DE69601115T2 - Verfahren zum Herstellen einer Vorform aus einer spiralförmigen gewickelten Faser - Google Patents
Verfahren zum Herstellen einer Vorform aus einer spiralförmigen gewickelten FaserInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform, die aus einer spiralförmig gewickelten Faser besteht.
- Sie bezieht sich insbesondere auf die Herstellung von Ringen aus Kompositmaterialien, bei denen die Faser die mechanische Festigkeit des Stücks gewährleistet. Ein Typ der Herstellungsverfahren ist durch die Anwendung einer isostatischen Heißpressung gekennzeichnet, was keine besondere Faserausrichtung benötigt, aber ein spezielles Werkzeug erfordert und eine schwierige Ausführung zur Folge hat. Ein anderer Typ an Verfahren besteht aus der Verfestigung des Teils durch Pressen in der Ringachse, was an sich leichter ist, aber die Fasern müssen geordneter und regelmäßiger vorliegen und sie müssen in Spiralen gewickelt werden, die je nach Dicke des Rings übereinandergelegt werden. Die Ausführung dieses Wickelvorgangs der Fasern ist indessen schwierig. Es wurde bereits vorgeschlagen, ein Metallband an der Faser anzubringen und gleichzeitig die Faser und das Band zu rollen, so daß dieses als Abstandshalter der aufeinanderfolgenden Wicklungen der Fasern dient, oder aber eine Scheibe durch Bildung einer Spiralnut durch elektrochemische Bearbeitung zu bearbeiten, in welcher Nut die Faser aufgenommen wird.
- Diese Verfahren benötigen also einen Abstandshalter, der die Herstellung wesentlich verteuert und verdeutlichen das Bedürfnis nach einfacheren Verfahren, wie beispielsweise gemäß der vorliegenden Erfindung.
- Kurz zusammengefaßt besteht dieses aus dem Rollen der Faser auf einen konischen Stumpf und dann aus dem Abplatten oder Drücken der kegelstumpfförmig gerollten Form, die erhalten wird, um sie in eine Spirale zu bringen. Entgegen der vorherrschenden Meinung werden diese beiden wesentlichen Schritte leicht dank trickreicher Techniken erhalten, und die Qualität des Ergebnisses wird ohne Schwierigkeiten gewährleistet.
- Genauer gesagt betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine Vorform, die aus einer spiralförmig gewickelten Faser besteht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- - Rollen der Faser auf eine Spiralspur, die auf einem kegelstumpfförmigen Wickelkern angebracht ist,
- - Gießen eines thermoplastischen Bindemittels im flüssigen Zustand auf den Wickelkern, um die Faser zu bedecken und einen konischen Mantel zu schaffen,
- - Aushärten des Bindemittels,
- - Herausnehmen des konischen Mantels und Aufbringen von dieser auf einer Platte,
- - Erwärmen des konischen Mantel lokal an einem Basisumfang, an dem sie die Platte berührt, um sie zu erweichen und sie fortschreitend auf die Platte absenken zu lassen, wodurch sie in eine Scheibe umgesetzt wird, wobei gegebenenfalls eine Kraft auf den konischen Mantel in Richtung der Platte ausgeübt wird.
- Man kann ein pyrolytisches Bindemittel verwenden, das leicht nach dem Erhalten der Spirale durch Erwärmen beseitigt werden kann. Eine weitere Verbesserung unabhängig von dem zuvor genannten besteht in dem Kühlen der Platte, so daß die Teile des konusförmigen Mantels, die bereits eben geworden sind, sofort erstarren und die Wicklungen daher nicht weiter verformt werden.
- Weiterhin kann das aus der Form nehmen erleichtert werden, wenn der Wickelkern einen Außenstulpen aufweist, auf den die Spur angebracht ist, sowie einen internen abnehmbaren Aufbau zum Halten des Stulpens. Dieser Aufbau kann in der Praxis ein Aufbau zur Ausdehnung des Stulpens sein, der daher aus einem elastischen Material aufgebaut ist und sich zusammenzieht, sobald der Aufbau zurückgezogen wird, wodurch die konusförmige Hülle gelöst wird. Gemäß einem anderen Konzept ist der Stulpen thermoplastisch und verliert seine Steifigkeit bei einer niedrigeren Temperatur als der konusförmige Mantel, was es ermöglicht, diese nach einem leichten Erwärmen durch Enthüllen abzunehmen.
- Die Erfindung wird nun im Detail bezugnehmend auf die begleitenden Figuren beschrieben, die nur zur Darstellung dienen und keine Beschränkung der Erfindung darstellen:
- Fig. 1 ist eine Darstellung des Aufwickelvorgangs,
- Fig. 2 zeigt den Wickelkern,
- Fig. 3 zeigt das Niederdrücken des Kegelstumpfs, und
- Fig. 4 zeigt das Endprodukt.
- Eine Faser 1 auf Siliziumcarbid-Basis ist, wie man es in Fig. 1 sieht, auf einer Spule 2 angeordnet, die frei drehbar auf einer Achse 3 angeordnet ist, und ein Wickelkern 4 in Kegelstumpfform ist auf einer Welle 5 angeordnet, die sich koaxial zu der Achse 3 dreht. Der Weg der Faser 1 kann durch eine Pilotspule 6 verbessert werden, über die sie hinweggeht, und die längs einer weiteren Achse 18 parallel zu der der Welle 5 beweglich ist. Ein nicht gezeigtes Steuersystem gewährleistet einerseits die Translationsbewegung der Pilotspule 6 und die Drehung der Welle 4 und des Wickelkerns 4 in einem festen Verhältnis zueinander, so daß die Faser 1 auf den Wickelkern 4 gewickelt wird, wodurch Wicklungen 7 mit unterschiedlichen Durchmessern, aber mit konstanter Schrittweite gebildet werden.
- Wie es in Fig. 2 zu sehen ist, besteht der Wickelkern 4 aus Keilen 8 in einer Form von Kegelstumpfsektoren, die aneinandergefügt sind, und einem Stulpen 9, der unter Druck auf die Keile 8 aufgelegt ist, so daß er in Durchmesserrichtung gedehnt wird. Der Stulpen 9 weist eine konische Innenseite mit einer Öffnungswinkel gleich dem der Keile 8 auf, aber eine Außenseite, auf der eine Spiralspur 10 aufgebracht ist, auf der die Wicklungen 7 abgelegt werden. Diese Anordnung verhindert jegliche Verschiebung der Wicklungen 7 und gewährleistet die gewünschte Schrittweite zwischen ihnen. Der Stulpen 9 kann aus einem Material auf Teflon-Basis oder einem Polymer und gegebenenfalls auch aus einem thermoplastischen Material gebildet sein.
- Der folgende Schritt besteht in dem Gießen eines Bindemittels auf die Wicklungen 7, um eine Matrix 11 zu bilden, die diese vollständig bedeckt und einhüllt, und die sie nach dem Aushärten festhält.
- Es kann sich ein thermoplastisches Polymethylmetacrylat [CH&sub2;C(CH&sub3;) (CO&sub2;CH&sub3;)-]n verwendet werden, das zuvor mit einem Lösemittel vermischt wurde, um es in den flüssigen Zustand zu bringen, und das sich danach von selbst verflüchtigt oder dazu erwärmt wird, wodurch das Bindemittel aushärtet.
- Daraufhin wird der konische Mantel 12 abgenommen, der aus den Wicklungen 7 und der Matrix 11 besteht. Dazu wird der Wickelkern 4 von der Welle 5 abgenommen und die Keile 7 herausgenommen. Der Wickelkern 9 zieht sich somit zusammen und fällt ab.
- Der konische Mantel 12 wird daraufhin auf eine Herdsohle 13 gelegt, die aus Kupfer bestehen kann und durch eine unterhalb von ihr angeordnete Wasserströmungskammer 14 gekühlt werden kann. Es ist zu sehen, daß der konusförmige Mantel 12 gegen die Herdsohle 13 gedrückt wird, bis er zusammengedrückt wird und auf dieser abgeplattet wird. Dazu kann eine Presse 15 oberhalb der Herdsohle 13 verwendet werden. Indessen muß die Matrix 11 aufgeweicht werden, was leicht ist, wenn das Bindemittel thermoplastisch ist: Der Abschnitt des konusförmigen Mantels 12 an dem unteren Rand wird erwärmt, um ihn aufzuweichen und ihn fortschreitend auf die Oberfläche der Herdsohle 13 absinken zu lassen. Man kann dazu einen sich drehenden Laser verwenden oder in einfacherer Weise ein Heißluftgerät (hier durch 16 bezeichnet) oder ein geheiztes Streichmesser, das auf den Umfang des Konus 12 gehalten wird. Unabhängig von dem verwendeten Verfahren verformt sich der konusförmige Mantel 12 nach und nach in eine Platte 17, oder eine Scheibe, die in Fig. 4 dargestellt ist, und die spiralförmigen Fasern werden in eine ebene Form gebracht. Die Kühlung der Herdsole 13 ermöglicht das neuerliche Erstarren der Matrix 11 unmittelbar nach dem Erwärmen und vermeidet nachfolgende und ungewollte Verformungen der Wicklungen 7 in einer anderen Richtung als in der Axialrichtung.
- Der abschließende Verfahrensschritt zur Schaffung eines Rings, der nur zur Erläuterung genannt wird und bereits bekannte oder naheliegende Verfahrensschritte verwendet, besteht in dem Aufeinanderlegen der Platten 17, wobei gegebenenfalls dünne Trennblätter zwischengelegt werden können, und danach aus dem Lösen der Matrix 11 durch Pyrolyse, so daß nur die Faser zurückbleibt, und schließlich in dem Einhüllen des Spiralstapels durch das eigentliche Material, das die Matrix des Kompositmaterials bildet. Die Pyrolyse des Polymethylmetacrylats wird durch Erwärmen auf 500ºC während zwei Stunden in einem Edelgasstrom bei 10 hPa erreicht. Eine Last wird auf den Stapel ausgeübt, um zu verhindern, daß sich die Spiralwicklungen durch Verrutschen gegeneinander verschieben. Das Auflösen der Matrix erfolgt schneller, wenn der konusförmige Mantel 12 perforiert ist, was die Entgasung fördert.
- Es wurde bereits die Einfachheit der Verfahrensschritte und der verwendeten Gerätschaften genannt. Es ist noch anzufügen, daß es genügt, den Wickelkern 4 durch einen anderen mit einer anderen Konusöffnung zu ersetzen, um die Schrittweite der spiralförmigen Wicklungen 7 in der Platte 17 zu ändern. Das gleiche Ergebnis wird durch Änderung der Schrittweite der Spur 10 erreicht.
- Es ist nicht notwendig, einen elastischen Stulpen 9 auf den Keilen 8 auszudehnen, um ihn von dem konusförmigen Mantel 12 zu lösen. Wenn er beispielsweise aus einem thermoplastischen Material ist, genügt es, ihn mit einer Temperatur zu erwärmen, bei der die Matrix 11 noch steif ist, und ihn dann abzunehmen.
- Das Bindemittel kann auch mit einem pulvrigen Produkt gemischt werden, das später zur Bildung der Matrix des abschließenden Kompositmaterials dient. Es dient daher darüber hinaus zum Halten dieses Pulvers bis zur Pyrolyse.
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung einer Vorform aus einer spiralförmig gewickelten Faser (1),
aufweisend die folgenden Schritte:
- Rollen der Faser auf einer spiralförmigen Spur (10), die auf einem kegelstumpffömigen
Wickelkern (4) liegt,
- Gießen eines thermoplastischen Bindemittels im flüssigen Zustand auf den Wickelkern
(4), um die Faser (1) zu bedecken und einen konusförmigen Mantel (12) zu bilden,
- Aushärten des Bindemittels,
- Herausnehmen des konusförmigen Mantels (12) und Legen von diesem auf eine Platte
(13),
- lokales Erwärmen des konusförmigen Mantels (12) an einer Basis-Umfangsfläche, wo
er die Platte (13) berührt, um ihn zu erweichen und ihn fortschreitend auf die Platte
absinken zu lassen, wodurch er scheibenförmig (17) verformt wird, wobei
gegebenenfalls eine Kraft auf den konusförmigen Mantel in Richtung der Platte
ausgeübt wird.
2. Herstellungsverfahren für eine Vorform nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (13) gekühlt (14) ist.
3. Herstellungsverfahren für eine Vorform nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel einer Pyrolyse unterzogen wird.
4. Verfahren zur Herstellung einer Vorform nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelkern (4) aus einer Außenstülpe (9), auf der die
Spur (10) gelegt ist, und einer abnehmbaren Innenstruktur (8) besteht, die die Stülpe hält.
5. Herstellungsverfahren für eine Vorform nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stülpe thermoplastisch ist.
6. Herstellungsverfahren für eine Vorform nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stülpe elastisch ist und durch die Innenstruktur gedehnt
wird.
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