DE2015802A1 - Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Gegenstände - Google Patents

Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Gegenstände

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DE2015802A1 DE19702015802 DE2015802A DE2015802A1 DE 2015802 A1 DE2015802 A1 DE 2015802A1 DE 19702015802 DE19702015802 DE 19702015802 DE 2015802 A DE2015802 A DE 2015802A DE 2015802 A1 DE2015802 A1 DE 2015802A1
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Description

PATENTANWÄLTE
DIPL-ING. CURT WALLACH
DIPL-ING. GÜNTHER KOCH 2015802
DR. TINO HAIBACH
j -
8 MÜNCHEN 2, 2. April 1970
UNSERZEICHEN:
12 573 - K/vM
Rolls-Royce Limited, Derby, Derbyshire, England. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Gegenstände
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Gegenstände und insbesondere, aber nicht ausschließlich, um ein Verfahren zur Herstellung von Stromlinien- i förmig gestalteten Schaufeln zur Benutzung in einer Strömungsmaschine, z.B. einem Gasturbinenstrahltriebwerk.
Der Ausdruck "Schaufel", wie er in der Beschreibung benutzt wird, soll im weitesten Sinne verstanden werden und auch Statorschaufeln od.dgl. einschließen. .■
Gemäß der Erfindung wird das Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Gegenstände in der Weise durchgeführt, daß wenigstens ein Formkörper vorgesehen wird, von dessen Oberflächen wenigstens eine mit im wesentlichen parallel verlaufenden Rinnen versehen ist, daß eine Vielzahl von Querfasern über diesen ä Formkörper derart geführt wird, daß die Querfasern quer über die Rinnen verlaufen und in Längsrichtung der Rinnen mit gegenseitigem Abstand angeordnet sind, daß in jede Rinne eine Längsfaser eingelegt wird und diese Längsfasern über den Querfasern liegen und die Querfasern in die Rinnen eindrücken^ daß wenigstens ein Faserstoffaufbau mit der Gestalt der jeweiligen Oberfläche da-
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durch hergestellt wird, daß die Querfasern und die Längsfasern miteinander verklebt bzw. vergossen werden, während sie sich auf dem Formkörper befinden, und daß dann der Aufbau von dem Formkörper getrennt wird.
Die Querfasern werden vorzugsweise von Abschnitten wenigstens eines gemeinsamen Fadens gebildet. So können zwei Formkörper hintereinanderliegend angeordnet werden, wobei der gemeinsame Querfaden um die Formkörper derart gewickelt wird, daß die Fadenabschnitte dann Teile zweier Aufbauten sind.
Die Längsfasern werden vorzugsweise von Abschnitten wenigstens eines gemeinsamen Längsfadens gebildet, so können auch hier wieder zwei Formkörper vorgesehen werden, die aufeinander ausgerichtet und mit Abstand in Längsrichtung der Rinnen verlaufend angeordnet sind, wobei der gemeinsame Längsfaden um die jeweiligen Formkörperpaare gewickelt wird, so daß die Fadenabschnitte dann jeweils Teile zweier Aufbauten sind.
Nachdem Aufbau und Formkörper voneinander getrennt sind, werden die beiden Teilstücke vorzugsweise voneinander getrennt.
Nach der Trennung kann weiteres Faserstoffmaterial quer um jeden Aufbau herumgewickelt werden. Außerdem kann nach der Relativtrennung wenigstens eine Materiallage am Ende des Aufbaus so angeordnet werden, daß eine Verbindung mit zusätzlichem Faserstoffmaterial erfolgt, welches sich in Längsrichtung der Anordnung erstreckt. Das. zusätzliche Faserstoffmaterial kann durch den Aufbau hindurchgefädelt werden.
Das Faserstoffmaterial kann ein faserverstärktes gießbares Material sein und der Gegenstand kann durch Vergießen fertiggestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann Insbesondere zur Herstellung einer stromlinienförmig gestalteten Schaufel für eine Strömungsmaschine Anwendung finden.
Die Erfindung betrifft auch Faserstoffmaterial, welches nach dem vorliegenden Verfahren gestaltet wurde.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung schematisch dargestellt. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1,2,4 und 5 in perspektivischer Ansicht faserverstärkte
Gegenstände in verschiedenen Herstellungsstadien, Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie A-A gemäß Fig.2, wobei die Zusammenstellung ersichtlich ist, die nach der in Fig.2
veranschaulichten Verfahrensstufe erhalten wurde, ^
Fig. 6 eine schematische Schnittansicht der Schaufel nach Vollen- " dung der in Flg.5 dargestellten Verfahrensstufe.
Die Zeichnungen veranschaulichen schematisch die Erzeugung einer faserverstärkten Kompressor-Rotor-Schaufel eines Gasturbinenstrahltriebwerks. Als Faserverstärkung können beispielsweise Kohlenstöffasern Anwendung finden, die aus Polyacrylonitril hergestellt sind und diese Faser kann benutzt werden, um eine Schaufel zu verstärken, die aus gießfähigem synthetischem Kunstharzmaterial besteht, z.B. aus einem Epoxydkunstharz. Es sind jedoch auch andere Materialien für die Erzeugung der Schaufel anwendbar. Z.B. kann als Faserstoffmaterial auch ein Metall, z.B. Borfasern, benutzt werden und das Faserstoffmaterial, ,H gleichgültig ob dieses aus Kohlenstoff oder Metall besteht, kann mit einem Metall, z.B. Nickel, oder einem kohlenstoffhaltigem Material überzogen werden. Aus Zweckmäßlgkeitsgründen wird das Verfahren im folgenden jedoch in Verbindung mit einer Schaufel beschrieben, deren Faserverstärkung aus kohlenstoffhaltigem Faserstoffmaterial besteht, das aus Polyacrylonitril gewonnen wurde» Dieses Faserstoffmaterial wird mit einem ungehärte-
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ten oder teilweise gehärteten Epoxydkunstharz überzogen.
Während der ersten Verfahrensstufe, die in Fig.l veranschaulicht ist, wird eine Metallform 10 benutzt, deren Oberfläche 11 gewellt ausgebildet ist und demgemäß eine Mehrzahl parallel zueinander in Längsrichtung verlaufender Rinnen 12 aufweist. Der Formkörper wird mit einem die spätere Lösung erleichternden Mittel behandelt und eine Vielzahl querverlaufender Fasern IjJ wird derart über den Formkörper 10 gelegt, daß sie sich quer zu den Rinnen 12 erstrecken und in Längsrichtung dieser Rinnen im Abstand zueinander liegen.
Obgleich die Querfasern 135 in Flg.l so dargestellt sind, als ob sie völlig voneinander getrennt wären, ist es in der Praxis zweckmäßiger, die Ausbildung so zu treffen, daß die Einzelfasern Teil eines gemeinsamen Fadens sind. Dies kann leicht dadurch bewerkstelligt werden, daß wenigstens ein Paar Formkörper 10 mit der Rückseite aneinanderllegend angeordnet werden und daß die gemeinsame querverlaufende Bahn um die beiden Formkörper so gewickelt wird, daß die Abschnitte schließlich einen Teil der beiden Zusammenstellungen aus Faserstoffmaterial bilden.
In der zweiten Verfahrensstufe, die in Fig.2 dargestellt ist, werden Längsfasern Ik in Jede Rinne 12 eingefügt und angespannt, so daß die Längsfasern über die Querfasern 12 zu liegen kommen und Abschnitte dieser Querfasern in die Rinnen 12 einziehen. Wenn dies geschehen ist, wird ein Klebemittel darübergefügt, so daß die Quer- und Längsfasern 1^,14 miteinander verbunden werden und die Zusammenstellung die Gestalt der Oberfläche 11 erhält.
Nach der Aufbringung dieses Klebemittels (dies geschieht natürlich während die Längs- und Querfasern 15,14 noch auf dem
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Formkörper 10 befindlich sind) wird eine relative Trennung zwischen der so erzeugten Zusammenstellung und dem Formkörper 10 bewirkt und eine solche Zusammenstellung ist mit dem Bezugszeichen 15 in Fig.3 gekennzeichnet.
Oben wurde erwähnt, daß die Längsfasern 14 vollständig voneinander getrennt sind. Es ist jedoch zweckmäßiger, die Anordnung derart zu treffen, daß die einzelnen Längsfasern Abschnitte wenigstens eines gemeinsamen Fadens sind. Dies kann z.B. dadurch bewirkt werden, daß wenigstens ein Paar von Formkörpern
10 vorgesehen wird, die in Längsrichtung aufeinander ausgerichtet und im Abstand zueinander in Längsrichtung bezüglich der Richtung der Rinnen 12 angeordnet werden, wobei der gemeinsame Faden um das jeweilige Paar von Formkörpern 10 herumgewickelt ^ wird, so daß die Fadenabschnitte dann Teile der beiden Zusammen- " Stellungen 15 bilden, die schließlich erzeugt werden.
Wenn derartige Formkörperpaare benutzt werden, werden sie anschließend entfernt und die auf den verschiedenen Oberflächen
11 geformten Teile werden voneinander getrennt.
Vor der Entfernung des Formkörpers werden die entfernten Enden der Längsfasern 14 erforderlichenfalls festgeklemmt.
Nachdem der oder die Formkörper entfernt sind, wird weiteres Fasermaterial, welches durch das Bezugszeichen 16 angedeutet
ist, quer um jede Zusammenstellung 15 gewickelt. Dies kann (j
dadurch bewerkstelligt werden, daß Schleifen aus Faserstoffmateriäl 16 um die Zusammenstellung 15 herumgewickelt werden.
Die Längsfasern 14 erstrecken sich, wenn die fertige Schaufel in einem Gasturbinentriebwerk eingebaut ist, radial bezüglich der Achse des letzteren, während die querverlaufenden Fasern
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etwa axial verlaufen.
Eine derartig gefertigte Schaufel erfordert jedoch einen verdickten Schaufelfuß 20 (Fig.6). Deshalb wird dieser Schaufelfuß aus mehreren Lagen 21, z.B. glasfaserverstärktem Plastik, aufgebaut. Jede derartige Schicht 21 wird an einem Ende des Zwischenproduktes nach Pig.2 angeordnet und damit verbunden, indem weiteres Paserstoffmaterial 22 hinzugefügt wird, das sich in Längsrichtung der Anordnung erstreckt und durch dieses hindurchgestochen ist, d.h. das zusätzliche Paserstoffmaterial wird durch nicht-dargestellte Mittel in einer Richtung über den Aufbau bewegt und hindurchgefädelt und dann durch getrennte nicht-dargestellte Mittel über dem Zusammenbau in der Gegenrichtung weggezogen.
Nachdem jede Schicht 21 so angeordnet wurde, kann die aus zusätzlichem Paserstoffmaterial 22 bestehende Schicht annähernd in der Endgestalt ausgeschnitten werden, so daß die fertige Schaufel die gewünschte Form erhält.
Es können zwei derartige Schaufeln gleichzeitig hergestellt werden und dann können sie längs der Linie 23 getrennt werden.
Schließlich wird der in Pig.6 dargestellte Gegenstand durch Vergießen in einer Form auf die endgültige Gestalt gebracht.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden die Pasern als Einzelfasern bezeichnet. In der Praxis können jedoch zweckmäßigerweise· aus verdrillten Pasern gewonnene Fäden oder Seile benutzt werden.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    Verfahren zur Erzeugung eines faserverstärkten Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst wenigstens ein Formkörper (10) vorgesehen wird, von dem wenigstens eine Oberfläche (H) mit im wesentlichen parallel verlaufenden Rinnen (12) versehen ist, daß dann mehrere Querfasern (13) über den Formkörper so gefügt werden, daß die Querfäden quer zu den Rinnen (12) verlaufen und in Längsrichtung dieser Rinnen im Abstand zueinander liegen, daß dann Längsfäden (14) in die Rinnen eingefügt werden, so daß diese Längsfäden (14) über den Querfäden (13) liegen, daß dann die Längsfäden angezogen werden, um sie in die Ausnehmungen (12) einzulegen, daß dann wenigstens ein Faserstoffaufbau (13) hergestellt wird, der die Gestalt | der jeweiligen Oberfläche (11).besitzt, indem die Querfäden und die Längsfäden miteinander verklebt werden, während diese noch auf dem Formkörper (10) befindlich sind, und daß dann der Aufbau (15) von dem Formkörper (10) getrennt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Querfasern (IjJ) von Abschnitten eines einzigen
    Fadens gebildet werden.
    3· Verfahren nach Ansprach 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Formkörper (10) vorgesehen werden, die * mit ihrem hinteren Abschnitt aneinander gebracht werden, und daß der Faden dann um die Formkörper herum gewickelt wird, so daß die Fadenabschnitte Teile zweier Aufbauten bilden.
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    4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsfäden (lA) von Abschnitten wenigstens eines gemeinsamen Fadens gebildet werden.
    5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Formkörper (10) aufeinander ausgerichtet und im Abstand zueinander bezüglich der Längsrichtung der Rinnen (12) angeordnet werden, und daß der gemeinsame Faden jeweils um die beiden Formkörper herum gewickelt wird, sodaß die Abschnitte Teile der beiden Zusammenstellungen bilden.
    6. Verfahren nach den Ansprüchen 5 oder 5» dadurch gekennzeichnet , daß nach der Trennung von Formkörper und Aufbau die beiden Körper voneinander getrennt werden.
    7· Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß nach der Trennung von Formkörper und Aufbau weiteres Faserstoffmaterial (16) quer um den Aufbau (15) gewickelt wird.
    &. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß nach der Trennung von Formkörper und Aufbau wenigstens eine Fasermaterialschicht (21) an einem Ende eines jeden Aufbaus angeordnet und damit verbundenwird, indem zusätzliches Faserraaterial (22) benutzt wird, dessen Fäden sich in Längsrichtung des Aufbaus erstrecken.
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    9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Fasermaterial durch den Aufbau hindurchgefädelt wird.
    ICK Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    ' daß das Faserstoffmaterial ein faserverstärktes gießbares Material ist und daß der Gegenstand abschließend durch Gießen in die endgültige Form gebracht wird.
    11. Verfahren nach dnem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    daß das Verfahren zur Erzeugung einer stromlinienförmig ge- a stalteten Schaufel für eine Strömungsmaschine benutzt wird." "
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