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Verfahren zur Herstellung von Rohren aus faserbewehrtem Kunststoff,
und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens' Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung von Rohren aus faserbewehrtem Kunststozf, bei dem auf einen umlaufenden
Dorn kontinuerlicho Fasern zur Bildung einer Querbewehrung schraubenlinienförmig
aufgewickelt werden und die Fasermasse mit flüssigem Kunststoff imprägnlert wird,
dr dann gehärtet wird, und bei dem in die Fasermasse hauptsächlich parallel zur
Rohraolise verlaufende Fasern zur Bildung einer Längsbewchrung singelegt werien.
Das Verfahren betrifft insbesondere die Anbringung des Kreuzbewehrungsmaterials
während der Herstellung. Um dem Rohrrohling sowohl in der Längsrichtung als auch
in taugentialer Rir.htung genügend Festigkeit zu geben hat man bereits eine sogenannte
Kreuzwicklung vorgeschlagen, bei der eine Wickoloinheit während des Wickolvosgongs
purallel zur
Dornachse hin und her bewegt wird derart, dass man
eine Bewehrungsform erhält. bei welcher der Winkel zwisoben den einzelnen Fasern
durch das Verhältnis zwischen der Umlaufgeschwindigkeit des Dorns und der Geschwindigkeit
bentmmt ist, mit der die Wickeleinheit hin und her bewegt wird.
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In den letzten Jahren hat man erkannt, dass diese Bewehrungsform zur
Aufnahme anderer Belastungen als des Innendrucks nicht besonders gut geeignet ist,
weil die Fasern nicht parallel zu den beiden Hauptbelastungsrichtungen verlaufen.
Wenn ein Rohr sowohl Biege spannungen als auch Zug- und Druckspannungen in der Längsrichtung
aufnehmen können soll, muss ein Teil der Fasern hauptsächlich parallel zur Rohrachse
eingelegt werden, während Festigkeit in tangentialer Richtung ur Aufnahme der bei
Innendruck auftretenden Ring spannungen dadurch erreicht wird, dass Fasermaterial
schraubenllnicnförmig mit schwacher Steigung, d.h. in Richtung fast rechtwinklig
zur Rohrachse aufgewickelt wird.
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Während das Aufwickeln von Fasern in tangentialer Richtung normalerwaise
keine Schwierigkeiten bereitet, war es bisher schwierig, Fasern parallel zur Rohrachse
einzulegen. Dies erfolgt in vielen Fällen durch manuelles Einlegen von Schichten
aus gewebten, sogenannten unidirektionellen Bändern, bei denen bei weitem der grösste
Teil der Fasern parallel zueinander in der Bandlängsrichtung orientiert ist.
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Zur Durchführung dieser Operation ist es erforderlich, die Dorndrehung
während des Einlegens der Bänder anzuhalten.
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Xusserdem ist es oft schlfierig, die Bänder ohne gegenseitige 7.wischenreume
einwandfrei aufzulegen. Wegen dieser Schwierig Reiten begnügen sich die meisten
Hersteller damit, verhältnismässig wenig Schichten anzubringen, die durch relativ
dicke Schichten aus tangential verlaufenden Fasern voneinander getrennt sind. In
diesen Schichten treten aufgrund von Spannungen während des Härtens des Kunststoffs
oft Risse auf, die später Undichtigkeiten in der Rohniand verursachen.
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Diese hissbildurlg lasst sich am besten durch Verwendung vieler Schichten
in beiden Richtungen vermeiden4 Eine andere bekannte Methode besteht darin, dass
man unidirektionelle Bänder verwendet, in denen der Hauptteil der Fasern rechtwinklig
zur Bandlängsrichtung verlauft. Ein solches Band kann eben so wie die tangentiale
Bewehrung während der Dornrotation von einer axial im Verhältnis zur Dornachse bewegten
WickeleiSleit aufgewickelt werden. Um die quer zur Bandlängsrichtung verlaufenden
Fasern auszunutzen ist es jedoch erforderlich, das Band mit einer gewissen Uberdeckung
aufzuwickeln, wobei die sich überlappeuden Kanten durch den härtenden Kunstharz
zusammengebunden werden. Aus wirtschaftlichen Gründen beträgt die Bandbreite jedoch
selten mehr als das Doppelte des Wegs, um den die Wickeleinheit bei jeder Dornumdrehung
verschoben wird. In dieser Weise werden zwei Schichten mit in der Längsrichtung
verlaufender Bewehrung aufgetragen, wobei sich jedoch in der Mitte des Bandes nur
eine Schicht zur Aufnahme der in der Längsrichtung verlaufenden Spannungen findet
Diesem
Umstand, der eine gewisse Uterbeniessung der Axialbewehrung
erfordert, kann durch Verwendung eines Bands Recanung getragen werden, dessen Breite
grösser ist als die Verschiebung der Wickeleinheit. Solche breiten Bander sind jedoch
verhältnismässig kostspielig und beim Aufwickeln schwer zu steuern, da wegen der
Uberlappung die eine Kante des Bands mit einem grösseren Radius gewickelt wird als
die entgcgengeetzte Kante, so dass beim Bewickeln nur die eine Kante straff gehalten
werden kann. Dies hat oftmals zur Folge, dass das Band beim Bewickeln schief gezogen
und dadurch schmaler wird, so dass beim Bewickeln die quer verlaufender Fasern nicht
parallel zur Dornachse aufgelegt werden.
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Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines Verfahrens, bei dem die
Nachteile der bisher bekannten Methoden vermieden werden, das einfach, schnell und
damit verhältnismässig billig ist und bei dem sowohl die Längs- als auch die Querbewehrung
voll ausgentltzt wird. Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
dass die die Längsbewehrung bildenden Fasern in Längen abgeschnitten werden, die
grösser sind als die Steigung der schraubenlinienförmigen Aufwicklung der Querbewehrung,
und dass die Längsbewehrung zusammen mit der Querbewehrung eingelegt wird.
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Bei diesem Verfahren ist es nicht erforderlich, verhältnismässig aufwendige
gewebte Bänder zu benuzten, vielmehr kann eine Faserbewehrung in ihrer Grundform
benutzt werden. Bei Glasfasern können als Grundform sogenannte "Rovings", d.h.
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Schnüre aus parallel liegenden, nicht gesponnenen Glasfasern unbegrenzter
Länge verwendet werden Bei den gewöhnlichsten Maschinentypen zum Wickeln faserbewehrter
Rohre erfolgt der Prozess diskontinuierlich dadurch, dass die Wickel einheit vor
dem umlaufenden Dorn in der Achbrichtung hin und her bowegt wird, bis auf den Dorn
ein Laminat in der gewünschten Dicke aufgewickelt ist0 Dieses Laminat wird entweder
während des Wckelvorgangs oder nach dessen Beendigung mit Kunstharz imprägniert.
Nach der Härtung des Kunstharzes wird der Dorn aus dein Produkt herausgezogen und
zur Aufnahme einer weiteren Bewicklung wieder in die Maschine eingesetzt. Bei dieser
Methode ist der Dorn in der Regel an seinen beiden Enden gelagert.
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In letzter Zeit sind kontinuierlich produzierende Maschinen auf den
Markt gekommen, in denen der Wickeldorn fliegend gelagert ist. Bei der Rotation
dos Dorns verschiebt sich das Produkt mit konstanter Geschwindigkeit in Achsrichtung
an der Dornoberfläche entlang, wobei gleichzeitig der aufgetragene Kunstharz aushärtet,
so dass ein starres, voll ausgehärteres Rohr mit konstanter Geschwindigkeit den
Dorn über --dessen freies Ende-hinweg verlässt.
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Das erfindungsgemlsse Verfahren ist prinzipiell für beide vorgenannten
Produktionsmethoden geeignet, soll nachstehend jedoch in Zunammenhang mit einer
kontinuierlich arbeitenden maschine erläutert werden, in der die volle Starke des
Laminats in einen Arbeitsgang surgebaut wird.
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Eine besonders zweckmässige Ausführungsform des erfindungsgemEssen
Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die abgesciinittenen Fasern der Längsbewehrung
auf einem Band aus den dIe Querbewehrung bildenden Fasern abgelegt werden, wobei
sowohl die Breite dieses Bands als auch die ].Enge der abgeschnittenen Fasern
ein Mehrfaches der erwähnten Steigung beträgt, und das Band beim Bewicklungsvorgang
zumindest annähernd waagerecht gegen den unteren Dornteil geführt wird.
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Hierdurch ist in besonders einfacher Weise die erwähnte Einlegung
der Längsbewehrung zusammen mit der Aufwicklung der Querbewehrung gewährleistet.
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Die Erfindung betrifft ausserdem eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens. Diese Vorrichtung enthält einen umlaufenden Wickeldorn und Organe
zur Zufuhrung eines Bands aus Querbewehrungsfasern zum unteren Dornteil. Dse Vorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Axialbewehrungseinheit mit einer Schneidvorrichtung
zum Abschneiden von Längsbewehrungsfaserlängen von einem Faserband sowie Organe
zur MDerfChrung der abgeschnittenen Fasern auf eine Walzenoberfläche mit Offnungen
oder Poren enthalt, durch die zum Festhalten der Fasern Luft gesaugt werden kann,
und dass die Walze mit einer die Vorschubgeschwindigkeit des Faserbands zur Schneidvorrichtung
etwas übersteigenden Peripheriegeschwindigkeit umläuft und mit Organen zur kurzfristigen
Unterbrechung der Saugung zu demjenigen Zeitpunkt der Walzenumdrehung verbunden
ist, wo sich ein Bündel abgeschnittener Faserlingen am unteren Walzenteil befindet,
indem die Vorschubder
der uerbeweIirungsfasern unmittelbar unter
der Walze liegt. Durch diese Vorrichtung wird das erfindungsgemässe Verfahren vollautomatnsch
durchgeführt, wobei die Langsbewehrung mit grosser Genauigkeit eingelegt wird.
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Um das Ablegen der abgeschnittenen Fasern mit grösstmöglicher Sicherheit
durchzuführen, kann erfindungsgemäss die Walze Organe aufweisen, die Gebläseluft
durch die Walzenöffnungen oder Walzenporen leitens um die Fasern bei deren Uberführung
auf die Oberseite des Bands aus Querbewehrungsfasern abzllblasen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 in schräger Oberansicht die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemässen Verfahrens, Fig. 2 einen achsenparallelen Schnitt nach der
Linie A-A durch die Wand eines auf der Vorrichtung hergestellten Rohrs, Fig. 3 einen
senkrechten Querschnitt durch eine zur erfindungsgemässen Vorrichtung gehörenden
Axialbewehrungseinheit, Fig. 4 die Axialbewehrungseinheit in Oberansicht, Fig. 5
einen axialen Schnitt durch die gleiche" Einheit, und Fig. 6 ein Detail der Einheit
in etwas geänderter Ausführung.
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Die in Fig. 1 und 3 dargestellte Vorrichtung besteht aus einem Dorn
1 auf einen Achszapfen 2, der in nicht dargestellten Lagern derart gelagert ist,
dass er mittels eines nicht dargestellten Motors in der Richtung des Pfeils rn Umdrehung
versetzt werden kann. Der Dorn 1 ist wie an sich bekannt so aufgebaut, dass das
auf den Dorn gewickelte Produkt während der Rotation des Dorns fortlaufend nach
rechts verschoben wird, wo das Produkt über das lagerungstreie rechte Dornende hinweg
vom Dorn abgeschoben wird.
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Bewehrungsgut.kann zweckmässig von beiden Dornseiten so aufgetragen
werden, das das Bewehrungsmaterial von der einen Dornseite auf die Dornoberseite
aufläuft und das Material von der anderen Dornseite auf die Dornuntersaite einläuft.
Der Deutlichkeit halber ist auf der Zeichnung lediglich das Aufwickeln von der Dornunterseite
aus dargestellt, wo die Tangentialbewehrung und die Axialbewehrung gleichzeitig
auf'getragen werden.
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Die Querarmierung kommt von einer Vielzahl von Spulen mit nicht gesponnenen
Glasfasern, sogenannten Rovings. Die Spulen sind in einem Spulenständer 3 so angeordnet,
dass jede einzelne Glasfaser am einen Ständerende herausgeführt wird, wo alle Glasfasern
zu einem breiten Band gesammelt werden. Das ad kann eventuell durch ein nich@ dargestelltes
Imprägnierungsbad geführt werden, in dem die cinzelnen Rovings mit flüssigem Kunnistoff
getränkt werden. Das Bad ist nicht Teil der Brfindung.
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Der flüssige Eunststoff kann auch in anderer Kaise auigetiagen
werden.
Die Armierung wird zur Unterseite des umlaufenden Dorns geführt. Eine Axialbewehrungseinheit
wird synchron zur Dornumdrehung mittels eines Kettentriebs 5 und eines Kegelradtriebs
6 angetrieben. Von einem gesonderten Spulenständer 7 laufen in einem Band geordnete
Fasern in die Axialbcwehrungaeinheit ein, wo die Fasern durch eine Sohneidvorrichtung
in Stücke geschnitten werden, deren Länge annähernd der Breite den durch die Einheit
laufenden, die Querarmierung bildenden Rovingbands entspricht. Die Axialbewehrungseinheit
ist so eingerishtet, dass jede Gruppe von parallel abgeschnittenen Rovingstücken
für sich bis zu einer Ebene unmittelbar über dem rechtwinklig zur Tangentenrichtung
der Rovingstücke durchlaufenden Rovingband herabgeführt werden, wo die Stücke so
losgelassen werden dass eine der Anzahl von Spulen im Ständer 7 entsprechende Anzahl
von Stücken gleichzeitig ein kurzes Stück auf das Band hinabfallan. Die Einrichtung
und Funktion der Axialbewehrungseinheit wenden nachstehend näher erläutert.
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Das aus den tangential anlauf enden Rovings bestehende Tragband wird
somit durch eine gleichmässige Schicht aus abgeschnittenen Faserstücken abgedeckt,
die auch dann stets parallel zur Dornachse orientiert sind, wenn der Einlaufwinkel
des Roving-Bands etwas von 900 abweicht. Die abgeschnittenen Stücke liegen somit
lose auf dem waagerecht einlaufenden Band, bis sie den Dorn erreichen, wo sie vom
Faserband festgehalten werden. Das so aufgebaute System aus Bewehrungsfasern lässt
sich in verschiedener, die Erfindung nicht betreffender Weise mit flüssigem Kunstharz
imprägnieren und wandert bei der
Rotation des Dorns mit konstanter
Geschwindigkeit nach rechts.
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empfiehlt es sich/ Zur Erzielung der grösstmöglichen Produktionsgeschwindigkeit,
durch Wärme zu härten. Zu diesem Zweck kann beispielsweIse das freie Dornende von
einer nicht dargestellten Heizkammer umgeben sein, durch die das Laminat so hindurchgefülirt
wird, dass vom freien Dornende kontinuierlich ein voll ausgehartetes Rohr abgeschoben
wird.
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Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die laminierte Wand eines nach dem
erfindungsgemilss.n Verfahren hergestellten achs.
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Die länge der abgeschnittenen Stücke beträgt hier ungefähr das vierfache
der Verschiebung per Dornumdrehung. Es ergibt nich hieraus ein Aufbau bestehend
aus vier Schichten von in der Längsrichtung verlaufenden Fasern und vier Schichten
von in der Ro1irumfanrir1itung verlaufenden Fasern an jeder beliebigen Steile des
Rohrs. Das Laminat ist in Fig. 2 der Deutlichkeit halber im Verhältnis zur Verschiebung
per Dorns umdrehung zu dick dargestellt. Die in der Längsrichtung verlaufenden Fasern
liegen in Wirklichkeit fast parallel zur Oberfläche des Produkts. Man sieht deutlich,
dass die rechte Kante des Faserbands mit einem grdsseren Radius einläuft als die
linke Kante. Dies führt jedoch keinen Unterschied in der Faßerspannung mit sich,
da es sich hier ja um individuell auflaufende Bandfasern handelt. Wenn man auch
von der entgegengesetzten Dornseite Fasern einführt, kann man diese über den gleichen
Bereich regelmässig verteilen und dadurch eine grössere Schichtdicke erreichen,
ohne dass sich der Aufbau im übrigen Insert.
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Fig. 3, 4 und 5 zeigen die Axialbewehrungeinheit zum Auflegen abgesch:iittener
Glasfasern auf das durch die Einheit laufende Band. Die abgeschnittenen Faserstücke
haben alle die gleiche Länge und und werden parallel zur Dornachse aufgelegt, indem
man durch Anpassung der Schneidfrequenz an die PezLpheziegeschwindigkeit des Dorns
dafür Sorge trägt, dass die aufgelegten Gruppen von Rovings ohne gegensei.tigen
Zwischenraum aufgelegt werden.
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Das stufenlos regelbare Getriebe 8 treibt über einen Ketten-und Zahnradtrieb
eine Messerwalze 9, deren Umkreis die Lange der abgeschnittenen Stücke bestimmt.
Die Walze ist mit einem, radial nach aussen ragender. Messer 10 bestückt, das sich
parallel zur Walzenachse und in der Besamten Walzenlänge erstreckt. Eine die Messerwalze
berührende, mit Gummi bekleidete, frei drehbare Walze ll wird durch Friktion von
der Messerwalze mitgedreht, wodurch die zwischen den beiden Walzen verlaufenden
Fasern in Stücke geschnitten werden, deren Länge dem Umkreis der Messerwalze entspricht.
Eine Hilfwalze 12 liegt an der Gummiwalze an-und sorgt dafür, dass trotz des taktweisen
Abschneidens von Faserstücken dauernd Fasern in die Vorrichtung eingeführt werden.
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Die zwischen der Messerwalze 9 und der Gummiwalze ll heraustretenden
abgeschnittenen Faserstücke gelangen / auf eine umlaufende Trommel 13 aus per oniertem
Dlech. Die Trommel 13 ist an der einen der Sitrnplaston der Vorrichtung fliegend
gelagert und über einen Hertent @@@ derart mit der Hesserealze gekuppeli, das@ die
Um@angage @chwindigke@ der @omm@@l in der Pfeilrichtung
etwas grösser
ist als din der Messerwalze. Die Trommel 13 ist an ihrem der Lagerung entgegengesetzten
Ende offen. Än die sein Trommelende befindet sich die freie Tronimelkante dicht
an der anderen Stirnplatte der Vorrichtung. an dieser Stirnplatte ist ein Zentrifug.lgeblse
14 montiert, das durch eine Offnung 16 aus dem Trommelinnern Luft ansaugt und diese
Luft durch einen Kanal 17 senkrecht nach oben bläst. Eine ortsfeste Trennwand 16
schalles sich bei 19 und 20 in der gesamten Trommellänge dicht an die umlaufende
Trommel an und schirmt somit den nicht benutzten Teil der Trommeloberfläche ab.
Durch diese Anordnung werden die Fasern an der Trommeloberfläche festgehalten und
bei der Drehung der Trommel zur Trommelunterseite -und in eine Position unmittelbar
über dem durch die Vorrichtung laufenden Rovingband gebracht.
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Eine bei 22 schwenkbar gelagerte uiid sich dort dicht an die Trennwand
18 anschliessende Trennwand 21 wird normalerweise in der durch Vollstrichlinien
dargestellten Stellung gehalten, in welcher der Saugeffekt die Fasern ungehindert
auch auf dem unteren Trommelteil festhalten kann. Eine Nockenscheibe 23 auf der
Abtriebwelle des stufenlose Getriebes betätigt eine Stosstange 24 mit einer Kurvenrolle.
Die nur teilweise dargestellte Stosstange ist mit der Trennwand 21 rerbunden, die
dadurch bei Jeder Umdrehung der Messerrolle kurzzeitig in die gestrichelt dargestellte
Lag. gebracht wird, wodurch der die Fasern am unteren Trommelteil festhaltende Saugeffekt
kurzzeitig aufhört. Die an der Trommeloberfläche fettgehaltenen Fasern werden somit
unter Einwirkung der Schwerkraft auf
dem Rovingband abgelegt und
von diesem zum Dorn geführt.
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Beim flindurchführen der Glasfasern durch F5hrungaDsen und über die
lWalzen entsteht bisweilen statische Elektrizität, die unter gewissen Umständen
zur Folge hat, dass die Fasern an der perforierten Trommel haften bleiben und nicht
ordnungsgemäss und mit der korrekten Orientierung abgelegt werden. Dieser Mangel
1äPst sich durch die in Fig. 5 dargestellte geänderte Ausführungaform beheben, bei
der die Trennwand 21 eine unmittelbar an der Stirnwand mit dem Zentrifugalgebläse
14 befindliche Blende 25 autfeist. Die Blende hat einen Spalt 26, der in der Sperrstellung
der Trennwand mit einem entsprechenden Spalt in der Stirnplatte fluchtet wodurch
eine Verbindung zur Gebläsedruckseite geschaffen wird. Durch ein in zweckmässigr
Weise gestaltetes Leitblech im Gebläsegehäuse lässt sich so kurzzeitig im unteren
Trommelraum ein Uberdruck aufbauen, während sich die Trennwand in der Sperrstellung
befindet, so dass die Fasern trotz eines eventuellen durch statische Elektrizität
hervorgerufenen Hafteffekts von der Trommeloberfläche weg geblasen werden.
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Das Ubersetzungzverhältnis zwischen der Trommel 13 und der Messerwalze
ist so gewählt, dass sich wie erwähnt die Trommeloberfläche etwas schneller bewegt
als die Oberfläche der Messerwalze. Hierdurch wird zwischen der Trommeloberfläche
und den noch nicht abgeschnittenen Fasern ein gewisser Schlupf gewährleistet, so
dass die Fasern in v5llig gestrecktem Zuatand aufgelegt werden. Sind die Fasern
abgeschnitten
und von den beiden Walzen freigegeben, hort bezüglich
dieser abgeschnittenen Teile der Schlupf auf, wonach die Faserstücke der Trommeloberfläche
folgen, so dass zwischen diesen und der nachfolgenden Gruppe ein ständig wachsender
Abstand entsteht, bis dla Fasern abgelegt werden.
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Durch die im Vergleich zur Messer.ralze etwas grössere Umfangsgeschwindigkeit
der Trommel wird ausser der völlig geradlinigen und gestreckten Ablage der Fasern
weiterhin erreicht, dass das Abwerfen die noch nicht abgeschnittene Gruppe nicht
berührt, indem die Klappe im Zwischenraum zwischen den beiden Gruppen geschlossen
wird.
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Das die Einheit durchlaufende Trägerband kann selbstvertänd-Jich aus
anderem Material als den erwähnten Rovings bestehen.
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Man kann beispielsweise ein Band aus sogenannter Glasfasermatte benutzen,
die aus kurzen, zufällig orientierten Fasern aufgebaut ist. Schliesslich kann eine
Kombination aus Matte und Rovings verwendet werden.