DE4215756A1 - Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern, z. B. Druckbehältern, Rohren u. dgl., welche aus zumindest zwei Schichten aufgebaut sind, von denen eine innere Schicht aus thermoplastischem Kunststoff und eine äußere Schicht aus faserverstärktem Kunststoff besteht.

Verbundkörper dieser Art finden in den Bereichen der Technik Anwendung, in denen hochfeste Bauteile bei möglichst gerin­ gem Baugewicht gefordert werden. Diese Forderungen werden in besonderem Maße bei Druckbehältern, beispielsweise Druck­ luftbehälter für Lkw-Bremsanlagen, gestellt. Probleme be­ reitet jedoch die Verwendung eines sog. Liners, d. h. einer inneren Schicht, auf der das verstärkende Laminat aufge­ bracht wird und die im Inneren des Hohlkörpers verbleibt. Durch Diffusion kann das eingelagerte Medium zwischen den Liner und das Laminat gelangen, so daß der Liner auf Außen­ druck belastet wird und durch Stabilitätsversagen gefährdet ist. Es hat sich außerdem gezeigt, daß eine innige Verbin­ dung/Verklebung von Liner und Laminat zeit- und arbeitsauf­ wendig ist. Insbesondere ist eine dauerhafte Verbindung dann nicht gewährleistet, wenn auf den Liner aus thermoplasti­ schem Kunststoff eine duromere Laminat-Matrix aufgebracht wird.

Es war daher Aufgabe der Erfindung, Hohlkörper, welche aus zumindest zwei Schichten aufgebaut sind, herstellungsmäßig zu optimieren und gleichzeitig eine qualitativ hochstehende Verbindung der Hohlkörperschichten sicherzustellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im Kennzeichen des Anspruchs 1 enthaltenen Maßnahmen vorgeschlagen.

Erfindungsgemäß wird zunächst ein Liner, d. h. eine innere Hohlkörperschicht durch Strangpressen, Spritzgießen oder Blasformen gefertigt. Die Wanddicke dieser Hohlkörperschicht aus thermoplastischem Kunststoff kann in weiten Grenzen variieren und beträgt im allgemeinen 2 bis 10 mm. In einer Wickelmaschine werden dann mittels eines Ringfadenauges Hybridgarne nach vorausberechnetem Muster auf die Hohl­ körperschicht aufgewickelt.

Die Hybridgarne bestehen zweckmäßigerweise aus 30 bis 70 Vol.% Verstärkungsfasern und 70 bis 30 Vol.% Thermoplast­ fasern.

Bevorzugte Verstärkungsfasern sind Kohlenstoffasern und Glasfasern. Daneben sind auch Fasern aus keramischen Mate­ rialien, Siliciumcarbid und Bornitrid geeignet, sowie solche aus Polymeren mit einem Erweichungspunkt, der mehr als 70°C über dem Erweichungspunkt der Thermoplastfasern liegt, zum Beispiel aus Polyetherketon oder vollaromatischen Poly­ amiden.

Als Thermoplastfasern kommen insbesondere Fasern aus Poly­ ethylen, Polypropylen, Polybutylenterephthalat, Polyamid, Polysulfon und/oder Polyetherketon in Betracht.

Die Hybridgarne werden vorzugsweise nach dem aus der EP-B 156 599 bekannten Verfahren hergestellt, indem man die beiden Faserarten getrennt voneinander durch Anblasen mit Luft spreizt und dann durch Zusammenführen über Rollen oder Stäbe vermischt. Das Spreizen kann grundsätzlich auch durch einen Flüssigkeitsstrahl, durch elektrostatische Aufladung oder durch Separieren der Einzelfilamente durch Kämme erfol­ gen. Hierbei erhält man eine innige Vermischung der Einzel­ filamente, so daß im Mischgarn Thermoplast- und Verstär­ kungsfasern statistisch gleichmäßig verteilt sind. Eine solche innige Vermischung ist aber nicht für alle Anwen­ dungszwecke notwendig; man kann auch auf das Spreizen der Ausgangsfasern verzichten und diese nach einfachen Methoden vermischen, z. B. indem man sie zusammen über Rollen oder Stäbe zieht oder gemeinsam in einem Luftstrom verwirbelt.

Die Herstellung des Hybridgarns erfolgt zweckmäßigerweise in Linie der Wickelvorrichtung.

Nach Erreichen der vorgesehenen Wanddicke wird das gewickelte Laminat auf eine Temperatur von 20 bis 50°C oberhalb des Schmelzpunktes der Thermoplastfaser erhitzt. Unmittelbar danach, d. h. bevor die Thermoplastmatrix wieder abkühlt und erhärtet, wird der innere Hohlkörper, welcher gegebenenfalls von innen mit einem Druckmedium beaufschlagt ist, mit dem aufgewickelten Laminat in ein entsprechendes Formwerkzeug eingebracht. In dem vorzugsweise heiz- und kühlbaren, zwei­ geteilten Formwerkzeug wird der Hohlkörper bzw. Wickelkörper mit einer Kraft beaufschlagt und konsolidiert, so daß die innere Hohlkörperschicht mit der Thermoplastmatrix der Faserschicht verschweißt. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß der Druck im Innern des Hohlkörpers erhöht wird. Mit der Konsolidierung einher geht eine innige Verbindung der Ther­ moplastmatrix der äußeren Hohlkörperschicht mit der inneren Hohlkörperschicht. Der Druck im Inneren des Hohlkörpers bzw. der Spannungszustand des Wickelkörpers wird so lange auf­ rechterhalten, bis die äußere Hohlkörperschicht vollständig ausgebildet ist. Für die Konsolidierung haben sich, je nach Wanddicke der inneren und äußeren Hohlkörperschicht, Drucke von 7 bis 100 bar als zweckmäßig erwiesen. Der Hohlkörper wird über das Formwerkzeug abgekühlt und kann nach kurzer Zeit aus diesem entnommen werden.

Auf diese Weise werden mehrschichtige Hohlkörper, z. B. Druckbehälter, Rohre u. dgl. erhalten, die sich durch eine innige und dauerhafte Verbindung der einzelnen Schichten auszeichnen. Diese ist in besonderem Maße dann gegeben, wenn für die innere Hohlkörperschicht und für die Thermoplast­ fasern Kunststoffe verwendet werden, die zueinander affin sind.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf die Zeich­ nung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Zur Herstellung eines Druckluftbehälters mit einem Volumen von 80 dm³ wird zunächst durch Blasformen ein Linerbehälter (1) aus Polypropylen hergestellt (Fig. 1). Dieser Liner­ behälter bildet die innere Hohlkörperschicht des Druckluft­ behälters. Er besitzt endseitig jeweils einen Halsbereich; seine Wanddicke beträgt ca. 2 mm.

Gemäß Fig. 2 werden mit Hilfe eines Ringfadenauges (2) zwölf Schichten Hybridgarn (3) aus 60 Vol.% Glasfasern und 40 Vol.% Polypropylenfasern unter einem Winkel von ± 15° auf den Linerbehälter aufgewickelt. Zur Stützung wird der Liner­ behälter bei (4) mit Inertgas unter einem Druck von 1,5 bar beaufschlagt.

In einem weiteren Arbeitsschritt (Fig. 3) wird unter langsamem Rotieren des Linerbehälters der Wickelkörper durch Infrarotstrahler (5) auf eine Temperatur von 190°C erwärmt und die Polypropylenfasern aufgeschmolzen.

Fig. 4 zeigt den Vorgang der Konsolidierung. Dazu wird der zweischichtige Hohlkörper in ein entsprechendes und auf eine Temperatur von 50°C erwärmtes Formwerkzeug (6) eingesetzt und auf Druck belastet, indem der Inertgasdruck im Innern des Hohlkörpers auf 60 bar erhöht wird.

Aufgrund der niedrigeren Temperatur des Formwerkzeugs kühlt der Polypropylenanteil der äußeren Hohlkörperschicht ab und erstarrt und der fertige Druckluftbehälter kann aus dem Formwerkzeug entnommen werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern, z. B. Druck­ behältern, Rohren u. dgl., welche aus zumindest zwei Schichten aufgebaut sind, von denen eine innere Schicht aus thermoplastischem Kunststoff und eine äußere Schicht aus faserverstärktem Kunststoff besteht, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die innere Hohlkörperschicht durch Strang­ pressen, Spritzgießen oder Blasformen gefertigt wird, daß auf diese Schicht aus einem Gemisch aus Verstär­ kungs- und Thermoplastfasern bestehende Hybridgarne auf­ gewickelt werden, und daß der Wickelkörper auf eine Tem­ peratur von 20 bis 50°C oberhalb der Schmelztemperatur der Thermoplastfasern erwärmt, mit einer Kraft beauf­ schlagt und konsolidiert wird, wobei dieser Spannungszu­ stand des Wickelkörpers bis zur vollständigen Ausbildung der äußeren Hohlkörperschicht und deren Verbindung mit der inneren Hohlkörperschicht aufrechterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Aufwickelns der Hybridgarne die innere Hohl­ körperschicht von innen mit einem Druckmedium beauf­ schlagt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konsolidierung des Wickelkörpers und Ausbildung der äußeren Hohlkörperschicht in einem heiz- und kühlbaren, zweigeteilten Formwerkzeug erfolgt.