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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung textiler Halbzeuge mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein textiles Halbzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 21.
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In vielen Bereichen der Technik, insbesondere aber im Flugzeug- und Triebwerksbau, werden textile Halbzeuge, vor allem in Verbundbauweise, verwendet. Mit textilen Halbzeugen können leichte und mechanisch hoch belastbare textile Strukturen geschaffen werden. Auf Grund der unterschiedlichen Komponenten ist die Herstellung solcher textilen Strukturen aufwändig. Die
EP 2 444 633 A2 und die
EP 2 730 743 A2 betreffen textile Strukturen in Verbindung mit einem Bauteil für eine Gasturbine bzw. ein Flugzeugtriebwerk. Aus der
EP 2 730 395 A1 ist das Umwickeln eines Substrates mit Kohlenstofffaserbändern unter Verwendung von Füllstäbchen bekannt. Die
DE 10 2014 208 923 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verbindung eines Triebwerk-Gehäuselementes aus Faserverbundmaterial mit einem metallischen Anschlusselement, wobei die Fasern dabei geflochten werden.
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Es besteht daher die Notwendigkeit, Verfahren zu entwickeln, mit denen sich textile Halbzeuge effizient herstellen lassen.
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Das Verfahren nach Anspruch 1 löst diese Aufgabe.
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Dabei wird zur Herstellung eines textilen Halbzeugs zunächst ein Bindemittel auf ein Garn aufgebracht, wobei das Aufbringen in Richtung der Längsachse des Garns erfolgt und sich das Bindemittel mit dem Garn zu einem vorimprägnierten Garn verbindet.
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Sofort oder später erfolgt dann ein Aufbringen des vorimprägnierten Garns auf ein Substrat. Das vorimprägnierte Garn dient der Versteifung des Substrates, insbesondere der lokalen Versteifung. Mithilfe des Bindemittels kann in effizienter Weise ein Garn auf einem Substrat fixiert werden. Somit kann das Aufbringen auch als eine Art des Aufklebens oder Anhaftens verstanden werden. Durch das Aufbringen ist ein Flechten oder Aufwickeln nicht zwingend notwendig, was Kosten einspart.
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Eine besonders effiziente Aufbringung ergibt sich, wenn das Substrat zylindrisch ausgebildet ist und insbesondere einen ringförmigen, kreisförmigen oder polygonalen Querschnitt aufweist oder konisch geformt ist. Bei einem ringförmigen Querschnitt liegt das Substrat als eine Art Rohr vor, auf die das Garn aufgebracht wird. Bei einem kreisförmigen oder polygonalen Querschnitt kann das Substrat als Vollmaterial oder Hohlmaterial ausgebildet sein. Das Garn lässt sich auf im Wesentlichen längliche Substrate gut aufbringen.
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Es ist aber auch möglich, dass das Substrat ein textiles Flächengebilde ist, ein textiles Flächengebilde aufweist und / oder eine Kompositstruktur ist und / oder eine Kompositstruktur aufweist.
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Das Aufbringen des Bindemittels auf das Garn erfolgt in einer Ausführungsform mittels einer Aufbringvorrichtung, insbesondere unter einer thermischen Behandlung. Die Aufbringvorrichtung kann z.B. ein flächiges Gebilde sein, insbesondere auch einen mit Bindemittel beschichteten Streifen aufweisen.
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In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Aufbringen des imprägnierten Garns mithilfe einer Verbindungsvorrichtung, die insbesondere eine Relativbewegung zu dem vorimprägnierten Garn und / oder dem Substrat ausführt. Dabei kann die Verbindungsvorrichtung insbesondere eine Heizvorrichtung (insbesondere für thermoplastische Bindemittel), eine Schneidvorrichtung und / oder eine Andruckvorrichtung, insbesondere in Form eines Gleitschuhs, aufweisen. Durch die Heizvorrichtung kann eine thermische Behandlung beim Aufbringen des imprägnierten Garns durchgeführt werden. Wenn ein Aufbringen beendet ist, kann durch die Schneidvorrichtung das imprägnierte Garn abgeschnitten werden. Durch die Verwendung der Verbindungsvorrichtung können z.B. mehrere imprägnierte Garne präzise (z.B. lückenlos) zueinander ausgerichtet auf das Substrat aufgebracht werden.
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Auch kann in einer Ausführungsform das Aufbringen des imprägnierten Garns in einem Winkel zwischen 0° und weniger als 90° zur Längserstreckung zum Substrat erfolgen. Damit können komplexe Verflechtungen auf dem Substrat realisiert werden.
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Damit die Verbindungsvorrichtung genau eine Relativbewegung zum Substrat und / oder zum imprägnierten Garn ausführen kann, dient in einer Ausführungsform das Substrat als Führungsmittel für die Bewegung der Verbindungsvorrichtung. Damit kann auf einfache Weise eine spurgenaue Führung der Verbindungsvorrichtung gewährleistet werden.
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Da die Verbindung des Bindemittels mit dem Substrat temperaturabhängig erfolgt, erfolgt in einer Ausführungsform das Aufbringen des Bindemittels auf das Garn unter einer thermischen Behandlung, insbesondere bei Temperaturen von 115 bis 145°C, insbesondere zwischen 125 und 135 °C.
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Ferner kann die Temperatur des Garns beim Aufbringen des Bindemittels unter der Temperatur liegen, die beim Aufbringen des Bindemittels herrscht. Die Garntemperatur kann insbesondere zwischen 90 °C und 110 °C, insbesondere bei 100 °C liegen.
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In einer zusätzlichen oder alternativen Ausführungsform erfolgt eine thermische Behandlung des vorimprägnierten Garns und des Substrats beim Aufbringen, insbesondere mit einer Temperatursteuerung in Abhängigkeit von der Form des Substrates, wobei insbesondere Temperaturen von 35°C bis 65°, insbesondere zwischen 45°C bis 55°C vorliegen. Wenn die Temperaturen beim Aufbringen an die Form des Substrates angepasst werden, so können z.B. spitze Bereiche eines Konus anders behandelt werden als flächige oder zylindrische Bereiche.
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Um eine gute Haftwirkung zu erzielen, ist das Bindemittel ein Harzsystem, insbesondere ein Epoxidharz, ein Bismaleimid oder ein Cyanester oder eine Thermoplastschmelze.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Garn eine Kohlenstofffaser und / oder eine Glasfaser auf oder besteht aus diesen Materialen.
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Für eine Zwischenlagerung des vorimprägnierten Garns kann dieses in einer Ausführungsform zu einer Rolle aufgerollt werden und von der Rolle auf das Substrat aufgebracht werden.
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Das vorimprägnierte Garn kann in einer Ausführungsform des Verfahrens stückweise auf das Substrat aufgebracht werden, insbesondere indem dieses vorimprägnierte Garnstück von einem Vorrat abgeschnitten wurde. Der Vorrat kann dabei z.B. eine Rolle sein, von der das vorimprägnierte Garn abgerollt wird. Durch das stückweise Aufbringen des vorimprägnierten Garns ist ein aufwändiges Aufwickeln auf das Substrat nicht notwendig. Das vorimprägnierte Garn wird aufgebracht und dann auf die passende Länge abgeschnitten. Dabei ist es auch möglich, dass das stückweise aufgebrachte Garn nicht gerade auf das Substrat aufgebracht wird, sondern z.B. der jeweiligen Kontur des Substrates angepasst.
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Dabei kann in einer Ausführungsform das Aufbringen des Bindemittels auf mehrere Garne gleichzeitig und / oder die Verbindung mit dem Substrat für mehrere vorimprägnierte Garne gleichzeitig erfolgen. So können insbesondere mehrere vorimprägnierte Garnstücke zusammen koordiniert auf das Substrat aufgetragen werden.
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Dabei kann in einer Ausführungsform das vorimprägnierte Garn wenigstens in einem Bereich eines Substrats beanspruchungsgerecht, insbesondere am Lastpfad des Substrates orientiert aufgebracht werden. Dies kann z.B. ein konturbetontes Aufbringen und / oder eine lokale Verstärkung bedeuten. Besonders beanspruchte Stellen, z.B. einer Welle, können verstärkt mit vorimprägniertem Garn oder Garnstücken versehen werden. So können z.B. auch vorimprägnierte Garnstücke gezielt um Kerbstellen angeordnet werden.
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Dabei kann das textile Halbzeug Teil einer Turbomaschine, insbesondere eines Flugzeugtriebwerkes, sein. In diesen Anwendungsgebieten werden Kompositstrukturen umfangreich verwendet, so dass eine Herstellung solcher Strukturen mithilfe einer der Ausführungsformen des Verfahrens effizient ist. Insbesondere ist das textile Halbzeug Teil eines Bypass-Ducts, eines Druckbehälters, eines Nose-Cones (d.h. dem Bug-Konus am Einlauf eines Flugzeugtriebwerkes), einer Nacelle (d.h. einer Triebwerksgondel), Teil eines Verbindungselementes mit einem metallischen Anschlusselement oder einer Welle eines Flugzeugtriebwerks. Ein Beispiel für eine Welle ist die Antriebswelle, insbesondere die Radialwelle für ein Gasturbinentriebwerk, die einen metallischen, hohlen Wellenschaft und mit an dessen Enden angeformten Lasteinleitungselementen hat.
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Die Aufgabe wird auch durch ein textiles Halbzeug, insbesondere für einen Teil einer Turbomaschine, gelöst, die mit einem solchen Verfahren hergestellt werden. Dabei ist es insbesondere sinnvoll, die Strukturen für ein Flugzeugtriebwerk so herzustellen.
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Ausführungsformen der Erfindung werden beispielhaft in den Figuren beschrieben. Dabei zeigt
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1a in einer perspektivischen Ansicht einen ersten Schritt einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines vorimprägnierten Garns;
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1b einen zweiten Schritt der Ausführungsform des Verfahrens mit der Aufbringung des vorimprägnierten Garns auf ein Substrat mit einem runden Querschnitt;
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1c einen zweiten Schritt einer Ausführungsform des Verfahrens mit der Aufbringung des vorimprägnierten Garns auf ein flächiges Substrat;
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1d eine schematische Darstellung einer Ausführungsform mit einer Verbindungvorrichtung für ein imprägniertes Garn;
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2 eine weitere Ausführungsform, bei der mehrere vorimprägnierte Garne parallel auf ein Substrat aufgebracht werden;
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3 eine Ausführungsform des zweiten Verfahrensschrittes, bei der das Substrat als Führung für eine Verbindungsvorrichtung dient;
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4 eine Ausführungsform, bei der das vorimprägnierte Garn zur einer Rolle aufgerollt wird und von einer Rolle auf ein Substrat aufgebracht wird;
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5 eine Ausführungsform für das beanspruchungsgerechte Aufbringen von vorimprägniertem Garn.
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Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung eines textilen Halbzeugs dargestellt.
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Dabei wird in einem ersten Schritt – wie in 1a dargestellt – ein einzelnes Garn 10 mit einem Bindemittel 1 versehen.
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Das Garn 10 kann z.B. eine Kohlenstofffaser oder eine Glasfaser sein oder solche Materialien aufweisen. Das Bindemittel 1 kann ein Harzsystem, insbesondere ein Epoxidharz, sein.
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Auch kann das Bindemittel 1 an einer klebrigen Fläche als Aufbringvorrichtung 30 angeordnet sein. In der hier dargestellten Ausführungsform wird eine dünnwandige Aufbringvorrichtung 30 dazu verwendet, das Bindemittel 1 auf das Garn 10 aufzubringen. Die Aufbringvorrichtung 30 weist dazu ein Klebebandmaterial auf, mit dem sich das Bindemittel 1 mit dem Garn 10 verbinden kann, wenn die beiden in Kontakt kommen. In 1a befindet sich das Bindemittel 1 auf der Rückseite der Aufbringvorrichtung 30. Bei dem Kontakt mit dem Garn 10 geht das Bindemittel 1 von der Aufbringvorrichtung 30 auf das Garn 10 über, da auf Grund einer Wärmezufuhr Q ein adhäsiver Bindungseffekt eintritt.
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Das Aufbringen des Bindemittels auf das Garn 10 erfolgt in der dargestellten Ausführungsform unter einem Winkel von 0° (z.B. mit einer Toleranzabweichung von +/–2°) zur Längsachse G des Garns 10.
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Im Anschluss an das Aufbringen des Bindemittels 1 liegt ein Garn-Bindemittel-System vor, d.h. ein vorimprägniertes Garn 11.
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Sofort oder nach einiger Zeit wird das vorimprägnierte Garn 11 dann mit einem Substrat 20 verbunden. Das Aufbringen des vorimprägnierten Garns 11 auf das Substrat 20 ist in 1b dargestellt. Dabei wird das vorimprägnierte Garn 11 in der dargestellten Ausführungsform mittels einer Verbindungsvorrichtung 40 auf das Substrat 20 mit einem kreisförmigen Querschnitt gedrückt. Die Verbindungsvorrichtung 40 wird dabei relativ zum vorimprägnierten Garn 11 (in 1b durch einen Pfeil R angedeutet) bewegt.
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Die Verbindungsvorrichtung 40 weist hier eine gekrümmte Fläche als Andruckvorrichtung 43 in der Art eines Gleitschuhs auf, mit der das vorimprägnierte Garn 11 gegen das Substrat 20 gedrückt wird. Die Andruckvorrichtung 43 ist konvex zum vorimprägnierten Garn 11 ausgerichtet, was den Gleitschuheffekt bewirkt. Dabei besteht eine Relativbewegung – in 1b durch einen Pfeil R angedeutet – zwischen dem vorimprägnierten Garn 11 und der Verbindungsvorrichtung 40.
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Durch das Andrücken – und ggf. mit einer thermischen Behandlung – wird eine Verbindung des vorimprägnierten Garns 11 mit dem Substrat 20 bewirkt, so dass das vorimprägnierte Garn 11 auf dem Substrat 20 fixiert wird.
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Das so hergestellte textile Halbzeug, mit aufgebrachter Binderlage, kann zum einen die vollständig fertiggestellte Bauteilform sein, aber auch universal für strukturelle Schalenelemente, rotationsymmetrische Komponenten oder Aeroprofile verwendet werden.
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Das Substrat 20 ist in der hier dargestellten Ausführungsform eine Welle mit einem runden Querschnitt. Dies kann z.B. eine Antriebswelle, insbesondere Radialwelle, für ein Gasturbinentriebwerk sein, die einen metallischen, hohlen Wellenschaft mit an dessen Enden angeformten Lasteinleitungselementen umfasst. Der Wellenschaft ist dabei ein als Halbzeug vorgefertigtes und zur Übertragung von Torsionslasten ausgelegtes Metallrohr mit gleichbleibender Wandstärke. Zur Gewährleistung der erforderlichen Biegesteifigkeit an der Außen- und / oder Innenumfangsfläche des Metallrohres gehaltene Außen- oder Innenarmierung wird eine aus einer Faserverbundschicht aus vorimprägniertem Garn 11 in Längsrichtung der Antriebswelle orientierten Fasern aufgebraucht, wobei eine als Außenarmierung dienende innere Faserverbundschicht mit einer äußeren Faserverbundschicht z.B. im Winkel von 60 bis 90° zur Längsrichtung orientierten Fasern ummantelt ist. Die Welle oder das Rohr können dabei auch konische Anteile aufweisen.
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In anderen Ausführungsformen kann das Substrat 20 auch einen elliptischen oder polygonalen Querschnitt aufweisen. Auch kann das Substrat 20 konisch geformt sein.
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Auch ist es möglich, dass das Substrat 20 ein flaches Gebilde, wie ein textiles Flächengebilde, ist, wie dies in 1c dargestellt ist. Wie in der Ausführungsform gemäß 1b dient hier eine Verbindungsvorrichtung 40 dem Verbinden des vorimprägnierten Garns 11 mit dem Substrat 20.
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Alternativ ist es auch möglich, dass das vorimprägnierte Garn 11 auf eine Kompositstruktur als Substrat 20 aufgebracht wird.
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In den Ausführungsformen, die in den 1b und 1c dargestellt sind, weist das Verbindungsmittel 40 jeweils eine Heizvorrichtung 41 und eine Schneidvorrichtung 42 auf.
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Mit der Heizvorrichtung 41 kann lokal eine Erwärmung des vorimprägnierten Garns 11 und des Substrats 20 bewirkt werden, um ggf. die Verbindung der beiden zu verbessern. Die Temperaturführung kann dabei an die Kontur des Substrats 20 angepasst werden, so dass bestimmte Bereiche des Substrates 20 wärmer als andere behandelt werden.
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Mit der Schneidvorrichtung 42 kann das vorimprägnierte Garn 11 lokal in gewünschter Weise geschnitten werden, wenn z.B. der Verbindungsvorgang beendet ist. Dies ist in Zusammenhang mit der 1d dargestellt.
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In 1d ist ein Detail einer Verbindungsvorrichtung 40 dargestellt, nämlich eine Garnführungsvorrichtung 45 für das imprägnierte Garn 11. In den Ausführungsformen gemäß 1b und 1c ist das imprägnierte Garn 11 auf dem Substrat 20 abgelegt und es erfolgt eine Verbindung des imprägnierten Garns 11 auf dem Substrat 20 in situ. Es ist aber auch möglich, die Verbindungsvorrichtung 40 so auszubilden, dass das imprägnierte Garn 11 beim Aufbringen auf das Substrat 20 der Verbindungsvorrichtung 40 erst zugeführt wird. Hier erfolgt das Zubringen über eine hülsenartige Garnführungsvorrichtung 45 von oben. Die Verbindungsvorrichtung 40 bewegt sich relativ zum Substrat 20 in der Pfeilrichtung R. Dabei wird das zugeführte imprägnierte Garn 11 durch die Andruckvorrichtung 43 auf dem Substrat 20 fixiert.
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Die Schneidvorrichtung 42 weist hier eine Schneide auf, die sich in Pfeilrichtung S in etwa rechtwinklig zum vorimprägnierten Garn 11 bewegen kann, um das vorimprägnierte Garn 11 zu schneiden.
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Durch das Zuschneiden des vorimprägnierten Garns 11 kann das Garn 11 zielgerecht auf das Substrat 20 aufgebracht werden, ggf. auch der Kontur des Substrates 20 angepasst. Es ist nicht notwendig – aber durchaus möglich-, dass vorimprägnierte Garn 11 auf das Substrat 20 aufzubringen.
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In 2 ist eine Variante der Ausführungsform gemäß 1c schematisch dargestellt, bei der zeitgleich mehr als ein imprägniertes Garn 11 mit einer Aufbringvorrichtung 40 auf ein Substrat 20 aufgebacht wird. Die Abstände zwischen den Garnsträngen sind hier nur beispielhaft zu verstehen. In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform können auch mehrere vorimprägnierte Garne 11 auf ein Substrat 20 mit einer zylindrischen Form aufgebracht werden, wobei die vorimprägnierten Garne 11 um einen bestimmten Winkel gegenüber der Längsachse des Substrates 20 versetzt sind.
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In 3 ist eine weitere Ausführungsform – hier als Abwandlung der in 1b gezeigten Ausführungsform – dargestellt, bei der ein vorimprägniertes Garn 11 auf ein längliches, gerades Substrat 20 mit einem kreisförmigen Querschnitt aufgebracht wird. Das kreiszylindrische Substrat 20 dient dabei als Führung für die Verbindungsvorrichtung 40. Dazu greift das Substrat 20 in eine gerundete Nut als Führungsmittel 44 in der Verbindungsvorrichtung 40 ein. Generell kann das Führungsmittel 44 an die Form des Substrates 20 angepasst werden. Wenn z.B. ein Substrat 20 einen polyedrischen Querschnitt aufweist, weist das Führungsmittel 44 eine entsprechend angepasste polyedrische Kontur auf. In 4 ist die Nut als ein schalenartiges Führungsmittel 44 ausgebildet. In alternativen Ausführungsformen kann das Führungsmittel 44 als Öffnung in der Verbindungsvorrichtung 40 ausgebildet sein, wobei die Form der Öffnung an den Querschnitt des Substrates 20 angepasst ist.
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Die Verbindungsvorrichtung 40 kann zusätzlich noch eine Heizvorrichtung 41 und / oder eine Schneidvorrichtung 42 aufweisen.
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In der 4 ist eine Fortbildung der Ausführungsform des Verfahrens gemäß der 1a und 1b dargestellt, wobei auf die obige Beschreibung Bezug genommen werden kann.
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Nach dem ersten Verfahrensschritt wird dabei das vorimprägnierte Garn 11 auf eine Rolle 12 aufgerollt. Die Klebewirkung des Bindemittels 1 ist nicht so groß, als dass sich das vorimprägnierte Garn 11 nicht wieder von der Rolle 12 abwickeln ließe.
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Das Abwickeln ist im unteren Teil der 4 dargestellt. Das vorimprägnierte Garn 11 wird dann von der Rolle 12 auf das Substrat 20 aufgebracht und mit einer Verbindungsvorrichtung 40 auf dem Substrat 20 fixiert.
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In 5 ist schematisch und bespielhaft ein beanspruchungsgerechtes Aufbringen von vorimprägnierten Garnstücken 11 auf einem Substrat 20 dargestellt. Das Substrat 20 weist hier einen zylindrischen Teil auf, der einen Abschnitt 21 mit einem kleineren Durchmesser aufweist. Dieser Abschnitt 21 schwächt die Festigkeit des Substrates 20. Zur Verbesserung der Festigkeit sind hier vorimprägnierte Garnstücke 20 im Bereich des Schwächungsabschnitts 21 aufgebracht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind hier nur zwei einzelne vorimprägnierte Garnstücke 11 dargestellt. Die vorimprägnierten Garnstücke 11 (z.B. von einer Rolle abgeschnittene Stücke) können z.B. den gesamten Abschnitt 21 mehrlagig überdecken, wobei die Garnstücke 11 auch jeweils unter einem Winkel versetzt angeordnet werden können. Die Lagen der vorimprägnierten Garnstücke 11 können z.B. auch als eine Matte auf das Substrat 20 und den Abschnitt 21 aufgebracht werden und dann in Form gedrückt werden. Durch die Vorimprägnierung haften die Garnstücke 11 in-situ.
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Eine ähnlich beanspruchungsgerechte Anordnung des vorimprägnierten Garns 11 kann z.B. an scharfen Übergängen (Kerben) oder an Kraft- und / oder Momenteinleitungsstellen erfolgen. Dabei kann es besonders sinnvoll sein, wenn das vorimprägnierte Garn 11 entlang des Lastpfades angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bindemittel
- 10
- Garn
- 11
- vorimprägniertes Garn, vorimprägniertes Garnstück
- 12
- Rolle
- 20
- Substrat
- 21
- Abschnitt eine Schwächung des Substrats bewirkend
- 30
- Aufbringvorrichtung
- 40
- Verbindungsvorrichtung
- 41
- Heizvorrichtung
- 42
- Schneidvorrichtung
- 43
- Andruckvorrichtung, Gleitschuh
- 44
- Führungsmittel in Verbindungsvorrichtung
- 45
- Garnführungsvorrichtung
- G
- Längsachse des Garns
- Q
- Wärmefluss
- R
- Relativbewegung zwischen Verbindungsvorrichtung und Garn / Substrat
- S
- Schneidrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2444633 A2 [0002]
- EP 2730743 A2 [0002]
- EP 2730395 A1 [0002]
- DE 102014208923 A1 [0002]
