DE3345568C2 - Verfahren und Einrichtung zur Herstellung radial orientierter harzgebundener Fasergelege - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung radial orientierter Fasergelege mit einer zentralen konvexen, vorzugsweise kreisförmigen Ringöffnung. Um bei derartigen, als Verstärkungselemente zu verwendenden Fasergelegen eine ausschließlich radiale Orientierung der Fasern (3) bei geringem Verschnitt zu erreichen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, ein rechteckiges Gewebestück (8) aus parallelen Kettfäden (7) mit einer senkrecht zu den Kettfäden verlaufenden Naht (9) zu versehen und dieses Gewebestück (8) auf einen Zylinder (10) einlagig aufzuwickeln, so daß die Naht (9) in Umfangsrichtung verläuft. Nach Verknüpfen der Naht (9) werden die zu beiden Seiten der Naht freien Fasern radial ausgerichtet, so daß sich eine zweilagige Faseranordnung (1) ergibt. Diese zweilagige Faseranordnung wird mit Bindemittel imprägniert, verpreßt und anschließend ausgehärtet.

Description

a) Bereitstellen eines rechteckigen Fasergelege-Stückes (8) aus parallelen Kettfasern (7) mit einer Maximalbreite (b) senkrecht zu den Kettfasern (7) entsprechend dem Umfang der zentralen Ringöffnung (2) und einer Mindestlänge (di+ik) entsprechend etwa der doppelten radialen Erstreckung des fertigen Fasergeleges

b) Anbringen einer Verbindung (Naht 9) senkrecht zur Ketttaserrichtung in einem Abstand (d{) von den Kettfaserenden entsprechend der radialen Erstreckung des fertigen Fasergeleges (i);

c) Aufwickeln des Fasergelegestückes (8) auf einen Zylinder (10) mit einem Durchmesser (D) entsprechend der zentralen Ringöffnung (2), wobei die Naht (9) in Umfangsrichtung des Zylinders (10) zu liegen kommt;

d) Verknüpfen der Nahtenden miteinander;

e) Abheben der längs Zylindermantellinien anliegenden K','ttfasern (7, 3) und Umklappen der Fasern um die Naht/9) in ei??··, radiale Richtung;

f) Imprägnieren der flächigen Faseranordnung mit Bindemittel;

g) Verpressen und Aushärten der imprägnierten Faseranordnung;

h) gegebenenfalls Beschneiden des Außenrandes der ausgehärteten Faseranordnung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Fasergelegestück (8) bewickelte Zylinder (10) senkrecht gestellt wird, und daß die dabei von der Naht (9) senkrecht nach unten hängenden Fasern (3) mittels nach oben geblasener Druckluft (A) von dem Zylinder (10) abgehoben und radial ausgerichtet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ausrichten der Fasern (3,7) in radialer Richtung der Druckluft (A) ein Bindemittel (4) zugesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Bindemittel (4) imprägnierte Faseranordnung mit heißer Druckluft umspült wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere fertige Fasergelege (1) mit gleicher Ringöffnung (2) übereinander gestapelt verklebt und verpreßt werden.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch

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a) einen Zylinder (10) mit einem Durchmesser (D) entsprechend der Ringöffnung (2) des fertigen Fasergeleges,

b) eine Einspannvorrichtung (12,13) für den Zylinder (10), die zwei gegenüberliegende Platten (12, 13) mit einander zugewandten parallelen horizontalen Ebenen aufweist, zwischen die der Zylinder (10) senkrecht zu den Ebenen in zwei koaxialen Plattenöffnungen (11, 14) einspannbar ist wobei die Platten (12,13) senkrecht zu den Plattenebenen bis zur Anlage aneinander verschiebbar sind, und

c) ein Ringspalt zwischen Zylinder (10) und zumindest der öffnung (11) in der unteren Platte (12), der in den Zwischenraum zwischen den beiden Platten mündet.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung radial orientierter harzgebundener Fasergelege gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 6.

Bei vielen Anwendungsfällen ist es notwendig, mechanische Beschläge in die Öffnungen von Strukturen aus faserverstärkten Werkstoffen einzukleben. So sollen 2. B. Eisenbahnräder und große Zahnräder aus einem Verbund von faserverstärkten Werkstoffen und Metall hergestellt werden, wobei die Nabe des Rades aus Metall und die sich anschließende Radscheibe aus faserverstärkten Werkstoffen gegebenenfalls in Verbindung mit anderen Werkstoffen ist Die Radnabe wird in eine zentrale öffnung der Radscheibenstruktur eingeklebt wobei zur Entlastung der Klebefuge eine radiale Verstärkung bzw. Versteifung erforderlich ist

Hierzu werden ringförmige Fasergelege als Versteifungselemente hergestellt die nach dem bisherigen Stand der Technik entweder aus Gewebebahnen geschnitten oder aus unidirektionalen Faserbahnen, deren Faserrichtungen Lage für Lage gegeneinander gedreht sind, zusammengeklebt werden. Für das Fasergelege können Fasern oder auch Fäden verwendet werden, !m folgenden soll der Ausdruck Faser beide Möglichkeiten einschließen.

Bei diesen Herstellungsverfahren ist. regelmäßig der Verschnitt groß. Ebenso aufwendig sind Weben und die notwendigen Schneidearbeiten.

Mit diesen Herstellungsverfahren können auch keine ringförmigen Fasergelege als Versteifungselemente hergestellt werden, deren Fasern nur in der optimalen radialen Richtung orientiert sind. Hierdurch sind auch die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften nicht mehr optimal und müssen durch entsprechend größere Dicke der Fasergelege ausgeglichen werden. Darüberhinaus ist eine kontinuierliche Schaffung der Versteifung bzw. Verstärkung nicht machbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung der in Rede stehenden Art anzugeben, mit denen auf einfache Weise und ohne großen Verschnitt Fasergelege mit radialer Faserorientierung zur Verstärkung von Ausschnitten in Strukturen aus faserverstärkten Werkstoffen hergestellt werden können; außerdem soll die Herstellung weitgehend mechanisiert werden können.

Diese Aufgabe ist für ein Verfahren bzw. eine Einrichtung durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 6 angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß besteht der wesentliche Gedanke der Erfindung darin, ein rechteckiges Fasergelegestück aus parallelen Kettfasern mit einer Naht senkrecht zu den Kettfasern zu versehen, anschließend dieses Fasergelegestück einlagig auf einen Zylinder aufzuwickeln, wobei die Naht in Umfangsrichtung dieses Zylinders verläuft. Nach Verknüpfen der Nahtenden miteinander werden die an dem Zylinder längs der Mantellinien anliegenden

Kettfasern um die Naht umgeklappt und in radialer Richtung orientiert Die so erzeugte doppellagige flächige Faseranordnung wird dann mit einem Bindemittel imprägniert, verpreßt und ausgehärtet. Das fertige Fasergelege ΐημβ gegebenenfalls noch am Rand in die endgültige Form geschnitten werden.

Auch wenn das so erzeugte Fasergelege üblicherweise eine zentrale Ringöffnung aufweisen wird, so ist das Verfahren und die Einrichtung auch zur Herstellung von Verstärkungselementen aus faserverstärkten Werkstoffen allgemein mit konvexer Öffnungsgeometrie verwendbar.

Das Herstellungsverfahren kann weitgehend mechanisiert werden. So können z. B. die Kettfasern zwischen zwei Platten mit Hilfe von Druckluft in die radiale Orientierung ausgerichtet werden, wobei anschließend zur Imprägnierung der Druckluft noch ein Bindemittel zugefügt wird. Mit den Platten kann die imprägnierte Faseranordnung verpreßt und durch Einleiten von heißer Druckluft ausgehärtet werden.

Fasergelege, die gemäß der Erfindung hergestellt sind, weisen eine radiale Orientierung der einzelnen Fasern auf, so daß die Stabilitäts- und Festigkeitseigenschaften optimal sind.

Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert In den sechs Figuren sind schematisch aufeinanderfolgende Verfahrensschritte zur Herstellung eines als kreisringförmiges Verstärkungselement dienenden radial orientierten harzgebundenen Fasergeleges sowie schematisch eine Einrichtung zu dessen Herstellung dargestellt

In Fig.6 ist ein fertiggestelltes kreisringförmiges Verstärkungselement 1 aus faserverstärkten Werkstoffen dargestellt Dieses Verstärkungselemeni weist eine zentrale Ringöffnung 2 auf, von der sich in radialer Richtung Fasern 3 der Länge d\ erstrecken, die mit einem Bindemittel 4 matrixartig zusammengehalten sind. Der Durchmesser dieses Verstärkungselementes beträgt demnach (2 d\ + D), wobei D der Durchmesser der Ringöffnung 2 ist

Zur Herstellung dieses Verstärkungselementes wird ein Kettbaum 5 aus einer Bahn 6 aufgewickelt, die eine Breite b entsprechend dem Umfang Ωπ der Ringöffnung 2 hat und die aus einer Vielzahl von in Bahnlängsrichtung verlaufenden parallelen Kettfasern 7 besteht

Von dem Kettbaum 5 wird die Bahn 6 abgezogen und ein rechteckiges Fasergefegestück 8 der Breite b und der Länge (d\ + d₂) markiert Dieses rechteckige Fasergelegestück wird durch einen in F i g. 1 linksseitigen Rand Ri und einen rechtsseitigen Rand R_r begrenzt, die jeweils senkrecht zu den Kettfasern 7 verlaufen. In einem Abstand d\ vom linksseitigen Rand Rt werden die Kettfasern 7 miteinander durch eine Naht 9 verbunden. Dieser Abstand d\ entspricht der Länge der Fasern 3 des fertigen Verstärkungselementes in F i g. 6. Die verbleibende Länge d₂ der Kettfasern 7 von der Naht 9 bis zum rechtsseitigen Rand R_r des Fasergelegestückes 8 kann, muß jedoch nicht gleich der Länge d\ sein.

Danach wird die Bahn 6 längs des linksseitigen Randes Ri durchtrennt, so daß das rechteckige Fasergelegestück 8 entsteht. Die senkrecht zu der Naht 9 verlaufenden Fasern 3 entsprechend den Kettfäden 7 werden nur durch die Naht 9 zusammengehalten.

Dieses rechteckige Friergelegestück 8 wird entsprechend F i g. 3 einlagig auf einen Zylinder 10 aufgewikkelt. dessen Durchmesser dem Durchmesser D der Ringöffnung 2 des fertigen Verstärkungselementes 1 entspricht Die Aufwicklung erfolgt dabei so, daß die Naht 9 des Gewebestückes 8 in Umfangsrichtung des Zylinders 10 verläuft und die Fasern 3 entsprechend der Kettfasern 7 an dem Zylinder längs dessen MantelHnien anliegen. Die Naht 9 wird in Umfangsrichtung des Zylinders 10 verknüpft

In Fi g. 3 ist der Zylinder 10 mit dem einlagig aufgewickelten Fasergelegestück mit verknüpfter Naht 9 dargestellt Der gewickelte Zylinder 10 wird in die Senkrechte gekippt Die in Fig.3 auf der rechten Seite der Naht 9 liegenden Fasern 3 mit der Länge d\ schlagen um die Naht 9 um und bedecken in der senkrechten Stellung gemäß F i g. 4 die in F i g. 3 linksseitigen Fasern 3 der kürzeren Länge d₂. Die Naht 9 befindet sich jetzt am oberen Ende der um den Zyünderumfang nach unten hängenden Fasern 3.

Der senkrecht gehaltene Zylinder 10 wird mit seinem unteren Ende in eine Öffnung 11 einer ebenen, sich senkrecht zur Zylinderachse erstrecksnden Platte 12 eingeführt Diese Öffnung 11 ist geringfügig größer als der Durchmesser D des Zylinders 10, wobei der Zylinder 10 zentrisch in dieser öffnung 11 gehalten wird. Auf den Zylinder 10 wird von oben eine ebenfalls ebene Deckplatte 13 aufgesteckt, die parallel zu der ebenen

Platte 12 ist und den Zylinder 10 in einer zur Öffnung 11

koaxialen Öffnung 14 aufnimmt Die Deckplatte 13 wird bis auf die Naht 9 abgesenkt

Anschließend wird durch den Ringraum zwischen Zylinder 10 und den Wänden der Öffnung 11 Druckluft von unten in den Zwischenraum zwischen den beiden Platten 12 und 13 eingeblasen, wie dieses durch den Pfeil A in F i g. 4 schematisch dargestellt ist Hierdurch werden die von der Naht 9 frei nach unten hängenden Fasern 3 radial nach außen geblasen.

Wie in F i g. 5 schematisch dargestellt wird die Deckplatte 13 langsam senkrecht in Richtung des Pfeiles P₂ abgesenkt, wobei weiterhin durch die untere öffnung 11 Druckluft A eingeblasen wird. Da die Deckplatte 13 auf der fest verschlungenen Naht 9 aufliegt, wird beim Absenken der Deckplatte auch der Zylinder 10 mitgenommen. Gleichzeitig werden durch den Druckluftstrom A die freien Fasern 3 in radialer Richtung in bezug zu der Zylinderachse ausgerichtet

Ist die Deckplatte 13, wie in F i g. 5 gezeigt, bis auf die ebene Platte 12 abgesenkt, dann liegt die Naht 9 bündig zwischen den beiden ebenen Platten 12,13 und die Fasern 3 erstrecken sich davon ausgehend in radialer Orientierung, so daß sich eine zweitägige Faseranordnung aus Fasern der Länge dt und darunter liegenden Fasern der Länge d₂ ergibt

Es ist im übrigen auch möglich, den gemäß Fig.4 eingeritten Zylinder 10 erst unter Druckluftbeeinflussung abzusenken, bis sich die Faseranordnung gemäß Fig. 5 ergibt, und ,eist anschließend die Dockplatte 13 aufzusetzen und bis in Anlage an die Faseranordnung abzusenken.

Nachdem die Deckplatte 13 vollständig abgesenkt ist. wird der Druckluft A ein Bindemittel B zugesetzt. Dieses strömt durch den Ringspalt zwischen Zylinder 10 und der Wand der öffnung 11 in den Zwischenraum zwischen den beiden Platten 12 und 13. Dies geschieht solange, bis die gesamte zweitägige Faseranordnung gemäß F i g. 5 vollständig mit Bindemittel imprägniert ist.

Druckluft und Bindemittel treten an den Rändern der Platten 12 und 13 aus. Das Bindemittel wird hierbei in bekannter Weise aufgefangen.
Anschließend wird auf dem gleichen Wege heiße

Druckluft durch die Einrichtung aus den beiden Platten 12 und 13 gespült. Dadurch bindet das Bindemittel ab. Nach einiger Zeit kann das ausgehärtete Fasergelege aus der Einrichtung entnommen werden. Das Endprodukt ist das in Fig.6 gezeigte Verstärkungselement 1, das aus zwei flächigen Faserlagen besteht. Die eine Faserlage weist Fasern 3 der Länge d\, die andere Fasern der Länge cfe auf. Diese Längen können gleich oder unterschiedlich sein. Gegebenenfalls muß das fertige Verstärkungselement 1 am Außenrand noch beschnitten v/erden.

Zur Unterstützung der radialen Ausrichtung der von der. Naht 9 frei herabhängenden Fasern 3 kann es zweckmäßig sein. Druckluft und gegebenenfalls Bindemittel nicht nur von unten zuzuführen, sondern auch die von oben über die öffnung 14 in der Deckplatte 13 oder nahe der öffnung 14 gelegene Kanäle.

Bei dcni Vcritärkungicicmciii iiiiiniii die raseiuiciiie radial nach außen ab. Hierdurch kann beim fertigen imprägnierten und ausgehärteten Element die Dicke radial nach außen abnehmend eingestellt werden (Schäftung).

Das angegebene Verfahren kann auch zur Herstellung von Verstärkungselementen verwendet werden, die keine geschlossene zentrale Ringöffnung aufweisen. Ein solches Verstärkungselement ist dann entweder ein Ausschnitt aus dem in Fig. 6 gezeigten kreisringförmigen Verstärkungselement oder ein anderes Verstärkungselement mit beliebig geformter konvexer Öffnungsgeometrie der Ringöffnung 2. In einem derartigen Fall kann auch der Zylinderquerschnitt anders als kreisförmig sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung radial orientierter harzgebundener Fasergelege mit einer zentralen konvexen, insbesondere kreisförmigen Ringöffnung, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: