DE4444294A1

DE4444294A1 - Dorn zum Präzisionswickeln sowie Anwendung auf die Herstellung gebogener Profile

Info

Publication number: DE4444294A1
Application number: DE4444294A
Authority: DE
Inventors: Michel Huvey
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1993-12-20
Filing date: 1994-12-13
Publication date: 1995-06-22
Also published as: US5780075A; GB2284782B; GB2284782A; FR2713978A1; BR9405143A; GB9423951D0; JPH07206264A; FR2713978B1

Description

Die Erfindung betriff t einen Dorn für die Herstellung von Tei len oder Werkstücken aus Verbundmaterialien mit guten mechani schen Eigenschaften.

Die Patentschriften FR-2596695 und FR-2312356 beschreiben Mit tel und Verfahren zur Herstellung von Teilen oder Werkstücken aus Harz und Verstärkungsfasern zum Füllen einer Form, die spiralförmig auf einen Dorn oder eine Trommel gewickelt ist. Das Füllen der Form mit den mit Harz umwickelten Fasern wird durch Elementarfadenwickeln vorgenommen. Hierzu wird der Dorn um seine Achse in Drehung versetzt. Ist das Wickeln einmal ausgeführt, so wird die Gesamtheit, die zusammengesetzt ist aus dem Dorn, der Form auf dem Dorn und den Verbundteilen auf eine ausreichende Temperatur gebracht, um das Füllharz der Fasern zu stabilisieren.

Die Wärmeausdehnung des Dorns erzeugt eine Erhöhung des Durch messers des Dorns, während das Harz immer noch sich im Zustand der Stabilisierung befindet, d. h. daß seine Viskosität nicht ausreichend niedrig ist, um sich Verschiebungen oder Bewegun gen der Fasern zu widersetzen.

Für den Fall, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient der Verstär kungsfasern geringer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Dornes ist, verschieben sich die Fasern in der Form, da die Abmessung der Form stärker zunimmt als die der Fasern. Dieser Effekt hat zur Konsequenz, die Homogenität der Verteilung der mit dem Harz umhüllten Fasern zu modifizieren.

Dieser Nachteil erscheint auch für den Fall der Herstellung von Rohren aus Verbundmaterial durch Spulen der mit Harz um hüllten Fasern auf einen Träger vom Dorntyp.

Das Problem der Homogenität des das Verbundwerkstück bildenden Materials, beispielsweise eines länglichen Profils von spiral förmiger Form oder eines Rohres, ist nicht ein Problem der Zugbeständigkeit, sondern hauptsächlich ein Problem des Ver haltens bei Alterung und bei Ermüdung.

Die Alterungsbeständigkeit in Anwesenheit von Wasser, bei spielsweise für Verbundmaterialien aus Glasfasern und Harz ist umso weniger gut wie der Harzgehalt geringer liegt. Eine sehr geringe Harzdicke zwischen zwei Fasern begünstigt nämlich das Ablösen an der Grenzfläche unter dem Einfluß von mechanischen oder thermischen Beanspruchungen. Das nackte Glas wird sehr leicht von Wasser angegriffen. Abgemantelte Fasern, die in Kontakt miteinander treten brechen im übrigen leicht durch Erosion, daher das schlechte Verhalten bei Ermüdung der Ver bundmaterialien, die zu reich an Verstärkungsfasern sind. Man leitet hieraus her, daß eine ausreichend große Harzmatte zum Trennen der Fasern notwendig ist.

So betrifft die vorliegende Erfindung einen Dorn zur Herstel lung durch Präzisionswickeln von Werkstücken aus Harz, die durch Verstärkungsfasern verstärkt sind. Der Dorn umfaßt eine Schicht aus Verbundmaterial, die Drähte, Fasern oder Adern umfaßt, die im wesentlichen umfangsmäßig bezogen auf die Dreh achse dieses Dorns angeordnet sind.

Die Dicke der Schicht und die Art der Fasern, die sie bildet, können bestimmt werden, damit der Wärmeausdehnungsgesamtkoef fizient dieses Dorns nahe dem Wärmeausdehnungskoeffizient die ser Verstärkungsfasern dieser Werkstücke wird. Unter Gesamt wärmeausdehnungskoeffizient des Dorns ist ein scheinbarer Wär meausdehnungskoeffizient zu verstehen, der die Gesamtheit der den Dorn bildenden Materialien berücksichtigt, dessen Tempera turverhalten durch diesen Gesamtausdehnungskoeffizient darge stellt wird.

Der Dorn kann eine zylindrische Form von einem Durchmesser, der wenigstens größer als 1 Meter ist, haben.

Die Adern oder Fasern des Dorns können aus Kohlenstoff oder Polyaramid bestehen.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des Dorns nach der vorliegenden Erfindung zur Herstellung, gemäß der Präzisions wickeltechnik von rundgebogenen Profilen aus stabilisierbarem Harz, die durch Glasfasern verstärkt sind.

Bei der Benutzung kann das Profil durch Erwärmen des Dorns nach dem Wickeln stabilisiert sein.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung durch Präzisionswickeln von Werkstücken bzw. Bauteilen aus Harz, die durch Verstärkungsfasern verstärkt sind, auf einem Dorn. Bei dem Verfahren ist der Dorn so ausgelegt, daß er eine Umfangswärmeausdehnung benachbart der Wärmeausdehnung dieser Verstärkungsfasern dieser Werkstücke oder Bauteile in wenig stens einem Teil des Benutzungstemperaturbereichs dieses Dorns hat.

Der Teil des Temperaturbereichs kann einem Stabilisierungstem peraturbereich des Harzes dieser Bauteile entsprechen.

Die Struktur des Dorns kann so sein, daß der Gesamtwärmeaus dehnungskoeffizient des Dorns benachbart dem Wärmeausdehnungs koeffizient der Verstärkungsfasern der hergestellten Bauteile wird.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, die in Gegenüberstellung mit dem Stand der Technik Ausfüh rungsformen erkennen lassen. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Geräteauf baus, der einen Dorn nach der Erfindung umfaßt,

Fig. 2A und 2B zeigen im Teilquerschnitt die Her stellung von gebogenen Profilen nach dem Stand der Tech nik und

Fig. 3 zeigt auch im Teilquerschnitt den Dorn nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt Verstärkungsfasern 2 (beispielsweise Glasfasern, Karbonfasern etc.), die mit vernetzbarem Material imprägniert sind, beispielsweise einem Epoxiharz oder Polyester, und wel che auf einen zylindrischen Dorn 3 gewickelt sind, der um sei ne Längsachse in Drehung versetzt ist. Diese Verstärkungsfa sern 2 werden in einer spiralförmigen Nut mit kurzer Steigung, die vom Dorn 3 getragen ist, abgelegt.

Die spiralförmige vom Dorn 3 getragenen Nut, welche die Ver stärkungsfasern 2 aufnimmt, ist vorzugsweise durch ein Hohl profil 5, das die Form bildet, aufgebaut, deren Innenquer schnitt dem des zu erhaltenden Profil entspricht. Dieses Hohl profil 5 ist seinerseits kontinuierlich mit aneinander anlie genden Spiralen auf einem glatten Dorn 3 abgelegt. Das Hohl profil kann aus thermoplastischem nachgiebigen Material (bei spielsweise aus Polyamid oder PVC) gebildet sein. So ermög licht es diese Fabrikationsart den Querschnitt des Produktes zu verändern, ohne den Dorn 3 zu ersetzen. Das die Form bil dende Profil ist auf einer Bobine 4 gelagert.

Fig. 2A zeigt einen Partialschnitt eines Dorns 6 nach dem Stand der Technik, der über eine Form 5 verfügt, in dem die umhüllten Verstärkungsfasern 2 durch Wickeln gemäß Fig. 1 ab gelegt sind. Fig. 2A ist dargestellt, wenn der Dorn 6 und die Form 5 sich auf Umgebungstemperatur, beispielsweise 20°C, des Ortes, wo die Wickelvorrichtung angeordnet ist, befindet.

Fig. 2B zeigt mit Übertreibung für Gründe der Beschreibung einen Partialschnitt gemäß Fig. 2A, wenn der Dorn einer Tempe raturerhöhung ausgesetzt wird, um das Hüllharz der Verstär kungsfasern 2 zu stabilisieren. Der Dorn, der bevorzugt aus Stahl besteht, hat einen Ausdehnungskoeffizienten von 11 × 10^-6°C^-1, während Glasfasern einen Ausdehnungskoeffizienten von 5 × 10^-6 haben.

Geht man zur Gelifizierung im Wärmeschrank oder einem anderen Verfahren des Profils bei der Temperatur von 90°C über, so dehnt sich der Dorn radial um einen Wert von 11 × 10^-6*(90-20)= 770 × 10^-6, was auf einen Radius von 70 cm bezogen, 0,54 mm darstellt. Während die Glasfasern sich ihrerseits um 5 × 10^-6*(90-20)=350 × 10^-6 ausdehnen, was, zurückgeführt auf den gleichen Radius, 0,24 mm ergibt.

Während der Heizperiode, die etwa eine Stunde dauert, erhöht sich die Viskosität des Harzes allmählich, bleibt jedoch unzu reichend, um sich einer Radialbewegung der Fasern entgegenzu setzen. Die Differenz der radialen Dehnungen des Dorns nach dem Stand der Technik sowie der Fasern, z. B. 0,3 mm, findet sich wieder in Form einer Schicht reinen Harzes 7. Am Boden des Profils beobachtet man eine Schicht 8 von auf dem Boden abgelegten Fasern und die eine geringe Überspannung entspre chend der Differentiallängung haben sowie von Fasern, die sich vorher darüber befanden und die dem Boden der Form angenähert werden (tatsächlich ist es der Boden der Form, der mit der Ausdehnung des Dornes 6 montiert ist). Da in der Tat das Harz noch nicht gelifiziert ist, werden sie nicht gestreckt, wenn sie am Ort bleiben. Die Schicht 9 verbleibt im wesentlichen homogen.

Die Dicke des reinen Harzes, proportional zum Durchmesser des Dorns 6, kann vernachlässigt werden, solange man auf Dornen mit kleinem Durchmesser arbeitet. Mit Dornen großen Durchmes sers, beispielsweise von 1,4 Metern, ist dieser Effekt nicht mehr vernachlässigbar. Tatsächlich wird der Biegemodul eines Profils, das eine solche Schicht aus reinem Harz aufweist, sehr wesentlich vermindert verglichen mit einem Profil, das eine homogene Verteilung der Fasern hat.

Eine Art und Weise, um sich gegen diese Schicht 7 aus reinem Harz an der Oberfläche des Profils in der Größenordnung von 0,3 mm, die korrelativ einer an Faserung reichen Innenschicht 8 assoziiert ist, zu schützen, besteht darin, den scheinbaren Ausdehnungskoeffizienten des Dorns auf einen Wert zurückzufüh ren, der im wesentlichen gleich dem Ausdehnungskoeffizienten der Fasern 2 ist. So entspricht die Gesamtausdehnung des Dorns praktisch der Längsausdehnung der Verstärkungsfasern des Werk stücks oder Bauteils.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann dies, dargestellt durch Fig. 3, erhalten werden, indem man einen metallischen Träger 11, der den Dorn bildet, durch eine Umfangsverbund schicht 10 überdeckt, die aus Polyaramidfasern wie Kevlar 49 zusammengesetzt ist (hergestellt von der Firma Du Pont de Ne mours) oder aus Kohlenstoff, dessen linearer Längenausdeh nungskoeffizient gering negativ (-0,7 × 10^-6 für Kohlenstoff, -3,5 × 10^-6 für Kevlar) ist.

Damit die Wärmegesamtausdehnung des Dorns 12 im wesentlichen gleich der der Fasern 2 wird, bestimmt man die Niveaus der thermischen Beanspruchungen in der Verbundschicht 10 und in der Dicke des Trägers 11, damit die Anordnung des mit Überzug versehenen Dornes dieser Ausdehnungsbedingung entspricht. Die Dicke der Schicht 10 ist eine Funktion der Dicke der Schicht 11, des Radius R (Fig. 3) der Grenzfläche zwischen den Schich ten, der Module des Verbunds der Schicht 10 und der Schicht 11, des Ausdehnungskoeffizienten der Schacht 11, desjenigen der Drähte der Verbundschicht 10 und desjenigen der Verstär kungsfasern 2, die das Bauteil oder das Werkstück in der Form 5 bilden.

Im folgenden wird ein Beispiel behandelt, bei dem die Fasern 2 zur Herstellung der Werkstücke oder Bauteile aus Glas und der Träger 11 aus Stahl ist.

Der die Stahlschicht 11 überdeckende Umfangsverbund 10 kann ein Verbund mit etwa 65% Fasern bezogen auf das Hüllharz sein, wobei als Harz alle diejenigen zu nennen sind, die zur Zeit mit den folgenden Fasern Verwendung finden:

- Kevlar 49, hergestellt von der Firma Du Pont de Nemours, einen Verbund bildend, der im wesentlichen einen Modul von 90 GPa hat,
- Kohlenstoff HR wie das T 300, hergestellt von der Firma Toray, einen Verbund, im wesentlichen mit einem Modul von 150 GPa bildend,
- Kohlenstoff HM wie M46J, hergestellt von der Firma To ray, einen Verbund im wesentlichen mit einem Modul von 250 GPa bildend.

Ist
α_v der Ausdehnungskoeffizient des Glases (5×10^-6°C^-1),
α_c der Ausdehnungskoeffizient des Verbundes (-3,5×10^-6°C^-1 für Kevlar, -07×10^-6°C^-1 für Kohlenstoff,
α_a der Ausdehnungskoeffizient des Stahls (11×10^-6°C^-1),
σ_c die Beanspruchung im Verbund,
σ_a die Beanspruchung im Stahl,
E_c der Modul des Verbunds,
E_a der Modul des Stahls (200.000 MPa),
d_v die natürliche Ausdehnung des Glases,
d_c die natürliche Ausdehnung des Verbunds,
d_a die natürliche Ausdehnung des Stahls,
ε_c die mechanische Längung des Verbundes,
ε_a die mechanische Längung des Stahls,
e_c die Dicke des Verbundes,
e_a die Dicke des Stahls,
Δ_t die Veränderung der Temperatur zwischen der Umgebung und der Gelierungstemperatur des Bauteils in Profilform,
so ist die natürliche Ausdehnung des Glases: d_v=α_v·Δt,
die natürliche Ausdehnung des Verbundes: d_c=α_c·Δt,
die natürliche Ausdehnung des Stahls: d_a=α_a·Δt.

Damit die Gesamtausdehnung des bandagierten Dorns gleich der des Glases ist und damit die Stahlschicht komprimiert wird aus der Differenz zwischen seiner natürlichen Ausdehnung und der Längsausdehnung des Glases, wird es notwendig, daß die Ver bundschicht ihr eine mechanische Längung ε a verleiht (negativ, da es sich darum handelt, sie unter Kompression zu setzen), die gleich dieser Differenz zwischen der natürlichen Ausdeh nung und der Längsausdehnung des Glases ist. Die Verbundbanda gierungsschicht wird gezogen aus der Differenz der Längsaus dehnung des Glases und seiner natürlichen Ausdehnung (im Ab solutwert wird man die Verkürzung hinzusetzen):

ε_a=-(d_a-d_v)=(α_v-α_a)·Δt

ε_c=d_v-d_c=(α_v-α_c)·Δt

Das Gleichgewicht der Kräfte drückt sich dann durch die Tatsa che aus, daß der Außendruck P_e, der durch die Bandagierungsver bundschicht auf das Stahlrohr ausgeübt wird, entgegengesetzt (von gleichem Absolutwert, jedoch von entgegengesetztem Vor zeichen) zum Innendruck P_i, der durch das Stahlrohr der Ver bundschicht erteilt wurde, an der Kontaktoberfläche (vom Radi us R) dieser beiden Schichten ist. Da es sich um dünne Rohre handelt, kann man schreiben:

P_i=σ_a·e_a/R
P_e=σ_c·e_c/R

und da

P_i = -P_e

ist,
kann man hieraus ableiten, daß

σ_c·e_c=-σ_a·e_a

hieraus

e_c=-e_a·σ_aa/σ_c

oder

σ_c=E_c·ε_c et σ_a=E_a·ε_a

und somit:

e_c = -e_a·(E_a/E_c)·((α_v - α_a)/(α_v - α_c))

Numerisch erhält man, wenn man in erster Annäherung ansetzt, daß der Ausdehnungskoeffizient des Verbundes gleich dem der Faser ist, die nachstehende Tabelle:

Die vorliegende Erfindung ist auch anwendbar auf die Herstel lung von Rohren, vorzugsweise großen Durchmessers, aus Ver bundmaterial, durch Wickeln von Verstärkungsfasern auf einen Dorn wie beschrieben. Es ist tatsächlich klar, daß die Form 5 der Fig. 3 fortgelassen werden kann, ohne die durch die bevor zugte Realisierung der vorliegenden Erfindung erbrachte Lösung zu verändern.

So werden mit Hilfe des Dorns oder des Verfahrens nach der Erfindung hergestellte Rohre gebildet aus einem homogenen Ver bund in der Verteilung der Verstärkungsfasern und des Harzes, was zu Rohren günstiger Festigkeitscharakteristiken bei Ermü dung und beim Altern führt.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Beispiel be schränkt; vielmehr kann das Herstellungsverfahren mit sämtli chen seiner genannten Vorteile angewendet werden, indem man einen Dorn verwendet, der die gewünschten Funktionen für andere benachbarte oder equivalente Mittel benutzt.

Claims

1. Dorn zur Herstellung von Werkstücken aus Harz, verstärkt durch Verstärkungsfasern durch Präzisionswickelverfahren bzw. filamentäres Wickeln, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn eine Schicht aus Verbundmaterial umfaßt, daß Fasern aufweist, die im wesentlichen über den Umfang bezogen auf die Drehachse des Dornes abgelegt sind, wobei diese Schicht gewählte Eigen schaften hat, um die thermische Gesamtausdehnung des Dorns zu kontrollieren.

2. Dorn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht und die Art der sie bildenden Fasern so be stimmt werden, daß der Wärmegesamtausdehnungskoeffizient des Dornes benachbart dem Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Verstärkungsfasern dieser Werkstücke wird.

3. Dorn nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Dorn eine zylindrische Gestalt von einem Durchmesser hat, der wenigstens größer als 1 Meter ist.

4. Dorn nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des Dorns aus Kohlenstoff oder Polyaramid bestehen.

5. Verwendung des Dorns nach einem der vorhergehenden An sprüche zur Herstellung, gemäß der Präzisionswickeltechnik bzw. Filamentärwickeltechnik von rundgebogenen Profilen aus stabilisierbarem Harz, die mit Glasfasern verstärkt sind.

6. Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Profil durch das Erwärmen des Dorns nach dem Wickeln stabilisiert ist.

7. Verfahren zur Herstellung, durch Präzisionswickeln oder filamentäres Wickeln von Werkstücken aus mit Verstärkungsfa sern verstärktem Harz auf einem Dorn, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn so ausgelegt ist, daß er eine Umfangswärmeausdeh nung aufweist, die benachbart der Wärmeausdehnung dieser Ver stärkungsfasern dieser Werkstücke in wenigstens einem Teil des Verwendungstemperaturbereichs dieses Dornes ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Teil dieses Temperaturbereichs einem Stabilisierungs temperaturbereich des Harzes dieser Werkstücke entspricht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur des Dorns derart ist, daß der Wärmegesamtausdeh nungskoeffizient des Dornes benachbart dem Wärmeausdehnungs koeffizienten der Verstärkungsfasern der hergestellten Werk stücke ist.