DE3151487C2

DE3151487C2 - Rohr aus faserverstärktem Metall

Info

Publication number: DE3151487C2
Application number: DE19813151487
Authority: DE
Inventors: Heinz 8013 Ottendichl Huber; Hans Dipl.-Phys.Dr. 8012 Ottobrunn Leis
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Leis Hans Dipl-Phys Drrernat 8014 Neubiber
Priority date: 1981-12-24
Filing date: 1981-12-24
Publication date: 1983-12-22
Also published as: DE3151487A1

Abstract

Zur Herstellung eines hochfesten, leichten Rohres wird ein vorgefertigtes Band aus faserverstärktem Metall um einen mit einer Trennschicht versehenen Dorn aus einem Material mit hoher Wärmeausdehnung in mehreren Lagen gewickelt. Beim Wickeln werden Lagen in Längsrichtung der Faser und quer dazu aufgebracht. Die Lagen werden bis zu einer Stärke von etwa 1 mm über der Stärke des zu fertigenden Rohres aufgewickelt, wobei zum Abschluß Radiallagen verwendet werden. Danach werden in etwa halber Dicke der Rohrwandung Lagen aus einem Fasermaterial radial aufgewickelt, das nahezu keine thermische und elastische Ausdehnung aufweist. Nach dem Wickelprozeß wird der gesamte Wickelkörper in einen Vakuumofen gebracht und nach dem Evakuieren und Aufheizen einer den verwendeten Materialien entsprechenden Temperatur ausgesetzt. Dabei kommt es wegen der hohen Wärmeausdehnung des Wickeldorns und der geringen Wärmeausdehnung der Fasermanschette zu einer Verdichtung und Verbindung durch Aufschmelzen oder Diffusion der Wickellagen aus dem faserverstärkten Material. Nach dem Abkühlen und Fluten des Vakuumofens wird der Wickelkörper herausgenommen und nach dem Entfernen des Wickeldorns und der Fasermanschette liegt das fertige Rohr gebrauchsfähig vor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rohr aus faserverstärktem Metall entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eis derartiges Verfahren ist aus der US-PS 31 31 726 bekannt. Das dort beschriebene Rohr ist in Sandwichweise aufgebaut, wobei zwischen zwei durch schraubenförmiges Wickeln von Bändern erzeugte Rohrwandungen eine Drahtwicklung eingebracht wird, die zusammen durch Widerstandsschweißung verbunden sind. Das dabei erzeugte Rohr weist somit zwischen den äußeren Mantelschichten Hohlräume auf und ist infolgedessen für hohe Beanspruchungen nicht geeignet. Der erforderliche Wickeldorn besteht aus einem elektrisch leitenden Rohr, in dem — zwischen zwei Endpropfen - ein Material eingebracht wird, das einen niedrigen Schmelzpunkt hat und sich beim Abkühlen

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⁶⁰ ausdehnt. Dadurch soll der Wickeldom sowohl während des Erhitzens beim Widerstandsschweißen der Sandwichlagen als auch beim Abkühlen seine Formsteifigkeit beibehalten. Das in das Wickelrohr eingebrachte Material muß nach Fertigstellung des Rohres angebohrt oder ausgeschmolzen werden. Dieses Verfahren läßt sich somit nur mit elektrisch leitenden Band- und Drahtmaterialien verwirklichen. Außerdem ist die Herstellung des Wickeldorns umständlich.

Weiterhin ist durch die DE-PS 16 52 577 ein Verfahren zur Herstellung von Rohren bekannt, bei dem man ein Rohr aus dünnem Leichtmetallblech mit hochfesten Fäden umwickelt, ein zweites Leichtmetallblechrohr darüberzieht und alles einem Warmformungsprozeß unterwirft, wobei entweder ein heißer Stempel durch das Rohr gezogen wird, während es außen an der Wand eines Rohrofens anliegt, oder das Rohr durch Walzen oder durch isostatischen Druck auf einen Kern gedrückt wird. Bei der ersten Möglichkeit dieses Verfahrens ist es kaum denkbar, daß das fertige Rohr aus dem Rohrofcn entfernt werden kann. Außerdem kann jeweils nur ein Rohr in dem Rohrofen zur selben Zeit gefertigt werden. Bei dem Aufwälzen der beiden Ausgangsrohre auf einen Kern kommt es zu einer Stauchung vor allem der inneren Faserlagen, die dann nicht mehr zur· Festigkeit beitragen können.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines rationallen Herstellungsverfahrens für hochfeste Mehrschichtenrohre mit Schichten aus leitenden oder nichtleitenden Werkstoffen und mit einem leicht entfernbaren Werkzeugdom aus homogenem Material. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrensschritte gelöst.

Es ist nur für die Gesamtkombination Schutz begehrt Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung enthalten die Ansprüche 2 bis 7.

Mit dem überraschend einfachen erfindungsgemäßen Verfahren ist trotz geringer W;rkzeugkosten die Herstellung toleranzgenauer Rohre möglich. Durch das Beschicken des Vamuumofens mit einer ganzen Anzahl von Wickelkörpern ist ein rationelles und energiesparendes Fertigungsverfahren gegeben.

Das vorgefertigte Band, das zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Rohres verwendbar ist, kann eine Matrix aus jedem geeigneten Metall aufweisen, wie z. B. Aluminium, Magnesium, Nickel oder Kupfer. Für Zwecke des hochfesten Leichtbaus, für den eine solche Fertigung im wesentlichen in Betracht kommt, wird zweckmäßig eine Aluminium- oder Magnesiumlegierung verwendet. Für die Verstärkung des Matrixmetalls sollten Fasern mit hoher Festigkeit verwendet werden. Brauchbar dafür sind Fasern aus z. B. AI₂O₃, borkarbidbeschichtetes Bor, Borsic, Siliziumkarbid oder Kohle. Der Wickeldorn muß aus warmfesten Material mit einer hohen Wärmeausdehnung hergestellt werden, wie sie z. B. legierter Stahl aufweist. Beim Wickeln des vorgefertigten Bandes um den Wickeldorn kann je nach der gewünschten Bohrlänge ein Band in Breite des Rohres oder auch ein schmales Band verwendet werden, wobei letzteres in bekannter Weise spiralförmig oder kreuzweise um den Dorn gewickelt wird. Um dem zu fertigenden Rohr die erforderliche Längssteifigkeit zu geben, ist es auch möglich, einige Wickellagen quer zur Rohrlängsachse aufzubringen. Der Wickeldorn kann in bekannter Weise zur Aufnahme der Wicklungen entweder mit kleinen seitlichen Flanschen zur Begrenzung der Rohrlänge oder mit einer Eindrehung in

Rohrlänge versehen werden. Die Abschlußwicklung muß mit Fasern erfolgen, die keine oder nur geringe thermische und elastische Dehnung aufweisen. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es wichtig, daß Faserwerkstoffe und keine gasdichte Bandage als Abschlußwicklung verwendet werden, da während des Aufheizens des Vakuumofens und besonders beim Schmelz- und Diffusionsverbinden eine Ausgasung des Wickelkörpers erfolgt und das Gas durch die gasdurchlässige Faserbandage entweichen muß. Die Anzahl der Faserlagen richtet sich dabei nach der Stärke des zu fertigenden Rohres und der Materialwahl des vorgefertigten Bandes. In dem Vakuumofen können ohne weiteres eine große Anzähl der vorgefertigten Wickelkörper eingelegt werden. Dabei wird die Temperatur nach den verwendeten Materialien gewäh't und ob die gewickelten Bänder durch Diffusionslöten, d. h. an ihren Oberflächen miteinander verbunden werden sollen, oder durch Hartlöten zusammengefügt werden.· Für das Hartlöten werden die vorgefertigten Bänder einseitig mit einer Auflage aus einem Metall versehen, welches entweder einen niedrigeren Schmelzpunk.·¹ als Jas Matrixmaterial hat oder aber mit dem Matrixmetall im eutektischen Temperaturbereich eine Verbindung eingeht Die Auflage kann z. B. durch Plattieren erfolgen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, wobei die

F i g. 1 bis 3 Verfahrensschritte zur Wicklung eines hochfesten, leichten Rohres zeigen. Die Figuren sind nachgebracht.

Um einen mit einer nicht dargestellten Trennschicht aus Graphit übersprühten Wickeldorn 1 aus Nickelstahl wird entsprechend F i g. 1 zuerst ein vorgefertiges Band 2 aus borfaserverstärktem Aluminium, dessen Breite der Länge des herzustellenden Rohres entspricht, in mehreren Lagen umwickelt. Dabei verlaufen die Fasern des Bandes 2 in Richtung des Pfeiles 3. Anschließend werden entsprechend Fig.2 um die Wicklungen mit dem Band 2 Radtalwicklungen mit einem schmalen Band 4, welches ebenfalls aus borfaserverstärktem Aluminium besteht, aufgebracht. In dem Band 4 verlaufen die Borfasern in Richtung des Pfeiles 5. Je nach Stärke des

ίο herzustellenden Rohres werden die Wicklungslagen mit den Bändern 2 und 4 abwechselnd so lange wiederholt, bis diese eine Stärkung von etwa 1 mm über der Wanddicke des zu fertigenden Rohres aufweisen. Als Abschluß muß eine Radiallage mit dem Band 4 aufgebracht werden.

Danach werden entsprechend Fig.3 in etwa halber Dicke der zu fertigenden Rohrwandung Lagen aus Kohlefasern 6 aufgewickelt, wobei ein Fasermaterial verwendet wird, das bis etwa 600" nahezu keine thermische und elastische Ausdehnung aufweist. Nach dem Wickelprozeß wird der gesan«ie Wickelkörper in einem Vakuumofen gebracht und nach uem Evakuieren und Aufheizen etwa eine halbe Stunde lang einer Temperatur von ca. 550° ausgesetzt. Dabei kommt es wegen der hohen Wärmeausdehnung des Wickeldorns 1 und de. geringen Wärmeausdehnung der Kohlefasermanschette zu einer Verdichtung und Diffusionslötung der Wickellagen 2 und 4 aus borfaserverstärktem Aluminium. Nach dem Abkühlen und Fluten des

jo Vakuumofens wird der Wickelkörper herausgenommen und nach dem Entfernen des Wickeldorns 1 und der Kohlefasermanschette liegt das fertige Rohr gebrauchsfähig vor.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtenrohres durch Bewickeln eines Domes, der aus einem Material mit bestimmter Wärmeausdehnung besteht, mit band- und drahtförmigem Material durch Verbinden der Lagen mittels Wärmeeinwirkung und anschließendes Entfernen des Domes, dadurch gekennzeichnet, daß das Dommaterial hohe Wärmeausdehnung besitzt, daß das Band faserverstärktes Metall ist und das drahtförmige Material aus hochfesten Fasern mit geringer Wärmeausdehnung und geringer elastischer Dehnung besteht und daß die Wärmeeinwirkung in einem Vakuumofen erfolgt bis zu einer Temperatur, bei der ein Aufschmelzen oder eine Diffusion des im Band enthaltenen Matrixwerkstoffes stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn vor dem Bewickeln mit^iner TrennschitiM versehen wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Bewickeln des Domes mit dem vorgefertigten Band die Fasern lagenweise abwechselnd in Längsrichtung des Domes, vorzugsweise mit einem Band, dessen Breite der Länge des herzustellenden Rohres entspricht, und in Querrichtung mit einem schmalen Band gewickelt werden (siehe F i g. 1 und 2).

4. Verfahren nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für das vorgefertigte Band Fasern aus 7. B. Bor, Siliciumkarbid, keramikbeschichteter Kohle, keramikbeschichtetem Bor oder reiner Keramik verwendet we-, den.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß fj„ das vorgefertigte Band als Metallmatrix z.B. Aluminium, Nickel, Kupfer oder Magnesium verwendet wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen I und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgefertigte Band vor dem Wickeln mit einer Auflage aus Metall w versehen wird, welches entweder einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Matrixmetall hat oder mit dem Matrixmetall im eutektischen Temperaturbereich eine Verbindung eingeht.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das drahtförmige Material aus Kohlefasern besteht und nach dem Abkühlen und Herausnehmen des Wickelkörpers aus dem Ofen entfernt wird.