritte:
  • - Herstellen einer dem Außendurchmesser der Rohrleitung angepaßten Hohlform aus einem niedrigschmelzenden Material;
  • - Überführen der Hohlform in die gewünschte Gestalt;
  • - Einziehen eines elastischen schlauchförmigen Gewebestrumpfes aus Faserverbundstoff in die Hohlform;
  • - Einschieben einer Hülle aus einem thermoplastischen Material in den Gewebestrumpf;
  • - Tränken des Gewebestrumpfes mit einem aushärtbaren Harz;
  • - Einschieben eines aufblasbaren mit einer Druckfluidquelle verbundenen Schlauchs in die Hülle und Beaufschlagen des Schlauchs mit dem Druckfluid mit einem Kraftaufwand, der zum Anliegen des Gewebestrumpfes an die Innenwand der Hohlform führt;
  • - Aushärten des derart imprägnierten Gewebestrumpfes und
  • - Entfernen der Hohlform durch Erwärmen.
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