DE3935254A1 - Verbessertes verfahren zur herstellung von metall-matrix-baendern sowie von verbundstoff-komponenten mit unregelmaessiger form - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Metallmatrix-Verbundstoffbändern und insbesondere ein Verfahren zur Verwendung von Metallmatrix-Verbundstoffbändern zur Herstellung von Verbundstoff-Komponenten mit unregel­ mäßiger Form.

Das US-Patent 45 18 625 beschreibt ein Verfahren zur Anwendung des Lichtbogen-Metallspritzverfahrens zum Aufsprit­ zen von flüssigem Metall auf einen Strang hochfester Fasern, die vorher auf eine große, in einer Kammer mit geregelter At­ mosphäre angeordnete Trommel aufgewickelt wurden. Die Kammer wird zunächst luftleer gepumpt, um gasförmige Verunreinigun­ gen zu entfernen, und dann wieder mit einem neutralen Gas bis zum Atmosphärendruck gefüllt. Mit diesem Verfahren läßt sich jeweils ein größeres Metallmatrix-Verbundstoffband herstel­ len. Beim Fertigen von Verbundstoff-Komponenten aus einem herkömmlichen Band ist es schwierig, das Band auf den Umfang eines unregelmäßig geformten Wickeldorns aufzuwickeln, beson­ ders wenn der Durchmesser des Bauteil bedeutsamen Veränderun­ gen entlang seiner Rotationsachse unterliegt und somit die Oberfläche stark unterschiedliche Steigungen aufweist. Diese Schwierigkeit muß aber überwunden werden, um unregelmäßig geformte Hochqualitäts-Verbundstoffkomponenten zu produ­ zieren.

Zu den Aufgaben der vorliegenden Erfindung gehört die Bereitstellung von Bändern mit einem Strang aus gleichbe­ abstandeten Fasern, auch zum Einsatz auf unregelmäßigen For­ men mit einer Mehrzahl von unterschiedlichen Steigungen.

Im allgemeinen umfaßt ein erfindungsgemäßes Ver­ fahren zur Herstellung unregelmäßiger Formen, die mit Metall­ matrix-Verbundstoffbändern umwickelt sind, die folgenden Schritte: Umwickeln einer zylindrischen Trommel mit einem Fasernstrang, der in einer vorbestimmten Schrägung aufge­ wickelt wird um einen schraubenförmigen Pfad zu bilden, bei dem jede Windung des Strangs unmittelbar neben die vorherige Windung auf die Trommel zu liegen kommt; Beschichtung der mit den Fasern umwickelten zylindrischen Trommel mit geschmolze­ nem Metall unter Einsatz des Lichtbogen-Spritzverfahrens;
Schneiden der erstarrten Deckschicht entlang eines schrauben­ förmigen Pfads, so daß die Fasern nicht durchtrennt werden;
Abwickeln der geschnittenen Deckschicht von der zylindrischen Trommel in Form eines langen Metallmatrix-Verbundstoffbands mit im allgemeinen parallelen Seitenrändern; und Umwickeln der unregelmäßigen Form mit dem Band in einer schraubenförmi­ gen Konfiguration, so daß der Seitenrand einer Windung je­ weils an dem gegenüberliegenden Seitenrand der benachbarten Windung anliegt.

Die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung wird durch Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung zusammen mit den zugehörigen Zeichungen, in denen die glei­ chen Bezugsnummern in allen Zeichnungen jeweils die gleichen Teile bedeuten, verdeutlicht. In den Zeichnungen sind:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines zur Durchführung der Erfindung verwendeten Lichtbogen-Spritz­ geräts;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines auf eine Abscheidungstrommel aufgewickelten Faserstrangs;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Bandes, das geschnitten und als Band auf eine Spule aufgewickelt wird; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Bandes, das auf einen unregelmäig geformten Wickeldorn aufgewickelt wird.

Wir nehmen jetzt Bezug auf die Zeichnungen im ein­ zelnen und insbesondere auf Fig. 1; hier wird eine schemati­ sche Darstellung eines beim Lichtbogen-Spritzverfahren ein­ gesetzten Geräts gezeigt, das in einem Lichtbogen aus Drähten 1 erschmolzenes Material durch Aufspritzen auf eine Abschei­ dungstrommel 3 ablagert. Die Abscheidungstrommel 3 ist in einem Gefäß 5 angeordnet, das einen mit Hilfe von C-förmigen, mit Angeln versehenen Klemmen 8 dichtend auf dem Gefäß be­ festigten Kopf 7 hat. Die Trommel 3 sitzt abnehmbar auf einem Antriebsmechanismus, der die Trommel 3 in Drehung versetzt und im Gefäß 5 axial vorschiebt. Eine (nicht dargestellte) Vakuumpumpe pumpt das Gefäß 5 luftleer, bevor es mit Inertgas aus dem Behälter 11 wieder gefüllt wird. An einer Seite des Gefäßes 5 ist eine Lichtbogen-Spritzkammer 13 angeordnet und öffnet sich in das Gefäß hinein. Ein Paar Drahtvorschubvor­ richtungen, enthaltend ein Paar Spulen 15, auf die die ge­ wünschten Drähte aufgewickelt sind, ein Paar unabhängig von­ einander mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten steuerbare Drahtantriebsmechanismen 17 und ein Paar Drahtrohre 19 wirken zusammen, um zwei Drähte 1 in die Lichtbogen-Spritzkammer 13 vorzuschieben, so daß sich die abgelegenen Enden der Drähte 1 mit gesteuerter Geschwindigkeit aufeinander zu bewegen. An die Drähte 1 ist eine Wechselstromversorgung 21 angeschlossen und legt eine hinreichend hohe Wechselspannung an die Drähte, so daß sich zwischen den abgelegenen Enden der Drähte 1 ein Lichtbogen ausbildet, der die abgelegenen Enden abschmilzt. Durch eine Düse 23 wird Inertgas aus dem Behälter 11 einge­ speist und erzeugt einen Gasstrom hoher Geschwindigkeit, der das geschmolzene Material von den abgelegenen Enden der Drähte 1 auf die Abscheidetrommel 3 bläst. Die Abscheide­ trommel 3 besteht vorzugsweise aus Material hoher Wärmeleit­ fähigkeit, wie z.B. Aluminium, und ist im allgemeinen zylin­ drisch ausgebildet, wobei ihre Außenfläche eine Oberfläche hat, deren Rauhwert je nach der darauf aufzubringenden Auf­ lageschicht ausgebildet wird. Beim Erzeugen von Auflagen in der Form von Metallmatrix-Verbundstoffbändern wird eine mitt­ lere Oberflächenrauhtiefe von 16 oder weniger bevorzugt.

Wie in Fig. 2 gezeigt wird, ist in der Nähe der zylindrischen Abscheidungstrommel 3 eine Mehrzahl Spulen 27 angeordnet, auf denen jeweils ein kontinuierlich verlaufen­ der, gezogener Faden 29 aus hochfester Faser aufgewickelt ist. Diese Fäden 29 werden von den Spulen durch eine zwischen der Abscheidungstrommel 3 und den Spulen 27 angeordnete Kratze 31 zu einer (nicht dargestellten) Aufspannvorrichtung geführt, die die einzelnen Fäden 29 auf der Abscheidungs­ trommel 3 befestigt, so daß der richtige Abstand zwischen den einzelnen Fäden 29 gewahrt bleibt, die den Strang 33 aus gleichmäßig beabstandeten Fäden 29 bilden. Der Strang 33 der im gleichmäßigen Abstand laufenden kontinuierlichen Fäden 29 aus hochfesten Fasern wird im schraubenförmigen Gang mit einer bestimmten Steigung aufgewickelt, so daß nach jeder Umdrehung der Trommel 3 der auf die Trommel aufgewickelte Strang genau neben dem bei der vorherigen Umdrehung auf die Trommel 3 aufgewickelten Strangteil zu liegen kommt. Da die Abscheidungstrommel 3 eine zylindrische Form hat, werden die Abstände zwischen den Fäden 29 einerseits und zwischen den aufgewickelten Strängen andererseits während des Aufwickel­ vorgangs über die gesamte Außenfläche der Trommel 3 beibehal­ ten. Am Ende des schraubenförmig gewickelten Strangs werden, wie beim Anfang, die Fäden 29 in einer (nicht dargestellten) Aufspannvorrichtung an der Trommel 3 befestigt und wirken mit der Kratze 31 und der zylindrischen Oberfläche der Abschei­ dungstrommel 3 zusammen, um den gleichmäßigen Abstand zwi­ schen den Fäden 29 im Strang 33 sowie zwischen den aufge­ wickelten Strängen 33 zu sichern. Auf diesen schraubenförmig aufgewickelten Strang 33 aus den Fäden 29 wird dann unter Verwendung eines Lichtbogenspritzverfahrens einer Metall­ matrix aufgebracht.

Fig. 3 zeigt die Abscheidungstrommel 3 mit einem Schneiderad 35, das so eingerichtet ist, daß es die Metall­ matrix zwischen den schraubenförmig aufgewickelten Strängen 33 aus Verstärkungsfäden 29 zerschneidet ohne die Fäden 29 zu durchtrennen, um so ein Band 37 zu formen, das gleichmäßig beabstandete, der Länge nach angeordnete Fäden 29 und im all­ gemeinen parallele Seitenkanten hat. Das Band 37 wird auf eine Breite geschnitten, die sich nach der abrupten Stei­ gungsänderung der unregelmäßigen Form 41 richtet, und wird dann auf eine Spule 39 aufgewickelt.

Wie in Fig. 4 dargestellt ist, wird eine unregel­ mäßige Form oder Oberfläche 41 mit unzähligen, sich abrupt ändernden Steigungen und mit mindestens teilweise ellip­ tischem Querschnitt mit dem Band 37 umwickelt, das von der benachbart angeordneten Spule 39 abgespult wird. In der ge­ zeigten Ausführungsform wird das Band 39 in schraubenförmiger Konfiguration aufgewickelt, so daß der Seitenrand einer Win­ dung an den gegenüberliegenden Seitenrand der benachbarten Windung zu liegen kommt, und zwar so, daß die Seitenränder einer Windung stumpf an die gegenüberliegenden Seitenränder der anliegenden Windung stoßen. Es ist selbstverständlich, daß die unregelmäßige Fläche 41 auch so umwickelt werden kann, daß eine aufgelegte Windung die jeweils vorher aufge­ legte Windung bis im allgemeinen 50% der Breite eines Bandes 37 überlappt, um auf diese Weise beim Aufwickeln eine Doppel­ lage zu erzeugen. Als Alternative kann eine Doppellage auch so erzeugt werden, daß man mit dem Wickeln an einem Ende der unregelmäßigen Oberfläche 41 beginnt, um eine erste Band­ schicht 37 aufzubringen und dann am gegenüberliegenden Ende der unregelmäßigen Oberfläche 41 mit dem Wickeln einer zwei­ ten Bandschicht 37 zu beginnen, so daß die beiden Bandschich­ ten 37 schraubenförmig überkreuz gewickelt werden. Die Bänder 37 können durch Schweißen, Isopressen oder sonstige verdich­ tende Mittel, durch Überlagern mit Metall aus einer Licht­ bogen-Spritzvorrichtung, oder durch sonstige Mittel auf der unregelmäßigen Oberfläche 41 befestigt werden. Die Breite des Bandes 37 und der Abstand und die Anzahl der gezogenen Fäden 29 im Strang 33 sind abgestimmt auf Erzielen der konstrukti­ ven Festigkeit und auf das ordnungsgemäße Überlagern der Bänder 37 auf die spezifische Konfiguration der unregel­ mäßigen Oberfläche 41.

Das Verfahren zum Betrieb dieses Metallspritzgeräts zum Herstellen eines Bandes mit kontinuierlichen, gezogenen Fäden, die in einer vorbestimmten Steigung aufgelegt werden, um unregelmäßig geformte Oberflächen zu umhüllen, ist wie folgt:

Auf die Spulen 15 wird Draht 1 aufgewickelt, dieser Draht 1 kann aus jedem beliebigen Metall oder einer beliebi­ gen Metallegierung bestehen. Auf die beiden Spulen 15 kann der gleiche Draht oder auch verschiedene Drähte aufgewickelt werden, je nach den gewünschten Eigenschaften der auszubil­ denden Matrix. Die zylindrische Abscheidungstrommel 3 ist aus einem hochwärmeleitfähigen Material wie z.B. Aluminium herge­ stellt und ihre Außenfläche hat eine der Auflage angepaßte Oberflächengüte, sie wird mit einem handelsüblichen Trenn­ mittel besprüht. Auf die zylindrische Trommel 3 wird ein Strang 33 aus gleichmäßig beabstandeten gezogenen Fäden 29 aus hochfesten Fasern, wie z.B. aus Wolframlegierung, Sili­ ziumkarbid, oder auch jede beliebige sonstige Faser aufge­ bracht. Der Abstand zwischen den Fäden 29 bzw. die Steigung und die Menge der im Strang 33 angeordneten Fasern hängt von der Form der unregelmäßigen Oberfläche 41 sowie von den me­ chanischen Konstruktionskriterien wie Betriebstemperatur und Druck ab. Die Trommel 3 mit dem schraubenförmig darauf auf­ gewickelten Strang wird mit dem Antriebsmechanismus 9 verbun­ den, der so ausgelegt ist, daß er die Abscheidungstrommel 3 in Drehung versetzt und axial vorschiebt. Das Gefäß 5 wird verschlossen, abgedichtet, entleert und luftleer gepumpt und wird mit einem Inertgas, wie z.B. Argon, gefüllt. Der Draht 1 wird von den Spulen 15 durch den Drahtantrieb 17 und die Drahtrohre 19 in die Spritzkammer 13 vorgeschoben. Durch die Düse 23 strömt Inertgas ein. Der Trommel-Antriebsmechanismus 9 dreht die Trommel 3 und schiebt sie in axialer Richtung vor und bewirkt, daß der aus dem Lichtbogen eingespritzte ge­ schmolzene Metallstrom einen schraubenförmigen Pfad über die Außenfläche der Abscheidungstrommel 3 ausführt. Beispielhaft rotiert die Trommel 3 mit etwa 60 U/Min. und bewegt sich axial mit etwa 60 Zoll/Min. Das ist die bevorzugte Betriebs­ art. Selbstverständlich kann sich jedoch die Trommel 3 auch langsamer drehen und mit schnelleren Hin-und Herbewegungen geführt werden. Wenn sich die abgelegenen Enden der Drähte einander nähern, bildet sich ein Lichtbogen aus, der genügend Wärme erzeugt, um die abgelegenen Enden der Drähte 1 abzu­ schmelzen. Das durch die Düse 23 mit hoher Geschwindigkeit einströmende Inertgas versprüht den abschmelzenden Draht 1 in einem geschmolzenen Strom in Richtung auf die Trommel 3, wo er sich ablagert und erstarrt und dabei den Strang 33 aus hochfesten Fasern 29 auf der Abscheidungstrommel 3 überlagert und so einen Metallmatrix-Verbundstoff bildet.

In Fig. 3 ist ersichtlich, wie ein Schneiderad oder ein anderes Mittel zum Schneiden der Metallmatrix ausgelegt ist, um den Metallmatrix-Verbundstoff entlang eines schrau­ benförmigen Pfades durch die Metallmatrix zu schneiden, ohne jedoch einen Faden 29 zu durchtrennen, um so das Band 37 mit im allgemeinen parallelen Seitenkanten zu bilden. Das Band 37 wird dann so wie es geschnitten wird auf die Spule 39 aufge­ wickelt.

Fig. 4 zeigt, wie das Band 37 von der Spule 39 auf die unregelmäßige Oberfläche 41 aufgewickelt wird, so daß die gegenüberliegenden Seitenränder des Bandes in den aufeinan­ derfolgenden Windungen nebeneinander zu liegen kommen. Die nebeneinanderliegenden Windungen können stumpf nebeneinander liegen oder sich auch beispielsweise um 50% überlappen, um eine doppellagige Schicht zu bilden. Doppellagen können auch gebildet werden durch Umwickeln der unregelmäßigen Oberfläche 41 mit dem Band von einem Ende aus, so daß die gegenüberlie­ genden Seitenränder des Bandes 37 stumpf aneinanderliegen und die erste schraubenförmige Umwicklung oder Schicht abge­ schlossen wird, um dann die zweite Umwicklung am anderen Ende zu beginnen und das Band 37 in der zweiten Lage aufzuwickeln, so daß die gegenüberliegenden Seitenränder des Bandes 37 stumpf aneinanderliegen. Damit werden die einzelnen Lagen des Bandes 37 überkreuz gewickelt. Das Band 37 hat eine Breite, die darauf abgestimmt ist, eine glatte Wickelschicht herzustellen, wobei die Verstärkungsfasern 29 in einem vorge­ gebenen Abstand aufgebracht werden, ungeachtet der verschie­ denen Anstiege und ihrer Richtungsänderungen. Das Band ist schmaler, wenn die unregelmäßige Form 41 eine abrupte An­ stiegsänderung aufweist, und ist breiter, wenn die Anstiegs­ änderungen der unregelmäßigen Form 41 mehr schrittweise er­ folgen. Die aufgewickelte Schicht wird auf der unregelmäßigen Form durch Schweißen, Isopressen oder sonstige verdichtende Mittel, durch eine aufgebrachte Metallschicht aus einem Lichtbogen-Spritzgerät oder durch sonstige Mittel befestigt.

Zwar werden die hier beschriebenen Ausführungsformen derzeit vom Erfinder als beste Methode zur Durchführung der Erfindung betrachtet, jedoch sind zahlreiche Abwandlungen und Anpassungen der Erfindung für den Fachmann offensichtlich. Die Ausführungsformen sind daher nur als beispielhaft und be­ schreibend zu werten und es ist klar, daß zahlreiche abge­ wandelte und angepaßte Ausführungsformen der in den Ansprü­ chen beschriebenen Erfindung für den Fachmann selbstverständ­ lich sind. Diese abgewandelten Ausführungsformen fallen daher unter den Umfang und die Wesensart der Erfindung.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung unregelmäßiger Formen, die mit Metallmatrix-Verbundstoffbändern (37) umwickelt wer­ den, bestehend aus den folgenden Schritten:
Umwickeln einer zylindrischen Trommel (3) mit einem Strang (33) aus Fasern (29), der in einer vorbestimmten Stei­ gung angeordnet wird, so daß ein schraubenförmig verlaufender Pfad erzeugt wird, auf dem jede Windung des Strangs (33) auf der Trommel (3) benachbart zur vorhergehenden Windung aufge­ legt wird;
Überlagern der mit den Fasern umwickelten zylindri­ schen Trommel (3) mit geschmolzenem Metall durch Anwendung eines Lichtbogen-Spritzgeräts;
Schneiden der erstarrten Deckschicht auf einem schraubenförmig verlaufenden Pfad, so daß die Fasern (29) nicht durchtrennt werden;
Abziehen der geschnittenen Schicht von der zylindri­ schen Trommel (3) in der Form eines Metallmatrix-Verbund­ stoffbandes (37) mit im allgemeinen parallelen Seitenrändern; und
Umwickeln der unregelmäßigen Form (41) mit dem Band (37) in schraubenförmiger Konfiguration, so daß die Seiten­ ränder jeder einzelnen Windung neben den jeweils gegenüber­ liegenden Seitenrand der jeweils benachbarten Windung zu liegen kommen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Abziehens des Bandes (37) von der zylindrischen Trommel das Aufwickeln des Bandes (37) auf eine Spule (39) umfaßt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, enthaltend ferner den Schritt der Verdichtung des Bandes (37) auf der unregel­ mäßigen Form (41).

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, enthaltend ferner den Schritt der Überlagerung des auf die unregelmäßige Form (41) aufgebrachten Bandes (37) durch geschmolzenes Metall, unter Verwendung eines Lichtbogen-Spritzgeräts, um das Band (37) auf der unregelmäßigen Form (41) zu befestigen.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Umwickelns der unregelmäßigen Form (41) mit dem Band (37) das Überlappen des Bandes (37) um im allgemeinen 50% seiner Breite beinhaltet.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Umwickelns der unregelmäßigen Form (41) mit dem Band (37) das Wickeln des Bandes (37) umfaßt, und zwar so, daß der Sei­ tenrand einer Windung stumpf am Seitenrand der benachbarten Windung anliegt.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Umwickelns der unregelmäßigen Form (41) mit dem Band (37) beinhaltet, daß eine erste Lage des Bandes (37) in schrauben­ förmiger Wicklung so aufgebracht wird, daß die Seitenränder einer Windung stumpf an den gegenüberliegenden Seitenrändern der benachbarten Windung anliegen, beginnend an einem Ende der unregelmäßigen Form (41), und eine zweite Lage des Bandes (37) in schraubenförmiger Wicklung so aufgebracht wird, daß die Seitenränder einer Windung stumpf an den Seitenrändern der benachbarten Windung anliegen, beginnend an der anderen Seite der unregelmäßigen Form (41), so daß die zwei Lagen sich überkreuzend gewickelt werden.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner den Schritt der Bereitstellung eines schmalen Bandes (37), wenn die unregelmäßige Form (41) abrupte Änderungen in der Stei­ gung aufweist, und der Bereitstellung eines breiten Bandes (39), wenn die unregelmäßige Form (41) schrittweise Ande­ rungen in der Steigung aufweist, beinhaltet.