DE4444294A1 - Dorn zum Präzisionswickeln sowie Anwendung auf die Herstellung gebogener Profile - Google Patents
Dorn zum Präzisionswickeln sowie Anwendung auf die Herstellung gebogener ProfileInfo
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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
αv der Ausdehnungskoeffizient des Glases (5×10-6°C-1),
αc der Ausdehnungskoeffizient des Verbundes (-3,5×10-6°C-1 für Kevlar, -07×10-6°C-1 für Kohlenstoff,
αa der Ausdehnungskoeffizient des Stahls (11×10-6°C-1),
σc die Beanspruchung im Verbund,
σa die Beanspruchung im Stahl,
Ec der Modul des Verbunds,
Ea der Modul des Stahls (200.000 MPa),
dv die natürliche Ausdehnung des Glases,
dc die natürliche Ausdehnung des Verbunds,
da die natürliche Ausdehnung des Stahls,
εc die mechanische Längung des Verbundes,
εa die mechanische Längung des Stahls,
ec die Dicke des Verbundes,
ea die Dicke des Stahls,
Δt die Veränderung der Temperatur zwischen der Umgebung und der Gelierungstemperatur des Bauteils in Profilform,
so ist die natürliche Ausdehnung des Glases: dv=αv·Δt,
die natürliche Ausdehnung des Verbundes: dc=αc·Δt,
die natürliche Ausdehnung des Stahls: da=αa·Δt.
αv der Ausdehnungskoeffizient des Glases (5×10-6°C-1),
αc der Ausdehnungskoeffizient des Verbundes (-3,5×10-6°C-1 für Kevlar, -07×10-6°C-1 für Kohlenstoff,
αa der Ausdehnungskoeffizient des Stahls (11×10-6°C-1),
σc die Beanspruchung im Verbund,
σa die Beanspruchung im Stahl,
Ec der Modul des Verbunds,
Ea der Modul des Stahls (200.000 MPa),
dv die natürliche Ausdehnung des Glases,
dc die natürliche Ausdehnung des Verbunds,
da die natürliche Ausdehnung des Stahls,
εc die mechanische Längung des Verbundes,
εa die mechanische Längung des Stahls,
ec die Dicke des Verbundes,
ea die Dicke des Stahls,
Δt die Veränderung der Temperatur zwischen der Umgebung und der Gelierungstemperatur des Bauteils in Profilform,
so ist die natürliche Ausdehnung des Glases: dv=αv·Δt,
die natürliche Ausdehnung des Verbundes: dc=αc·Δt,
die natürliche Ausdehnung des Stahls: da=αa·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):
εa=-(da-dv)=(αv-αa)·Δt
εc=dv-dc=(αv-αc)·Δt
Das Gleichgewicht der Kräfte drückt sich dann durch die Tatsa
che aus, daß der Außendruck Pe, der durch die Bandagierungsver
bundschicht auf das Stahlrohr ausgeübt wird, entgegengesetzt
(von gleichem Absolutwert, jedoch von entgegengesetztem Vor
zeichen) zum Innendruck Pi, 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:
Pi=σa·ea/R
Pe=σc·ec/R
Pe=σc·ec/R
und da
Pi = -Pe
ist,
kann man hieraus ableiten, daß
kann man hieraus ableiten, daß
σc·ec=-σa·ea
hieraus
ec=-ea·σaa/σc
oder
σc=Ec·εc et σa=Ea·εa
und somit:
ec = -ea·(Ea/Ec)·((αv - αa)/(αv - αc))
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 (9)
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.
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