DE102011055285B3

DE102011055285B3 - Verfahren zum Herstellen eines Wickelprodukts und Wickelprodukt

Info

Publication number: DE102011055285B3
Application number: DE201110055285
Authority: DE
Inventors: Martin Friess
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2031-11-12

Abstract

Um ein Verfahren zum Herstellen eines Wickelprodukts auf einem Kern, welcher einen senkrecht zu einer Längsachse des Kerns genommenen längs der Längsachse variierenden Querschnitt aufweist, zu schaffen, mittels welchem ein besonders stabiles Wickelprodukt herstellbar ist, wird vorgeschlagen, dass bei dem Verfahren eine erste Wickellage einer Faser auf den Kern aufgewickelt wird, wobei ein anfänglicher Wickelwinkel für die erste Wickellage derart gewählt wird, dass bei im Wesentlichen geodätischer Wicklung im Bereich der minimalen Quererstreckung des Kerns ein gewünschter maximaler Wickelwinkel auftritt, und dass bei dem Verfahren ferner mindestens zwei weitere Wickellagen der Faser auf die erste Wickellage der Faser aufgewickelt werden, wobei der anfängliche Wickelwinkel für mindestens zwei der weiteren Wickellagen kleiner als für die jeweils vorhergehende Wickellage gewählt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Wickelprodukts auf einem Kern, welcher einen senkrecht zu einer Längsachse des Kerns genommenen längs der Längsachse variierenden Querschnitt aufweist.
Wickelprodukte können beispielsweise in einem Gürtelwicklungsverfahren oder in einem Kreuzwicklungsverfahren hergestellt werden.
Die DE 10 2006 006 337 A1 offenbart eine Bauteilstruktur, bei welcher übereinander angeordnete, gewickelte Lagen von Fadenscharen aus hochfesten Fäden und eine sich längs der Bauteilstruktur erstreckende Fadenschar aus hochfesten Fäden vorgesehen sind. Ferner offenbart die DE 10 2006 006 337 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bauteilstruktur.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem ein besonders stabiles Wickelprodukt herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine erste Wickellage einer Faser auf den Kern aufgewickelt wird, wobei ein anfänglicher Wickelwinkel für die erste Wickellage derart gewählt wird, dass bei im Wesentlichen geodätischer Wicklung im Bereich der minimalen Quererstreckung des Kerns ein gewünschter maximaler Wickelwinkel auftritt. Erfindungsgemäß werden ferner mindestens zwei weitere Wickellagen der Faser auf die erste Wickellage der Faser aufgewickelt, wobei der anfängliche Wickelwinkel für mindestens zwei der weiteren Wickellagen kleiner als für die jeweils vorhergehende Wickellage gewählt wird.
Dadurch, dass erfindungsgemäß der Wickelwinkel für die Lagen so gewählt wird, dass für mehrere Wickellagen der anfängliche Wickelwinkel kleiner als für die jeweils vorhergehende Wickellage gewählt wird, kann ein gradierter Aufbau des Wickelprodukts gewährleistet werden, wobei insbesondere der Wickelwinkelaufbau des Wickelprodukts gradiert ist. Auf diese Weise ist ein besonders stabiles Wickelprodukt herstellbar.
Unter einem Wickelprodukt ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ein Element zu verstehen, welches zumindest zwei Lagen aufweist, die in einem Wickelverfahren hergestellt sind.
Unter einer Faser ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ein längliches, dünnes und/oder flexibles Ausgangsmaterial zu verstehen, welches zur Herstellung eines Wickelprodukts, beispielsweise auf einen Wickelkern, aufgewickelt werden kann. Die Faser kann dabei als Filament, als Filamentgarn, als Faserbündel, als Faserstrang, als Roving, als Rovingband etc. ausgebildet sein.
Unter einer im Wesentlichen geodätischen Wicklung ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ein Aufwickeln der Faser auf den Kern derart zu verstehen, dass die Faser lokal stets entlang der zumindest näherungsweise kürzesten Verbindung zwischen zwei Punkten auf der Oberfläche des Kerns auf den Kern gewickelt wird.
Eine Abweichung von der exakt geodätischen Wicklung ist dabei von einer ”im Wesentlichen geodätischen Wicklung” vorzugsweise insoweit erfasst, als dass die Abweichung der Fadenwicklung von der exakt geodätischen Wicklung, beispielsweise aufgrund von Reibungseffekten der Faser auf dem Kern und/oder an anderen Fasern, nicht zu einem Abrutschen/Verrutschen der Faser von/auf dem Kern führt.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Differenz zwischen den anfänglichen Wickelwinkeln benachbarter Wickellagen zumindest näherungsweise konstant gewählt wird.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine Differenz zwischen den anfänglichen Wickelwinkeln benachbarter Wickellagen des Wickelprodukts mindestens ungefähr 1°, vorzugsweise mindestens ungefähr 2°, insbesondere mindestens ungefähr 5°, beträgt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass eine Differenz zwischen den anfänglichen Wickelwinkeln benachbarter Wickellagen höchstens ungefähr 20°, vorzugsweise höchstens ungefähr 15°, insbesondere höchstens ungefähr 10°, beträgt.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass eine Differenz zwischen den Wickelwinkeln benachbarter Wickellagen im Bereich der minimalen Quererstreckung des Kerns zumindest näherungsweise konstant gewählt wird.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Faser für mindestens zwei Wickellagen ausgehend von zumindest näherungsweise derselben axialen Position auf dem Kern auf den Kern aufgewickelt wird.
Alternativ hierzu können für benachbarte Wickellagen aber auch verschiedene axiale Positionen auf dem Kern für den Beginn des Wickelvorgangs zur Herstellung der jeweiligen Wickellage vorgesehen sein.
Die Faser wird vorzugsweise für mindestens zwei Wickellagen in derselben axialen Richtung auf den Kern aufgewickelt. Hierdurch kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Wickelprodukt mit einem gradierten Wickelwinkelaufbau unter Vermeidung von Kreuzwicklungen hergestellt werden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der Kern zumindest näherungsweise rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse des Kerns ausgebildet ist. Auf diese Weise kann ein besonders stabiles Wickelprodukt hergestellt werden.
Vorzugsweise ist das Verhältnis zwischen einer maximalen Quererstreckung, beispielsweise einem maximalen Durchmesser, des Kerns senkrecht zur Längsachse des Kerns und einer minimalen Quererstreckung, beispielsweise einem minimalen Durchmesser, des Kerns senkrecht zur Längsachse des Kerns mindestens ungefähr 3. Ferner kann vorgesehen sein, dass dieses Verhältnis mindestens ungefähr 5, insbesondere ungefähr 10, ist.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass für mindestens zwei Wickellagen dieselbe Faser oder dieselbe Faserart verwendet wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass für mindestens zwei Wickellagen eine oder mehrere Fasern verwendet werden, welche hinsichtlich ihrer Dicke, ihrer Filamentanzahl und/oder der Art und/oder Menge der Imprägnierung im Wesentlichen identisch sind.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass für mindestens zwei Wickellagen unterschiedliche Fasern oder unterschiedliche Faserarten verwendet werden.
Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass sich die Fasern für mindestens zwei Wickellagen hinsichtlich ihrer Dicke, ihrer Filamentanzahl und/oder der Art und/oder Menge der Imprägnierung voneinander unterscheiden.
Insbesondere dann, wenn für mindestens zwei Wickellagen unterschiedliche Fasern vorgesehen sind, kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass kein gradierter Wickelwinkelaufbau erfolgt, sondern dass ein gradierter Wickelproduktaufbau durch die Verwendung unterschiedlicher Fasern oder unterschiedlicher Faserarten erfolgt. Auch auf diese Weise kann ein besonders stabiles Wickelprodukt hergestellt werden.
Günstig kann es sein, wenn die Faser Kohlenstoff umfasst oder aus Kohlenstoff gebildet ist. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Faser eine Carbidfaser, beispielsweise eine SiC-Faser, ist.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Faser in einem Nasswickelverfahren auf den Kern aufgewickelt wird. Bei einem solchen Nasswickelverfahren kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Faser vor dem Aufwickeln desselben auf den Kern mit einer Imprägnierung versehen wird.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Wickellagen einem Pyrolyseverfahren unterzogen werden. Der Kern kann vorzugsweise während oder nach dem Pyrolyseverfahren von dem Wickelprodukt entfernt werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Wickellagen einem Flüssigsilizierverfahren unterzogen werden. Ein solches Flüssigsilizierverfahren wird vorzugsweise nach der Durchführung eines Pyrolyseverfahrens durchgeführt.
Vorzugsweise ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein carbidkeramisches Wickelprodukt oder ein Vorkörper für ein carbidkeramisches Wickelprodukt herstellbar.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Wickelprodukt bereitzustellen, welches besonders stabil ausgebildet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Wickelprodukt einen gradierten Wickelwinkelaufbau aufweist, beispielsweise mehrere in einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Wickellagen umfasst.
Das erfindungsgemäße Wickelprodukt weist vorzugsweise die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Bei einer Ausgestaltung des Wickelprodukts kann vorgesehen sein, dass mindestens zwei Wickellagen unterschiedliche Keramikgehalte aufweisen. Auf diese Weise ist ein vorteilhafter gradierter Aufbau des Wickelprodukts gegeben.
Günstig kann es sein, wenn an einer Innenseite des Wickelprodukts und/oder an einer Außenseite des Wickelprodukts und/oder zwischen zwei Wickellagen des Wickelprodukts eine Zusatzschicht vorgesehen ist. Auf diese Weise kann insbesondere die mechanische und/oder chemische Belastbarkeit des Wickelprodukts gezielt beeinflusst werden.
Unter einer Innenseite des Wickelprodukts ist dabei die im Herstellungsverfahren dem Kern zugewandte Seite des Wickelprodukts zu verstehen.
Die Außenseite des Wickelprodukts ist entsprechend die beim Herstellungsverfahren des Wickelprodukts dem Kern abgewandte Seite des Wickelprodukts.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Zusatzschicht eine Schutzschicht ist, welche insbesondere erosionsstabiler als das Material der Wickellagen vor und/oder nach einer Silizierung derselben ist. Auf diese Weise kann ein chemischer Schutz des Wickelprodukts erzielt werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Zusatzschicht als Deckschicht ausgebildet ist, welche eine erhöhte thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit aufweist. Auch dies kann dem zusätzlichen Schutz des Wickelprodukts dienen.
Mittels einer Zusatzschicht können insbesondere die faserkeramischen Schichten des Wickelprodukts geschützt werden.
Das erfindungsgemäße Wickelprodukt kann vorzugsweise für Flugkörper, Raumfahrtstrukturen und/oder Raketentriebswerkteile verwendet werden.
Vorteilhaft ist es insbesondere, wenn das Wickelprodukt als Düse und/oder als Bestandteil einer Brennkammer eines Triebwerks ausgebildet ist. Auf diese Weise kann eine mechanisch und thermisch besonders stabile Düse bzw. ein mechanisch und/oder thermisch besonders stabiler Bestandteil (Bauteil) einer Brennkammer eines Triebwerks gebildet werden.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Wickelprodukt als Schubdüse und/oder als Brennkammerwandung eines Raketentriebwerks ausgebildet ist.
Ferner kann das Wickelprodukt für jegliche Art von Düsen, Fluggasturbinenteile, Kraftwerksteile (im Kesselbereich), für die Energietechnik (insbesondere für Brennerrohre) oder Auskleidungen hiervon verwendet werden.
Ferner können das erfindungsgemäße Verfahren und/oder das erfindungsgemäße Wickelprodukt die nachfolgend beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen.
Durch einen gradierten Aufbau der Wickellagen des Wickelprodukts können insbesondere Delaminationsrisse vermieden werden, da sich benachbarte Wickellagen beim Herstellen des Wickelprodukts zumindest näherungsweise ähnlich verhalten, insbesondere in ähnlicher Weise zusammenziehen, wenn das Wickelprodukt einem Pyrolyseverfahren und/oder einem Flüssigsilizierverfahren unterzogen wird.
Grundsätzlich kann der Kern auch quaderförmig ausgebildet sein, wenn das herzustellende Wickelprodukt ebenfalls eine Quaderform aufweisen soll.
Insbesondere dann, wenn das Wickelprodukt einen gradierten Wickelwinkelaufbau aufweist, kann verhindert werden, dass sich im Bereich der minimalen Quererstreckung des Kerns stets an derselben Stelle Löcher in den gewickelten Lagen ergeben. Das erfindungsgemäß herzustellende Wickelprodukt kann somit besonders einfach fluiddicht ausgebildet werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Wickelvorrichtung zum Herstellen eines Wickelprodukts;
2 eine schematische Seitenansicht eines Kerns einer Wickelvorrichtung, mit parallel ausgerichteten Fasern benachbarter Wickellagen;
3 eine der 2 entsprechende Darstellung eines Kerns einer Wickelvorrichtung, mit Wickellagen, welche kreuzförmig auf den Kern aufgewickelt wurden;
4 eine schematische perspektivische Darstellung der Faserrichtung der Wickellagen aus 3;
5 eine schematische Draufsicht auf die Faserrichtungen von zwei der Wickellagen aus 4;
6 eine der 4 entsprechende schematische Darstellung von Wickellagen mit gradiertem Wickelwinkelaufbau;
7 eine der 5 entsprechende schematische Draufsicht auf die Faserrichtungen von zwei der Wickellagen aus 6;
8 eine den 2 und 3 entsprechende schematische Seitenansicht einer alternativen Ausgestaltung eines Kerns einer Wickelvorrichtung, welcher einen senkrecht zu einer Längsachse des Kerns genommenen längs der Längsachse variierenden Querschnitt aufweist; und
9 eine der 8 entsprechende Darstellung des Kerns aus 8, mit drei darauf aufgewickelten Wickellagen.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in 1 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete Wickelvorrichtung umfasst eine Faserquelle 102, eine Ziehvorrichtung 104, eine Imprägniervorrichtung 106 und einen Kern 108.
Die Faserquelle 102 der Wickelvorrichtung 100 umfasst ein beispielsweise als Filamentgarn oder als Faserbündel ausgebildetes Faservorprodukt 110, welches von der Faserquelle 102 abwickelbar ist, um es dem Kern 108 zuzuführen.
Die Ziehvorrichtung 104 dient dazu, das von der Faserquelle 102 abgewickelte Faservorprodukt 110 auf dem Weg bis zum Kern 108 straff zu ziehen.
Die Imprägniervorrichtung 106 umfasst mehrere Umlenkrollen 112 für das Faservorprodukt 110 und ein Bad 114, in welchem ein Imprägnierfluid 116 angeordnet ist.
Das Faservorprodukt 110 kann mittels der Umlenkrollen 112 der Imprägniervorrichtung 106 so durch die Imprägniervorrichtung 106 geleitet werden, dass das Faservorprodukt 110 mit Imprägnierfluid 116 versehen und dadurch imprägniert wird. Das Faservorprodukt 110 verlässt die Imprägniervorrichtung 106 der Wickelvorrichtung 100 somit als imprägnierte Faser 118. Diese Faser 118 wird dann auf den Kern 108 aufgewickelt.
Der Kern 108 ist hierzu drehbar um seine Längsachse 120 gelagert, so dass durch eine Drehung des Kerns 108 die Faser 118 auf eine äußere Oberfläche des Kerns 108 aufgewickelt werden kann.
Mittels der Wickelvorrichtung 100 kann eine Vielzahl von (noch zu beschreibenden) Wickellagen auf den Kern 108 aufgewickelt werden, wodurch sich ein Wickelprodukt 122 oder zumindest ein Vorkörper für ein Wickelprodukt 122 herstellen lässt.
Mittels einer (nicht dargestellten) Bewegungsvorrichtung kann der Kern 108 entlang seiner Längsachse 120 bewegt werden, so dass die Faser 118 entlang eines vorgegebenen Pfades gezielt auf den Kern 108 aufgewickelt werden kann.
In 2 ist ein zylindrischer Kern 108 dargestellt, auf welchem drei Wickellagen 124 aufgewickelt sind. Der Kern 108 weist bei der in 2 dargestellten Ausführungsform des Kerns 108 einen konstanten Durchmesser D auf, so dass sich ein anfänglicher Wickelwinkel α₁ einer ersten Wickellage 124a bei einer geodätischen Wicklung, bei welcher die Faser 118 lokal stets entlang der kürzesten Verbindung zwischen zwei Punkten auf der Oberfläche des Kerns 108 auf den Kern aufgewickelt wird, im Verlauf des Wickelvorgangs nicht ändert.
Dies wird insbesondere dadurch erzielt, dass der Kern 108 beim Wickelvorgang entgegen einer axialen Richtung 126 bewegt wird, so dass die Faser 118 eine entlang der axialen Richtung 126 des Kerns 108 verlaufende Richtungskomponente aufweist.
Bei der in 2 dargestellten Wicklungsart kann die Faser 118 beispielsweise so verlegt werden, dass nach einem Umlauf um den Kern 108 der Kern 108 um die Breite der Faser 118 entgegen der axialen Richtung 126 bewegt wurde. Bei einer solchen sogenannten Gürtelwicklung werden dichte Wickellagen 124 erzielt.
Bei der in 2 dargestellten schematischen Abbildung des Kerns 108 mit mehreren Wickellagen 124 ist der Wickelwinkel α₁ jedoch vergrößert dargestellt, um die Wicklung besser zu veranschaulichen.
Eine zweite Wickellage 124b und eine darauf folgende dritte Wickellage 124c werden bei der in 2 dargestellten Ausführungsform mit demselben anfänglichen Wickelwinkel α₁ auf den Kern 108 aufgewickelt wie die erste Wickellage 124a.
In 3 ist derselbe Kern 108 wie in 2 dargestellt. Jedoch wurde der in 3 dargestellte Kern 108 mit einer Kreuzwicklung versehen. Die Wickellagen 124 werden bei einer solchen Kreuzwicklung beispielsweise durch unterschiedliche Rotationsrichtungen des Kerns 108 gegenläufig auf den Kern 108 aufgewickelt, so dass ein Wickelwinkel α₁ der ersten Wickellage 124a zwar betragsmäßig dem Wickelwinkel α₁ der zweiten Wickellage 124b entspricht, diese beiden Wickellagen 124a, 124b jedoch nicht parallel zueinander verlaufende Fasern 118, sondern gekreuzte Fasern 118 aufweisen. Die Fasern 118 der Wickellagen 124a, 124b schließen somit einen Winkel β = 2α₁ ein.
In den 4 und 5 ist der Schichtaufbau eines mit einer Kreuzwicklung hergestellten Wickelprodukts 122 veranschaulicht. Wie 4 zu entnehmen ist, verlaufen die Fasern dabei alternierend in unterschiedliche Richtungen.
Insbesondere dann, wenn das auf den Kern 108 gewickelte Wickelprodukt 122 in weiteren Verfahrensschritten behandelt werden soll, insbesondere einem Pyrolyseverfahren und einem Flüssigsilizierverfahren unterzogen werden soll, kann diese Ausrichtung der Fasern 118 der unterschiedlichen Wickellagen 124 problematisch werden.
Wie insbesondere 5 zu entnehmen ist, ergibt sich durch die unterschiedliche Ausrichtung der Fasern 118 bei Verfahren, welche auf die Schrumpfung der Wickellagen 124 Einfluss haben, insbesondere bei Pyrolyseverfahren und Flüssigsilizierverfahren, eine Längenänderung der Wickellagen 124, was zu Spannungen zwischen den Wickellagen 124 führen kann.
Durch den großen Winkel β, welcher von den Fasern 118 der benachbarten Wickellagen 124 eingeschlossen wird, ergeben sich zwischen benachbarten Wickellagen 124 stark unterschiedlich gerichtete Ausdehnungsänderungen, was zu einer Delamination dieser Wickellagen 124 des Wickelprodukts 122 führen kann.
In den 6 und 7 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher diese Auswirkungen durch geeignete Wahl der Wickelwinkel α₁ des Wickelprodukts 122 minimiert sind.
So ist den 6 und 7 insbesondere zu entnehmen, dass durch die Wahl von geringen Differenzen zwischen den Wickelwinkeln α₁ benachbarter Wickellagen 124 eine ähnlich gerichtete Ausdehnungsänderung bei entsprechenden Herstellungsverfahren des Wickelprodukts erzielt werden kann.
Insbesondere 7 verdeutlicht, dass der Winkel β zwischen den Fasern 118 von benachbarten Wickellagen 124 besonders gering ausfällt und somit geringe Kräfte zwischen benachbarten Wickellagen 124 bei der Verformung der Fasern 118 im Herstellungsprozess des Wickelprodukts 122 auftreten.
Die 8 und 9 zeigen eine alternative Ausgestaltung eines Kerns 108 einer Wickelvorrichtung 100, welcher einen senkrecht zu seiner Längsachse 120 genommenen längs der Längsachse 120 variierenden Querschnitt aufweist.
Der Kern 108 ist um seine Längsachse 120 rotationssymmetrisch ausgebildet und weist einen größten Durchmesser D₁ an einem in den 8 und 9 links dargestellten ersten Ende 128 des Kerns 108 auf.
An einem dem ersten Ende 128 gegenüberliegenden zweiten Ende 130 weist der Kern 108 einen kleinsten Durchmesser D₂ auf, welcher beispielsweise ungefähr einem Viertel bis einem Fünftel des Durchmessers D₁ entspricht.
Der in den 8 und 9 dargestellte Kern 108 umfasst dabei einen Übergangsabschnitt 132, welcher an dem ersten Ende 128 des Kerns 108 beginnt und dessen Querschnitt, das heißt Durchmesser, sich in Richtung des zweiten Endes 130 des Kerns 108 verjüngt.
Im Bereich des zweiten Endes 130 des Kerns 108 geht der Übergangsabschnitt 132 in einen Endabschnitt 134 über, in welchem der Kern 108 einen konstanten Durchmesser, nämlich den Durchmesser D₂, aufweist.
Wie 8 zu entnehmen ist, führt die Ausgestaltung des Kerns 108 bei geodätischer Wicklung dazu, dass sich der Wickelwinkel α in der axialen Richtung 126 verändert. Dies liegt daran, dass der Verlauf des Wickelwinkels α bei geodätischer Wicklung von dem Verlauf des Durchmessers D des Kerns 108 abhängt und sich somit ändert, wenn sich der Durchmesser D im Verlauf des Wickelns entlang der axialen Richtung 126 ändert.
So ändert sich der in 8 dargestellte anfängliche Wickelwinkel α₁ von ungefähr 40° im Bereich des ersten Endes 128 des Kerns 108 im Verlauf der Wicklung nach und nach bis hin zu einem maximalen Wickelwinkel α₃ im Bereich des Endabschnitts 134 des Kerns 108. In diesem Bereich des Endabschnitts 134 des Kerns 108 beträgt der maximale Wickelwinkel α₃ dann beispielsweise ungefähr 80°.
Aufgrund des konstanten Durchmessers D₂ im Bereich des Endabschnitts 134 des Kerns 108 ändert sich der maximale Wickelwinkel α₃ im Bereich des Endabschnitts 134 nicht mehr.
Ein Vergleich zwischen dem anfänglichen Wickelwinkel α₁ und dem maximalen Wickelwinkel α₃ zeigt, dass der Wickelwinkel bei kleiner werdendem Durchmesser im Verlauf der Wicklung längs der Längsachse 120 des Kerns 108 größer wird.
Der anfängliche Wickelwinkel α₁ muss folglich so gewählt werden, dass im Bereich des kleinsten Durchmessers D₂ ein Wickelwinkel von kleiner als 90°, und insbesondere ein gewünschter maximaler Wickelwinkel α₃ erzielt werden. Ansonsten würde sich bei fortgesetzt geodätischer Wicklung mit Wickelwinkeln größer als 90° die Bewegungsrichtung längs der Längsachse 120 umkehren, so dass die Faser 118 in Richtung des ersten Endes 128 des Kerns 108 weiter auf den Kern 108 aufgewickelt wird.
Ein besonders stabiler Aufbau des Wickelprodukts 122 ergibt sich insbesondere dann, wenn die aufeinander gewickelten Wickellagen 124 voneinander leicht abweichende Wickelwinkel α₁, α₁', α₁'' etc. aufweisen (siehe 9).
Durch die Wahl unterschiedlicher anfänglicher Wickelwinkel α₁, welche für weitere Wickellagen 124, vorzugsweise kontinuierlich, kleiner gewählt werden, ergibt sich somit ein anderer Verlauf der Wicklung auf dem Kern 108. Insbesondere kann auf diese Weise eine den 6 und 7 entsprechende Wicklung auf dem Kern 108 realisiert werden, so dass bei der Durchführung weiterer Verfahrensschritte zur Herstellung des Wickelprodukts 122 die hierdurch verursachte Ausdehnungsänderung der Fasern 118 der Wickellagen 124 zu möglichst geringen Spannungen zwischen den Wickellagen 124 des Wickelprodukts 122 führt.
Die vorstehend beschriebene Wickelvorrichtung 100 mit dem in den 8 und 9 dargestellten Kern 108 wird zur Herstellung eines Wickelprodukts 122 wie folgt verwendet:
Ein Faservorprodukt 110, beispielsweise eine Kohlenstofffaser, wird mit einem Imprägnierfluid 116, beispielsweise einem Harz, imprägniert und als imprägnierte Faser 118 auf den Kern 108 aufgewickelt.
Die Wicklung erfolgt dabei in mehreren Wickellagen 124, wobei ein anfänglicher Wickelwinkel α₁ für die erste Wickellage 124a derart gewählt wird, dass bei geodätischer Wicklung im Bereich der minimalen Quererstreckung (minimaler Durchmesser D₂) des Kerns 108 ein gewünschter maximaler Wickelwinkel α₃ (kleiner 90°) auftritt.
Für weitere Wickellagen 124 wird der anfängliche Wickelwinkel α₁ etwas kleiner gewählt, so dass die Fasern 118 von benachbarten Wickellagen 124 im Bereich des ersten Endes 128 des Kerns 108 einen sehr kleinen Winkel β einschließen.
Nach dem Aufbringen von mehreren Wickellagen 124 auf den Kern 108 wird das aus den mehreren Wickellagen 124 bestehende Wickelprodukt 122 von dem Kern 108 getrennt. Das Wickelprodukt 122 muss hierzu eine ausreichende Festigkeit aufweisen, so dass die Entfernung des Kerns 108 nicht zur Zerstörung des Wickelprodukts 122 führt.
Diese ausreichende Festigkeit des Wickelprodukts 122 kann beispielsweise durch Aushärten des Imprägnierfluids 116 in der imprägnierten Faser 118 gewährleistet werden.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann ein weiterer Bearbeitungsschritt des Wickelprodukts 122, beispielsweise ein Pyrolysevorgang oder ein Flüssigsiliziervorgang, durchgeführt werden.
Nachdem der Kern 108 entfernt wurde, kann das Wickelprodukt 122 insbesondere zu einem carbidkeramischen Wickelprodukt 122 weiterverarbeitet werden.
Dies erfolgt vorzugsweise mittels eines Flüssigsilizierverfahrens, bei welchem die vorzugsweise kohlenstoffhaltigen Fasern 118 mit dem Silizium reagieren und Siliziumcarbid (SiC) bilden. Insbesondere bei diesem Bearbeitungsvorgang erfolgt eine Ausdehnungsänderung der Fasern 118 des Wickelprodukts 122, so dass sich Spannungen zwischen benachbarten Wickellagen 124 in dem Wickelprodukt 122 aufbauen.
Diese Spannungen können dazu führen, dass sich benachbarte Wickellagen 124 voneinander ablösen, das heißt, dass das Wickelprodukt 122 delaminiert. Durch eine solche Delamination können Risse in dem Wickelprodukt 122 entstehen, welche insbesondere die mechanische Festigkeit des Wickelprodukts 122 stark beeinträchtigen können.
Durch die Verwendung von variierenden, nämlich gradierten, Wickelwinkeln α₁ für die Wickellagen 124 des Wickelprodukts 122 können diese Spannungen in dem Wickelprodukt 122 minimiert werden, so dass eine Delamination verhindert werden kann.
Zur zusätzlichen Verstärkung des Wickelprodukts 122 und/oder zum Schutz der Wickellagen 124 vor, insbesondere chemischer, Erosion kann ferner vorgesehen sein, dass eine Innenseite 136 des Wickelprodukts 122, welche beim Wickeln mittels der Wickelvorrichtung 100 dem Kern 108 zugewandt ist, und/oder eine Außenseite 138 des Wickelprodukts 122, welche beim Wickeln des Wickelprodukts 122 mittels der Wickelvorrichtung 100 dem Kern 108 abgewandt angeordnet ist, mit einer Zusatzschicht 140 versehen ist.
Diese Zusatzschicht 140 kann beispielsweise auch die thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit des Wickelprodukts 122 beeinflussen.
Mittels des in den 8 und 9 dargestellten Kerns 108 kann insbesondere ein als Düse 142 ausgebildetes Wickelprodukt 122 hergestellt werden, welches insbesondere als Schubdüse für ein (nicht dargestelltes) Raketentriebwerk dienen kann.
Durch geeignete Wahl des Kerns 108 kann jedoch auch eine Vielzahl anderer Geometrien für Wickelprodukte 122 realisiert werden.
Bezugszeichenliste

100: Wickelvorrichtung
102: Faserquelle
104: Ziehvorrichtung
106: Imprägniervorrichtung
108: Kern
110: Faservorprodukt
112: Umlenkrollen
114: Bad
116: Imprägnierfluid
118: imprägnierte Faser
120: Längsachse
122: Wickelprodukt
124: Wickellage
124a: 1. Wickellage
124b: 2. Wickellage
124c: 3. Wickellage
124d: 4. Wickellage
126: axiale Richtung
128: erstes Ende
130: zweites Ende
132: Übergangsabschnitt
134: Endabschnitt
136: Innenseite des Wickelprodukts
138: Außenseite des Wickelprodukts
140: Zusatzschicht
142: Düse
α₁: anfänglicher Wickelwinkel
α₂: Wickelwinkel
α₃: maximaler Wickelwinkel
β: Winkel
D: Durchmesser
D₁: größter Durchmesser
D₂: kleinster Durchmesser

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Wickelprodukts (122) auf einem Kern (108), welcher einen senkrecht zu einer Längsachse (120) des Kerns (108) genommenen längs der Längsachse (120) variierenden Querschnitt aufweist, umfassend: – Aufwickeln einer ersten Wickellage (124a) einer Faser (118) auf den Kern (108), wobei ein anfänglicher Wickelwinkel (α₁) für die erste Wickellage (124a) derart gewählt wird, dass bei im Wesentlichen geodätischer Wicklung im Bereich einer minimalen Quererstreckung (D₂) des Kerns (108) ein gewünschter maximaler Wickelwinkel (α₃) auftritt; – Aufwickeln mindestens zweier weiterer Wickellagen (124b, 124c) der Faser (118) auf die erste Wickellage (124a) der Faser (118), wobei der anfängliche Wickelwinkel (α₁) für mindestens zwei der weiteren Wickellagen (124b, 124c) kleiner als für die jeweils vorhergehende Wickellage (124a, 124b) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenz (β) zwischen den anfänglichen Wickelwinkeln (α₁) benachbarter Wickellagen (124) zumindest näherungsweise konstant gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (118) für mindestens zwei Wickellagen (124) ausgehend von zumindest näherungsweise derselben axialen Position auf dem Kern (108) auf den Kern (108) aufgewickelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser für mindestens zwei Wickellagen (124) in derselben axialen Richtung (126) auf den Kern (108) aufgewickelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (108) zumindest näherungsweise rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse des Kerns (108) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens zwei Wickellagen (124) dieselbe Faser (118) oder dieselbe Faserart verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens zwei Wickellagen (124) unterschiedliche Fasern (118) oder unterschiedliche Faserarten verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (118) Kohlenstoff umfasst oder aus Kohlenstoff gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (118) in einem Nasswickelverfahren auf den Kern (108) aufgewickelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickellagen (124) einem Pyrolyseverfahren unterzogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickellagen (124) einem Flüssigsilizierverfahren unterzogen werden.
Wickelprodukt (122) umfassend mehrere in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellte Wickellagen (124).
Wickelprodukt (122) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Wickellagen (124) unterschiedliche Keramikgehalte aufweisen.
Wickelprodukt (122) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Innenseite (136) des Wickelprodukts (122) und/oder an einer Außenseite (138) des Wickelprodukts (122) und/oder zwischen zwei Wickellagen (124) des Wickelprodukts (122) mindestens eine Zusatzschicht (140) vorgesehen ist.
Wickelprodukt (122) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Wickelprodukt (122) als Düse (142) und/oder als Bestandteil einer Brennkammer eines Triebwerks ausgebildet ist.