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Fachgebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung,
die mindestens ein Rohr und mindestens eine Platte aus einem Metall-Matrix-Composite-Werkstoff umfasst,
die zusammengefügt
sind.
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Ein
solches Verfahren kann insbesondere für die Herstellung von für die Raumfahrtindustrie
bestimmten Anordnungen eingesetzt werden, beispielsweise für Fachwerkanordnungen,
die als Halterung für
an Bord befindliche optische Instrumente wie Weltraumteleskope oder
andere Instrumente dienen.
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Stand der
Technik
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Wenn
optische Instrumente wie Weltraumteleskope an Bord von Raumfahrzeugen
mitgeführt werden,
werden diese Instrumente im Allgemeinen auf Fachwerkstrukturen montiert.
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Fachwerkanordnungen
umfassen üblicherweise
eine oder mehrere zueinander parallele Platten und eine Vielzahl
von Rohren, die diese Platten in unterschiedlichen Richtungen verbinden,
sodass für die
Gesamtanordnung eine große
Maßstabilität sichergestellt
ist.
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Zusätzlich zu
diesen Stabilitätsanforderungen
müssen
die Rohre und Platten, aus denen die Fachwerkanordnungen bestehen,
welche die optischen Instrumente tragen, mit denen Raumfahrzeuge
ausgerüstet
sind, geeignete mechanische Eigenschaften sowie eine möglichst
geringe Masse aufweisen. Dies veranlasst die Entwickler dieser Weltraumfahrzeuge
häufig
dazu, für
die Ausführung
der Rohre und Platten der Fachwerkanordnungen Metall-Matrix-Composite-Werkstoffe
zu verwenden.
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Genauer
gesagt, werden die Rohre und Platten üblicherweise getrennt hergestellt,
indem eine Metalllegierung in eine Form eingespritzt wird, die eine
Vorform aus gewebten Fasern enthält.
Die Rohre und Platten werden anschließend nach verschiedenen Techniken
wie Kleben, Verschrauben oder Löten
zusammengefügt.
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Diese
verschiedenen Fügetechniken
weisen jedoch alle erhebliche Nachteile auf.
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So
stellt, wenn die Rohre und die Platten durch Kleben zusammengefügt werden,
der auf diese Weise eingebrachte andere Werkstoff zwischen den Teilen
eine Quelle thermomechanischer Instabilität dar, insbesondere aufgrund
der geringen Steifigkeit und der hygrometrischen Eigenschaften des Klebstoffs.
Außerdem
führt diese
Art des Fügens
zu Schwierigkeiten bei der praktischen Umsetzung, die zum Beispiel
mit der Notwendigkeit einer Oberflächenbehandlung und der Polymerisationszeit
des Klebstoffs verbunden sind.
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Falls
die Rohre und die Platten durch Verschrauben zusammengefügt werden,
bringt dies ebenfalls eine mechanische Instabilität mit sich,
und zwar aufgrund der Reibungen und der Mikrogleitbewegungen, die
zwischen den Teilen auftreten. Überdies äußert sich
das Hinzufügen
von Schrauben und Scheiben in einer im Raumfahrtbereich unterwünschten
Erhöhung
der Gesamtmasse der Anordnung.
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Schließlich stößt man,
wenn die Rohre und die Platten durch Löten zusammengefügt werden, bei
der praktischen Umsetzung aufgrund der zylindrischen beziehungsweise
ebenen Geometrie der zusammenzufügenden
Teile auf Schwierigkeiten.
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Wie
das Dokument EP-A-0 610 020 zeigt, ist bekannt, dass zwei Stahlrohre
in einer T-Konfiguration zusammengefügt werden, indem in einem Formverfahren
eine Schale aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung um den
Bereich der Verbindungsstelle zwischen den beiden Rohren gebildet wird.
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Kurzbeschreibung
der Erfindung
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Gegenstand
der Erfindung ist, genau gesagt, ein Verfahren zur Herstellung einer
Anordnung, die mindestens ein Rohr und mindestens eine Platte aus einem
Metall-Matrix-Composite-Werkstoff umfasst, welches nicht die Nachteile
der vorhandene Verfahren aufweist und insbesondere nicht zu einer
thermomechanischen Instabilität
an der Verbindungsstelle zwischen dem Rohr und der Platte führt.
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Gemäß der Erfindung
wird dieses Ergebnis mit Hilfe eines Verfahrens zur Herstellung
einer Anordnung erreicht, die mindestens ein Rohr und mindestens
eine Platte aus einem Metall-Matrix-Composite-Werkstoff umfasst,
die miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass es
die folgenden aufeinander folgenden Schritte umfasst:
- – in
einen Hohlraum einer einzigen Gießform Einsetzen einer ersten
Faserstoff-Vorform, welche im Wesentlichen die Form eines Rohrs
aufweist, sowie einer zweiten Faserstoff-Vorform, die im Wesentlichen
die Form einer Platte aufweist, sowie einer dritten Faserstoff-Vorform,
welche ein Ende der ersten Faserstoff-Vorform umgibt, das an die zweite Faserstoff-Vorform
angrenzt;
- – Einspritzen
eines Metalls oder einer Metalllegierung in den Hohlraum der Gießform.
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Die
Umsetzung dieses Verfahrens ermöglicht,
ohne die Übergangsflächen zwischen
den Rohren und den Platten auszukommen, die allen Techniken nach
dem bisherigen Stand gemeinsam sind. Auf diese Weise bleibt die
thermomechanische Stabilität der
Anordnung gewahrt. Außerdem
wird im Vergleich zur Fügetechnik
durch Verschrauben ein Massegewinn erzielt sowie eine Vereinfachung
der Umsetzung im Vergleich zur Fügetechnik
durch Kleben. Zusätzlich äußert sich
die Herstellung mehrerer identischer Teile ausgehend von derselben
Gießform
in einer Senkung der Kosten.
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Im
häufigsten
Fall, in dem das Rohr hohl ist, wird in das Innere der ersten Faserstoff-Vorform
ein Kern in einer Form eingesetzt, die zur Innenseite des Rohrs
komplementär
ist.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist die dritte Faserstoff-Vorform in Form von zwei Halbschalen
ausgeführt,
von denen jede die Form eines Halbrings aufweist.
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Vorteilhafterweise
wird das Metall oder die Metalllegierung in den Hohlraum der Gießform im Wesentlichen
entlang der Längsachse
der ersten Faserstoff-Vorform auf einer Seite der zweiten Faserstoff-Vorform
eingespritzt, die der ersten Faserstoff-Vorform gegenüberliegt.
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Außerdem werden
die erste, die zweite und die dritte Faserstoff-Vorform vorzugsweise
durch Zurichten von Tüchern
hergestellt, sodass bestimmte Fasern aus jeder der Faserstoff-Vorformen
ungefähr gleich
ausgerichtet sind, wenn die Vorformen in die Gießform eingesetzt werden.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Nun
wird als Beispiel zur Veranschaulichung ohne einschränkende Wirkung
eine Ausführungsform
der Erfindung beschrieben, indem auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen
wird, in denen die einzige Figur in schematischer Form als Teil-Schnittansicht
eine Gießform,
die zur Herstellung einer Anordnung aus einem Rohr und einer Platte durch
das Verfahren gemäß der Erfindung
bestimmt ist, sowie die Faserstoff-Vorformen und den Kern darstellt,
die zur Umsetzung dieses Verfahrens verwendet werden.
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Ausführliche
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
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Die
als Beispiel auf der einzigen Figur dargestellte Ausführungsform
betrifft die Herstellung einer Anordnung aus einem Metall-Matrix-Composite-Werkstoff,
welche ein einziges Hohlrohr und eine einzige Platte umfasst. Allerdings
ist die Erfindung nicht auf die Herstellung einer Anordnung dieser
Art beschränkt,
sondern betrifft in allgemeiner Weise die Herstellung jeder Anordnung
aus einem Metall-Matrix-Composite-Werkstoff,
welche eines oder mehrere Rohre und eine oder mehrere Platten umfasst,
die untereinander zusammengefügt
sind. Außerdem kann
die Erfindung sowohl angewendet werden, wenn die Rohre hohl sind,
wie dies im Allgemeinen der Fall ist, als auch dann, wenn die Rohre
massiv sind, das heißt,
wenn sie durch Stangen ersetzt sind.
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Gemäß der Erfindung
werden das Rohr und die Platte der herzustellenden Anordnung in
einem Stück
durch ein Formverfahren ausgeführt,
indem in die Anordnung ein ringförmiges
Verstärkungsstück integriert
wird, das den an die Platte angrenzenden Teil des Rohrs umgibt und
das ebenfalls zusammen mit der Anordnung ein einziges Werkstück bildet.
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In
der dargestellten Ausführungsform
wird die Anordnung aus dem Metall-Matrix-Composite-Werkstoff in einer
einzigen Gießform 10 hergestellt,
die aus zwei Teilen 12 und 14 gebildet wird. Im Wesentlichen
sorgt der erste Teil 12 der Gießform 10 für die Herstellung
des Rohrs, und der zweite Teil 14 sorgt für die Herstellung
der Platte.
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Die
Gießform 10 begrenzt
in ihrem Innern einen Hohlraum 16, dessen erster Abschnitt 18 im
oberen Teil 12 der Gießform
gebildet ist und dessen zweiter Abschnitt 20 in den Teil 14 der
Gießform
gebildet ist.
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Der
erste Abschnitt 18 des Hohlraums 16 weist eine
Form auf, die zur äußeren Form
des Rohrs komplementär
ist, das man herstellen möchte.
Mit anderen Worten: Der Abschnitt des Hohlraums 18 hat
die Form einer zylindrischen Aussparung, deren Durchmesser gleich
dem Außendurchmesser
des Rohrs ist und deren Länge
gleich dem Teils des Rohrs ist, der sich außerhalb des ringförmigen Verstärkungsstücks befindet,
welches das Rohr im Bereich seiner Verbindungsstelle mit der Platte
umgibt.
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Der
zweite Abschnitt 20 des Hohlraums 16 weist eine
Form auf, die komplementär
ist zu der äußeren Form
der Platte, die man herstellen möchte, sowie
zu dem Teil des ringförmigen
Verstärkungsstücks, welches
das Rohr im Bereich seiner Verbindungsstelle mit der Platte umgibt.
Die Verbindungsfläche 22 zwischen
den zwei Abschnitten 18 und 20 des Hohlraums 16 befindet
sich somit auf Höhe
der Seite des ringförmigen
Verstärkungsstücks, die
der Platte gegenüberliegt.
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Gemäß der Erfindung
wird in das Innere des Hohlraums 16 der Gießform eine
erste Faserstoff-Vorform 24 eingesetzt, die im Wesentliche
die Form des herzustellenden Rohrs aufweist, eine zweit Faserstoff-Vorform 26,
die im Wesentlichen die Form der herzustellenden Platte aufweist,
und eine dritte Faserstoff-Vorform 28, die im Wesentlichen
die Form des ringförmigen
Verstärkungsstücks aufweist,
welches das Rohr in dem Bereich umgibt, der an die Platte angrenzt.
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Genauer
ausgedrückt,
wird die erste Faserstoff-Vorform 24 in den Hohlraumabschnitt 18 eingesetzt
und ragt an einem ihrer Enden in den zweiten Hohlraumabschnitt 20 hinein.
Die zweite Faserstoff-Vorform 26 wird in den zweiten Hohlraumabschnitt 20 so
eingesetzt, dass das vorstehende Ende der ersten Faserstoff- Vorform 24 auf
ihr aufliegt. Schließlich
wird die dritte Faserstoff-Vorform 28 ebenfalls in den
zweiten Hohlraumabschnitt 20 eingesetzt, und zwar um den
hervorstehenden Teil der ersten Faserstoff-Vorform 24 und
aufliegend auf der zweiten Faserstoff-Vorform 26.
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Um
die Umsetzung zu erleichtern, ist die dritte Faserstoff-Vorform 28 vorzugsweise
in Form von zwei Halbschalen ausgeführt, von denen jede die Form
eines Halbrings aufweist.
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Jede
der Faserstoff-Vorformen 24, 26 und 28 besteht
aus langen Fasern, deren Art und Ausrichtung entsprechend den für die herzustellende
Anordnung gewünschten
mechanischen Eigenschaften gewählt
werden. Diese Entscheidungen werden vom Fachmann durch einfache
Anwendung seiner üblichen
Kenntnisse getroffen. Sie sind folglich nicht Teil der Erfindung.
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Um
jedoch das mechanische Verhalten des durch das Verfahren gemäß der Erfindung
erhaltenen Werkstück
zu verbessern, wird die Ausrichtung der Fasern in den verschiedenen
Vorformen 24, 26 und 28 vorteilhafterweise
festgelegt, damit bestimmte Fasern aus jeder der Vorformen von einer
Vorform zur anderen ungefähr
gleich ausgerichtet sind, wenn alle Vorformen in den Hohlraum 16 der
Gießform 10 eingesetzt
werden.
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In
jeder der Vorformen 24, 26 und 28 werden die
Fasern miteinander durch jedes geeignete Mittel zusammengefügt. Eine
Fügetechnik
besteht insbesondere darin, eine gewisse Zahl von aus den gewünschten
Fasern hergestellten Geweben übereinander
zu legen, die Gewebe beispielsweise durch Nähen miteinander zu verbinden
und anschließend die
auf diese Weise erhaltene Vorform zu verdichten, um den gewünschten
Faseranteil zu erhalten.
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In
der dargestellten Ausführungsform,
die die Herstellung eines Hohlrohres betrifft, wird in die Gießform in
das Innere der ersten Faserstoff-Vorform 24 auch ein Kern 30 gesetzt,
der eine zur Innenseite des herzustellenden Rohrs komplementäre Form aufweist.
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Beim
nächsten
Schritt wird in den Hohlraum 16 der Gießform 10 ein Metall
oder eine Metalllegierung eingespritzt, die vom Fachmann so gewählt wird,
dass man die Eigenschaften erhält,
die für
die in Herstellung befindliche Anordnung gewünscht werden. Diese Wahl ergibt
sich aus der einfachen Anwendung der üblichen Kenntnisse des Fachmanns. Sie
ist nicht Teil der Erfindung.
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Wie
dies durch einen Pfeil F in der einzigen Figur schematisch dargestellt
ist, wird das Metall oder die Metalllegierung in den Hohlraum 16 durch eine
in den Teil 14 der Gießform 10 gebildete Öffnung 32 eingespritzt.
Genauer gesagt, mündet
die Öffnung 32 in
den Hohlraumabschnitt 20 entlang der gemeinsamen Längsachse
des Hohlraumabschnitts 18 und der ersten Faserstoff-Vorform 24 auf
einer Seite der zweiten Faserstoff-Vorform 26, die der
ersten Faserstoff-Vorform 24 und dem Hohlraumabschnitt 18 gegenüberliegt.
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Die
Spritzgussparameter (Temperatur, Druck usw.) werden vom Fachmann
unter Berücksichtigung insbesondere
des Wärmeleitwiderstands
und der Geometrie der Anordnung bestimmt. Diese Daten fallen unter
die einfache Anwendung seiner üblichen Kenntnisse.
Sie sind daher nicht Teil der Erfindung.
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Wenn
der Spritzgussvorgang des Metalls oder der Metalllegierung beendet
ist und wenn sich die Anordnung verfestigt hat, wird die Gießform 10 geöffnet.
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Gemäß der Erfindung
ist die aus der Gießform
entnommene Anordnung ein monolithisches Werkstück, in das ohne eine Unterbrechung
das Rohr, die Platte und das Verstärkungsstück integriert sind. Insbesondere
gibt es im Gegensatz zu vergleichbaren Anordnungen nach dem bisherigen Stand
der Technik keine Übergangsfläche zwischen den
verschiedenen Werkstoffen. Eine große thermomechanische Stabilität ist folglich
gewährleistet.
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Überdies
weist die erhaltene Anordnung eine geringere Masse auf als die Anordnungen
nach dem bisherigen Stand der Technik, bei denen das Rohr und die
Platte durch Verschrauben zusammengefügt werden.
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Außerdem erfolgt
die Herstellung der Anordnung durch einen einfachen Formvorgang,
das heißt, dass
die Umsetzung des Verfahrens gemäß der Erfindung
deutlich einfacher ist als die von Verfahren nach dem bisherigen
Stand der Technik, nach denen das Rohr und die Platte durch Verkleben
oder Verschweißen
zusammengefügt
werden.
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Selbstverständlich werden,
wenn die herzustellende Anordnung mehrere Rohre und/oder mehrere
Platten umfasst, die Gießform
und die Faserstoff-Verstärkungen
entsprechend abgeändert.