DE3535070A1 - Fadenfoermiges bauelement fuer verbundkoerper - Google Patents
Fadenfoermiges bauelement fuer verbundkoerperInfo
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Description
Die Erfindung betrifft fadenverstärkte Verbundringe und Verfahren
zum Herstellen derselben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen verstärkter Ringe,
d.h. torusförmig oder spritzkucher.förmig, besteht darin,
daß zunächst ein in einer Richtung verlaufender Einlagenstreifen oder Band hergestellt wird, dessen Breite gleich der maximalen
Höhe der vorgesehenen Ringe ist. Der Streifen in einen Ring gerollt, der einen entsprechenden Innen- und Außendurchmesser aufweist.
Der so ausgebildete Ring wird sodann verdichtet unter Anwenden entweder eines inneren oder äußeren radialen Drucks, d.h.
eines Drucks senkrecht zu der Streifenoberfläche. Verstärkungen für Befestigungsteile sind vermittels eines Verfahrens hergestellt
V7orden, das ähnlich dem Verfahren für das Herstellen derartiger Ringe ist. Wenn der Streifen oder das Band nicht kontinuierlich
ist, ergibt sich keine Fadenkontinuität über die Dicke des Rings.
Örtliche kreisförmige Verstärkungs- oder Befestigungslöcher können
nicht vermittels eines Rollens der Streifen in Ringe hergestellt werden. In typischer Weise werden diese örtlich begrenzten,
kreisförmigen Verstärkungen vermittels gekreuzter Anordnung (O + 45 ) des in einer dichtung verlaufenden Schichtkörpers
hergestellt.
Eine andere Möglichkeit sum Herstellen eines Rings mit einem rechtwinkligen Querschnitt würde darin bestehen, daß eine Mehrzahl
an Fadenschichten auf einem Dorn aufgewickelt wird, wobei jede Schicht durch ein Blatt eines Matrixmaterials getrennt ist.
Das Aufwickeln wird fortgesetzt bis die gewünschte Dicke erreicht ist. Das aufgewickelte Produkt wird soäann von dem Dorn
entfernt und verdichtet.
Es ist kein Stand der Technik als Veröffentlichung oder Gegenstände
bekannt, die in einer Beziehung zu dem erfindungsgemäßen Verfahren und Gegenständen stehen. Der Stand der Technik bezüglich
der Herstellung von Ringen und Torusen ist beschrieben in den ÜS-PSen 3 427 185; 3 575 783; 3 900 150; 3 984 043 und
3 991 928.
BAD
Eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein
Verfahren ζαπι Herstellen von fadenverstärkten Ringen zu schaffen,
wobei die Fadenverstärkung sich kontinuierlich über die Dicke des Rings erstreckt.
Eine weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin,
ein fadenverstärktes Bauelement zum Herstellen von Verbundringen zu schaffen.
Eine weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin,
ein Verfahren zum Herstellen fadenverstärkter Verbundkörper ausgehend
von Einlagen aus kontinuierlich-gewickelten Fadenverstärkungen zu schaffen.
Eine weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin,
ein Verfahren zum Herstellen eines fadenverstärkten Verbundrings zu schaffen, wobei der Ring während der Verdichtungsphase nicht
verzerrt wird.
Eine weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin,
ein fadenverstärktes Bauelement zu schaffen, das in Kombination . mit Schichten von in einer Richtung verlaufenden Streifen für
kreisförmige Verstärkungen angewandt werden kann.
Erfindungsgemäß v/eist das fadenverstärkte Bauelement eirie Einlage
eines kontinuierlichen Verstärkungsfadens in Kombination mit einen
Band auf, das durch die vorgesehene Matrix gebildet wird, die in einer planen, kreisförmigen oder nicht kreisförmigen Spirale,
wie ein Oval oder Ellipse, um eine Öffnung oder Loch gewickelt wird. Benachbarte Fäden der Spirale sind wenigstens örtlich
aneinander befestigt, um die Spirale daran zu hindern sich aufzuwickeln.
Das eigentliche Bauelement kann- weiterhin zusätzliches Matrixmaterial aufweisen, das auf eine oder beide Flächen des
Bauelementes aufgebracht ist. Eine fadenverstärkte Verbundkörperanordnung
wird dadurch hergestellt, daß die Bauelemente bis zu einer gewünschten Dicke gestapelt v/erden, oder indem derartige
Bauelemente abwechselnd mit dem in einer Richtung verlaufenden Band angeordnet und derartige Kombinationen verdichtet
werden. Der Erfindungsgegenstand wird nachfolgend beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
— 7 —
Es zeigen:
Fig. 1Λ einen Streifen einer in einer Richtung verlaufenden,
fadenverstärkten Einlage;
Fig. 1B zeigt den Streifen nach Figur 1A in einen Ring aufgewickelt;
Fig. 1C ist eine stark übertriebene Wiedergabe des Rings nach
Figur 1B nach der radialen Verdichtung;
Fig. 2A zeigt das grundlegende Bauelement; Fig. 2B ist ein Schnitt längs der Linien 2B-23 nach Figur 2A;
Fig.. 2C zeigt gestapelte Bauelenente;
Fig. 2D zeigt die Verdichtungsrichtung eines Bauelementstapels
unter Ausbilden eines Rings;
Fig. 2E-zeigt einen vollständig verdichteten Abschnitt nach
Figur 2D.
Figur 3A ist eine auseinandergezogene Darstellung des Anwendens des Bauelements zum Herstellen des Befestigungsteils;
Fig. 3B ist das fertige Befestigungsteil.
Fig. 3C ist eine besondere Ausführungsform gemäß Beschreibung.
Unter Bezugnahme auf d:.e Figur 1A ist dort ein herkömmlicher
Streifen 10 mit einer Einlage von in einer Richtung verlaufenden Fäden 11 gezeigt, die in einem Matrixmaterial 12 eingebettet
sind. Um einen Ring, und insbesondere einen Ring mit einem rechtwinkligen Querschnitt herzustellen, wird der Streifen 10
um einen Dorn (nicht gezeigt) in eine Rolle 13, siehe Figur 1B, gewickelt. Bei dieser Bauart sind die Fäden orthogonal gegenüber
der Achse der Rolle 13 angeordnet. Die PfeAle 16 zeigen, daß die
Rolle 13 verdichtet werden kann durch Beaufschlagen eines radialen
Drucks auf die innere Oberfläche 18 der Rolle 13. Die
Pfeile 20 zeigen, daß wahlweise die Rolle 13 dadurch verdichtet werden kann, daß ein radialer Druck auf die äußere Oberfläche
ausgeübt wird.
Der Nachteil des Anv/endens der Streifeneinlage besteht im wesentlichen
in der Verdichtungsrichtung. Die Verdichtung in der radialen Richtung führt bei Beaufschlagen auf die Innendurchmesser-Oberfläche,
siehe Pfeile 16, dazu, daß der Faden unter eine hohe Zugbelastung gebracht wird, die zu einem Zerreißen und somit
Verlust der Festigkeit führt.
Wenn ein radialer Druck von der Außendurchmesser-Oberfläche, siehe Pfeil 20 erfolgt, tritt ein Verziehen ein, siehe 22. ■
Das Verziehen geht mit einem Fadenzerreißen einher und Verzerren des kreisförmigen Wegs der Fäden, wodurch die Festigkeit
verringert wird.
Ein weiterer Nachteil des Arbeitens mit einen Streifen auf der Grundlage von Eifenlagen besteht darin, daß lediglich eine
kreisförmige Form, d.h. eine Form mit einem rechtwinkligen Querschnitt, verdichtet v/erden kann. Wenn man einen Torus oder anderen
nicht rechtwinkligen Querschnitt herstellen will, muß eine umfangreiche nachfolgende maschinelle Arbeit zur Durchführung
kommen. Wenn eine derartige Bearbeitung erfolgt, ist ein sehr großer Prozentsatz der Fadenquerschnitte freigelegt. Dies nun
ist schädlich bezüglich der sich anschließenden Diffusionsverbindung
bedingt durch eine übermäßige Bildung von Brüchigen Reaktionsprodukten.
Unter Bezugnahme auf die Fig.2A ist dort ein erfindungsgemäßes
Bauelement 15 gezeigt. Das Bauelement wird gebildet durch das gemeinsame Aufwickeln einer Fadenverstärkung 24 und eines Metallstreifens
26, siehe hierzu auch die Figur 2B. Das Aufwickeln erfolgt in einer Spirale, wobei das Wickeln plan erfolgt. Es
ist zu beachten, daß hier zwar ein kreisförmiges Loch und eine Spirale gezeigt sind, das Verfahren jedoch auch bei anderen Konfigurationen
wie Ovalen und Ellipsen angewandt vrerden kann . Es wird eine Mehrzahl Bauelemente 15 übereinandergestapelt unter
Ausbilden eines Verbundringes.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen sowohl der eigentlichen Bauelemente als auch der vollständig
verdichteten Verbundstrukturen.
Derartige spiralförmige Einlagen werden hergestellt durch gemeinsames
Aufwickeln des Fadens 24 und des 'tetallstreifens 26 mit entsprechender Matrixlegierung und einer derartigen Dicke,
daß der geeignete Faden-Abstand ausgebildet wird unter Erzielen des angestrebten Fadenvolumen-Verhältnisses. Das Aufwickeln
erfolgt um einen Dorn mit einem Durchmesser, der geringfügig
kleiner als der angestrebte innere Durchmesser des Rings ist.
BAD OBlGiNAL - 9 -
Vorzugsweise befindet sich dieser Dorn in der Mitte von zwei kreisförmigen Platten mit einem ausreichenden Abstandsverhältnis,
um eine Eeinlage in einer planen spiralförmigen Anordnung zu halten. Der Faden 24 und der Metallstreifen 26 werden entweder
vor oder nach der Fertigstellung der spiralförmigen Anordnung mit einem flüchtigen Bindemittel 25 wie Acryl-Klebemittel
benetzt, um so die Spirale an einem Aufwickeln zu hindern, sobald dieselbe von dem Dorn gelöst wird.. In
dieser Form wird das Bauelement als "grüne" Form oder Vorform bezeichnet.
Das grüne Bauelement kann nunmehr zwischen ein oder zwei kreisförmige Folien 28, siehe die Figuren 2B und 2C aus geeignetem
Matrixmaterial gebracht v/erden. Die grünen Vorforr.en werden sodann übereinander, wie in der Figur 2C gezeigt, auf
eine entsprechende Dicke !gestapelt und vermittels Wärme und Druck unter Ausbilden eines ringförmigen Verbundteils verdichtet.
Die Vorformen mit unterschiedlichen Durchmessern können für das Ausbilden von 17orrakörpern angewandt werden, deren
Querschnitt nicht rechtwinklig ist. Eine derartige nicht rechtwinklige Form ist in den Figuren 2D und 2E gezeigt.
Das Verdichten erfolgt längs der Achse der Vorformen in" einer
Richtung senkrecht zu der Ebene der Spirale. Unter diesen Bedingungen besteht keine Möglichkeit eines Stauchens oder
Fadenbruch und die Konzentrizität der Form wird leicht beibehalten.
Wahlweise kann das Aufwickeln um einen konischen Dorn erfolgen. Diese konische Wicklung kann sodann nach Entfernen des Dorns
in eine flache plane Anordnung zusammengedrückt werden. Hierbei kann sich jedoch eine achlechte Fadenausrichtung ergeben.
Die Konfiguration gemäß den Figuren 2D und 2E zeigt, daß das grundlegende Bauelement auch dazu dienen kann, Ringe herzustellen,
die keine rechtwinkligen Querschnitte besitzen. Die Dimensionen eines derartigen Bauelements 15 werden so ausgewählt,
daß dieselben der vorgesehenen Lage bei dem Aufbau des Rings entsprechen.
-1 O-BAD
- jar-
Bei den Fäden kann es sich um beliebige Verstärkungsfaden handeln,
wie solche aus Kohlenstoff, Bor, Siliziumkarhid ,
Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Graphit usw. Wahlweise können Kombinationen oder Modifizierungen angewandt werden. Ein
entsprechend modifizierter Faden wäre z.B. ein Borfaden überzogen mit B.C oder ein Siliziunkarbidfaden, der überzüge
aufweist oder Oberflächenbehandlungen mit anderen Materialien erfahren hat, wie einer Schicht von kohlenstoffreichem
Siliziumkarbid oder einer Siliziumschicht. Sehr oft werden Fäden wie solche aus Bor und Siliziumkarbid usw. zum
Erzielen spezieller Eigenschaften überzogen und derartig modifizierte Fäden sind ebenfalls recht zweckmäßig.
Der Erfindungsgegenstand findet seine Hauptanwendung bezüglich der Verwendung von Fäden mit einem hohen Biegemodul oder sehr
hoher Steifheit, z.B. eine Zerreißfestigkeit von 24 500 kg/cm
und einem Zerreißmodul von über 2.1 Millionen kg/cm . In jedem
Fall weiean derartig steife Fäden einen kleinsten Biegeradius
auf, der den Durchmesser der öffnung oder des Lochs 21 bestimmt oder in dem Fall eines nicht kreisförmigen Loches,
wie eines Ovals handelt es sich hierbei um den kleinsten Pa-.dius
der gekrümmten Oberflächen. Es gibt keinerlei Begrenzungen bezüglich des radialen Aufbaus der Spirale.
Der Erfindungsgegenstand findet seine Hauptanwendung bezüglich
Metallmaferixstrukturen unter Anwenden von Matrixmaterialien
wieAluminium, Titan, Magnesium, Kupfer usw. Die Struktur kann natürlich auch mit einer Kunstharznatrix wie einer Epoxidharzmatrix
oder Polyimidmatrix angewandt werden.
Die Figuren 3A bis 3C zeigen zwei Möglichkeiten zum Herstellen
eines Befestigungsteils unter Anwenden des grundlegenden Bauelements
15. Unter Bezugnahme auf die Figur 3A ist dort in der Mitte eine in einer Richtung verlaufende Einlage 10 des Verbundmaterials
gezeigt. Das Bauelement 15 ist in einem Loch 32 angeordnet, das in der Einlage 10 herausgearbeitet ist. Über
und unter diesem Bauelement befinden sich v/eitere Einlagen 10
— TI —
mit in einer Richtung verlaufenden Fäden. Jeder dieser Einlagen
weist koaxial ausgerichtet mit dem Bauelement 15 ein Folienblatt 34 auf, das auf das Bauelement 15 paßt. In der Figur 3A ist
eine Mehrzahl Vorsprünge 36 gezeigt, die von den verschiedenen Einlagen 10 vor dem Verdichten des Gesamtkörpers entfernt werden.
Das fertige Befestigungsteil wird ausgebildet durch Verdichten des Gesamtkörpers, der Einlagen, Folien und des grundlegenden
Bauelements längs der Achse in der weiter oben beschriebenen Weise. Das Verdichten wird ausgeführt durch Beaufschlagen ausreichenden
Drucks und Wärme, so daß sich eine Diffusionsverbindung des in der Folie 34 vorliegenden Matrixmaterials mit dem
Bauelement 15 und dem Matrixmaterial der Einlagen ergibt. Bei Anwenden von Aluminium würde eine Verdichtung durch "Heißverpressen"
z.B. in einen Autoklaven oder HIP-Einheit bei 605-615°C,
56 -70 kg/cm 30 Minuten lang durchgeführt. Bei Anwenden von Titan würde eine Verdichtung durch "Diffusions-Verbindung"
z.3. in einer Heißpresse oder HIP-Einheit bei einer Temperatur von 1OOO bis 1050°C, einem Druck von 420-560 kg/cm 1 Stunde
lang durchgeführt. Das Ergebnis ist ein homogenes Bauelement der in der Figur 2E gezeigten Art, das keine feststellbaren
Trennungslinien in dem Matrixmaterial zwischen den Folien 34, dem Bauelement 15 und den Einlagen 10 aufweist. Vorzugsweise
werden die in einer Richtung verlaufenden Einlagen unter Erzielen einer angestrebten Form oder Konfiguration gestapelt (oftmals
auch "geschichtet" bezeichnet). Der Stapel weist eine erste Öffnung auf, die durch die Höhe desselben bestimmt wird. Ein
vorgebildeter Ring oder Bauelement, das der ersten öffnung entspricht,
wird in die erste Öffnung eingeführt. Die Kombination
der in einer Richtung verlaufenden Einlagen und des Rings wird sodann in eine einheitliche Struktur verdichtet.
Wenn der Querschnittsdurchmesser des Befestigungsteils sich nicht in der gleichen Richtung wie die Dicke des Gesamtkörpers
aus den Einlagen erstrecken muß, kann ein Bauelement 15 zwischen Einlagen aus den in einer Richtung verlaufenden Fäden in der
Weise zwischengeordnet v/erden, wie es in der Figur 3C gezeigt ist, wo die Löcher in der Einlage 10 und des Bauelements 15
aufeinander ausgerichtet sind. Nach der Verdichtung ergibt sich, daß das Befestigungsteil eine größere Dicke besitzt als
die Dicke, die auf den Körper aus den Einlagen zurückzuführen
Diese Arbeitsweise kann auch zur Ausbildung eines vorgeformten Rings auf der Grundlage einer Metallmatrix innerhalb eines Gesamtkörpers
eines durch Fäden verstärkten Epoxynatrixmaterials und umgekehrt angewandt werden.
Der Erfindungsgegenstand ist zu sehen in einer Einlage aus gemeinsam
aufgewickelten Verstärkungsfäden und einem Matrixmaterial
unter Ausbilden einer allgemein spiralförmigen Konfiguration. Um die Spirale intakt zu halten, wird ein Mittel wie
Acrylklebstoff angewandt. Eine abgewandelte Ausführungsform
besteht darin, das Bauelement 15 mit einer Folie aus dem Matrixmaterial abzudecken. Die Dicke der Folie sowie die Dimensionen des Matrixstreifens 26 bestimnen den relativen Volumenprozentsatz zwischen der Verstärkung und der Matrix des Verbundkörpers.
besteht darin, das Bauelement 15 mit einer Folie aus dem Matrixmaterial abzudecken. Die Dicke der Folie sowie die Dimensionen des Matrixstreifens 26 bestimnen den relativen Volumenprozentsatz zwischen der Verstärkung und der Matrix des Verbundkörpers.
Claims (13)
1. Fadenförmiges Bauelement für Verbundkörper, dadurch gekennzeichnet , daß ein Einlage aus einem kontinuierlichen
Faden (11) in einer planen Spire1le (13) um eine
Achse gev/ickelt ist, benachbarte Fäden (11) v.'enigstens ört*
lieh aneinander befestigt sind, um ein Aufwickeln der Spirale (13) zu verhindern.
2. Fadenförmiges Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß benachbarte Windungen der Spirale
(13) durch ein Matrixmaterial getrennt sind,
3. Fadenförmiges Bauelement nach Anspruch 1, ^dadurch gekennzeichnet , daß der Faden eine Zerreißfestigkeit
2
von 24.500 kg/cm und/oder einen Zerreißmodul von 2.1 Millionen
von 24.500 kg/cm und/oder einen Zerreißmodul von 2.1 Millionen
2
kg/cm aufweist.
kg/cm aufweist.
4. Fadenförmiges Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Fäden aus Kohlenstoff, Bor,
Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Graphit oder einer Kombination derselben bestehen oder es sich um eine Modifizierung
handelt.
BAD ORIGINAL
5.. Fadenförmiges Bauelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß die Spirale (13) mit einer Folie
(28) abgedeckt ist, die aus einem metallischen Matrixmaterial besteht.
6. Fadenförmiger Verbundkörper, dadurch g e k e η η ζ e ic h net,
daß derselbe aus einem Stapel benachbarter Einlagen aus spiralförmig aufgewiekelten, kontinuierlichen Fäden (11)
verteilt in einer Matrix besteht.
7 Verfahren zum Herstellen eines spiralförmig aufgewickelten, fadenförmigen Bauelements zum Ausbilden eines Verbundkörpers,
der in einer Matrix verteilt fadenförmige Verstärkungen aufweist,
· dadurch gekennzeichnet , daß ein Matrixmaterial
mit. einer fadenförmigen Verstärkung in Berührung gebracht, die Kombination aus der fadenförmigen Verstärkung und
dem Matrixmaterial in eine plane spiralförmige Konfiguration gewiekelt und benachbarte Windungen der Spirale miteinander
verbunden v/erden zwecks Verhindern eines Aufwickeins der Spirale .
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spirale mit Matrixmaterial abgedeckt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Mehrzahl der abgedeckten Spiralen stapeiförmig angeordnet wird, um dieselben sodann in eine einheitlichere
Struktur zu verdichten.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Volumenprozentsatz der Fäden und der Matrix dadurch abgeändert wird, daß die Dicke des Matrixmaterials oder
des Abdeckmaterials verändert wird.
11. Verfahren zum Erzeugen einer Öffnung hoher Festigkeit in
einem Verbundkörper, der in einer Richtung verlaufende Fäden verteilt in einer Matrix aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß ein Stapel des durch in einer Richtung
verlaufender Fäden verstärkten Verbundkörpers ausgebildet wird, der eine erste öffnung aufweist, die sich durch äen Stapel
erstreckt, sodann in die erste öffnung ein entsprechender Ring aus Verbundmaterial eingeführt wird, der im Abstandsverhältnis
Schichten der kontinuierlichen Fäden aufweist, die in eine
BAD ORIGINAL
plane, spiralförmige Konfiguration gewickelt sind und in einer
Matrix verteilt sind und sodann das in einer Richtung verlaufende Material und der Ring in eine einheitliche Struktur verdichtet
werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das in einer Richtung verlaufende Material und der
Ring das gleiche Matrixmaterial aus Metall enthalten und die Verdichtung
durch Diffusionsverbindung des Rings mit den in einer
Richtung verlaufenden Material erfolgt unter Ausbilden einer einheitlichen homogenen Struktur.
13. Verfahren zum Herstellen einer durch Fäden verstärkten öffnung
in einem Material, das durch in einer Richtung verlaufende Fäden verstärkt ist, dadurch gekennz eichnet, daß
eine Mehrzahl an Schichten aus dem in einer Richtung verlaufenden Fäden verstärkten Material und einer ersten öffnung ausgebildet
wird, zwischen benachbarte Schichten dieses Materials ein Bauelement eingebracht wird, das aus einer Schicht eines kontinuierlichen
Fadens besteht, der in einen planen spiralförmigen Ring gewickelt ist, der Ring eine zweite öffnung aufweist, die
der ersten öffnung entspricht, sowie die ersten und zweiten Öffnungen
übereinander ausgerichtet werden und sodann dieses Material und das Bauelement in eine einheitliche Struktur verdichtet
werden.
BAD ORIGSNAL
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DE3535070C2 DE3535070C2 (de) | 1994-06-09 |
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