DE2423497A1

DE2423497A1 - Verfahren zur herstellung eines faserverstaerkten kunstharzgetraenkten hohlkoerpers im wickelverfahren und hohlkoerper nach diesem verfahren

Info

Publication number: DE2423497A1
Application number: DE19742423497
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Jonda
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1974-05-15
Filing date: 1974-05-15
Publication date: 1975-11-20
Also published as: JPS50155572A; FR2271024A1

Description

Messerschmitt-Bölkow-Blohm Ottobrunn, 24· April 1974

•Gesellschaft mit BT012 dN/th

beschränkter Haftung, 7697 München

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten kirnst· harzgetränkten Hohlkörpers im Wickelverfahren und Hohlkörper nach diesem Verfahren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten kunstharzgetränkten Hohlkörpers im Wickelverfahren mit im Fertigteil verbleibendem Dorn und auf einen Hohlkörper, der nach . diesem Verfahren hergestellt ist.

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Bei der Herstellung relativ großer Strukturteile aus faserverstärkten Werkstoffen, z. B. unter Verwendung aushärtbarer Kunststoffe, hat sich das Fadenwickelverfahren bewährt, bei welchem die Verstärkungsfaden auf einem rotierenden Stützkörper, dem sogenannten Dorn, abgelegt werden, der nach Beendigung des WickelVerfahrens wieder entfernt wird·

Nach dem Buch "Glasfaserverstärkte Kunststoffe" von P. H, Seiden, erschienen 1967 im Verlag Springer, (Seite 593), sind wiederverwendbare Dorne aus Metall oder Holz bekannt, bei deren Entfernung nach Beendigung der Wicklung dann keine Schwierigkeiten auftreten, wenn es sich bei dem Wickelkörper um ein zylindrisches oder konisches Teil handelt· Für die Herstellung behälterartiger Hohlkörper dagegen mit Boden und/oder Deckel sind andere sogenannte verlorene Dorne bekannt, welche nach Herstellung des Wickelkörpers zerkleinert oder geschmolzen und durch in der Längsachse des Wickelkörpers liegende Öffnungen entfernt werden· Hierzu zählen niedrigschmelzende Metalle, Gips o· a. lösliche Stoffe sowie plastische Modelliermassen.

Bekannt sind weiterhin zerlegbare oder klappbare Dorne, die nach Aushärtung der Wickelschichten im Inneren des Wickelkörpers zerlegt oder zusammengeklappt und durch relativ kleine Öffnungen aus dem Wickelkörper entfernt werden«

Die Anwendung aller bisher genannten Dorne oder Stützkörper ist im allgemeinen zeitaufwendig d. h. lohnintensiv.

Es wurde ferner auch schon ein Verfahren entwickelt,

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bei welchem der Stützkörper oder Dorn z. B. aus einem Thermoplast oder aus einem gummiartigem Werkstoff mit relativ geringer Wandstärke hergestellt und mit Hilfe von Überdruck so steif aufgeblasen wird, daß darauf
ein Wickellaminat abgelegt werden kann. Je nach Material verbleibt dieser aufgeblasene Dorn im Wickellaminat, oder er wird wie die Blase aus einem Fußball wieder entfernt· Diese Verfahrensweise ist zwar weniger aufwendig, sie hat aber vor allem den Nachteil, daß der sehr nachgiebige Dorn eine schlechte
Konturentreue aufweist, so daß die Reproduzierbarkeit ungenügend ist.

Schließlich sind auch schon aus Halbschalen von genügender Steifigkeit bestehende Dorne bekannt, die nach dem Wickeln im Fertigteil verbleiben(a.a.O. Seite 594, Zeile 1, 2). Ihre Verwendung bedingt aber unter anderem ebenfalls einen hohen Arbeitsaufwand beim Einrichten der Wickelvorrichtung und bleibt schon deshalb auf bestimmte Anwendungsfälle beschränkt.

Soweit derartige auf Zug oder Druck zu beanspruchende Wickelkörper mit oder ohne Endkappen im Sektor der
Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden sollen, besteht dazu noch die Forderung, daß sie gewichtsmäßig extrem leicht sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, nach welchem ein aus einem faserverstärkten kunstharzgetränkten Werkstoff bestehender Hohlkörper, mit oder ohne Endkappen faser- und fertigungsgerecht hergestellt werden kann. Aufgabe der Erfindung ist ferner, einen nach diesem Verfahren hergestellten Hohlkörper zu schaffen, der extrem leicht ist, bei welchem ggf. die Übergangs-

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bereiche zwischen dem langgestreckten Mittelteil und den Endkappen größeren als den rechnerisch ermittelten Belastungen gewachsen sind, und bei dem schließlich die Eigenschaften und die Ausrichtung der Verstärkungsfasern des Hohlkörpers optimiert sind, so daß bei Beschädigung oder Teilzerstörung des Bauteiles seine Funktionsfähigkeit noch erhalten bleibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art als Dorn ein den Aufbau der Struktur des Hohlkörpers mitbewirkender faserverstärkter Stützkörper geformt und ausgehärtet wird·

Wenn also beispielsweise die Struktur des fertigen Hohlkörpers mehrere Wicklungen mit unterschiedlichem Verstärkungsmaterial, in verschiedenen Wickellagen zur Dornlängsachse verlegt, umfaßt, so weist gemäß der Erfindung der als Dorn benutzte Stützkörper regelmäßig bereits eine der gewünschten Struktureigenschaften des fertigen Hohlkörpers auf. Es wird hierdurch eine Vereinfachung der Fertigung sowie Gewichtseinsparung erzielt.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß der hohle Stützkörper mit zwei Endkappen verbunden und mit mindestens einer den Stützkörper und die Endkappen erfassenden Wickelschicht versehen werden kann. Die Endkappen können hierbei als Kunststoff-Preßteile als Metallkappen oder als Verbund geeigneter Werkstoffe aufgebaut sein.

Gemäß der Erfindung können ferner die Wicklungen wech-

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seiweise in Form von Längswicklungen mit spitzen» Wickelwinkel zur Dornlängsachse und in Form von Umfangswicklungen (Radialverstärkungen) mit einem Wickelwinkel von annähernd 90 zur Dornlängsachse erfolgen, wobei die einzelnen Wickelschichten aus unterschiedlichen Verstärkungsfasern, z. B. Glasfasern und Kohlenstoffasern aufgelegt werden·

Ein auf solche Art aufgebautes unter Verwendung von verschiedenartigen Fasern gewickeltes rohrförmiges Mittelteil vereint die guten Eigenschaften aller verwendeten Werkstoffe weitestgehend und unterdrückt gleichzeitig deren weniger gute Eigenschaften. Es hat sich gezeigt, daß eine solche Hybrid-Struktur gegenüber einer Metallstange, erhebliche Steifigkeits- und Gewichtsvorteile bringt. Letzteres ist von großer Wichtigkeit, weil der Stützkörper nach Beendigung des Wickelverfatjrens Teil der Struktur des Hohlkörpers ist.

Von Vorteil ist ferner, daß bei Überbelastung des fertigen Hohlkörpers, wenn z. B. zuerst die kohlenstofffaserverstärkte Schicht versagt, die Steifigkeit zwar gemindert ist, jedoch noch nicht so stark herabgesetzt wurde, daß unmittelbar danach schon ein Totalbruch erfolgt, sondern die Funktionsfähigkeit des Konstruktionsteiles noch für längere Zeit erhalten bleibt.

Der Hohlkörper gemäß der Erfindung hat ferner den Vorteil, daß bei Einsatz der hochsteifen Kohlenstoffasern die Belastung und die maximal mögliche Länge des Stützkörpers gegenüber einem massiven Dorn beträchtlich vergrößert werden kann, was u. U. zu einer erheblichen Reduzierung des Gewichtes führt.

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Nach einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist das neue Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Wickellage mit den Eigenschaften eines äußeren Stützkörpers hergestellt wird, wobei im Übergangsbereich von faserverstärktem Stützkörper zu den Endkappen Verstärkungswicklungen aufgelegt werden können. Die Funktion dieses Mußeren Stützkörpers ist es, die Längs- und Querwicklungen zu ergänzen und einen stufenlosen Übergang von der Oberfläche des gewickelten Mittelteiles zur Oberfläche der Endkappen zu schaffen.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die Endkappen iro Übergangsbereich zum faserverstärkten Stützkörper Rillen oder ähnliche Verankerungsausformungen aufweisen können, in welche die Verstärkungswicklungen eingelegt werden*

Auf der Zeichnung ist die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele dargestellt, die nachstehend erläutert werden.

Fig. 1 zeigt in teilweise geschnittener Ansicht eine Steuerstoßstange besonders leichter Bauart, wie sie vor allem in der Luft- und Raumfahrt verwendet wird;

Fig. 2 stellt ebenfalls im Schnitt einen Teil einer Behälterstruktur gemäß der Erfindung dar.

Die Steuerstoßstange nach Fig. 1 besteht aus einem im Wickelverfahren hergestellten rohrartigen Stützkörper 1, auf den die beiden metallischen Endkappen 2, 3 aufgeklebt sind. Der in dieser Weise vorbereitete Hohlkörper

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wird zwischen die Spitzen 4, 5 einer drehbankähnlichen, zeichnerisch nicht dargestellten Wickelvorrichtung eingespannt. Nun werden auf den rohrartigen, die Funktion eines Wickeldornes erfüllenden Stützkörper 1 nacheinander mehrere Wickellagen aus verschiedenem Fasermaterial und mit unterschiedlichen Wickelwinkeln aufgebracht; z. B. zunächst eine sog. Längswickellage 6 aus glasfaserverstärkten Fäden, sodann die Umfangswicklung 7 (Radialverstärkungswicklung) aus kohlenstofffaserverstärktem Material.

Es folgen weitere Wickellagen 8 und 9 mit ebenfalls wechselndem Wickelwinkel und Verstärkungswerkstoffen, wobei z. B. die Wickellage 9 eine größere Längserstrekkung hat und als Stützlage dient. Sie erfaßt mit ihren Wicklungen die beiden Endkappen 2 und 3, wobei sich die Verstärkungsfaden in die Rillen 11, 12 in der Oberfläche der Endkappe 2 einlegen und diese nach Aushärtung des Kunststoffes fest mit dem Stützkörper 1 verbinden. Auf diese Verankerung sind zur Erhöhung der Sicherheit außerdem Wicklungen 13 aufgebracht. Die in Ansicht dargestellte Endkappe 3 ist in gleicher Weise verankert.

Gemäß Fig. 2 ist der rohrförmige Stützkörper 14 auf Endkappen 15 aufgeklebt, von denen nur eine zeichnerisch dargestellt ist. Die Endkappe 15 besteht aus einem harzgetränkten Gewebe, welches insbesondere im Zentrumsbereich durch eine mit Kurzfasern gefüllte Harzaufdickung verstärkt ist. Sie ist als Preßteil hergestellt. Der als Dorn dienende Stützkörper 14 mit seinen Endkappen 15 ist bei diesem Ausführungsbeispiel Teil der Struktur eines Behälters, der im Wickelverfahren mit einer Mehrzahl

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von Wickellagen 16 mit unterschiedlichen Wickelwinkeln und unter Verwendung von Verstärkungsfasern mit verschiedenen Eigenschaften hergestellt ist. Zur Durchführung des Wickelvorganges wird der nach der Erfindung aufgebaute Dorn mit den Endkappen auf ein Rohr aufgesteckt, welches in eine Wickelvorrichtung eingespannt werden kann.

- Patentansprüche -

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Claims

Messerschraitt-Bölkow-Blohm Ottobrunn, 24. April 1974

Gesellschaft mit BT012 dN/th

beschränkter Haftung, 7697 München

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten kunstharzgetränkten Hohlkörpers im Wickelverfahren mit einem im Fertigteil verbleibenden Dorn, dadurch gekennzeichnet , daß als Dorn ein den Aufbau der Struktur des Hohlkörpers mitbewirkender faserverstärkter Stützkörper (1, 14) geformt und augehärtet wird·
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (1, 14), mit zwei Endkappen (2, 3, 15) verbunden und mit mindestens einer den Stützkörper und die Endkappen erfassenden Wickelschicht (6-9, 13, 16) versehen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Wickel schichten (6-9, 13, 16) wechselweise in Form von Längswicklungen mit spitzem Wickelwinkel und in Form von Umf angswicklungen (Rad.ialverStärkungen) mit einem Wiekelwinkel von annähernd 90° aufgebracht werden.

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- ίο -
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Wickelschichten (6-9, 13, 16) aus unterschiedlichen Verstärkungsfasern, z. B. Glasfasern und Kohlenstofffasern, aufgebaut werden·
5· Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Wickellage (9) mit den Eigenschaften eines äußeren Stützkörpers hergestellt wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Übergangsbereich von faserverstärktem Stützkörper (1, 14) zu den Endkappen (2, 3, 15) Verstärkungswicklungen (9, 13) aufgelegt werden.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Endkappen (2, 3, 15) im Übergangsbereich zum faserverstärkten Stützkörper (1) Rillen (11, 12) o. ähnliche Verankerungsausformungen aufweisen, in welche die Verstärkungswicklungen (9, 13) eingelegt werden.
8. Hohlkörper bestehend aus einem faserverstärkten kunstharzgetränkten Stützkörper mit Endkappen, die durch mehrschichtige Wicklungen mit dem Stützkörper verbunden sind, hergestellt nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Endkappen (2, 3) aus Metall bestehen.

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9. Hohlkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er Teil eines Steuergestänges ist.
10. Hohlkörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Einsatz desselben als Behälter.

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