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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der vorläufigen U.S. Anmeldung Nr. 61/524,218, eingereicht am 16. August 2011, deren Inhalte hierin durch Verweis beinhaltet sind.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verbundwerkstoffmaterialien und Verfahren, die zum Produzieren von Komponenten aus Verbundwerkstoffmaterialien geeignet sind. Insbesondere betrifft diese Erfindung Materialien und Verfahren, mittels welcher Bestandteile derartiger Materialien einer Compoundierung und Formung unterzogen werden können, um Vorformteilen zu erzeugen, die gehärtet werden können, um beispielsweise Paneele zu produzieren, die zur Verwendung einer abreibbaren Dichtung in dem Fanabschnitt eines Gasturbinentriebwerkes geeignet sind.
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Gasturbinentriebwerke arbeiten allgemein auf dem Prinzip der Verdichtung von Luft in einem Verdichterabschnitt des Triebwerks und dann der Zuführung der verdichteten Luft zu einem Brennerabschnitt des Triebwerkes, wo der Luft Brennstoff beigemischt und das sich ergebende Luft/Brennstoff-Gemisch verbrannt wird. Anschließend werden die sich ergebenden Verbrennungsgase einem Turbinenabschnitt des Triebwerks zugeführt, wo ein Teil der durch den Verbrennungsprozess erzeugten Energie durch einen Turbinenrotor entzogen wird, um den Verdichterabschnitt des Triebwerks anzutreiben.
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Turbofan-Triebwerke haben an der Vorderseite des Triebwerks einen Fan, der ankommende Luft verdichtet. Ein Teil der verdichteten Luft wird dem Brennerabschnitt durch den Verdichterabschnitt zugeführt, während der Rest den Verdichter- und Brennerabschnitt umgeht und stattdessen durch einen Umgehungskanal dem hinteren Bereich des Triebwerks zugeführt wird, wo die Umgehungsluft durch eine Fan-Austrittsdüse austritt, um zusätzlichen Schub zu erzeugen. In Turbofan-Triebwerken mit hohem Nebenstromverhältnis der Bauart, die in großem Umfang in bei Unterschallgeschwindigkeit arbeitenden großen Flugzeugen eingesetzt wird, einschließlich derjenigen, die bei kommerziellen Fluggesellschaften eingesetzt werden, ist der Fan relativ groß und ein größerer Anteil der verdichteten Luft strömt durch den Mantelkanal, um den größten Anteil des von dem Triebwerk erzeugten Schubs zu produzieren. Demzufolge hat der Betrieb des Fans einen wesentlichen Einfluss auf den Schub und den spezifischen Brennstoffverbrauch (SFC) von Turbofan-Triebwerken mit hohem Nebenstromverhältnis. Verringerungen im SFC sind für die Fluggesellschaften zwecks Verringerung der Fluggesellschafts-Betriebskosten von großer Bedeutung.
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In den meisten Turbofan-Triebwerken wird der Fan von einem Fangehäuse umschlossen, das mit einem Deckband ausgestattet ist. Das Deckband umschreibt den Fan und grenzt unmittelbar an den Spitzen der Fanschaufeln dergestalt an, dass das Deckband dazu dient, ankommende Luft so durch den Fan zu führen, dass der größte Teil der in das Triebwerk eintretenden Luft von dem Fan verdichtet wird. Jedoch kann ein kleiner Anteil der ankommenden Luft die Fanschaufeln durch einen zwischen den Spitzen der Fanschaufeln und dem Deckband vorhandenen radialen Spalt umgeben. In Flugzeug-Turbofan-Triebwerken und insbesondere in Turbofan-Triebwerken mit hohem Umgehungsanteil kann der SFC deutlich beeinflusst werden, indem die Menge der Luft begrenzt wird, welche die Fanschaufeln durch diesen Spalt hindurch umgeht.
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Während des normalen Betriebs eines Turbofan-Triebwerks eines Flugzeugs ist es sehr wahrscheinlich, dass die Spitzen der Fanschaufeln an dem Deckband reiben. Eine Reibberührung zwischen den Fanschaufelspitzen und dem Deckband vergrößert tendenziell den radialen Spalt zwischen dem Deckband und den Fanschaufelspitzen und verringert dadurch den Triebwerkswirkungsgrad. Um eine Beschädigung an den Schaufelspitzen aus Reibbegegnungen zu vermindern, wird der an die Fanschaufelspitzen angrenzende Teil des Deckbandes oft mit einem abreibbaren Material abgedeckt, das in aufopfernder Weise abgerieben werden kann, wenn die Blattspitzen daran reiben. Das abreibbare Material wird oft in der Form von gebogenen Paneele oder Sektoren bereitgestellt, die an dem Deckband montiert sind, um eine zusammenhängende abreibbare Dichtung zu definieren, die die Fanschaufeln umschreibt. Übliche abreibbare Materialien zur Verwendung in den Fanabschnitten von Turbofan-Triebwerken enthalten ein expansionsfähiges Material, das während der Verarbeitung zur Formung des abreibbaren Materials expandiert wird, um eine im Wesentlichen konstante Querschnittsdicke (”radiale Dicke”) zu haben. Wie in dem
U.S. Patent Nr. 5,388,959 beschrieben, umfassen bekannte abreibbare Materialien Polymer-basierende Materialien und insbesondere syntaktische Schaummaterialien niedriger Dichte, die ein Epoxidharz, Mikroballone und ein Verstärkungsmaterial, wie z. B. geschnittene Polymerfasern enthalten.
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Der Fanabschnitt, das Deckband und die abreibbaren Paneele werden zu Erzielen von Toleranzen gefertigt, die den anfänglichen radialen Spalt zwischen den Fanschaufelspitzen und der Oberfläche der durch die abreibbaren Paneele ausgebildeten abreibbaren Dichtung minimieren. In einigen Fällen sollen diese Toleranzen jedes signifikante Reiben zwischen den Blattspitzen und dem abreibbaren Material vermeiden. Beispielsweise können minimale radiale Spalte erreicht werden, indem Schwankungen in den Längen der Fanblätter, der radialen Lage der Fanscheibe oder des Fangehäusedurchmessers reduziert werden. Die Innendurchmesser der abreibbaren Paneele müssen typischerweise bearbeitet werden, um die für die Deckbandanordnung erforderlichen Durchmesserabmessungen zu erreichen, insbesondere, wenn das abreibbare Material von dem vorstehend beschriebenen Typ ist, der während der Aushärtung expandiert.
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Zusätzlich zu Durchmessertoleranzen zum Aufrechterhalten der erwünschten aerodynamischen Wirkungsgrade in Verbindung mit einem kleinen radialen Spalt, werden abreibbare Paneele oft zum Erzielen einer gewünschten Strömungspfadgeometrie durch die Erzeugung eines Oberflächenprofils geformt, das enganliegend an das Profil der Schaufelblattspitzen angepasst ist. Beispielsweise kann jedes abreibbare Paneel so geformt werden, dass es ein axiales Profil dergestalt hat, dass, wenn es in das Deckband eingebaut ist, der durch die radial inneren Oberflächen der Paneele definierte Durchmesser, der unmittelbar die Fanschaufeln umgibt, in der Rückwärtsrichtung des Triebwerkes abnimmt. Jedoch müssen, wenn das abreibbare Material aus einem expansionsfähigen Schaummaterial des vorstehend beschriebenen Typs so geformt wird, dass das abreibbare Material zu Beginn eine im Wesentlichen konstante Querschnittsdicke hat, Schleif- oder andere geeigneter Bearbeitungsvorgänge durchgeführt werden, um das gewünschte Oberflächenprofil auf den Oberflächen der abreibbaren Paneele zu produzieren. Unvermeidlich erzeugt dieser Vorgang Abfallmaterial, erhöhte Rohmaterialkosten und erhöht die Arbeitskosten. Ein weiterer Nachteil herkömmlicher expandierfähiger Schaummaterialien besteht darin, dass das Expansionsverfahren typischerweise eine im Wesentlichen konstante Dichte über das gesamte abreibbare Material hinweg erzeugt, was nicht notwendigerweise für Abriebpaneele erwünscht sein muss, die in dem Fanabschnitt eines Turbofan-Triebwerks verwendet werden.
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Haltbarkeit ist ebenfalls ein Gesichtspunkt für abreibbare Dichtungen in Fanabschnitten von Turbofan-Triebwerken. Insbesondere sind Bereiche von abreibbaren Dichtungen, die stromaufwärts vor den Fanschaufeln angeordnet sind, für einen direkten Aufprall von in das Triebwerk eintretenden Partikeln anfälliger. Obwohl ein Material mit niedriger Dichte typischerweise für den Bereich einer abreibbaren Dichtung erwünscht ist, der höchstwahrscheinlich durch die Fanschaufeln abgerieben wird, können höhere Dichten vor den Schaufeln einen erwünschten Effekt einer Verbesserung der Erosionsbeständigkeit haben.
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In Anbetracht des Vorstehenden dürfte erkennbar sein, dass ein verbessertes Betriebsverhalten von abreibbaren Paneelen für Fanschaufeldeckbänder ständig gesucht wird, um den SFC von Turbofan-Triebwerken zu verbessern. Jedoch besteht eine beständige Herausforderung in der Fähigkeit, derartige Verbesserungen mit abreibbaren Paneelen zu erzielen, deren Geometrien gleichmäßig so produzierbar sein müssen, dass sie relativ komplexe axiale Profilen haben.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt Polymer-basierende Materialien bereit, die für die Verwendung einer abreibbaren Dichtung eines Fandeckbandes geeignet sind und Verfahren, die abreibbare Dichtungen aus den Materialien produzieren können.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, das die Einführung von Bestandteilen eines expansionsfähigen Schaummaterials in eine Strangformungsvorrichtung beinhaltet, die kontinuierlich die Bestandteile in ein teilweise gehärtetes compoundiertes Polymermaterial compoundiert. Das teilweise gehärtete compoundierte Polymermaterial wird mit der Strangformungsvorrichtung stranggeformt, um ein Strangformteil mit einer konstanten Querschnittsgestalt quer zu einer Strangformungsrichtung der Strangformungsvorrichtung zu produzieren. Ein Teil des Strangformteils wird dann verformt, um ein Vorformteil zu erzeugen, und das Vorformteil wird in einem begrenzten Volumen gehärtet, um ein Expandieren des Vorformteil und Produzieren des Paneels zu bewirken.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Produzieren von abreibbaren Paneelen bereitgestellt, die für einen Zusammenbau zum Erzeugen einer abreibbaren Dichtung in einem Fanabschnitt eines Turbofan-Triebwerks angepasst sind. Das Verfahren beinhaltet die Einführung von Bestandteilen eines expansionsfähigen Schaummaterials in eine Extrusionsvorrichtung, die kontinuierlich die Bestandteile in ein teilweise gehärtetes compoundiertes Polymermaterial compoundiert, welches kontinuierlich mit der Extrusionsvorrichtung geformt wird, um ein zusammenhängendes Formteil mit einer konstanten Querschnittsgestalt quer zu einer Strangherstellungsrichtung der Extrusionsvorrichtung zu produzieren. Ein Teil des Strangformteils wird verformt, um ein Vorformteil zu erzeugen, das eine andere Querschnittsgestalt gegenüber dem Strangformteil hat, und dann wird das Vorformteil in einem beschränkten Volumen gehärtet, um eine Expansion des Vorformteils und Produktion des Paneels zu bewirken. Das beschränkte Volumen bewirkt, dass wenigstens zwei Zonen des Paneels unterschiedliche Dichten haben.
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Weitere Aspekte der Erfindung beinhalten durch Verfahren mit den vorstehend beschriebenen Schritten erzeugte Paneele.
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Ein technischer Effekt der Erfindung ist die Fähigkeit, kontinuierlich Paneele, einschließlich abreibbaren Paneelen mit einer gewünschten geometrischen Gestalt einschließlich komplexer geometrischer Gestalten mit ungleichförmigen Dicken zu produzieren. Die Erfindung stellt auch die Fähigkeit bereit, Paneele mit komplexen geometrischen Gestalten mit gewünschten Dichten und Dichtegradienten zu produzieren.
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Weitere Aspekte und Vorteile dieser Erfindung werden besser aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung erkennbar.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Querschnittsansicht eines in einem Fanabschnitt eines Turbofan-Triebwerks eingebauten abreibbaren Paneels.
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2 ist eine perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten abreibbaren Paneels.
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3 stellt Schritte dar, die zum Herstellen von Paneelen, einschließlich der abreibbaren Paneels der 1 und 2, ausgeführt werden können.
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4 stellt schematisch eine Extrusionsvorrichtung dar, die für die Herstellung eines Strangformteils geeignet ist, das zum Produzieren des Paneels von 1 und 2 verarbeitet werden kann.
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5 stellt schematisch ein Werkzeug dar, das zur Produktion von Vorformteilen durch Gestaltung von Strangformteilen geeignet ist, die mit der Extrusionsvorrichtung von 4 produziert werden.
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6 stellt schematisch ein Werkzeug dar, das zum Härten des von dem Werkzeug von 5 erzeugten Vorformteils geeignet ist, um das Paneel von 1 und 2 zu produzieren.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 und 2 stellen schematisch ein abreibbares Paneel 10 eines Typs dar, das in einem Turbofan-Triebwerk, einschließlich einem Turbofan-Flugzeugtriebwerk mit hohem Umgehungsanteil verwendet werden kann. Abreibbare Paneele dieser Erfindung sind nicht auf die in den 1 und 2 dargestellte Ausgestaltung beschränkt. Aus der nachstehenden Diskussion dürfte es ersichtlich werden, dass Materialien und Verfahren dieser Erfindung nicht auf Herstellung von abreibbaren Paneelen beschränkt sind, und dass weitere Anwendungen für die Materialien und Verfahren innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen.
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Wie in 1 dargestellt, ist das Paneel 10 Teil einer Deckbandanordnung 12, die drehbare Schaufeln (wovon ein Teilstück einer Schaufel dargestellt ist) in einem Fanabschnitt eines Turbofan-Flugzeugtriebwerks umschreibt. Wie im Fachgebiet bekannt, kann das Paneel 10 eines von einer Reihe von Paneelen (Sektoren) sein, die, wenn sie in der Deckbandanordnung 12 befestigt sind, eine zusammenhängende abreibbare Dichtung definieren, die zum Minimieren des radialen Spaltes 13A zu den Spitzen der Fanschaufeln 13 angepasst ist (der radiale Spalte 13A ist für Zwecke der Veranschaulichung übertrieben groß dargestellt). Somit hat das Paneel 10 in der in 2 dargestellten Umfangsrichtung eine gebogene Form, sodass, wenn das Paneel 10 mit anderen Paneelen zusammengebaut wird, eine zusammenhängende ringförmige abreibbare Dichtung aufgebaut werden kann. Wie es ebenfalls aus 1 ersichtlich ist, hat das abreibbare Paneel 10 eine profilierte Oberfläche 14, die eine Außenbegrenzung des Luftströmungspfades durch den Fanabschnitt definiert. Das Paneel 10 ist an eine Stützstruktur 16 entlang einer sich auf einer Oberfläche 20 des Paneels 10 gegenüber der profilierten Oberfläche 14 befindenden Klebelinie 1 geklebt dargestellt. Wie in 1 und 2 zu sehen, hat das Paneel 10 eine zwischen ihren Oberflächen 14 und 20 definierte Dicke (t). Die radiale Dicke des Paneels 10 muss nicht gleichmäßig sein und variiert typischerweise in der axialen Richtung, wie es beispielsweise in 1 dargestellt ist.
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Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung kann das abreibbare Paneel 10 gleichmäßig so produziert werden, dass es eine gewünschte geometrische Gestalt einschließlich komplexer geometrischer Gestalten mit ungleichmäßigen Dicken hat. Ein weiterer bevorzugter Aspekt besteht darin, dass das abreibbare Paneel 10 aus einem Vorformteil so produziert werden kann, dass es endabmessungsnahe Gestalt hat, sodass nur eine minimale Bearbeitung des Paneels 10 vor dem Einbau in die Deckbandanordnung 12 erforderlich ist. So wie hierin verwendet, bezieht sich ”endabmessungsnahe Gestalt” auf eine Gestalt, die im Wesentlichen einer Soll-Gestalt für das Paneel 10 geometrisch ähnlich ist, die aber in der Größe variieren kann, da die Gestalt nominell von den Abmessungen der Soll-Gestalt abweicht. Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung können Bereiche in dem abreibbaren Paneel 10 unterschiedliche Dichten haben. In 2 sind derartige Unterschiede durch eine erste und zweite Dichtezone 22 und 24 dargestellt, obwohl das Vorhandensein zusätzlicher Zonen vorhersehbar ist. 2 stellt diese Zonen 22 und 24 durch eine Linie 26 getrennt dar, die in Umfangsrichtung des Paneels 10 ausgerichtet ist, obwohl andere Ausrichtungen möglich sind, wie z. B. in der axialen Richtung. Ferner ist, wie es nachstehend detaillierter beschrieben wird, eine abrupte Abgrenzung weder erforderlich, noch notwendigerweise erwünscht. Stattdessen kann ein Dichtegradient über die Linie 26 hinweg vorliegen und sich gut über die Linie 26 in eine oder beide Richtungen hinaus erstrecken. Schließlich ist die erste Dichtezone 22 mit einer höheren Dichte als die Zone 24 dargestellt, obwohl diese spezielle relative Platzierung niedrigerer und höherer Dichten innerhalb des Paneels 10 keine Notwendigkeit ist.
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Die Fähigkeit zur Erzielung unterschiedlicher Dichten in unterschiedlichen Zonen 22 und 24 des Paneels 10 kann für den Zweck der Begünstigung einer oder mehrerer Betriebsverhaltenseigenschaften des Paneels 10 vorteilhaft sein. Beispielsweise können die Dichten in den Zonen 22 und 24, sowie die relativen Abmessungen und Lagen der Zonen 22 und 24 in dem Paneel 10 spezifisch angepasst werden, um die Erosionsbeständigkeit des Paneels 10 zu begünstigen. Insbesondere kann es für die dichtere Zone 22 erwünscht sein, eine größere Erosionsbeständigkeit als die Zone 24 zu zeigen, wenn sich die dichtere Zone 22 stromaufwärts vor der Zone 24, und optional stromaufwärts vor den Schaufeln 13, befindet und daher anfälliger für den direkten Aufprall von in das Triebwerk eintretenden Partikeln ist.
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Abreibbare Paneele werden üblicherweise aus Polymer-Verbundwerkstoffmaterialien hergestellt und insbesondere expansionsfähigen härtbaren syntaktischen Schaummaterialien, die ein Aufschäumungs-(Aufblas)-Mittel enthalten, wovon nicht einschränkende Beispiele Mikroballons und Mikrokügelchen sind, die bei Erwärmung expandieren. Jedoch verkompliziert die Verwendung von expansionsfähigen Schaummaterialien die Fähigkeit, spezifische radiale Dicken (t) in dem Paneel 10 zu erhalten, sowie die Fähigkeit, unterschiedliche Dichten in den Zonen 22 und 24 des Paneels 10 zu erhalten. Gemäß einem Aspekt der Erfindung besteht eine Vorgehensweise zum Steuern sowohl der geometrischen Gestalt als auch der Dichte in dem Paneel 10 in der Anwendung eines Strangherstellungsverfahrens, wie z. B. der Art, das durch einen Extruder, einem Strangkneter oder irgendeine andere Art von Strangherstellungsvorrichtung hergestellt werden kann, um ein Vorformteil des Paneels 10 zu erzeugen.
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Als ein nicht einschränkendes Beispiel stellt 3 schematisch Verfahrensschritte zum Herstellen eines Paneels 10 dar, die die Schritte der Produktion eines Vorformteils für das Paneel 10 durch die Anwendung eines Extrusionsverfahrens enthalten. Insbesondere wird ein geeignetes Eingabematerial extrudiert, um ein Strangformteil (Extrudat) zu erzeugen, welches typischerweise auf Länge zugeschnitten wird, bevor es zum Produzieren eines Vorformteils verformt wird. Das Paneel 10 wird dann durch Durchführen einer geeigneten Härtung an dem Vorformteil für das spezielle Eingabematerial produziert. Es dürfte ersichtlich sein, dass als Folge des Extrusionsverfahrens Vorformteile produziert werden können, die eine Vielfalt geometrischer Ausgestaltungen haben können. Das Extrudat und damit die von dem Extrudat abgeschnittenen Abschnitte haben eine konstante Querschnittsgestalt quer zu der Extrusionsrichtung, aber nicht notwendigerweise eine konstante Dicke über der Querschnittsfläche. Der Auspressvorgang kann. Die Verarbeitungsoperation kann in einem Formhohlraum zum Erzielen der gewünschten geometrischen Gestalt für das Vorformteil durchgeführt werden. Die Härtungsoperation wird bevorzugt in einem zweiten Formhohlraum mit einem beschränkten Volumen durchgeführt, das, in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, dem Vorformteil eine Expansion in eine endgültige für das Paneel 10 gewünscht nicht gleichmäßige Dicke ermöglicht. Zusätzlich kann das beschränkte Volumen des Formhohlraums so dimensioniert sein, dass die Expansion von einem oder mehreren Bereichen des Vorformteils beschränkt ist, wodurch die beschränkten Bereiche des Vorformteils in der Lage sind, beispielsweise die dichtere Zone 22 innerhalb des Paneels 10 zu produzieren. Die zum Härten der Vorformteil verwendete Form kann eine geschlossene Form, wie z. B. eine eigenbeheizte Form, anstelle einer Autoklavenhärtung sein, obwohl die Härtung in einem Autoklaven unter bestimmten Umständen vorteilhaft sein kann.
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Obwohl eine Vielfalt Polymer-basierender Materialien verwendet werden könnte, um das Paneel 10 zu produzieren, sind bevorzugte Materialien im ungehärteten Zustand gestaltbar, extrudierbar und formbar und können zusätzlich dazu in verschiedene komplexe geometrische Gestalten geformt werden können. Zur Verwendung bei der Produktion eines Paneels 10, die ein für eine abreibbare Dichtung geeignetes abreibbares Material enthält, sind speziell erwähnenswerte Materialien Epoxid-basierende Harzsysteme kombiniert mit Katalysatoren (Härtern/Beschleunigern), Füllmaterialien und Fasern, die mechanische Eigenschaften beitragen, und des Weiteren kombiniert mit einem oder mehreren Schäumungsmitteln, um ein expansionsfähiges Schaummaterial zu erhalten, das durch die Anwendung einer Wärmebehandlung expandiert werden kann. Besonders geeignete Bestandteile für ein Epoxid-basierendes Harzsystem beinhalten, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Diglyzidylether von Bisphenol A Epoxidharzen (wovon kommerzielle Beispiele EPON® 830 und EPON® 1002F beinhalten, die von Momentive Specialty Chemicals beziehbar sind, Bisphenol A (BPA), funktionalisiertes Polybutadien (wovon ein kommerzielles Beispiel RICON® 130MA13 ist, das von Gray Valley SA beziehbar ist), Dihydroxynaphthalen (DHN), und Polyoxyalkylenamine (wovon kommerzielle Beispiele Jeffamine® T-5000 beinhalten, die von Huntsman Corporation beziehbar sind). Insbesondere umfassen geeignete Katalysatoren Festkörperheilmittel, wie z. B. Dicyandiamid (DICY), tertiäre Aminsalze (wovon ein kommerzielles Beispiel Amicure® UR2T ist, das von Air Products and Chemicals beziehbar ist) und ähnliche Katalysatoren, die zur Härtung von Epoxidharzsystemen geeignet sind. Geeignete Füllmaterialien umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Kohlepulver, und geeignete Faserverstärkungsmaterialien beinhalten, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Polyetheretherketon (PEEK), Polyimide, Polyamide (beispielsweise Nylon), Polyethersulfone, usw. Geeignete Schäumungsmittel umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Isobutan eingekapselt in Acrylcopolymer (wovon ein kommerzielles Beispiel Expancel® 091 DU 80 Mikrokügelchen sind, die im Handel von Akzo Nobel beziehbar sind). Weitere erwünschte Bestandteile für das Epoxid-basierende Harzsystem umfassen Härter, wie z. B. DYHARD S100, die von AlzChem AG beziehbar sind.
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4 stellt schematisch ein Extrudersystem 30 als einem Typ einer Strangformungsvorrichtung dar, die zum Produzieren von Vorformteilen der abreibbaren Paneele 10 der 1 und 2 verwendet werden kann. Das Extrudersystem 30 ist in 4 als ein gleichsinnig drehender Zweischnecken-Mischextruder 32 dargestellt, in welchem die Bestandteile des expansionsfähigen Schaummaterials kontinuierlich compoundiert werden können, um ein teilweise gehärtetes compoundiertes Polymermaterial zu erzeugen, welches im Endeffekt das expansionsfähige Schaummaterial ist. Das compoundierte Polymermaterial verlässt dann den Extruder 32 über eine Extrusionsdüse 34. Flüssige Bestandteile des expansionsfähigen Schaummaterials, beispielsweise das Harzsystem, können in einem Flüssigkeitsmischbehälter 36 vor der Zuführung zu dem Extruder 32 vorvermischt werden. Der Behälter 36 kann jede geeignete Art von Mixer beispielsweise einen Ross-Mixer oder einen ähnlichen Chargenkessel beinhalten. Als ein nicht einschränkendes Beispiel können die Epoxid- und Phenolbestandteile des Schaummaterials bei einer erhöhten Temperatur (beispielsweise ca. 110°C) gemischt und dann (beispielsweise auf 75 bis 80°C) vor der Zuführung zu dem Extruder 32 abgekühlt werden. Obwohl 4 die in dem Behälter 30 gemischten flüssigen Bestandteile als unmittelbar dem Extruder 32 zugeführte darstellt, könnten die Bestandteile zur Lagerung und/oder zum Transport für eine anschließende Verarbeitung verpackt sein. Es kann jedoch eine vorzeitige Härtung des Schaummaterials auftreten, wenn das Material zur Zuführung zu dem Extruder 32 wieder erwärmt wird.
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Aus 4 dürfte ersichtlich sein, dass jeder Bestandteil oder bestimmte Kombinationen von Bestandteilen getrennt dem Extruder 32 zugeführt werden könnten. Um ein vorzeitiges Auftreten von Reaktionen in dem Mischbehälter 36 zu verhindern, ist das Extrudersystem 30 bevorzugt mit wenigstens einem getrennten Zuführungssystem für die Zuführung zusätzlicher Bestandteile des Schaummaterials stromabwärts von dem Punkt ausgestattet, an welchem die Inhalte des Behälters 36 in den Extruder 12 eingeführt werden. Als ein Beispiel ist ein getrenntes Zuführungssystem 38 als ein Behälter 38 für die Zuführung von einem oder mehreren zusätzlichen flüssigen Bestandteilen, wie z. B. einen funktionalisierten Polybutadien, zu dem Extruder 32 dargestellt, um eine vorzeitige Reaktion zwischen dem funktionalisierten Polybutadien und anderen flüssigen Bestandteilen des Harzsystems in dem Mischbehälter 36, wie z. B. mit Polyoxyalkylenamid, zu verhindern. 4 stellt ferner ein weiteres getrenntes Zuführungssystem 40 dar, das dafür eingerichtet ist, mehrere Festkörperbestandteile des expansionsfähigen Schaummaterials dem Extruder 32 an einer Stelle zwischen den Stellen zuzuführen, an welchen die flüssigen Bestandteile eingeführt werden. Die Festkörperbestandteile, welche einen oder mehrere feste Katalysatoren, ein oder mehrere Schäumungsmittel und/oder ein oder mehrere Füllmaterialien und/oder Fasermaterialien beinhalten können, sind als in Trichtern 42 und 44 aufbewahrt und dann dem Extruder 32 über eine mechanische Vorrichtung 46, die in der Lage ist, gesteuerte Mengen der Festkörperbestandteile einzuführen, dargestellt. Das Extrudersystem 30 ist ferner mit einer Vakuumpumpe 48 dargestellt, welche dazu verwendet werden kann, Restluft abzusaugen, die während des Compoundierungsverfahrens eingeschlossen wird. An dem stromabwärts liegenden Ende des Extruders 32 wird das expansionsfähige Schaummaterial durch die Extrusionsdüse 34 extrudiert, um ein Strangformteil (Extrudat) 50 zu erzeugen, welches auf einer Fördereinrichtung 52 oder einer anderen geeigneten Transportvorrichtung abgelegt wird.
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In Anbetracht des Vorstehenden dient der Extruder 32 zum Compoundieren der verschiedenen Harz- und Festkörperbestandteile des expansionsfähigen Schaummaterials sowie zum Erzeugen wenigstens einer anfänglichen Querschnittsgestalt, aus welcher ein Vorformteil des Paneels 10 erzeugt werden kann. Die Extrusionsdüse 34 kann die für das Vorformteil oder die endabmessungsnahe Gestalt erforderlichen Vorhärtungsabmessungen für das Paneel 10 erzeugen, wenn eine konstante Querschnittsgestalt gewünscht wird, oder das Vorformteil kann einer Formungsoperation unterzogen werden, wenn das Paneel 10 eine geometrische Gestalt haben soll, deren Querschnittsgestalt sich von der Querschnittsgestalt des von der Extrusionsdüse 34 erzeugten Extrudats unterscheidet. Als ein Beispiel enthält der in 3 dargestellte Verfahren einen Verformungsschritt, der anschließend an die Extrusion erfolgt. Der Verformungsschritt kann durchgeführt werden, um ein Vorformteil mit einer nicht konstanten Querschnittsgestalt, die eine Dicke enthält, die nicht konstant ist, zu produzieren.
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Als ein nicht einschränkendes Beispiel eines geeigneten Verformungsverfahrens stellt 5 schematisch eine Pressvorrichtung 54 mit einer Form 56 dar, die Formhälften 58 aufweist, die zusammen einen Formhohlraum 60 definieren, der zur Produktion einer gewünschten Gestalt für ein Vorformteil 62 des Paneels 10 eingerichtet ist. Die gewünschte Gestalt des Vorformteils 62 kann eine Querschnittsgestalt enthalten, die sich von der des Extrudats 50 unterscheidet, aus welcher das Vorformteil 62 geformt ist. Dieser Unterschied kann in einer Querschnittsgestalt der Vorformteil 62 parallel oder quer zu der Extrusionsrichtung des Extrudats 50 bestehen. Obwohl das Vorformteil 62 als durch eine Pressoperation geformt dargestellt ist, liegen weitere Verfahren zum Erzeugen der gewünschten geometrischen Gestalt des Vorformteils 62 ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung.
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Unabhängig davon, ob die Produktion der Vorformteil 62 einen dem Extrusionsprozess folgenden Formungsschritt enthält, kann das Vorformteil 62 gleichmäßigere Abmessungen und eine Zusammensetzung enthalten, die zu einer verbesserten Rohmaterialausbeute mit weniger Abfall und Verschnitt führt. Zusätzlich kann das aus der Vorformteil 62 produzierte Paneel 10 eine besser steuerbare Dichte haben, als sie mit Vorformteilen möglich ist, welche durch Stapelung ebener Schichten aus dem Schaummaterial produziert werden können. Beispielsweise kann das Paneel 10 so produziert werden, dass es eine gleichmäßige Dichte oder eine variable Dichte hat, in welcher ein Dichtegradient innerhalb des Paneels 10 im Gegensatz zu Stufenveränderungen in der Dichte eines aus einem Vorformteil gestapelter Schichten produzierten Paneels vorliegt. Als ein Beispiel stellt 6 schematisch eine Form 64 dar, in welcher das Vorformteil 62 gehärtet werden kann. Die Form 64 hat einen Formhohlraum, der durch komplementäre Hohlräume 66 definiert ist, die in gegenüberliegenden Oberflächen der zwei Formhälften 68 definiert sind. Die komplementären Formhohlräume 66 wirken zusammen, um die Expansion des expansionsfähigen Schaummaterials des Vorformteils 62 während der Härtung zu begrenzen, sodass eine endabmessungsnahe Gestalt des Paneels 10 produziert werden kann. Dadurch kann die Notwendigkeit einer mechanischen Bearbeitung, eines Schleifvorgangs und weiterer Nachhärtungsoperationen minimiert werden.
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Als ein spezielles Beispiel können die Oberflächen der komplementären Hohlräume 66 so gestaltet sein, dass sie die gewünschte Dicke (t) des Paneels 10 und das für die abreibbare Oberfläche 14 des Paneels 10 gewünschte Profil produzieren. Die Hohlräume 66 definieren ein beschränktes Volumen, in welches das expansionsfähige Schaummaterial des Vorformteils 62 während der Härtung expandieren kann und das damit nicht nur die endabmessungsnahe Gestalt für das Paneel 10 definiert, sondern auch das Dichteprofil des Paneels 10 beeinflusst, das in der Form 64 aus dem Vorformteil 62 produziert wird. Als ein Beispiel kann der Formhohlraum so dimensioniert sein, dass ein dünnerer Abschnitt 62A des Vorformteils 62 innerhalb eines Bereichs 70A des Formhohlraums stärker als ein dickerer Abschnitt 62B des Vorformteils 62 in einem anderen Bereich 70B des Formhohlraums mit dem Ergebnis expandieren kann, dass die aus dem dünneren Abschnitt 62A produzierte Zone 24 des Paneels 10, eine niedrigere Dichte als die aus dem dickeren Abschnitt 62B produzierte Zone 22 des Paneels 10 hat. Es ist auch möglich, die Dichte in dem Paneel 10 zu beeinflussen, indem die Form 56 so betrieben wird, dass sie thermisch einen Dichtegradienten in dem Vorformteil 62 erzeugt oder modifiziert. Beispielsweise kann eine von den Formhälften 58 rascher aufgeheizt und/oder auf einer höheren Temperatur als die andere Hälfte 58 gehalten werden, sodass das Schäumungsmittel in dem an die heißere Formhälfte 58 angrenzenden Abschnitt der Vorformteil 62 reagiert und expandiert, bevor dann das Schäumungsmittel in dem an die kühlere Formhälfte 58 angrenzenden Abschnitt des Vorformteils 62 reagiert und expandiert.
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Die Produktion von Vorformteilen durch Extrusion (oder ein anderes Strangherstellungsverfahren) haben auch den Vorteil einer verbesserten Durchgangsdickenhomogenität innerhalb des Vorformteils 62 und des Paneels 10 als Folge davon, dass das Vorformteil 62 frei von Spalten, Falten usw. ist, die bei aus gestapelten Schichten erzeugten Vorformteilen entstehen können. Das extrudierte Vorformteil 62 ist auch weniger anfällig für Verschmutzung und Fremdobjektbeschädigung (FOD), die während der Handhabung von Schichten eingeführt werden können und kann mit einer geringeren Oberfläche im Vergleich zu gestapelten Schichten produziert werden. Das Vorformteil 62 kann auch ein besser handhabbares Rohmaterial zur Massenplatzierung bereitstellen. Das Vorformteil 62 kann auch mit einer In-situ-Texturierung produziert werden, die den Kontakt mit den Oberflächen der Formhohlräume 66 verringert. Schließlich kann der Formhohlraum 66, der die Oberflächen 20 des Paneels 10 definiert, mit Rippen 72 (6) oder anderen Oberflächenmerkmalen versehen werden, die in der Lage sind, Strömungskanäle 74 in der Oberfläche 20 des Paneels 10 (2) zu produzieren, um den Fluss von Kleber während der Verklebung des Paneels 10 mit ihrer tragenden Struktur 60 zu fördern.
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Obwohl Vorstehendes das Vorformteil 62 als so produziert beschreibt, dass es eine ausreichende Dicke zum Produzieren eines Paneels 10 hat, liegt es auch innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, dass mehrere in der vorstehenden Weise produzierte Vorformteile 62 gestapelt werden können, um ein Paneel 10 zu produzieren. Beispielsweise könnten relativ dünne Vorformteile 62 in einem vorbestimmten Muster übereinandergelegt werden, um ein Rohvorformteil zu produzieren, das anschließend in einer Form gehärtet werden kann.
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Obwohl die Erfindung in Form spezifischer Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es ersichtlich, dass weitere Formen von einem Fachmann übernommen werden könnten. Beispielsweise könnten sich die physische Ausgestaltung des Paneels 10, der Deckbandanordnung 12 und des Vorformteils 62 von den dargestellten unterscheiden und andere als die angegebenen Verfahren könnten angewendet werden. Daher ist der Schutzumfang der Erfindung nur durch die nachstehenden Ansprüche zu begrenzen.
