DE102004038706A1

DE102004038706A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Faserverbundbauteilen, insbesondere schnellaufender Rotoren, namentlich Zentrifugenrotoren

Info

Publication number: DE102004038706A1
Application number: DE102004038706A
Authority: DE
Inventors: Raimund Grothaus
Original assignee: East 4d Lightweight Struc GmbH; East-4d Lightweight Structures GmbH
Current assignee: EAST 4D Carbon Technology GmbH
Priority date: 2004-03-02
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-08-11
Also published as: DE102004038706B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Faserverbundbauteilen, insbesondere zur Herstellung eines Rotorkörpers mit einem topfförmigen Boden aus einem Faserverbund mit einer Anzahl von Faserschichten mit überwiegend nicht geodätischer Faserausrichtung. Der Faserverbund wird mit einer Wickeleinrichtung und wenigstens einer endlosen Faser auf einen drehbaren Wickelkern in einem Zug aufgewickelt, derart, daß die wenigstens eine Faser definiert auf einen freien Umfangsteil eines Wickelkerns und gleichzeitig auf einen zusätzlich stirnseitig am Wickelkern angeordneten, elastischen und durch Druck verformbaren äußeren Formkörper zu dem Faserverbund in definiertem Winkel gegenüber der Nabe mehrfach gewickelt und fixiert wird. Der somit gebildete Faserverbund wird umfangsseitig und an der Stirnseite des Wickelkerns mit einer Formeinrichtung topfförmig verformt und durch ein Matrixsystem stabilisiert. Die Erfindung ist unter anderem für Rotorkörper für Zentrifugen mit hoher Fliehkraftbelastung verwendbar.

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Bauteilen in Wickeltechnik, deren Anwendung sich besonders für die Erzeugung von Faserverbundbauteilen, die hohen Fliehkraftbelastungen ausgesetzt sind, anbietet.

Faserverbundbauteile werden nach verschiedenen Herstellungsverfahren der Wickeltechnik gefertigt. Als wesentliches Problem ist in jedem Fall der Vorgang der Faserablage zu sehen, da hierdurch die Ausrichtung der Fasern festgelegt wird und dieser Vorgang aufgrund der eigenschaftsbestimmenden Wirkung dieser Verbundkomponenten die Tragfähigkeit und Qualität der Struktur bestimmt.

Bekanntlich wird beim Wickelverfahren eine bestimmte Anzahl Rovings, also zumindest ein Faden, bevorzugt nach dem Tränken mit dem Matrixwerkstoff unter einer definierten Fadenvorspannung auf einem rotierenden, bauteiladäquaten Kern in mehreren Lagen abgelegt; hierbei können Umfangswicklungen oder Wicklungen unter einem Wickelwinkel α in Bezug zur Drehachse des Körpers erstellt werden. Behälterwicklungen unterliegen der Clairaut'schen Bedingungen für die Fadenablage, damit die Fäden beim Ablegen auf den Wickelkörper nicht abrutschen; d. h. sie müssen auf der „geodätischen Linie", was die kürzeste Verbindungslinie zweier Punkte auf gekrümmten Flächen ist, abgelegt werden. Dem folgend werden Behälter dadurch gefertigt, daß mittels des Innendurchmessers der Bodenöffnung d und des Außendurchmessers D des zylindrischen Bereiches der Wickelwinkel gemäß sin(α) = d/D festlegt wird. Unter diesem Winkel muß der Roving abgelegt werden, da ansonsten der Faden an der Kappe bzw. an von der Drehachse abweichenden Positionen des Wickelkerns abrutscht, was seinerseits zu Fehlern im Laminat und folglich zur Schwächung des Bauteils führt.

Verfahren der Wickeltechnik sind seit langem und in vielfältigen Varianten, die vor allem auf den spezifischen Anwendungs-/Verwendungszweck der Kunststoffbauteile ausgerichtet sind, bekannt.

So ist in DE 199 06 618 A1 ein Verfahren mit dazugehöriger Vorrichtung zur Herstellung von Faserverbundkunststoffen offenbart, das besonders auf die Verwendung im Armaturen- und Rohrleitungsbau abzielt. Erfindungsgemäß sollen solche Bauteile mit wenigstens einem Flansch dadurch hergestellt werden, daß getränkte Rovings auf einen Kern mit der Innenkontur eines rohrförmigen Abschnitts unter einem Winkel von 5° bis 45° gewickelt werden. Der Kern ist hierbei um das Maß der Höhe des jeweiligen Flansches länger als der rohrförmige Teil des Bauteiles, wobei der längere Teil des rohrförmigen Abschnitts an den Wickelprozeß und eine Fixierung anschließend, zu dem jeweiligen Flansch umgeformt und gepreßt wird.

Diesbezüglich ähnliche und grundsätzlich den Stand der Technik kennzeichnende Lösungen können aus DE 39 22 335 C1 , DE 35 03 194 A1 , DE 29 27 955 A1 und DE 40 05 771 C1 entnommen werden.

Weiterhin sind speziell Leichtbau-Zentrifugen bekannt, deren Rotoren gänzlich oder teilweise aus gewickelten Faserstrukturen bestehen. So können aus US 5,601,522 treppenförmige, trockengewickelte RTM-Verbundrotor-Sektionen, aus EP 0283098 ein Kunststoff-Festwickelrotor mit Langfaserhülle, aus EP 0290686 ein Festwickelrotor aus gestapelten gewickelten Scheiben und aus US 5,382,219 eine Leichtbau-Zentrifuge entnommen werden. Aber auch Hybridzentrifugen-Rotoren bei denen der innere Rotor aus Metall (Aluminium) besteht und der äußere Rotor ein gewickelter Kunststoffverbund ist, sind seit längerem bekannt ( US 5,057,071 ), gleichfalls Metall-Faserverbund-Hybrid-Becher (WO 93/08675).

Nach dem bisherigen Stand der Technik ist allerdings nicht möglich, Behälter in einem Zug herzustellen; das betrifft besonders Strukturen, die konkave Abschnitte enthalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, die komplette FKV-Struktur mittels Wickelverfahren (Filament Winding) herzustellen, insbesondere soll es möglich sein, einen topfförmigen Rotorkörper geringer Masse für Zentrifugen, die hohen Drehzahlen und folglich hoher Fliehkraftbelastung ausgesetzt sind, herzustellen.

Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach dem Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen nach dem Anspruch 14 gelöst. In den abhängigen Unteransprüchen 2 bis 13 und 15 bis 22 sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben, der Anspruch 23 ist auf Verwendungen der Erfindung gerichtet.

Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Herstellung eines Rotorkörpers als Faserverbundbauteil durch Wickeltechnik, insbesondere für die Herstellung des topfförmigen Rotorkörpers für Zentrifugen mit zumindest lokal nicht geodätischer Faserausrichtung, der topfförmige Rotorkörper in einem Zug auf einen Wickelkern mit einem inneren Formkörper und mit einem Druck beaufschlagbaren äußeren Formkörper aufgewickelt und der auf dem äußeren Formkörper abgelegte Faserverbund durch eine Formeinrichtung mit einer Druck beaufschlagbaren Membran geformt wird.

Dabei ist von besonderer Bedeutung, daß die wenigstens eine Faser mittels entsprechender Wickeleinrichtung auf dem Umfangsteil des Wickelkerns und gleichzeitig auf den durch Druck beaufschlagbaren äußeren Formkörper bis auf einen geringen verbleibenden Durchmesser im Bereich der Nabe des Wickelkerns gewickelt wird.

Der äußere Formkörper ist dazu mit dem Wickelkörper stirnseitig verbunden und so elastisch ausgebildet, daß er, wenn er mit Druck beaufschlagt wird, sein Volumen derart vergrößert, daß er einen einem Ballon ähnlichen Abschluß der Stirnseite des Wickelkerns bildet.

Der erforderliche Druck wird vorzugsweise durch eine Pumpe und mittels Luft erzeugt, die durch eine entsprechende Leitungsanordnung in der Nabe im Wickelkern bis an die Membran geführt und somit die Membran zu dem ballonähnlichen Formkörper aufgebläht wird.

Die wenigstens eine Faser kann mit dem Verfahren gemäß der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik in einem Bereich auf dem derart gebildeten Teil der Ballonform noch zu dem erforderlichen Faserverbund gewickelt werden, der in axialer Richtung vergleichsweise weit über die bisher herstellbare, hier zylinderförmige, Wicklung auf dem jeweiligen Wickelkern hinausgeht.

Insbesondere ist dieser derart gebildete Faserverbund für den unmittelbar an den Wickelprozeß anschließenden Formvorgang des Bodens des topfförmigen Rotorkörpers mit der durch Druck beaufschlagten Membran und entsprechender Formvorrichtung von Vorteil dahingehend, daß durch den speziellen Wickelprozeß der wenigstens einen Faser gegenüber dem Stand der Technik der Faserverbund bis in den Bereich der Öffnung der üblicherweise an dem Rotorkörper vorgesehenen Nabe heranführend gewickelt wird.

Somit wird mit der Erfindung erreicht, daß nach der Ablage der Verstärkungsfasern auf dem Wickelkern und der Faserfixierung durch Hilfsvorrichtungen der Faserverbund vor dem Beginn der Konsolidierung des Faserverbundes beziehungsweise des Verbundwerkstoffs mittels eines Werkzeugsystems umgeformt wird; der Konsolidierungs- oder Injektionsprozeß des Faserverbundes wird demnach anschließend an den Wickelprozeß durchgeführt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die wenigstens eine Faser im Bereich eines Wickelwinkels gegenüber der Nabe des Wickelkerns von 30° bis 90° auf den Wickelkern und den äußeren Formkörper gewickelt, wodurch sich die wenigstens eine Faser auf dem ballonförmig aufgeblasenen äußeren Formkörper ohne vom Wickelkern abzurutschen, bis an den Durchmesser der Nabe heran wickeln läßt.

Der Faserverbund wird somit in jedem Fall gegenüber den herkömmlichen Lösungen definiert über den Wickelkern hinausgehend, durchgängig bis an die Nabe des späteren Bodens des Rotorkörpers heran, gebildet.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Faserverbund bevorzugt nach dem Wickelprozeß und dem Stillstand des Wickelkerns in einstufig oder mehrstufig auf den äußeren Formkörper am Wickelkern stirnseitig einwirkendes, starres Formwerkzeuges topfförmig geformt. Ein starres Formwerkzeug ist bevorzugt für einen Faserverbund geeignet, der mit einem warm härtenden Matrixsystem versehen wird.

Anstelle eines starren Werkzeuges oder zusätzlich zu diesem besteht gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Möglichkeit, den Faserverbund für den Boden des Rotorkörpers an der Stirnseite des Wickelkerns bevorzugt bei Stillstand durch Unterdruck zu bilden, indem der den Innenraum zwischen dem Wickelkern und der elastischen Membran befindliche Hohlraum durch die Leitungsanordnung im Wickelkern hindurch evakuiert und somit die elastische Membran beziehungsweise der mit dem Faserverbund bewickelte äußere Formkörper durch Unterdruck gegen den inneren Formkörper zu dem erwähnten Boden verformt wird.

Eine bevorzugte Anwendungsform ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der gewickelte Faserverbund bei Stillstand des Wickelkerns durch eine gegen den Faserverbund am äußeren Formkörper des Wickelkerns in axialer Richtung wirkende, fixierbare Formeinrichtung mit einem elastischen Formwerkzeug topfförmig gebildet wird.

Dabei wird als Formwerkzeug eine durch Druck beaufschlagte und vorzugsweise verstärkte Membran mit einem entsprechend koaxial gegen den äußeren Formkörper verschiebbaren Formkopf gegen den äußeren Formkörper gedrückt, wodurch die Membran den äußeren Formkörper zur Ausbildung des Bodens des Rotorkörpers komplett in den inneren Formkörper preßt und der Faserverbund verdichtet wird.

Für den Formvorgang wird die Formeinrichtung oder auch nur separat der Formkopf durch entsprechend angepaßte mechanische Komponenten axial bis an den zu formenden äußeren Formkörper heran bewegt und fixiert.

Anschließend wird die Membran durch definierten Druck, der je nach Anwendungsfall verschieden ist, beispielsweise von etwa 6 bar, beaufschlagt, wobei die Membran den äußeren Formkörper in den inneren Formkörper an der Stirnseite des Wickelkerns zu dem Boden des Rotorkörpers umformt und verdichtet.

Ein Vorteil bei der Formgebung des Faserverbundes für den Boden des Rotorkörpers mit einer Membran besteht vor allem darin, dass neben flexibler Einsatzmöglichkeiten sich die Membran für die Druckerzeugung zur Herstellung verschiedener Formgebungen des zu verformenden Faserverbundes gegenüber einem starren Formwerkzeug quasi selbständig an den beispielsweise hier beschriebenen inneren Formkörper anpaßt, wohingegen starre Formwerkzeuge aus mindestens zwei hochgenauen, formgebenden Werkzeugen bestehen müssen.

Weitere Vorteile der Formgebung mit der Membran gemäß der Erfindung bestehen darin, daß neben einer kostengünstigen Herstellung eines derartigen „Formwerkzeuges" eine mehrfache Nutzung möglich ist und darüber hinaus ein faltenfreier Boden für Rotorkörper ohne jegliche Lufteinschlüsse gebildet wird.

Darüber hinaus ist es von Vorteil, daß Hinterschnitte beziehungsweise Formschlußelemente mit dem Umformverfahren gemäß der Erfindung hergestellt werden können.

Gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, entweder die wenigstens eine Faser unmittelbar vor dem Wickelprozeß mit einer geeigneten Verstärkungsmatrix zu umgeben oder den fertig gewickelten Faserverbund mit der Verstärkungsmatrix zu injektieren und anschließend zu konsolidieren.

Des weiteren ist vorgesehen, die Fasern des Faserverbundes vor dem Umformprozeß durch wenigstens eine tangential auf den Faserverbund aufgebrachte Faser zu sichern, um das Abrutschen des Faserverbundes von der gewickelten Form zu verhindern und die Faserorientierung optimal zu gestalten.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der gewickelte Formkörper beziehungsweise der gewickelte und konsolidierte Formkörper vom Wickelkern dadurch abnehmbar wird, indem der Wickelkern eine axial angeordnete Teilung aufweist, wodurch wenigstens ein Teil des Wickelkerns beispielsweise axial verschiebbar ist, daß nach Verschieben des wenigstens einen erwähnten Teils des Wickelkerns der Durchmesser beziehungsweise der Umfang des Wickelkerns verrin gert wird und dadurch der Faserverbund vom Wickelkern und der Membran des äußeren Formkörpers ohne weiteres abgenommen werden kann.

Alternativ dazu ist vorgesehen, daß die für den äußeren Formkörper verwendete Membran nach dem Wickelvorgang und Fertigstellung des Faserverbundes im Inneren des stirnseitigen Faserverbundes verbleibt.

Das Verfahren zur Herstellung eines Rotorkörpers durch definiertes Wickeln eines Faserverbundes auf einen beliebigen, beispielsweise rotationssymmetrischen Wickelkern wird mit einer Vorrichtung nach den Merkmalen des Anspruches 14 und deren vorteilhaften Ausgestaltungen realisiert.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles und anhand einer Zeichnung näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Rotorkörperteiles auf einem Wickelkern vor und nach der Umformung des Faserverbundes;
2a)–2d) ein Schema von Verfahrensschritten der Faserverbundbildung und Umformung des Bodens am Rotorkörper;
3 eine stirnseitige Darstellung des Wickelkerns mit Membran und Injektionskanal;
4 eine Variante der Formeinrichtung mit Formkopf, Druck beaufschlagbarer Membran und koaxialer Wickelkernanordnung und
5 einen gemäß der Erfindung hergestellten Rotorkörper im Schnitt.
In der 1 ist ein Rotorkörperteil gemäß der Erfindung schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet.
Unter weiterer Bezugnahme auf die 2 und 3 weist der Rotorkörper 1 prinzipiell eine Wandung 2 und einen Boden 3 auf, die auf bzw. an einem Wickelkern 4 mit einer Achse 5 durch Wickeln aufgebracht bzw. angebracht sind.
Der Wickelkern 4 ist in einer Aufnahme 6 einer geeigneten, nicht dargestellten Spanneinrichtung einer Wickelmaschine am Umfangsteil 7 fixiert und mit der Aufnahme 6 um die Achse 5 drehbar gelagert.
Der Wickelkern 4 steht dadurch mit seiner Spanneinrichtung und einem ebenfalls nicht dargestellten Antriebsgerät mit einer Wickeleinrichtung der Wickelmaschine in Verbindung, deren Führungseinrichtung 8 für die Lagerung wenigstens einer Faserspule 9 mit wenigstens einer hochfesten und im wesentlichen endlosen Faser 10 vorgesehen ist.
Die wenigstens eine endlose Faser 10 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Kohlenstoff gebildet, und sie wird mittels der Führungseinrichtung 8 unter einem definierten Wickelwinkel α gegenüber der Achse 5 des Wickelkerns 4 zu einem Faserverbund 11 in vorzugsweise mehreren Lagen auf den Wickelkern 4 systematisch aufgewickelt.
An der Aufnahme 6 bzw. der Spanneinrichtung axial gegenüberliegenden freien Stirnseite 12 des Wickelkerns 4 ist ein innerer Formkörper 13 (3) angeordnet, dessen Formgebung dem Boden 3 des zu wickelnden Rotorkörpers 1 entspricht.
Der innere Formkörper 13 ist an der Stirnseite 12 des Wickelkerns 4 mit einer elastischen Membran 14 dicht verschlossen, wobei die elastische Membran 14 am Umfangsteil 7 des Wickelkerns 4 zur Bildung eines äußeren Formkörpers 15 festgelegt ist.
Der Wickelkern 4 weist dazu vorzugsweise axial eine Nabe 16 mit einer Leitungsanordnung 17 auf, die mit einer Pumpe einer externen, nicht dargestellten Pumpenanordnung verbunden ist, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel für die Zuführung eines pneumatischen Druckes zwischen den inneren Formkörper 13 und den äußeren Formkörper 15 vorgesehen ist und wodurch der äußere Formkörper 15 definiert und ballonartig aufgeblasen wird.
In den 2a bis 2d sind dargestellt: Die Ausgangssituation des Wickelkerns 4 vor dem Wickelprozeß mit an der Stirnseite 12 angeordnetem inneren Formkörper 13 und aufgeblasener Membran 14, der auf den Umfangsteil 7 am Wickelkern 4 und auf den äußeren Formkörper 15 aufgewickelten Faserverbund 11, den Vorgang der axialen Einwirkung einer Kraft F auf den äußeren Formkörper 15 und schließlich den umgeformten Boden 3 des Rotorkörpers 1 auf dem Wickelkern 4 vor der Abnahme vom Wickelkern 4.
In den 2a bis 2d wurden die Dichtung 21 und der Gleitschuh 22 in der Membran 14 beziehungsweise im Faserverbund 11 nicht dargestellt.
In der 3 ist eine Variante einer anderen Ausführungsform zur Wicklung des Rotorkörpers 1 auf dem Wickelkern 4 dargestellt.
Gemäß der 3 weist der Wickelkern 4 im Bereich seiner Nabe 16 eine als Injektionskanal 18 ausgebildete axiale Führung auf, wobei eine Öffnung 19 für Druckluft außerhalb der Nabe 16 des Wickelkerns 4 vorgesehen ist.
Der Injektionskanal 18 ist in einem durch Druck gebildeten Manschetteninnenraum 20 zwischen dem inneren Formkörper 13 und der den äußeren Formkörper 15 bildenden Membran 14 durch wenigstens eine Dichtung 21 gegenüber dem Wickelkern 4 und der Membran 14 abgedichtet.
Durch Verwendung von abdichtenden Gleitschuhen 22 an der Durchgangsstelle zu der Membran 14 und in der Nabe 16 des Wickelkerns 4 ist der Wickelkern 4 mit der aufgeblasenen Membran 14 ohne nennenswerten Druckverlust aus dem Manschetteninnenraum 20 entlang des Injektionskanals 18 in definiertem Umfang verschiebbar.
In 4 ist dargestellt, daß der Injektionskanal 18 ferner derart gestaltet ist, daß er koaxial mit einer Formeinrichtung 23 mit einem Formkopf 24 korrespondiert, wobei wenigstens der Formkopf 24 entlang des Injektionskanals 18 verschiebbar ist.
Der zeichnungsgemäß oberhalb der gemeinsamen Achse 5 gezeigte Teil stellt hierbei den Formkopf 24 vor einem Umformvorgang dar, während der unterhalb der Achse 5 gezeigte Teil den Formkopf 24 während eines Formvorganges der mit Druck beaufschlagten Membran 26 schematisch darstellen soll.
Die Formeinrichtung 23 ist an einer nicht dargestellten Aufnahme der Wickelmaschine und bevorzugt an dem Injektionskanal 18 einerseits verschiebbar und andererseits in vorgegebenen Positionen an dem Injektionskanal 18 fixierbar gelagert.
Der Formkopf 24 weist einen Druckraum 25 auf, der an seiner dem Wickelkern 4 mit dem inneren Formkörper 13 zugewandten Stirnseite durch eine hoch elastische, verstärkte Membran 26 verschlossen ist und wenigstens eine in den Druckraum 25 mündende Öffnung 27, die beispielsweise mit einer weiteren, nicht dargestellten externen Pumpe einer entsprechenden Pumpenanordnung zur Erzeugung eines Druckes im Druckraum 25 verbunden ist.
Die Formeinrichtung 23 ist mit dem Formkopf gemäß dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel an dem aus einem geeigneten Material bestehenden und eine glatte Oberfläche aufweisenden Injektionskanal 18 an in der Nabe 28 des Formkopfes 24 angeordneten Führungs- und Dichtelementen 29 verschiebbar und abgedichtet gelagert.
Durch an dem Formkopf 24 angeordnete Fixierelemente 30, beispielsweise eine geeignete mechanische Spanneinrichtung, ist der Formkopf 24 zur Durchführung des Formvorganges des Faserverbundes 11 für den Boden 3 des Rotationskörpers 1 am Injektionskanal 18 festlegbar und nach Fertigstellung lösbar.
In der 5 ist ein nach dem Verfahren und mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung hergestellter Rotationskörper 1 einer Zentrifuge im Schnitt dargestellt.
Eine nach dem Verfahren und mit der Vorrichtung hergestellte Faserstruktur beziehungsweise eines entsprechenden Faserverbundes ist insbesondere für Fliehkraft belastete Bauteile, Industrie- und Laborzentrifugen, Druckzylinder oder Kraft oder Momente übertragende Wellen mit formschlüssigen Elementen einsetzbar.

1: Rotorkörper
2: Wandung
3: Boden
4: Wickelkern
5: Achse
6: Aufnahme, Spanneinrichtung
7: Umfangsteil
8: Führungseinrichtung
9: Faserspule
10: Endlose Faser
11: Faserverbund, Laminat
12: Stirnseite
13: Innerer Formkörper
14: Manschette, Membran
15: Äußerer Formkörper
16: Nabe
17: Leitungsanordnung
18: Injektionskanal
19: Öffnung
20: Manschetteninnenraum
21: Dichtung
22: Gleitschuh
23: Formeinrichtung
24: Formkopf
25: Druckraum
26: Verstärkte Membran
27: Öffnung für Lufteinlaß
28: Nabe am Formkopf
29: Führungs- und Dichtungslement
30: Fixierung, Feststelleinrichtung
α: Wickelwinkel
p_i: Innendruck
F: Umformkraft

Claims

Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen, insbesondere Verfahren zur Herstellung eines Rotorkörpers mit einem topfförmigen Boden für Zentrifugen, wobei der Rotorkörper aus einem Faserverbund mit einer Anzahl von Faserschichten mit überwiegend nicht geodätischer Faserausrichtung besteht, – wobei mit einer Wickeleinrichtung wenigstens eine endlose Faser auf einen drehbaren Wickelkern mit einer Nabe mit einem stirnseitig inneren Formkörper aufgewickelt wird; – wobei der Wickelkern einseitig gelagert ist und die wenigstens eine Faser definiert auf einen freien Umfangsteil des Wickelkerns einerseits und gleichzeitig auf einen zusätzlich stirnseitig am Wickelkern angeordneten, elastischen und durch Druck verformbaren äußeren Formkörper unter Einbeziehung der Nabe andererseits zu dem Faserverbund mehrfach aufgewickelt und fixiert wird; und – wobei nachfolgend der den Rotorkörper bildende Faserverbund umfangsseitig und an der Stirnseite des Wickelkerns unter Verwendung des inneren Formkörpers und des verformbaren äußeren Formkörpers mit einer Formeinrichtung topfförmig verformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Faser unter einem Wickelwinkel α zwischen 30° und 90° gegenüber der Nabe des Wickelkerns auf den Wickelkern zu dem Faserverbund aufgewickelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gewickelte Faserverbund bevorzugt bei Stillstand des Wickelkerns an dessen Stirnseite mit einem auf den äußeren Formkörper einwirkenden und gegen den inneren Formkörper gerichteten Formwerkzeug einstufig oder mehrstufig zu dem Boden geformt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gewickelte Faserverbund bevorzugt bei Stillstand des Wickelkerns an dessen Stirnseite durch auf den äußeren Formkörper wirkenden Unterdruck einstufig oder mehrstufig zu dem Boden geformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gewickelte Faserverbund bevorzugt bei Stillstand des Wickelkerns an dessen Stirnseite durch eine auf den äußeren Formkörper einwirkende Formeinrichtung mit einem eine durch Druck beaufschlagbare elastische Membran aufweisenden Formkopf zu dem Boden verformt wird, – die Formeinrichtung mit dem Formkopf und der Druck beaufschlagten Membran mit Hilfe einer Vorschubeinrichtung in koaxialer Richtung gegen den Wickelkern verschoben wird; und – durch die Vorschubbewegung und durch die gleichzeitig mit Druck beaufschlagte elastische Membran an der Stirnseite des Wickelkerns der äußere Formkörper mit dem gewickelten Faserverbund gemeinsam in den an der Stirnseite des Wickelkerns angeordneten inneren Formkörper formgebend gepreßt und der Faserverbund verdichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Faser vor dem Wickelvorgang mit einer Verstärkungsmatrix umgeben und der Faserverbund mit der derart verstärkten Faser gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserverbund des Rotorkörpers nach Abschluß des Wickelvorganges und Ausbildung der Stirnseite des Rotorkörpers mit der Verstärkungsmatrix injektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungsmatrix ein thermoplastisches Kunststoffsystem verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungsmatrix ein duromeres Kunststoffsystem verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungsmatrix ein metallisches Matrixsystem verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des Faserverbundes vor dem Umformprozeß mit einer zusätzlichen und bevorzugt endlosen Faser mit in tangential orientierter Wickellage gegen Verrutschen gesichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserverbund nach dem Wickeln beziehungsweise nach dem Wickeln und Konsolidieren von dem Wickelkern und dem äußeren Formkörper gelöst wird, indem der Wickelkern bevorzugt axial teilbar ist, wobei durch Verschieben der Einzelteile der Faserverbund von dem Wickelkern abgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der am Wickelkern angeordnete äußere Formkörper nach dem Wickelvorgang durch die Nabe im Wickelkern nach innen entfernt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei der Wickelkern (4) mit einer Nabe (16) an einer Aufnahme (6) einseitig fixiert, rotierend gelagert ist, – wobei der rotierende Wickelkern (4) mit einer Führungseinrichtung (8) mit wenigstens einer Faserspule (9) mit einer von dieser abspulbaren wenigstens einen endlosen Faser (10) korrespondiert; – wobei der Wickelkern (4) eine freie Stirnseite (12) mit einem inneren Formkörper (13) aufweist; – wobei die Stirnseite (12) mit dem der inneren Formkörper (13) durch eine Membran (14) als elastischen äußerer Formkörper (15) in axialer Richtung verschlossen ist; – wobei der Wickelkern (4) und der elastische äußere Formkörper (15) mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Druckes in Verbindung steht; und – wobei der Wickelkern (4) mit einer gegenüber dem elastischen äußeren Formkörper (15) koaxial bewegbar angeordneten Formeinrichtung (23) mit einem Formkopf (24) mit einer elastichen, in Wirkungsverbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelwinkel α der wenigstens einen endlosen Faser (10) gegenüber der Achse (5) des Wickelkerns (4) zwischen 30° und 90° beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Formkörper (15) als Membran (14) ausgebildet ist, die über eine vorzugsweise in der Nabe (16) des Wickelkerns (4) angeordnete Leitungsanordnung (17) mit einer externen ersten Pumpe der Einrichtung zur Erzeugung des Druckes in Verbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Pumpe bevorzugt eine pneumatische Pumpe vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß – die Formeinrichtung (23) eine vorzugsweise mit Verstärkungsfasern verstärkte elastische Membran (26) aufweist, die an dem Formkopf (24) an der Formeinrichtung (23) koaxial gegenüber dem äußeren Formkörper (15) des Wickelkerns (4) angeordnet ist; – ein am Formkopf (24) gebildeter und durch die verstärkte Membran (26) abgedichteter Druckraum (25) über eine Öffnung (27) mit einer zweiten Pumpe einer weiteren Einrichtung zur Erzeugung eines Druckes in Verbindung steht; und – die Formeinrichtung (23) mit dem Formkopf (24) gegenüber dem Wickelkern (4) an einer Führungsanordnung verschiebbar und fixierbar gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite Pumpe bevorzugt eine pneumatische Pumpe eingesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite Pumpe eine hydraulische Pumpe vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkopf (24) separat von der Formeinrichtung (23) axial verschiebbar und fixierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelkern (4) und die Formeinrichtung (23) mit dem Formkopf (24) auf einer als Injektionskanal (18) ausgebildeten, gemeinsamen Achse verschiebbar, fixierbar und dichtend angeordnet sind.
Verwendung einer gemäß der Ansprüche 1 bis 13 hergestellten Faserstruktur für Fliehkraft belastete Bauteile, Industrie- und Laborzentrifugen, Druckzylinder oder Kraft oder Momente übertragende Wellen mit formschlüssigen Elementen. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen