DE3007097A1

DE3007097A1 - Bauteil mit einer hochgenauen glasoberflaeche und verfahren zum herstellen derselben

Info

Publication number: DE3007097A1
Application number: DE19803007097
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Georg Dipl.-Ing. 8000 München Grimm; Rudolf Ing.(Grad.) 8012 Riemerling Schindler
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1980-02-26
Filing date: 1980-02-26
Publication date: 1981-09-03
Also published as: DE3007097C2

Description

MESSERSCHMITT-BÖLKOW-BLOHM Ottobrunn, PP.OP.

GESELLSCHAFT MIT BTOl ' Im/m"

BESCHRÄNKTER HAFTUNG 8679

Bauteil mit einer hochgenauen Glasoberfläche und Verfahren zum Herstellen desselben

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit einer hochgenauen Glasoberfläche, sowie auf ein Bauteil mit einer solchen Oberfläche, insbesondere einen Teleskopspiegel mit strahlungsreflektierender Glasoberfläche.

Bauteile dieser Art, wie sie vor allem als Teleskopspiegel mit mehreren m p Verwendung finden, werden bekanntlich wegen der großen thermischen Formbeständigkeit und der hinsichtlich Rauhtiefe und Welligkeit hochgenauen Bearbeitungsmöglichkeit von Glas als massive, dickwandige Glas-, und zwar zumeist Glaskeramikkörper hergestellt. Der Hauptnachteil derartiger Massivglas spiegel liegt in der hohen Bruchgefahr und ihrer« enormen Eigengewicht, das z. B. bei einem Spiegeldurchmesser von 2 ni

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bereits etwa 3 to erreicht und bei größeren Spiegeldurchm.essern bis zu 40 to betragen kann. Dies verursacht erhebliche Schwierigkeiten in der Handhabung, bei der Fertigung und beim Transport und erfordert vor allem im Teleskop selbst einen äußerst komplizierten und aufwendigen Stütz-, Lager- und Antriebsmechanismus für den Massivglasspiegel.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil und ein Herstellungsverfahren der beanspruchten Art zu schaffen, durch das unter Beibehalt der hinsichtlich Formbeständigkeit und Oberflächengenauigkeit günstigen Eigenschaften von Glas eine ganz erhebliche Reduzierung des Eigengewichts bei zugleich hoher Festigkeit und Steifigkeit des Bauteils erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren bzw. das im Anspruch 7 gekennzeichnete Bauteil gelöst.

Bei dem erfindungsgemäß hergestellten und ausgebildeten Bauteil ist der eigentlich tragende, die Belastungen im wesentlichen verformungsfrei aufnehmende Bestandteil die hochfeste und -steife Faserverbundwerkstoffschicht, während die Glasschicht relativ dünnwandig und unbelastet ist und funktionell als Oberflächenvergütung des Faserverbundwerkstoffs zur Erzielung der geforderten, insbesondere lichto.ptischen Oberflächeneigen-■! schäften des Bauteils wirkt. Durch diese Hybrid-Bauweise mit dem tragenden Teil aus Faserverbundwerkstoff und der Oberflächenschicht aus Glas wird unter Ausnutzung der, bezogen auf das Raumgewicht, enormen Festigkeit und Steifigkeit und der geringen, mit Glas kompatiblen Wärmeausdehnung von Faserverbundwerkstoff eine ganz erhebliche Gewichtsersparnis bei zugleich auch unter Temperaturschwankungen hoher Formgenauigkeit und minimaler Rauhigkeit der Bauteil-Oberfläche garantiert, wobei die Bauteil-Fertigung noch zusätzlich dadurch vereinfacht wird, daß die Bearbeitung der Glasoberfläche nicht im bruchgefährdeten Zustand,

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sondern erst nach dem Auflaminieren und Aushärten der tragenden Faserverbundwerkstoff schicht erfolgt.

Vorzugsweise findet das Bauteil nach der Erfindung als Teleskopspiegel Anwendung und wird gemäß Anspruch 2 auf der bearbeiteten Glasoberfläche strahlungsreflektierend ausgebildet. .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird der Glasrohling gemäß Anspruch 3 annähernd der Form der Glasoberfläche entsprechend vorgeformt, so daß die Glasschicht im fertigen Bauteil nur die fertigungsbedingten Rauhigkeiten und Formabweichungen der Glasrohling-Rückseite ausgleichen muß und gemäß Anspruch 8 vorzugsweise durchgehend dünnwandig mit einer Wandstärke von nicht mehr als einigen mm ausgebildet ist.

Um unter Berücksichtigung von Temperaturschwankungen eine möglichst große Formhaltigkeit des Bauteils zu erzielen und thermisch bedingte Spannungen zwischen der Glasschicht und der Faserverbund-Trägerschicht weitgehend auszuschalten, wird gemäß den Ansprüchen 4 und 5 zweckmäßigerweise für die Trägerschicht ein Faserverbundwerkstoff und für die Glasschicht eine Glassorte gewählt, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten möglichst gering und gleich groß sind, wobei sich

und Glaskeramik fürdie Glasschicht Carbonfasern für den Faserverbundwerkstoff/als in dieser Hinsicht wehr günstig erwiesen haben.

Gemäß Anspruch 6 werden in besonders bevorzugter Weise Lager- bzw. Krafteinleitungselemente des Bauteils beim Auflaminieren der Faserverbundschicht gleich in diese mit einlaminiert, wodurch gegenüber den herkömmlichen Massivglas bauteilen, an denen sich derartige Elemente nur sehr schwierig ausreichend sicher und exakt verankern lassen, eine weitere wesentliche Fertiglingsvereinfachung erreicht wird.

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Im Hinblick auf das anisotrope Festigkeits- und Steifigkeitsverhalten von Faserverbundwerkstoff en haben die Verstärkungsfasern gemäß Anspruch 9 zweckmäßigerweise eine sich kreuzende Faserorientierung und liegen senkrecht zur Dicken-richtung der Träger- und Glasschicht, verlatifen also unter Berücksichtigung der aus dem Eigengewicht und den Trägheitskräften resultierenden Hauptbelastungen des Bauteils multidirektional in Richtung der Flächenerstreckung der Trägerschicht.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt eines Bauteils

nach der Erfindung während des Aushärtens; und

Fig. 2 eine der Figur 1 entsprechende Schnittdar

stellung nach der Fertigstellung des Bauteils.

Zur Herstellung eines als Teleskopspiegel 2 ausgebildeten Bauteils wird zunächst ein Glasrohling 4 aus Glaskeramik vorgefertigt, dessen Rückseile 6 annähernd der gewünschten Form der Glasoberfläche 8 des fertigen Bauteils ( Figur 2) entsprechend vorgeformt ist, jedoch die üblichen,fertigungsbedingten Ungenauigkeiten und Oberflächenrauhigkeiten . aufweist, wie dies in Fig. 1 durch die unregelmäßige Kontur der Rückseite 6 des Glasrohlings 4 der Deutlichkeit halber stark übertrieben dargestellt ist. Auf die evtl. chemisch gereinigte, im übrigen aber unbearbeitete Rückseite 6 wird eine Faserverbund-Trägerschicht 10 auflaminiert, die aus einer Vielzahl von übereinander liegenden, parallel zur Rückseite 6 des Glasrohlings 4 verlaufenden Faserlagen besteht.

Die Schichtdicke der Trägerschicht 10 wird entsprechend der geforderten Festigkeit und Steifigkeit des fertigen Bauteils dimensioniert und beträgt für einen Teleskopspiegel von z. B. 2 m 0 etwa 15 - 20 cm. Die

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einzelnen Faserlagen haben eine sich kreuzende Faseranordnung und/ oder die Faserorientierung ändert sich von Faserlage zu Faserlage, so daß die Verstärkungsfasern in der Trägerschicht 10 multidirektional zueinander verlaufen. Als Verstärkungsfasern werden Carbonfasern gewählt, so daß der Faserverbundwerkstoff annähernd den gleichen, extrem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der aus Glaskeramik bestehende Glasrohling 4 hat. In die letzten Faserlagen der Trägerschicht werden zunächst noch unverbohrte Lager- und Krafteinleitungselemente 12, 14 miteinlaminiert, über die der fertige Teleskopspiegel 2 dann später mit dem (nicht gezeigten) Stütz.- und Antriebsmechanismus des Spiegelteleskops verbunden wird.

Unter Wärmeeinwirkung bei etwa 120 C für ca. 1 - 2 h und bei kleineren Teleskopspiegeln auch noch zusätzlich unter Druckeinwirkung wird die Epoxidharzkomponente der Faserverbundschicht 10 auf dem Glasrohling 4 in einem in Fig. 1 schematisch dargestellten Ofen 16 ausgehärtet, wobei sich die Faserverbundschicht 10 fest mit der Rückseite 6 des Glasrohlings 4 durchgehend flächig verbindet.

Nach dem Abkühlen werden die Lager- und Krafteinleitungselemente 12, 14 nach einem vorgegebenen Bohrmuster verbohrt (Fig. 2), und diese Bohrungen dienen bei der anschließenden Formgebung der Glasoberfläclie 8 als Bezugspunkte. Das Einarbeiten der Glasoberfläche 8 von der Vorderseite des Glasrohlings 4 aus erfolgt durch einen Schleif-, Polier- oder ähnlichen Glas bearbeitungs Vorgang, durch den die gewünschte Obe ι-flach imform,etwa die kalottenförmig-konkave Raumform der gezeigten Glasoborfläche 8, mit hoher Genauigkeit und einer minimalen Rauhtiefe (etwa 0, 01/im) hergestellt wird. Die Glasoberfläche 8 wird soweit in den Ciasrohling 4 eingearbeitet, daß die Faserverbundschicht 10 nur noch von einer dünnwandigen, geschlossenen Glasschicht 18 bedeckt ist. Die Dieko dor verbleibenden Glasschicht 18 hängt von der erzielbaren Genauigkeit der vorgeformten Glasrohling-Rückseite 6 ab und kann örtlich unter 1 mm liegen.

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Die Glasoberfläche 8 wird anschließend etwa durch Aufdampfen oder Aufsputtern eines extrem dünnen Metallfilms 20 (dessen Dicke in Fig. 2 der Deutlichkeit halber stark übertrieben dargestellt ist) in üblicher Weise verspiegelt.

Der beschriebene Teleskopspiegel 2 bringt gegenüber den herkömmlichen Massivglasspiegeln, die bei einem Spiegeldurchmesser von 2 m ein Eigengewicht von etwa 3 to haben, eine Gewichtsersparnis von mehr als 50 bis zu annähernd 75 %, was zum einen auf das im Vergleich zu Glas geringere spezifische Gewicht von Faserverbundwerkstoff und zum anderen darauf zurückzuführen ist, daß Faserverbundwerkstoff, und insbesondere Carbon-Faserverbundwerkstoff, eine weit höhere Festigkeit als Glas besitzt und sich daher bei entsprechender Dimensionierung der Trägerschicht 10 auch die Gesamtdicke des erfindungsgemäß hergestellten Teleskopspiegels 2 gegenüber einem reinen Glasspiegel gleicher Festigkeit und Steifigkeit merklich verringert.

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Claims

MESSERSCHMITT- BÖLKOW-BLOHM Ottobrunn, 22-OP. GESELLSCHAFT MIT BTOl Im/m BESCHRÄNKTER HAFTUNG 8679 Bauteil mit einer hochgenauen Glas oberfläche und Verfahren zum Herstellen desselben Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit" einer hochgenauen Glasoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Rückseite eines Glasrohlings eine beim Aushärten sich flächig mit dem Glasrohling verbindende, entsprechend der geforderten Festigkeit und Steifigkeit des fertigen Bauteils dimensionierte Faserverbund-Trägerschicht auflaminiert und nach dem Aushärten der Trägerschicht der Glasrohling auf der Vorderseite -bis auf eine zumindest örtlich geringe Glasdicke entsprechend der geforderten Glasoberflächengüte und -form abgearbeitet wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasoberfläche nach der Oberflächenbearbeitung strahlungsreflektierend ausgebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasrohling auf der Rückseite vor dem Auflaminieren der Trägerschicht annähernd der Form der G las oberfläche entsprechend vorgeformt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Faserverbundwerkstoff der Trägerschicht als auch das Glas · geringe: , nahezu gleichgroße thermische Ausdehnungskoeffizienten haben.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für den Faserverbundwerkstoff Carbonfaser-n und für den Glasrohling Glaskeramik verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn ζ e ichn et, daß beim Auflaminieren der Faserverbund-Trägerschicht in diese Lager- und/oder Krafteinleitungselemente mit einlaminiert werden.

7. Bauteil mit einer hochgenauen Glasoberfläche, insbesondere Teleskopspiegel mit strahlungsreflektierender Glasoberfläche, ge kennzeichnet durch Ausbildung als Hybrid-Leichtbauteil (2) mit einer entsprechend der geforderten Festigkeit und Steifigkeit des Bauteils dimensionierten Trägerschicht (10) aus Faserverbundwerkstoff und einer auf dieser unter durchgehend flächiger Verbindung angeordneten, zumindest örtlich dünnwandigen, auf der der Trägerschicht abgewandten Vorderseite mit der hochgenauen Glasoberfläche (8) versehenen Glasschicht (18).

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8. Bauteil nach Anspruch Ί, dadurch gekennzeichnet, daß die Glas· Schicht (18) durchgehend dünnwandig ausgebildet ist.

9. Bauteil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (10) eine multidirektionale Faserorientierung aufweist.

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