Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Rohres aus faserverstärktem Kunststoff, bei dem das Rohr durch Wickeln eines Faserverstärkungsmaterials auf einen Wickelkern und Aufbringen eines Matrixmaterials gebildet wird, und ein so hergestelltes Rohr.

Solche Verfahren sind beispielsweise zur Herstellung von Walzen aus Composite- Material bekannt. Der Wickelkern definiert dabei die innere Oberfläche des Rohres und erzeugt eine entsprechende Oberflächengenauigkeit und Oberflächenqualität. Die Außenseite des Rohres bleibt nach dem Wickeln und Aushärten im Ofen unregelmäßig wellig. Um auf der Außenseite des Rohres eine definierte ebene Oberfläche zu erzeugen, ist bisher eine mechanische Nachbearbeitung notwendig. Entweder wird durch Abdrehen oder durch Schleifen eine entsprechende Oberfläche hergestellt. Das ist nachteilig, da weitere aufwändige Arbeitsschritte nötig sind. Außerdem kann nur Matrixmaterial abgetragen werden, da die Faserverstärkung nicht verletzt werden darf. Das stellt eine Einschränkung bei der Gestaltung dar.

Aus DE 2342593 A ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung konischer Rohre aus glasfaserverstärktem Polyesterharz bekannt, bei dem auf eine nachträgliche Bearbeitung der Oberfläche verzichtet werden kann. Nach dem Wickeln des Rohres auf einem Wickelkern und vor dem Aushärten wird ein Pressmantel über der gesamten Länge des Rohres von außen aufgebracht oder axial aufgeschoben, so dass das Rohrmaterial verpresst wird. Anschließend wird es ausgehärtet. Nachteilig an diesem bekannte Verfahren ist, dass keine besonders genauen Oberflächen gefertigt werden können. Das ist für solche Rohre, die beispielsweise als Masten verwendet werden allerdings auch nicht nötig.

Die Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren zur Herstellung gewickelter, Rohre aus faserverstärktem Kunststoff so weiterzuentwickeln, dass genau definierte Oberflächen auf der Außenseite ohne nachträgliche mechanische Nachbearbeitung erzeugt werden können.

Die Aufgabe wird für das Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass folgenden Schritte beim Verfahren zur Herstellung eines Rohres aus faserverstärktem Kunststoff mit einer Passungsfläche ausgeführt werden:

a) Wickeln eines Faserverstärkungsmaterials auf einen Wickelkern und Aufbringen eines Matrixmaterials zur Bildung des Rohres,

b) Zentrieren eines Passungsformwerkzeuges in Bezug auf den Wickelkern, c) Aufschieben des Passungsformwerkzeuges in axialer Richtung auf die spätere Passungsfläche, welche auf einem ringförmigen Teil der Außenumfangsfläche des Rohres gebildet wird, wobei das Passungsformwerkzeug zumindest zeitweise während des Aufschiebens relativ zum Rohr und zum Wickelkern rotiert, d) Thermische Behandlung des Rohres in einem Ofen zum Aushärten des Matrixmaterials, wobei das Passungsformwerkzeug während der thermischen Behandlung in Kontakt mit dem ringförmigen Teil der Außenumfangsfläche bleibt und dadurch eine definierte ringförmige Oberfläche (Passungsfläche) auf der Rohraußenseite durch das Passungswerkzeug erzeugt wird. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die definierte Oberfläche noch vor dem Aushärten in das noch gestaltungsfähige Matrixmaterial durch das Passungsformwerkzeug aufgeprägt wird und in dieser Form im Ofen aushärtet. Durch das Aufschieben des Formwerkzeuges und die dabei zumindest zeitweise vorhandene relative Rotationsbewegung zwischen Passungsformwerkzeug und Rohr wird eine sehr gleichmäßige und störungsfreie Verdrängung oder Verdichtung von überschüssigem Matrixmaterial erreicht. Dadurch sind sehr exakte Flächen, z.B. mit sehr glatter, ebener Oberfläche oder mit genauem Durchmesser oder mit genau definierter Form möglich. Dadurch dass das Passungsformwerkzeug in Bezug auf den Wickelkern zentriert wird, ist auch eine exakt koaxiale Ausformung der Passfläche gegeben. Die Zentrierung ist so ausgeführt, dass sie während des Aufschiebens weiterwirkt. Bevorzugt erfolgt die Zentrierung als mechanische Zentrierung, beispielsweise über einen Zentrierstift, der in eine Zentrierbohrung eingreift.

Solch genaue Passungsflächen sind notwendig als Basis für gute Klemm- oder Klebeverbindungen mit z.B. metallischen Anschlussteilen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Rohre mit innen und außen passgenauer Oberfläche in vereinfachter Weise herstellen. Die Innenseite wird durch den Wickelkern vorgegeben und der ringförmige Bereich auf der Außenfläche durch das Passformwerkzeug. Da dies ohne mechanische Nachbearbeitung möglich ist, können die Rohre schneller und günstiger hergestellt werden. Die relative Rotationsbewegung kann entweder durch Rotation des Passungsformwerkzeuges oder durch Rotation des Rohres, z.B. über Rotation des Wickelkernes, realisiert werden. Es können auch beide Teile mit unterschiedlicher Geschwindigkeit oder Drehrichtung rotieren. Auch das Aufschieben kann entweder durch aktive Bewegung des Passformwerkzeuges und/oder durch aktive Bewegung des Rohres erfolgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet um Rohre mit einer Passungsfläche herzustellen, die einen Außendurchmesser im Bereich der Passungsfläche zwischen 30 und 500 mm, bevorzugt zwischen 80 und 300 mm aufweisen, wobei dieser Durchmesser im Bereich der ringförmigen Passungsfläche eine Abweichung vom Sollwert von kleiner +/- 0,5 mm, bevorzugt von kleiner +/- 0,1 mm aufweist. Ebenso ist es besonders geeignet, um Rohre mit einer konisch geformten Passungsfläche herzustellen, wobei deren Konuswinkel zwischen 0,1 ° und 5°, bevorzugt zwischen 0,1 und 1 ° beträgt und die Abweichung vom Sollwert des Konuswinkels kleiner als +/- 0,2°, bevorzugt kleiner als +/-0,05° ist.

Für die Herstellung des Rohres wird bevorzugt eine Faserverstärkung aus Glasfasern oder Aramidfasern oder besonders bevorzugt aus Kohlefasern verwendet. Es können auch verschiedene Fasern verwendet werden. Die Faserverstärkung kann unter verschiedenen Winkel und in mehreren Lagen aufgebracht werden. Dabei werden die Fasern als Wickelung von einem oder mehreren parallelen Rovings oder von Gewebe- oder Gelegebändern jeweils ein- oder mehrlagig und auch in Kombination aufgebracht. Die Faserverstärkung ist von einer Kunststoffmatrix umgeben. Als Matrixmaterial sind Thermoplaste oder bevorzugt Duromere, wie Epoxidharz besonders geeignet. Das Matrixmaterial kann bereits auf der Faserverstärkung vor dem Wickeln vorhanden sein oder es wird beim oder nach dem Wickeln aufgetragen. Die Aushärtung bzw. Konsolidierung des Matrixmaterials erfolgt durch eine thermische Behandlung im Ofen. Bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 50°C und 250°C.

Weitere vorteilhafte Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens, die die Qualität und die Gestaltungsmöglichkeiten der Oberfläche weiter verbessern oder das Verfahren vereinfachen, finden sich in den Unteransprüchen. Bevorzugt werden die Schritte a)-d) in der genannten Reihenfolge ausgeführt. Es können aber auch einzelne Schritte in anderer Reihenfolge oder teilweise parallel erfolgen. So kann zum Beispiel Schritt b) vor a) erfolgen oder parallel zu Schritt c). Es könnte auch die Aufbringung des Matrixmaterials teilweise oder vollständig erst während Schritt c) erfolgen.

In jedem Fall ist das Passungsformwerkzeug so ausgeführt, dass es das Rohr in einem ringförmigen Bereich ganz umschließt. Es sind auch Anwendungen des erfinderischen Verfahrens möglich, bei dem das Passungsformwerkzeug dennoch nur auf einem Teil des Umfanges anliegt und nur auf diesem Teil definierte Passungsflächen erzeugt werden sollen. So ergibt sich eine unterbrochene ringförmige Passungsfläche. Bevorzugt liegt das Passungsformwerkzeug auf einem Großteil des Umfanges an der Oberfläche des Rohres an, so dass auf einem Großteil des Umfanges die Passungsfläche definiert erzeugt wird. Als Großteil ist mehr als die Hälfte, bevorzugt mehr als 70% des Umfanges anzusehen. Insbesondere kann das Passungsformwerkzeug mit dem Rohr auf dem gesamten Umfang in Kontakt sein, um eine durchgehende ringförmige Passungsfläche zu erzeugen. Bei kegelförmigen, konischen bzw. gewölbten Flächen kann das Passungsformwerkzeug beispielsweise einteilig sein; so ist eine einfache nahtfreie Oberfläche möglich. Um das Passungsformwerkzeug einfacher auflegen und entfernen zu können auch bei konischen oder gewölbten Flächen oder um zylindrische oder nur leicht konisch geformte Passungsflächen erzeugen zu können, kann es zweiteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Die einzelnen Teile des Passungsformwerkzeuges werden vor dem Aufschieben zusammenfügt. Dadurch wird ein Verquetschen des Matrixmaterials und eine ungenaue Oberflächenbildung vermieden. Durch die relative Rotation beim Aufschieben ist auch hier eine nahtfreie Ausbildung der Oberfläche gegeben.

Damit auch im Bereich des Passungsformwerkzeuges eine kontrollierte Erwärmung und damit eine gute Aushärtung gewährleistet ist, ist es von Vorteil, dass das Passungsformwerkzeug beheizt wird, bevor oder nachdem es mit dem Rohr in Kontakt gebracht ist. Die Beheizung kann beispielsweise über in Bohrungen am Passungsformwerkzeug gesteckte elektrische Heizpatronen erfolgen. Ein kaltes Passungsformwerkzeug würde mehr Verweilzeit im Ofen erfordern. Das Passungsformwerkzeug kann auch vor dem Aufsetzen erwärmt und erst dann mit dem Rohr in Kontakt gebracht werden. Die Erwärmung kann beispielsweise in einem Ofen oder mit einer anderen Wärmequelle, wie zum Beispiel mit IR-Strahlern erfolgen.

Um die Temperatur des Passungsformwerkzeuges bei der Herstellung der Passungsfläche überwachen zu können, kann ein Temperatursensor und/oder zur Beheizung des Passungsformwerkzeuges eine Temperaturregelung verwendet werden. So wird sichergestellt, dass das Matrixmaterial innerhalb eines gewünschten Temperaturfensters erwärmt wird. Zu geringe Temperatur führt zu ungenügender Aushärtung und zu hohe Temperatur kann das Matrixmaterial schädigen und seine Eigenschaften in ungewünschter Weise verändern.

Das Passungsformwerkzeug kann so gestaltet sein, dass es eine zylindrische Oberfläche mit konstantem Durchmesser auf dem Rohr erzeugt. So kann in vorteilhafter Weise ein Passungssitz für ein weiteres Bauteil, das später auf dem Rohr montiert wird, direkt gefertigt werden. Besonders gut geeignet ist das Verfahren, um konische Passungsflächen am Rohrende herzustellen. Dazu ist das Passungsformwerkzeug so geformt, dass es eine konische Oberfläche auf dem Rohr (1 1 ) erzeugt. Bevorzugt nimmt der Durchmesser der konischen Fläche zum Rohrende hin ab. Insbesondere um eine gute Klemmverbindung zwischen dem Rohr und später montierten Metallverbindern herstellen zu können, wie sie beispielsweise bei Bohrgestängen für die Erdölbohrung verwendet werden, sind konische Passungsflächen geeignet. Mit dem Verfahren können auch im Querschnitt nicht gerade Passungsflächen erzeugt werden, z.B. eine gewölbte Oberfläche mit definiertem Wölbungsradius auf dem Rohr oder eine definiert gewellte Oberfläche auf dem Rohr. Die Welle kann eine regelmäßige Wellenform aufweisen. Der Vorteil solcher Flächen ist, dass in der Verbindung des Rohres mit anderen Bauteilen eine gewisse Axialkraft aufgenommen werden kann. Es können auch Passformwerkzeuge verwendet werden, die eine Kombination aus den vorher genannten Passungsflächen erzeugen, die also z.B. einen zylindrischen und einen konischen Teil haben.

Um Rohre mit hoher Festigkeit herstellen zu können, werden als Faserverstärkungsmaterial bevorzugt Kohlefasern verwendet, die bevorzugt in Form von Rovings auf den Wickelkern aufgewickelt werden. Besonders bei sehr hohen Festigkeitsanforderungen ist es von Vorteil wenn keine mechanische Oberflächenbearbeitung notwendig ist, da hier die Fasern auf keinen Fall freigelegt oder beschädigt werden dürfen. Besonders vorteilhaft lässt sich das Verfahren anwenden, wenn das Matrixmaterial ein Duromer, insbesondere ein Epoxidharz ist. Zur Aushärtung sind hierfür Temperaturen zwischen 50°C und 250°C notwendig. Duromere ergeben eine harte Oberfläche, so dass sich hier die eingesparte mechanische Bearbeitung besonders positiv bemerkbar macht. Wird das Passungsformwerkzeug an die Außenumfangsfläche angepresst, so kann auch noch eine Verdichtung in diesem ringförmigen Teil des Rohres erzielt werden, was die Festigkeit und Belastbarkeit weiter erhöht. Bevorzugt wird es mit einem Druck angepresst, der größer als 0 bar ist und bis zu 1 bar beträgt.

Für das erfindungsgemäße Rohr wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass dieses mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.

Besonders bevorzugt wird das Rohr so ausgeführt, dass es einen Außendurchmesser im Bereich der Passungsfläche zwischen 30 und 500 mm, bevorzugt zwischen 80 und 300 mm aufweist, wobei dieser Durchmesser im Bereich der ringförmigen Passungsfläche eine Abweichung vom Sollwert von kleiner +/- 0,5 mm, bevorzugt von kleiner +/- 0,1 mm aufweist. Ebenso ist es besonders bevorzugt, dass das Rohr eine konisch geformte Passungsfläche aufweist, deren Konuswinkel zwischen 0,1 ° und 5°, bevorzugt zwischen 0,1 und 1 ° beträgt und bei der die Abweichung vom Sollwert des Konuswinkels kleiner als +/- 0,2°, bevorzugt kleiner als +/-0,05° ist.

Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Die genannten Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, sondern auch einzeln untereinander kombiniert werden.

Fig.1 Rohr mit zylindrischem Werkzeug für erfindungsgemäßes Verfahren

Fig.2 Rohr mit konischem Werkzeug für erfindungsgemäßes Verfahren

Fig.3 Rohrelement für Bohrgestänge mit einem CFK-Rohr hergestellt nach dem erfindungsgemäßem Verfahren

Nachfolgend werden die Figuren detaillierter beschrieben. Fig.1 zeigt einen Ausschnitt als Beispiel für die Herstellung eines Rohres mit zylindrischer Passungsfläche. Das Rohr 1 ist bevorzugt aus CFK (Kohlefaserverstärktem Kunststoff). Die Achslinie 7 deutet an, dass nur die obere Hälfte im Schnitt dargestellt ist. Auf dem Wickelkern 8 wurde das Rohr gewickelt, indem Fasermaterial, beispielsweise Rovings oder Gewebe- oder Gelegebänder in einer oder mehreren Lagen aufgewickelt, und Matrixmaterial, beispielsweise duromeres Harz aufgebracht wurde. Der Wickelkern 8 definiert die Innenfläche und gibt den Innendurchmesser 3 vor. Gegebenenfalls kann die Innenfläche auch konisch ausgebildet sein.

Das Passungsformwerkzeug 2 ist nach dem Wickeln auf das noch gestaltungsfähige Matrixmaterial des Rohres 1 unter zumindest zeitweise relativer Rotation zum Rohr in axialer Richtung A aufgeschoben worden. Das Passungsformwerkzeug kann bevorzugt beheizt sein und mit einem Temperatursensor und/oder einer Temperaturregelung verbunden sein. Im Bereich der Kontaktfläche zwischen Passungsformwerkzeug 2 und Rohr 1 wird eine ringförmige zylindrische Passungsfläche 6 erzeugt. Dadurch dass das Passungsformwerkzeug vor dem Aushärten aufgelegt wird und beim Aushärten im Ofen auf dem Rohr verbleibt, bildet sich die Passungsfläche genau in der gewünschten Form aus. Durch das Aufschieben unter zumindest zeitweiser Rotation wird eine exakte und störungsfreie Ausbildung der gewünschten Passungsfläche ermöglicht. Vor dem Aufschieben wurde das Passungsformwerkzeug 2 in Bezug auf den Wickelkern 8 zentriert, zum Beispiel durch einen Zentrierstift, der in eine Zentrierbohrung eingreift. Wobei die nicht dargestellte Zentrierung so ausgeführt ist, dass das Passungsformwerkzeug während der Aufschiebebewegung zentriert bleibt. Die restliche Außenfläche 5 des Rohres bleibt in diesem Beispiel ungenau, so wie es sich nach dem Wickeln des Rohres ergibt. Nach dem Formen der Passungsfläche wird das Rohr 1 im Kontakt mit dem Passungsformwerkzeug 2 in einem Ofen ausgehärtet.

Fig.2 zeigt ein analoges Beispiel für die Herstellung einer konischen Passungsfläche. Wiederum ist die Achse 17 angedeutet. Das Rohr 1 1 ist auf einem zum Rohrende hin zulaufenden Wickelkern 18 gewickelt, der die Innenfläche 13 definiert vorgibt. Das Passungsformwerkzeug 12, welches wiederum unter zumindest zeitweiser Rotation in axialer Richtung A aufgeschoben wurde, erzeugt auf der Außenseite des Rohres ebenfalls einen zum Ende hin zulaufenden Konus 16 mit genau definierter Kegelfläche 14. Auch hierbei wurde das Passungsformwerkzeug 2 vor dem Aufschieben in Bezug auf den Wickelkern 8 zentriert, zum Beispiel durch einen Zentrierstift, der in eine Zentrierbohrung eingreift. Die nicht dargestellte Zentrierung ist so ausgeführt, dass das Passungsformwerkzeug 12 während der Aufschiebebewegung zentriert bleibt. Die gewickelte Oberfläche neben dem Werkzeug 12 bleibt hier zunächst roh. Nach dem Formen der Passungsfläche wird das Rohr 1 1 im Kontakt mit dem Passungsformwerkzeug 12 in einem Ofen ausgehärtet.

In Fig.3 ist ein Beispiel für eine Anwendung dargestellt. Es ist ein Rohrelement wie sie zum Zusammenstellen eines Bohrgestänges für die Erdölbohrung verwendet werden können. Hierbei muss ein Metallverbinder 20, der ein konisches Gewinde 24 zum Verschrauben mit weiteren Rohrelementen zu einem Strang aufweist, mit dem CFK-Rohr 1 1 a verbunden werden. Die Verbindung muss hohe Drehmomente und Axialkräfte übertragen können. Um das zu ermöglichen ist der Metallverbinder 20 über eine zylindrische Verschraubung 22 und eine Verdrehsicherung in Form eines nachträglich eingebrachten Stiftes mit einer Gegenhülse 21 verbunden. Zwischen Gegenhülse 21 und Metallverbinder 20 ist das Ende des Rohres 1 1 a eingeklemmt. Aufgrund der konischen Form lassen sich ausreichende Klemmkräfte erzeugen. Für eine gute Verbindung sind allerdings genaue konische Passungsflächen auf der Innen- und auf der Außenseite des Rohres nötig. Die innere Passungsfläche 23 wird über den Wickelkern bei der Herstellung erzeugt. Die äußere Passungsfläche 16a über das erfinderische Verfahren mit einem Passungsformwerkzeug wie oben beschrieben. Weitere mögliche Anwendungen für das Herstellverfahren ergeben sich bei anderen Rohrverbindungen oder bei Anbauteilen, die auf eine genaue Außenoberfläche des Rohres angewiesen sind. Bezugszeichenliste

1 , 1 1 ,1 1 a CFK-Rohr

2, 12 Passungsformwerkzeug

3 Innendurchmesser des CFK-Rohres

4 Außendurchmesser für Passungsfläche

5, 15 äußere Oberfläche CFK-Rohr

6, 16 ,16a Passungsfläche

7, 17 Achse CFK-Rohr

8, 18 Wickelkern

13 Innenfläche des CFK-Rohres

14 Kegelfläche der Passungsfläche

20 Metallverbinder

21 Gegenhülse

22 zylindrische Verschraubung

23 Innenpassungsfläche des CFK-Rohres 24 konisches Gewinde

25 Verdrehsicherungsstift axiale Richtung der Aufschiebebewegung