DE4408637A1

DE4408637A1 - Verfahren zur Herstellung eines mit einem Faserverbundwerkstoff verstärkten Körpers

Info

Publication number: DE4408637A1
Application number: DE4408637A
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl Ing Rasche
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Mcs Cylinder Systems 46535 Dinslaken De GmbH
Priority date: 1994-03-09
Filing date: 1994-03-09
Publication date: 1995-09-14
Anticipated expiration: 2014-03-10
Also published as: US5597430A; DE4408637C2; FR2717117A1; FR2717117B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit einem Faserverbundwerkstoff verstärkten Körpers, insbesondere Flaschen oder Behälter aus Metall oder Kunststoff zur Aufnahme eines gasförmigen Mediums unter Druck gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.

Ein gattungsmäßiges Verfahren ist aus der US-PS 4,559,974 bekannt. Bei diesem Verfahren werden um den zu verstärkenden Hohlkörper längs im wesentlichen nebeneinanderliegenden Schraubenwindungen eine Vielzahl von leichten, hochfesten, anorganischen, nichtleitenden und nichtmetallischen Garnen aufgewickelt. Das einzelne Garn wird von jeweils einer Spule abgezogen, wobei eine Vielzahl von Spulen in einem Spulenhalter angeordnet sind. Die einzelnen abgezogenen Garne werden zusammengebündelt und vor dem Aufwickeln auf den Hohlkörper mit einem Harz benetzt. Dieses bekannte Verfahren hat in Verbindung mit der Verwendung eines duromeren Harzes im Vergleich zu einem Thermoplast als Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes folgende Nachteile: weniger gut recyclingfähig, längere Verarbeitungszeit, begrenzte Lagerfähigkeit des Vormaterials, größere Feuchtigkeitsaufnahme, niedrigere Temperaturbeständigkeit und Bruchdehnung.

Aus der EP-OS 0060856 ist das sogenannte Spiflex-Verfahren bekannt, bei dem ein faserverstärkter Thermoplast, der zuvor als Bandhalbzeug präpariert wurde, unter Vorspannung auf den zu verstärkenden Hohlkörper gewickelt wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß die Herstellung des Bandes im Vergleich zur zuvor erläuterten Naßwickeltechnik zusätzliche Kosten verursacht, so daß die verfahrenstechnischen Vorteile, die durch den Einsatz von Thermoplast als Matrixmaterial ermöglicht werden, in wirtschaftlicher Hinsicht wieder zunichte gemacht werden. Weiterhin wird die Anwendungsvielfalt eingeschränkt, da durch das Band die wesentlichen Eigenschaften der Wickellage festgelegt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines mit einem Faserverbundwerkstoff verstärkten Körpers, insbesondere Flaschen oder Behälter aus Metall oder Kunststoff zur Aufnahme eines gasförmigen Mediums unter Druck anzugeben, das im Vergleich zum Spiflex-Verfahren kostengünstiger ist und eine größere Anwendungsvielfalt bietet hinsichtlich der Gewichtsreduzierung gegenüber Bauweisen in Vollmaterial aus Metall.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind Bestandteil von Unteransprüchen.

Im Unterschied zum bekannten Stand der Technik werden die Faserstränge (Garne oder rovings) unter geregelter Zugspannung aufgewickelt. Dies wird dadurch erreicht, daß das Garn oder die Garne über mehrere Rollen geführt werden.

Die Rollen können mit geeigneten Mitteln, z. B. Elektromotoren zusätzlich gebremst werden, so daß mit einer entsprechenden Regelung die Vorspannung im Garn während des Aufwickelns auf den Körper geregelt werden kann. Statt der Benetzung mit einem Duromer (Harz) wird mittels eines Extruders, der während des Wickelns den aufzuwickelnden Fasersträngen folgt, eine Polymerschmelze auf das Substrat (Körperoberfläche) geleitet und die aufzuwickelnden Garne werden in diese Polymerschmelze mit oder ohne Vorspannung hereingezogen. Zusätzlich wird zur besseren Imprägnierung der Faserstränge Polymerschmelze auf die Oberfläche der Faserstränge geleitet. Des weiteren können die Faserstränge unmittelbar vor dem Aufwickeln gespreizt werden, um eine bessere Umhüllung der Faseroberflächen mit dem Thermoplast zu erzielen. Zur Verbesserung der Benetzung der Faserstränge und dem zu verstärkenden Körper kann man unterstützend einen zweiten Extruder vorsehen. Unmittelbar nach dem Aufwickeln ist eine Glätt- und Kühl- bzw. Heizrolle angeordnet, mit deren Hilfe sich ergebende Unebenheiten beim Wickeln beseitigt werden. Die Glättrolle kann auch temperaturgeregelt beheizt werden.

Der Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, daß die Kosten für die Herstellung eines Wickelbandes eingespart werden und trotzdem die Vorteile von Thermoplasten als Matrixmaterial genutzt werden können. Des weiteren können die Fasern unter Vorspannung aufgewickelt werden, so daß im Hinblick auf die verschiedenen E-Module von Körper und Faserverbundwerkstoff ein gleichmäßiges Abtragen der Spannungen im Bauteil möglich wird sowie thermisch induzierte Eigenspannungen während der Abkühlung der Polymerschmelze vermieden werden.

Alternativ wird vorgeschlagen, daß anstelle eines Extruders beispielsweise eine beheizbare bzw. temperaturgeregelte Doppelbandpresse eingesetzt wird. Die zuvor gespreizten Faserstränge werden vor Einlauf in die Doppelbandpresse durch mitlaufende Thermoplastfolien oder -bänder benetzt. Beim Durchlauf werden die Folien- bzw. Bänder weich oder sogar flüssig, so daß eine innige Verbindung mit den Fasersträngen erreicht wird. Nach Verlassen der Doppelbandpresse wird der so präparierte Faserstrang auf den zu verstärkenden Körper aufgewickelt.

Um Flaschen, Behälter oder andere Hohlkörper, z. B. für den Gasantrieb von PKW′s wirtschaftlich zu wickeln, wird weiterhin vorgeschlagen, mehrere Spindeln an der Wickelanlage vorzusehen, so daß mehrere Behälter bzw. Flaschen unter- oder nebeneinander liegend gleichzeitig bewickelt werden können.

Anhand einer Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 2 eine Draufsicht von Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung.

In Fig. 1 ist in einer Seitenansicht und in Fig. 2 in einer Draufsicht stark vereinfacht eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt.

Von einem Spulenständer 1, auf dem eine Vielzahl von Spulen 8 angeordnet sind, wird das einzelne Garn abgezogen. Die einzelnen Garne werden in einer Rollvorrichtung 2 zusammengefaßt und anschließend über verschiedene Umlenkrollen 3 geführt und dabei unter Vorspannung gesetzt. Die Erzeugung der Vorspannung beruht auf dem Prinzip der Seilreibung nach Euler-Eytelwein (F₁ = F₂ · e ^µ ^α; mit µ = Reibfaktor, α = Umschlingungswinkel). Zusätzlich können, wie bereits schon erwähnt, die Rollen 3 beispielsweise mittels eines Elektromotors gebremst werden. Damit können geregelt höhere Vorspannungen erzeugt werden. Der vorgespannte Faserstrang 9 wird einer Spreizeinrichtung 4 zugeführt. Nach dem Spreizen werden die gespreizten: und vorgespannten Garne auf den zu verstärkenden rotierenden Körper 7 gewickelt. Die Rotation des Körpers 7 ist durch einen Pfeil kenntlich gemacht. Bevor die Garne auf die Körperoberfläche 7 treffen, ist die betreffende Stelle mit einer flüssigen thermoplastischen Schmelze 12 belegt. Diese Schmelze 12 fließt aus dem in Fig. 1 links gezeichneten Extruder 5. Zusätzlich werden die Garne von oben ebenfalls mit einer thermoplastischen Schmelze 13 imprägniert. Diese Zusatzschmelze fließt aus dem in Fig. 1 rechts dargestellten Extruder 5. Anschließend werden mit einer temperaturgeregelten Glättrolle 6 die frisch imprägnierten Garne konsolidiert.

In Fig. 3 ist in einer Seitenansicht eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt. Statt eines Extruders wird bei dieser Ausführung eine beheizbare Doppelbandpresse 11 eingesetzt. Das Abziehen der einzelnen Garne von den Spulen 8 sowie das Verfahren der Bündelung 2 und Vorspannung 3 ist gleich dem in Fig. 1, 2 dargestellten Verfahren, so daß sich eine Wiederholung erübrigt. Im Unterschied zu Fig. 1, 2 wird der Doppelbandpresse 11 neben den vorgespannten und in der Rollvorrichtung 4 gespreizten Garnen 9 zusätzlich Thermoplastfolien- oder -bänder 14 zugeführt. Die Folien bzw. Bänder 14 werden von oben und unten angeordneten Rollen 10 abgezogen. Durch die Beheizung der Doppelbandpresse 11 verflüssigt sich die Thermoplastfolie 14 und imprägniert auf diese Weise den Faserstrang 9. Nach Verlassen der Doppelbandpresse 11 werden die imprägnierten Garne auf den rotierenden Körper 7 gewickelt. Je nach Temperaturverhältnissen kann es erforderlich sein, die Imprägnierung mit einer Zusatzheizung zu beaufschlagen. Dazu wird beispielsweise ein Gasbrenner 15 im Bereich des Körpers 7 vor der Wickelstelle angeordnet. Durch diese Zusatzheizung wird sichergestellt, daß die Imprägnierung für eine innige Verbindung mit dem Substrat auf die vorgegebene optimale Temperatur gehalten wird. Die Glättung der jeweiligen Wickellage erfolgt durch eine bereits in Fig. 1, 2 erwähnte Glättrolle 6.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines mit einem Faserverbundwerkstoff verstärkten Körpers, insbesondere Flaschen oder Behälter aus Metall oder Kunststoff, zur Aufnahme eines gasförmigen Mediums unter Druck, bei welchen um den Körper herum längs im wesentlichen nebeneinanderliegenden Schraubenwindungen eine Vielzahl von leichten, hochfesten anorganischen oder organischen, nichtleitenden oder leitenden sowie nichtmetallischen Garnen aufgewickelt werden, wobei einzelne Faserstränge oder Fasern, von jeweils einer Spule abgezogen und gebündelt und vor dem Aufwickeln auf den Körper mit einem benetzbaren Kunststoffmaterial imprägniert werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufwickeln der Garne unter einer vorgegebenen regelbaren Zugspannung erfolgt und beim Wickeln das einzelne Garn mit einer Polymerschmelze aus Thermoplast imprägniert und jede einzelne Wickellage temperaturgeregelt geglättet und/oder gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerschmelze gleichzeitig oder versetzt auf das zu wickelnde Garn und auf den zu verstärkenden Körper aufgegeben wird.

3. Verfahren zur Herstellung eines mit einem Faserverbundwerkstoff verstärkten Körpers, insbesondere Flaschen oder Behälter aus Metall oder Kunststoff zur Aufnahme eines gasförmigen Mediums unter Druck, bei welchem um den Körper herum längs im wesentlichen nebeneinanderliegenden Schraubenwindungen eine Vielzahl von leichten, hochfesten anorganischen oder organischen, nichtleitenden oder leitenden sowie nichtmetallischen Garnen aufgewickelt werden, wobei einzelne Faserstränge oder Fasern von jeweils einer Spule abgezogen und gebündelt und vor dem Aufwickeln auf den Körper mit einem benetzbaren Kunststoffmaterial imprägniert werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufwickeln der Garne unter einer vorgegebenen regelbaren Zugspannung erfolgt und vor dem Wickeln das einzelne Garn mit einer verflüssigten oder erweichten thermoplastischen Folie oder Band imprägniert wird und jede einzelne Wickellage temperaturgeregelt geglättet und/oder gekühlt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Garn vor dem Imprägnieren gespreizt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Garne gleichzeitig gewickelt werden.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Spulenständer, einer Bündelungsvorrichtung, einer Vorrichtung zur Benetzung des Garnes sowie einer Drehhalterung für den zu verstärkenden Körper, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Bündelvorrichtung (2) und der Benetzungsvorrichtung (5) mehrere versetzt zueinanderliegende Rollen (3) angeordnet sind, deren Anzahl und Außendurchmesser veränderbar sind und die Benetzungsvorrichtung mindestens einen Extruder (5) aufweist und im Bereich des Körpers (7) eine verschwenkbare Glätt- und Kühl- bzw. Heizrolle (6) vorgesehen ist und die gesamte Wickeleinrichtung in Längsrichtung des Körpers (7) verfahrbar ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Extruder (5) zur direkten Benetzung des Körpers (7) vorgesehen ist.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen letzter Führungsrolle (3) für das Garn und dem zu verstärkenden Körper (7) eine Spreizvorrichtung (4) für das Garn (9) vorgesehen ist.

9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, bestehend aus einem Spulenständer, einer Bündelungsvorrichtung, einer Vorrichtung zur Benetzung des Garnes sowie einer Drehhalterung für den zu verstärkenden Körper, dadurch gekennzeichnet, daß die Benetzungseinrichtung als beheizbare Doppelbandpresse (11) ausgebildet ist, der das unter Vorspannung stehende und gespreizte Garn (9) sowie Thermoplast-Folien bzw. Bänder (14) zuführbar sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Doppelbandpresse (11) und Wickelstation eine Zusatzheizeinrichtung (15) angeordnet ist.

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere unter- oder nebeneinanderliegende Halterungen zur Aufnahme mehrerer zu verstärkender Körper (7) angeordnet sind.