DE19723845A1 - Verfahren zur Herstellung von Schaufeln aus polymerem Verbundmaterial - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Schaufeln aus polymerem Verbundmaterial

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    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/02Selection of particular materials
    • F04D29/023Selection of particular materials especially adapted for elastic fluid pumps
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28Shaping operations therefor
    • B29C70/30Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
    • B29C70/34Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core and shaping or impregnating by compression, i.e. combined with compressing after the lay-up operation
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    • F05D2300/00Materials; Properties thereof
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    • F05D2300/603Composites; e.g. fibre-reinforced
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    • F05D2300/603Composites; e.g. fibre-reinforced
    • F05D2300/6034Orientation of fibres, weaving, ply angle

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einen Verfahren zur Herstellung von Schaufeln aus polymerem Verbundmaterial nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.

Stand der Technik

Derartige Verfahren zur Herstellung von Schaufeln aus polymerem Verbundmate­ rial sind bekannt aus DE 195 13 508 A1. Dort besteht der Verdichter aus einem Rotor und Schaufeln, die aus drei Substrukturen bestehen. Diese Substrukturen werden aus endlosfaserverstärkten Thermoplastband in einem Warmumfor­ mungsprozeß hergestellt. Die drei, jeweils gleich dicken Substrukturen werden danach miteinander verbunden und bilden die Schaufel. Das Schaufelinnere wird nicht mit Füllmaterial aufgefüllt.

Der Nachteil dieser Schaufeln sind die Verbindungen der Substrukturen, an denen die Schaufeln eine gewisse Strukturschwächung erfährt. Weiter wird mit zuneh­ mender Zahl von Verbindungsstellen der Herstellungsprozeß erschwert, da alle Verbindungsstellen nur sehr kleine Fertigungstoleranzen aufweisen dürfen, um eine genügende Festigkeit der Schaufel zu gewährleisten. Diese Problem wird bei dreidimensionalen Verbindungsstellen zusätzlich verschärft.

Aus der DE 43 21 173 A1 sind Schaufeln aus polymerem Verbundmaterial und Verstärkungsmaterial aus Kohlestoffasern bekannt, aus denen ein Radiallaufrad für die Verdichtung von Wasserdampf unter Vakuumbedingungen gebildet wird. Die Schaufeln oder die Schaufeln mit sogenannten Laufradsegmenten sind ein­ zeln mit der Nabe des Laufrades verbunden.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zur Herstellung von Schaufeln aus polymerem Verbundmaterial der eingangs genannten Art hochwertige Schaufeln aus polymerem Verbundmaterial auf eine einfache Weise herzustellen.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht.

Kern der Erfindung ist es also, daß die Schaufel in einem einzigen Formge­ bungsprozeß hergestellt wird und daß der Formgebungsprozeß folgende Schritte umfaßt: Einlegen von mehreren Laminaten bestehend aus Lagen des polymeren Verbundmateriales in eine aus mehreren Formteilen bestehende Form, Aufbringen von Wärmeenergie und Druck, Abbauen der Wärmeenergie und des Druckes und Entformen der Schaufel.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß die so herge­ stellten Schaufeln eine hohe Strukturstabilität aufweisen und daß die Schaufeln hohe Gebrauchstemperaturen aufweisen, die für thermoplastische Matrizen im Bereich der Glastemperatur der Matrix liegen. Die Verbindung von Substrukturen zu einer Schaufel und damit mögliche Schwächungen an den Verbindungsstellen entfallen. Die Schaufeln können durch das erfindungsgemäße Verfahren auch billiger hergestellt werden, da die Schaufeln in einem Formgebungsprozeß er­ zeugt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Un­ teransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch darge­ stellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch ein Werkzeug zur Schaufelherstellung;

Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch eine geformte Schaufel;

Fig. 3 einen Teilquerschnitt durch ein weiteres Werkzeug zur Schaufelherstel­ lung.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist eine aus drei Formteilen 2, 3 und 4 bestehende Form dargestellt. Zwi­ schen die Formteile werden thermoplastische Faserverbundwerkstoff-Bänder ein­ gelegt. Diese Bänder bestehen aus einer thermoplastischen Kunststoff-Matrix mit darin eingebetteten Fasern, wobei der Fasergehalt bis zu über 60% betragen kann. Als thermoplastische Matrix können beliebige thermoplastische Kunststoffe, die den entsprechenden Anforderungen genügen, verwendet werden, vorzugs­ weise aromatische Kunststoffe, insbesondere Polyetheretherketon oder Polyethe­ rimid.

Als Fasern können beliebige Fasermaterialien verwendet werden, die eine ent­ sprechend gewünschte Zugkraft aufweisen, vorzugsweise Kohlefasern oder Glasfasern.

Tabelle 1

In der Tabelle 1 sind die Materialeigenschaften einiger ausgewählter Beispiele thermoplastischer Faserverbundwerkstoff-Bänder dargestellt. Die in der Tabelle dargestellten Bänder bestehen aus Glas- oder Kohlefasern und einer Matrix aus Polyphenylensulfid (PPS), Polyetherimid (PEI) oder Polyetheretherketon (PEEK). Die Bänder mit den Bezeichnungen a, b, c werden von der Firma Quadrax, die Bänder mit den Bezeichnungen d, e, f von der Firma ICI Fiberite hergestellt. Die maximale Gebrauchstemperatur der Bänder aus Beispiel a, b, c und d beträgt etwa 200°C, diejenige der Beispiele e und f beträgt ungefähr 240°C und diejenige des Beispiels h beträgt ungefähr 270°C. PEEK wird üblicherweise bei etwa 400°C, PPS bei etwa 340°C und Polyimid bei etwa 420°C verarbeitet.

Die Ausrichtung der Fasern in den Faserverbundwerkstoff-Bändern wird so ge­ wählt, daß die Fasern mit den Hauptachsen der dynamischen und statischen Belastung der Schaufeln fluchten. Dadurch können die auf die Schaufeln im Be­ trieb wirkenden Biege- und Fliehkräfte optimal aufgenommen werden.

Laminate 5 und 6 bestehen aus mehreren Lagen von Faserverbundwerkstoff- Bändern mit einer nacheinanderfolgenden Ausrichtung der Fasern von 0°, 90°, +45°, -45°, 90°, 0°. Bei den Laminaten 5 und 6 können dabei auch weitere Aus­ richtungen der Fasern wie +22.5° und -22.5° verwendet werden. Laminate 7, 7a und 7b bestehen ebenfalls aus mehreren Lagen von Faserverbundwerkstoff- Bändern und weisen eine Schichtung auf, bei denen alle Fasern nach 0° ausge­ richtet sind.

Die einzelnen Laminate 5, 6, 7, 7a und 7b können mittels verschiedener Verfah­ ren miteinander verbunden werden.

In einem ersten Verfahren werden die Laminate kalt zwischen die Formteile 2, 3 und 4 eingelegt. Die Form wird mit den eingelegten Laminaten auf 380°C erhitzt, wenn beispielsweise PEEK als Matrix verwendet wird, und ein Druck von 20 bis 30 bar wird auf die Form aufgebracht. Dann wird die Form mit den eingelegten Laminaten unter den Glaspunkt der Matrix, beispielsweise 290°C abgekühlt, der Druck reduziert und die Schaufel entformt.

In Fig. 2 ist eine so entstandene Schaufel 1 mit einem Schaufelblatt 10 und einem Schaufelfuß 11 dargestellt. Aus der Darstellung nicht ersichtlich ist die beliebige dreidimensionale Verformung des Schaufelblattes 10, des Schaufelfußes 11 und damit der Schaufel 1.

In einem zweiten Verfahren werden die Laminate vorgängig dem Einlegen in die Formteile erwärmt, danach in die auf ca. 200°C vorgewärmten Formteile eingelegt und Druck auf die Formteile aufgebracht, bis die Lagen der Laminate miteinander verbunden sind. Falls nötig, können die Laminate vorgängig der endgültigen For­ mung bereits in einem Vorformprozeß miteinander verbunden werden, was das Einlegen in die Formteile vereinfacht.

Zur Herstellung solcher Schaufeln eignen sich auch duroplastische Matrizen. Als Beispiel für eine duroplastischen Matrix dient Beispiel g aus Tabelle 1, welches beispielsweise von den Firmen Advanced Composites, Hexcel oder Fiberite her­ gestellt wird.

Die maximale Gebrauchstemperatur des Bandes aus Beispiel g beträgt etwa 200°C.

In Fig. 3 ist eine Form zur Herstellung von Schaufeln mit einer duroplastischen Matrix dargestellt. Hier kann das Formteil 2 aus Fig. 1 weggelassen werden und durch einen Vakuumsack 8 ersetzt werden. Dabei werden die Formteile 3, 4 und die Laminate 6, 7, 7a, 7b in den Vakuumsack gelegt und die gesamte Anordnung in einen Autoklaven eingeführt. Im Autoklaven werden entsprechend den Aus­ härtebedingungen der duroplastischen Matrix Wärmeenergie und bis zu 8 bar Druck aufgebracht.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Temperaturen müssen den jeweiligen Ma­ trix-Werkstoffen angepaßt werden.

Bezugszeichenliste

1

Schaufel

2

Formteil

3

Formteil

4

Formteil

5

,

6

Laminat

7

,

7

a,

7

b Laminat

8

Vakuumsack

10

Schaufelblatt

11

Schaufelfuß

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von Schaufeln (1), im wesentlichen bestehend aus einem Schaufelblatt (10) und einem Schaufelfuß (11), aus polymerem Verbundmaterial, wobei die Schaufel (1) in einem Formgebungsprozeß hergestellt wird, gekennzeichnet durch:
Einlegen von mehreren Laminaten (5, 6, 7) bestehend aus Lagen des po­ lymeren Verbundmateriales in eine aus mehreren Formteilen (2, 3, 4) be­ stehende Form, Aufbringen von Wärmeenergie und Druck, Abbauen der Wärmeenergie und des Druckes und Entformen der Schaufel (1).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laminate (5, 6, 7) vorgängig dem Einlegen in die Form erwärmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Matrix des polymeren Verbundmateriales eine thermoplastische Matrix verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Matrix des polymeren Verbundmateriales eine duroplastische Ma­ trix verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Form Formteile (3, 4) und ein Vakuumsack (8) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Laminate (5, 6) mit einer Schichtung der Lagen des po­ lymeren Verbundmateriales nacheinander mit einer sich ändernden Aus­ richtung der Fasern in die Formteile (2, 3, 4) eingelegt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Laminate (5, 6) mit einer Schichtung der Lagen des po­ lymeren Verbundmateriales mit einer nacheinanderfolgende Ausrichtung der Fasern von 0°, 90°, +45°, -45°, 90°, 0° in die Formteile eingelegt wer­ den.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Laminate (7, 7a, 7b) eine Schichtung der Lagen des po­ lymeren Verbundmateriales mit einer Ausrichtung der Fasern von 0° in die Formteile eingelegt werden.
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