DE60101638T2 - Herstellungsverfahren und -vorrichtung eines faserverstärkten Verbundkörpers - Google Patents

Herstellungsverfahren und -vorrichtung eines faserverstärkten Verbundkörpers Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundelementes, womit mehrere Produkte gleichzeitig hergestellt werden können.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Um die Leistungsfähigkeit eines Raketentriebwerkes zu verbessern, das NTO/N2H4, NTO/MMH und dergleichen als Antriebsmittel verwendet, ist es ertorderlich, daß die Wärmewiderstandstemperatur einer Brennkammer (einer Schubkammer) erhöht wird. Zu diesem Zweck wurde bislang eine Nioblegierungsbeschichtung mit einer Wärmewiderstandstemperatur von 1.500 °C als Kammermaterial bei zahlreichen Raketentriebwerken verwendet. Dieses Material ist jedoch aufgrund seiner hohen Dichte unvorteilhaft schwer, verfügt über eine geringe Hochtemperaturfestigkeit und hat eine kurze Lebensdauer als Beschichtung.
  • Da Keramik andererseits hohe Wärmewiderstandseigenschaften hat, jedoch unvorteilhaft brüchig ist, wurde ein keramisches Matrixverbundelement (im folgenden mit CMC abgekürzt) entwickelt, indem die Keramik mit einer keramischen Faser verstärkt wurde. Insbesondere enthält ein keramisches Matrixverbundelement (CMC) eine keramische Faser und keramische Matrix. Darüber hinaus wird das CMC im allgemeinen als keramische Faser/keramische Matrix durch das Material gekennzeichnet, aus dem es besteht (z.B. wenn beide aus SiC bestehen, ist SiC/SiC angegeben). Darüber hinaus wird das keramische Matrixverbundele ment (CMC) im folgenden im Detail beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist und in ähnlicher Weise auch auf Verbundelemente auf Kohlenstoffbasis, wie etwa C/C, C/SiC, SiC/C angewendet werden kann.
  • Da ein CMC ein geringes Gewicht und eine hohe Hochtemperaturfestigkeit hat, ist es ein außergewöhnlich geeignetes Material für den Verbrenner (Schubkammer) des Raketentriebwerkes, eine Kraftstoffleitung in einem Hochtemperaturabschnitt, eine Turbinenschaufel eines Düsentriebwerks, einen Verbrenner, einen Nachbrenner und dergleichen.
  • Das herkömmliche CMC kann jedoch seine hermetischen Eigenschaften nicht beibehalten und hat als Nachteil eine geringe Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturschocks. Insbesondere wird beim herkömmlichen CMC, nachdem eine vorbestimmte Form aus den Keramikfasern ausgebildet wurde, Matrix in einem Spalt zwischen den Fasern durch eine sogenannte CVI-Behandlung (Chemical Vapour Infiltration) ausgebildet. Das Problem besteht jedoch darin, daß es eine unpraktikabel lang dauert (z.B. ein Jahr oder länger), um den Zwischenraum zwischen den Fasern durch die CVI vollständig zu füllen. Bei einem Hochtemperaturtest oder dergleichen, der am oben beschriebenen CMC ausgeführt wird, wird, wenn ein starker Temperaturschock (wie etwa eine Temperatur von 900°C oder mehr) einwirkt, die Festigkeit drastisch verringert, wobei das CMC nicht wiederverwendet werden kann.
  • Daher kann das herkömmliche keramische Matrixverbundelement (CMC) im wesentlichen nicht im Verbrenner (Schubkammer), der Kraftstoffleitung oder anderen Bauteilen verwendet werden, die hermetische Eigenschaften und eine Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Temperaturschock verlangen.
  • Um das zuvor beschriebene Problem zu lösen, haben der Erfinder und Andere eine Patentanmeldung mit dem Titel "Ceramic-based Composite Member and its Manufacturing Method" (japanische Patentanmeldung No. 19416/1999, noch nicht veröffentlicht) verfaßt und eingereicht. Das Verbundelement auf Keramikbasis kann umfangreich die hermetischen Eigenschaften sowie die Wärmeschock-Widerstandsfähigkeit verbessern und kann in der Schubkammer und dergleichen praktische Verwendung finden. Wie es schematisch in 1 dargestellt ist, wird, nachdem die Oberfläche einer geformten Gewebes einer CVI ausgesetzt wurde, um eine SiC-Matrixschicht auszubilden, eine PIP-Behandlung ausgeführt, um einen Spalt der Matrixschicht mit einem organischen Siliziumpolymer als Basis zu tränken und kalzinieren.
  • Bei einem Herstellungsvorgang, der in 1 dargestellt ist, wird von einem Flechtvorgang (1) bis zu einem CVI-Vorgang (3) eine Aufspannvorrichtung oder ein Kern beispielsweise aus Kohlenstoff oder dergleichen verwendet, um ein Gewebe 1 auf einem Umfang auszubilden, worauf die CVI-Behandlung ausgeführt wird. Da Matrix im Zwischenraum des Gewebes 1 durch die CVI-Behandlung ausgebildet wird und eine Form beibehalten wird, wird in diesem Zustand der Kern entnommen und eine anschließende PIP-Behandlung (4) sowie eine spanabhebende Bearbeitung (5) gemäß Stand der Technik ausgeführt.
  • Wie es schematisch in 2 gezeigt ist, wird beim Flechtvorgang beispielsweise ein Flechtwebmuster verwendet, bei dem ein Schußfaden wechselnd und schräg mit einem Kettfaden verwebt wird.
  • Beim Herstellungsvorgang wurden Produkte (im folgenden als CMC-Produkt bezeichnet) des keramischen Matrixverbundelementes bislang individuell Stück für Stück hergestellt. In diesem Fall, insbesondere beim Flechtvorgang, wenn die Faser auf den Kern gewickelt wird, wird die Faser auf einen Fachüberschuß für den Textilwebstuhl und auf einen Abschnitt des Kerns gewickelt, der nicht Bestandteil des Produktabschnittes ist. Somit gibt es im Vergleich zur Faser, die beim Produktabschnitt verwendet wird, einen großen Anteil letztendlich nicht verwendeter Fasern, einen hohen Faserverlust und dergleichen, wodurch die Kosten steigen. Obwohl die keramische Faser, die beim CMC-Produkt verwendet wird, teuer ist, wird beim Stand der Technik selbst bei einem relativ großen CMC-Produkt (Schubkammer oder dergleichen) ein effektives Fasernutzungsverhältnis von lediglich 20% und ein Verlust von 80% erreicht.
  • Darüber hinaus werden beim Stand der Technik selbst beim Flechtvorgang und der anschließenden CVI-Behandlung, der PIP-Behandlung und dem Anpassen die Produkte einzeln Stück für Stück bearbeitet. Daher besteht insbesondere beim kleinen CMC-Produkt ein Problem, daß erheblicher Aufwand für die Einstellung/Vorbereitung oder dergleichen der Vorrichtung erforderlich und die Produktivität gering ist.
  • EP 0 399 548 A2 beschreibt das Flechten eines Gewebes auf einen zylindrischen Gewindekern, um die Beschichtung einer Polymermatrix auf dem Kern zu erzeugen. Um den Kern aus dem Inneren der Beschichtung zu entfernen, wird der Kern gedreht und bewegt sich aufgrund der Gewindeoberfläche relativ zur Beschichtung, die auf der Innenseite mit einem Gewinde versehen ist. Es entstehen ähnliche Probleme, wie sie oben erläutert wurden.
  • Ein anderes Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Elementes ist in US 2.028.040 beschrieben. Auf einen sich drehenden zusammengesetzten Kern wird ein Gewinde gewickelt, das mit Matrix getränkt wird, um übereinanderliegende Spiralen oder Windungen auszubilden. Der zusammengesetzte Kern wird durch eine Spindel gedreht, die durch diesen hindurch verläuft, wobei die Spindel zudem die seitlichen Lasten aufnimmt und trägt, die auf den zusammengesetzten Kern durch das Gewinde wirken, das auf ihn gewickelt werden soll. Diese Lasten werden durch die Spindel auf eine Fertigungsvorrichtung übertragen, durch die die Spindel angetrieben wird und deren Teil die Spindel ist.
  • ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um das Problem zu lösen. Insbesondere besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, ein Herstellungsverfahren und eine Vorrichtung eines faserverstärkten Verbundelementes anzugeben, womit gleichzeitig mehrere Produkte erzeugt werden können, der Faserverlust deutlich verringert und die Produktivität gesteigert wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsverfahren eines faserverstärkten Verbundelementes mit den Merkmalen von Anspruch 1 angegeben.
  • Darüber hinaus wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Herstellungsvorrichtung für ein faserverstärktes Verbundelement mit den Merkmalen von Anspruch 4 angegeben.
  • Da gemäß dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung der integrale Kern, den man durch Verbinden der Mehrzahl von Kernen miteinander erhält, verwendet wird, um das keramische Matrixverbundelement herzustellen, können mehrere Produkte gleichzeitig auf der Oberfläche der Mehrzahl der Kerne hergestellt werden.
  • Für einen Faserverlust, der bei einem Flechtvorgang infolge des Wickelns auf einen Fachüberschuß für einen Webstuhl und einen Teil des Kerns, der nicht Bestandteil des Produktabschnittes ist, selbst dann erzeugt wird, wenn der integrale Kern verwendet wird, ist eine absolute Menge im wesentlichen dieselbe, wie wenn Produkteinheiten unabhängig voneinander Stück für Stück hergestellt werden. Daher kann durch Ausführen eines gleichzeitigen Flechtvorgangs für mehrere Produkte der Faserverlust je Produkteinheit auf einige wenige Bruchteile verringert werden.
  • Weiterhin ist selbst beim Flechtvorgang und der anschließenden CVI-Behandlung, der PIP-Behandlung und der spanabhebenden Bearbeitung eine gleichzeitige spanabhebende Bearbeitung für eine Mehrzahl von Produkten möglich, wobei der Aufwand für das Rüsten/Vorbereiten oder dergleichen der Vorrichtung auf wenige Bruchteile je Produkteinheit verringert wird, im Vergleich zu einem Fall, bei dem die Produkte einzeln Stück für Stück bearbeitet werden, wodurch die Produktivität deutlich gesteigert werden kann.
  • Zusätzlich wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach dem Tränken mit Matrix ein faserverstärktes Verbundelement an einem Verbindungsabschnitt geschnitten, an dem mehrere Kerne miteinander verbunden sind.
  • Durch dieses Verfahren kann das Element in entsprechende Produkteinheiten geteilt werden, wobei nachfolgende notwendige Vorgänge weiter so ausgeführt werden, daß die Produkte fertiggestellt werden können.
  • Darüber hinaus ist ein Maximaldurchmesser eines Verbindungssegmentes kleiner ausgebildet als ein Durchmesser des Verbindungsabschnittes des Kerns.
  • Da unter dieser Voraussetzung ein abgestufter Abschnitt am Verbindungsabschnitt eines Kernsegmentes nur in geringem Maße ausgebildet wird, kann die Faser glatt um die gesamte Oberfläche eines integralen Kerns beim Flechtvorgang gewickelt werden, und das Gewebe kann auf der Oberfläche jedes Kernsegmentes ausgebildet werden.
  • Wenn darüber hinaus nach der CVI-Behandlung und der PIP-Behandlung eine Bearbeitung jedes Produktes erforderlich ist, kann durch Trennen des Verbindungsabschnittes des Kernsegmentes eine Trennung in die entsprechenden Produkte auf einfache Art durchgeführt werden.
  • Weiterhin ist der Kern so beschaffen, daß er an einem Mittenabschnitt geteilt werden kann, der kleiner ist als beide Endabschnitte.
  • Unter dieser Voraussetzung kann durch Teilen des Kernsegmentes am Mittenabschnitt, der kleiner ist als jeder Endabschnitt, der Kern getrennt/entfernt werden, ohne daß das Produkt beschädigt wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines CMC-Herstellungsverfahrens, bei dem die vorliegende Erfindung Anwendung findet.
  • 2 ist eine schematische Ansicht eines Flechtgewebes.
  • 3 ist eine schematisch Ansicht eines Kerns, der bei einer Fertigungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung Verwendung findet.
  • 4A bis 4D sind schematische Ansichten des Herstellungsverfahrens, bei dem der Kern von 3 verwendet wird.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Eine bevorzugte Ausführungsform wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • 3 ist eine schematische Ansicht eines Kerns, der bei einer Fertigungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Wie in 3 dargestellt, ist der Kern 10 ein integraler Kern, der gebildet wird, indem beide Endabschnitte 12a, 12b eines Kernsegmentes 12 für eine Produkteinheit miteinander verbunden werden und eine Mehrzahl (drei in 3) von Kernsegmenten miteinander verbunden werden.
  • Darüber hinaus sind Verbindungssegmente 14a, 14b mit beiden Endabschnitten 12a, 12b des Kernsegmentes 12 über Schrauben oder dergleichen verbunden, wobei dieselben Endabschnitte des Kernsegmentes 12 (z.B. 12a und 12a, oder 12b und 12b) lösbar miteinander verbunden sind. Darüber hinaus können die Verbindungssegmente 14a, 14b verwendet werden, um den Kern 10 als integralen Kern aus vier oder mehr Kernsegmenten 12 auszubilden.
  • Weiterhin ist das Kernsegment 12 derart beschaffen, daß es an einem Mittenabschnitt 12c geteilt werden kann, der kleiner ist als beide Endabschnitte 12a, 12b. Weiterhin kann, wenn dieser Mittenabschnitt besonders klein ist, durch Ausbilden einer Rille in Umfangsrichtung, der Kern derart ausgebildet werden, daß er entlang der Rille gebrochen und geteilt werden kann.
  • Weiterhin ist, wie in 3 gezeigt, ein maximaler Durchmesser des Verbindungssegmentes 14a, 14b derart ausgebildet, daß er geringer ist als ein Durchmesser des Verbindungsabschnittes des Kernsegmentes. Daher ist eine Rille 15 mit einem Durchmesser, der geringer ist als jener eines Produktes, zwischen den benachbarten Kernsegmenten 12 ausgebildet.
  • 4A bis 4D sind schematische Ansichten eines Herstellungsverfahrens, bei dem der Kern von 3 verwendet wird. In der Zeichnung ist 4A eine Ansicht eines Flechtvorgangs für einen spanabhebenden Bearbeitungsvorgang, 4B eine Ansicht eines Teilungsvorgangs für jedes Produkt, 4C eine geteilte Ansicht des Verbindungssegmentes und 4D eine geteilte Ansicht des Kernsegmentes.
  • Wie in 4A gezeigt, wird nach dem Ausbilden eines Gewebes 1 auf der Oberfläche des integralen Kerns 10 das ausgebildete Gewebe 1 mit Matrix getränkt. Sofern es erforderlich ist, wird eine weitere spanabhebende Bearbeitung einer Außenumfangsfläche auf dem integralen Kern 10 wie er ist ausgeführt. Dadurch können mehrere Produkte gleichzeitig auf der Oberfläche einer Mehrzahl von Kernsegmenten 12 hergestellt werden.
  • Da zusätzlich beim Verfahren der vorliegenden Erfindung dieselben Endabschnitte beider Endabschnitte 12a, 12b des Kernsegmentes 12 miteinander verbunden sind, kann ein abgestufter Abschnitt am Verbindungsabschnitt kaum ausgebildet werden. Somit kann beim Flechtvorgang die Faser glatt auf die gesamte Oberfläche des integralen Kerns 10 gewickelt und das Gewebe 1 auf der Oberflä che der jeweiligen Kernsegmente 12 ausgebildet werden.
  • Für einen Faserverlust, der bei einem Flechtvorgang infolge des Wickelns auf einen Fachüberschuß für einen Webstuhl und einen Teil des Kerns, der nicht Bestandteil des Produktabschnittes ist, selbst dann erzeugt wird, wenn der integrale Kern 10 verwendet wird, ist eine absolute Menge im wesentlichen dieselbe, wie wenn Produkteinheiten unabhängig voneinander Stück für Stück hergestellt werden. Daher kann durch Ausführen eines gleichzeitigen Flechtvorgangs für mehrere Produkte der Faserverlust je Produkteinheit auf einige wenige Bruchteile verringert werden.
  • Weiterhin ist selbst beim Flechtvorgang und der anschließenden CVI-Behandlung, der PIP-Behandlung und der spanabhebenden Bearbeitung eine gleichzeitige spanabhebende Bearbeitung für eine Mehrzahl von Produkten möglich, wobei der Aufwand für das Rüsten/Vorbereiten oder dergleichen der Vorrichtung auf wenige Bruchteile je Produkteinheit verringert wird, im Vergleich zu einem Fall, bei dem die Produkte einzeln Stück für Stück bearbeitet werden, wodurch die Produktivität deutlich gesteigert werden kann.
  • Weiterhin wird, wie es in 4B dargestellt ist, an einem Abschnitt der Rille 15 zum Trennen der Produkte beispielsweise eine Schneideinrichtung 16 verwendet, um das Schneiden und Teilen in jeweilige Produkte (keramische Matrixverbundelemente 2) durchzuführen. Danach wird, wie in 4C gezeigt, der Verbindungsabschnitt des Kernsegmentes 12 getrennt, so daß entsprechende Produkte getrennt werden können.
  • Weiterhin wird, wie es in 4D gezeigt ist, durch Teilen des Kernsegmentes 12 in entsprechende Endabschnitte 12a, 12b am Mittenabschnitt 12c das Segment in die jeweiligen Produkteinheiten unterteilt (keramische Matrixverbundelemente 2) und anschließend weiteren erforderlichen Bearbeitungsvorgängen (z.B. PIP-Behandlung und spanabhebende Bearbeitung) unterzogen, so daß die Produkte fertiggestellt werden können.
  • Der Teilungsvorgang jedes Produktes von 4B wird vorzugsweise ausgeführt, nachdem die PIP-Behandlung und die spanabhebende Bearbeitung abgeschlossen sind, wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist und der Vorgang nach der CVI-Behandlung in dem Maße ausgeführt werden kann, in dem das Produkt seine Form behält.
  • Wie es oben beschrieben wurde, können gemäß dem Herstellungsverfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mehrere Produkte gleichzeitig hergestellt werden, was den Faserverlust deutlich verringert, und die Produktivität gesteigert sowie weitere Verbesserungen erzielt werden. Das Verfahren und die Vorrichtung sind insbesondere für eine kleine (Auslaßdurchmesser 10 mm und geringer) Kammer oder Düse wirkungsvoll.
  • Zusätzlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die zuvor erwähnte Ausführungsform beschränkt und kann selbstverständlich in unterschiedlicher Weise abgewandelt werden, ohne vom Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise wurde in der obigen Beschreibung eine Schubkammer oder ein anderes Drehelement als das Produkt im Detail beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist und ebenfalls bei einer willkürlich geformten Kraftstoffleitung, einer Turbinenschaufel, einem Verbrenner, Nachbrenner und dergleichen Verwendung finden kann.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundelementes, das die folgenden Schritte aufweist: Verbinden einer Mehrzahl von Kernen (12) miteinander, um einen integralen Kern (10) zu bilden, wobei die Kerne (12) mittels separater Verbindungselemente (14a; 14b) jeweils paarweise lösbar an ihren Endabschnitten (12a, 12a; 12b, 12b) verbunden sind; Ausbilden eines Gewebes (1) auf der Oberfläche des integralen Kerns; und Tränken des ausgebildeten Gewebes mit Matrix.
  2. Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundelementes nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Kern (12) vorgesehen wird, indem entsprechende Endabschnitte (12a, 12b) des Kerns lösbar miteinander verbunden werden, die einen Mittelabschnitt (12c) des Kerns (12) bilden, der kleiner ist als beide Endabschnitte (12a, 12b).
  3. Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundelementes nach Anspruch 1 oder 2, das des Weiteren die Schritte des Schneidens eines faserverstärkten Verbundelementes (2) an einem verbundenen Abschnitt, an dem die Vielzahl der Kerne (12) miteinander verbunden sind, nach dem Tränken mit der Matrix aufweist.
  4. Vorrichtung zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundelementes zum Ausbilden eines Gewebes (1) auf der Oberfläche eines Kerns und Tränken des ausgebildeten Gewebes mit Matrix, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Mehrzahl von Kernen (12), die lösbar miteinander verbunden sind, um einen integralen Kern (10) zu bilden, wobei die Kerne mittels separater Verbindungsseg mente (14a; 14b) jeweils paarweise lösbar an ihren Endabschnitten (12a, 12a; 12b, 12b) verbunden sind.
  5. Vorrichtung zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundelementes nach Anspruch 4, wobei wenigstens ein Kern (12) durch lösbar miteinander verbundene Endabschnitte (12a, 12b) des Kerns gebildet wird, die einen Mittelabschnitt (12c) des Kerns (12) schaffen, der kleiner ist als beide Endabschnitte (12a, 12b).
  6. Vorrichtung zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundelementes nach Anspruch 4 oder 5, wobei ein maximaler Durchmesser des genannten Verbindungssegmentes (14a; 14b) so ausgebildet ist, dass er kleiner ist als ein Durchmesser eines Verbindungsabschnitts (12a; 12b) des Kerns.
  7. Vorrichtung zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundelementes nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der genannte Kern (12) so ausgebildet ist, dass er an einem Mittelabschnitt (12c) geteilt werden kann, der kleiner ist als beide Endabschnitte (12a, 12b).
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