DE1621331A1

DE1621331A1 - Method and device for the production of a fiber-reinforced metal matrix

Info

Publication number: DE1621331A1
Application number: DE19671621331
Authority: DE
Inventors: Baker Alan Anthony
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1966-09-23
Filing date: 1967-09-22
Publication date: 1971-05-13
Also published as: CH470485A; BE704242A; GB1139817A; SE357581B

Description

PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS

DIPL.-ING. CURT WALLACHDIPL.-ING. CURT WALLACH DIPL-ING. GÜNTHER KOCH 1621331DIPL-ING. GÜNTHER KOCH 1621331 DR. TINO HAIBACHDR. TINO HAIBACH

8 München 2, 22. September 19678 Munich 2, September 22, 1967

UNSER ZEICHEN: \ 1Q41 —OUR MARK: \ 1Q41 -

Rolls-Royce Limited, Derby, Derbyshire, England.Rolls-Royce Limited, Derby, Derbyshire, England.

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer faserverstärkten MetallmatrixMethod and device for producing a fiber-reinforced Metal matrix

Die Erfindung bezieht sich auf die Formgebung und Elektroplattie rung von Faserstoffen und sie bezieht sich außerdem auf die Herstellung eines zusammengesetzten Materials, bestehend aus einer xas£ faserverstärkten Metallmatrix.The invention relates to the shaping and electroplating of fibrous materials and it also relates to the manufacture of a composite material consisting of an xas £ fiber reinforced metal matrix.

Gemäß der Erfindung wird eine faserverstärkte Metallmatrix dadurch hergestellt, daß eine Faser auf einen Formkörper aufgewickelt und gleichzeitig mit einem Metall überzogen wird.According to the invention, a fiber-reinforced metal matrix is produced by placing a fiber on a shaped body is wound up and coated with a metal at the same time.

Unter dem Ausdruck "Faser" soll sowohl eine Einzelfaser als auch ein Faserbündel verstanden werden.The term "fiber" is to be understood as meaning both a single fiber and a fiber bundle.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der Metallüberzug durch elektrolytische Ablagerung aufgebracht und unter dem Ausdruck "Metall" soll auoh eine Metallegierung verstanden werden. Die Fasern sind vorzugsweise kohlenstoffhaltige oder Bor-Fasern. According to a preferred embodiment of the invention, the metal coating is applied by electrolytic deposition and the term "metal" is also intended to mean a metal alloy. The fibers are preferably carbonaceous or boron fibers.

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Das Material kann auf irgendeine gewünschte Gestalt gewickelt werden, indem ein geeignet gestalteter Formkörper fozw. Kern benutzt wird. Bevorzugte Gestalten sind zylindrisch, sphärisch, konisch oder flache Streifen.The material can be wound in any desired shape are by a suitably designed molded body fozw. core is used. Preferred shapes are cylindrical, spherical, conical or flat stripes.

Demgemäß umfaßt die Erfindung ein. Verfahren, durch welches die Faserlänge veranlaßt wird* eine vorgewählte Gestalt anzunehmen und zwar unter Leitfähigkeitsbedingungen der Elekrtr©ablagerung des leitfähigen Metalls auf der Faser, bevor und während diesem besagte vorgewählte Gestalt annimmt, und außerdem umfaßt die' Erfindung ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens.Accordingly, the invention includes. Process by which the fiber length is caused * to assume a preselected shape namely under the conductivity conditions of the Elekrtr © deposit of the conductive metal on the fiber before and during this assumes said preselected shape and the invention also includes apparatus for carrying out the method.

Vorzugsweise weist das Gerät einen Tank auf, der einen Elektrolyten enthält, bestehend aus einer Lösung eines Metalls* das auf den Fasern abgelagert werden soll.The device preferably has a tank which contains an electrolyte consisting of a solution of a metal * the to be deposited on the fibers.

Vorzugsweise sind Mittel vorgesehen, um den Elektrolyten dauernd wirksam zu erhalten, so daß eine dauerhafte Dispersion des Elektrolyten auf den Fasern erhalten wird.Means are preferably provided to keep the electrolyte permanently effective to obtain, so that a permanent dispersion of the Electrolyte is retained on the fibers.

Über dem Tank kann ein Führungsrahmen angeordnet sein* der eine Brücke über der Mitte des Behälters gleitbar hält. Die Brücke trägt eine drehbare Form oder einen drehbaren Kern für die Faser am unteren End@_a so daß beim Herablassen der Brücke innerhalb der Führung der Kern in den den Elektrolyten enthaltenden Tank eingetaucht wird=A guide frame can be arranged above the tank, which holds a bridge slidably over the center of the container. The bridge carries a rotatable form or a rotatable core for the fiber at the lower end @ _a so that when the bridge is lowered within the guide, the core is immersed in the tank containing the electrolyte =

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Vorzugsweise sind Mittel vorgesehen, durch die der Kern bzw. der Formkörper in eine Drehung mit vorgewählter Drehzahl versetzt wird. Dieser Antrieb besteht wenigstens teilweise aus nichtleitfähigen, chemisch inerten Bauteilen.Means are preferably provided by which the core or the shaped body is set in rotation at a preselected speed will. This drive consists at least partially of non-conductive, chemically inert components.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Brücke in der Weise abgewandelt, daß sie die Faser so trägt, daß diese seitlich verschoben werden kann, während sie auf den Kern oder den Formkörper aufgewickelt wird- Dadurch wird gewährleistet, daß eine gleichmäßige Ablagerung der Faser auf dem Formkern erzielt wird. Durch einen Kraftantrieb wird die seitliche Bewegung bewirkt und es sind weiter Mittel vorgesehen, um selektiv die Querbewegung umzukehren.According to another embodiment of the invention, the bridge is modified in such a way that it carries the fiber so that it can be moved sideways while it is being wound onto the core or molded body - this ensures that a uniform deposition of the fiber on the mandrel is achieved. The lateral movement is effected by a power drive and means are also provided to selectively reverse the transverse movement.

Vorzugsweise sind Mittel vorgesehen, durch welche die Fasern gereinigt werden können und im Falle der Verwendung nicht leitfähiger Fasern kann ein Oberzug aus leitfähigem Material auf der Faser abgelagert werden. Diese Sehritte werden durchgeführt, nachdem die Faser von ihrer Vorratsspule od.dgl. abgezogen ist und bevor sie die Brücke erreicht hat. Als Reinigungsmittel kann beispielsweise eine lOJßige Lösung von Natrium Hydroxyd benutzt werden und der leitfähige Überzug kann Quecksilber sein.Means are preferably provided through which the fibers Can be cleaned and in the case of use non-conductive Fibers can have an overlay of conductive material on the fiber be deposited. These steps are carried out after the fiber or the like from its supply spool. is withdrawn and before she has reached the bridge. A 10% solution of sodium hydroxide, for example, can be used as a cleaning agent and the conductive coating can be mercury.

Vorzugsweise wird eine Endreinigung der Faser vorgenommen, bevor die ElektroplattLerung einsetzt und diese Reinigung besteht aus einer KalkwasserbesprMnang der Faser, wenn diese nach der Brücke hin bewegt wird.A final cleaning of the fiber is preferably carried out before the electroplating begins and this cleaning consists of a lime water spray on the fiber, if this is after the bridge is moved towards.

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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen: Pig. 1 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Gerätes, Fig. 2 eine Rückansicht des Gerätes,
Pig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 gemäß Fig.2, Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines-von zwei Kragenbauteilen, die im Abstand zueinander um den Kern herum angeordnet sind,Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the drawing. In the drawing show: Pig. 1 is a front view of a device according to the invention, FIG. 2 is a rear view of the device,
Pig. 3 shows a section along the line 3-3 according to FIG. 2, FIG. 4 shows a perspective view of one of two collar components which are arranged around the core at a distance from one another,

Pig. 5 eine andere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Gerätes, das für noch schwietigere Wicklungen geeignet ist.Pig. 5 another embodiment of a device according to the invention, which is suitable for even more difficult windings.

Im folgenden wird zunächst auf Pig.l der Zeichnung bezuggenommen. Auf einem Basisbauteil XO ist ein Tank 11 angeordnet, der den Elektrolyten aufnimmt. Eine Brücke 12 ist über dem Tank 11 zwischen Führungsrahmen 13 aufgehängt. Die Brücke 12 dient dazu, eine Fasersträhne 15 aufzunehmen, die von einer Haspel 16 über ein Gefäß 17, das leitfähiges Material, z.B. Quecksilber, enthält, und über ein weiteres Gefäß 18, das eine Reinigungslösung, z.B. 10#iges Natrium-Hydroxyd, zugeführt wird.In the following, reference is first made to Pig.l of the drawing. A tank 11, which holds the electrolyte, is arranged on a base component XO. A bridge 12 is suspended above the tank 11 between guide frames 13. The bridge 12 is used to receive a strand of fiber 15 which is fed from a reel 16 via a vessel 17 containing conductive material, such as mercury, and via a further vessel 18 containing a cleaning solution, such as 10 # sodium hydroxide will.

Eine Wassersprühdüse 19 gewährleistet das Auswaschen von Fremdkörpern aus dem Faserstrang 15, bevor die Faser geformt und elektroplattiert wird.A water spray nozzle 19 ensures the washing out of Foreign matter from the fiber strand 15 before the fiber is formed and electroplated.

Die Brücke 12 erhält den Faserstrang 15 über eine Umlenkrolle 20 und trägt den Faserstrang über eine weitere, auf einem Träger 22 gelagerte Rolle 21.The bridge 12 receives the fiber strand 15 via a pulley 20 and carries the fiber strand via a further roller 21 mounted on a carrier 22.

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Der Träger 22 wird seitlich beweglich zwischen den Schienen 23,24 über Rollen 26 (Fig.2) getragen. Die Schienen 23,24 sind mit ihren Enden in Bauteilen fixiert, die auf den Seitenstücken der Brücke 12 gelagert sind. Eine weitere Schiene 27 ist in der Nähe des unteren Endes der Brücke 12 vorgesehen und ein Träger 22 wird durch diese Schiene über weitere Rollen 28 getragen.The carrier 22 is laterally movable between the rails 23, 24 carried over rollers 26 (Fig. 2). The rails 23,24 are with their ends fixed in components that are mounted on the side pieces of the bridge 12. Another rail 27 is nearby of the lower end of the bridge 12 and a carrier 22 is carried by this rail via further rollers 28.

Ein Motor 29 ist auf einer Seite der Brücke 12 angeordnet und antriebsmäßig mit einer Schneckenwelle 30 verbunden, die in Gleitlagern 31 zwischen den Seitenteilen der Brücke 12 gelagert ist. Die Schneckenwelle 30 steht in Eingriff mit einer Schraubspindelmutter, die in einem sich nach oben erstreckenden Abschnitt des Trägers 22 vorgesehen ist, so daß bei Drehung der Schneekenwelle 30 durch den Motor 29 diese Drehbewegung in eine Linearbewegung des Trägers 22 übertragen wird.A motor 29 is arranged on one side of the bridge 12 and is drivingly connected to a worm shaft 30 which is shown in FIG Plain bearings 31 mounted between the side parts of the bridge 12 is. The worm shaft 30 is in engagement with a screw nut which is in an upwardly extending portion of the carrier 22 is provided so that upon rotation of the Schneekenwelle 30 by the motor 29 this rotary movement into a Linear movement of the carrier 22 is transmitted.

Die Querverschiebung begrenzende Mikrosehalter 31*32 steuern die Länge der Querverschiebung des Trägers 22 und diese sind über der Schneckenwelle 30 so angeordnet, daß, sobald der Träger 22 die erforderliche Distanz in einer Richtung zurückgelegt hat, der obere Abschnitt des nach oben vorstehenden Teiles des Trägers 22 den Mikrosehalter 31 berührt, der bewirkt, daß der Motor 20 seine Drehrichtung umkehrt, so daß die Schneckenwelle sich ebenfalls in umgekehrter Richtung dreht und dadurch den Träger 22 in seine Ausgangsstellung zurückführt.Control the transverse displacement limiting microscope holders 31 * 32 the length of the transverse displacement of the carrier 22 and these are arranged above the worm shaft 30 so that as soon as the carrier 22 has traveled the required distance in one direction, the upper portion of the upward protruding part of the Support 22 touches the microscope holder 31, which causes the Motor 20 reverses its direction of rotation, so that the worm shaft also rotates in the opposite direction and thereby the Carrier 22 returns to its original position.

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Demgemäß wird auch die Paser 15, die an einem Punkt durch die am Träger 22 drehbar gelagerte Rolle 21 gehaltert wird, in der gleichen Richtung wie der Träger 22 bewegt. Die Faser 15 läuft über die Rolle 21 und erstreckt sich nach unten nach dem Formkern 24, an dessen einem Ende die Faser 15 befestigt ist.Accordingly, the Paser 15, which at one point by the on the support 22 rotatably mounted roller 21 is supported, moved in the same direction as the support 22. The fiber 15 runs over the roller 21 and extends downward to the mandrel 24, at one end of which the fiber 15 is attached.

Der Formkern 34 ist drehbar in Gleitlagern 35,36 in den Seitenteilen der Brücke 12 gelagert. Ein angetriebenes Zahnrad 37 aus elektrisch nicht-leitfähigem, chemisch inertem Material ist drehfest auf der Achse des Formkörpers 34 aufgesetzt und wird von einem Motor 38 über Stirnräder 39*40,41 angetrieben. Der Motor und die Stirnräder sind auf der Außenseite bzw. der Innenseite der Seitenteile der Brücke 12 angeordnet.The mold core 34 is rotatable in slide bearings 35,36 in the side parts the bridge 12 stored. A driven gear 37 made of electrically non-conductive, chemically inert material is rotatably mounted on the axis of the molded body 34 and is driven by a motor 38 via spur gears 39 * 40,41. Of the The motor and the spur gears are arranged on the outside and the inside of the side parts of the bridge 12, respectively.

In der Zeichnung nicht-dargestellte Synchronisiermittel bewirken einen synchronen Lauf der Motoren 29 und 38 derart,- dass der Motor 29 den Träger 22 querverschiebt und der Motor 38 den Formkörper 34 dreht, wobei die Geschwindigkeiten derart aufeinander abgestimmt sind, daß eine Faser 15 schraubenlinienförmig auf dem Formkörper 34 so aufgewickelt wird, daß benachbarte Windungen einander berühren.Effect synchronizing means not shown in the drawing a synchronous run of the motors 29 and 38 such, - that the The motor 29 moves the carrier 22 transversely and the motor 38 rotates the molded body 34, the speeds being superimposed in this way are matched that a fiber 15 is helically wound on the molded body 34 so that adjacent Coils touch each other.

Es hat sich gezeigt, daß, wenn die Faser 15 zu harten Schultern an jedem Ende des Formkörpers aufgewickelt wird, unzweckmäßige Kanten an dem so hergestellten Körper erzeugt werden. Deshalb ist ein Kragen 39 (Fig.4) im radialen Abstand über jedem Ende des Formkörpers 34 angeordnet und der Abstand zwischen den Innen-It has been found that if the fiber 15 is wound into hard shoulders at each end of the molded article, it is inconvenient Edges are generated on the body produced in this way. Therefore a collar 39 (Fig.4) is radially spaced over each end of the Shaped body 34 arranged and the distance between the inner

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flächen des Kragens ist gleich der erforderlichen Länge des fertigen herzustellenden Bauteils.areas of the collar is equal to the required length of the finished component to be produced.

Jeder Kragen 39 beäteht aus einem nicht-leitfähigem,chemisch-in&ertem Material und wird starr über eine Schiene AQ und einen Block 4l getragen, der an dem entsprechenden unteren Ende der Brücke 12 festgeschraubt ist.Each collar 39 is made of a non-conductive, chemically-inert Material and becomes rigid via a rail AQ and a block 4l worn on the corresponding lower end of the bridge 12 is screwed tight.

Wenn das Gerät aufgestellt ist, dann wird die Brücke 12 mit den zugehörigen Teilen in den Elektrolyten abgesenkt,bis der Formkörper J4 vollständig eingetaucht ist. Der Wickelprozeß beginnt und die Faser 15 wird demgemäß elektroplatfcLert, wenn sie durch den Elektrolyten nach dem Formkörper verläuft und dann, wenn sie um den Formkörper herumgewickelt wird.When the device is set up, the bridge 12 with the associated parts is lowered into the electrolyte until the shaped body J4 is completely submerged. The winding process begins and the fiber 15 is accordingly electroplated when it passes through the Electrolyte runs after the shaped body and then when it is around the molded body is wrapped around.

Dieses Verfahren wird fortgesetzt, bis ein Körper der erforderlichen Dicke hergestellt ist und dann wird die Brücke 12 angehoben und der Formkörper ~$k wird entfernt und der so hergestellte Faserkörper wird von dem Formkörper entfernt. Wenn eine Faser aus leitfähigem Material benutzt wird, um das Werkstück herzustellen, dann kann das Gefäß 17, das einen leitfähigen Überzugwerkstoff enthält, wegfallen.This process is continued until a body of the required thickness is made and then the bridge 12 is raised and the shaped body ~ $ k is removed and the fiber body thus produced is removed from the shaped body. If a fiber of conductive material is used to make the workpiece, then the vessel 17 containing a conductive coating material can be omitted.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.5 ist das Arbeitsprinzip das gleiche wie bei dem obenbeschriebenen Ausführungsbeispiel, jedoch zeigt das Gerät eine etwas andere Gestalt und hiermit können sphärische oder andere im wesentlichen geschlossene Körper gewickelt werden.In the embodiment of Figure 5, the working principle is the same as in the embodiment described above, but the device shows a somewhat different shape and can herewith spherical or other substantially closed bodies are wound.

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Der Formkörper 50 ist auf einer Vertikalwelle 51 über eine Keilverbindung 52 gelagert, so daß im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Formkörpers verfügbar ist, auf der der Faden aufgewickelt wird. Wenn es erwünscht ist, einen im wesentlichen geschlossenen Körper herzustellen, dann wird ein aufblasbarer Formkörper oder ein solcher mit niedrigerem Schmelzpunkt als das Endprodukt benutzt und nach Beendigung des Herstellungsvorganges entfernt. Es können auch andere Verbindungsmittel vorgesehen werden, z.B. eine magnetische Einspannung. Die Faser 53 wird dem Formkörper von einem Zuführungsmechanismus 54 geliefert, der eine GrobzufUhrung bildet und von einem Kolbenantrieb bewegt wird. Ein Feinzuführungsmechanismus 55 ist außerdem vorgesehen und die Faser wird dem Formkörper von dem Feinzuführungsmechanismus in jenem Winkel zugeführt, in dem die Faser liegen muß und es wird eine bestimmte Zahl von Fäden pro Längeneinheit des Endproduktes durch diesen Teinzuführungsmechanismus geliefert.The shaped body 50 is mounted on a vertical shaft 51 via a spline connection 52, so that essentially the entire surface of the shaped body on which the thread is wound is available. If it is desired to produce a substantially closed body, then an inflatable molded body or one with a lower melting point is used as the final product and removed after the production process is complete. Other connecting means can also be provided, for example magnetic clamping. The fiber 53 is supplied to the shaped body by a feed mechanism 54 which forms a coarse feed and is moved by a piston drive. A fine feed mechanism 55 is also provided and the fiber is fed to the shaped body by the fine feed mechanism at that angle at which the fiber must lie and a certain number of threads per unit length of the end product is supplied by this fiber feed mechanism.

Der Formkörper 50 wird durch einen Motor 56 mit veränderbarer Drehzahl angetrieben, so daß zusammen mit der Differenzzuführungsgeschwindigkeit der Faser der Winkel,in dem die Faser auf dem Formkörper aufgewickelt wird, verändert werden kann.The molded body 50 is changed by a motor 56 with Speed driven so that along with the differential feed rate the fiber, the angle at which the fiber is wound on the molded body, can be changed.

Sowohl der Feinzuführungsmechanismus 55 als auch der Grobzuführungsmechanismus 5$ sind radial auf einem Kreuzbauteil 57 einstellbar, der auch den Motor 56 trägt.Both the fine feed mechanism 55 and the coarse feed mechanism 5 $ are radially adjustable on a cross member 57, which also carries the motor 56.

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Der Kreuzbauteil 57 wird in seiner Lage über dem Elektrolyttank 62 mittels Dübeln 58 gehalten und Ausgleichsgewichte 59 greifen an dem Bauteil 57 über eine Schnur 60 an, die über Rollen 6l läuft.The cross component 57 is held in its position above the electrolyte tank 62 by means of dowels 58 and counterweights 59 attack the component 57 via a cord 60 which runs over rollers 6l.

Das Gerät soll zur Plati&erung von Kohlenstoffasera mit Metall z.B. Nickel, Chrom oder einer Nickel-Chromlegierung benutzt werden, aber selbstverständlich kann die Vorrichtung auch zum Überziehen anderer Pasern, z.B. aus Silizium oder Bor,benutzt werden und es sind zahlreiche Metalle verfügbar, die elektrolytisch niedergeschlagen werden können, z.B. Kupfer, Blei oder Silber.The device is intended for plati & eration of carbon fiber with metal e.g. nickel, chromium or a nickel-chromium alloy can be used, but of course the device can also be used for plating other wires, e.g. made of silicon or boron, can be used and numerous metals are available that can be electrodeposited, e.g., copper, lead, or silver.

Anstatt durch elektrolytische Ablagerung könnten die Fasern auch durch ein nicht-elektrisches Verfahren oder durch eine Molecularablagerung, z.B. durch ein Dampfsprühverfahren im Vakuum, erzeugt werden.Instead of electrolytic deposition, the fibers could also by a non-electrical process or by molecular deposition, e.g. by a steam spray process in a vacuum.

Wenn andere Fasern und Überzüge-benutzt werden, muß cferauf geachtet werden, daß ein Überzug gewählt wird, der mit der Faser zusammenwirken kann, z.B. muß eine chemische Reaktion zwischen Faser und Überzug vermieden werden.If other fibers and coatings are used, care must be taken that a coating is chosen which can interact with the fiber, e.g. a chemical reaction between Fiber and coating are avoided.

Claims

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Claims

Patent claims:

1. Process for the production of a fiber-reinforced metal matrix, characterized in that a continuous paser is wound onto a shaped body and that at the same time the fiber is coated with a metal.

2. The method according to claim 1,

characterized in that the metal coating of the fiber is carried out by electrolytic deposition is produced.

5. The method according to claim 2, characterized in that that the winding process takes place while the shaped body is immersed in a bath which is filled with the electrolyte is.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the fiber is thereby wound onto the shaped body, that the shaped body is set in rotation and is displaced transversely relative to the fiber.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the size of the shaped body is chosen so that all final can be removed from the finished object, whereby almost closed objects can be produced.

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6. The method according to any one of the preceding claims, in that the fiber is a carbonaceous fiber.

7 device for the production of a fiber-reinforced metal matrix, according to claims 1 to 6,
characterized in that a tank is provided which has a solution of the metal to be deposited on the fiber, that a shaped body is rotatably mounted in the tank, that means are provided for feeding an endless fiber to the shaped body, that the shaped body is rotated and the . Fiber feed means are transversely displaceable relative to the shaped body, so that the fiber is wound onto the shaped body and at the same time coated with Mfcall

8. Device according to claim 7 *
characterized in that means are provided to change the speed of the transverse displacement of the fiber feed and the speed of rotation of the mandrel in order to be able to adjust the angle at which the fiber is wound onto the shaped body.

9. Apparatus according to claim 8,
characterized in that the shaped body is finally removable from the finished object, so that substantially closed bodies can be produced.

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10 ·. Device according to claim 9 # characterized in that the shaped body is inflatable.

11. The device according to claim 10, characterized in that that the shaped body consists of a material whose melting point is lower than the melting point of the Fiber of deposited metal.

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