DE1704705C3 - Verfahren zur Herstellung eines verschiedene Materiallagen aufweisenden zylindrischen Körpers - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines verschiedene Materiallagen aufweisenden zylindrischen KörpersInfo
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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 Temperaturbehalten.
Im allgemeinen handelt es sich dabei um zusammengesetzte
Bauteile, bei denen hitzebeständige Fasern in temperaturbeständiges Harz eingebettet sind. Die
hiizebeständigen Fasern bestehen typischerweise aus Silikalglas, 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 besten Festigkeits- und Verschleißeigenschaften, wenn
man die Lage und Ausrichtung der einzelnen Fasern gegenüber dei Verschleißfläche in bestimmter Weise
steuert. Dabei hat sich besonders die Anordnung von Gewebcmaterialien 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 Tei'e 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 des 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 von 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
'5
Materials in den hergestellten Teilen nutzen lassen,
während eine vergleichsweise große Menge als kurzfaseriger Verschnitt oder dgl anders verwendet
oder lortgeworfen werden mußte.
Die Probleme sind besonders groß, wenn der Neigungswinkel der Material- oder Gewebelagen etwa
5 bis 6 ' betragen soll.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung hitze- und
korrosionsbeständiger Bauteile zu schaffen, hei welchem die Fasernausrichtung und Fasernanordnung
genau bestimmt ist. Dabei sollen unerwünschte Leerstellen und Schrumpfungen vermieden werden und es
soll auch eine gute Materialausnutzung erfolgen.
Ausgehend ^On 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 zylindrischen Körpers mil unter kleinem Winkel
gegenüber der Längsachse des Körpers angeordneten Materiallagen 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.
Ein derart hergestellter Körper 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 Materiallager! nur 5 oder 6° 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 Kunstsioffmaterial 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 Mittelöff-
35
45 F i g. 1 ist eine teilweise aufgebrochene Schaubilddarstellung
eines dickwandigen, hohlen und zylindrischen Verschleißkörpers mit einem 6C-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 isi eine vereinfachte Schaubilddarstellung
einer mechanischen Vorrichtung zum lnemanderstapeln und Zusammenpressen von Kegelkörpern.
F i g. 5 zeigt einen zusammengepreßten Stapel von hohlen Kegelkörpern.
F i g. b zeigt einen Schnitt durch den Stapel aus F i g. 5 mit einem Zerteilungsschema.
F i g. 7 zeigt einen Schnitt durch die in anderer Anordnung zusammengesteckten Teile des zerteilten
Stapels aus F 1 g. 6, und zwar in einer Preßvorrichtung.
Der in Fig. 1 dargestellte, hohle, dickwandige zylindrische Körper JO ist eine Rakelenduse aus
abschmelzbarem Material. Dieses besteht aus faserverstärktem Kunstharz. Der Körper hat eine im Vergleich
zu einer mittleren Bohrung große Wanddicke.
Der Körper 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 b°-Neigungswinkel ihrer
Wandung gegenüber der Längsachse haben, zu mehreren ^ifeinandergestapelt. 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 Fig. 5 insgesamt mit 30 bezeichnet.
|e nach dem eingesetzten Gewebematerial und Imprägnierungsmaterial werden die gestapelten Kegclkörper
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 820C und Drücke von
211 kp/cm2 angewendet. Der Druck wirkt zwischen dem
Dorn 22 und der Matrize 23 ein. Das in dem Material
nune dünn weitere aufeinandergewickelte und flachge- 50 enthaltene Phenolharz geht bei der Temperatur- und
~ ' „ . , ■ 1 1 ■ 1 . 1 , t-^ Ii 1 .11 I A -7... . Λ :« ,4«« D 7,irinn/l
drückte Gewebelagen ein und schneidet dann den harzgelränkten 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 auftretenden Schwierigkeiten Herr werden solle.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Hauptanspruch gekennzeichneten Erfindung
sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Da7i; ^
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 ein'einen Materiallagen
ineinander steckt und zu einem dichten Korper formt, auch für die Herstellung langgestreckter Bauteile eignet.
Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispicles
der Erfindung anhand von Zeichnungen.
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 ü?n
Fndtei! 33 einsetzt. Alle Teile halten dabei offensichtlich ihre Orientierung bei, so daß die Materialschichten in
dem gebildeten zylindrischen Körper alle nach wie vor
die β"-Neigung gegenüber der Längsachse aufweisen.
Vor dem Ineinanderfügen können die Flächen der einzelnen Teile des Stapels bearbeitet werden, um sie
beim Ineinanderstecken eng aneinander anliegen zu
lassen.
Den so hergestellten zylindrischen Körper setzt man dann gemäß Fig. 7 in eine von einem Hydroklaven 40
gebildete Preßvorrichtung ein und behandelt ihn bei steigenden Temperaturen und Drücken.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 1,1 PC pro
Minute angehoben und der Druck mit 3,5 kp/cm2 pro Minute heraufgesetzt. Bei einer Temperatur von 65,63C
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)
1. Verfahren zur Herstellung eines verschiedene Materiallagen aufweisenden zylindrischen Körpers,
bei dem die Materiallagen gestapel' 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 Materiallagen 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 Ineinandersteckei. zu einem zylindrischen
Körper neu zusammenfügt, bei dem alle Materiallagen ihren ursprünglichen Neigungswinkel
gegen die Längsachse des Körpers beibehahen, 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 Endd>chte zusammengepreßt
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusaminenpressung bei etwa
211 kp/cm2 und einer Temperatur von etwa 280cC
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, daß 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.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US55648266 | 1966-06-09 | ||
DEH0062965 | 1967-06-09 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1704705C3 true DE1704705C3 (de) | 1977-05-12 |
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