DE4220901C2 - Verfahren zur Herstellung von rohrförmigen Bauteilen aus Faserverbundstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von rohrförmigen Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei den herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen mit duroplastischer und/oder thermoplastischer Matrix sind hohe Drücke und Temperaturen zur Konsolidierung erforderlich und demzufolge ein hoher apparativer Aufwand, so daß Autoklave und Heißpressen mit dem entsprechend hohen Zeitaufwand für vorbereitende Arbeiten, wie Vakuumaufbau und Trennvorgänge sowie Entformung erforderlich sind, insbesondere bei Bauteilen mit rohrförmigem oder auch ovalem Querschnitt.

In Technische Rundschau 5/91, Seiten 30 bis 39, sind die allgemeinen Grundlagen von Formgedächtnislegierungen beschrieben sowie die Möglichkeit, die hohe Formänderungsarbeit während der Effektentfaltung auf vielfältige Weise mechanisch zu nutzen. Als Beispiel wird dabei genannt, daß Bauteile aus einer Legierung mit Formgedächtnis gleichzeitig als Temperatursensor und als Stellmotor wirken können.

Aus Zeitschrift für wirtschaftliche Fertigung und Automatisierung 78 (1983) 10, Seiten 486 bis 488, sind Legierungen mit dem sogenannten Memory- oder Formgedächtnis bekannt, die nach geeigneter Behandlung aufgrund von Gefügeumwandlungen ihre Gestalt in Abhängigkeit von der Temperatur ändern. Dieser Effekt beruht auf einer thermoelastischen martensitischen Umwandlung, bei der die beteiligten Phasen, d. h. die Hochtemperaturphase und die Niedertemperaturphase, geordnete Gitterstrukturen aufweisen.

Sowohl der Einwegeffekt, bei dem eine Verformung nur in einer Richtung erzielbar ist, als auch der Zweiwegeffekt, bei der eine einmal eingeleitete Verformung bei Temperaturänderung wieder rückgängig gemacht werden kann, ist in diesem Artikel beschrieben.

Aus Zeitschrift für wirtschaftliche Fertigung und Automatisierung 81 (1986) 12, Seiten 703 bis 708, sind Anwendungen von Formgedächtnislegierungen bekannt, wie z. B. Thermoschalter für die Elektrotechnik, Thermostatventile für Heizungen, Lüfterkupplungen von Motoren und Drosselvorrichtungen für Einspritzpumpen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von derartigen rohrförmigen Bauteilen zu schaffen, das ein schnelles und energetisch effektives Aufheizen und Abkühlen gewährleistet, um so die Herstellungskosten zu reduzieren, das für beliebige Faserstrukturen eingesetzt werden kann, eine ausgezeichnete Reproduzierbarkeit liefert und das ohne Werkzeugwechsel für mehrere Tausend herzustellende Bauteile verwendbar ist.

Ausgehend von dem Verfahren der eingangs näher genannten Art wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, daß als Material für das äußere Rohr ein Material ausgewählt wird, das sich bei Erwärmung zusammenzieht.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden als Materialien für die beiden Rohre solche mit unterschiedlichen Formgedächtnissen ausgewählt; bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel werden als Materialien für die beiden Rohre solche mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgewählt.

Werden Materialien mit Formgedächtnis verwendet, so ist es besonders vorteilhaft, wenn sich deren Dimensionen bei Erreichen der Sprungtemperatur um mehr als 5% ändert.

Die Erwärmung der Rohre erfolgt vorzugsweise elektrisch oder induktiv.

Erfindungsgemäß werden also zur Aufbringung der erforderlichen Kräfte beim Preßvorgang Rohlinge, z. B. unidirektional gewickelte oder dreidimensional geflochtene Faserstrukturen mit unausgehärteten Duromer-Matrizen bzw. Thermoplasten, zwischen die beiden Rohre unterschiedlichen Wärmeverhaltens eingebracht. Durch schnelles Aufheizen der Rohre, die entweder aus Materialien mit unterschiedlichen Formgedächtnissen oder unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, zieht sich das äußere Rohr zusammen, während sich das innere Rohr ausdehnt. Der Faserverbundwerkstoff wird in diesem Falle gleichzeitig gepreßt und, sofern er Duromere enthält, ausgehärtet. Beim Abkühlen, das aufgrund der relativ geringen Massen ebenfalls schnell erfolgen kann, nehmen die beiden Rohre ihre ursprüngliche Form sehr schnell wieder ein, und das fertige Bauteil kann ohne Entformungsprobleme entnommen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet fernerhin den Vorteil, daß keinerlei Hilfsmaterialien für den Herstellungsprozeß erforderlich sind und daß die so hergestellten Bauteile beidseitig besonders glatte Oberflächen aufweisen. Es sind hohe Faservolumenanteile aufgrund der hohen erzielbaren Drucke möglich, wobei Duromere und Thermoplaste bis etwa 350°C verwendet werden können. Neben einer hervorragenden Reproduzierbarkeit ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, daß die vorgeschlagenen Werkzeuge für mehrere Tausend Bauteile verwendbar sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert; die einzige Figur zeigt dabei einen Querschnitt durch das erfindungsgemäß verwendete Preßwerkzeug samt dem dazugehörigen Rohling.

In der Figur ist mit 1 ein Rohr bezeichnet, das entweder aus einem Material mit Formgedächtnis oder aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten dergestalt besteht, daß sich dieses Rohr 1 beim Erwärmen ausdehnt, d. h. seinen Durchmesser gleichmäßig in alle Richtungen vergrößert. Mit 2 ist ein konzentrisch dazu angeordnetes Rohr aus einem zweiten Material bezeichnet, das ebenfalls ein Material mit Formgedächtnis oder ein Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ist, wobei das Material des äußeren konzentrischen Rohrs 2 derart gewählt ist, daß sich dieses beim Erwärmen zusammenzieht, d. h. seinen Durchmesser in allen Richtungen gleichmäßig verkleinert.

Mit 3 ist ein Rohling bezeichnet, z. B. eine Kunststoffasermatrix mit duroplastischem oder thermoplastischem Stoff, der entweder auf einem dem Durchmesser des inneren Rohrs 1 entsprechenden Kern unidirektional gewickelt oder dreidimensional geflochten wird und damit annähernd seine endgültige Form angenommen hat. Anstelle eines Kerns kann auch das innere Rohr 1 als Wickelunterlage für den Rohling 3 verwendet werden.

Auf die Einheit aus innerem Rohr 1 und Rohling 3 wird nun das an die Dicke des Rohlings 3 angepaßte äußere Rohr 2 aufgeschoben, so daß die in der Figur im Querschnitt gezeigte Anordnung entsteht.

Durch ein Aufheizen der beiden Rohre 1 und 3, die entweder aus Materialien unterschiedlichen Formgedächtnisses oder aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, durch elektrische oder induktive Heizvorgänge zieht sich das äußere Rohr 2 zusammen, während sich das innere Rohr 1 ausdehnt. Hierbei wird der Rohling 3 gepreßt und zugleich, im Falle von Duromeren, ausgehärtet. Beim Abkühlen der beiden Rohre, das aufgrund der relativ geringen Massen ebenfalls sehr schnell erfolgen kann, nehmen diese ihre ursprüngliche Form wieder ein und das fertige Bauteil kann ohne Entformungsprobleme entnommen werden.

Als Materialien für die beiden Rohre 1, 2 kommen auch Kombinationen aus einem Material mit Formgedächtnis und einem Material mit einem spezifischen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie z. B. Invar, in Frage, und zwar dann, wenn keine allzu großen Preßwege bei der Konsolidierung nötig sind. Es lassen sich damit insbesondere Fachwerkrohrstrukturen für Satelliten herstellen, für die eine besonders hohe Festigkeit bei gleichzeitig minimalem Gewicht erforderlich sind.

Die Erfindung ermöglicht ein schnelles und energetisch effektives Aufheizen und Abkühlen, wobei keine weiteren Hilfsmaterialien, wie Folien oder Trennmittel, erforderlich sind, so daß das Entformen der Bauteile vereinfacht wird. Das aus dem Rohling 3 entstehende fertige, rohrförmige Bauteil weist sowohl innen als auch außen eine äußerst glatte Oberfläche auf, wobei aufgrund des hohen während der Herstellung erzielbaren Druckes hohe Faservolumenanteile für beliebige Faserstrukturen ermöglicht werden. Zur Variation der Durchmesser und der Wandstärken der herzustellenden Bauteile genügt es, eines oder beide Rohre mit Formgedächtnissen oder unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auszuwechseln. Es wird eine hervorragende Reproduzierbarkeit der Bauteile erzielt, auch wenn viele Tausend derartige Bauteile mit ein und demselben Rohrepaar hergestellt werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von rohrförmigen Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen, wobei ein Rohling aus duroplastischem oder thermoplastischem, mit Fasern verstärktem Werkstoff in eine der endgültigen Form angenäherte Form gebracht wird, danach auf ein erstes Rohr aufgebracht wird, dessen Außendurchmesser an den Innendurchmesser des Rohlings angepaßt ist, auf den Rohling ein zweites Rohr aufgebracht wird, dessen Innendurchmesser an den Außendurchmesser des Rohlings angepaßt ist, und wobei die beiden den Rohling einschließenden Rohre aus Materialien unterschiedlichen Wärmeverhaltens bestehen, die derart ausgewählt werden, daß sich das innere Rohr bei Erwärmung ausdehnt, daß beide Rohre erwärmt werden, und daß nach Überführung des Rohlings in die endgültige Form beide Rohre abgekühlt werden, so daß sie sich vom fertigen Bauteil lösen, wonach dieses entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für das äußere Rohr ein Material ausgewählt wird, das sich bei Erwärmung zusammenzieht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialien für die Rohre solche mit unterschiedlichen Formgedächtnissen ausgewählt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialien für die Rohre solche mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgewählt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialien für die beiden Rohre solche ausgewählt werden, deren Dimensionen sich bei Erreichen der Sprungtemperatur um mehr als 5% ändert.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der Rohre elektrisch oder induktiv erfolgt.