DE19544804A1 - Verfahren zur Herstellung einer Anschlußverbindung an einem Verbundbauteil, das durch Fasern oder Fäden verstärkt wird - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Anschlußverbin­ dung an einem Verbundbauteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mittels Fasern verstärkte Kunststoffe werden u. a. für Bauteile an Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerken, eingesetzt. Faser-Verbund-Bauteile zeichnen sich im wesentlichen aus durch hohe mechanische Festigkeit, niedriges Eigengewicht und oftmals reduzierte Einbau-Volumina. Dabei sind die Fasern gänzlich oder über­ wiegend im Sinne der Hauptbelastung orientiert, d. h. bei einer Verdichter- oder Ge­ bläselaufschaufel, insbes. im Kernbereich, parallel zur Längs- bzw. Trägheitsachse der Schaufel.

Es bereitet Schwierigkeiten, derartige Verbundbauteile so zu gestalten bzw. zu ferti­ gen, daß eine mechanisch feste und stabile Verbindung mit einem weiteren tragenden Bauteil ermöglicht wird, ohne die grundsätzlich vorhandene Faser-Werkstoff-Struktur zu beeinträchtigen oder gar zu zerstören. Letzteres ist insbesondere dann der Fall, wenn man versucht, durch mechanische Abarbeitung geeignete Hakestrukturen oder Anschlußverbindungen ausbilden zu wollen. Letzteres z. B. durch mechanischen Einschnitt eines Gewindes oder von Aussparungen in relativ dazu senkrechte Faser­ strukturen. Abgesehen vom Arbeitsaufwand wird hierdurch die vorhandene Bauteil­ festigkeit geschwächt; es wird dabei im wesentlichen die Haltestruktur und die me­ chanische Festigkeit auf Gebiete reiner Kunstharzmatrix im Werkstoff eingeschränkt.

Zudem werden die von der Haltestruktur, also z. B. eines Schaufelfußes am Rotor geforderten speziellen form-, verschleiß- und belastungsspezifischen Anforderungen nicht berücksichtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer An­ schlußverbindung eingangs genannter Art derart anzugeben, daß ohne festigkeits­ mäßige Bauteilschwächung im Hinblick auf die grundlegend notwendige Faserorien­ tierung eine betriebsoptimale Anbindung von Stütz- oder Halterungsmitteln an das Verbundbauteil bei vergleichsweise einfacher Fertigung ermöglicht wird.

Die gestellte Aufgabe ist durch Patentanspruch 1 verfahrens- und erfindungsgemäß gelöst.

Die Erfindung vermeidet die eingangs vermerkten Nachteile bezüglich nachträglich mechanischer Ausarbeitung von Formen für eine Anschlußverbindung an einem Fa­ serverbundbauteil, nämlich Fertigungsaufwand und örtliche Zerstörung tragender Faserstrukturen sowie gegebenenfalls Aufspleißen des Fasermaterials. Die Anschluß­ verbindung am Verbundbauteil kann zahnartig (Anspruch 7) gestaltet werden, z. B. im Sinne eines Schaufelfußprofils in der Art eines Tannenbaumfußes, mit dem der übrige, im wesentlichen das Schaufelblatt enthaltende Teil einer Verdichterlaufschau­ fel über eine Axialnut an der Radscheibe eines Verdichters verankert werden kann. Dabei greift das hergestellte Fußprofil mit seinen Zähnen in eine demgemäß darauf abgestimmte Verzahnung der Axialnut ein. Es kann mit dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren also die Anschlußverbindung als Fußteil im Hinblick auf die dort auftretenden speziellen Kraft- und Flächenbelastungen abgestimmt gestaltet werden; letzteres insbesondere im Hinblick auf drehzahlbedingte Schaufelfliehkräfte, so daß die an den gegenseitigen Kontaktflächen bzw. Zahnflanken (Fuß/Nut) herrschenden Momente aus Auflagekräften des Schaufelfußes in Multiplikation mit dem örtlichen Querabstand (Hebelarm) zur Schaufelträgheitsachse beherrscht werden können.

Insbesondere in Verwendung metallischer Fäden, Drähte oder Einlagen können blei­ bende kraftspezifische Verformungen und tragende Zahnflanken und -flächen herge­ stellt werden, die praktisch keine Nachbearbeitung erfordern.

Die metallischen Fäden oder Drähte können z. B. in Kombination mit C- und/oder Glasfasern (Anspruch 5) verwendet werden. Die metallischen Fasern, Fäden, Drähte oder Einlagen ermöglichen die Herstellung eines bleibend vorverformten Bauteil- oder Schaufel-Grund-Gerüstes, bei dem z. B. gleiche oder unterschiedliche Faser- oder Fadenmaterialien in unterschiedlichen Formen und Relativrichtungen angeord­ net und örtlich untereinander verbunden werden können (Anspruch 4), um der kraft- und formspezifischen Gestaltung der Anschlußverbindung Rechnung tragen zu kön­ nen.

Zusätzlich zur genannten gerüstartigen Vorfertigung oder ausschließlich kann das Verbundbauteil mit der Anschlußverbindung bzw. einem Halteglied gemäß Anspruch 11 praktisch "integral" aus mehreren Lagen von Faser- oder Fadengeweben oder z. B. Flechtwerken hergestellt werden; im Hinblick auf die anschlußspezifische Gestaltung können z. B. ganz spezielle Faser- oder Faden- oder Drahtarten, die später beim ferti­ gen Produkt tragende Flächen, z. B. eines Gewindes (Anspruch 6), ausbilden sollen, von vornherein beim Aufbau und der Zusammensetzung von gewebe- bzw. flecht­ werk- oder netzartigen Faser- oder Fadenstrukturen oder -laminaten mit berücksich­ tigt werden. Dabei können z. B. metallische Faser- oder Fadenanteile parallel in der gleichen Kette oder im gleichen Schutz mitlaufen.

Die Verfahrensvorkehrungen nach Anspruch 11 können mit einer Form oder einem Formkern (Anspruch 12) kombiniert werden. Auf diesen Formkern, der repräsentativ für das gesamte spätere Verbundbauteil oder zumindest überwiegend für die An­ schlußverbindung sein kann, können z. B. gewebeartig vorgefertigte Faserstrukturen aufgebracht und - vor Aushärtung der Kunstharzmatrix - gemäß gewünschter Kontur verformt werden. Bedarfsweise und - erfindungsgemäß - kann der Formkern nach Aushärtung der Matrix entfernt oder gar im Verbundbauteil, als tragendes "Vorge­ rüst", belassen werden. Dieses "Vorgerüst" wäre dann Teil des tragenden Kerns z. B., einer Faserverbundschaufel und könnte im wesentlichen im Blatt-Teil der Schaufel von überwiegend in Längsrichtung orientierten Verstärkungsfasern in der Matrix umgeben sein.

Vorteilhafterweise lassen sich gemäß der Erfindung tragende Bestandteile der An­ schlußverbindung, z. B. Zahn- und Gewindeflanken, im wesentlichen metallisch und verschleißfest ausbilden. Auf diese Weise ist auch die Bereitstellung einwandfreier elektrisch leitfähiger Verbindungen möglich (Blitzschutz).

Die herstellbare "Gewindeform" erlaubt eine kraft- und/oder formschlüssige Anbin­ dung von Lagermuffen, Halte- oder Betätigungsgliedern, z. B. Schaufelverstellhebeln (Anspruch 8) oder von Gewindebüchsen mit äußerem Fertiggewinde (Anspruch 9).

Alternativ kann die Anschlußverbindung zahn-, sockel- oder noppenartig gestaltet werden (Anspruch 7). Mit relativ darauf abgestimmten Innenkonturen versehene Halteteile, z. B. Füße von Schaufeln oder dergleichen (Anspruch 10), können, nach örtlicher Aufschiebung, durch Preßsitz oder Klebung mit den Zähnen, Sockeln oder Noppen bzw. Vorsprüngen fest verbunden oder verriegelt werden. So können z. B. relativ grob vorgefertigte Anschlußmittel (Zähne, Noppen, Sockel) kraft- und form­ schlüssig mit fein vorgefertigten weiteren metallischen Halte- oder Stell- oder La­ germitteln kombiniert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Zeichnungen weiter erläutert; es zeigen:

Fig. 1 Die Herstellung und Ausbildung einer zahn- und fußartigen Anschluß­ verbindung an einem als Verdichterlaufschaufel fungierenden Ver­ bundbauteil und mit Befestigung an einer Axialnut der Radscheibe eines Verdichters, jeweils durch örtlich gemeinsam quer zur Radachse geschnitten und ab- bzw. ausgebrochen gezeichnete Abschnitte von Schaufel und Radscheibe verkörpert,

Fig. 2 die Herstellung und Ausbildung der aus einer örtlich abgebrochen ge­ zeichneten Kern-Sektion eines Verbundbauteils faserartig "heraus­ wachsenden" gewindeartigen Anschlußverbindung,

Fig. 3 eine relativ zum Maßstab nach Fig. 2 verkleinert dargestellte Lager­ buchse für das Verbundbauteil, die auf das Außengewinde nach Fig. 2 aufschraubbar ist,

Fig. 4 eine mit Verstellhebel versehene und zugleich als Innenring für ein Kugellager ausgebildete Gewindebuchse, die auf die gewindeartig hergestellte Anschlußverbindung nach Fig. 2 aufschraubbar ist, um das Verbundbauteil an einem Gehäuse drehbar zu lagern,

Fig. 5 eine mit Außen- und Innengewinde versehene Buchse, die auf das Au­ ßengewinde nach Fig. 2 aufschraubbar ist und

Fig. 6 die seitliche Ansicht einer für die Herstellung geeigneten laminatarti­ gen Gewebekonstruktion.

In Fig. 1 stellt das Verbundbauteil 2 eine Gebläselaufschaufel dar, wobei der Kern aus überwiegend längs, also im wesentlichen parallel zur Längsmittel- bzw. Trägheits­ achse A orientierten Fasern 3, 4 zur Bauteilverstärkung und Hauptlastaufnahme be­ steht. Innerhalb einer Kunstharzmatrix 5 sind die Fasern 3, 4 fest angeordnet, wenn die Matrix 5 ausgehärtet ist. Letzteres gilt sinngemäß für Fasern 3, 4 bzw. Faserantei­ le, die zur Herstellung der Anschlußverbindung 1 verwendet werden sollen. Letzteres stellt sich zahnartig, im Sinne eines Tannenbaumfußes dar, der für sich oder über ein beidseitig zahnartig angepaßt vorprofiliertes Zwischenglied 14 in einer Axialnut N einer Radscheibe R verankert ist. Das fest auf dem Kern sitzende Schaufelblatt B kann gesondert vom oder gemeinsam mit den übrigen Bauteilen (Kern, Anschlußverbin­ dung 1 bzw. Fuß) als Faserverbund gefertigt werden.

Für die Herstellung des Kerns und der Anschlußverbindung 1 können z. B. die einen Fasern 3 Glas- und/oder Kohlefasern sein. Bei den Fasern 4 kann es sich um metal­ lisches Faden- bzw. Fasermaterial handeln.

Die die Zähne enthaltende, fußartige Anschlußverbindung 1 kann z. B. aus partiell und lagenweise mit Querabstand ausgewölbten Anteilen der Fasern 3 (oben links) und partiell quer abgewinkelt zwischen den gewölbten Faserlagen endenden Anteilen aus den Fasern 4 (oben rechts) ausgebildet werden. Gemäß Mitte, links, können Anteile der Fasern oder Fäden 4 nach außen quer abgewinkelt und von dort axial abgewinkelt und mit äußeren gewölbten Anteilen aus Fasern 3 verbunden werden, um z. B. metal­ lische tragende Außenflanken bereitzustellen. Vor Aushärtung der gemeinsamen Kunstharzmatrix 5 soll die Vorverformung der betreffenden Anteile aus den Fasern 3 bzw. 4 in Abstimmung auf die vom übrigen Bauteil (Mantel, Kern) abweichende Form und Kraftbeanspruchung der Anschlußverbindung erfolgen. Vor allen Dingen über die metallischen Faser- oder Fadenanteile können verschleißfeste und tragende Zonen gerüstartig vorverformt werden, vor Aushärtung der Kunstharzmatrix oder vor Fasertränkung mit der Kunstharzmatrix. Die Vorverformung - vor Fasertränkung - kann ebenfalls eine fasergerüstartige Vorfertigung des Kerns einschließen.

Beim Verbundbauteil nach Fig. 2 wird aus Fasern oder Fäden 6 bzw. 7 des Kernes K eine äußere Anschlußverbindung 8 gewindeartig erstellt. Beim fertigen Verbundbau­ teil sind die Fasern oder Fäden 6 bzw. in eine gemeinsame Kunstharzmatrix 5 fest eingebunden. Die Fasern oder Fäden 6 bzw. 7 erstrecken sich im Kernbereich im wesentlichen parallel zur gemeinsamen Mittelachse A. Die einen Fasern oder Fäden 6 können im wesentlichen die sägezahnartige Grundform des Gewindes ausbilden. Übrige Fasern oder z. B. metallische Fäden 7 können die äußeren Ränder und die tragenden Flanken des Gewindes für die Anschlußverbindung 8 ausbilden, und zwar aus umfänglich und axial relativ zueinander versetzten Punkten P heraus, zu denen sie - vom Kern K ausgehend - zunächst in einer Richtung parallel zur Mittelachse A ge­ führt sind.

Es kann auf das Gewinde der Anschlußverbindung 8 (Fig. 2) eine metallische Lager­ buchse 9 mit ihrem Innengewinde 11 aufgeschraubt werden, mit der das Verbundbau­ teil um seine Mittelachse A an einem Gehäuse verdrehbar gelagert werden könnte. Alternativ kann auf das Gewinde der Anschlußverbindung 8 (Fig. 2) eine mit einem Außengewinde 13 versehene Gewindebuchse 12 aufgeschraubt werden. Auf das Au­ ßengewinde 13 könnte ein Stellglied aufgeschraubt werden.

In Fig. 4 bildet die Gewindebuchse 9′ mit der Längsbohrung und dem Innengewinde 11 zugleich den Innenring eines Kugellagers L aus, dessen Außenring drehfest in einer Aussparung eines Gehäuses G sitzt. Außen ist die Gewindebuchse 9′ mit einem Stellhebel H fest verbunden, um das Verbundbauteil um die Mittelachse A ver­ schwenken zu können, wenn die Gewindebuchsen 9′ mit ihrem Innengewinde 11 auf das äußere Anschlußgewinde 8 (Fig. 2) fest aufgeschraubt worden ist.

Fig. 6 veranschaulicht eine für die Durchführung der Erfindung geeignete, sogenannte "bidirektionale" Gewebekonstruktion aus sich jeweils rechtwinkelig kreuzenden Fäden 15 bzw. 16 bzw. Fadensystemen. Als Folge einer geringen Fadenablenkung im jeweiligen Richtungsverlauf läßt sich dabei eine vergleichsweise hohe Festigkeit und Steifigkeit des Laminates erzielen. Diese Gewebekonstruktion ist mithin äußerst schmiegsam, so daß sie praktisch faltenlos längs einer Form drapierbar ist. Bezüglich in Fig. 6 horizontaler Erstreckung (Fäden 16) können z. B. Kombinationen aus Glas- und Feindrahtfäden und bezüglich vertikaler Erstreckung (Fäden 15) C-Fasern oder -fäden verwendet werden.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung einer Anschlußverbindung (1) an einem Verbund­ bauteil (2), das durch Fasern (3, 4) oder Fäden verstärkt wird, die in eine Kunstharzmatrix (5) fest eingebunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der für das komplette Bauteil (2) verwendeten Fasern (3, 4) oder Fäden, vor Aushärtung der Kunstharzmatrix (5), auf eine vom übrigen Bauteil abweichende Form und Kraftbeanspruchung der Anschlußverbindung (1) abgestimmt gestaltet und angeordnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern oder Fäden bereits vor ihrer anschlußspezifischen Gestaltung und Anordnung mit dem Matrixwerkstoff versehen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern oder Fäden erst nach ihrer anschlußspezifischen Gestaltung und Anordnung mit dem Matrixwerkstoff versehen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß gleiche oder unterschiedliche Faser- oder Fadenmaterialien verwendet wer­ den, die insbesondere im Hinblick auf die Form und Kraftbeanspruchungen an der Anschlußverbindung in jeweils unterschiedlichen Formen und Relativ­ richtungen zueinander angeordnet und stellenweise untereinander verbunden werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Faser- oder Fadenmaterial C-Fasern oder Glasfasern oder aromatische Polya­ mid- oder aromatische Polyimidfasern oder metallische Drähte oder Kombi­ nationen von zumindest zwei der genannten Faser- oder Fadenarten verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Fasern (6, 7) oder Fäden zur Herstellung der Anschlußverbindung (8) gewindeartig gestaltet und angeordnet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (3, 4) oder Fäden zur Herstellung der Anschlußverbindung (1) zahn- oder sockel- oder noppenartig gestaltet und angeordnet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf die gewindear­ tige Anschlußverbindung (8) insbesondere ein metallisches Halte-, Lager- oder Stellglied (9, 10) für das Verbundbauteil mit entsprechendem Innenge­ winde (11) aufgeschraubt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf die gewindear­ tige Anschlußverbindung (8) eine metallische Gewindebuchse (12) mit äuße­ rem Fertiggewinde (13) aufgeschraubt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zahn- oder soc­ kel- oder noppenartig gestaltete Anschlußverbindung (1) jeweils mit einem Halte-, insbesondere Fußteil (14), für das komplette Verbundbauteil (2) ver­ preßt oder verklebt wird, wobei das Halte- bzw. Fußteil (14) mit in Abstim­ mung auf die Gestaltung der Anschlußverbindung (1) vorgefertigten Innen­ konturen versehen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundbauteil zusammen mit der Anschlußverbindung aus Fasern oder Fäden hergestellt wird, die in sich überkreuzenden Relativpositionen gewebe-, gestrick-, flecht­ werk- und /oder laminatartig angeordnet und in Abstimmung auf die örtlich voneinander abweichenden Gestaltungs- und Belastungsanforderungen am Verbundbauteil verformt positioniert werden.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 11, gekenn­ zeichnet durch die Verwendung mindestens eines auf die gestaltungs- und belastungsspezifischen Anforderungen abgestimmten Formkerns, der nach Aushärtung der Kunstharzmatrix entfernt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunst­ harzmatrix der Fasern oder Fäden durch Spritzen, Injizieren, Imprägnierung oder Tränung erzeugt wird.