DE3239803C2

DE3239803C2 -

Info

Publication number: DE3239803C2
Application number: DE3239803A
Authority: DE
Inventors: Warren Hill East Hartland Conn. Us Pinter; David Harvey Tolland Conn. Us Blaney
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1981-12-28
Filing date: 1982-10-27
Publication date: 1988-11-17
Also published as: DK452282A; AU547286B2; NO823569L; DK155180C; FR2518980A1; SE8206093D0; NL8204193A; ES516875A0; FI823656L; FI823656A0; KR890000614B1; GB2112739A; NL187898B; DE3239803A1; ZA827461B; US4381960A; GB2112739B; AU8973382A; FR2518980B1; NO161363B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Formung eines sich verjüngenden faserverstärkten Kunstharzgegenstandes durch kontinuierliches wendelförmiges Aufwickeln eines Faserbandes auf eine sich in Längsrichtung verjüngende Form, wobei die Windungen der jeweils nächsten Wicklung zwischen den Windungen der vorausgehenden Wicklung gleicher Faserrichtung abgelegt werden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE-OS 27 36 125 bekannt. Mit dem bekannten Verfahren soll erreicht werden, daß eine Kröpfung der Faserbänder an ihren Kreuzungspunkten vermie den wird, so daß Zwischenräume wegfallen. Hierzu kann der Voreilwinkel jeder Wendel entweder konstant gehalten oder variiert werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.

Weiterhin ist aus der US-PS 34 29 758 ein Verfahren zur Herstellung eines sich verjüngenden fasergewickelten Gegenstands, beispielsweise eines Lichtmastes, bekannt, bei welchem kreuzförmige Wickellagen angeordnete Faserband-Längsschichten vorgesehen sind. An solchen Stellen, an denen eine erhöhte Festigkeit erforderlich ist, werden zusätzliche Wickellagen vorgesehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das beispielsweise aus der DE-OS 27 36 125 bekannte Verfah ren weiterzuentwickeln und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchem sich verjüngende faserverstärkte Kunstharzgegenstände hergestellt werden können, bei denen der Übergang zwischen dem dickeren und dem dünneren Ende möglichst gleichförmig erfolgt.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein gattungsgemäßes Verfahren, bei welchem in einem ersten Verfahrensschritt das Faserband zwischen dem dickeren Ende und dem dünneren Ende der Form gewickelt wird, wobei die abgelegten Faserbandwindungen am dickeren Ende einen der Breite des Bandes entsprechenden Abstand voneinander aufweisen, im mittleren Abschnitt unter Bildung einer ersten geschlossenen Schicht eng aneinanderliegen und am dünneren Ende sich seitlich überlappen, und in einem zweiten Verfahrensschritt das Faserband nur zwischen dem dickeren Ende und dem mittleren Abschnitt gewickelt wird, wobei die abgelegten Faserbandwindungen am dickeren Ende zwischen die bereits aufgebrachten Windungen und im mittleren Bereich unter Bildung einer zweiten geschlos senen Schicht abgelegt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann daher in vorteil hafter Weise eine erheblich bessere Annäherung an eine vorgegebene Form erzielt werden. Besondere Bedeutung hat das erfindungsgemäße Verfahren bei der Herstellung aerodynamisch geformter Gegenstände, beispielsweise Wind turbinenschaufeln, bei deren Herstellung bislang Stufen versetzungen an der Oberfläche aufgrund der Verjüngung auftreten konnten, die die aerodynamischen Eigenschaften beeinträchtigen konnten. Gemäß vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens können sämtliche Faserbandwindungen des ersten und zweiten Verfah rensschrittes parallel zueinander abgelegt werden, oder es werden sämtliche Faserbandwindungen einander kreuzend abgelegt. Dies ermöglicht eine Anpassung an unterschied liche Anforderungen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines mit dem Verfahren hergestellten Gegenstands;

Fig. 2 eine Teilseitenansicht eines Gegenstands, der durch das Verfahren bewickelt ist;

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 der Fig. 2;

Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 der Fig. 2;

Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5 der Fig. 2;

Fig. 6 eine Teilseitenansicht des Gegenstands der Fig. 2 nach weiteren Faserwicklungsschritten des Verfahrens;

Fig. 7 eine Schnittansicht entlang der Linie 7-7 der Fig. 6;

Fig. 8 eine Schnittansicht entlang der Linie 8-8 der Fig. 6;

Fig. 9 eine vergrößerte Teilseitenansicht entlang der Linie 9-9 der Fig. 6;

Fig. 10 eine Teilschnittansicht eines mit dem Verfahren hergestellten Gegenstands; und

Fig. 11 eine Teilseitenansicht eines Gegenstands, der mit einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens hergestellt ist.

In der Fig. 1 ist ein sich verjüngender länglicher Gegen stand gezeigt, der mit dem erfindungsgemäßen Faserwickel- Verfahren hergestellt wird. In diesem Fall ist der Gegen stand beispielsweise eine sich verjüngende Tragfläche, wie sie bei großen Windturbinenschaufeln bzw. -blättern verwendet wird. Das Verfahren wird auf einer Wickel maschine 10 ausgeführt, die eine drehbare Spindel 13 umfaßt, auf welcher eine Fom 16 derart montiert ist, daß die Form mit der Spindel um eine längsangeordnete Wickelachse durch die Form hindurch rotiert. Die Wickel maschine 10 umfaßt auch einen Wickelkopf 19, welcher mit einer hin- und hergehenden geradlinigen Bewegung entlang Schienen 22 über die Länge der Wickelmaschine läuft. Der Wickelkopf 19 empfängt eine Vielzahl von kontinuierlichen Fasern oder Vorgespinsten 25, wie Glasfasern oder ähnliches, aus einer geeigneten Vorratsquelle (nicht gezeigt), beschichtet die Vorgespinste mit einem geeigneten Bindemittel, wie einem Epoxy oder einer anderen geeigneten Substanz, so daß die Fasern zu sammen innerhalb einer Matrix von Bindemittel in bekannter Weise angeordnet sind. Die Fasern werden auf die Form als Band aufgebracht, das eine einzige oder mehrere übereinanderliegende Schichten aus nebeneinanderliegenden Vorgespinsten umfaßt, und zwar in einzelnen Strängen oder Bündeln. Die mit diesem Verfahren geformte Tragfläche um faßt eine Vielzahl von gewickelten Schichten dieses Faser materials. Wie gezeigt ist, sind die Windungen der auf die Form gewickelten Lage im Winkel bezüglich denjenigen in die Lage versetzt, die vorher auf die Form gewickelt wurden. Es ist erkennbar, daß diese winkelmäßige Versetzung der Windungen durch die Längsbewegung des Wickelkopfs bezüglich der Form erzeugt wird, wobei die Geschwindigkeit des Wickelkopfs relativ zur Rotationsgeschwindigkeit der Form die Winkelorientierung der Windungen bestimmt.

Beim Wickeln der ersten Lage (des ersten Umlaufs von Windungen über die Länge der Form), werden Enden der mit dem Bindemittel behandelten Fasern rechts an der Form befestigt und die Form wird um ihre Längsachse ge dreht, während sich der Wickelkopf über die Länge der Form von rechts nach links bewegt. Wenn sich der Wickel kopf einem mit Stacheln versehenen Wendering 30 annähert, legt er eine Endwindung 32 des Fasermaterials auf. Wenn der Wickelkopf am Ende der Form vorbeitritt, werden die Fasern von einem oder mehreren Stacheln eingefangen, die von der Kante des Wenderings wegstehen. Nach dem Vorbeitreten an dem Wendering kehrt der Wickelkopf seine Richtung um, so daß er die Fasern quer über die Außenstirnfläche des Wenderings wickelt, wonach die Fasern von einer Zahl von Stacheln eingefangen werden, die zu denjenigen versetzt sind, an denen die Fasern zuerst eingefangen wurden. Während der Wickelkopf diese Bewegung weiterführt, läuft er an der Form entlang von links nach rechts, wobei er mit dem Wickeln der Endwindung 37 beginnt, die die Endwindung 32 überkreuzt. Die konti nuierliche Weiterbewegung des Wickelkopfs 19 an der Form 16 entlang, während sich die Form auf der Spindel dreht, erzeugt eine zweite Lage oder einen Durchgang von beab standeten Windungen des Fasermaterials. Das hin- und her gehende Vorbeilaufen des Wickelkopfes an der Form wird wiederholt, wobei verschiedene übereinanderliegende Lagen von beabstandeten Vorgespinstwindungen aufgelegt werden und jede Lage oder jeder Umlauf im Winkel bezüglich des nächst vorhergehenden Umlaufs versetzt ist. Dadurch wird eine dritte Lage aufgelegt, nachdem der Wickelkopf 19 von links nach rechts an der Form entlang gelaufen ist und die Wickelkopfbewegung umgekehrt wurde. Es ist dabei anzumerken, daß die Windungen der dritten Lage allgemein parallel zu den Windungen der ersten Lage angeordnet sind, jedoch die Windungen der zweiten Lage überkreuzen. Auf diese Weise werden die Windungen jeder Lage parallel zu den Windungen von vorhergehenden Lagen oder Umläufen ge wickelt, die bei der Bewegung des Wickelkopfes in der gleichen Richtung an der Form entlang entstehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch derart ausgeführt werden, daß eine hin- und hergehende Relativdrehung der Form bezüglich des ungewickelten Bandes (des Wickelkopfes) ausgeführt wird, so daß jede Richtungsänderung der Längs auslenkung des Wickelkopfs bezüglich der Form entlang der Wickelachse von einer Drehrichtungsumkehr der Form be gleitet wird. Wenn also der Wickelkopf das Ausmaß seiner Längsbewegung erreicht und die Richtung umkehrt, kehrt die Form ihrer Rotationsrichtung auf die Spindsel 13 um und daher liegen alle auf der Form 16 gewickelten Windungen allgemein parallel, so daß gegenseitige Überkreuzungen der Windungen beseitigt werden.

Wenn ein sich verjüngender Gegenstand, wie ein sich ver jüngendes Tragflügelblatt, aus übereinanderliegenden voll ständigen Schichten aus Fasermaterial gewickelt wird, wie vorstehend beschrieben, ist die Dicke des gewickelten Materials umgekehrt proportional zum Umfang der Form. Wenn der Wickelwinkel konstant gehalten wird, kann diese Beziehung allgemein durch die folgende Gleichung ausge drückt werden:

P ₁ t ₁ = P ₂ t ₂

wobei P ₁ die Abmessung des Umkreises oder Umfangs an einer Position 1 ist, P ₂ die Abmessung des Umfangs an einer Position 2, t ₁ die mittlere Dicke des gewickelten Materials an der Position 1 und t ₂ die mittlere Dicke des gewickelten Materials an der Position 2. Es ist somit ersichtlich, daß bei einem sich verjüngenden Gegenstand, wie dem gewickelten Turbinen-Tragflügelblatt, entsprechend dieser Beziehung der Spitzenabschnitt des Blattes wesent lich dicker würde, als sein Wurzelabschnitt. Da der Spitzen abschnitt weniger beansprucht ist als der Wurzelabschnitt, ist jedoch das Gegenteil erwünscht, also gewöhnlich erwünscht, den Spitzenabschnitt wesentlich dünner zu machen als den Wurzelabschnitt. Bei herkömmlichen Faserwickel techniken kann dies dadurch erreicht werden, daß eine geringere Anzahl von vollständigen Schichten am Spitzen abschnitt als am Wurzelabschnitt und an den mittleren Abschnitten aufgewickelt wird. Beispielsweise kann eine erste vollständige Schicht entlang der gesamten Länge der Form gewickelt werden und eine zweite vollständige Schicht kann von der Wurzel bis zu einer Stelle der Form gewickelt werden, jenseits der nur eine Schicht des Materials erforderlich ist. Dann wird eine dritte vollständige Schicht um die zweite Schicht von der Wurzel bis zu einer Stelle an dem Blatt gewickelt, jenseits der nur die ersten beiden Schichten erwünscht sind. Auf diese Weise wird eine abge stufte oder kaskadierte Konstruktion erhalten. Es ist natürlich ohne weiteres erkennbar, daß die Genauigkeit, mit der dieses abgestufte oder kaskadierte Dickenprofil ein allgemein glattes, entsprechendes Entwurfsprofil (wie erwünscht) annähert, durch die Dicke der gewickelten Schichten begrenzt ist. Bei einer sich verjüngenden Struktur, wie der des vorstehend erläuterten gewickelten Turbinenblattes und wie durch die vorstehende Beziehung der Dicke zum Form umriß erläutert, ist erkennbar, daß die auf die Form ge wickelten Faserschichten am Spitzenabschnitt vielmals dicker sein können als erwünscht, und zwar aufgrund des Umfangsunterschieds der Form zwischen dem Spitzen- und dem Wurzelabschnitt. Da bei herkömmlichen Verfahren zum Wickeln einer Vielzahl von übereinanderliegenden Schichten mit abnehmender Länge zur Bildung einer abgestuften Annäherung des erforderlichen Dickenprofils die Stufenhöhen äquivalent zur Dicke der vollständigen Faserschichten sind, stellen derartige Stufen häufig nur sehr grobe Annäherungen an ein kontinuierliches Dickenprofil dar, das von dem ana lytischen Entwurf des Bauteils verlangt wird.

Durch die Erfindung wird die Stufenhöhe beträchtlich ver mindert und der fasergewickelte Gegenstand zeichnet sich durch ein Dickenprofil aus, welches ein glattes Entwurfs profil viel enger annähert, als es mit herkömmlichen Wickeltechniken erreicht werden kann. Gemäß der Erfindung wird eine Anzahl von übereinanderliegenden "Teilschichten" geformt, wobei diese Teilschichten kontinuierliche Ab schnitte an kleineren Formumfängen umfaßt, sowie dis kontinuierliche Abschnitte an größeren Formumfängen, die nachfolgend von anderen Teilschichten bedeckt werden. Auf diese Weise nähern die Höhen der gewickelten Schritte, die das erwünschte Dickenprofil annähern, wesentlich gegenüber den Schritthöhen vermindern, die bei vollständigen Faserschichten auftreten, so daß eine verbesserte Annäherung eines glatten erwünschten Dickenprofils erzielbar ist.

Gemäß den Fig. 2 bis 5 sind zur Erläuterung der Erfindung eine erste 50, eine zweite 55 und eine dritte Position 60 auf der Form definiert; die zweite Position 55 ist zwischen der ersten und der dritten angeordnet. Der Umfang der Form an der ersten Position 50 ist größer als der an der dritten Position 60. Bei dem in den Fig. 2 bis 5 ge zeigten Beispiel sei zum Zwecke der Erläuterung angenommen, daß der Umfang an der Position 50 zweimal so groß ist wie an der Position 55 und viermal so groß wie an der Position 60. Nachdem die Positionen definiert sind, wird das Faser material kontinuierlich um die Form mit einem der beiden vorstehend mit Bezug auf die Fig. 1 beschriebenen Verfahren gewickelt. Gemäß den Fig. 2 bis 5 kehren der Wickelkopf und das von ihm getragene Faserband ihre Längsrichtung gleichzeitig mit der Rotations-Hin- und Herbewegung der Form um, so daß aufeinanderfolgende Lagen oder Umläufe von Faserwindungen parallel zueinander angeordnet werden. Das Faserband mit beliebiger geeigneter Breite oder Dicke wird kontinuierlich um die Form zwischen der ersten und der dritten Position gewickelt, bis der gesamte Umfang der Form an der zweiten Position mit einer Schicht aus Faser material von gewünschter Dicke bedeckt ist, während Teile des Umfangs der Form im Bereich der ersten Position von dem Material unbedeckt bleiben. Dies stellt eine der "Teilschichten" dar, wie vorstehend angegeben. Da der Umfang an der Position 60 die Hälfte des Umfangs an der Position 55 beträgt, wo der Umfang durch eine kontinuierliche Anordnung einer einzigen Dicke des Faserbandes bedeckt ist, liegen die Windungen an der Position 60 in den Fig. 2 bis 5 gemäß der vorstehenden Formel in einem Ausmaß wie an der Position 60 übereinander, so daß ein Faserband doppelter Dicke gewickelt wurde. Da jedoch der Umfang an der Position 50 zweimal so groß ist wie an der Position 55, wo die Position 55 mit dem Material bedeckt ist, ist die Position 50 nur ungefähr zur Hälfte bedeckt.

Gemäß den Fig. 6 bis 9 wird das Faserband dann zwischen den Positionen 50 und 55 gewickelt, bis der Umfang der Form an der ersten Position vollständig mit dem Faser material bedeckt ist. Wie am besten in der Fig. 7 zu sehen ist, ist somit nach Vollendung dieses Schritts die Form an der Position 50 von einer einzigen Lage des Bandes be deckt, während die Form an der Position 55 mit einer doppelten Dicke des Faserbandes bedeckt ist.

Wenn also die Form gemäß dem Verfahren der Erfindung be wickelt wurde, sind alle Positionen der Form vollständig bedeckt, jedoch ist an der Position 60 die Form mit nur doppelter Banddicke des Materials bedeckt. Bei herkömmlichen Verfahren, bei denen nur vollständige Schichten gewickelt werden, bevor übereinanderliegende Schichten zwischen den Positionen 50 und 55 gewickelt werden, würde die minimale Dicke an der Position 60 vier Banddicken betragen, da der Umfang an der Position 60 ein Viertel desjenigen an der Position 50 beträgt. Wenn also ein ganzer Gegenstand durch Faserwicklung gemäß dem Verfahren der Erfindung geformt wurde, ist die Höhe der Absätze, welche das erwünschte Dickenprofil annähern, wesentlich geringer als diejenige von herkömmlichen Verfahren, so daß ein erwünschtes Dickenprofil viel genauer angenähert werden kann, als es bisher möglich war. Bei dem in den Fig. 2 bis 9 gezeigten Beispiel ist zu sehen, daß der erste dieser Schritte nur eine doppelte Banddicke beträgt, während der erste Schritt bei herkömmlichen Ver fahren mit dem Wickeln von übereinanderliegenden voll ständigen und kontinuierlichen Schichten vier Banddicken betragen würde.

In der Fig. 10 ist die verbesserte Annäherung eines er wünschten Dickenprofils gezeigt, wie sie mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren erzielbar ist. In der Fig. 10 ist ein Profil des Spitzenabschnitts eines fasergewickelten Tragflügelblatts dargestellt. Die Stufen 75-100 stellen die Teilschichten dar, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geformt wurden. Das heißt, daß die freigelegten Ab schnitte jeder Stufe eine vollständige (kontinuier liche) Verteilung der gewickelten Fasern darstellen, während derjenige Abschnitt jeder Stufe, der von einer darüberliegenden Schicht bedeckt ist, wie vorstehend erläutert, offene oder unvollständige Bereiche umfaßt. Die Linie 105 stellt ein erwünschtes Dickenprofil dar, das beispielsweise analytisch vorgegeben ist. Die Linie 115 stellt das Profil eines Endes des Windturbinen blattes dar, welches aus Vorgespinsten gleichförmiger Dicke mit herkömmlichen Verfahren erzielt würde. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß mit derartigen herkömmlichen Verfahren, bei denen vollständige und durchgehende Schichten gewickelt werden, die Spitzendicke wesentlich größer ist als die Dicke an einer inneren Stelle. Bei derartigen bekannten Verfahren würde daher das Dicken profil am Ende nicht einmal grob das gewünschte Dicken profil annähern. Es ist jedoch erkennbar, daß das er findungsgemäße Verfahren es ermöglicht, daß die Stufengrößen viel kleiner sind als bisher bekannt, und es wird dem Fachmann einleuchten, daß eine derartige kleinere Stufengröße eine viel engere Annäherung an ein erwünschtes Profil ermöglicht. Überdies vermindert die kleinere Stufengröße die Anzahl und die Größe von Leerräumen, so daß die Festigkeit des gewickelten Gegenstandes vergrößert wird.

Die Erfindung wurde zwar mit Faserwickeltechniken be schrieben, bei denen alle Lagen oder Umläufe in allgemein parallelen Richtungen auf die Form gewickelt werden, doch ist für den Fachmann ohne weiteres erkennbar, daß dieses Verfahren in gleicher Weise für Überkreuzungstyp-Wickel techniken geeignet ist, bei denen jede Lage oder gewickel ter Umlauf im Winkel von benachbarten Lagen versetzt ist, so daß eine "Korbflecht"-Anordnung des Faserbandes er zielt wird. Die Fig. 11 zeigt eine derartige Bandverteilung. Wie vorstehend bereits erläutert, wird diese Bandanordnung erzielt, wenn der Wickelkopf sich in Längsrichtung bezüglich der Form hin- und herbewegt, während die Drehrichtung der Form konstant bleibt. In der Fig. 11 sind Positionen 50, 55 und 60 gezeigt, wobei die Form an der Position 50 offene Bereiche zwischen den Bändern aufweist. An der Position 55 liegen die Bänder mit doppelter Dicke vor, während an der Position 60 die Faser dicke äquivalent vier Banddicken ist. Die offenen Bereiche und die darüberliegenden oder überkreuzenden Bänder an der Position 50 führen im Mittel zu einer einzigen Banddicke, die mit der doppelten Banddicke an der Position 55 und der vierfachen Banddicke an der Position 60 in der Be ziehung der gewickelten Faserdicke von dem Formumfang steht, die vorstehend angegeben ist. Der Fachmann wird erkennen, daß der Beitrag der verminderten Stufen größe für eine genaue Annäherung der Entwurf-Dickenprofile ebenso leicht mit diesem Überkreuzungsverfahren der Wick lung erzielt werden, wie bei dem vorstehend erläuterten Parallelband-Wickelverfahren.

Ferner ist anzumerken, daß die Erfindung mit verschiedenen Wicklungswinkeln ausgeführt werden kann, ohne daß die Vorteile in irgendeiner Weise geopfert werden, die durch das Wickeln der vorstehend beschriebenen Teilschichten in abgestufter oder kaskadierter Anordnung, wie vorstehend angegeben, erzielbar sind.

Claims

1. Verfahren zur Formung eines sich verjüngenden faserverstärkten Kunstharzgegenstandes durch kontinuier liches wendelförmiges Aufwickeln eines Faserbandes auf eine sich in Längsrichtung verjüngende Form, wobei die Windungen der jeweils nächsten Wicklung zwischen den Windungen der vorausgehenden Wicklung gleicher Faserrich tung abgelegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in einem 1. Verfahrensschritt das Faserband zwischen dem dickeren Ende und dem dünneren Ende der Form gewickelt wird, wobei die abgelegten Faserbandwindungen am dickeren Ende einen der Breite des Bandes entsprechenden Abstand voneinander aufweisen, im mittleren Abschnitt unter Bil dung einer ersten geschlossenen Schicht eng aneinander liegen und am dünneren Ende sich seitlich überlappen, und in einem 2. Verfahrensschritt das Faserband nur zwischen dem dickeren Ende und dem mittleren Abschnitt gewickelt wird, wobei die abgelegten Faserbandwindungen am dickeren Ende zwischen die bereits aufgebrachten Win dungen und im mittleren Bereich unter Bildung einer zweiten geschlossenen Schicht abgelegt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß sämtliche Faserbandwindungen des 1. und 2. Verfahrensschrittes parallel zueinander abgelegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß sämtliche Faserbandwindungen einander kreuzend abgelegt werden.