DE3528629A1 - METHOD FOR PRODUCING A ROTOR TUBE - Google Patents

METHOD FOR PRODUCING A ROTOR TUBE

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Rotorrohres aus in einem Matrixmaterial eingebetteten Fasern, bei dem die Fasern um einen Dorn gewickelt werden, der anschließend radial aufgeweitet wird, und bei dem schließlich das Matrixmaterial unter Beibehaltung der radialen Aufweitung ausgehärtet wird.The invention relates to a method of manufacture a rotor tube made of embedded in a matrix material Fibers, in which the fibers are wrapped around a mandrel, which is then expanded radially, and in which finally the matrix material while maintaining the radial expansion is cured.

Rotorrohre aus faserverstärktem Verbundmaterial bestehen im allgemeinen aus mehreren Faserlagen im allgemeinen aus mehreren Faserlagen unterschiedlicher Orientierungen, wobei die Fasern entweder als Endlosfasern oder als Fasermatten bei der Herstellung des Rohres um einen Dorn aufgewickelt werden. Im Betrieb der Rotoren wird der Rotor, insbesondere in Umfangsrichtung unter Zugspannung belastet. In den einzelnen Faserschichten wirken sich diese Belastungen entsprechend den Faserorientierungen unterschiedlich aus. Es konnte festgestellt werden, daß die Schichten die quer zur Hauptbelastungsrichtung liegen die Schwachstelle eines zu belastenden Verbundbauteiles sind, weil die Zugfestigkeit senkrecht zur Faserrichtung durch die Matrix bestimmt wird, und diese relativ niedrig ist. In den Zwischenfaserbereichen bilden sich dadurch oft Risse, die sich auch leicht ausbreiten können.Rotor tubes are made of fiber-reinforced composite material generally from several fiber layers generally from several fiber layers different Orientations, with the fibers either as continuous fibers or as fiber mats in the manufacture of the tube by one Thorn can be wound up. In the operation of the rotors the Rotor, especially in the circumferential direction under tension charged. These work in the individual fiber layers Loads vary according to the fiber orientations out. It was found that the Layers that are transverse to the main load direction the weak point of a composite component to be loaded are because the tensile strength is perpendicular to the grain is determined by the matrix, and this is relatively low is. This forms in the intermediate fiber areas  often cracks that can also spread easily.

Mit der Lösung gemäß der Hauptpatentanmeldung wird hierzu eine Abhilfe geschaffen, indem durch die Aushärtung des Matrixmaterials unter Vorspannung der Fasern eine Druckeigenspannung im Harz entsteht, die eine Art Dehnungsreserve darstellt. Der zulässige Dehnbereich wird somit in Faserquerrichtung erhöht.With the solution according to the main patent application this becomes created a remedy by curing the Matrix material under pretension of the fibers an internal compressive stress arises in the resin, which is a kind of expansion reserve represents. The permissible stretching range is thus in the cross fiber direction elevated.

Dieses Verfahren wird bekanntlich bei Glasfaserverbundkörpern angewendet (Zeitschrift "Kunststoffe" 74. Jahrgang, 1984, Heft 9, Seiten 520 bis 526). Hierbei wurden duktile Matrixmaterialien verwendet, die durch die höhere Bruchdehnung im Betrieb den Dehnungen der Glasfasern standhalten Diese Lösung bietet sich allerdings nur für solche Anwendungsfälle an, bei denen keine Temperaturbelastungen zu erwarten sind.This method is known for glass fiber composites applied (magazine "plastics" 74th year, 1984, volume 9, pages 520 to 526). This made them ductile Matrix materials used due to the higher elongation at break withstand the stretching of the glass fibers during operation However, this solution is only available for such applications at which no temperature loads are to be expected.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren so zu verbessern, daß damit Faserverbundgegenstände herstellbar sind, die höheren Temperaturen ausgesetzt werden können.The invention has for its object the generic To improve the process so that fiber composite objects can be produced that are exposed to higher temperatures can be.

Die Aufgabe ist mit den im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.The task is with the features characterized in claim 1 solved.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Erfordernis an die Bruchdehnung des Matrixmaterials durch die Wahl von Fasern hinsichtlich ihres elastischen Verhaltens verändert werden kann. Mit Fasern höheren E-Moduls kann aufgrund der geringen Dehnung ein spröderes bzw. härteres Matrixmaterial verwendet werden. Diese Materialien weisen eine höhere Temperaturbeständigkeit auf, da die Bruchdehnung mit der Temperaturbeständigkeit umgekehrt proportional ist. The invention is based on the knowledge that the requirement the elongation at break of the matrix material due to the Choice of fibers with regard to their elastic behavior can be changed. With fibers with a higher modulus of elasticity due to the low elongation a brittle or harder Matrix material can be used. These materials point a higher temperature resistance due to the elongation at break is inversely proportional to temperature resistance.  

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist somit ein Verfahren geschaffen, mit dem die nutzbare Festigkeit eines Faserverbundgegenstandes erhöht werden kann, und zwar unabhängig von der Betriebstemperatur, der der Verbundgegenstand auszusetzen ist.The solution according to the invention is thus a method created with which the usable strength of a fiber composite object can be increased, independently on the operating temperature to which the composite article is exposed is.

Das Verfahren hat den weiteren Vorteil, daß bei der Herstellung des Faserverbundgegenstandes aufgrund des hohen E-Moduls der Fasern mit einer geringen Dehnung eine relativ hohe Eigendruckspannung in das Matrixmaterial eingebracht werden kann.The process has the further advantage that during production of the fiber composite object due to the high E-modulus of the fibers with a low elongation a relative high internal compressive stress is introduced into the matrix material can be.

Es hat sich gezeigt, daß Kohlenstoffasern des Intermediate oder HST-Typs (High Strain) die Verwendung von Matrixmaterialien mit einer Bruchdehnung von 5% oder weniger (im Reinharzformstoff) zulassen. Materialien dieser Festigkeit haben eine Temperaturbeständigkeit von mindestens 100°C.It has been shown that carbon fibers of the intermediate or HST type (high strain) allow the use of matrix materials with an elongation at break of 5% or less (in the pure resin molding material). Materials of this strength have a temperature resistance of at least 100 ° C.

Das Verfahren wird anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The method is shown schematically in the drawing illustrated embodiment explained in more detail.

Zur Herstellung beispielsweise von Druckrohren oder Rotorrohren werden auf einen radial dehnbaren Kern 10 die gewünschten Faserlagen 11 bis 14 entweder im Wickelverfahren oder als Fasermatten aufgebracht. Mit einem bekannten Verfahren, z. B. mit hydrostatischem Druck oder durch mechanische Aufweitung, wird der Kern 10 aufgeweitet und auf die Aushärtungstemperatur der verwendeten Matrix gehalten, bis das Matrixmaterial ausgehärtet ist.For the production of pressure tubes or rotor tubes, for example, the desired fiber layers 11 to 14 are applied to a radially stretchable core 10 either in the winding process or as fiber mats. With a known method, e.g. B. with hydrostatic pressure or by mechanical expansion, the core 10 is expanded and kept at the curing temperature of the matrix used until the matrix material is cured.

Bei diesem Verfahren werden die in Beanspruchungsrichtung liegenden Fasern, insbesondere die Umfangfasern der Lage 14 elastisch vorgespannt. In this method, the fibers lying in the direction of the stress, in particular the peripheral fibers of the layer 14, are elastically prestressed.

Nach der Entlastung des Radialdruckes 15 und während der Abkühlung des Verbundrohres 16 wollen die gedehnten Fasern wieder in ihren Ursprungszustand zurückgehen. Diese Kontraktion wird jedoch durch das ausgehärtete Matrixmaterial 17 verhindert. Die Fasern 18, insbesondere der Umfangslage 14 und auch die Fasern 19 der 45°-Lagen 12 und 13 verbleiben somit mit einer Zugeigenspannung, die eine Druckspannung auf das Matrixmaterial 17 ausübt. Diese im Matrixmaterial 17 verbleibende Druckeigenspannung hat die Wirkung, daß beim Aufweiten des Rohres 16 im Betrieb das Spannungsfeld im Matrixmaterial 17 sich so abspielt, daß bei geringer Dehnung zunächst die Druckeigenspannung abgebaut wird. Erst nach Überschreiten eines größeren Dehnbetrages baut sich eine Zugspannung im Matrixmaterial auf. Sei, wie in Fig. 2 dargestellt, die im Betrieb auf die Fasern 18 und 19 sowie auf das Matrixmaterial 17 wirkende Zugspannung σ. So wird diese bei der parallel zur Zugspannung gerichteten Faserlage 14, in der die Zugfestigkeit am höchsten ist, durch die Fasern selbst getragen. Anders ist es bei den Längsfasern 20 der Schicht 11. Hier wirkt die Zugspannung quer zur Faserrichtung: s , diese Belastung muß voll vom Matrixmaterial 17 aufgebracht werden. Diese sogenannte Querzugfestigkeit ist am niedrigsten.After relieving the radial pressure 15 and while the composite tube 16 is cooling, the stretched fibers want to return to their original state. However, this contraction is prevented by the hardened matrix material 17 . The fibers 18 , in particular the circumferential layer 14 and also the fibers 19 of the 45 ° layers 12 and 13 thus remain with an internal tensile stress which exerts a compressive stress on the matrix material 17 . This residual compressive stress remaining in the matrix material 17 has the effect that when the tube 16 is expanded during operation, the stress field in the matrix material 17 takes place in such a way that the compressive residual stress is first reduced when there is little expansion. A tensile stress builds up in the matrix material only after a larger amount of elongation has been exceeded. As shown in FIG. 2, be the tensile stress σ acting on the fibers 18 and 19 and on the matrix material 17 during operation. In the case of the fiber layer 14 which is oriented parallel to the tensile stress and in which the tensile strength is highest, this is carried by the fibers themselves. It is different with the longitudinal fibers 20 of the layer 11 . Here the tensile stress acts transversely to the fiber direction: s , this load must be fully applied by the matrix material 17 . This so-called transverse tensile strength is the lowest.

Besteht nun der Gegenstand 16 aus Fasern mit einem niedrigen E-Modul, z. B. wie bei den bekannten Verfahren verwendeten Glasfasern, so wird eine Zugspannung, z. B. σ , das Rohr 16 um einen relativ hohen Betrag e 2 dehen (Kurve E2, Fig. 3). Diese Dehnung kann die Bruchdehnung eines spröden Matrixmaterials übersteigen mit der Folge, daß Zwischenfaserrisse 22 trotz Dehnungsreserve hervorgerufen werden.The object 16 now consists of fibers with a low modulus of elasticity, e.g. B. as used in the known methods glass fibers, a tensile stress, for. B. σ , the pipe 16 by a relatively large amount e 2 (curve E 2 , Fig. 3). This elongation can exceed the elongation at break of a brittle matrix material, with the result that intermediate fiber tears 22 are produced despite the expansion reserve.

Durch die Verwendung jedoch von Fasern 18 bis 20 hoher Zugfestigkeit und hohem E-Modul, z. B. Kurve E1 in Fig. 3, wird bei gleicher Zugspannung σ der Verbundkörper im geringeren Maße gedehnt, ε 1. In dieser Hinsicht besonders gut geeignete Fasern sind Kohlenstoffasern des Intermediate Typs, die einen E-Modul von 295 GPa und eine Zugfestigkeit bis 5100 N/mm2 aufweisen können. Ferner können Kohlenstoffasern der Typen HST oder HM verwendet werden (Kunststofftechnik, VDI Verlag, Seiten 167 bis 169).However, by using fibers 18 to 20 high tensile strength and high modulus, e.g. B. curve E 1 in FIG. 3, with the same tensile stress σ the composite body is stretched to a lesser extent, ε 1 . Particularly suitable fibers in this regard are carbon fibers of the intermediate type, which can have an elastic modulus of 295 GPa and a tensile strength of up to 5100 N / mm 2 . Carbon fibers of the types HST or HM can also be used (Kunststofftechnik, VDI Verlag, pages 167 to 169).

In Verbindung mit diesen Fasern kann als Matrixmaterial Diglycidylether-Bis-phenol-A mit dem Härter Diamino Diphenylsulfon verwendet werden, die eine Temperaturbeständigkeit bis 100°C haben.In connection with these fibers can be used as a matrix material Diglycidylether-bis-phenol-A with the hardener Diamino Diphenyl sulfone can be used which has a temperature resistance up to 100 ° C.

Ein weiteres geeignetes Matrixmaterial mit einer Bruchdehnung unterhalb 5% ist Diglycidylether-Bisphenol-A mit Methyltetrahydro- Phthalsäureanhydrid, dem auch ein Verdünner N-Methylimidazol beigesetzt werden kann.Another suitable matrix material with an elongation at break below 5% is diglycidyl ether bisphenol A with methyl tetrahydro Phthalic anhydride, which is also a thinner N-methylimidazole can be buried.

Im Verbund mit Fasern - mit beispielsweise 60% Volumenanteil Fasern - ist die nutzbare Bruchdehnung nur etwa 10% von der Bruchdehnung des reinen Matrixmaterials, d. h. die nutzbare Bruchdehnung der vorstehend genannten Materialien reduziert sich auf etwa 0,5%. Bei diesen Beiträgen ist die Einbringung einer Dehnungsreserve besonders angebracht, jedoch nur dann sinnvoll, wenn die Fasern einen ausreichen hohen E-Modul haben. Die genannten Kohlstoffasern ergeben mit den obigen Matrixmaterialien eine ausgezeichnete Kombination für hochbelastete, temperaturbeständige Gegenstände.In combination with fibers - with, for example, 60% volume Fibers - the usable elongation at break is only about 10% of that Elongation at break of the pure matrix material, d. H. the usable Elongation at break of the above materials is reduced to about 0.5%. With these contributions is the contribution a stretch reserve especially appropriate, but only then useful if the fibers have a sufficiently high modulus of elasticity to have. The carbon fibers mentioned result in the above Matrix materials an excellent combination for highly stressed, temperature-resistant objects.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes aus in einem Matrixmaterial eingebetteten Fasern, bei dem die Fasern entweder im Wickelverfahren oder als Fasermatten auf einen aufweitbaren Dorn aufgebracht werden, und bei dem das Matrixmaterial unter gedehnten Fasern ausgehärtet wird nach Patentanmeldung P 34 05 472.3-16, dadurch gekennzeichnet, daß Fasern (18 bis 20) verwendet werden, die eine hohe Festigkeit und einen hohen E-Modul haben.1. A method for producing an object from fibers embedded in a matrix material, in which the fibers are applied to an expandable mandrel either in the winding process or as fiber mats, and in which the matrix material is cured under stretched fibers according to patent application P 34 05 472.3-16, characterized in that fibers ( 18 to 20 ) are used which have a high strength and a high modulus of elasticity. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein temperaturbeständiges Matrixmaterial (17) verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that a temperature-resistant matrix material ( 17 ) is used. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlenstoffasern verwendet werden. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that carbon fibers are used.   4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlenstoffasern des Intermediate (IM) oder Highstrain (HST) Typs verwendet werden.4. The method according to claim 3, characterized in that carbon fibers of the intermediate ( IM ) or high train ( HST ) type are used. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlenstoffasern in Verbindung mit Epoxydharz-Systemen, wie Diglycidylether von Bisphenol-A und Diamino-Diphenylsulfon oder Methyltetrahydro-phthalsäureanhydrid und ggf. mit dem Verdünner N-Methylimidazol als Matrix verwendet werden.5. The method according to claim 4, characterized in that Carbon fibers in connection with epoxy resin systems, such as diglycidyl ether of bisphenol A and diamino diphenyl sulfone or methyltetrahydrophthalic anhydride and, if appropriate used with the diluent N-methylimidazole as a matrix will. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Fasern des High Modulus Typs (HM) verwendet werden.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that fibers of the high modulus type ( HM ) are used.
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