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Verfahren zum Herstellen von langgestreckten Bauteilen aus
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faserverstärkten Werkstoffen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zum Herstellen von langgestreckten Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
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Langgestreckte Bauteile wie Rotorblätter für Hubschrauber oder Windkraftanlagen
werden oftmals aus sogenannten fasgverstärkten Werkstoffen hergestellt. Die faserverstärkten
Werkstoffe sind hierbei Gewebe aus Fasersträngen bzw. einzelnen Fasern, so z.B.
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Glas- oder Kohlefasern, die mit einem Bindemittel, z.B. einem Harzgemisch
getränkt und nach Entfernen überschüssigen Bindemittels in eine Bauteilform eingelegt
werden. Die eingelegten Gewebebahnen werden danach mit einer Art Spatel angepreßt.
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Ist die Bauteilform vollständig in mehreren Lagen mit derartigen Gewebebahnstreifen
belegt, wird sie entweder an der Luft oder in einem Trocknungsofen ausgehärtet.
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Zur Erhöhung der Torsionssteifigkeit derartiger langgestreckter Bauteile,
z.B. Hubschrauberiotorblätter, wird das Gewebe so in die Bauteilform eingelegt,
daß die Webfäden im wesentlichen unter Winkel von + 450 zur Längsachse des Bauteils
verlaufen.
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Bisher für die Herstellung von langgestreckten Bauteilen zur Verfügung
stehende Gewebe in Bahnform weisen Kett- und Schußfäden auf, wobei die Kettfäden
in Längsrichtung der Gewebebahn und die Schußfäden senkrecht dazu verlaufen. Damit
die Webfäden in den abgelegten und durchtränkten Gewebebahnen im
Bauteil
die oben erwähnte Orientierung von + 450 zur Längsachse des Bauteils aufweisen,
wird bisher aus der Gewebebahn ein parallelogrammförmiges Stück herausgeschnitten,
imprägniert und danach manuell schräg so in die Bauteilform eingelegt, daß die Kett-
und Schußfäden des Gewebes jeweils mit einem Winkel von 450 zur Längsrichtung des
Bauteils verlaufen. Die bisher verwendeten Gewebebahnen haben etwa eine Breite von
maximal einem Meter, so daß bei langen Bauteilen mehrere Ausschnitte aus der Gewebebahn
nebeneinander gelegt werden müssen, um die Bauteilform vollständig einlagig zu belegen.
Aus Gründen der Festigkeit müssen sich zudem benachbarte Parallelogrammabschnitte
überlappen. Das geschilderte Verfahren wird für die übrigen Lagen wiederholt, bis
das Bauteil die gewünschte Wandstärke aufweist.
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Die Herstellung derartiger langgestreckter Bauteile aus imprägnier
ten Gewebebahnen ist demnach sehr aufwendig und nur manuell möglich.
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Die Qualität des Endproduktes ist bei der manuellen Herstellung Stark
von der Erfahrung der beteiligten Handwerker abhängig.
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Diese müssen z.B. den Bindemittelanteil des Gewebelaminates zuverlässig
begutachten können, damit die Gewichtsverteilung des fertiggestellten Bauteils über
die gesamte Bauteillänge von der vorgegebenen Gewichtsverteilung möglichst wenig
abweicht.
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Ebenso müssen Dickenunterschiede z.B. an den überlappungsstellen der
einzelnen Gewebebahnabschnitte ausgeglichen werden.
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Um die Risiken bei der Herstellung, z.B. Brechen oder Reißen des Gewebes
sowie Faltenbildung bei der Ablage, möglichst herabzusetzen, werden verhältnismäßig
dicke Gewebebahnen mit nicht allzu großer Breite verwendet. Für das fertige Bauteil
werden daher nur eine verhältnismäßig geringe Anzahl von übereinander liegenden
Lagen der Gewebebahnstücke benötigt. Bei relativ schmalen Gewebebahnen können außerdem
Lufteinschlüsse zwischen einzelnen Lagen von dem Handwerker mit einem Spatel verhältnismäßig
einfach
herausgestrichen werden, die ansonsten zu einer Verringerung
der Festigkeit des fertigen Bauteiles führen.
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Bei Verwendung von relativ dicken Gewebebahnen in Verbindung mit dem
manuellen Einlegen in die Bauteilform hängt die erwünschte gleichmäßige Massenverteilung
über die Länge der Bauteilform im wesentlichen von der Erfahrung der beteiligten
Arbeiter ab. Außerdem sind die Werte für die dynamischen Festigkeitseigenschaften
der aus solchen dicken Gewebebahnen hergestellten Bauteile durch die relativ inhomogene
Verteilung zwischen Webfäden und Bindemittel zwar für den Normalfall ausreichend,
könnten jedoch z.B. durch die Verwendung von dünneren Gewebebahnen wesentlich verbessert
werden, da hierbei das Bauteil wesentlich homogener sein würde. Derartige dünne
Gewebebahnen können jedoch der erwähnten Risiken. wegen manuell praktisch nicht
mehr bearbeitet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art zum Herstellen von langgestreckten Bauteilen aus faserverstärkten
Werkstoffen zu vereinfachen, wobei trotz der Vereinfachung des Verfahrens das fertiggestellte
Bauteil in der Qualität reproduzierbar hochwertig sein soll.
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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des
Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Gemäß der Erfindung wird demnach eine Lage des Bauteiles aus einem
einzigen Bahnstreifen des Gewebes hergestellt. Die Imprägnierung und Ablage der
Gewebebahn erfolgt vorzugsweise maschinell, was durch die einfacfien Verfahrefisschritte
ermöglicht wird. Hierdurch können auch sehr dünne Gewebebahnen ohne Risiken gehandhabt
werden.
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In dc abgelegten Gewebebahn laufen die Verstärkungsfäden in einem
Winkel von im wesentlichen + 450 zur Bauteillängsachse, wodurch die gewünschte Torsionssteifigkeit
erhalten wird. Die
vorhandenen Zugfäden der Gewebebahn liegen in
Bauteillängsrichtung und dienen im wesentlichen dazu, beim Abziehen und Ablegen
der Gewebebahn die durch Zugkräfte in Längsrichtung eventuell auftretende Verringerung
der Bahnbreite (Krawatten-Effekt) zu verhindern.
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Zur Herstellung z.B. eines Hubschrauber-Rotorblattes wird eine Gewebebahn
verwendet, deren Breite derjenigen der für das Hubschrauberblatt notwendigen Bauteilform
entspricht. Die im allgemeinen auf einer Vorratsspule aufgewickelte Gewebebahn wird
von dieser abgespult und durch ein Tränkbad geführt, in der die Gewebebahn mit einem
Bindemittel imprägniert wird.
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Die durchtränkte Gewebebahn wird dann durch eine Quetschwalzenanordnung
geleitet, in der überschüssiges Bindemittel so weit entfernt wird, daß der Gewichtsanteil
von Gewebe und Bindemittel in einem gewünschten Verhältnis steht. Diese Gewebebahn
wird dann über die gesamte Länge der Bauteilform in diese in Längsrichtung abgelegt
und in die Bauteilform eingepreßt. All dies erfolgt maschinell. Damit sind auch
die Schritte für die Herstellung einer Gewebelage bereits beendet. Dies wird so
oft wiederholt, bis die Bauteilform mit der beabsichtigten Anzahl von Gewebelagen
ausgefüllt ist.
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Jede Gewebelage entspricht einem einzigen Gewebebahnabschnitt, so
daß in jeder Lage ein homogener, nicht durch Überlappungsbereiche von mehreren Gewebebahnen
gestörter Verbund zwischen Webfäden und Bindemittel gegeben ist. Bereits aufgrund
dieser Tatsache ist eine ausgeglichenere Massinvertei1ung über die Bauteillänge
und dez..entsprechend bessere dynamische Festigkeitseigenschaften als bisher erzielbar.-.
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Offensichtlich werden auch die Anzahl der für die Herstellung eines
Bauteils notwendigen Arbeitsschritte sowie die Anforderungen an die Genauigkeit
bei der Ablegung der einzelnen
Gewebebahnstücke für die einzelnen
Gewebelagen wesentlich verringert. Zum einen können dadurch Fehlerquellen bei etwaiger
manueller Herstellung weitgehend ausgeschaltet werden; zum anderen kann die Herstellung
dadurch auch weitgehend automatisiert werden, ohne daß hierbei Abstriche an die
Qualität des fertigen Bauteiles gemacht werden müßten. Dank des vereinfachten Herstellungsverfahrens
kann die Gewebebahn kontinuierlich von einer Vorratsspule abgespult, imprägniert
und dann maschinell in die Bauteilform eingelegt werden, ohne daß während dieser
Schritte manuelle Eingriffe notwendig sind. Hiermit können auch wesentlich dünnere
Gewebebahnen verarbeitet werden, als dieses manuell möglich wäre.
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Sowohl die Massen- bzw. Gewichtsverteilung als auch die dynamischen
Festigkeitseigenschaften des fertiggestellten Bauteles können hiermit verbessert.
werden.
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Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung
näher erläutert.
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In der Zeichnung stellen dar: Figur 1 eine teilweise von einem Vorratswickel
abgezogene Gewebebahn zur Herstellung von Hubschrauber-Rotorblättern nach einem
Verfahren gemäß der Erfindung; Figur 2 eine Aufsicht auf die Gewebebahn gemäß Figur
1 in vergrößertem Maßstab; Figur 3 eine schematische perspektivische Ansicht einer
Einrichtung zur automatisierten Herstellung von Rotorblättern nach einem Verfahren-gemäß
der Erfindung.
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In Figur 1 ist eine teilweise von einem Vorratswickel 1 abgerollte
Gewebebahn 2 dargestellt, die eine Breite b aufweist.
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Die Gewebebahn 2 wird von dem Wickel in Pfeilrichtung 21 abgezogen
. Das Gewebe selbst weist in Abzugsrichtung P1 verlaufende
Zugfäden
3 sowie in einem Winkel von + 450 zu diesen Zugfäden verlaufende Verstärkungsfäden
4 auf.
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Die Zugfäden dienen im wesentlichen dazu, daß die Breite b der Gewebebahn
auch beim Abzug von dem Wickel erhalten bleibt, d.h.
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daß sich nicht der sogenannte Krawatteneffekt einstellt, durch den#die
Breite der Gewebebahn beim Abziehen verringert werden würde.
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In Figur 2 ist in vergrößertem Maßstab ein schematischer Ausschnitt
aus der Gewebebahn dargestellt. Hier sind nochmals die Zugfäden 3 sowie die in +450-Winkelorientierung
verlaufenden Verstärkungsfäden 41 sowie die in -450-Winkelorientirung zu den zug#äaen
vsrlaufendan Vsxstärkungafäden 4 2 dargeste#lt. Die senkrecht aufeinanderstehenden
Verstärkungsfäden 41 und 42 können z.B. miteinander verknüpft sein; ebenso wäre
es möglich, daß diese Verstärkungsfäden - nur mit einem Heftfaden bzw. dem Zugfaden
verbunden - ohne Verknüpfung aufeinanderliegen. Die Verstärkungsfäden 4 sind sehr
dicht gewebt, wohingegen die Anzahl der Zugfäden über die Breite b der Gewebebahn
nur sehr gering zu sein braucht.
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Ein derartiges Gewebe kann mit Flächengewichten zwischen 50 und 500
Gramm pro Quadratmeter verwendet werden. Als Material können Glasseide oder andere
Fasern, so z.B. Kohlefasern oder dgl. verwendet werden L Figur 3 ist schematisch
eine Einrichtung zum Herstellen von langgestreckten Rotorblättern für Hubschrauber
mit einem Gewebe gemäß der Figuren 1 und 2 dargestellt: Die Glasseidengewebebahn
2 ist auf dem VorratswickeL 1 aufgewickelt und wird von diesem in Pfeilrichtung
P1 abgezogen, um eine Umlenkwalze 13 und über eine Tränkwalze 14 geführt. Die Tränkwalze
14 läuft mit ihrer unteren Hälfte in einem Bindemittel enthaltenden
Tränkbad,
z.B. einem Harzbad. Die Tränkwalze nimmt aus dem Tränkbad Bindemittel auf und. preßt
dieses in das Gewebeband 2 ein. Das Gewebeband durchläuft danach. einen Adsorptionsturm
16, in dem das Gewebeband über mehrere Adsorptionswalzen 17 umgelenkt geführt wird.
Während des Weges des Gewebebandes über die Adsorptionswalzen verteilt sich das
Bindemittel gleichmäßig über die gesamte Breite und die gesamte Dicke des Gewebebandes.
Die Imprägnierung ist damit abgeschlossen.
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Nach Verlassen des Tränkturmes wird das imprägnierte Gewebeband über
eine oder mehrere Umlenkwalzen 18 um ca. 900 geneigt und durch eine verstellbare
Quetschstiftanordnung 19 aus mehreren Quetschstiften 20 geführt. In dieser Quetschstiftanordnung
wird überschüssiges Bindemittel aus dem Gewebeband ausgepreßt und in einer Wanne
21 aufgefangen. Der Auspreßdruck, der von den Quetschstiften auf das imprägnierte
Gewebeband ausgeübt wird, ist durch hier nicht dargestellte Einstellmittel von Hand
oder automatisch veränderbar, z.B. dadurch, daß der Abstand der in der Quetschstiftanordnung
vorgesehenen Quetschstifte gegeneinander geändert wird. Nach Verlassen der Quetschstiftanordnung
wird das Gewebeband erneut über eine Umlenkwalze 22 um ca. 900 umgelenkt und horizontal
weitergeführt.
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Zur Unterstützung des Imprägniervorganges wird das Gewebeband vor
dem Tränken mittels eines Infrarotstrahlers 23 auf etwa 600c vorgeheizt. Zur Unterstützung
des Auspressens überschüssigen Bindemittels wird das imprägnierte Gewebeband im
Bereich der Quetschstiftanordnung 19 durch einen weiteren Infrarotstrahler 24 geheizt,
so daß das überschüssige Bindemittel leicht in die Auffangwanne 21 abfließen kann.
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Die beschriebenen Teile sind insgesamt auf einem Schlitten 25 angeoranet,
der längs nicht dargestellter Schienen verschoben
werden kann.
Der Schlitten befindet sich oberhalb einer Rotorblattform 28M deren Längsachse parallel
zur Verschiebungsrichtung P2 ausgerichtet ist. Mit dem Schlitten ist ein Ausleger
29 verbunden, der an seinem freien Ende eine Anpreßrollenanordnung 30 aufweist.
Das aus der Quetschstiftanordnung 19 kommende imprägnierte Gewebeband 2 wird unter
den Anpreßrollen 30 hindurchgeführt und mit Hilfe von diesen in die Rotorblattform
28 abgelegt und in dieser eingepreßt. Der Ausleger 29 kann in der Höhe verstellt
werden, so daß die Anpreßrollenanordnung 20 an Formänderungen der Rotorblattform
angepaßt und weiterhin der Anpreßdruck der Anpreßrollen variiert werden kann. Zum
Ablegen der Gewebebahn in der Bauteilform wird der Schlitten über die gesamte Länge
der Bauteilform über diese hinwegbewegt, wobei die imprägnierte Gewebebahn in die
Bauteilform abgelegt und angepreßt wird. Nach Ablegen einer Lage eines Gewebebandes
wird dieser Arbeitsschritt mehrfach. wiederholt, bis die gewünschte Lagenanzahl
erreicht ist.
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Mit einer solchen Einrichtung ist es ferner möglich, den Bindemittelanteil
des imprägnierten Gewebebandes automatisch einzustellen. Hierzu wird ein über die
Bauteilform 28 hinausragendes Teilstück a des Gewebebandes abgeschnitten und mit
einer nicht dargestellten Präzisionswaage gewogen. Aufgrund dieser Wägung kann der
Bindemitelanteil bestimmt und erforderlichenfalls durch Einstellung der Quetschstiftanordnung
verändert und auf das richtige Maß gebracht werden. Durch diese quasi kontinuierliche
exakte Ist-Gewichtsbestimmung des abgelegten imprägnierten Gewebebandes ist auch
eine quasi kontinuierliche Kontrolle des Bindemittelanteils in dem Gewebeband möglich.
Hierdurch wird eine hervorragend gleichmäßige Massenverteilung über die Länge und
den Querschnitt des fertigen Bauteiles erzielt.
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