DE69604399T2

DE69604399T2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von ringförmigen werkstücken aus verbundmaterial und vorformlinge für diese werkstücke

Info

Publication number: DE69604399T2
Application number: DE69604399T
Authority: DE
Inventors: Dominique Coupe; Jean-Marie Jouin; Pierre Olry
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Ceramics SA
Priority date: 1995-06-19
Filing date: 1996-06-18
Publication date: 2000-05-11
Anticipated expiration: 2016-06-19
Also published as: RU2169805C2; UA46779C2; EP0833972B1; DE69604399D1; CN1078276C; JP3657272B2; US5991987A; EP0833972A2; WO1997000345A2; CA2225254C; KR19990028240A; FR2735456A1; WO1997000345A3; JPH11508197A; FR2735456B1; KR100419556B1; CN1191583A; CA2225254A1

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen von ringförmigen Werkstücken aus Verbundstoff und von Vorformlingen für solche Werkstücke, außerdem die Werkstoffe und Vorformlinge selbst. Insbesondere geht es um Verfahren und Vorrichtungen, mit denen Vorformlinge durch Aufwickeln einer Fasermaterialbahn auf einen Wickeldorn hergestellt werden, wobei die Anordnung aus Wickellagen dazu dient, zu Ringen geschnitten zu werden, entweder vor oder nach der Verdichtung durch eine Matrix.
Die üblicherweise für die Herstellung von Vorformlingen für Werkstücke aus Verbundmaterial eingesetzten Verfahren bestehen aus dem Aufeinanderstapeln von flächigen Lagen aus Fasermaterial, dem Zuschneiden oder Bearbeiten der Anordnung, um einen Vorformling gewünschter Gestalt zu erhalten, und der Verdichtung des Vorformlings. Wenn das zu fertigende Werkstück eine Bremsscheibe oder ein anderes ringförmiges Werkstück ist, so geht etwa die Hälfte der Gewichtsmenge des Materials beim Herstellungsprozeß der ringförmigen Vorformlinge verloren, bezogen auf die Anordnung der gestapelten Lagen.
Um diesen Verschnitt zu verringern, wurden bereits mehrere Vorschläge gemacht. Einer davon besteht in dem Zusammenbau eines zu verdichtenden ringförmigen Vorformlings aus Fasermateriallagen, die jeweils die Form nebeneinanderliegender Sektoren aufweisen, wobei diese Lagen übereinander gestapelt werden. Dieses Verfahren verringert die Verluste, kann sie jedoch nicht vermeiden.
Ein weiterer Vorschlag ist Gegenstand der Patentanmeldung FR-A-2 506 672 und wird im folgenden anhand der Fig. 1A bis 1D erläutert. Es wird vorgeschlagen, ringförmige oder zylindrische Elemente durch Aufwickeln einer faserförmigen Bahn auf einen zylindrischen Wickeldorn herzustellen (Fig. 1A), um eine zylindrische Hülse zu erhalten (Fig. 1B). Während des Wickelvorgangs werden die übereinander lie genden Lagen untereinander durch Nadelung verbunden. Die zylindrische Hülse kann senkrecht zu ihrer Achse geschnitten werden, um ringförmige Vorformlinge zu erhalten, die dann verdichtet werden (Fig. 1C).
Ein ähnliches Verfahren ist auch in der Patentanmeldung FR-A-2 584 107 beschrieben.
Dieses letztere Verfahren vermeidet Materialabfälle, allerdings haben die aus nach diesem Verfahren hergestellten Vorformlinge gefertigten Werkstücke unvorteilhafte Besonderheiten, die sich insbesondere beim Einsatz der Werkstücke zeigen. Handelt es sich um Bremsscheiben, so werden diese im Gebrauch Scherkräften ausgesetzt, die in tangentialer Richtung wirken. Diese Kräfte treten insbesondere im Bereich von Nuten auf, die in dem Innenkranz oder dem Außenkranz (Fig. 1D) ausgebildet sind, um eine Verbindung zwischen der Scheibe und einem beweglichen oder einem feststehenden Teil herzustellen. Diese Scherkräfte E können zu einem Aufblättern des Werkstücks führen, d. h. zu einer Zerstörung durch Auftrennen der Lagen des Vorformlings.
Gemäß einem ihrer Aspekte hat die Erfindung das Ziel, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die die Fertigung von Vorformlingen für ringförmige Werkstücke aus Verbundmaterial mit guter Widerstandsfähigkeit gegenüber Aufblättern ermöglichen und dabei gleichzeitig Materialverluste bei der Durchführung des Verfahrens vermeiden.
Erreicht wird dies mit Hilfe eines Verfahrens und einer Vorrichtung, bei denen erfindungsgemäß eine Bahn aus faserförmigen Material auf einen elliptischen Wickeldorn aufgewickelt wird, um eine elliptische Hülse zu bilden. Diese elliptische Hülse kann schräg geschnitten werden, um zu verdichtende, ringförmige Vorformlinge zu erhalten, oder sie kann ihrerseits selbst als zu verdichtender Vorformling verwendet werden, wobei das Abschneiden zu dem Ende eines oder mehrerer Verdichtungsschritte hin verschoben wird. Die Schnittebene ist im Bezug auf einen rechtwinklig zu der elliptischen Hülse verlaufenden Schnitt geneigt, d. h. die Schnittebene verläuft nicht im rechten Winkel bezüglich der Hülsenachse. Die Innen- und Außenbereiche der geschnittenen Ringe werden materialabtragend bearbeitet, um kreisförmige Elemente zu erhalten.
Das oben angegebene Verfahren und die Vorrichtung machen von dem Umstand Gebrauch, daß die Projektion einer Ellipse in einer Ebene, die die Hauptachse der Ellipse durchsetzt und in Bezug auf die Ellipsen- Ebene einen Winkel α bildet, ein Kreis mit einem Durchmesser entsprechend der Hauptachse der Ellipse ist. Der Winkel α läßt sich gemäß folgender Formel berechnen:
cosα = b/ a
wobei
2a = die Hauptachse der Ellipse und 2b = die Nebenachse der Ellipse;
Das Grundprinzip dieses erfindungsgemäßen Aspekts ist in den Fig. 2A bis 2D veranschaulicht.
Die Fig. 2a zeigt das Aufwickeln einer Bahn aus faserförmigem Material auf einen elliptischen Wickeldorn, Fig. 2B zeigt die Schnittebene der elliptischen Hülse, die durch eine Anordnung aus übereinander liegenden Bahnen hergestellt wurde. Bei diesem Beispiel ist der geschnittene Ring in der Hülse exakt kreisförmig in seiner Breiten-Mitte, jedoch am Innen- und am Außenumfang elliptisch. Die Schnittebene kann auch so gewählt werden, daß der Ring an seinem Innenumfang oder seinem Außenumfang kreisförmig ist, oder in einem anderen Abstarid von den Umfängen des Rings kreisförmig ist (theoretisch läßt sich eine Schnittebene wählen, die den geschnittenen Ring über seine gesamte Breite elliptisch macht, allerdings würde eine solche Wahl die Materialmenge vergrößern, die man abtragen müßte, um zu der Kreisform des Elements zurückzugelangen).
Nach dem Schneiden wird der Umfang des Rings bearbeitet, entweder innen oder außen, um ein kreisförmiges Element in seiner Gesamtheit herzustellen (vgl. Fig. 2C). Während des Gebrauchs eines Werkstücks, welches ausgehend von einem derartigen Element gefertigt wurde, verläuft eine Scherkraft E in Tangentialrichtung nicht mehr in einer Richtung, die das Aufblättern der Lagen begünstigt, aus denen sich der Vorformling des Werkstücks zusammensetzt (siehe Fig. 2D).
Gemäß diesem Aspekt der Erfindung lassen sich die Vorformlinge für die Fertigung von ringförmigen Werkstücken durch ein Verfahren herstellen, welches nur geringe Materialverluste bedingt, und diese Vorformlinge ermöglichen die Herstellung von ringförmigen Werkstücken, die eine geringere Tendenz des Aufblätterns im Einsatz aufweisen.
Je mehr sich der Winkel der Schnittebene bezüglich eines zu der Hülse rechtwinkeligen Schnitts 45º annähert, desto besser widerstehen die aus der Hülse geschnittenen Werkstücke dem Aufblättern unter Schereinwirkung in tangentialer Richtung der Werkstücke. Allerdings nimmt auch der Materialverschnitt mit diesem Winkel zu (welcher im folgenden als "Schnittwinkel" bezeichnet wird). Folglich muß der Schnittwinkel optimiert werden, um Werkstücke mit gutem mechanischen Verhalten herzustellen, wobei aber dennoch tolerierbare Materialverschnitte berücksichtigt werden. Vorzugsweise hat der Schnittwinkel einen Wert zwischen 10º und 45º. Bei einem Schnittwinkel von 45º bleiben beträchtliche Materialverschnitte, etwa 35%. Folglich ist es vorteilhafter, einen Schnittwinkel zwischen 10º und 30º vorzusehen.
Dieser erste Aspekt der Erfindung umfaßt außerdem ein Herstellungsverfahren für ringförmige Werkstücke aus Verbundmaterial, umfassen das Herstellungsverfahren eines Vorformlings, wie es oben beschrieben wurde, darüber hinaus Schritte zum Verfestigen des Vorformlings, des Schneidens und der materialabtragenden Bearbeitung. Möglicherweise ist eine ergänzende Materialbearbeitung notwendig, um das Werkstück an den speziellen Verwendungsstück anzupassen, beispielsweise an die Verwendung als Bremsscheibe.
Die Vorformlinge der Bremsscheiben werden in vorteilhafter Weise hergestellt durch Nadeln von zweidimensionalen Strukturen, die aus Fäden oder Schnüren aus voroxidiertem Polyacrylonitril (P. A. N.) oder kohlenstoffverstärkten Fasern (Patentanmeldung FR-A-2 669 940) oder Hybridfasern (französische Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 95 06 200) hergestellt sind. Im Stand der Technik werden zweidimensionale Strukturen, beispielsweise Gewebe oder Vliese aus Schnüren oder Fäden gegeneinander genadelt, um eine Matte zu bilden, aus der die ringförmigen Vorformlinge für Bremsscheiben ausgeschnitten werden.
Bei Werkstoffen, die schweren thermomechanischen Beanspruchungen ausgesetzt werden sollen, wie es häufig der Fall bei Bremsscheiben ist, ist es von Bedeutung, die Eigenschaften in der gesamten fertigen Masse konstant zu halten, insbesondere ist es wichtig, Heterogenitäten der mechanischen und reibungstechnischen Eigenschaften zu vermeiden. Folglich ist es wichtig, die Dichte der Nadelung in einer Hülse gleichförmig zu halten, die als Vorformling oder als Ausgangsprodukt für Vorformlinge von Bremsscheiben dienen soll. Wenn eine solche Hülse durch Wickeln auf einen elliptischen Wickeldorn hergestellt wird, macht die Nadelung allerdings Schwierigkeiten.
In einem aus der FR-A-2 584 107 bekannten Verfahren, bei dem eine faserförmige Bahn um einen zylindrischen Wickeldorn gewickelt wird, wird jede Wickelschicht durch eine Wickelbrett genadelt, sobald sie sich auf dem Wickeldorn befindet. Der Wickeldorn wird um seine Achse in Drehung versetzt, wobei die Lage dieser Achse ortsfest ist und das Nadelbrett, welches sich parallel zu einer Mantellinie des Wickeldorns erstreckt, in eine Wechselbewegung parallel zu der Wickeldornachse versetzt wird. Die Amplitude der Verlagerung des Nadelbretts ist konstant. Um eine gleichmäßige Tiefe der Nadelung der Wickellagen während des gesamten Verfahrensablaufs zu garantieren, vergrößert man den mittleren Abstand zwischen dem Nadelbrett und der Wickeldornachse nach Maßgabe der Dickenzunahme der aufgebauten Lagen.
Ein derartiges Verfahren ist nicht direkt bei einem elliptischen Wickeldorn einsetzbar.
Gemäß einem weiteren ihrer Aspekte richtet sich die Erfindung auf Verfahren und Vorrichtungen für die Herstellung von Vorformlingen zur Fertigung von ringförmigen Werkstücken, bei denen eine Bahn aus Fasermaterial auf einen elliptischen Wickeldorn aufgewickelt wird und die übereinander liegenden Lagen in gleichmäßiger Weise genadelt werden.
Erreicht wird dieses Ziel durch ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei denen erfindungsgemäß eine Bahn aus Fasermaterial um einen elliptischen Wickeldorn gewickelt wird und die Wickellagen mittels eines Nadelbretts genadelt werden, während zwischen dem Wickeldorn und der mittleren Position des Nadelbretts eine Verlagerung bewirkt wird, um die Exzentrizität des Wickeldorn-Querschnitts zu kompensieren. Vorzugsweise erfolgt die Verlagerung zwischen dem Nadelbrett und dem Wickeldorn in der Weise, daß das Nadelbrett in Berührung mit den zu nadelnden Lagen in einer Ebene (der Nadelungsebene) tritt, die bezüglich einer mittleren Position des Nadelbretts ortsfest ist.
Die Steuerung des Nadelbretts vereinfacht sich, wenn die Frequenz der Nadelung konstant bleibt, was wiederum die Notwendigkeit mit sich bringt, die relative Geschwindigkeit zwischen dem Nadelbrett und der zu nadelnden Fläche konstant zu halten, um zu einer konstanten Nadelungs- Oberflächendichte zu kommen. Außerdem ist es notwendig, daß zur Zeit der Berührung die Nadelungsfläche des Nadelbretts in einer Tangentialebene bezüglich der zu nadelnden, gegenüberliegenden Fläche liegt, um eine konstante Nadelungs-Oberflächendichte zu erreichen. Das Bewerkstelligen der Verlagerung der Elemente, um diese Bedingungen zu erfüllen, wird erleichtert, wenn man die Geschwindigkeit der Verlagerung des Nadelbretts konstant hält und die Umdrehungsgeschwindigkeit des Wickeldorns und/oder die Geschwindigkeit der Verlagerung von dessen Achse variiert.
In der nachfolgenden Beschreibung werden die Verlagerungen des Nadelbretts und/oder der Wickeldornachse beschrieben. Man wird dann sehen, daß jede Verlagerung des Nadelbretts ersetzt werden kann durch eine geeignete Verlagerung des Wickeldorns oder durch eine Kombination aus Verlagerungen von Nadelbrett und Wickeldorn, und umgekehrt. Wichtig ist die Schaffung einer relativen Bewegung zwischen dem Nadelbrett und der zu nadelnden Fläche, was zu einer gleichmäßigen Nadelung der Wickellagen führt.
Wie auf dem Gebiet der Fertigung genadelter Vorformlinge bekannt ist, vermeidet man auf jeden Fall, daß die Nadeln des Bretts exakt die gleiche Stelle bei jeder Umdrehung des Wickeldorns treffen, da eine solche Vorgehensweise die Bildung von Schwächungszonen in der fertigen Hülse zur Folge haben würde. Die geringfügige Versetzung, die notwendig ist, um dies zu vermeiden, könnte bewirkt werden durch eine Verlagerung des Nadelbretts (oder des Wickeldorns) in Längsrichtung des Wickeldorns (d. h. in einer Richtung parallel zur Drehachse des Wickeldorns).
Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird in einer ersten Ausführungsform der elliptische Wickeldorn um seine Achse in Drehung versetzt, um auf seinem Umfang eine Bahn aus faserförmigem Material aufzuwickeln, und gleichzeitig nähert sich und entfernt sich die Wickeldornachse von der Nadelungsebene in zyklischer Weise auf einer Bahn, die rechtwinkelig zu der Nadelungsebene verläuft. Die Oberflächenkrümmung der äußeren auf den Wickeldorn aufgewickelten Lage egalisiert die Nadelungsebene, wobei die Berührungszone eine Linie darstellt. Die Verlagerung der Wickeldornachse wird geregelt, um die gekrümmte Oberfläche an einer solchen Stelle zu halten, daß die Nadelungsebene in der Höhe der Berührungsebene tangential zu ihr ver läuft. Dies bedingt, daß der Teil der Oberflächenkrümmung, der mit der Nadelungsebene fluchtet, in dieser Ebene mit einer hin- und hergehenden Bewegung gleitet. Das der gekrümmten Oberfläche des Wickeldorns gegenüberliegende Nadelbrett macht eine Annäherung und ein Abrücken der Nadelungsebene, um die äußeren Wickellagen auf dem Wickeldorn zu schlagen und zu durchbohren. Das Nadelbrett verlagert sich außerdem mit einer Hin- und Herbewegung in der Nadelungsebene, um der Bewegung der Berührungslinie der Oberfläche der Wickellagen mit der Nadelungsebene zu folgen. Zur Zeit der Berührung ist die Nadelungsoberfläche des Nadelbretts in einer Richtung tangential bezüglich der gegenüberliegenden, zu nadelnden Fläche orientiert.
Diese erste Ausführungsform läßt sich auch dadurch realisieren, daß man den Ort der Drehachse des Wickeldorns vollkommen ortsfest hält. Die Relativbewegung, die zwischen dem Nadelbrett und dem Wickeldorn notwendig ist, wird ausschließlich durch die Verlagerung des Nadelbretts bewirkt.
In einer zweiten Ausführungsform wird der elliptische Wickeldorn dauernd um seine Achse gedreht, während gleichzeitig die Achse des Wickeldorns sich der Nadelungsebene in zyklischer Weise auf einer zu der Nadelungsebene rechtwinkeligen Bahn annähert oder davon abrückt. In einer zweiten Ausführungsform verlagert sich die Zone oder gekrümmte Fläche der äußeren Wickellage, die mit der Nadelungsebene fluchtet, in dieser Ebene nicht; stattdessen ändert sich die Orientierung der gekrümmten Fläche in Bezug auf die Nadelungsfläche in zyklischer Weise, während sich der Wickeldorn dreht. Auf diese Weise muß das Wickelbrett sich nicht in der Nadelungsebene verlagern. Es reicht aus, wenn die Orientierung der Nadelungsfläche des Nadelbretts in zyklischer Weise oszilliert, damit sie sich in der Tangentialebene an der Außenfläche der Wickellage befindet, wenn es zu einer Berührung zwischen dem Nadelbrett und den zu nadelnden Lagen kommt.
In einer dritten Ausführungsform wird der elliptische Wickeldorn um seine Achse gedreht, und gleichzeitig verlagert sich die Wickeldornachse, um einem Weg zu folgen, der durch zwei Halbellipsen gebildet wird. Diese Verlagerung ist so beschaffen, daß in jedem Moment ein Teil der gekrümmten Oberfläche der äußeren Wickellage sich an einer ortsfesten Stelle innerhalb der Nadelungsebene befindet, wobei letztere tangential zu diesem Bereich der gekrümmten Oberfläche verläuft. Das Nadelbrett schlägt an diese ortsfeste Stelle innerhalb der Nadelungsebene, wobei die Orientierung der Nadelungsfläche unverändert bleibt.
Die erste der drei Ausführungsformen wird deshalb bevorzugt, weil sie relativ einfach zu realisieren ist.
Gemäß diesem Aspekt der Erfindung können Vorformlinge für die Herstellung von ringförmigen Werkstücken gefertigt werden durch Aufwickeln einer Bahn aus faserförmigem Material auf einen elliptischen Wickeldorn bei gleichzeitiger und gleichförmiger Nadelung der Wickellagen, um eine elliptische Hülse aufzubauen, die dazu dient, schief geschnitten zu werden.
Diese zweite Aspekt der Erfindung sieht außerdem ein Verfahren zum Fertigen von ringförmigen Werkstücken aus Verbundmaterial vor, welches den oben beschriebenen Fertigungsprozeß für einen Vorformling ebenso wie die Phasen einer Verdichtung des Vorformlings, das Schneiden und die materialabhebende Bearbeitung beinhaltet.
Die Phase der Verdichtung, die Bestandteil des Herstellungsverfahren für ringförmige Werkstücke gemäß dem ersten und dem zweiten Aspekt der Erfindung ist, kann nach irgendeinem bekannten Verfahren ausgeführt werden. Die Verdichtung kann vor oder nach dem Abziehen der Hülse von dem Wickeldorn eingeleitet werden. Außerdem kann die Hülse vor oder nach der Verdichtung einer oder mehrerer Verdichtungsphasen in ringförmige Teile geschnitten werden. Bevorzugt wird, mindestens die erste Verdichtungsphase vor dem Schneiden der Hülse aus zuführen, da der Zusammenhalt des Materials nach der ersten Verfestigung besser konsolidiert ist.
Eines der bekannten Verdichtungsverfahren ist das klassische Verfahren des isothermen und isobaren chemischen Infiltrierens aus der Dampfphase. Das zu verdichtende Element wird in eine Kammer eingebracht, in die ein Gas eingeleitet wird, welches unter vorbestimmten Temperatur- und Druckbedingungen einen Bestandteil der Matrix durch Zersetzung oder Reaktion zwischen seinen Bestandteilen bildet. Bei diesem klassischen Verfahren enthält die Kammer einen Anker, üblicherweise aus Graphit, der die Infiltrationskammer begrenzt und mit einer die Kammer umgebenen Spule gekoppelt ist. Wenn dieses Verfahren bei der Herstellung von ringförmigen Werkstücken aus einer Hülse angewendet wird, so wird die Hülse üblicherweise vor dem Verdichten geschnitten, damit das Gas leichter und gleichförmig in die inneren Poren der Werkstücke eindringen kann. Dennoch bedingt dies wiederholte Unterbrechungen des Verdichtungsvorgangs, um die Flächen der Werkstücke zu schälen, damit die Porosität wieder vollständig freigelegt wird und das neue Gas eindringen kann.
Bei elliptischen Hülsen besteht die Möglichkeit, die Verdichtung der Hülse zumindest teilweise durch ein Verfahren des chemischen Infiltrierens aus der Dampfphase mit einem Temperaturgradienten durchzuführen, bevor die Hülse geschnitten wird. Bei diesem Verfahren läßt sich das Erwärmen der Hülse durch induktive Kopplung zwischen der Spule und einem Ankerkern erreichen, der durch einen zentralen Kern gebildet wird, um den herum die Hülse angeordnet ist. Auf diese Weise stellt sich ein Temperaturgradient zwischen der mit dem Ankerkern in Berührung stehenden heißesten Innenfläche der Hülse und der Außenfläche ein. Das Verdichten wird demnach in den Bereichen der Hülse begünstigt, die am weitesten von den Außenflächen entfernt sind, und das Risiko der vorzeitigen Verstopfung der Oberflächenporosität durch parasitäre Ablagerungen wird verringert, was die Notwendigkeit fortgesetzter Abschälmaßnahmen beseitigt. Man erkennt, daß die Erwär mung der Hülse auch durch induktive Kopplung direkt zwischen der Spule und der Hülse erfolgen kann, wenn deren Beschaffenheit dies zuläßt (wenn z. B. die Hülse aus Kohlenstoff besteht). Ein Verfahren zum Verdichten durch chemisches Infiltrieren aus der Dampfphase mit Temperaturgradient ist z. B. in der Patentanmeldung FR-A-2 711 647 beschrieben.
Um Materialverluste bei der Fertigung von ringförmigen Werkstücken gemäß dem ersten und dem zweiten Aspekt der Erfindung noch weiter zu reduzieren, ist es möglich, eine Hülse mit elliptischem Querschnitt zu fertigen, die zwei flache Stirnseiten aufweist, welche bezüglich eines rechtwinkeligen Querschnitts der Hülse geneigt sind, d. h. parallelen Flächen bezüglich der Schnittebene für die Hülse.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich durch die Lektüre der nachfolgenden Beschreibung, die als Beispiel dient und nicht beschränkend zu verstehen ist, wobei auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigen:
Fig. 1 (Fig. 1A bis 1D) ein bekanntes Fertigungsverfahren für ringförmige Vorformlinge für ringförmige Werkstücke aus Verbundmaterial, wobei dieses Verfahren von einem zylindrischen Wickeldorn Gebrauch macht;
Fig. 2 (Fig. 2A bis 2D) ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Fertigung von Vorformlingen zur Herstellung von ringförmigen Werkstücken aus Verbundmaterial, wobei dieses Verfahren von einem elliptischen Wickeldorn Gebrauch macht;
Fig. 3 ein Flußdiagramm, welches die typischen Phasen bei der Fertigung eines ringförmigen Werkstücks gemäß den erfindungsgemäßen Verfahren veranschaulicht;
Fig. 4 (Fig. 4A bis 4C) den Vorgang des Schneidens einer elliptischen Hülse gemäß der Erfindung, um ein ringförmiges Element zu erhalten;
Fig. 5 (Fig. 5A bis 5C) ein Beispiel für den Schnitt einer elliptischen Hülse gemäß der Erfindung, um ein ringförmiges Element mit vorbestimmten Abmessungen zu erhalten;
Fig. 6 die Lage des elliptischen Wickeldorns bzw. des Nadelbretts bei einem ersten Verfahren des Wickelns einer Bahn auf einen elliptischen Wickeldorn gemäß der Erfindung;
Fig. 7 ein Schema, welches die Verlagerung des elliptischen Wickeldorns bei einem ersten Wickelverfahren veranschaulicht;
Fig. 8 ein Schema, welches ein zweites Wickelverfahren einer Materialbahn auf einen elliptischen Wickeldorn veranschaulicht;
Fig. 9 die Lage des elliptischen Wickeldorns und des Nadelbretts bei einem dritten Wickelverfahren einer Materialbahn auf einen elliptischen Wickeldorn gemäß der Erfindung;
Fig. 10 ein Schema, welches die Verlagerung des elliptischen Wickeldorns bei einem dritten Wickelverfahren veranschaulicht; und
Fig. 11 eine Seitenansicht eines Beispiels für eine Vorrichtung, die sich zur Realisierung der ersten Ausführungsform des Wickelverfahrens und Nadelungsverfahrens gemäß der Erfindung eignet.
Die Fertigung eines Vorformlings für die Herstellung eines ringförmigen Werkstücks aus Verbundmaterial gemäß den erfindungsgemäßen Ver fahren sowie die Herstellung des Werkstücks selbst umfassen mehrere Phasen, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind.
Eine erste Phase E1 besteht aus dem Aufwickeln einer Bahn aus faserförmigem Material auf einen elliptischen Wickeldorn. Die Bahn aus faserförmigem Material kann aus irgendwelchen bekannten Werkstoffen für die Fertigung von Verbundmaterial-Werkstücken bestehen oder aus einem Gemisch derartiger Werkstoffe. Die Fasern haben eine geeignete Form (Vliese, Bänder, Gewebe etc. aus Schnüren, kontinuierlichen Fäden, Garnen etc.). Das Grundmaterial der Fasern hängt von dem beabsichtigten Einsatzzweck ab. Für Bremsscheiben verwendet man vorzugsweise Kohlenstoffasern, jedoch können sich auch andere Werkstoffe eignen, insbesondere keramische Werkstoffe.
Die Wickellagen werden gleichzeitig mit ihrem Aufbringen auf den Wickeldorn genadelt (Phase E1'). Wie bereits oben beschrieben, sind mehrere Verfahren möglich, um zu garantieren, daß die Dichte der Nadelung gleichförmig ist. Wenn die Packung der Wickellagen auf dem Wickeldorn eine Solldicke erreicht hat, wird der Wickelvorgang angehalten.
Vorzugsweise wird die so hergestellte elliptische Hülse anschließend verdichtet, um die interne Porosität der Hülse auszufüllen (Phase E2), beispielsweise mittels chemischer Infiltration aus der Dampfphase, um dann schräg geschnitten zu werden, damit die Ringe erhalten werden (Phase E3). Die elliptische Hülse stellt damit den zu verdichtenden Vorformling dar.
Es ist aber auch möglich, die Hülse zu schneiden, bevor die Verdichtung eingeleitet wird; in diesem Fall bilden die geschnittenen faserigen Ringe die zu verdichtenden Vorformlinge. Eine solche Vorgehensweise ist nur dann möglich, wenn die elliptische Hülse eine ausreichende Festigkeit besitzt, um von dem Wickeldorn abgezogen werden zu können. Meistens reicht eine Nadelung der Wickellagen aus, um zu einer Hülse zu gelan gen, die die erforderliche Festigkeit besitzt. Es besteht auch die Möglichkeit, daß die Hülse mit aus mit Harz vorimprägniertem faserförmigem Werkstoff bestehenden Lagen hergestellt wird, wobei diese Hülse dann vor dem Abziehen vom Wickeldorn behandelt wird, um die aufgerollten Lagen durch Polymerisation des Harzes zu verfestigen.
Wenn die elliptische Hülse keine ausreichende Festigkeit besitzt, um von dem Wickeldorn am Ende des Wickelvorgangs abgezogen werden zu können, kann die Phase der Verdichtung von dem Augenblick an eingeleitet und fortgesetzt werden, zu dem die Hülse ausreichend verfestigt ist (Phase E2'). Zu diesem Zeitpunkt kann der Wickeldorn abgezogen und die Hülse zu Ringen geschnitten werden (Phase E3'). Die so hergestellten vorverdichteten Elemente können dann nach der Bearbeitung zu der Verdichtungsstation zurückgebracht werden, um den Verdichtungsvorgang zu beenden (Phase E2").
Macht man Gebrauch von dem bereits beschriebenen klassischen isothermen Verfahren des chemischen Infiltrierens aus der Dampfphase, so ist die Homogenität der Matrix in den verdichteten Werkstücken dann besser, wenn die Hülse vor der Verdichtung oder später im Zuge des Verdichtungsverfahrens abgezogen und zu Vorformlingen geschnitten wird. Im Gegensatz dazu kann man die Hülse bis zum Ende des Verdichtungsvorgangs ungeschnitten belassen, wenn man von dem oben erwähnten Verfahren mit Temperaturgradient Gebrauch macht, und man erhält dann eine gleichförmige Verdichtung des Vorformlings bei verringertem Materialverschnitt, weil es dann keine Abschälungen gibt.
Die von der elliptischen Hülse geschnittenen Ringe haben keine perfekte Kreisform. Außerdem muß man die Ringe deshalb materialabhebend bearbeiten, damit sie die exakte Ringform erhalten (Phase E4).
Es sind ein oder mehrere zusätzliche Phasen erforderlich, um das ringförmige Werkstück herzustellen, so z. B. eine Bremsscheibe herzustel len, wenn man von dem oben beschriebenen ringförmigen Element ausgeht. Beispielsweise muß das Werkstück einer Endbearbeitung unterzogen werden, damit es die für sie vorbestimmte Arbeitsform erhält (Phase Es). Für den Fall, daß die Werkstücke als Bremsscheiben dienen sollen, dient eine solche Endbearbeitung dazu, in dem Innen- oder Außenumfang der Werkstücke Nuten auszubilden.
Eine oder mehrere der oben angegebenen Phasen lassen sich unter Einsatz eines oder mehrere Roboter realisieren. Der Einsatz von robotischen Arbeitsmitteln ist insbesondere für die Phase der Fertigung der elliptischen Hülse dann in Betracht zu ziehen, wenn gleichzeitiges Wickeln und Nadeln erfolgt. Man beachte außerdem, daß der Wickeldorn mit einer Schutzschicht ausgestattet sein kann, beispielsweise mit einem Filz, in den die Nadeln eindringen können, ohne daß sie bei dem Nadeln der ersten Lagen beschädigt werden, wie dies in der bereits erwähnten FR-A-2 584 107 beschrieben ist.
Bevor eine Vorrichtung beschrieben wird, die sich zur Realisierung der erfindungsgemäßen Verfahren eignet, werden zunächst in größerer Einzelheit der Schneidvorgang der elliptischen Hülse und die gleichzeitigen Phasen des Wickelns und des Nadelns beschrieben.
Der Vorgang des Schneidens der Hülse wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 erläutert.
Die Fig. 4A und 4B zeigen eine elliptische Hülse 2 mit einem mittleren Loch 3 (entsprechend dem zum Wickeln verwendeten elliptischen Wickeldorn). Fig. 4A zeigt eine stirnseitige Ansicht, Fig. 4B zeigt eine Seitenansicht. Bei diesem Beispiel beschreibt die Schnittebene einen Winkel von 30º bezüglich eines rechtwinkeligen Schnitts der Hülse. Die Linien AD und BC geben zwei Schnittebenen an, die einen Ring 4 begrenzen.
Der Schnitt der elliptischen Hülse 2 beruht auf dem Umstand, daß die Projektion einer Ellipse in eine Ebene durch die Hauptachse der Ellipse, welche bezüglich der Ellipsen-Ebene einen Winkel a einnimmt, einem Kreis mit einem Durchmesser entspricht, der der Hauptachse der Ellipse gleicht. Die Beziehung zwischen dem Winkel α und den Abmessungen der Ellipse sind durch folgende Formel gegeben:
cosα = b/a
wobei
2a = die Hauptachse der Ellipse, und
2b = die Nebenachse der Ellipse.
Wenn man Materiallagen auf einen elliptischen Wickeldorn wickelt, unterscheidet sich das Verhältnis b/a der durch die Außenlage definierten Ellipse von demjenigen der durch den Wickeldorn definierten Ellipse (vgl. Fig. 4A). In einer bezüglich einer senkrecht zur Wickeldornachse verlaufenden Schnittebene kann man also sicherlich eine Kreisform auf der Höhe des Innenumfangs der Hülse finden, allerdings erhält man eine elliptische Form in der Höhe des Außenumfangs der Hülse. D. h., daß die Exzentrizität des aus der elliptischen Hülse geschnittenen Rings über die Breite des Rings betrachtet nicht konstant ist. Vorzugsweise wählt man einen Schnittwinkel α, der zu einer Kreisform in dieser Ebene entweder auf der Höhe des Innenumfangs des geschnittenen Rings (auf der Höhe des Wickeldorns) oder auf der Höhe des Außenumfangs des geschnittenen Rings (auf der Höhe der Außenhülle der Hülse) liegt, oder in einem Zwischenabstand zwischen Innen- und Außenumfang, und man bearbeitet materialabhebend den Außenumfang und/oder den Innenumfang des Rings, um zu der Kreisform zu gelangen.
Obschon die Stirnflächen jedes Rings entsprechend den Schnittebenen parallel sind, gibt es zwischen ihnen eine Verschiebung x. Daraus ergibt sich, daß die Oberflächenkrümmungen der Umfänge des Rings (innen und außen) nicht senkrecht zu den Seiten verlaufen, die den Schnitt ebenen entsprechen (siehe Fig. 4C). Dies ist ein zusätzlicher Grund dafür, daß der geschnittene Ring materialabhebend bearbeitet werden muß, um ihm eine exakte Ringform zu verleihen.
Fig. 4C zeigt einen Ring 4, der unter einem Schnittwinkel geschnitten ist, der zu einer Kreisform in der Ebene auf halber Strecke zwischen dem Innen- und Außenumfang des Rings führt, d. h. in der Breiten- Mitte des Rings. Die schraffierten Bereiche in der Figur entsprechen den Bereichen des Rings, die abgetragen werden müssen, um ein Element herzustellen, welches die richtige Ringform besitzt.
Wie oben ausgeführt, bestimmt sich im Fall eines ringförmigen Vorformlings, der ringförmige Werkstücke liefern soll, die möglicherweise Scherkräften in tangentialer Richtung ausgesetzt werden, die Wahl des Schnittwinkels im Hinblick auf die Optimierung des Verhältnisses von Materialverschnitt zu der gewünschten Widerstandsfähigkeit gegenüber Abblätterung der ringförmigen Werkstücke. Im Hinblick darauf ist ein Schnittwinkel zwischen 10º und 45º bevorzugt, und ein Winkel zwischen 10º und 30º erweist sich als sehr vorteilhaft im Hinblick auf die Verringerung des Materialverschnitts. Nachdem dieser Schnittwinkel gewählt ist, kann man mit größerem Spielraum die Exzentrizität des Wickeldorns so auswählen, daß eine Kreisform in der Schnittebene erhalten wird.
Bei der Auswahl der Abmessungen des elliptischen Wickeldorns und der Dicke der durch das Wickeln erhaltenen Hülse zwecks Fertigung von Vorformlingen mit definierten Innen- und Außenabmessungen muß man den Effekt des Materialabtrags bei der Bearbeitung auf die Innen- und Außenabmessungen der geschnittenen Ringe berücksichtigen. In Fig. 5 ist ein Beispiel des Schnitts dargestellt.
Fig. 5A zeigt die Form des geschnittenen Rings 4 in irgendeiner der Schnittebenenen AD oder BC in Fig. 4 (die Form ist über die Dicke des Rings die gleiche). Ein Bereich in der Breiten-Mitte des geschnittenen Rings hat die Form eines Kreises (nämlich des Kreise Cr in Fig. 5). Außen- und Innenumfang des Rings sind elliptisch in der Weise, daß eine materialabtragende Bearbeitung der Ring-Umfänge erforderlich ist, um zu einer Kreisform zu gelangen (entsprechend dem Außenkreis Ce und dem Innenkreis ci in der Figur).
Fig. 5B und FC zeigen schematisch die Versetzung zwischen den Innenkreisen (ciAD, ciBC) und den Außenkreisen (ceAD, CcBC), die in den Ebenen AD und BC der Fig. 4B definiert sind. Tatsächlich gibt es diese Verschiebung zwischen den Stirnflächen auf der Vorder- und Rückseite des Rings 4. Die Relationen zwischen den Abmessungen der elliptischen Hülse und dem Schnittwinkel einerseits und den Abmessungen des ringförmigen Elements nach der Bearbeitung des Rings 12 (Entfernung der schraffierten Bereiche in Fig. 5A) andererseits ergeben sich unmittelbar aus der Fig. 5. Wenn 2a&sub1; und 2b&sub1; die Abmessungen der Haupt- und Nebenachse der Ellipse sind, die durch den Innenumfang definiert werden, so sind 2a&sub2; und 2b&sub2; die Abmessungen der Haupt- und Nebenachse der Ellipse, die durch den Außenumfang der Hülse in der Ebene senkrecht zu ihr definiert sind, α ist der Schnittwinkel in Bezug auf die zu der Hülsenachse senkrechte Ebene, d und D sind Innen- bzw. Außendurchmesser des zu bildenden ringförmigen Vorformlings, und e ist dessen Dicke. Mit diesen Größen erhält man:
d ≥ 2a&sub1; + x
≥ 2a&sub1; + e tanα
und
D ≤ 2a&sub2; - x
≤ 2a&sub2; - e tanα.
Wenn die gewünschten Abmessungen des ringförmigen Vorformlings d = 250 mm, D = 450 mm und e = 25 mm betragen und der Schnitt winkel 30º beträgt, muß der elliptische Wickeldorn eine Hauptachse 2a&sub1; von 225 mm maximal aufweisen, wobei die durch das Äußere der Hülse definierte Ellipse eine Hauptachse 2a&sub2; von mindestens 475 mm aufweisen muß. Im Hinblick auf den Umstand, daß die Beziehung cos a = b/a für die Breiten-Mitte der Hülse gilt, erhält man unter Verwendung der Werte 2a&sub1; = 225 mm und 2a&sub2; = 475 mm:
cos 45º = (1/2) (b&sub1; + b&sub2;) / (1/2) (a, + a)
0,707 = (1/2) (b&sub1; + b&sub2;) / 175
b&sub1; + b&sub2; = 247,5
Wegen
2b&sub2; - 2b&sub1; = 2a&sub2; - 2a&sub1; = 2 · die Dicke der Wickellagen (2 · f) ist die Nebenachse 2b&sub1; des Wickeldorns gleich 122,5 mm, und die Nebenachse 2b&sub2; der durch den Außenmantel der Hülse definierten Ellipse beträgt 372,5 mm.
Eine Folge des oben beschriebenen Schneidverfahrens besteht darin, daß die äußeren Enden der elliptischen Hülse nicht brauchbar sind. In dem in Fig. 5 dargestellten Beispiel können aus einer Hülse mit einer Länge von 1,5 m bei einem Verschnitt von etwa 350 mm an den Enden der Hülse 30 Werkstücke erhalten werden. Offensichtlich sind die Verschnitte prozentual weniger bedeutend, wenn man eine Hülse mit einer beträchtlichen Länge verwendet.
Die vorliegende Erfindung kann auch in der Weise ausgeführt werden, daß die Materialverluste noch weiter reduziert werden, indem man eine Hülse elliptischen Querschnitts verwendet, deren beide Stirnseiten bezüglich eines rechtwinkeligen Schnitts der Hülse geneigt sind, d. h. deren Stirnseiten parallel zur Schnittebene verlaufen, die für die Hülse vorgesehen ist. Auf diese Weise kann man Werkstücke über die gesamte Länge der Hülse schneiden, ohne daß die Endstücke des Materials ungenutzt bleiben. Eine Hülse mit einer derartigen Form läßt sich realisieren, indem man den Wickeldorn in seiner Achsenrichtung einhergehend mit der Hin- und Herbewegung während des Wickelvorgangs verlagert. Eine solche Hülse kann man auch dadurch erhalten, daß man den das zu wickelnde faserförmige Material aufnehmenden Vorratswickel in der Längsrichtung des Wickeldorns abgestimmt auf die Hin- und Herbewegung während des Wickelvorgangs verlagert. Soweit man einen genügend kleinen Schnittwinkel für die Hülse verwendet, erzeugt dieses Verfahren keine besonderen Störungen durch die Verformung des Vlieses oder den Faserwinkel bezüglich der Reibungsflächen der aus der Hülse geschnittenen Werkstücke.
Im folgenden wird die Phase des Wickelvorgangs beschrieben. Diese Phase muß dann, wenn gleichzeitig eine Nadelung durchgeführt wird, so angepaßt werden, daß die Gleichförmigkeit der Nadelungsdichte gewährleistet wird. Diese Anpassung bedeutet einen zyklischen Relativversatz zwischen dem Nadelbrett und dem Wickeldorn, um die Exzentrizität des Querschnitts des Wickeldorns auszugleichen.
Fig. 6 zeigt eine erste Ausführungsform eines Wickelverfahrens mit gleichzeitiger Nadelung der Wickellagen. Bei dieser Ausführungsform wird ein elliptischer Wickeldorn 10 um seine Achse S in Drehung versetzt, um auf seinem Umfang eine Bahn aus faserförmigem Material 1 aufzurollen. Gleichzeitig nähert sich und entfernt sich die Wickeldornachse S in der Nadelungsebene T in zyklischer Weise auf einer geradlinigen Bahn A senkrecht zu der Ebene T. Die Oberflächenkrümmung der äußeren Wickellage auf dem Wickeldorn geht glatt in die Nadelungsebene T über, wobei die Berührungszone eine Linie M ist. Ein Nadelbrett 5, welches der Außenfläche der Wickellage gegenübersteht, wird zu einer Wechselbewegung senkrecht zu der Nadelungsebene T veranlaßt, um die äußeren Wickellagen auf dem Wickeldorn zu schlagen und zu nadeln.
Die Verlagerung des Wickeldorns, während dieser eine halbe Umdrehung um seine Achse beschreibt, ist für diese Ausführungsform in der Fig. 7 dargestellt. Die Ellipse Γ in der Figur repräsentiert die äußeren Wickellagen auf dem Wickeldorn 10. Die Grenzen der Verlagerung der Achse S des Wickeldorns auf der Linie A sind die Positionen A und B, wobei die Achse S dann auf der Grenze A liegt, wenn die Hauptachse der Ellipse r senkrecht zu der Nadelungsebene T (Position 1 und 5 in Fig. 7) verläuft, während die Achse S sich an der Grenze B befindet, wenn die Nebenachse der Ellipse r senkrecht zu der Nadelungsebene T verläuft (Position 3 in Fig. 7). Als Folge der Versetzung der Wickeldornachse wird die Berührungslinie M zwischen der Oberflächenkrümmung der äußeren Wickellage auf dem Wickeldorn und der Nadelungsebene T in dieser Ebene in eine Hin- und Herbewegung zwischen den beiden Grenzen Me versetzt (Positionen 2 und 4 in Fig. 7).
Das Nadelbrett 5 verlagert sich ebenfalls mit einer Hin- und Herbewegung, um der Bewegung der Berührungslinie M innerhalb der Nadelungsebene T zu folgen.
Um eine gleichmäßige Oberflächendichte der Nadelung zu erreichen, während die Frequenz des Schlagens des Nadelbretts konstant ist, muß die relative Tangentialgeschwindigkeit zwischen dem Nadelbrett und der äußeren Wickellage auf dem Wickeldorn konstant sein. Die Verlagerungsgeschwindigkeit (vT) der Berührungslinie M in der Nadelungsebene T läßt sich konstant machen durch eine Synchronisation der Verlagerungsgeschwindigkeit der Wickeldornachse zwischen den Positionen A und B einerseits und der Drehgeschwindigkeit des Wickeldorns um seine Drehachse andererseits.
Bei einer Ellipse Γ mit einer Hauptachse 2a&sub2; und einer Nebenachse 2b&sub2; beträgt der Abstand zwischen den äußeren Grenzen Me dann 2(a&sub2; - b&sub2;). Wenn die Ellipse der rechte Querschnitt eines Zylinders mit der Achse CC' (C ist die Mitte der Ellipse ) ist, so wird bevorzugt die Achse CC' gemäß der oben beschriebenen Translationsbewegung versetzt. Wenn in einem derartigen Fall der Wickeldorn eine Geschwindigkeit ω(t) aufweist, so daß die Geschwindigkeit vT konstant ist, kann man auf dem Wickeldorn ein mehrachsiges Vlies oder ein Gewebe mit einer konstanten Tangentialgeschwindigkeit aufwickeln.
Die Erfindung sieht eine Variante dieser ersten Ausführungsform eines Wickelverfahrens gleichzeitiger Nadelung der Wickellagen vor, bei der der Ort der Drehachse des Wickeldorns ortsfest gehalten wird. Die Relativbewegung, die zwischen dem Nadelbrett und dem Wickeldorn notwendig ist, wird allein durch die Verlagerung des Nadelbretts hervorgerufen. In diesem Fall erfolgt das Nadeln nicht mehr nur in einer einzigen Ebene, sondern in einer Serie von zueinander parallelen Ebenen. Um eine konstante Relativgeschwindigkeit zum Zeitpunkt der Berührung zu erhalten, ist es bevorzugt, wenn die Verlagerungsgeschwindigkeit des Nadelbretts konstant gehalten wird und die Drehgeschwindigkeit des Mitteldorns variiert.
Außerdem muß bei jeder Drehung des Wickeldorns dieser von der mittleren Position des Nadelbretts in der Weise entfernt werden, daß der Dickenzunahme des Vorformlings im Zuge der Nadelung Rechnung getragen wird, wobei die konstante Tiefe der Nadelung berücksichtigt wird, da der Verlauf der Nadelung konstant bleibt und beispielsweise der Dicke einiger Lagen entspricht. Es ist ersichtlich, daß dieses Abrücken in der Weise vorgenommen werden kann, daß der Wickeldorn und/oder das Nadelbrett verlagert werden. Nach dem Aufwickeln der letzten Lage können mehrere Abschluß-Nadeldurchgänge ausgeführt werden, um in den am Außenumfang gelegenen Lagen eine konstante Nadelungsdichte zu erreichen, wie dies in der bereits erwähnten FR-A- 2 584 107 beschrieben ist.
Fig. 8 zeigt eine zweite Ausführungsform, bei der ein elliptischer Wickeldorn 10 auch hier um seine Achse S in Drehung versetzt wird, während die Achse des Wickeldorns sich bezüglich der Nadelungsebene T zyklisch zwischen zwei Extremwerten A und B auf einer geradlinigen Bahn A annähert und entfernt. Diesmal ist die Bewegung der Wickeldornachse so beschaffen, daß die Oberflächenkrümmung der äußeren Wickellagen auf dem Wickeldorn eine Tangente an die Nadelungsebene T oder den einer festen Linie M folgenden Schnitt bildet. Das Nadelbrett 5 gelangt in Berührung mit den zu nadelnden Lagen in eine diese Linie M enthaltenden Zone. Auf diese Weise muß das Nadelbrett 5 nicht in der Nadelungsebene verlagert werden. Stattdessen besitzt das Nadelbrett einen verstellbaren Kopf, der zyklisch in der Weise oszilliert, daß seine Orientierung angepaßt ist an die Richtung senkrecht auf der Oberflächenkrümmung der zu nadelnden Lagen im Bereich der Linie M. Die Orientierung φ der Nadelungsoberfläche des Nadelbretts in Bezug auf die Ebene T ändert sich zwischen zwei Extremwerten φe, wobei:
φe = arc tg (a&sub2; - b&sub2;) / (a&sub2;b&sub2;)].
2a&sub2; = Hauptachse der durch die äußere Wickellage definierten Ellipse
2b&sub2; = Nebenachse der durch die äußere Wickellage definierten Ellipse.
Diese zweite Ausführungsform macht es möglich, eine konstante Oberflächendichte der Nadelung durch geeignete Steuerung der Drehgeschwindigkeit des Wickeldorns, der Verlagerungsgeschwindigkeit der Wickeldornachse in der Richtung A und der Schwingungsgeschwindigkeit der Orientierung des Nadelbretts zu erreichen.
Fig. 9 und 10 veranschaulichen eine dritte Ausführungsform, bei der der elliptische Wickeldorn dauernd um seine Achse gedreht wird und gleichzeitig die Wickeldornachse so verlagert wird, daß sie einer Wegbahn Q folgt, die durch zwei halbe Ellipsen gebildet wird (siehe Fig. 9). Als Folge der Bewegung des Wickeldorns bleibt die äußere Oberflächenkrümmung der Wickellagen eine Tangente an der Nadelungsebene entlang einer ortsfesten Linie M. Dies macht es möglich, daß das Nadelbrett auf eine ortsfeste Zone in der Nadelungsebene schlägt und die Orientierung in Bezug auf diese Ebene fest bleibt. Diese Lösung ist mechanisch komplizierter zu realisieren als die zwei vorausgehenden Lösungen (siehe Fig. 10), die die Verlagerung der durch die äußere Wickellage definierten Ellipse zeigt, während der Wickeldorn eine halbe Drehung um seine Achse ausführt. Dennoch wird die Realisierung erleichtert, wenn man Roboter-Vorrichtungen einsetzt, um die Verlagerung des Wickeldorns zu steuern.
Fig. 11 zeigt eine Vorrichtung zur Ausführung des Wickel- und Nadelungsverfahren gemäß der ersten oben beschriebenen Ausführungsform, und zwar in einer Variante, bei der die Wickeldornachse sich nicht verlagert, sondern das Nadelbrett versetzt wird, um einer elliptischen Bahn zu folgen. In diesem Fall findet die Berührung zwischen dem Nadelbrett und den äußeren Wickellagen in mehreren zueinander parallelen Ebenen statt, wobei das Wickelbrett tangential bezüglich der zu nadelnden Oberfläche im Zeitpunkt der Berührung verläuft.
Die in Fig. 11 gezeigte Vorrichtung enthält eine Wickeldornstation 100, eine Nadelungsstation 500 und eine Abwickelstation 600, die sämtlich auf einer Arbeitsebene angeordnet sind, die in ein Bett 300 eingelassen ist.
Die Abwickelstation 600 trägt eine Rolle 6 einer Bahn 1 aus faserförmigem Material, die auf einen zentralen Kern aufgewickelt ist. Ein Getriebemotor 3 steuert die Drehung des mittleren Kerns der Rolle 6, um die Bahn 1 abzuwickeln uns sie der Wickeldornstation 100 zuzuleiten. Zu Beginn des Abwickelns wird die Bahn 1 von Hand so weit um den Wickeldorn geführt, bis sie eine vollständige Umschlingung gebildet hat und das freie Ende der Bahn mit dem Anfang der zweiten Lage übereinstimmt. Eine Randführungszelle 8 gewährleistet die korrekte Positionierung der Bahn in Bezug auf die Wickeldornstation bei der anschließenden Wicklung. Eine Meßzelle 9 für den Durchmesser der Rolle 6 ist unterhalb der Rolle angeordnet, um zu messen, wieviel von dem Durchmesser der Rolle während des Wickelvorgangs abgewickelt wird. Die Durchmesser-Meßzelle 9 erfaßt den Durchmesser der Rolle 6 kontinuierlich oder periodisch, beispielsweise mit Hilfe optischer Mittel.
Das von der Durchmesser-Meßzelle 9 erzeugte Signal ermöglicht das Steuern einer Vergrößerung des Abstands zwischen dem Wickeldorn 100 und der Nadelungsstation 500 nach Maßgabe der Dickenzunahme der auf den Wickeldorn aufgewickelten Lagen.
In der Wickeldornstation 100 ist ein elliptischer Wickeldorn 10 geringer Exzentrizität auf einer von einem Gestell 12 gelagerten Mittelachse montiert. Das Gestell 12 befindet sich auf der Arbeitsebene 200 und wird von einer Zentralführung 13, die sich unterhalb der Arbeitsebene 200 erstreckt, in der Weise geführt, daß es im Sinne einer Entfernung der Nadelungsstation 500 nach Maßgabe des Signals versetzt wird, welches von der Durchmesser-Meßzelle 9 der Abwickelstation 600 erzeugt wird. Ein Getriebemotor 14 steuert die Drehung der Mittelachse und mithin des Wickeldorns 10. Bei dieser Ausführungsform dient der Getriebemotor 14 zum Variieren der Drehgeschwindigkeit des Wickeldorns 10, um die relative Tangentialgeschwindigkeit zwischen der zu nadelnden Oberfläche und dem Nadelbrett konstant zu halten.
Die Ausgestaltung der Mittelachse an dem Gestell ist so, daß die Mittelachse und mithin der Wickeldorn sich in Längsrichtung verlagern können, d. h. in der Axialrichtung des Wickeldorns 10, wobei eine solche zyklische Verlagerung dazu dient, die Schlagstelle des Nadelbretts etwas zu versetzen, um zu verhindern, daß die Nadelung stets in den gleichen Radialebenen stattfindet. Eine Andrückwalze 16 wird gegen die äußere Wickellage auf den Wickeldorn 10 gedrückt, um die Wickellagen zu halten. In Fig. 11 bezeichnet ein Pfeil A den von der Andrückwalze 16 durchlaufenen Weg während des Wickelvorgangs.
Die Nadelungsstation 500 trägt ein Nadelbrett 5, welches sich über die Breite der zu nadelnden Bahn 1 aus faserförmigem Material erstreckt und von einem ersten freien Ende eines ausfahrbaren Arms 20 geführt wird. Der ausfahrbare Arm ist mit seinem anderen Ende an einem Gehäuse 22 gelagert. Der Arm 20 bildet an seinem ersten Ende einen Andrückfuß, der im Zuge der Nadelung mit Hilfe einer sich an dem Gehäuse 22 abstützenden Spindel 23 gegen die Oberfläche der Hülse gelegt wird. Das Nadelbrett wird so geführt, daß es in einer Querrichtung, d. h. in horizontaler Richtung in Fig. 11 schlägt. Die alternierende Schlagbewegung des Nadelbretts wird erzeugt durch eine exzentrische Mitnehmereinrichtung 29, die sich in dem Gehäuse 22 befindet. Bei dieser Ausführungsform wird die Schlagfrequenz des Nadelbretts 5 konstant gehalten. Die Nadelungsstation 500 enthält außerdem eine Saugvorrichtung 24, die dazu dient, Faserstücke abzusaugen, die sich möglicherweise während des Nadelungsvorgangs von der Faserbahn lösen.
Das Gehäuse 22 ruht auf einem Schlitten 25, der entlang einer Spindel 13 angeordnet und verlagerbar geführt ist, um sich in Bezug auf die Wickeldornstation 100 unter Steuerung durch einen Getriebemotor 26 zu entfernen und anzunähern. Ein weiterer Getriebemotor 28 steuert die Vertikal-Verlagerung des Gehäuses 22. Die Getriebemotoren 26 und 28 werden so gesteuert, daß sie eine periodische elliptische Versetzung des Nadelbretts gemäß der Variante der ersten Ausführungsform des oben beschriebenen Wickel- und Nadelungsverfahrens hervorrufen. Der Getriebemotor 26 wird außerdem in der Weise gesteuert, daß er eine konstante Nadelungstiefe nach Maßgabe der Hülsendicke beibehält.
Die oben beschreibenen Verfahren und Vorrichtungen ermöglichen die Fertigung von Vorformlingen für ringförmige Werkstücke, die für verschiedene Anwendungen vorgesehen sind. Die Werkstücke von besonderem Interesse sind Bremsscheiben. Die oben beschriebenen Fertigungsverfahren für Vorformlinge wie auch die Auswahl der Faserwerkstoffe können an die Besonderheiten der fraglichen Werkstücke angepaßt werden. Im Fall von Vorformlingen für Bremsscheiben kann die Auswahl der Orientierung der Fasern bei dem Wickelvorgang in Relation zu den Reibungsflächen zu einer Optimierung der Vorformlinge beitragen.
Wenn man z. B. im Rahmen der oben beschriebenen Wickel- und Nadelungsverfahren bidirektionale (0º und 90º) Strukturen (Gewebe oder Vliese) in der Weise wickelt, daß eine Richtung parallel zu der Vorschubrichtung des Vlieses unter dem zu nadelnden Kopf verläuft, und man die Ringe unter einem Schnittwinkel von 45º schneidet, so kann man Bremsscheiben erhalten, bei denen die Fasern bezüglich der Reibungsflächen unter einem Winkel von 45º geneigt sind. Bei Bremsscheiben, die aus gemäß solchen Verfahren hergestellten Vorformlingen gefertigt sind, verlaufen die Scherkräfte im Betriebseinsatz nicht mehr in einer Zwischenschicht-Richtung.
Ebenso kann man durch Wickeln von Geweben oder Vliesen mit mehraxialen Kohlenstoffasern (2 oder 3 Richtungen), wobei zwei Faserrichtungen festliegen, einen Angriffswinkel der Fasern in Bezug auf die Reibungsflächen der fraglichen Bremsscheibe wählen. Außerdem können die Fasern einer der Richtungen durch kontinuierliche Kohlenstoffilamente gebildet werden, wobei die Verbindung aufgrund der Nadelung durch geflockte Fasern, beispielsweise gemäß der FR-A-2 669 940, gewährleistet wird, die in der anderen Richtung verlaufen (wobei die Nadel in geeigneter Weise orientiert sind).

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Vorformlingen für die Fertigung von ringförmigen Werkstücken aus Verbundmaterial, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Bereitstellen eines Wickeldorns (10) elliptischen Querschnitts, und Wickeln einer Bahn (1) aus fasrigem Material auf den Wickeldorn (10) zu übereinanderliegenden Lagen, um einen Vorformling in Form einer elliptischen Hülse (2) herzustellen, derart, daß durch Schneiden in zu der Hülsenachse nicht rechtwinkligen Ebenen ringförmige Werkstücke (4) erhalten werden können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die übereinanderliegenden Lagen unter sich durch Nadelung verbunden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede neue Lage gleichzeitig mit ihrem Aufwickeln mit Hilfe eines Nadelbretts (5), welches sich über die Breite der Bahn (1) erstreckt, genadelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf des Wickelns und des Nadelns die Bewegungen des Nadelbretts (5) und des Wickeldorns (10) so sind, daß im Zeitpunkt der Berührung zwischen ihnen die Nadelfläche des Nadelbretts sich in einer Tangentialebene des gegenüberliegenden Teils der zu nadelnden Wickellage befindet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf des Wickelns und des Nadelns die Bewegungen des Wickeldorns (10) und des Nadelbretts (S) so sind, daß ein Teil der äußeren Wickellage zu jedem Zeitpunkt eine Tangente an eine Nadelebene (C) entlang einer Berührungslinie bildet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf des Wickelns und des Nadelns die Bewegungen des Wickeldorns (10) und des Nadelbretts so sind, daß die Stelle der Berührungslinie (M) innerhalb der Nadelungsebene (C) sich in einer hin- und hergehenden Bewegung verlagert.

7. Verfahren nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf des Wickelns und des Nadelns die Stelle der Berührungslinie (M) in der Nadelungsebene (T) ortsfest bleibt, und sich die Achse (S) des Wickeldorns zyklisch auf einem Weg (U) verlagert, der zwei Halbellipsen entspricht.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf des Wickelns und des Nadelns die Bewegung des Wickeldorns so ist, daß ein Teil der äußeren Wickellage sich in jedem Moment in einer fixen Nadelungsposition (M) befindet und die Nadelungsfläche des Nadelbretts (5) ihre Orientierung so ändert, daß sie als Tangente an dem gegenüberliegenden Teil der zu nadelnden Lage verbleibt.

9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf des Wickelns und des Nadelns der Wickeldorn (10) sich um seine Achse dreht und gleichzeitig die Achse (S) des Wickeldorns sich in einer hin- und hergehenden Bewegung verlagert, um sich bezüglich der Ebene oder der Stelle der Nadelung anzunähern oder zu entfernen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf des Wickelns und des Nadelns das Nadelbrett (5) mit einer konstanten Frequenz schlägt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf des Wickelns und des Nadelns der mittlere Abstand zwischen dem Wickeldorn (10) und dem Nadelbrett (5) sich nach Maßgabe der Dickenzunahme des aufgewickelten Lagenwickels erhöht.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Wickeldorns (10) zueinander parallele Stirnflächen bilden, die bezüglich einem rechtwinkligen Querschnitt der Hülse geneigt sind, und daß es im Verlauf des Wickelns und des Nadelns eine Relativverlagerung zwischen dem Wickeldorn (10) und der im Aufwickeln begriffenen Materialbahn (1) gibt, wobei diese relative Verlagerung einhergeht mit einer Hin-und Herbewegung in Längsrichtung des Wickeldorns.

13. Verfahren zum Herstellen eines ringförmigen Werkstücks aus Verbundmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß es die Herstellung eines Vorformlings (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche beinhaltet, außerdem das Schneiden der elliptischen Hülse zu Ringen gemäß Ebenen, die zu der Hülsenachse nicht rechtwinklig verlaufen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnittwinkel (α) der Hülse so gewählt ist, daß die geschnittenen Ringe (4) an ihrem Innenumfang oder ihrem Außenumfang, oder an einem vorbestimmten Ort zwischen Innen- und Außenumfang einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnittwinkel (α) der Hülse so gewählt ist, daß die geschnittenen Ringe (4) auf halber Breite kreisförmig sind.

16. Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneiden der Hülse (2) erfolgt, nachdem zumindest eine Verdichtungsphase der Hülse stattgefunden hat.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung der Hülse (2) durch chemisches Infiltrieren aus der Dampfphase mit einem Temperaturgradienten durchgeführt wird.

18. Verfahren zum Herstellen einer Bremsscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß es die Fertigung eines ringförmigen Werkstücks (4) nach einem der Ansprüche 13 bis 17 beinhaltet, außerdem die materialabtragende Bearbeitung von Innen- und/oder Außenumfang des ringförmigen Werkstücks.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf des Wickelns eine Bahn (1) aus faserförmigem Material mit bidirektionaler Struktur auf den Wickeldorn (10) aufgewickelt wird, wobei eine der Richtungen mit der Vorschubrichtung auf dem Wickeldorn ausgerichtet ist.

20. Vorrichtung zum Herstellen von Vorformlingen für die Fertigung von ringförmigen Werkstücken aus Verbundmaterial, gekennzeichnet durch:

einen Wickeldorn (10) elliptischen Querschnitts, und

Mittel (600) zum Wickeln einer Bahn (1) aus faserförmigem Material auf den Wickeldorn (10) in übereinanderliegenden Lagen, um einen Vorformling (2) in Gestalt einer elliptischen Hülse herzustellen.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem ein Nadelbrett (5) aufweist, das dazu dient, gleichzeitig mit ihrem Aufwickeln auf den elliptischen Wickeldorn (10) auf die Wickellagen zu schlagen, um sie durch Nadelung untereinander zu verbinden.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem Mittel (25, 28) zum Verlagern des Nadelbretts (5) und/oder des Wickeldorns (10) in der Weise aufweist, daß die Nadelungsfläche des Nadelbretts (5) sich in einer Tangentialebene bezüglich eines gegenüberliegenden Teils der äußeren Wickellage des zu nadelnden Vorformlings befindet, wenn gegenseitige Berührung besteht.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (26, 28) zum Verlagern des Nadelbretts (S) und/oder des Wickeldorns (10) in der Weise ausgestaltet sind, daß ein Teil der äußeren Wickellage des Vorformlings in jedem Zeitpunkt eine Tangente bezüglich einer Nadelungsebene (T) entlang einer Berührungslinie (M) bildet.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verlagern des Nadelbretts (5) und/oder des Wickeldorns (10) derart ausgestaltet sind, daß die Stelle der Berührungslinie (M) in der Nadelungsebene (T) sich in einer hin- und hergehenden Bewegung verlagert, wobei das Nadelbrett (5) sich verlagert, um jener Verlagerung zu folgen.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verlagern des Nadelbretts (5) und/oder des Wickeldorns (10) derart ausgebildet sind, daß die Achse (S) des Wickeldorns zyklisch auf einem Weg (Q) verlagert wird, der zwei Halbellipsen entspricht, so daß die Stelle der Linienberührung (M) in der Nadelungsebene (T) ortsfest bleibt.

26. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verlagern des Nadelbretts (5) und/oder des Wickeldorns (10) derart ausgebildet sind, daß der Wickeldorn so verlagert wird, daß ein Teil der äußeren Wickellage sich zu jedem Zeitpunkt in einer ortsfesten Nadelungsposition (M) befindet und die Nadelungsfläche des Nadelbretts (5) ihre Orientierung in der Weise ändert, daß sie in dem der äußeren Wickellage des zu nadelnden Vorformlings gegenüberliegenden Teil tangential verbleibt.

27. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verlagern des Nadelbretts (5) und/oder des Wickeldorns (10) dazu ausgebildet sind, die Achse des Wickeldorns in einer hin- und hergehenden Bewegung zu verlagern, um sie an die Ebene oder Stelle der Nadelung anzunähern oder davon abzurücken.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Nadelbrett (5) dazu ausgebildet ist, mit einer konstanten Frequenz zu schlagen.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem Mittel (26) zum Erhöhen des mittleren Abstands zwischen dem Wickeldorn (10) und dem Nadelbrett (5) nach Maßgabe der Dickenzunahme des Lagenwickels aufweist.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Enden des Wickeldorns (10) zueinander parallele Stirnflächen sind, die bezüglich der Wickeldornachse nicht rechtwinklig sind, und daß Mittel vorgesehen sind, um eine relative Verlagerung zwischen dem Wickeldorn (10) und der Materialbahn (1) im Verlauf des Wickelvorgangs zu veranlassen, wobei diese relative Verlagerung einhergeht mit einer hin- und hergehenden Bewegung in Längsrichtung des Wickeldorns.