DE1704705B2 - Verfahren zur herstellung eines verschiedene materiallagen aufweisenden zylindrischen koerpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt bei der Herstellung von gegenüber hohen Temperaturen und Verschleiß widerstandsfähigen und insbesondere abschmelzbaren Teilen, die zu diesem Zweck eine besondere Anordnung und Ausrichtung der Fasern erfordern.

Solche Teile werden insbesondere bei Raketenantrieben benötigt. Sie haben hohe Schmelzpunkte und sollen bei hohen Temperaturen gleichmäßig abschmelzen. Dabei besitzen sie bei geringer Wärmeleitfähigkeit eine hohe Wärmeaufnahmefähigkeit, so daß sie auf der nicht beanspruchten Seite verhältnismäßig niedrige Temperatur behalten.

Im allgemeinen handelt es sich dabei um zusammengesetzte Bauteile, bei denen hitzebeständige Fasern in temperaturbeständiges Harz eingebettet sind. Die hitzebeständigen Fasern bestehen typischerweise aus Silikatglas, Asbest, Kohlenstoff, Graphit oder aus anderen Elementen oder Oxyden mit der gewünschten Festigkeit. Leitfähigkeit und Temperatureigenschaft. Bisher hat man Teile der in Rede stehenden Art nach den verschiedensten Verfahren von der Pressung mit willkürlicher Faseranordnung bis zu komplexen Zusammenstellungen hergestellt.

Wo geringes Gewicht gefordert wird, erzielt man die bes.en Festigkeits- und Verschleißeigenschaften, wenn man die Lage und Ausrichtung der einzelnen Fasern gegenüber der Verschleißfläche in bestimmter Weise steuert. Dabei hat sich besonders die Anordnung von Gewebematerialien bewährt, da diese leicht zu handhaben sind und durch den Faserverbund eine bestimmte Festigkeit erzielt wird. Die Fasern werden dabei derart unter einem bestimmten Winkel zur Verschleißfläche angeordnet, daß sie während des Verschleißvorganges (der »Ablation«) auf ihrer ganzen Länge abschmelzen oder verdampfen. Dadurch erhält die gesamte Anordnung eine größere Standzeit und neigt auch weniger zur Auflösung.

Die meisten Teile solcher Zusammensetzung bestehen aus dickwandigen Rotationskörpern, wie z. B. aus zylindrischen Düsen, aus sich erweiternden Randteilen oder aus Gaskegeln für Düsenanordnungen, aus Nasenkegeln und Hitzschilden. Die Neigungswinkel der Gewebelagen zur Drehachse dos Körpers werden entsprechend dem jeweiligen Anwendungszweck ausgewählt. So können die Gewebelagen in Richtung des Gasstromes mit einem Neigungswinkel der einzelnen Gewebelagen gegenüber der Längsachse des Körpers im Bereich vor 10 bis 90° konvergieren. Dabei liegt eine größere Anzahl von Material- oder Gewebelagen übereinander.

Bei der Herstellung von Teilen der in Rede stehenden Art in größerer Anzahl, haben sich nun Schwierigkeiten ergeben. So ergeben sich insbesondere bei flachen Neigungswinkeln der Materiallagen gegenüber der Längsachse der Körper im Falle dickerer Bauteile leicht Schrumpfungen oder Leerstellen, die das Teil unbrauchbar machen können. Das gilt insbesondere, wenn mit Harz getränkte Teile der in Rede stehenden Art gehärtet und durch gleichmäßige Druckausübung nach innen verdichtet werden. Dabei werden insbesondere an der Außenseite von gewickelten Teilen die Fasern verkürzt und können dann im Zusammenhang mit den bei der Härtung freiwerdenden Gasen die unerwünschten Leerstellen erzeugen.

Trotz der hohen Kosten der für Teile der in Rede stehenden Art verwendeten Materialien hat sich bisher teilweise nur ein sehr geringer Anteil des eingesetzten

Materials in den hergestellten Teilen nutzen lassen, während eine vergleichsweise große Menge ais kurzfaseriger Verschnitt oder dgl. anders verwendet oder fortgeworfen werden mußte.

Die Probleme sind besonders groß, wenn der Neigungswinkel der Material- oder öewebelagen etwa 5 bis 6° betragen soll.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung hitze- und korrosionsbeständiger Bauteile zu schaffen, bei welehern die Fasernausrichtung und Fasernanordnung genau bestimmt ist. Dabei sollen unerwünschte Leerstellen und Schrumpfungen vermieden werden und es soll auch eine gute Materialausnutzung erfolgen.

Ausgehend von einem Verfahren zur Herstellung eines verschiedene Materiallagen aufweisenden zylindrischen Körpers, bei dem die Materiallagen gestapelt und in gestapeltem Zustand auf hohe Dichte verdichtet werden, wird zur Lösung der Aufgabe erfindungsgemäß vorgesehen, daß zur Herstellung eines hitzebeständigen zylindrisenen Körpers mit unter kleinem Winkel gegenüber der Längsachse des Körpers angeordneten Materialtagen zunächst eine Anzahl dünnwandige hohle Kegelkörper mit einem dem gewünschten Neigungswinkel entsprechenden Kegelwinkel ineinander gestapelt und dann zusammengepreßt werden, woraufhin man den zusammengepreßten Stapel in Ebenen quer zu seiner Längsachse zerteilt und die Teile durch lneinanderstecken zu einem zylindrischen Körper neu zusammenfügt, bei dem alle Materiallagen ihren ursprünglichen Neigungswinkel gegen die Längsachse des Körpers beibehalten, und daß dann der Körper auf seine Enddichte gebracht wird.

Ein derart hergestellter Korpci zeichnet sich dadurch aus, daß bei ihm die Materiallagen durch und durch gleichmäßige Neigung gegenüber der Längsachse des Körpers haben und Leer- und Schrumpfstellen vermieden sind. Dabei ist eine volle Ausnutzung des eingesetzten Materials möglich, und das alles auch dann, wenn der Neigungswinkel der Materiallagen nur 5 oder 6^r gegenüber der Längsachse beträgt.

Zum Stande der Technik ist im übrigen auf die US-Patentschrift 32 15 762 zu verweisen, die sich mit der Herstellung von Webschützen aus faserverstärktem Kunststoffmaterial befaßt. Nach dieser US-Patentschrift wickelt man zunächst mehrere Gewebelagen um eine freigelassene Mittelöffnung aufeinander, drückt den so entstandenen Körper bis auf eine flache Mittelöffnung zusammen, legt in die flache Mittelöffnung dann weitere aufeinandergewickelte und flachgedrückte Gewebelagen ein und schneidet dann den harzgetränkten Körper in verschiedene Stücke, die je für sich zu einem Webschützen fertiggestellt werden. Dieser Druckschrift sind keine Anhaltspunkte zu entnehmen, wie man der bei der Herstellung von hitzebeständigen Körpern der hier in Rede stehenden Art auftreienden Schwierigkeiten Herr werden solle.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Hauptanspruch gekennzeichneten Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Dazu wird bemerkt, daß sich das Prinzip der Unterteilung eines konischen Körpers quer zur Längsachse in verschiedene Teile, die man dann unter Beibehaltung des Neigungswinkels der einzelnen Materiallagen ineinander steckt und zu einem dichten Körper formt, auch für die Herstellung langgestreckter Bauteile eignet. Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung anhand von Zeichnungen.

F i g. 1 ist eine teilweise aufgebrochene Schaubilddarstellung eines dickwandigen, hohlen und zylindrischen Verschleißkörpers mit einem 6°-Neigungswinkel von darin enthaltenen Materiallagen gegenüber der Längsachse.

F i g. 2 zeigt deutlicher die Neigung der einzelnen Materiallagen.

F i g. 3 ist ein Blockdiagramm einzelner Verfahrensstufen.

Fig.4 ist eine vereinfachte Schaubilddarstellung einer mechanischen Vorrichtung zum lneinanderstapeln und Zusammenpressen von Kegelkörpern.

F i g. 5 zeigt einen zusammengepreßten Stapel von hohlen Kegelkörpern.

F i g. 6 zeigt einen Schnitt durch den Stapel aus F i g. 5 mit einem Zerteilungsschema.

Fig.7 zeigt einen Schnitt durch die in anderer Anordnung zusammengesteckten Teile des zerteilten Stapels aus F i g. 6, und zwar in einer Preßvorrichtung.

Der in F i g. 1 dargestellte, hohle, dickwandige zylindrische Körper 10 ist eine Raketendüse aus abschmelzbarem Material. Dieses besteht aus faserverstärktem Kunstharz. Der Körper hat eine im Vergleich zu einer minieren Bohrung große Wanddicke.

Der Korper besitzt einzelne, in einem Winkel von 6° zur Längsachse angeordnete Materiallagen.

Zur Herstellung des zylindrischen Körpers 10 werden zunächst einzelne Kegelkörper 16, die aus vorimprägnierten Gewebe-Materiallagen mit einer Nahtlinie 17 gefaltet sind und einen 6°-Neigungswinkel ihrer Wandung gegenüber der Längsachse haben, zu mehreren aufeinandergestapelt, um einen Stapel der in Fig. 5 gezeigten Art zu bilden. Dabei kommen die Nahtlinien 17 in verschiedenen Winkellagen zu liegen.

Das Stapeln der Kegelkörper 16 erfolgt innerhalb einer Stapelvorrichtung mit einem kegelförmigen Dorn 20, einer Matrize 23, einem Druckstempel 22 und einem begrenzenden Zylinder 25. Der zusammengepreßte Stapel von Kegelkörpern ist in F i g. 5 insgesamt mit 30 bezeichnet.

Je nach dem eingesetzten Gewebematerial und Imprägnierungsmaterial werden die gestapelten Kegelkörper einer Druck- und Temperaturbehandlung unterworfen, um die Materiallagen auf mehr als 90% der gewünschten Enddichte des zylindrischen Körpers zu verdichten. Für mit Silikatglas verstärktes Phenolharz werden Temperaturen von 82°C und Drücke von 211 kp/cm² angewendet. Der Druck wirkt zwischen dem Dorn 22 und der Matrize 23 ein. Das in dem Materia! enthaltene Phenolharz geht bei der Temperatur- und Druckbehandlung von dem Α-Zustand in den B-Zustand über.

Der auf diese Weise hergestellte Stapel von Kegelkörpern wird dann an verschiedenen, in der Längsrichtung des Stapels angeordneten Stellen in einzelne, gleichlange Teile 33,34 und 35 unterteilt, die in F i g. 6 dargestellt sind. Wie F i g. 7 veranschaulicht, lassen sich diese Teile dann zu einem vollzylindrischen Körper zusammenfügen, indem man den spitzen Kegelteil 35 in das Mittelteil 34 einsetzt und das Mittelteil 34 mit darin befindlichem Kegelteil 35 in den Endteil 33 einsetzt. Alle Teile halten dabei offensichtlich ihre Orientierung bei, so daß die Materialschichten in dem gebildeten zylindrischen Körper alle nach wie vor die 6°-Neigung gegenüber der Längsachse aufweisen. Vor dem Ineinanderfügen können die Flächen der einzelnen Teile des Stapels bearbeitet werden, um sie beim lneinanderstecken eng aneinander anliegen zu

assen.

Den so hergestellten zylindrischen Körper setzt man dann gemäß F i g. 7 in eine von einem Hydroklaven 40 eebildete Preßvorrichtung ein und behandelt ihn bei steigenden Temperaturen und Drücken.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 1,1 \°C pro Minute angehoben und der Druck mit 3,5 kp/cm² pro Minute heraufgesetzt. Bei einer Temperatur von 65,6°C ist ein Druck von 3,52 kp/cm² erreicht; bei einem Druck von 35,2 kp/cm² beträgt die Temperatur 76,7°C, während bei einem Enddruck von 70,3 kp/cm² eine Temperatur von 82°C bis 88°C erzielt ist.

Zur abschließenden Aushärtung des Phenolharzes in den Zustand C kann die Temperatur auf 160° gesteigert und danach eine Abkühlung bis auf Raumtemperatur vorgenommen werden. Die Druck- und Temperaturbehandlung erfolgt je nach den Erfordernissen des eingesetzten Materials.

Nach Herstellung des zylindrischen Körpers werden jene Bereiche ausgebohrt, welche die Spitze der einzelnen Kegel 16 bilden, so daß man dann die in F i g. 1 gezeigte hole Raketendüse erhält.

Das hier erläuterte Verfahren läßt sich offensichtlich auch zur Herstellung anderer Bauteile für Tiegelfutter, Wärmetauscher, Ventile, Leitungen, Öfen und dgl. heranziehen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines verschiedene Materiallagen aufweisenden zylindrischen Körpers, bei dem die Materiallagen gestapelt und in gestapeltem Zustand auf hohe Dichte verdichtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines hitzebeständigen zylindrischen Körpers mit unter kleinem Winkel gegenüber der Längsachse des Körpers angeordneten Materialiagen zunächst eine Anzahl dünnwandige hohle Kegelkörper mit einem dem gewünschten Neigungswinkel entsprechenden Kegelwinkel ineinander gestapelt und dann zusammengepreßt werden, woraufhin man den zusammengepreßten Stapel in Ebenen quer zu seiner Längsachse zerteilt und die Teile durch Ineinanderstecken zu einem zylindrischen Körper neu zusammenfügt, bei dem alle Materiallagen ihren ursprünglichen Neigungswinkel gegen die Längsachse des Körpers beibehalten, und daß dann der Körper auf seine Enddichte gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Körper anschließend in Längsrichtung mit einem im Verhältnis zur Außenwand dünnen Bohrung versehen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß harzimprägniertes Gewebe als hitzebeständiges Material Verwendung findet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel durch eine Druck- und Temperatureinwirkung auf mehr als 90% der gewünschten Enddichte zusammengepreßt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammenpressung bei etwa 211 kp/cm² und einer Temperatur von etwa 280⁰C erfolgt.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel in Ebenen senkrecht zu seiner Längsachse unterteilt wird.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kleineren Stapelteile jeweils in einen passenden Innenhohlraum der größeren Stapelteile eingesteckt werden.

8. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesteckte zylindrische Körper bei steigenden Temperaturen und Drücken ausgehärtet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur etwa 1,1 l°C/Min. und der Druck um 3,52 kp/cm²/Min. angehoben werden.

10. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dau die hohlen dünnwandigen Kegelkörper mit einer 6°-Neigung ihrer Wandung gegenüber der Längsachse aus Gewebeabschnitten gefaltet werden.

11. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an der Wandung der einzelnen &> hohlen Kegelkörper in Längsrichtung verlaufende Nahtlinien beim Ineinanderstapeln jeweils winklig gegeneinander versetzt angeordnet werden.