DE102004003749A1 - Cylindrical fiber reinforced hollow plastic product manufacture involves winding impregnated fiber onto mandrel, wrapping in fiber braid, placing in RTM tool cavity and injecting resin - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Hohlkörpers aus faserverstärktem Kunststoff.The The invention relates to a method for producing a cylindrical hollow body made of fiber-reinforced Plastic.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung eines zylindrischen Hohlkörpers aus faserverstärktem Kunststoff.The The invention further relates to a device for producing a cylindrical hollow body made of fiber-reinforced Plastic.
Die Erfindung betrifft ferner ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder der Vorrichtung hergestellten Hohlkörper.The The invention further relates to a method according to the invention and / or the device produced hollow body.
Um die Leistungsfähigkeit vom Maschinen und Motoren zu steigern, ist es neben anderen Maßnahmen oftmals ein angestrebtes Ziel, diese schneller laufen zu lassen. Beispielhaft ist dabei das Gebiet der Hochfrequenzelektromotoren zu nennen. Auf diesem Gebiet stellt es elektrisch kein Problem dar, Motoren im Hz-Bereich zu betreiben. Werden dazu jedoch konventionelle Werkstoffe verwendet, treten an verschiedenen Stellen Probleme mit den Festigkeiten und Steifigkeiten der Werkstoffe auf. Ab bestimmten Bauteilabmessungen können die mechanischen Bauteile die hohen Drehzahlen nicht mehr aushalten, was zu einem Versagen der Bauteile aufgrund der Eigenbelastung der Werkstoffe führt.Around the efficiency from boosting machinery and engines, it is among other measures often a desired goal, to let them run faster. An example is the field of high-frequency electric motors to call. In this area, it does not pose a problem electrically Motors to operate in the Hz range. Become however conventional Materials used, problems occur at various points the strength and stiffness of the materials. From certain Component dimensions can the mechanical components can not stand the high speeds anymore, which to a failure of the components due to the self-loading of the materials leads.
Um die Spannungen zu reduzieren, ist es bekannt, kritische Bauteile durch faserverstärkte Kunststoffe zu stützen. Diese faserverstärkten Kunststoffe weisen sehr hohe spezifische Festigkeits- und Steifigkeitswerte auf, die bis zum 5-fachen über den Werten von metallischen Werkstoffen liegen. Durch die Kombination der verschiedenen Werkstoffe beziehungsweise durch die Substitution der metallischen Werkstoffe durch faserverstärkte Kunststoffe können somit weitaus höhere Drehfrequenzen realisiert werden, als dies mit herkömmlichen Werkstoffen der Fall ist.Around To reduce the stresses, it is known critical components fiber reinforced To support plastics. These fiber reinforced Plastics have very high specific strength and stiffness values up to 5 times over the values of metallic materials. By the combination of different materials or by substitution The metallic materials through fiber reinforced plastics can thus much higher Turning frequencies are realized, as with conventional Materials is the case.
Bei den bekannten Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen handelt es sich vorrangig um rohrförmige Bauteile, die beispielsweise zur Verstärkung von metallischen oder magnetischen Werkstoffen eingesetzt werden. Sie können ferner zur Substitution dieser Werkstoffe verwendet werden.at the known components made of fiber-reinforced plastics It is primarily tubular Components, for example, to reinforce metallic or magnetic materials are used. You can further used to substitute these materials.
Beispielsweise werden in Hochfrequenzelektromotoren zunehmend Permanentmagnet-Motoren eingesetzt, bei denen die Permanentmagnete auf dem metallischen Rotorkern platziert werden. Die Magneten können dabei aufgeklebt oder aufgeklemmt werden. Die Permanentmagnete werden ferner durch ein ebenfalls aufgepresstes oder aufgeklebtes Rohr aus faserverstärktem Kunststoff, bei dem es sich typischerweise um Kohlefaser verstärkten Kunststoff (CFK) handelt, armiert. Durch die hohen spezifischen Festigkeits- und Steifigkeitswerte der CFK-Rohre werden die Magnete unter Frequenz nicht so hoch belastet, dass sie bersten oder sich vom Rotor lösen.For example permanent magnet motors are increasingly used in high-frequency electric motors, where the permanent magnets placed on the metallic rotor core become. The magnets can be glued or clamped. The permanent magnets are also by a likewise pressed or glued tube made of fiber-reinforced Plastic, which is typically carbon fiber reinforced plastic (CFK) is armored. Due to the high specific strength and stiffness values of CFRP pipes are not the magnets under frequency loaded so high that they burst or detach from the rotor.
Ein weiteres Anwendungsgebiet von CFK-Rohren stellen Turbomolekularpumpen dar, in denen in der sogenannten Holwegstufe ein Rohrelement mit sehr hoher Frequenz rotiert. Würde dieses Bauteil aus metallischen Werkstoffen hergestellt, wären die radialen Dehnungen so groß, dass die notwendigen Spalte nicht mehr eingehalten werden könnten. Ab einer bestimmten materialabhängigen Frequenz würde das Rohrelement aufgrund der Eigenbelastung platzen und die Vakuumpumpe zerstören. Es ist bekannt, an dieser Stelle CFK-Rohre einzusetzen, die durch ihre höheren Festigkeits- und Steifigkeitswerte entsprechend hohe Drehzahlen zulassen, wodurch die Leistungsfähigkeit der Pumpe gesteigert werden kann.One Another area of application for CFRP pipes is turbomolecular pumps in which in the so-called Holwegstufe a pipe element with very high frequency. Would this component made of metallic materials, would be the radial strains so big that the necessary gaps could no longer be met. From a certain material-dependent frequency that would be Pipe element burst due to self-loading and the vacuum pump to destroy. It is known to use at this point CFRP pipes through their higher Strength and stiffness values corresponding to high speeds allow the performance the pump can be increased.
Bei den beschriebenen faserverstärkten Kunststoffrohren kommt es in erster Linie auf hohe radiale mechanische Werte an, da das jeweilige Bauteil vorrangig durch Fliehkraft belastet wird. Gleichzeitig werden sehr hohe Maßgenauigkeiten verlangt, da das Bauteil stets mit sehr geringen Spaltmaßen eingebaut wird und größere Maßungenauigkeiten aufgrund der Fliehkraft zu Unwuchten führen. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die faserverstärkten Rohre stets mit sehr hohen Rundlaufgenauigkeiten und Maßtoleranzen zu fertigen. Diese sind in dem meisten Fällen nur durch Bearbeitung der faserverstärkten Rohre erreichbar. Durch die Bearbeitung der Rohre entstehen jedoch Probleme, die nur mit erheblichem Aufwand durch eine weitere Bearbeitung gelöst werden können. In einigen Fällen verbleiben die Probleme sogar ungelöst.at the described fiber reinforced plastic pipes it depends primarily on high radial mechanical values, because the respective component is primarily loaded by centrifugal force. At the same time very high dimensional accuracies are required because the component is always installed with very small gaps and greater dimensional inaccuracy due to the centrifugal force lead to imbalances. For this reason, it is necessary to use the fiber reinforced pipes always with very high concentricity and dimensional tolerances to manufacture. These are in most cases only by editing the fiber reinforced Reachable pipes. By processing the pipes arise, however Problems only with considerable effort through further processing solved can be. In some cases the problems remain unresolved.
Probleme bei der Bearbeitung entstehen beispielsweise dadurch, dass die Fasern der CFK-Rohre, welche vorrangig in Umfangsrichtung liegen, bei der Außenbearbeitung angeschnitten werden. Da die Rohre fast immer im Wickelverfahren hergestellt werden, weisen die Fasern keine Kreuzungspunkte auf. Die an der Oberfläche angeschnittenen Fasern können sich so bei zu hoher Belastung aus dem Laminat herauslösen und zum Versagen des Bauteils führen.issues during processing, for example, the result is that the fibers the CFRP pipes, which are primarily in the circumferential direction, in the external machining be cut. As the tubes almost always in the winding process produced, the fibers have no crossing points. The on the surface cut fibers can so come out of the laminate at too high a load and lead to failure of the component.
Ein weiteres Problem entsteht durch die statische Aufladung der faserverstärkten Rohre. Speziell CFK-Rohre bringen aufgrund der Leitfähigkeit der Kohlestofffaser das Problem mit sich, dass die Ladung über die Faser geleitet werden kann, wenn die Oberfläche bearbeitet ist und die leitenden Fasern angeschliffen sind. Durch den geringen Abstand des CFK-Rohres zum umgebenden Metallteil kann es zu Entladungen kommen, die zu lokalen Zerstörungen und damit zur Schwächung des Laminates führen können. Bei der Bearbeitung der Oberflächen speziell von CFK-Rohren kommt es somit zu Problemen, die nur durch weitere Maßnahmen kompensiert werden können.Another problem arises from the static charge of the fiber reinforced pipes. Specifically, CFRP tubes involve the problem of carbon fiber conductivity in that the charge can be conducted across the fiber when the surface is machined and the conductive fibers are ground. Due to the small distance of the CFRP pipe to the surrounding metal part, discharges can occur which lead to local destruction and thus to the weakening of the laminate can. When machining surfaces, especially CFRP pipes, problems arise that can only be compensated by further measures.
Aus
der Europäischen
Patentschrift
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Hohlkörpers aus faserverstärktem Kunststoff mit hoher Maßgenauigkeit bereitzustellen, das keine mechanische Nachbearbeitung der Innen- und Außenfläche des Körpers erfordert.task The invention is a method for producing a cylindrical hollow body made of fiber-reinforced Plastic with high dimensional accuracy which does not require mechanical post-processing of the inner and outer surface of the Body requires.
Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.task The invention further provides an apparatus for carrying out the Provide method.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen zylindrischen Hohlkörper aus faserverstärktem Kunststoff mit hoher Maßgenauigkeit der Innen- und Außenfläche bereitzustellen. Der Hohlkörper soll sich insbesondere für den Einsatz im Hochfrequenzbereich eignen und bei hoher Belastung keine Faserabwürfe verursachen.A Another object of the invention is to provide a cylindrical hollow body fiber reinforced plastic with high dimensional accuracy to provide the inner and outer surfaces. The hollow body should be especially for suitable for use in the high frequency range and at high load no fiber drops cause.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 5 und 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.According to the invention this Task by the features of independent claims 1, 5 and 10 solved. Advantageous developments of the invention can be found in the subclaims.
Die Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Hohlkörpers aus faserverstärktem Kunststoff vor, bei dem zuerst ein Grundlaminat aus mit Harz imprägnierten Fasern auf einen Wickeldorn gewickelt wird. Über das so gebildete Grundlaminat wird ein Fasergeflechtschlauch gezogen und gepresst. Das Aufpressen des Geflechtschlauchs auf das Grundlaminat erfolgt vorzugsweise durch axialen Zug.The The invention provides a method for producing a cylindrical hollow body made of fiber-reinforced Plastic, in which first a base laminate impregnated with resin Fibers is wound on a winding mandrel. About the base laminate thus formed a fiber braided hose is pulled and pressed. The pressing on the braided hose on the base laminate is preferably carried out by axial pull.
Nach dem Wickeln wird das Laminat nicht wie herkömmlich zum Härten in einen Härteofen gespannt, sondern direkt weiterverarbeitet. Der Wickeldorn wird erfindungsgemäß zusammen mit dem Grundlaminat und dem Fasergeflechtschlauch in ein RTM-Werkzeug eingebracht und Harz in das Werkzeug injiziert. Innerhalb des RTM-Werzeugs wird das Harzsystem unter Druck und Wärme geliert und ausgehärtet.To the laminate is not wrapped in the usual way for curing a hardening furnace curious, but directly further processed. The winding mandrel is according to the invention together with the base laminate and the fiber braided hose into an RTM tool introduced and resin injected into the tool. Within the RTM tool The resin system is gelled and cured under pressure and heat.
Daraufhin wird das Werkzeug geöffnet und der Wickeldorn mit dem gebildeten Hohlkörper entnommen. Nach dem Abkühlen des Wickeldornes wird er aus dem zylindrischen Hohlkörper entnommen.thereupon the tool is opened and the winding mandrel taken with the formed hollow body. After cooling the Winding mandrel he is removed from the cylindrical hollow body.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das gleiche Harz in das RTM-Werkzeug injiziert, welches zum Wickeln des Grundlaminates verwendet wurde.In a particularly preferred embodiment of the invention, the same resin is injected into the RTM tool, which was used to wind the base laminate.
Das Grundlaminat und der Geflechtschlauch auf dem Wickeldorn werden vorzugsweise nass in das RTM-Werkzeug eingebracht.The Base laminate and the braided hose on the mandrel be preferably wet introduced into the RTM tool.
Die Erfindung umfasst ferner eine Vorrichtung zur Herstellung eines zylindrischen Hohlkörpers aus faserverstärktem Kunststoff. Bei der Vorrichtung handelt es sich um ein RTM-Werkzeug mit zwei Werkzeughälften, wobei die Innenform des Werkzeugs so ausgebildet ist, dass in ihr ein Wickeldorn mit einem aufgewickelten Grundlaminat und einem aufgepressten Geflechtschlauch aufnehmbar ist. Die Längsseiten der Innenform, welche die Außenfläche des späteren Hohlkörpers abbilden, sind parallel zu den Längsseiten angeordnet, welche den Wickeldorn seitlich aufnehmen.The The invention further comprises an apparatus for producing a cylindrical hollow body made fiber reinforced Plastic. The device is an RTM tool with two mold halves, wherein the inner shape of the tool is designed so that in it Mandrel with a wound base laminate and a pressed on Braided hose is receivable. The long sides of the inner mold, which the outer surface of the later hollow body depicting, are parallel to the long sides arranged, which receive the mandrel laterally.
Die Vorrichtung umfasst zweckmäßigerweise Dichtelemente zur Abdichtung der beiden Werkzeughälften gegeneinander und einen Zulauf und einen Ablauf zur Injizierung von Harz in das Werkzeug. Ferner weist die Vorrichtung Mittel zur Druckbeaufschlagung und Beheizung auf. Durch die spezielle Ausbildung der Vorrichtung eignet sie sich insbesondere zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines zylindrischen Hohlkörpers.The Device suitably includes Sealing elements for sealing the two tool halves against each other and an inlet and a drain for injecting resin into the Tool. Furthermore, the device has means for pressurizing and heating up. Due to the special design of the device it is particularly suitable for carrying out the method described for producing a cylindrical hollow body.
Die Erfindung umfasst ferner einen zylindrischer Hohlkörper aus faserverstärktem Kunststoff mit einer inneren Wickelschicht und eine äußeren Geflechtschicht. Der Hohlkörper wurde vorzugsweise mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt. Der so hergestellte Hohlkörper weist ein glatte Innen- und Außenfläche auf, und die Flächen sind sehr gut koaxial zueinander. Dabei sind die geforderten Maße so genau herstellbar, dass keine mechanische Nachbearbeitung der Flächen erforderlich ist. So können die genannten Probleme bei der Bearbeitung vermieden und ein Hohlkörper bereitgestellt werden, der sich sehr gut für den Einsatz im Hochfrequenzbereich eignet. Der Einsatz wird zusätzlich dadurch begünstigt, dass die äußere Lage des Laminates aus einem Geflechtschlauch besteht, der Kreuzungspunkte der Fasern aufweist. Durch die Kreuzungspunkte ist ein Ablösen der Einzelfasern aus der Oberfläche nicht mehr möglich.The invention further comprises a hollow fiber-reinforced plastic hollow body having an inner winding layer and an outer braid layer. The hollow body was preferably produced by the described method. The hollow body thus produced has a smooth inner and outer surface, and the surfaces are very good coaxial with each other. The required dimensions are so accurate to produce that no mechanical post-processing of the surfaces is required. Thus, the problems mentioned during processing can be avoided and a hollow body can be provided which is very well suited for use in the high-frequency range net. The insert is additionally facilitated by the fact that the outer layer of the laminate consists of a braided tube which has points of intersection of the fibers. Due to the crossing points, detachment of the individual fibers from the surface is no longer possible.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.Further Advantages, special features and expedient developments of the invention emerge from the dependent claims and the following description of preferred embodiments based on the pictures.
Von den Abbildungen zeigt:From the pictures shows:
In
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird wie bei bekannten Rohren ein Grundlaminat aus
Fasern auf einer Wickelmaschine hergestellt. Ein derartiger Wickelprozess
ist schematisch in
Nach
dem Wickelprozess wird der Wickeldorn
Der
Wickeldorn
Das
RTM-Werkzeug wird zusammen mit Dichtelementen
Das Harzsystem wird nach dem Injektionsvorgang durch Anlegen von Druck an beiden Schläuchen komprimiert, so dass der Schrumpf des Harzsystems ausgeglichen wird. Der Druck liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 5–7 bar, insbesondere bei 6 bar. Anschließend wird das Harzsystem durch eine Beheizung des RTM-Werkzeugs geliert und gehärtet. Nach dem Härten des Laminates wird das Werkzeug geöffnet und der Wickeldorn aus dem Werkzeug entnommen. Das faserversträkte Rohr kann nach Abkühlung des Wickeldornes von demselben abgeschoben werden. Für die Weiterverarbeitung des Rohres muss es nur noch auf Länge bearbeitet werden, was keine weiteren Probleme verursacht.The Resin system is after the injection process by applying pressure on both hoses compressed, so that the shrinkage of the resin system is compensated. The pressure is preferably of the order of 5-7 bar, especially at 6 bar. Subsequently, the resin system is through Heating the RTM tool gelled and hardened. After curing the Laminates the tool is opened and the mandrel removed from the tool. The fiber reinforced tube can after cooling of the winding mandrel are deported from the same. For further processing of the pipe it only needs to be worked on length, what no further problems.
- 1010
- Faser, imprägniertFiber, waterproof
- 2020
- Wickeldornmandrel
- 3030
- GeflechtschlauchGeflechtschlauch
- 4040
- RTM-WerkzeugRTM tool
- 5050
- Innenform des Werkzeugsinterior shape of the tool
- 60, 6160 61
- Längsseiten zur Abbildung der Außenflächen deslong sides for imaging the outer surfaces of the
- Hohlkörpershollow body
- 70, 7170 71
- Längsseiten zur seitlichen Aufnahme deslong sides for lateral recording of
- Wickeldornsmandrel
- 8080
- Dichtungpoetry
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