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Die hier in Rede stehenden Produkte gehören zu der immer mehr Bedeutung erlangenden Gruppe der Metall-Matrix-Composit-Werkstoffe ("MMC-Werkstoffe"), welche mit konventionellen Werkstoffen nicht vergleichbare und oft auch nicht erreichbare Eigenschaftsprofile aufweisen.
Ein ganz wichtiges Anwendungsgebiet liegt in der Fertigung von neuen Hybrid-Leitern für Starkstrom- Überlandleitungen, welche schon heute imstande sind, um etwa 30% mehr Ampere als konventionelle Leitungen vergleichbarer Grössenordnung zu transportieren. Die Leiterkabel umfassen z. B. ein Kern-Seil, aufgebaut aus MMC-Drähten mit Festigkeiten hinauf bis 1000 MPa, weiches die Aluminiumdrähte mit der hohen Leitfähigkeit trägt. Durch den Einsatz der Hybridleiter-Technologie auf Basis von MMC-Werkstoffen lassen sich die Übertragungsverluste signifikant reduzieren, was es den Stromerzeugern und Verbundgesellschaften erleichtert, den Verbrauchsanstieg von 1 bis 3, 5% pro Jahr in den Griff zu bekommen, ohne das Leitungsnetz dauernd ausbauen zu müssen.
Um dieses Ziel zu erreichen, ist es wesentlich, die Herstellungsbedingungen auf einen industriellen Fertigungsprozess hin zu optimieren, wobei reproduzierbar stabile Geometrie, z. B. Querschnittskonstanz, optimale Faserverteilung, hohe Qualität der Infiltration, hohe Festigkeitswerte im Bereich von 1000 MPa, thermische Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von weniger als 10. 1O-6K-1 und gute bis zumindest mässige elektrische Leitfähigkeit, hohe Stabilität gegen Korrosion, Materialermüdung und-bruch sowie schliesslich gute Voraussetzungen für die praktische Fertigung und das sonstige Herstellungs- und Anwendungs-Handling, z. B. bezüglich Aufspulen, Verseilung, Befestigung u. dgl., angestrebt werden.
Alle genannten Eigenschaffswerte sollen ausserdem über Produktionslängen im Bereich von Kilometern aufrecht und konstant gehalten werden. Zusätzlich soll der Fertigungsprozess wirtschaftlich vertretbar sein.
Aus der WO 97/00976 A1 ist eine Methode zur Herstellung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen mit einer Aluminium-Matrix in Endlos-Filamentform bekannt, die im wesentlichten darin besteht, dass ein EndlosFaserbündel aus langen Fasern aus polykristallinem AI203 von einer Trommel abgewickelt und durch ein Bad mit der Schmelze des jeweils vorgesehenen Matrixmetall, im dortigen Fall Aluminium, gegebenenfalls legiert mit Kupfer, geführt wird, in welches gleichzeitig Ultraschall-Energie eingebracht wird. Nach Verlassen des Metallbades wird das so mit dem Metall infiltrierte bzw. imprägnierte Faserbündel wieder auf eine Trommel aufgespult.
Weiters ist aus der EP 295 635 B1 bekannt, ein Draht-Vorprodukt auf Basis von Kohlenstoff-Fasern und Aluminum zu fertigen, indem ein Endlosfaser-Bündel, dessen Einzelfasern in ihren Material-Kenndaten streng spezifziert und limitiert sind, zuerst einer Oberflächen-Oxidation in einem Elektrolytbad und danach einem Beschichtungsprozess unterworfen werden, wobei die Einzelfasern mit einem oder zwei Materialien aus der Gruppe C, SiC, Ti, TiC, B, TiB beaufschlagt werden, wonach eine Infiltration durch Tauchen in die Schmelze von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung vorgenommen wird.
Die Nachteile aller bisher bekannten Verfahren liegen in einer meist unbefriedigenden Einbindung der Fasern bzw. Faserbündel in die Metall-Matrix, und, wie die oben zweitgenannte Schritt zeigt, darin, dass eine in jedem Fall kostenintensive Vorbehandlung und Vorbeschichtung der Einzelfasern des Bündels dann unabdingbar ist, wenn eine chemische Umsetzung bzw. Reaktion zwischen dem Grundmaterial der Fasern und der Schmelze des vorgesehenen Matrix-Metalls droht, wie das z. B. bei Kohlenstoff-Fasern und Aluminium der Fall ist.
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nicht zu unterschätzende Schwachstelle, wobei die Druckinfiltrations-Technik sich bis jetzt nicht auf eine kontinuierliche Produktion von Endlos-Filamenten adaptieren liess.
Es sind verschiedene Entwicklungswege auf diesem Sektor zu beobachten, nämlich Spontan-Infiltration mit K2ZrF6 als Benetzungsmittel, Ziehprozesse und Druck-Gasinfiltration, Zweistufenprozesse mit DruckGasinfiltration und nachfolgendem Draht-Ziehen, Infiltration unter Einwirkung elektromagnetischer Felder.
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gelnder Konsistenz der Vormaterialien es vor allem die hohen Material- und Produktionskosten, welche mangelndes Interesse des Marktes nach sich ziehen, der wesentliche Hemmschuh in der Entwicklung zum grosstechnischen Einsatz hin.
Es ist wesentliches Ziel der Erfindung, Drahtfilamente bzw. Drähte für Überland-Leitung-Leiterbündel für Stromtransport mit möglichst geringen Verlusten zu schaffen, welche bei geringem Eigengewicht hohe mechanische Festigkeit und sonstige ausgezeichnete Eigenschaftswerte, wie sie oben genannt sind, aufweisen. Zu erreichen soll dieses Ziel insbesondere durch optimale Einbettung der Armierungsfasern im Matrix-Metall sein. An den Grenzflächen von den Faseroberflächen zum Metall hin sollen keine die Einbindung störenden Zwischenschichten auftreten, welche u. a. auch filament-desintegrativ wirksam sein
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können. Selbstverständlich soll keine "Korrosion" der Fasern durch das Matrix-Metall bei Erhitzungsvorgängen während der Fertigung auftreten.
Es soll gleich an dieser Stelle nicht unerwähnt bleiben, dass, wenn auch der Schwerpunkt der hier in Rede stehenden MMC-Drähte auf dem Gebiet der Strom-Überlandleitungen liegt, dieselben auch als Vorprodukte für komplexe MMC-Komponenten im Konstruktionsbereich oder beispielsweise als Einlagen für die selektive Armierung von Gussprodukten Einsatz finden können.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein neues Verfahren der eingangs genannten Art. dessen wesentliche Merkmale darin bestehen, dass ein in zumindest einer Wickellage auf einer Trommel, Spule, einem Spulenkörper od. dgl. aus einem durch eine Metallschmeize nicht benetzbaren Material aufgespultes Armierungs-Filament, Armierungs-Faserbündel od. dgl., von dem mindestens ein Bereich, bevorzugt ein Endbereich, aus der jeweils äussersten Wickellage tangential, radial od. dgl. absteht und derart abstehend gehalten wird, in seiner Gesamtheit unter Druckbeaufschlagung mit der Schmelze eines jeweils vorgesehenen Matrix-Metalls benetzt und infiltriert wird, - dass entweder unmittelbar danach im noch erhitzten Zustand oder aber nach Abkühlung, Lagerung,
Transport und/oder dgl.
und Wiedererhitzung - wobei das metall-imprägnierte Filament im zumindest biege-weichen Zustand vorliegt - der aus dem erhaltenen, metall-imprägnierten Filament-Wickelkörper abstehende Bereich, bevorzugt Endbereich, des Armierungs-Filaments mechanisch erfasst wird, - und dass unter Zugkraftbeaufschlagung desselben das metall-imprägnierte Filament im zumindest noch biege-weichen Zustand und/oder lokaler Aufschmelzung vom Filament-Wickelkörper abgezogen bzw. abgespult wird.
Erläutern ist festzuhalten, dass erfindungsgemäss das mit dem Matrix-Metall zu infiltrierende Armierungs-Filament im auf der Trommel, Spule od. dgl. aufgewickelten Zustand in seiner vollen Länge unter Druck mit dem Matrix-Metall durchtränkt wird und dass aus dem so erhaltenen Wickelkörper - der durch und durch erhitzt ist und in dem das ihn bildende, nun matrix-metall-imprägnierte Endlos-Faser-Bündel insgesamt in einem "biege-weichen" Zustand vorliegt, weil das Matrix-Metall eben nicht erstarrt ist und in diesem Zustand gehalten wird, das nun metall-imprägnierte Armierung-Filament, beginnend mit seinem aus dem Wickelkörper herausstehenden Ende, herausgezogen wird.
Mit dieser neuen Technik ist eine bisher praktisch undurchführbare Druck-Infiltration eines kontinuierlich bewegten Filaments umgangen und dennoch kann die neue, hinsichtlich Einbettung der Armierung optimale Integral-Druck-Infiltrationstechnik, bei welcher der Einsatz benetzungsfreundlich beschichteter Fasern gänzlich vermieden ist. auf das Filament in seiner vollen Länge wirksam werden.
Das oben definierte, neue Verfahren in seiner Grundversion eignet sich, da die metall-imprägnierten Filamente während des gesamten Abspulvorgang im biege-weichen Zustand gehalten werden-in welchem die Einzelfasern über längere Zeit mit dem Matrix-Metall bei hoher Temperatur in der Gegend des Schmelzpunktes in dauerndem intensivem Kontakt stehen-besonders für Armierungs-Filamente mit Fasern aus Materialien, welche mit der Schmelze des Matrix-Materials praktisch nicht oder aber nur sehr träge chemisch reagieren.
Demgemäss ist es bevorzugt, Armierungs-Filamente mit oberflächen-unbehandelten Einzelfasern gemäss Anspruch 2 bzw. mit Fasern aus praktisch nicht reaktiven Fasern gemäss Anspruch 3 einzusetzen.
Wesentlich differenzierter ist die Situation beim Einsatz von an sich hoch-und höchstfesten Fasern, welche dazu neigen, bei den hohen Temperaturen, welche die Matrix-Metall-Schmelze hat, mit derselben chemisch in Reaktion zu treten, wodurch eine optimale Einbettung in die Matrix, aber auch die Integrität und Festigkeit der Fasern selbst massiv gefährdet ist.
Diese Voraussetzungen verlangen eine effektive Adaption des neuen Herstellungs-Verfahrens in der Richtung, die Zeiten, in welchen ein intensiver Kontakt zwischen praktisch schmelze-heissem Matrix-Metall und den ja gleich heissen Fasern besteht, möglichst kurz zu halten.
Demgemäss bildet einen weiteren wesentlichen und praktisch zentralen Gegenstand der Erfindung ein den soeben beschriebenen Voraussetzungen und Bedingungen angepasstes neues Verfahren der eingangs genannten Art, das darin besteht, - dass ein in zumindest einer Wickellage auf einer Trommel, Spule, einem Spulenkörper od. dgl. aus einem durch eine Metallschmelze nicht benetzbaren Material aufgespultes, mit Fasern, welche zu einer zumindest oberflächlichen chemischen Reaktion mit der Schmelze des zur Infiltration vorgese- henen Matrix-Metalls neigen, gebildetes Armierungs-Filament, Armierungs-Faserbündel od. dgl., von dem mindestens ein Bereich, bevorzugt ein Endbereich, aus der jeweils äussersten Wickeilage tangential, radial od.
dgl. absteht und derart abstehend gehalten wird, in seiner Gesamtheit unter
Druckbeaufschlagung mit der Schmelze eines jeweils vorgesehenen Matrix-Metalls in Kontakt ge- bracht, benetzt und infiltriert wird,
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- dass der so gebildete Filament-Wickelkörper durch rasche Abkühlung auf eine Temperatur, bei welcher die genannte chemische Reaktion im wesentlichen unterbunden ist, in einen erstarrten bzw.
starren Kompakt-Wickelkörper übergeführt wird, - wonach derselbe bevorzugterweise von überschüssigem, erstarrtem Matrix-Metall befreit wird, - dass der aus dem so erhaltenen Kompakt-Wickelkörper abstehende Bereich, bevorzugt Endbereich, des Armierungs-Filaments mechanisch erfasst und dasselbe mit Zugkraft vom Kompakt-Wickelkörper weg beaufschlagt wird, - wobei gleichzeitig das metall-imprägnierte Armierungs-Filament zumindest in jenem Bereich, wo es aus dem Kompakt-Wickelkörper bzw. dessen oberster Lage absteht bzw. denselben beim Abziehen verlässt, lokal bzw.
zonal zumindest bis zur Erreichung eines biege-weichen Zustands erhitzt wird, - und dass das sich infolge der Zugkraftbeaufschlagung vom Kompakt-Wickelkörper lösende, biege- erweichte, metall-imprägnierte Armierungs-Filament vom genannten Kompakt-Wickelkörper abgezo- gen wird.
Bei dieser neuen Art des Vorgehens sind die Zeiten, innerhalb welcher die Fasern des ArmierungsFilaments mit der heissen Schmelze des Matrix-Metalls in Kontakt sind und so einer Schädigung Infolge chemischer Umsetzungsvorgänge unterliegen, auf die Infiltration des Gesamt-Filaments im aufgespulten Zustand und auf jenen kurzen Zeitraum der lokalen bzw. zonalen Aufheizung des mit dem Matrix-Metall imprägnierten Armierungs-Filaments während der Abzugsbewegung beschränkt, welche an der Stelle der Lösung des Filaments aus dem Verbund des ansonsten "kalt" gehaltenen Kompakt-Wickelkörpers beginnt und in jedem Fall kurz danach endet.
Es ist also nicht so wie beim eingangs global genannten Verfahren, dass das im Wickelkörper
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lange im erhitzten und damit biege-weichen Zustand gehalten wird, bis es letztlich völlig abgespult und weiterverarbeitet ist.
Was die erste Stufe des neuen Verfahrens, nämlich die Imprägnierung des auf einer Trommel, Spule od. dgl. angelegten bzw. aufgespulten, jeweils zur Draht-Armierung vorgesehenen Armierungs-Filaments mit dem schmelze-heissen Metall unter Druck, betrifft, haben sich, wie aus Anspruch 5 hervorgeht, Trommeln bzw. Spulen aus kompaktem Grafit als hinsichtlich technischem Anspruch und Wirtschaftlichkeit günstig erwiesen. Die Spule kann auch aus porösem Grafit bestehen. Sie wird zwar bei der Infiltration der Faserbündel mit infiltriert, dies hat jedoch auf die Abwicklung der Bündel von der Spule keinen wesentlichen Einfluss.
Um bei der lokalen bzw. zonalen Erhitzung zur Lösung des metall-imprägnierten Armierungs-Filaments eine geradezu schockartige Einbringung von Erhitzungs-Energie in hoher Menge und daraus eventuell resultierende Nachteile zu vermeiden, ist eine vorsichtige Vor-Erwärmung des Kompakt-Wickelkörpers gemäss Anspruch 6 von Vorteil.
Aus produktionstechnischen und auch aus Kosteneinsparungs-Gründen ist es-unabhängig von der jeweils gewählten Art der Produktion - vorteilhaft, für ein kontinuierliches Abziehen des metall-imprägnierten Armierungs-Filaments Sorge zu tragen, wie gemäss Anspruch 7 vorgesehen.
Um vom jeweils gebildeten, metall-imprägnierten Filament zu Drähten, also insbesondere Strom-LeiterDrähten definierten Querschnitts zu gelangen, ist dessen Führung durch ein Formgebungs-Werkzeug gemäss Anspruch 8 von besonderer Bedeutung.
Typische Durchmesser von MMC-Einzeidrähten für Hochspannungs-und/oder Hochstrom-Überlandslei- tungen bewegen sich im Bereich von etwa 1 mm, etwa kreisrunder Querschnitt ist bevorzugt.
Es hat sich für die Bearbeitbarkeit als günstig erwiesen, beim lokalen Erhitzen im Falle des Einsatzes von metall-reaktiven Armierungs-Fasern für eine Durch-Erweichung des Filaments während seines Abziehens vom Kompakt-Wickelkörper zu sorgen, wie im Anspruch 9 angeführt.
Bevorzugt ist weiters eine genaue Steuerung der neuartigen Kurzzeit-Wiedererweichung und des dazu notwendigen Schmelzens bzw. "Fast-Schmelzens" des Matrix-Metalls, das sich zwischen den metallisierten Armierungs-Filamenten des Kompakt-Wickelkörpers befindet, was durch eine Synchron-Nachführung der Lokal-Erhitzungs-Zone mit der Abspulbewegung des metall-imprägnierten Filaments vom Wickelkörper gemäss Anspruch 10 erfolgt.
Eine besonders günstige Gestaltung des Formgebungs-Prozesses zum armierten Draht lässt sich mit einer Biegeweichhaltungs-Strecke im durchlaufenden Filament vom Verlassen des Wickelkörpers bis hin zur Querschnitts-Formgebungseinrichtung erzielen, wie gemäss Anspruch 11 vorgesehen.
Was die Erhitzung zur lokal bzw. zonal begrenzten Biege-Erweichung des Filaments und dessen Ablösung vom Kompakt-Wickelkörper betrifft, bieten sich einerseits exogene Erhitzungsquellen gemäss Anspruch 12 an und andererseits eine der Methoden einer endogenen Aufheizung gemäss Anspruch 13, wobei sich vom Aufwand her die zonale Erhitzung auf Basis des Eigen-Widerstands des frisch abgezoge-
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nen matrix-metall-impragnierten Armierungs-Filaments als besonders effektiv und kostengünstig erwiesen hat.
Bevorzugte und den hohen, technischen Ansprüchen entsprechende Materialien für die ArmierungsFilamente und für die Metall-Matrix nennt der Anspruch 14.
Besonders im Rahmen der Stromübertragungs-Technik bevorzugt sind die im Anspruch 15 angeführten Kombinationen von Metall-Matrix und von ihr umbetteten Armierungs-Fasern bzw. -Filamenten.
Hiebei spielen die hohe mechanische Festigkeit der Carbon-Fasern, deren geringe Dichte, deren relativ hohe Leitfähigkeit und letztlich auch deren kommerzielle Verfügbarkeit in verschiedenen Qualitäten eine wesentliche Rolle.
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Einen weiteren wesentlichen Gegenstand der Erfindung stellt eine neue Anlage zur Herstellung von mit Lang- bzw. Endlos-Fasern, -Filamenten bzw. -Faserbündeln hoher Festigkeit armierten Drahtfilamenten bzw.
Drähten aus einem metallischen Werkstoff dar, wobei das Metall im geschmolzenen Zustand mit dem Armierungs-Filament in Kontakt gebracht und infiltriert wird. Die neue Anlage soll insbesondere zur Durchführung des in seiner Grundkonzeption und seinen verschiedenen vorteilhaften Ausführungsvarianten oben beschriebenen neuen Verfahrens zur Herstellung von MMC-Drähten dienen.
Ein wesentlicher Bestandteil der Anlage besteht darin, dass sie eine Einrichtung zum Aufspulen eines Armierungs-Filaments bzw. Bündels von Armierungsfasern aus anorganischen Lang- bzw. Endlosfasern auf eine Trommel, Spule bzw. einem Spulenkörper aus einem mit einer Metallschmeize im wesentlichen nicht benetzbaren Material, bevorzugt aus Grafit, umfasst, und weiters einen mittels Erhitzungs-Einrichtung beheizbaren, mittels Gasmedium druckbeaufschlagbaren, Behälter, bevorzugt Autoklaven, für die Aufnahme der Spule mit dem Armierungs-Filament sowie einer Schmelze des Matrix-Metalls oder des erst innerhalb des Behälters zu schmelzenden Matrix-Metalls und für die, bevorzugterweise vollständige, Tauchung der Spule samt dem Filament in der Schmelze des Matrix-Metalls zur Infiltration des gesamten,
vom aufgespulten Armierungs-Filament gebildeten Toroid-Körpers mit derselben unter Bildung eines matrix-metaìl-imprä- gnierten Wickelkörpers aufweist.
Ein weiterer Anlageteil, nämlich eine auf die Intensiv-Druck-Infiltration des Armierungs-Filaments im Spulen-Verbund abgestellte, bevorzugte Einrichtung zum Herausholen des metall-imprägnierten ArmierungFilaments aus dem mit ihm gebildeten Wickelkörper und dessen Umformung zu einem Drahtfilament, z. B. für einen Stromleiter, bildet den Gegenstand des Anspruches 18.
Diese Art der Ausführung ist für die Produktion von Drähten bestimmt, deren Armietungs-Fasern mit Materialien, wie z. B. SiC oder Abgebildet sind, welche mit dem Matrix-Metall im schmelze-heissen Zustand auch bei länger andauerndem Kontakt praktisch nicht chemisch reagieren, wobei zu differenzieren bzw. die Vorgabe zu berücksichtigen ist, dass AI203 mit flüssigem Al nicht, aber mit Mg stark reagiert bzw. SiC mit Al und Mg reagiert. Kohlenstoffasern reagieren mit Al, jedoch nicht mit Mg. Entsprechend sind die Stoffe zu wählen.
Ist jedoch, wie z. B. bei Grafit-Fasern in Kombination mit Aluminium oder Magnesium, diese Gefahr der unerwünschten chemischen Reaktion bei höheren Temperaturen gegeben, so ist eine Anlage gemäss Anspruch 19 zu bevorzugen, wobei eine Einrichtung für eine, hinsichtlich der Reaktion ungefährliche Vorerwärmung gemäss Anspruch 20 technisch besonders günstig ist.
Für die lokale bzw. zonale Erhitzung des metall-imprägnierten Filaments zur Initiierung und Unterstützung von dessen Ablösung aus einem mit ihm gebildeten Kompakt-Wickelkörper können verschiedene Energiequellen herangezogen werden, wie sie den Ansprüchen 21 bis 23 zu entnehmen sind, wobei auch einer Kombination der genannten Systeme im Bedarfsfall nichts entgegensteht.
Eine sehr präzise Fertigung erlaubt eine auf die sich dauernd ändernde Abzugsposition des Filaments aus dem Kompakt-Wickelkörper abgestellte Mitführ-Einrichtung für die Aufheiz-Einrichtung bzw. -Zone gemäss Anspruch 24.
Besonders bevorzugt ist eine Einrichtung gemäss Anspruch 25, bei welcher sich die Filament-ZonalAufheiz-Zone im wesentlichen von der Filament-Abzugs-Stelle bis zur Formgebungs-Einrichtung zur Bildung des armierten Leiterdrahtes erstreckt.
Im Rahmen dieser Anlagen-Variante ist eine Ausbildungsform mit elektrischer Eigen-WiderstandsErhitzung des zu erweichenden Abschnitts des vom Kompakt-Wickelkörper kontinuierlich abgespulten Filaments bis zu dessen Durchlauf durch die Draht-Formgebungs-Einrichtung gemäss Anspruch 26 besonders elegant, da hiebei keinerlei Mitführung einer Erhitzungs-Einrichtung erforderlich ist.
Insgesamt ist der Vorgang insbesondere für Aluminium-Kohlenstoffaserdrähte bzw. Aluminium-SiCFaserdrähte dann etwa folgender :
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Die infiltrierten Faserbündel bzw. Filamente müssen, um einen Draht zu erhalten, von der Spule und aus dem von ihnen gebildeten Wickelkörper abgewickelt und zum Draht geformt werden. Die wesentliche Randbedingung ist, dass die Faserbündel nur kurzzeitig erwärmt werden dürfen, da sonst z. B. die Aluminiumkarbidbildung an den Fasern zu stark wird und den Verbund schädigt. Würde man die Spule in einem Ofen aufwärmen, bis die Matrix weich wird und die Fasern dann von der Spule abwickeln, wäre die Zeitdauer zu gross.
Daher wird also folgender Weg eingeschlagen : Die Fasern werden vor der Infiltration so auf jener Spule angeordnet, dass nach der Infiltration das Fadenende vom infiltrierten Wickelkörper wegragt.
Das Fadenende und die Spule bzw. der Wickelkörper werden elektrisch kontaktiert, so dass ein Strom vom Fadenende in den Wickelkörper auf der Spule geleitet werden kann. Da das Fadenende einen wesentlich kleineren Querschnitt als die Spule samt Filament-Wickelkörper aufweist, kann das Fadenende bis zum Schmelzpunkt der Aluminiummatrix erwärmt werden, während Spule und Wickelkörper relativ kalt bleiben.
Das Fadenende und das nachfolgende zonal biege-erweichte Filament können dann von der Spule abgewickelt, und durch eine Zieh-Düse, die gleichzeitig als elektrischer Pol zur Stromeinleitung dient, geformt werden. Der Strom wird so gesteuert, dass die Matrix nur im Bereich zwischen Düse und der Stelle, wo der Faden an der Spule anliegt, aufgeschmolzen wird. Hinter der Düse kühlt der geformte Draht ab, da dort kein Strom mehr fliesst. Somit kann durch die kurze Zeit, in der die Matrix flüssig ist, die Aluminiumkarbidbildung gering gehalten werden. Zusätzlich kann, um das lokale Aufschmelzen zu erleichtern, der Spulenkörper auf einer Temperatur gehalten werden, bei welcher noch keine Reaktion zwischen Matrix und C-Fasern erfolgt.
Einen der Stromanschlüsse für die Endogen-Erhitzung direkt an die Formgebungs-Düse bzw. den Düsenstein gemäss Anspruch 27 zu binden, ist also besonders zu bevorzugen.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert :
Es zeigen die Fig. 1a bis 1c einen Anlageteil, der zur Fertigung des mit dem Armierungs-Filament noch vor dessen Imprägnierung mit dem Matrix-Metall durch Aufspulen auf eine Trommel od. dgl. zu bildenden
Toroid-Körpers dient, die Fig. 2a bis 2e das Prinzip einer Einrichtung bzw. der Imprägnierung und die verschiedenen Stadien des Vorgangs der Imprägnierung des auf der Spule aufgewickelten Armierungs-Filaments zur Bildung eines metall-durchtränkten Wickelkörpers bzw. Kompakt-Wickelkörpers, die Fig. 3 das Schema einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemässen Filament-Lokal-Erwei- chungs-und-Abzugs-Einrichtung und die Fig.
4 das Schema einer zweiten, besonders bevorzugten Ausführungsform einer solchen Filament-
Zonal-Erweichungs- und -Abzugs-Einrichtung gemäss der Erfindung.
Die Fig. 1a und 1b zeigen eine Rolle 82 mit einem auf sie gespulten, handelsüblichen Endlos- Armierungs-Filament 100 und die noch leere Spule 80 aus einem für eine Metall-Schmelze geeigneten Material, bevorzugt aus Grafit, die später bei der Tränkung des Filaments 100 mit dem Matrix-Metall Einsatz findet, während die Fig. 1 c eine Einrichtung 8 zum Umspulen des Endlos-Filaments 100 von seiner auf einem Abspul-Stuhl 85 angeordneten Spule 82 auf die von einem Motor 83 angetriebene Imprägnierspule 80 zeigt. So ist Grafit gegen At prinzipiell empfindlich ; für die bei dem Verfahren verwendeten Kontaktzeiten zwischen dem flüssigen Al und dem Grafit jedoch tauglich.
Die in der Fig. 2a bis 2e in verschiedenen Stadien der Filament-Imprägnierung dargestellte Einrichtung 7 zur Imprägnierung des auf der Imprägnierspule 80 aufgespulten Armierungs-Filaments 100 bzw. des von demselben gebildeten Toroids 1 umfasst einen im wesentlichen zylindrischen Behälter 70 mit ihn umgebender Erhitzungs-Einrichtung 71. In diesem befindet sich die Spule 80 mit dem Toroid-Körper 1 aus dem aufgespulten Endlos-Armierungs-Filament 100.
Im Stadium des Aufheizens gemäss Fig. 2a befindet sich neben der Spule 80 mit dem Filament 100 das Imprägnier-Metall (Speiser) 20, z. B. Aluminium, im noch erstarrten Zustand.
Mittels Heizeinrichtung 71 werden nun der Behälter 70, die Spule 80, das Wickel-Toroid 1 und das Metall 20 erhitzt.
Das Ensemble aus Imprägnier-Spule 80 mit dem Filament 100-Toroid-Körper 1 und Metall-Speiser 20 tritt dann in das Imprägnier-Stadium gemäss Fig. 1 b ein, wobei das Innere des eingesetzten (nicht dargestellten) Autoklaven mit einem Inert-Gas mit Druck p beaufschlagt wird. In dem Behälter bzw. Autoklaven, vorzugsweise in einem Aufnahmegefäss 70 bzw. einem Tiegel befinden sich die Spule und das Metall. Das Aufnahmegefäss bzw. der Grafittiegel steht im Autoklaven und wird durch den Druck, der im Autoklaven aufgebaut wird, unter Druck gesetzt. Das geschmolzene Matrix-Metall 20 des Speisers dringt in das auf der Spule 80 befindliche Toroid 1 aus dem aufgespulten Armierungs-Filament 100 ein, bis dieses zur Gänze imprägniert ist, wobei eine möglichst integrale Umbettung der Einzelfasern des Filaments 100 mit dem geschmolzenen Matrix-Metall 20 erfolgt.
Der Aufbau des Druckes erfolgt vorteilhafterweise nach dem Schmelzen des Metalls.
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In der Abkühlphase gemäss Fig. 1 c bildet sich im Tiegel 70 eine Art Guss-Körper aus erstarrtem Matnx- Metall 20, in welchem die Spule 80 mit dem auf ihr aufgespulten Kompakt-Wickelkörper 121 aus dem nun metall-imprägnierten Armierungs-Filament 120 eingeschlossen ist. Nicht unmittelbar mit Spule 80 und Filament 121 in Kontakt steht der Überschuss-Metall-Anteil 25.
Es sind auch Kombinationen der beiden Methoden, d. h. lokale Erwärmung durch Laser, Licht, Flamme etc. (Fig. 3) plus zusätzlicher Erhitzung mittels Stromfluss (Fig. 4) durchführbar.
Die Fig. 1 d zeigt den Metall-Körper nach Entnahme aus dem Autoklav bzw. Aufnahmegefäss 70, wobei der die dort nur durch eine unterbrochene Linie angedeutete Spule überragende Tell 25 durch überschüssiges, erstarrtes Matrix-Metall gebildet ist. Dieser und andere nicht zur Tränkung des Armierungs-Filaments verbrauchte überschüssige Metall-Anteile werden z. B. durch Drehen entfernt.
Schliesslich wird-wie aus Fig. 1e ersichtlich - eine Spule 80 mit dem Kompakt-Wickelkörper 121 aus dem im erstarrten Matrix-Metall in seiner vollen Länge eingebetteten, mit demselben durchtränkten Armierungs-Filament 120 erhalten.
Wie Fig. 3 zeigt, wird-eventuell nach Lagerung und/oder Transport im Rahmen einer Abspul- und Drahtformgebungs-Einrichtung 456 die Spule 80 mit dem abgekühlten, also starren Kompakt-Wickelkörper 121 aus metall-imprägniertem Armierungs-Filament 120 auf eine Abspulvorrichtung 350 in einen Erhitzungsraum 360 gebracht und mittels Vor-Erwärmungs-Einrichtung 300 auf eine Temperatur vor-erwärmt, bei welcher noch keine merkliche Reaktion zwischen dem metallschmelze-empfindlichen Armierungs-Filament
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Am, aus dem nicht gezeigten, Kompakt-Wickelkörper entweder durch lokale Erweichung herausgelö- sten oder gleich bei der vorhergehenden Matrix-Metall-Imprägnierung herausstehend gehaltenen Ende wird bei gleichzeitig gesteuerter Erhitzung (mittels Laser 42 oder lokal begrenzter Flamme 43 einer LokalErhitzungseinrichtung 4) jenes Bereiches a, wo das metallgetränkte Armierungs-Filament 120 den Wickelkörper 121 verlässt, und unter Wärmehaltung im frisch abgespulten Filament 120 selbst das nun zumindest biege-erweichte Armierungs-Filament 120 aus dem Kompakt-Wickelkörper 121 gezogen und im gezeigten Fall durch die Düse 51 des, bevorzugtenweise ebenfalls beheizten Ziehsteins 52 einer FormgebungsEinrichtung 5 geführt,
wo die Umformung in einen armierten Leiter-Draht 1 mit definiertem Querschnitt erfolgt. Das erhaltene Endlos-Draht-Filament wird auf eine Trommel, Rolle oder Spule 61 einer AufspulVorrichtung 60 aufgespult.
Die in der Fig. 4 gezeigte, bevorzugte Ausführungsform der Wickelkörper-Abspul- und Draht-Formgebungs-Einrichtung 456 unterscheidet sich-bei sonst analogen Bezugszeichen-Bedeutungen - von jener der Fig. 3 nur durch die völlig andere Art der Filament-Aufheizung und-Erweichung, die besonders bevorzugt
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In den metallisierten Filament-Kompakt-Wickelkörper 121 wird über eine Stromzuführung 401 Heizstrom eingebracht, der infolge der grossen Querschnittsfläche des Wickelkörpers 121 samt der Grafitspule 80 jedoch nicht zum Tragen kommt, in jenem Bereich 41 des Wickelkörpers 121 aber. wo das Filament 120 aus demselben gelöst wird, seine Wirkung entfaltet und das metall-imprägnierte Filament 120 mit seinem geringen Querschnitt während seines Abzuges in einer Zone a vom Wickelkörper 121 bis zur Ziehdüse 51 im Ziehstein 52 widerstands-erhitzt. Der Heizstrom wird über die am Ziehstein angeschlossene Leitung 402 wieder abgeführt.
Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass hier keinerlei gesonderte NachführEinrichtung für die Erhitzung des sich Lage um Lage jeweils über die ganze Spulenhöhe variierend vom Wickelkörper 121 abspulenden metallisierten Armierungs-Filaments 120 vorgesehen werder-uss.
Anhand des folgenden Beispiels wird die Erfindung näher erläutert.
Beispiel :
Auf eine Grafitspule werden Aluminiumoxidfaserbündel der Sorte Altex gewickelt. Das Ende der Wicklung wird an der Seitenwand der Grafitspule fixiert. Die Grafitspule mit den aufgewickelten Faserbün- deln wird in einen Tiegel gestellt und Aluminium (Al 99. 85) plaziert. Der Autoklav wird evakuiert und anschliessend aufgeheizt bis das Aluminium flüssig ist. Anschliessend wird im Autoklav mit Hilfe von Argon ein Druck von 70 bar aufgebaut, der das Aluminium zwischen die Fasern drückt. Nach der Infiltration wird die Heizung ausgeschaltet und das Aluminium erstarrt unter Druck. Die Grafitspule mit den infiltrierten Aluminiumoxidfaserbündeln wird nach dem Druckabbau aus dem Tiegel herausgenommen und das überschüssige Aluminium durch Abdrehen entfernt.
Die Grafitspule mit den infiltrierten Aluminiumoxidfaserbün- deln wird auf eine Halterung montiert und in einen Ofen gestellt. Die Temperatur des Ofens wird so eingestellt, dass das Aluminium wieder aufschmilzt. Das an der Wand der Grafitspule fixierte Faserbündel wird aufgenommen, durch eine Düse geführt und dann an einer sich ausserhalb des Ofens befindlichen
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Spule befestigt. Durch Ziehen an dem Bündelende wird das Faserbündel kontinuierlich von der Graftspule im Ofen abgewickelt. in der Düse geformt und das überschüssige Aluminium abgestreift. Unmittelbar nach der Düse wird das infiltrierte Faserbündel durch einen Luftstrom abgekühlt, sodass die Form erhalten bleibt und anschliessend auf die sich ausserhalb des Ofens befindliche Spule aufgewickelt.
Das so erhaltene Bündel hat einen Fasergehalt von etwa 40%.