Verfahren zum Herstellen eines aus mindestens einer faserverstärkten Kunststoffschale oder -platte bestehenden Bauteiles, insbesondere von aero- bzw. hydrodynamischer Form Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Her stellen eines aus mindestens einer faserverstärkten Kunststoffschale oder -platte bestehenden Bauteiles, insbesondere von aero- bzw. hydrodynamischer Form, wie z. B. Trag- bzw. Antriebsflügeln, Rümp fen oder Karosserien.
Bei den bekannten Verfahren zum Herstellen von mit Glas-, Textil-, Asbest- oder dergleichen Fasern verstärkten Kunststoffschalen wurden die Fasern bisher entweder als Gewebe mit den verschiedensten Bindungen oder in Form von Matten aus im wesent lichen parallel verlaufenden, ganzen oder gestückel ten Einzelfasern bzw. Rowings verarbeitet.
Die Ver wendung derartiger flächenhaft oder auch bandför mig gestalteter Fasereinlagen, die im allgemeinen zu aus in mehreren Lagen in unterschiedlicher Rich tung angeordneten Matten bzw. Geweben bestehen den Verbundplatten zusammengepresst wurden, ergibt jedoch eine verhältnismässig niedrige mittlere Zugfestigkeit und Steifigkeit der Bauteile, so dass die günstigen Eigenschaften der faserverstärkten Kunststoffe im Vergleich mit Leichtmetallen und Leichthölzern noch nicht voll ausgenutzt wurden.
Ausserdem bereitet die Kräfteüberleitung am Ende der nach den bekannten Verfahren hergestellten Kunststoffschalen erhebliche Schwierigkeiten und bedingt einen verhältnisn#ässig hohen zusätzlichen Gewichtsaufwand, der die möglichen Einsparungen an den Gesamtbauteilen grossenteils wieder aufwiegt. Für die Herstellung stabförmiger Körper hoher Festigkeit, wie z. B. Angelruten oder dergleichen, hat man auch bereits Glasfasern in Form von Strän gen verarbeitet, die aus einem Bündel unverbundener Fasern, z.
B. durch Tauchen mit einem bei Raum- temperatur plastischen Kunstharz-Bindemittel, wie Polyester, Epoxyd-Harz oder dergleichen, getränkt und anschliessend mittels einer Abstreifvorrichtung, z. B. in Form einer Düse, auf ein vorbestimmtes Faser-Bindemittel-Verhältnis gebracht wurden und ausgehärtet die Vorrichtung yerliessen.
Hauptaufgabe der Erfindung ist es, ein Verfah ren zum Herstellen von Bauteilen aus faserverstärk ten Kunststoffschalen oder -platten zu schaffen, bei dem die günstigen Festigkeitseigenschaften, insbeson dere bei Verwendung von Glasfasern sehr kleinen Durchmessers, voll ausgenutzt werden. Weiter soll es das Verfahren ermöglichen,
insbesondere aero- bzw. hydrodynamisch geformte Trag- oder Antriebs flügel mit einer möglichst genau der Hauptbean- spruchungsrichtung an jeder Stelle der Bauteile an- gepassten Anordnung der Fasern in den Schalen wirt- schaftlichundunter verhältnismässig geringemAufwand für die Vorrichtungen herzustellen.
Diese Aufgaben werden gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass zur Bildung der Schale oder Platte Stränge, die aus in polymerisierbarem Kunstharz eingebetteten Fasern gebildet und auf ein praktisch konstantes Faser-Kunstharz-Verhältnis gebracht werden, in die der Schale oder Platte entsprechende Wandstärke verformt und im noch unpolymerisierten Zustand in eine der Schalen- oder Plattenoberfläche entspre chende Form in Richtung der Hauptbeanspruchung im wesentlichen nebeneinanderliegend eingelegt wer den, worauf das Kunstharz polymerisiert wird.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren ist es möglich geworden, hochbeanspruchte Schalenbauteile, wie z. B. Trag- und Antriebsflügel von Flugzeugen, Lüftern oder dergleichen, aus faserverstärktem Kunst harz mit an jeder Stelle der Bauteile einschliesslich des Bereichs der Krafteinleitung mit einer der Bela stung genau entsprechenden Anzahl und Anordnung der Fasern und unter Einhaltung eines genau vorher bestimmbaren FaserHarz-Verhältnisses in verhält nismässig einfachen Formen ohne Druckanwendung herzustellen.
Die verschiedenen Stränge können vorteilhaft beim Einlegen in die Form mit Hilfevon geeigneten Werkzeugen aus einem anfänglich runden Quer schnitt zu einem im wesentlichen rechteckigen Quer schnitt von solcher Breite verformt werden, dass an jeder Stelle der Schale oder Platte eine der erfor derlichen Schalenstärke entsprechende Stranghöhe er zielt wird. Ein solches unterschiedliches Formen des an jeder Schalenstelle erforderlichen Strangquer- schnittes aus einem immer gleichen Ausgangsquer schnitt ermöglicht ein beliebig genaues Anpassen der Schalenstärke an die jeweilige örtliche Beanspru chung mit verhältnismässig geringem Arbeits- und Werksaufwand.
Das Formen der Stränge kann bei einer vor teilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemässen Ver fahrens noch darauf erheblich beschleunigt und er leichtert werden, dass die zu den vorgesehenen, ört lichen Wandstärken der Bauteile gehörenden Strang- breiten durch Linien auf der Oberfläche der For men eingezeichnet werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausbildung des Ver fahrens kann ferner darin bestehen, dass die Stränge an mindestens einem Ende der Form zu schlaufen- förmiaen Anschlussaugen umgelegt werden, die vor zugsweise zur Bildung eines aus der Gesamtheit der Augen bestehenden Anschlussflansches aus der Scha len- bzw. Plattenfläche zumindest angenähert recht winklig hervorragen. Hierdurch wird eine äusserst einfache und im Gewicht leichte überleitung der Schalenkräfte an der Verbindungsstelle zwischen den Schalenbauteilen und den angrenzenden Konstruk tionsteilen, wie z. B. einer Nabe oder dergleichen, er möglicht.
Anschliessend wird<B>je</B> ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemässe Verfahren bei der Herstellung eines Flügels für eine Windkraftanlage und eines Werkzeugs, das bei der Durchführung des Verfah rens verwendet wird, an Hand der Zeichnung be schrieben. Es zeigen im einzelnen: Fig. <B>1</B> ein teilweise unterbrochen dargestelltes Schaubild des Flügels, wobei an den unterbrochenen <B>CD</B> Stellen der Flügelquerschnitt sichtbar ist.
Fig.2 eine Draufsicht auf eine Form zum Her stellen des Flügels nach Fig. <B>1,</B> Fig.3 ein Schaubild eines Werkzeuges zum For men der Faserstränge während seiner Anwendung, Fig.4 verschiedene Querschnitte von beim Her stellen von Schalen nach dem erfindungsgemässen Verfahren aus einem Strang mit anfänglich kreis- rundem Querschnitt durch Verformen erzeugten Strängen, Fig. <B>5</B> ein Schaubild eines nach dem erfindungs gemässen Verfahren hergestellten Anschlussauges in bedeutend grösserem Massstab,
Fig. <B>6</B> einen Querschnitt durch den Flügel nach Fig. <B>1</B> in vergrösserter Darstellung, Fig. <B>7</B> einen Längsschnitt durch den Anschluss- teil eines abgewandelten Ausführungsbeispiels eines Flügels für eine Windkraftanlage, Fig. <B>8</B> ein Schaubild, das den Aufbau der Form nach Fig. 2 und des Flügels nach Fig. <B>1</B> zeigt, und Fig. <B>9</B> einen Längsschnitt durch die Form nach Fig. 2.
Zur Herstellung der einzelnen Schalen eines in Fig. <B>1</B> dargestellten Flügels wird die in Fig. 2 und<B>9</B> dargestellte Form 21 benötigt. Die Form 21 ist auf einem starren Rahmen 22 aus Rohren oder Profil eisen angeordnet, auf dem in der Zeichnung nicht näher dargestellte Formscheiben angeordnet sind. Auf diesen Forrnscheiben stützt sich ein aus geloch ten Blechen bestehender Träger<B>23</B> (Fig. <B>8)</B> ab, auf dem eine Schicht 24 aus Kunststein oder Holzzeinent aufgebracht ist.
Auf dieser Kunststein- oder Holz- zementschicht 24 sind gitter- oder bandförmige elek trische Widerstandskörper<B>25</B> aufgebracht, welche wechselseitig verbunden sind, so dass beim Durch tritt von elektrischem Strom die gesamte Formfläche gleichzeitig beheizt wird. Auf diesen Widerstands körpern<B>25</B> ist eine formtreu und formrichtig glatt abgezogene, dünne Schicht<B>26</B> von Kunststein oder Holzzement aufgebracht. Die eigentliche, von der Schicht<B>26</B> gebildete Formfläche erhält durch Spach teln und Schleifen die gewünschte Oberflächengüte, insbesondere Glätte. Zum Spachteln ist ein heller, möglichst weisser Spachtel vorzuziehen.
Unterhalb der obenerwähnten Formschalen, die die aus dem Träger<B>23</B> und den Schichten 24 und<B>26</B> bestehende Form tragen, sind in der Zeichnung nicht näher dar gestellte Zwischenböden vorgesehen, in die ein Kühl mittel, z. B. Kunsteis, eingebracht werden kann.
Als Ausgangsmaterial zum Herstellen der Scha len<B>1</B> und 2 dienen Stränge<B>3,</B> die aus in einem poly- merisierbaren, noch plastischen Kunststoffharz, z. B. ungesättigtem Polyester oder Epoxydharz, eingebet teten Glas-, Kunststoff- oder Naturfasern bestehen und vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt<B>30</B> auf weisen (Fig. 4). Diese Stränge<B>3</B> werden nebenein ander auf die Formfläche 21 gelegt. Beim Auflegen der Stränge auf die Formfläche 21 werden sie mit Hilfe von geeigneten Werkzeugen zu einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt<B>31</B> einer sol chen Breite<B>b</B> zusammengedrückt, dass an jeder Stelle der Schale die erforderliche Wandstärke h erzielt wird.
Die für eine bestimmte Wandstärke h erforderliche Breite<B>b</B> des Stranges kann ohne wei teres aus der folgenden Formel errechnet werden, wenn der Durchmesser<B>d</B> des kreisrunden Querschnit tes<B>30</B> des Stranges bekannt ist:
EMI0003.0001
Das Breitdrücken des Strangquerschnittes <B>30</B> zu einem der in Fig.4 dargestellten Querschnitte,<B>31</B> kann beispielsweise mit einem an sich bekannten Spachtel erfolgen. Zu diesem Zweck kann aber auch die in Fig. <B>3</B> dargestellte Zange<B>32</B> verwendet werden. Die Zange<B>32</B> besteht in an sich bekannter Weise aus zwei Zangenhebeln<B>33,</B> die um eine Achse 34 schwenkbar miteinander verbunden sind.
Die den Handgriffen der Zange abgekehrten Zangenhebel <B>33'</B> weisen an ihren Enden zur Zangendrehachse 34 im wesentlichen parallel gerichtete, die Zangenbak- ken bildende Bolzen<B>35</B> auf. Vorzugsweise sind diese Bolzen<B>35</B> im Querschnitt rund. Der Querschnitt kann aber auch eine beliebige Form haben. Sollen Stränge gebildet werden, deren Oberflächen nicht genau parallel sind, dann können natürlich auch die Bolzen<B>35</B> eine solche Neigung gegenüber der Dreh achse<B>35</B> aufweisen, dass sie beim Zusammendrücken des Stranges einen Winkel bilden, so dass die ein ander gegenüberliegenden Strangflächen gegeneinan der geneigt sind.
Damit die an den verschiedenen Stellen der Form fläche erforderlichen Strangbreiten <B>b</B> nicht jedesmal abgemessen werden müssen, sind auf der Fornafläche 21 deutlich sichtbare Linien 40 vorgesehen, die an jeder Stelle der Form die erforderliche Breite des Strangquerschnittes <B>31</B> angeben.
Um der Schale eine erhöhte Festigkeit quer zur Faser und eine erhöhte Schubfestigkeit in Faserrich tung (Faser gegen Faser) zu geben, wird vor dem Auflegen der Stränge<B>3</B> ein in das noch plastische Kunststoffharz eingebettetes, die eine Schicht<B>5</B> bil dendes Glasfasergewebe auf die (in bekannter Weise vor dem Einlegen des Gewebes und der Stränge mit einem oder mehreren Trennmitteln, z. B. Folien, Anstrichen, Pasten oder dergleichen, versehene) Formfläche 21 gelegt.
Diese Gewebeschicht<B>5</B> ist in mit dem Kunststoffharz getränktem Zustand so gut durchscheinend, dass die Markierungslinien 40 durch die Schicht<B>5</B> durchgesehen werden können, Auf diese Schicht<B>5</B> werden nun die Stränge<B>3,</B> mit einem mittleren Strang beginnend nach beiden Seiten einzeln aufgelegt und beispielsweise mit der oben beschriebenen Zange<B>32</B> oder mit einem Spach tel so lange gequetscht, bis die Seitenränder der Stränge mit den Markierungslinien 40 zusammen fallen.
Auf die auf diese Weise durch die nebenein- andergelegten Stränge<B>3</B> gebildete Schalenoberfläche wird ein wiederum in plastisches polymerisierbares Kunstharz eingebettetes, eine zweite Schicht<B>5'</B> bilden des Fasergewebe aufgelegt. Auch diese zweite Schicht <B>5'</B> dient zur Erhöhung der Querfestigkeit und der Zugfestigkeit der Schale.
Während des Auflegens der die Schale bilden den Fasergewebeschichten <B>5, 5"</B> und der Stränge<B>3</B> wird die Formfläche 21 zweckmässigerweise, z. B, mit Kunsteis gekühlt, das zu diesem Zweck in die oben- genannten Zwischenböden des die Form tragenden Gestells 22 eingeführt werden kann, um ein vorzei tiges Polymerisieren des Kunststoffharzes zu vermei den.
Ist die Schale in der obenbeschriebenen Weise zusammengestellt, dann wird durch die Widerstands körper<B>25</B> ein elektrischer Strom hindurchgeschickt, so dass sich die Formfläche 21 erwärmt und auf diese Weise die Polymerisation des Kunststoffharzes eingeleitet und bis zur vollständigen Erhärtung und Verbindung der einzelnen Schalenbestandteile auf rechterhalten wird.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Formfläche 21 konkav gewölbt. Bei der Herstel lung eines Windkraftflügels ist eine solche konkave Form vorzuziehen, da dadurch die Aussenfläche des Flügels eine bessere Oberflächengüte erhält. Die Schalen<B>1</B> und 2 lassen sich jedoch auch aus konvex gewölbten Formflächen herstellen.
Um den Flügel<B>1,</B> 2 an einer Nabe befestigen zu können, werden die Strangenden bei dem in Fig. <B>1</B> dargestellten Ausführungsbeispiel eines Flü gels schlaufenförmig um einen zylindrischen Form körper gebogen, so dass die in Fig. <B>5</B> dargestellte Schlaufe entsteht.
Nach dem Erhärten des Kunst stoffes bildet diese Schlaufe ein Anschlussauge <B>13.</B> An dem für die Wurzel des Flügels<B>1,</B> 2 vorgesehenen Ende 21' der Formfläche 21 ist diese so geformt, dass die aus den nebeneinanderliegenden Strängen <B>30</B> gebildeten Anschlussaugen <B>13</B> einen Flansch 12 bilden.
Um die Schalen<B>1</B> und 2 miteinander zu einem Flügel verbinden zu können, ist es wichtig, dass die Schalenränder<B>9</B> und<B>11</B> der beiden Schalen entspre chend ausgebildet sind, so dass sie längs des ganzen Flügels aufeinanderliegen. Es hat sich dabei als zweckmässig erwiesen, die Randflächen<B>9</B> und<B>11</B> so auszubilden, dass sie in einer gemeinsamen, durch senkrecht zur Flügellängsachse liegenden Geraden gebildeten Fläche liegen, die jedoch keine ebene Fläche zu sein braucht.
Dies lässt sich leicht dadurch erreichen, dass die Ränder<B>23'</B> des Formträgers<B>23</B> entsprechend ausgebildet werden, so dass die Ränder <B>9</B> der Schale<B>1</B> oder 2 durch ein auf den Rändern <B>231</B> aufliegendes, senkrecht zur Flügellängsachse ge richtetes Lineal geformt werden können.
Nach Fertigstellung der Schalen<B>1</B> und 2 wird der Hohlraum der Schale mit dem polymerisierba- ren, noch plastischen Harz benetztem Schaumstoff gefüllt. Nach dem Füllen der Schale wird der Schaum stoff mittels eines längs der Erzeugenden der Rand flächen<B>9, 11</B> verlaufenden Linials abgestrichen, so dass die Schale nach dem Auspolymerisieren des Schaumstoffes einen gefüllten, durch die Randfläche <B>9, 11</B> begrenzten, festen Körperteil bildet.
Zwei so aus den Schalen<B>1</B> und 2 gebildete Kör perteile werden nun mit ihren Randflächen<B>9, 11</B> zusammengeleimt. Zum Zusammenleimen wird im Bereich der Schaumstoffüllung <B>6</B> ein mit dem poly# merisierbaren Kunststoff getränkter Lappen<B>7</B> aus elastischem Schaumstoff und im Bereich der eigent lichen Schalenränder<B>11</B> und<B>9</B> ein entsprechend flachgedrückter Strang8 aus in das polymerisierbare Kunststoffharz eingebetteten Glasfasern verwendet.
Nach dem Auspolymerisieren der Schichten<B>7</B> und <B>8</B> sind die beiden aus den Schalen<B>1</B> und 2 und den Füllungen<B>6</B> gebildeten Körperteile fest mitein ander verbunden.
Um den Zusammenhalt der beiden Körperteile noch zu erhöhen, kann die engste Stelle des Flügels neben dem Flansch 12 mit Kunststoff-Glasfaser- strängen bandagiert werden, die sich nach dem Aus- polymerisieren mit der Flügeloberfläche unlösbar verbinden. Auch können an den Fugen zwischen den beiden Schalen<B>1</B> und 2 die benachbarten Schalen- oberflächenteile überdeckende Verstärkungsstreifen <B>36</B> auf die Schalenoberfläche aufgeklebt werden.
Für die Herstellung des in Fig. <B>7</B> dargestellten abgewandelten Ausführungsbeispiels eines Flügels ist das Ende 21' der Formfläche 21 in einer in der Zeichnung nicht dargestellten Weise abgewandelt, indem es eine zylindrische Fläche bildet, die den Rillen<B>16</B> entsprechende Ausbuchtungen auf ihrer Innenfläche aufweist. Die auf die so geformte zylin drische Fläche gelegten Stränge erhalten dann eine wellenförmige Form, wie das in Fig.7 dargestellt ist, so dass sich auf der Innenfläche der Schalen l' oder 2' in die Rillen<B>16</B> der Hülse<B>15</B> passende Aus buchtungen ergeben.
Beim Zusammenlegen der bei den Schalen<B>l'</B> und T, wie das oben beschrieben ist, wird die Hülse<B>15</B> zwischen die Schalenenden<B>17</B> eingeklemmt, wobei vorzugsweise zur besseren Ver bindung der Hülse<B>15</B> mit den Schalen ein Kleb stoff, beispielsweise ein polymerisierbares Kunststoff harz, verwendet wird. Im Anschluss daran wird dann um die Schalenteile<B>17</B> eine Bandage<B>18</B> gelegt, die sich nach dem Auspolymerisieren fest mit der Schalenoberfläche verbindet.
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel des Verfahrens hat sich auf die Herstellung eines Windkraftflügels bezogen, doch können in gleicher Weise beliebige andere Körper, wie z. B. Platten, hergestellt werden. Aus dem oben Beschriebenen ist auch ersichtlich, dass die Bauteile aus mehreren übereinanderliegenden, aus Kunstharz-Glasfasersträn gen gebildeten Schichten zusammengesetzt sein kön nen, wobei die Fasern in den verschiedenen Schich ten verschieden ausgerichtet werden können, so dass Bauteile entstehen, die für mehrere Hauptbeanspru- chungsrichtungen auf Zug und Druck eine grosse Festigkeit aufweisen.
Wegen ihrer grossen Zugfestig keit sind Glasfasern zu bevorzugen. Das Verfahren gemäss der Erfindung lässt sich jedoch auch mit Kunststoff- oder Naturfasersträngen durchführen.
Im vorstehenden ist von Strängen die Rede, die aus in Kunstharz eingebetteten Fasern bestehen. Damit sind im wesentlichen langgestreckte Gebilde gemeint, bei denen sich die in das Kunstharz einge betteten Fasern in Längsrichtung des Stranges er strecken. Es können beispielsweise auch mattenar- tige, unverwebte Fasergebilde, bei denen die Fasern Im wesentlichen parallel nebeneinanderliegen und eine verhältnismässig grosse Länge aufweisen, als in das Kunstharz eingebettete Stränge verwendet wer den.
Die Verwendung von Strängen mit verhältnis mässig kleinem Durchmesser hat den Vorteil, dass sich solche Stränge mit einem etwa konstanten Volu menanteil der Faser am Strangvolumen herstellen las sen, so dass durch die Verwendung solcher Stränge das Faser-Kunstharz-Verhältnis in allen Punkten der Schale praktisch konstant ist.
Obwohl das beschriebene Verfahren an einem mit Schaumstoff gefüllten Körper erläutert worden ist, kann es auch zur Herstellung hohler Körper ange wendet werden, deren Wände entweder durch ein- oder mehrschichtige, aus den Strängen gebildete, den Schalen<B>1</B> und 2 entsprechende Schalen beste hen können, oder aber zur Erhöhung der Festigkeit der Wände diese aus mehreren, den Schalen<B>1</B> und 2 entsprechenden Schichten bestehen können, zwi schen denen Schaumstoffschichten als Füllmaterial angeordnet worden sind.