DE10334343A1

DE10334343A1 - Faserlage, Fasergelege und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE10334343A1
Application number: DE2003134343
Authority: DE
Inventors: Michael Schober; Siegfried Sikorski; Reinhold Schönacher
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2005-02-24

Abstract

Eine Faserlage, mit in eine Richtung verlaufenden Verstärkungsfasern (2), die über quer dazu verlaufende erste Fäden (3) verbunden sind, wobei in Richtung der Verstärkungsfasern (2) verlaufende, über die Faserlage (1) verteilte zweite Fäden (4) vorgesehen sind, und die ersten und zweiten Fäden (3, 4) wenigstens teilweise aus thermoplastischem Material bestehen, sowie ein Fasergelege und Verfahren zur Herstellung derselben (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Faserlage mit in eine Richtung verlaufenden Verstärkungsfasern, die über quer dazu verlaufende erste Fäden verbunden sind; ein Fasergelege umfassend mehrere Faserlagen, die jeweils mit einer definierten Kontur versehen sind, wobei die Faserlagen jeweils in eine Richtung verlaufende Verstärkungsfasern aufweisen, die über quer dazu verlaufende erste Fäden verbunden sind; und Verfahren zur Herstellung derselben.

Nach dem Stand der Technik werden Faserlagen im Allgemeinen vor dem Zuschneiden zur Stabilisierung mit Matrixharzpulver bestäubt, wobei dieses unter Einwirkung von Wärme eingewalzt wird. Weiterhin wird die Bildung eines Fasergeleges aus mehreren Faserlangen erleichtert, indem die Faserlagen in einer Vorform erwärmt und mit Druck verbunden werden.

In der EP 0193478 B1 wird eine textile Armierung zur Herstellung von Schichtstoffen offenbart. Diese bestehen aus einer Schicht längsverlaufender Fasern, die mit sehr dünnen, als Paare zusammengelegten Bindungsschussfäden verwoben sind. Die Bindungsschussfäden sind vom Kern-/Manteltyp. Die längsverlaufenden Fasern sind auf der Basis von Glas, Polyacrylamiden oder Kohle aufgebaut. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass beim Konturieren einer solchen Schicht die Fasern leicht ausfasern können.

Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem besteht darin, eine Faserlage und ein Fasergelege der eingangs beschriebenen Gattungen bereitzustellen, wobei das bzw. die Faserlagen insoweit verbessert sind, dass sie ohne ausfasern der Verstärkungsfasern konturiert oder zugeschnitten werden können. Beschädigte Faserlagen können nur schwer oder gar nicht weiter z.B. zu Fasergelegen oder Bauteilen verarbeitet werden. Die Verwendung solcher Faserlagen zur Herstellung von Bauteilen würde zur Verminderung der Bauteilfestigkeit führen. Des weiteren sollen Verfahren zur Herstellung derselben bereitgestellt werden.

Die Lösung des Problems ist im Hinblick auf die Faserlage erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung der Verstärkungsfasern verlaufende, über die Faserlänge verteilte zweite Fäden vorgesehen sind und die ersten und zweiten Fäden wenigstens teilweise aus thermoplastischem Material bestehen.

Das Fasergelege ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Faserlage in Richtung der Verstärkungsfasern verlaufende, über die Faserlage verteilte, zweite Fäden aufweist, und die ersten und zweiten Fäden dieser zumindest einen Faserlage wenigstens teilweise aus thermoplastischem Material bestehen.

Hinsichtlich der Verfahren werden die erfindungsgemäßen Lösungen in den Ansprüchen 5, 14 und 18 beschrieben.

Vorteilhaft ist, dass durch stoffschlüssige Verbindung der ersten und zweiten Fäden eine Netzstruktur aus festen Verbindungen bzw. Knoten entsteht, wodurch die Lage der Verstärkungsfasern fixiert wird und ein Zerfransen der Verstärkungsfasern beim Konturieren bzw. Zuschneiden deutlich verringert ist. Beim Konturieren bzw. Zuschneiden der Faserlagen wird ein unkontrolliertes Herausreißen von Fasern verhindert.

In den Faserlagen können die Verstärkungsfasern zu Fasersträngen, so genannten Rovings, zusammengefasst sein, die durch eingebrachte zweite Fäden an den Rändern verklebt sind, was eine zusätzliche Stabilisierung der Faserlagen hervorruft.

Die Faserlagen eines Fasergeleges können in wenigstens einem Bereich verbunden sein, beispielsweise durch Kleben, Nähen, Klammern oder Steppen, um das Fasergelege vor dem Konturieren in der Weise zu stabilisieren, dass die einzelnen Faserlagen nicht verrutschen können und der Volumenanteil der Verstärkungsfasern am Bauteilvolumen möglichst groß ist.

Die Fasergelege können so konturiert werden, dass die Geometrie des Fasergeleges an die Form eines Bauteils einer Strömungsmaschine, beispielsweise eine Leit- oder Laufschaufel mit oder ohne Deckband oder ein Gehäuseteil, angepasst werden, so dass die später zum Befüllen mit fließfähigen Matrix benutzte Hohlform fast vollständig mit dem Fasergelege ausgefüllt ist.

Die Faserlagen eines Fasergeleges können wenigstens in einem Bereich über erste und/oder zweite Fäden aus thermoplastischem Material verbunden sein, um das Fasergelege so zu stabilisieren, dass die Faserlagen nicht mehr verrutschen können.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Faserlage 1 mit in eine Richtung verlaufenden Verstärkungsfasern 2, die über quer dazu verlaufende erste Fäden 3 verbunden sind. Zweite Fäden 4 verlaufen in Richtung der Verstärkungsfasern 2 und sind über die Faserlage 1 verteilt angeordnet. Die ersten und zweiten Fäden 3, 4 bestehen wenigstens teilweise aus thermoplastischem Material. Solche ersten und zweiten Fäden 3, 4 können beispielsweise nur an der äußeren Umfangsfläche aus thermoplastischem Material bestehen oder eine Hülle aus thermoplastischem Material besitzen. Mehrere Verstärkungsfasern 2 der Faserlage 1 sind jeweils zu Fasersträngen 5, sogenannten Rovings, zusammengefasst.
Bei einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer Faserlage 1 werden in eine Richtung verlaufende Verstärkungsfasern 2 bereitgestellt und über quer dazu verlaufende erste Fäden 3 verbunden. Vor, während oder nach dem Verbinden werden in Richtung der Verstärkungsfasern 2 verlaufende, über die Faserlage 1 verteilte zweite Fäden 4 angeordnet. Diese ersten und zweiten Fäden 3, 4 werden wenigstens teilweise aus thermoplastischem Material bereitgestellt, erwärmt und zumindest oberflächlich in der Weise aufgeschmolzen, dass diese stoffschlüssig verbunden werden. Die ersten und zweiten Fäden 3, 4 bilden eine Netzstruktur aus festen Verbindungen 6 bzw. Knoten, wodurch die Lage der Ver stärkungsfasern 2 fixiert wird und ein Zerfransen der Verstärkungsfasern 2 beim Konturieren bzw. Zuschneiden deutlich verringert wird.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Fasergeleges 7, das aus mehreren Faserlagen 1' aufgebaut ist, die jeweils mit einer definierten Kontur 8 versehen sind. Die Faserlagen 1' mit den jeweiligen Konturen 8 sind an die Form eines Bauteils, beispielsweise einer Schaufel, angepasst. Die Faserlagen 1' weisen jeweils in eine Richtung verlaufende, in 1 gezeigte Verstärkungsfasern 2 auf, die über quer dazu verlaufende erste Fäden 3 verbunden sind. Die Ausrichtung der Faserlagen 1' orientiert sich an den auf das Bauteil bei Betrieb einwirkenden Belastungen. In 1 dargestellte zweite Fäden 4 verlaufen in Richtung der Verstärkungsfasern 2 und sind über die Faserlage 1' verteilt angeordnet. Die ersten und zweiten Fäden 3, 4, von zumindest einer Faserlage 1' bestehen wenigstens teilweise aus thermoplastischem Material. Die Faserlagen 1' werden mit benachbarten Faserlagen 1' wenigstens abschnittsweise über deren erste und zweite Fäden 3, 4 aus thermoplastischem Material unter Erwärmen und zumindest teilweisem Anschmelzen der ersten und zweiten Fäden 3, 4 verbunden.
Dieses verhindert ein nachträgliches Verrutschen der Faserlagen 1' beim Bilden eines Fasergeleges 7. Alternativ können die Faselragen 1' zumindest in einem Bereich 9, beispielsweise durch Kleben, Nähen, Klammern oder Steppen verbunden sein. Derartige Verbindungen bewirken eine zusätzliche Stabilisierung der Faserlagen 1' beim Konturieren.
Bei einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Fasergeleges 7 aus mehreren Faserlagen 1' werden in eine Richtung verlaufende Verstärkungsfasern 2 mit über quer dazu verlaufenden ersten Fäden 3 verbunden. Bei zumindest einer Faserlage 1' wird vor, während oder nach dem Verbinden in Richtung der Verstärkungsfasern 2 verlaufende, über die Faserlänge verteilte zweite Fäden 4 angeordnet. Die ersten und zweite Fäden 3, 4 der zumindest einen Faserlage 1' werden wenigstens teilweise aus thermoplastischem Material, zum Beispiel Polyamid, bereitgestellt und so aufgeschmolzen, dass sich diese stoffschlüssig verbinden. Je nach Art der Verstärkungsfasern 2 müssen nicht alle Faserlagen 1' solche erste und zweite Fäden 3, 4 aus thermoplastischen Material enthalten, da gewisse Verstärkungsfasern 2 ohne zu starkes Ausfasern konturiert werden können. Die Faserlagen 1' sind mit benachbarten Faserlagen 1' wenigstens abschnittsweise über erste Fäden 3 und zweite Fäden 4 aus thermoplastischem Material unter Erwärmung und teilweisem Anschmelzen verbunden. Die Faserlagen 1' werden jeweils mit einer einem Bauteil angepassten, definierten Kontur 8 versehen und unter Bildung eines Fasergeleges 7 angeordnet. Die Kontur 8 der Faserlagen 1' wird beispielsweise über Stanzen, Schneiden oder Lasern hergestellt.
3 zeigt ein Bauteil 10 einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, das gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils hergestellt ist. Das Bauteil 10 umfasst zwei Schaufeln 11, die aus wenigstens einem Fasergelege 7 aus mehreren Faserlagen 1' aufgebaut sind, und die an ihren gegenüberliegenden Endabschnitten ein Außendeckband 12 und ein Innendeckband 13 aufweisen.
Bei einem Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung des als Schaufeln ausgebildeten Bauteils 10 einer Gasturbine werden Faserlagen 1' mit jeweils in eine Richtung verlaufenden Verstärkungsfasern 2 bereitgestellt und über quer dazu verlaufende, in 1 besser zu erkennende erste Fäden 3 verbunden. Bei zumindest einer dieser Faserlagen 1' werden vor, während oder nach dem Verbinden in Richtung der Verstärkungsfasern 2 verlaufende, über die Faserlage 1' verteilte zweite Fäden 4 angeordnet. Die ersten und zweiten Fäden 3, 4 dieser zumindest einen Faserlage 1' bestehen zumindest teilweise aus thermoplastischem Material. Die zumindest eine Faserlage 1' wird so aufgeschmolzen, dass sich die ersten und zweiten Fäden 3, 4 stoffschlüssig verbinden. Die Faserlagen 1' werden jeweils mit einer, an das Bauteil 10 angenäherten, definierten Kontur 8 versehen und zu einem Fasergelege 7 angeordnet. Das Fasergelege 7 wird in eine nicht dargestellte Form mit einem zur Kontur des Bauteils 10 komplementären Hohlraum eingebracht. Der Hohlraum wird unter Tränkung des Fasergeleges 7 mit einer fließfähigen Matrix, zum Beispiel ein aushärtbares Kunstharz, gefüllt und gegebenenfalls zum Aushärten erwärmt. Die Matrix wird über chemische oder physikalische Reaktion ausgehärtet.

Claims

Faserlage (1), mit in eine Richtung verlaufenden Verstärkungsfasern (2), die über quer dazu verlaufende erste Fäden (3) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung der Verstärkungsfasern (2) verlaufende, über die Faserlage verteilte, zweite Fäden (4) vorgesehen sind, und die ersten und zweiten Fäden (3, 4) wenigstens teilweise aus thermoplastischem Material bestehen.
Faserlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (2) zu Fasersträngen (6), so genannten Rovings, zusammengefasst sind.
Faserlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (2) aus Glas- und/oder Kohle- und/oder Aramidfasern bestehen.
Faserlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material ein Polyamid ist.
Verfahren zur Herstellung einer Faserlage (1), bei dem in eine Richtung verlaufenden Verstärkungsfasern (2) bereitgestellt und über quer dazu verlaufende, erste Fäden (3) verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass – vor, während oder nach dem Verbinden in Richtung der Verstärkungsfasern (2) verlaufende, über die Faserlage (1) verteilte, zweite Fäden (4) angeordnet werden, – die ersten und zweiten Fäden (3, 4) wenigstens teilweise aus thermoplastischem Material bestehend bereitgestellt werden, und – die ersten und zweiten Fäden (3, 4) durch Erwärmen in der Weise aufgeschmolzen werden, dass diese stoffschlüssig verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (2) in Form von Fasersträngen (5), so genannten Rovings, bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (2) aus Glas- und/oder Kohle- und/oder Aramidfasern bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als thermoplastisches Material ein Polyamid verwendet wird.
Fasergelege (7), umfassend mehrere Faserlagen, (1') die jeweils mit einer definierten Kontur (8) versehen sind, wobei die Faserlagen (1') jeweils in eine Richtung verlaufende Verstärkungsfasern (2) aufweisen, die über quer dazu verlaufende erste Fäden (3) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Faserlage (1') in Richtung der Verstärkungsfasern (2) verlaufende, über die Faserlage (1') verteilte, zweite Fäden (4) aufweist, und die ersten und zweiten Fäden (3, 4) dieser zumindest einen Faserlage (1') wenigstens teilweise aus thermoplastischem Material bestehen.
Fasergelege (7) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Faserlagen (1') wenigstens bereichsweise über erste und/oder zweite Fäden (3, 4) aus thermoplastischem Material verbunden sind.
Fasergelege (7) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserlagen (1') in wenigstens einem Bereich (9) verbunden sind, insbesondere durch Kleben, Nähen, Klammern oder Steppen.
Fasergelege (7) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Fasergeleges (7) an die Form eines Bau teils (10) einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, angepasst ist.
Fasergelege (7) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Fasergeleges (7) an die Form einer Schaufel (11) angepasst ist.
Verfahren zur Herstellung eines Fasergeleges (7), bei dem – Faserlagen (1') mit jeweils in eine Richtung verlaufenden Verstärkungsfasern (2) bereitgestellt und über quer dazu verlaufende erste Fäden (3) verbunden werden, – bei zumindest einer Faserlage (1') vor, während oder nach dem Verbinden in Richtung der Verstärkungsfasern (2) verlaufende, über die Faserlage (1') verteilte zweite Fäden (4) angeordnet werden, – die ersten und zweiten Fäden (3, 4) dieser zumindest einen Faserlage (1') wenigstens teilweise aus thermoplastischem Material bestehend bereitgestellt werden, – bei der zumindest einen Faserlage (1') deren erste und zweite Fäden (3, 4) so aufgeschmolzen werden, dass diese stoffschlüssig verbunden werden, und – die Faserlagen (1') jeweils mit einer definierten Kontur (8) versehen und unter Bildung eines Fasergeleges (7) angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Faserlagen (1') wenigstens bereichsweise über erste und zweite Fäden (3, 4) aus thermoplastischem Material unter Einwirkung von Wärme verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserlagen (1') in wenigstens einem Bereich (9) verbunden werden, insbesondere durch Kleben, Nähen, Klammern oder Steppen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (8) der Faserlagen (1') durch Stanzen, Schneiden oder Lasern gefertigt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (10) für Strömungsmaschinen, insbesondere Gasturbinen, bei dem – Faserlagen (1') mit jeweils in eine Richtung verlaufenden Verstärkungsfasern (2) bereitgestellt und über quer dazu verlaufende erste Fäden (3) verbunden werden, – bei zumindest einer Faserlage (1') vor, während oder nach dem Verbinden in Richtung der Verstärkungsfasern (2) verlaufende, über die Faserlage (1') verteilte zweite Fäden (4) angeordnet werden, – die ersten und zweiten Fäden (3, 4) dieser zumindest einen Faserlage (1') wenigstens teilweise aus thermoplastischem Material bestehend bereitgestellt werden, – bei der zumindest einen Faserlage (1') deren erste und zweite Fäden (3, 4) so aufgeschmolzen werden, dass diese stoffschlüssig verbunden werden, – die Faserlagen (1') mit jeweils einer definierten Kontur (8) versehen und unter Bildung eines Fasergeleges (7) angeordnet werden, – das Fasergelege in eine Form mit einem zur Kontur des Bauteils (10) komplementären Hohlraum eingebracht wird, – der Hohlraum unter Tränkung des Fasergeleges (7) mit einer fließfähigen Matrix gefüllt wird, und – die Matrix verfestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix durch chemische oder physikalische Reaktion verfestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Matrix ein aushärtbares Kunstharz verwendet wird.