MANUFACTURING METHOD FOR TUBES

Abstract: 1. A process for the production of long stretched-out hollow articles made from fiber-reinforced plastic, for example tubular torsion bars, comprising several tubes (1, 2) mounted concentrically one inside the other, the tubes (1, 2) being connected to one another at one end (5, 5a), each tube (1, 2) being under the influence of a force, and the tubes (1, 2) being connected to one another at the other end under the influence of a force, wherein two more tubes (1, 2) having approximately the same fiber orientation (3, 4), but with a different sign, are mounted concentrically one inside the other at distance from one another, the tubes (1, 2) having a fiber orientation between 15 degrees and 75 degrees, but preferably 45 degrees, and wherein at least one tube is subjected to a force, the essentially annular interspace between the two tubes (1, 2) being filled with a binder, in particular a hard flexible plastic, during the loading in order to facilitate connection.

Description: Verfahren zur Herstellung von Rohren Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Rohren, z.B. rohrförmigen Torsionsstäben und dgl., welche mit faserverstärktem Kunststoff aufgebaut sind. Es wird seit einiger Zeit versucht, eine Reihe von Bauelementen, die bislang aus isotropem Material aufgebaut waren, wie beispielsweise Druckrohre, rohrförmige Kardanwellen, Druckbehälter, Torsionsstäbe und dgl. durch Werkstoffe zu ersetzen, die gerichtete Eigenschaften aufweisen. Als wohl bekanntester Werkstoff dieser Gruppe ist glasfaserverstärktes Polyester, bzw. glasfaserverstärktes Epoxid zu bezeichnen. Hiebei soll es so sein, dass die Festigkeit im wesentlichen durch das Fasermaterial vermittelt wird, wohingegen der Kunststoff lediglich zur Verbindung dieser Fasern dienen soll. Die Schwachstelle dieser Werkstoffe liegt nun darin, dass sie einerseits hetrogen aufgebaut sind und dass anderseits die Kunststoffe als solche nur eine relativ geringe Zugfestigkeit aufweisen, wobei aber gleichzeitig die Druckfestigkeit in durchaus ausreichender Höhe erhaltbar ist. Neben dem Bestreben, durch neue Kunststoffe bzw. durch Variationen der bekannten Kunststoffe die Eigenschaften zu erhöhen, wodurch in der Regel lediglich kontinuierliche Verbesserungen erreicht werden können, wird versucht, durch spezifischen Aufbau den hetrogenen Eigenschaften gerecht zu werden. Aus der DE-A1 28 42 531 wird ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoffrohren bekannt, wobei ein zweischichtiges Rohr aufgebaut wird. Zuerst wird ein Innenrohr mit im wesent lichen im Umfang verlaufenden Fasern erzeugt, sodass die Fasern mit der Längsrichtung des Rohres einen Winkel von im wesentlichen 90 einschliessen, wobei die Abweichungen lediglich dadurch bedingt sind, dass eine unendliche Faser um das Rohr gewickelt werden soll, sodass ein geringer Steigungswinkel entsteht. Dieses Rohr wird ausgehärtet, worauf in das Innere ein Druckmittel eingebracht und gleichzeitig von aussen eine axialwirkende Druckkraft aufgebracht wird. Der Kunststoff, welcher die einzelnen Fasern miteinander verbindet, ist ein hartelastischer Kunststoff, sodass eine elastische Verformung auftritt. Auf diesem so elastisch verformten Körper wird eine zweite Rohrschichte mit Glasfasern aufgebracht, wobei die Glasfasern im wesentlichen in Achsrichtung orientiert sind. Dieses zweite Rohr, welches mit dem ersten Rohr, z.B. über den hartelastischen Kunststoff verbunden ist, gelangt ebenfalls zur Aushärtung, wonach das erste Rohr vom Druckmedium und vom Druck in Axialrichtung entlastet wird. Bei einem derartigen Rohr ist der äussere Teil desselben soweit vorgespannt, dass ¯es auf das innere Druckspannungen ausüben kann. Das äussere Rohr muss mit einem kalthärtbaren Kunststoff gefertigt werden, damit die Vorspannung des inneren Rohres nicht durch die thermische Verformung des Kunststoffes beseitigt wird. Es können somit nur bestimmte Kunststoffe, welche in der Regel ein geringeres Eigenschaftsniveau besitzen, verwendet werden. Wird ein Torsionsrohr beansprucht, dann werden die Fadenlagen unterschiedlich beansprucht, und zwar einmal auf Druck und einmal auf Zug. Tritt eine solche Fadendehnung infolge der Torsionsbeanspruchung auf, und zwar in Richtung der Fadenachse, dann erfolgt notwendigerweise auch eine Dehnung quer zu der Fadenrichtung der anderen Fadenlage mit der Folge, dass diese Dehnung zu einer Rissbildung zwischen den Fäden führt. Dadurch wird der Kunststoffadenverbund zerrüttet, was insbesondere eine erhebliche Herabsetzung der Ermüdungsfestigkeit bei dynamisch hochbeanspruchten Torsionsrohren zur Folge hat. Bei weichelastischen Schläuchen, welche z.B. aus Weichpolyvinylchlorid, Gummi od. dgl. aufgebaut sind, ist es bekannt, Verstärkungseinlagen vorzusehen, die im wesentlichen zirka 550 zur Längsachse einnehmen, wobei beispielsweise ein Geflecht vorgesehen sein kann, welches idente Winkel jedoch nur unterschiedliche Vorzeichen aufweist. Aus der DE-A1 23 23 708 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Druckgefässes und zwar eines Raketenmotorgehäuses bekannt, wobei zwei Hohlkörper ineinander geschoben werden, die verschiedene Winkel der Fasern des faserverstärkten Kunststoffes aufweisen. Diese Hohlkörper können auch gegebenenfalls miteinander verklebt werden. Durch die verschiedene Anordnung des Wickelwinkels soll der Tatsache Rechnung getragen werden, dass die Beanspruchung in Längsrichtung zweimal so stark ist, wie jene in Radialrichtung. Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Herstellung von Rohren, z .6. Torsionsrohren od. dgl. zu schaffen, welches es auf einfache und gut zu reproduzierende Weise erlaubt, derartige Rohre zu erzeugen, wobei die Zug- und Druckbeanspruchungen gleichmässig auf die verschiedenen Schichten des Körpers verteilbar sind und die hohe Rissbildungsgrenzen aufweisen. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Rohren, z.B. rohrförmigen Torsionsstäben, od. dgl., welche mit faserverstärktem Kunststoff aufgebaut sind und mit zumindest zwei Schichten mit unterschiedlich zur Längsrichtung orientierten Fasern z.B. aus Glas, Kohlenstoff, Aramid od. dgl., die sich zumindest teilweise jeweils über den gesamten Hohlkörper erstrecken, welche Schichten hartelastischen Kunststoff aufweisen, wobei während der Verbindung zumindest zweier Schichten miteinander die Schichten mit unterschiedlichen Kräften beaufschlagt werden, gegebenenfalls nur eine Schicht mit einer oder mehreren Kräft(en), gegebenenfalls die innere Schicht mit Druck beaufschlagt wird, besteht im wesentlichen darin, dass zumindest zwei Rohre mit vorzugsweise etwa gleicher Faserorientierung, insbesondere zwischen 150 und 750, vorzugsweise zirka 450 zur Längsachse der Rohre, jedoch unterschiedlichem Vorzeichen gefertigt und ausgehärtet werden, worauf zumindest ein Rohr in dem weiteren angeordnet wird, und die Rohre gegebenenfalls an einem Ende miteinander verbunden werden und zumindest ein Rohr mit einer Kraft beaufschlagt wird, während die Rohre zumindest an ihrem weiteren Ende, insbesondere, an ihren beiden Enden, hartelastisch bzw. starr verbunden werden. Ein derartiges Verfahren weist den Vorteil auf, dass zwei vollständig ausgehärtete Kunststoffrohre mit unterschiedlichem Wickelwinkel gebildet werden können, die einer Lagerung zugeführt werden. Soll nun ein Rohr für eine bestimmte Beanspruchung angefertigt werden, ist es lediglich erforderlich, beispielsweise das Innenrohr, welches auch als Stab ausgebildet sein kann, in das Rohr mit dem grösseren Durchmesser einzuführen, diese beiden Rohre sodann, insbesondere an einem Ende gegeneinander lagefixiert, mit einer Kraft zu beaufschlagen, worauf diese am anderen Ende miteinander verbunden werden. Der Kunststoff für beide Rohre kann ohne Rücksicht auf die thermischen Eigenschaften ausgewählt werden, womit ein besonders hohes Eigenschaftsniveau erreicht werden kann. Weiters können die Eigenspannungen besonders einfach eingebracht werden. Werden zumindest zwei Rohre hergestellt, wobei ein Rohr in einem weiteren unter Freilassung eines im wesentlichen ringförmigen Zwischenraumes, welcher sich etwa in Rohrlängsrichtung erstreckt, angeordnet wird, worauf zumindest ein Rohr mit zumindest einer Kraft beaufschlagt wird, während die Rohre durch ein Bindemittel, insbesondere einem hartelastischen Kunststoff im Zwischenraum vorzugsweise vollflächig miteinander verbunden werden, so kann ein besonders biegesteifes Rohr erhalten werden, welches aus einem mehrfachen Verbund besteht, wobei auch beispielsweise, wenn der Zwischenraum vollkommen gefüllt ist, dieses Rohr beliebig abgelängt werden kann. Wird das innere Rohr mit einer radial nach aussen weisenden Druckkraft z.B. einem Druckmedium beaufschlagt und weiters mit einer axialen Zugkraft, die dem Betrag nach kleiner ist als die radial nach aussen weisende Druckkraft, während der Verbindung mit dem weiteren Rohr beaufschlagt, wobei die Faserorientierung des inneren und gegebenenfalls des äusseren Rohres zur Längsachse zwischen etwa 45 und etwa 750 beträgt, so kann ein Rohr erhalten werden, das in Längsrichtung besonders elastisch ist. Ist das innere Rohr mit einer radial nach aussen wirkenden Druckkraft z.B. einem Druckmedium und zumindest mit einer in Achsrichtung wirkenden Zugkraft, während der Verbindung der Rohre miteinander, beaufschlagt, wobei die Faserorientierung des inneren, gegebenenfalls des äusseren Rohres zur Längsachse zwischen etwa 15 und 550 beträgt, so wird ein Rohr erhalten, welches in Längsrich tung eine besonders hohe Biege- und Zugsteifigkeit aufweist. Wird das innere und/oder äussere Rohr mit einem Torsionsmoment, gegebenenfalls unter Wärmeeinwirkung beaufschlagt, so kann auch eine derartige Vorspannung erreicht werden. Erfolgt die Krafteinwirkung mit Wärmebeaufschlagung, so kann man ein Relaxieren der Eigenspannungen vorwegnehmen. Die Einwirktemperatur sollte etwas höher als die erwartete Einsatztemperatur sein. Man lässt nun die erhöhte Temperatur einwirken, während man z.B. auf beide Rohre ein entgegengerichtetes Torsionsmoment aufbringt. Dieses Moment wird aufrechterhalten, während infolge der erhöhten Temperatur die Verdrehung der Rohre ständig zunimmt. Nach ein paar Minuten können dann auch die freien Enden der beiden ineinandergesteckten Rohre miteinander verbunden werden und auch der Zwischenraum zwischen den beiden Rohren vollflächig gefüllt werden. Erfährt ein so behandeltes Bauteil im Betrieb höhere Temperaturen, so wird die Relaxation der gezielt eingebrachten Eigenspannungen deutlich schwächer verlaufen, der Nutzen des Bauteils also auch bei erhöhten Temperaturen in fast vollem Umfang erhalten bleiben. Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung und der Beispiele näher erläutert. In der Zeichnung sind zwei Rohre 1 und 2 dargestellt, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Hierbei verlaufen die Fäden der Fadenlage 3 des äusseren Rohres 1 unter einem negativen Wickelwinkel OC 1, die Fäden der Fadenlage 4 des inneren Rohres 2 unter einem positiven Wickelwinkel DC 2. Die Rohre 1 und 2 werden an ihrem einen Ende 5, 5a fest miteinander verbunden, und dann einer Krafteinwirkung, z.B. einer Torsionskraft ausgesetzt und sodann am anderen Ende miteinander verbunden, z.B. verklebt. Beispiel 1: Es wurde ein Innenrohr mit einem Innendurchmesser von 40 mm und einer Wandstärke von 1,5 mm unter Einhaltung eines Wickelwinkels von + 450 hergestellt, und das Epoxidharz aushärten gelassen. Sodann wurde ein weiteres analoges Rohr mit einem Wickelwinkel von - 450 hergestellt, wobei der Innendurchmesser des Rohres 43,5 mm betrug und die Wandstärke 1,3 mm aufwies. Die beiden Rohre wurden mit einem Torsionsmoment von + bzw. - 203 Nm gedreht und durch ein Epoxidharz dauerhaft verbunden. Ein derartiges Rohr wies ein maximal ertragbares Torsionsmoment von 2250 Nm auf, wohingegen zwei Rohre, die nicht gegeneinander verspannt waren, und lediglich an ihren Enden eine Verbindung aufwiesen, ein Torsionsmoment von 1290 Nm hatten. Es konnte somit eine Steigung um 74 % erreicht werden. Ein derartiges Torsionsrohr ist besonders für wechselnde Drehrichtung von hoher Bedeutung, da Vorspannungen in beiden Richtungen gegeben sind. Beispiel 2: Es wurde ein Torsionsrohr entsprechend Beispiel 1 nach dem erfindungsgemässen Verfahren unter Einhaltung der Parameter gemäss Beispiel 2 der Tabelle hergestellt, wobei ein derartiges Torsionsrohr ein maximales ertragbares Torsionsmoment von 2095 Nm aufwies. Ein Doppelrohr, welches lediglich an den Enden verbunden wurde, wies ein maximales ertragbares Torsionsmoment von 1290 Nm auf. Ein derartiges Torsionsrohr ist insbesondere für eine Drehrichtung bestimmt. Beispiel 3: Es wurde ein Rohr analog Beispiel 1, jedoch unter der Einhaltung der Parameter gemäss Beispiel 3 der Tabelle ausgeführt, wobei ein Innendruck von 36 bar im Innenrohr vorgesehen wurde, und das Innenrohr einer axialen Zugkraft von 24 446 N und einem Torsionsmoment von - 351 Nm ausgesetzt wurde. In diesem Zustand wurde das Innenrohr mit dem Aussenrohr verbunden. Ein derartiges Torsionsrohr weist ein um 43 % grösseres Torsionsmoment als ein normales Doppelrohr mit entsprechender Winkelorientierung auf und ist besonders biegesteif. Beispiel 4: Es wurde ein Rohr gemäss Beispiel 3 unter Einhaltung der Parameter gemäss Beispiel 4 erzeugt, wobei aufgrund der zusätzlichen Druckkraft ein biegeweiches Torsionsrohr erhalten wurde. Obwohl die Winkel der Faserorientierung in absoluten Beträgen bei den Beispielen gleich sind, können auch unterschiedliche Winkel eingehalten werden. EMI9.1 <tb> <SEP> Beispiel <SEP> 1 <SEP> | <SEP> Beispiel <SEP> 2 <SEP> | <SEP> Beispiel <SEP> 3 <SEP> |Beispiel <SEP> 4 <tb> <SEP> <tb> | <tb> Innenrohr <tb> messer <SEP> (mm) <SEP> <SEP> 40 <SEP> 40 <SEP> 40 <SEP> 40 <tb> Wanddicke <SEP> (mm) <SEP> <SEP> 1,5 <SEP> 1,5 <SEP> 1,5 <SEP> 1,5 <tb> Faserart <SEP> E-Glas <SEP> E-Glas <SEP> E-Glas <SEP> E-Glas <tb> Harz <SEP> art <SEP> Epoxidharz <SEP> Epoxidharz <SEP> Epoxidharz <SEP> Epoxidharz <tb> Torsions <tb> moment <SEP> (Nm) <SEP> -203 <SEP> -203 <SEP> -351 <SEP> -351 <tb> Innendruck <tb> <SEP> (bar) <SEP> 0 <SEP> <SEP> 0 <SEP> 36 <SEP> 108 <tb> <RTI ID=9.5> Axialkraft <SEP> (N) <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 24 <SEP> 446 <SEP> -4 <SEP> 890 <tb> <SEP> <tb> Aussenrohr <tb> Wickelwinkel <SEP> 450 <SEP> -45 <SEP> -300 <SEP> 600 <tb> Innendurch <tb> messer <SEP> (mm) <SEP> 43,5 <SEP> 43,5 <SEP> 43,5 <SEP> 43,5 <tb> Wanddicke <SEP> (mm) <SEP> 1,3 <SEP> 1,3 <SEP> 1,3 <SEP> 1,3 <tb> Faserart <SEP> E-Glas <SEP> E-Glas <SEP> E-Glas <SEP> E-Glas <tb> | <tb> Harzart <SEP> Epoxidharz <SEP> Epoxidharz <SEP> Epoxidharz <SEP> Epoxidharz <tb> Torsions <tb> moment <SEP> (Nm) <SEP> +203 <SEP> I <SEP> <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <tb> <SEP> Innendruck <tb> <SEP> (bar) <SEP> 0 <SEP> <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> | <SEP> 0 <tb> Axialkraft <SEP> (N) <SEP> 0 <SEP> <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> | <SEP> 0 <tb> <SEP> | <tb> max. <SEP> <SEP> ertragbares <tb> Torsionsmoment <SEP> 1290 <SEP> 1290 <SEP> -1181 <SEP> -1181 <tb> <SEP> (Nm) <SEP> ohne <SEP> Vorbe <tb> handlung <tb> max. <SEP> ertragbares <tb> Torsionsmoment <SEP> 2250 <SEP> -2095 <SEP> -1688 <SEP> -1688 <tb> <SEP> (Nm) <SEP> mit <SEP> Vorbe <tb> handlung <tb> proz. <SEP> Zunahme <tb> durch <SEP> das <SEP> Ver- <SEP> 74% <SEP> 62% <SEP> 43% <SEP> | <SEP> 43% <tb> fahren <tb> <SEP> Torsionsrohr <SEP> wechselnde <SEP> vorwiegend <SEP> biegesteif <SEP> biegeweich <tb> <SEP> für: <SEP> Drehrich- <SEP> eine <SEP> Dreh <tb> <SEP> tung <SEP> richtung <tb>

Claims: Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung von Rohren, z.B. rohrförmigen Torsionsstäben od. dgl., welche mit faserverstärktem Kunststoff aufgebaut sind und mit zumindest zwei Schichten mit unterschiedlich zur Längsrichtung orientierten Fasern z.B. aus Glas, Kohlenstoff, Aramid od. dgl., die sich zumindest teilweise jeweils über den gesamten Hohlkörper erstrecken, welche Schichten hartelastischen Kunst- stoff aufweisen, wobei während der Verbindung zumindest zweier Schichten miteinander die Schichten mit unterschiedlichen Kräften beaufschlagt werden, gegebenenfalls nur eine Schicht mit einer oder mehreren Kräft(en), gegebenenfalls die innere Schicht mit Druck beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Rohre mit, vorzugsweise etwa gleicher, Faserorientierung, insbesondere zwischen 150 und 750 vorzugsweise 450, zur Längsachse der Rohre, jedoch unterschiedlichem Vorzeichen gefertigt und ausgehärtet werden, worauf zumindest ein Rohr in dem weiteren angeordnet wird und die Rohre gegebenenfalls an einem Ende miteinander verbunden werden, worauf zumindest ein Rohr mit einer Kraft beaufschlagt wird, während die Rohre zumindest an ihrem weiteren Ende, insbesondere, an ihren beiden Enden hartelastisch bzw. starr verbunden werden. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Rohre hergestellt werden, wobei ein Rohr in einem weiteren unter Freilassung eines im wesentlichen ringförmigen Zwischenraumes, welcher sich etwa in Rohrlängsrichtung erstreckt, angeordnet wird, worauf zumindest ein Rohr mit zumindest einer Kraft beaufschlagt wird, während die Rohre durch ein Bindemittel, insbesondere einem hartelastischen Kunststoff, im Zwischenraum, vorzugsweise vollflächig, miteinander verbunden werden. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Rohr mit einer radial nach aussen weisenden Druckkraft z.B. einem Druckmedium beaufschlagt wird und dieses Rohr weiters mit einer axialen Zugkraft, die dem Betrag nach kleiner ist als die radial nach aussen weisende Druckkraft, während der Verbindung mit dem weiteren Rohr beaufschlagt wird, wobei die Faserorientierung des inneren und gegebenenfalls des äusseren Rohres zur Längsachse zwischen etwa 450 und etwa 750 beträgt. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Rohr mit einer radial nach aussen wirkenden Druckkraft z.B. einem Druckmedium und zumindest mit einer in Achsrichtung wirkenden Zugkraft, während der Verbindung der Rohre miteinander, beaufschlagt wird, wobei die Faserorientierung des inneren und gegebenenfalls des äusseren Rohres zur Längsachse zwischen etwa 15 und 450 beträgt. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das innere und/oder äussere Rohr mit einem Torsionsmoment gegebenenfalls unter Wärmeeinwirkung beaufschlagt wird.

Inventors: PUCK, ALFRED, PROF.DR.-ING., SCHURMAN, HELMUT, DIPL.-ING., Schürman, Helmut, Dipl.-Ing.
Applicants: BASF AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1985
Main classification: B29D23
IPC codes: B29D23, B29C63, B29C70