用于制造复合管的方法
【专利说明】用于制造复合管的方法
[0001]本发明涉及一种用于制造由纤维增强塑料构成的管的方法，其中，管通过将纤维增强材料卷绕到卷芯上并且涂覆基质材料而形成，并且涉及一种这样制成的管。
[0002]已知这种方法例如用于制造由复合材料构造的辊子。卷芯在此定义管的内表面并且形成相应的表面精度和表面质量。管的外侧在卷绕和在炉中硬化之后保持不规律的波浪形。为了在管的外侧形成定义的平坦表面，迄今需要机械的再加工。或者通过车削或者通过打磨制成相应的表面。这是不利的，因为需要其他复杂的工作步骤。此外，只能去除基质材料，因为不允许损坏纤维增强部。这表示在设计中的限制。
[0003]此外，DE 2342593A中已知一种用于制造由玻璃纤维增强的聚酯树脂构成的锥形管的方法，其中，可以省掉对表面事后的加工。在将管卷绕到卷芯上之后并且在硬化之前，压套从外部被安装或轴向地推到管的整个长度上，从而压紧管材料。然后，将它硬化。已知方法的缺点是，不能制成特别精确的表面。然而这对于这种例如被用作杆子的管也是不必要的。
[0004]现在，本发明所要解决的技术问题是，改进一种用于制造由纤维增强塑料卷绕构成的管的方法，使得能在外侧上产生精确定义的表面，而无需事后的机械再加工。
[0005]该技术问题对于方法而言按本发明解决的方式是，在用于制造由纤维增强塑料构成的具有配合表面的管的方法中实施下面的步骤:
[0006]a)将纤维增强材料卷绕到卷芯上并且涂覆基质材料，用于形成管，
[0007]b)将配合成形工具相对卷芯对中，
[0008]c)将配合成形工具沿轴向朝后来的配合表面推移，该配合表面在管的外圆周表面的环形部分上构成，其中，配合成形工具至少有时在推移期间相对管和卷芯旋转，
[0009]d)在炉中对管进行热处理，以便硬化基质材料，其中，配合成形工具在热处理过程中与外圆周表面的环形部分保持接触，并且由此通过配合工具在管外侧上形成定义的环形表面(配合表面)。
[0010]该方法的优点是，定义的表面还在硬化之前就通过配合成形工具调制到仍有成形性能的基质材料中并且以该形状在炉中硬化。通过形状工具的推移和在此至少有时在配合成形工具和管之间所存在的相对旋转运动，实现了多余的基质材料的非常均匀的且无干扰的挤出或压实。由此，可以实现非常精确的面，其具有例如非常光滑、平坦的表面或精确的直径或具有准确定义的形状。通过配合成形工具相对卷芯对中，也可以获得配合表面精确共轴的成形。对中这样地实施，使得对中在推移期间进一步作用。优选地，所述对中以例如通过嵌接在中心孔中的定心销的机械对中形式进行。
[0011]需要这种精确的配合表面作为与例如金属连接件的良好卡箍连接或粘接连接的基础。通过按本发明的方法可以以简化的方式制造具有内部和外部的精确配合的表面的管。内表面通过卷芯预先确定，在外表面上的环形区域通过配合成形工具预先确定。因为这可以不需要机械再加工而实现，所以管可以更快速且廉价得制成。相对的旋转运动可以或者通过配合成形工具的旋转或者通过管的旋转、例如通过卷芯的旋转实现。两个部分也可以以不同的速度或旋转方向旋转。推移也可以或者通过配合成形工具的主动运动和/或通过管的主动运动进行。
[0012]按本发明的方法特别适合制造具有配合表面的管，该管在配合表面的区域内的外径处于30到500mm之间、优选80到300mm之间，其中，在环形配合表面区域内，此外径与额定值的偏差小于+/-0.5mm、优选小于+/-0.1mm。所述方法同样特别适合制造具有锥形成型的配合表面的管，其中，其锥角在0.1°到5°之间、优选在0.1°到1°之间，并且与锥角的额定值的偏差小于+/-0.2°、优选小于+/-0.05°。
[0013]为了制造管，优选使用由玻璃纤维或芳纶纤维构成的或特别优选由碳纤维构成的纤维增强部。也可以使用不同的纤维。可以以不同的角度和以多层施加纤维增强部。在此，纤维以一个或多个平行的粗纱或织造织物带或稀松平纹织物带(通常为非织造)卷绕的方式分别一层或多层地并且也组合地施加。纤维增强部被塑料基质包围。作为基质材料特别适合的是热塑性塑料或优选热固性塑料，如环氧树脂。基质材料可以在卷绕之前就已经存在于纤维增强部上或该基质材料在卷绕时或卷绕之后已被涂覆。基质材料的硬化或固化通过在炉中的热处理进行。热处理优选在温度为50°C到250°C之间时进行。
[0014]按本发明的方法的其他有利的进一步改进表面质量和设计方案或简化方法的特征出现在各从属权利了要求中。
[0015]优选按所述顺序实施步骤a)_d)。但也可以按另外的顺序或部分并列地实施单独的步骤。因此可以在a)之前或与步骤c)并列地进行例如步骤b)。在步骤c)期间也才可以部分地或完全地涂覆基质材料。
[0016]在任何情况下，这样设计配合成形工具，使得该配合成形工具在环形区域内完全包围管。也可以实现按本发明方法的应用，但是其中，配合成形工具仅贴靠在圆周的一部分上并且应当仅在该部分上形成定义的配合表面。这样获得了中断的环形配合表面。优选，配合成形工具在大部分圆周上贴靠在管的表面上，使得在大部分圆周上形成定义的配合表面。大部分看作大于圆周的一半、优选大于70%。尤其是配合成形工具可以与管在整个圆周上接触，以便形成连续的环形配合表面。
[0017]在圆锥形、锥形或弯曲的表面中，配合成形工具例如可以是一体式的；因此可以实现简单的无缝的表面。为了即使在锥形表面或弯曲表面中也可以更容易地安装和去除配合成形工具或为了可以形成圆柱形或仅略微锥形成型的配合表面，配合成形工具可以被设计为两件式或多件式的。配合成形工具的各个部分在所述推移之前组合在一起。由此，避免基质材料的挤压和不精确的表面形成。通过在推移时相对的旋转，也获得所述表面的无缝构造。
[0018]为了在配合成形工具的区域内确保受控的加热并因此确保良好的硬化，有利的是，在该配合成形工具与管接触之前或之后，加热配合成形工具。该加热可以例如通过将电热元件插入配合成形工具上的孔中进行。冷的配合成形工具在炉中需要更多的停留时间。配合成形工具也可以在安装之前加热，然后才与管接触。该加热可以例如在炉中或通过另外的热源、例如通过IR辐射器进行。
[0019]为了在制造配合表面时可以监控配合成形工具的温度，可以使用温度传感器和/或为了加热所述配合成形工具可以使用温度调节装置。因此确保了基质材料在期望的温度范围以内加热。太低的温度导致不充分的硬化，太高温度会损坏基质材料并且以不期望的方式改变其特性。
[0020]配合成形工具可以这样设计，使得该配合成形工具在管上形成具有恒定直径的圆柱形表面。因此，可以以有利的方式直接完成对于其他部件的配合座，该配合座后来安装在管上。该方法特别好地适合用于在管端部上形成锥形配合表面。为此，配合成形工具这样成型，使得配合成形工具在管(11)上形成锥形表面。优选，锥形表面的直径朝管端部逐渐减小。锥形配合表面尤其适合用于在管和后来安装的金属连接器之间建立良好的卡箍连接，如该卡箍连接使用例如在用于石油钻孔的钻杆中那样。通过该方法也可以在管或定义弯曲的管表面上形成在横截面中非直的配合表面、例如具有定义的弯曲半径的弯曲表面。轴可以具有规则的波浪形状。这种表面的优点是，在管与其他部件的连接装置中，可以承受一定的轴向力。也可以使用这样的配合成形工具，该配合成形工具形成由先前所述的配合表面构成的组合，即该组合具有例如圆柱形部分和锥形部分。
[0021]为了可以制造具有高强度的管，优选使用碳纤维作为纤维增强材料，该碳纤维优选以粗纱的形式卷绕到卷芯上。特别在很高的强度要求下有利的是，不需要机械的表面处理，因为此处纤维绝对没有被暴露或损坏。在基质材料是热固性塑料、尤其是环氧树脂时，可以特别有利地采用该方法。为了硬化，此处温度必须在50°C到250°C之间。热固性塑料形成硬的表面，使得此处节省的机械加工可看出来是特别有利的。
[0022]若将配合成形工具压紧到外圆周表面上，则还可以实现在管的环形部件内的压实，这进一步提高了强度和负载能力。优选以大于Obar且不超过Ibar的压力压紧该管。
[0023]对于按本发明的管，本发明的技术问题解决的方式是，该管通过按本发明的方法制造。
[0024]特别优选，这样设计管，使得管在配合表面区域内的外径在30到500mm之间、优选在80到300mm之间，其中，在环形配合表面区域内，该外径与额定值的偏差小于+/-0.5mm、优选小于+/-0.1mm。同样特别优选的是，管具有锥形成型的配合表面，其锥角在0.1°到5°之间、优选在0.1°到1°之间，并且其中，与锥角的额定值的偏差小于+/-0.2°、优选小于+/-0.05°。
[0025]根据实施例并且参照附图阐述本发明的其他有利