DE102004003749A1

DE102004003749A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines zylindrischen Hohlkörpers aus faserverstärktem Kunststoff "Hohlkörper"

Info

Publication number: DE102004003749A1
Application number: DE200410003749
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Bäumer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-01-23
Filing date: 2004-01-23
Publication date: 2005-08-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines zylindrischen Hohlkörpers aus faserverstärktem Kunststoff. Die Erfindung betrifft ferner einen mit dem Verfahren und/oder Vorrichtung hergestellten Hohlkörper. DOLLAR A Das Verfahren sieht vor, imprägnierte Fasern auf einen Wickeldorn aufzuwickeln und auf diesen anschließend einen Fasergeflechtsschlauch zu pressen. Der Dorn mit den verschiedenen Schichten wird in ein entsprechend geformtes RTM-Werkzeug eingebracht, in welches Harz injiziert wird. Die Innenform des RTM-Werkzeugs ist so ausgebildet, dass die Außenflächen des herzustellenden zylindrischen Körpers parallel zu den Flächen stehen, welche den Dorn seitlich aufnehmen, so dass Innen- und Außenfläche des Körpers koaxial zueinander sind. Das Harzsystem wird geliert und ausgehärtet und das hergestellte Rohr zusammen mit dem Dorn aus dem Werkzeug entnommen. Nach Abkühlung des Rohres kann der Dorn aus diesem entfernt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Hohlkörpers aus faserverstärktem Kunststoff.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung eines zylindrischen Hohlkörpers aus faserverstärktem Kunststoff.
Die Erfindung betrifft ferner ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder der Vorrichtung hergestellten Hohlkörper.

Um die Leistungsfähigkeit vom Maschinen und Motoren zu steigern, ist es neben anderen Maßnahmen oftmals ein angestrebtes Ziel, diese schneller laufen zu lassen. Beispielhaft ist dabei das Gebiet der Hochfrequenzelektromotoren zu nennen. Auf diesem Gebiet stellt es elektrisch kein Problem dar, Motoren im Hz-Bereich zu betreiben. Werden dazu jedoch konventionelle Werkstoffe verwendet, treten an verschiedenen Stellen Probleme mit den Festigkeiten und Steifigkeiten der Werkstoffe auf. Ab bestimmten Bauteilabmessungen können die mechanischen Bauteile die hohen Drehzahlen nicht mehr aushalten, was zu einem Versagen der Bauteile aufgrund der Eigenbelastung der Werkstoffe führt.

Um die Spannungen zu reduzieren, ist es bekannt, kritische Bauteile durch faserverstärkte Kunststoffe zu stützen. Diese faserverstärkten Kunststoffe weisen sehr hohe spezifische Festigkeits- und Steifigkeitswerte auf, die bis zum 5-fachen über den Werten von metallischen Werkstoffen liegen. Durch die Kombination der verschiedenen Werkstoffe beziehungsweise durch die Substitution der metallischen Werkstoffe durch faserverstärkte Kunststoffe können somit weitaus höhere Drehfrequenzen realisiert werden, als dies mit herkömmlichen Werkstoffen der Fall ist.

Bei den bekannten Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen handelt es sich vorrangig um rohrförmige Bauteile, die beispielsweise zur Verstärkung von metallischen oder magnetischen Werkstoffen eingesetzt werden. Sie können ferner zur Substitution dieser Werkstoffe verwendet werden.

Beispielsweise werden in Hochfrequenzelektromotoren zunehmend Permanentmagnet-Motoren eingesetzt, bei denen die Permanentmagnete auf dem metallischen Rotorkern platziert werden. Die Magneten können dabei aufgeklebt oder aufgeklemmt werden. Die Permanentmagnete werden ferner durch ein ebenfalls aufgepresstes oder aufgeklebtes Rohr aus faserverstärktem Kunststoff, bei dem es sich typischerweise um Kohlefaser verstärkten Kunststoff (CFK) handelt, armiert. Durch die hohen spezifischen Festigkeits- und Steifigkeitswerte der CFK-Rohre werden die Magnete unter Frequenz nicht so hoch belastet, dass sie bersten oder sich vom Rotor lösen.

Ein weiteres Anwendungsgebiet von CFK-Rohren stellen Turbomolekularpumpen dar, in denen in der sogenannten Holwegstufe ein Rohrelement mit sehr hoher Frequenz rotiert. Würde dieses Bauteil aus metallischen Werkstoffen hergestellt, wären die radialen Dehnungen so groß, dass die notwendigen Spalte nicht mehr eingehalten werden könnten. Ab einer bestimmten materialabhängigen Frequenz würde das Rohrelement aufgrund der Eigenbelastung platzen und die Vakuumpumpe zerstören. Es ist bekannt, an dieser Stelle CFK-Rohre einzusetzen, die durch ihre höheren Festigkeits- und Steifigkeitswerte entsprechend hohe Drehzahlen zulassen, wodurch die Leistungsfähigkeit der Pumpe gesteigert werden kann.

Bei den beschriebenen faserverstärkten Kunststoffrohren kommt es in erster Linie auf hohe radiale mechanische Werte an, da das jeweilige Bauteil vorrangig durch Fliehkraft belastet wird. Gleichzeitig werden sehr hohe Maßgenauigkeiten verlangt, da das Bauteil stets mit sehr geringen Spaltmaßen eingebaut wird und größere Maßungenauigkeiten aufgrund der Fliehkraft zu Unwuchten führen. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die faserverstärkten Rohre stets mit sehr hohen Rundlaufgenauigkeiten und Maßtoleranzen zu fertigen. Diese sind in dem meisten Fällen nur durch Bearbeitung der faserverstärkten Rohre erreichbar. Durch die Bearbeitung der Rohre entstehen jedoch Probleme, die nur mit erheblichem Aufwand durch eine weitere Bearbeitung gelöst werden können. In einigen Fällen verbleiben die Probleme sogar ungelöst.

Probleme bei der Bearbeitung entstehen beispielsweise dadurch, dass die Fasern der CFK-Rohre, welche vorrangig in Umfangsrichtung liegen, bei der Außenbearbeitung angeschnitten werden. Da die Rohre fast immer im Wickelverfahren hergestellt werden, weisen die Fasern keine Kreuzungspunkte auf. Die an der Oberfläche angeschnittenen Fasern können sich so bei zu hoher Belastung aus dem Laminat herauslösen und zum Versagen des Bauteils führen.

Ein weiteres Problem entsteht durch die statische Aufladung der faserverstärkten Rohre. Speziell CFK-Rohre bringen aufgrund der Leitfähigkeit der Kohlestofffaser das Problem mit sich, dass die Ladung über die Faser geleitet werden kann, wenn die Oberfläche bearbeitet ist und die leitenden Fasern angeschliffen sind. Durch den geringen Abstand des CFK-Rohres zum umgebenden Metallteil kann es zu Entladungen kommen, die zu lokalen Zerstörungen und damit zur Schwächung des Laminates führen können. Bei der Bearbeitung der Oberflächen speziell von CFK-Rohren kommt es somit zu Problemen, die nur durch weitere Maßnahmen kompensiert werden können.

Aus der Europäischen Patentschrift EP 0 643 248 B1 ist es beispielsweise bekannt, diese Probleme bei Hochfrequenzrotoren durch einen bestimmten Schichtaufbau eines faserverstärkten Hohlkörpers zu lösen. Dabei ist eine innere Schicht vorgesehen, die durch Wickeln eines Prepregs bestehend aus einer Faserschicht als Matrix, die mit einem Harz imprägniert wurde, hergestellt wurde. Eine weitere äußere Schicht wird durch Wickeln einer Schicht oder eines Bandes thermoplastischen Harzes um die innere Schicht hergestellt, wobei die beiden Schichten durch Wärmehärtung und Thermokompression zu einem vereinten Körper verbunden sind. Darüber hinaus wird auf der äußeren Schicht stromlos eine Metallschicht abgeschieden, die mit der äußeren Schicht verbunden ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Hohlkörpers aus faserverstärktem Kunststoff mit hoher Maßgenauigkeit bereitzustellen, das keine mechanische Nachbearbeitung der Innen- und Außenfläche des Körpers erfordert.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen zylindrischen Hohlkörper aus faserverstärktem Kunststoff mit hoher Maßgenauigkeit der Innen- und Außenfläche bereitzustellen. Der Hohlkörper soll sich insbesondere für den Einsatz im Hochfrequenzbereich eignen und bei hoher Belastung keine Faserabwürfe verursachen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 5 und 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Die Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Hohlkörpers aus faserverstärktem Kunststoff vor, bei dem zuerst ein Grundlaminat aus mit Harz imprägnierten Fasern auf einen Wickeldorn gewickelt wird. Über das so gebildete Grundlaminat wird ein Fasergeflechtschlauch gezogen und gepresst. Das Aufpressen des Geflechtschlauchs auf das Grundlaminat erfolgt vorzugsweise durch axialen Zug.

Nach dem Wickeln wird das Laminat nicht wie herkömmlich zum Härten in einen Härteofen gespannt, sondern direkt weiterverarbeitet. Der Wickeldorn wird erfindungsgemäß zusammen mit dem Grundlaminat und dem Fasergeflechtschlauch in ein RTM-Werkzeug eingebracht und Harz in das Werkzeug injiziert. Innerhalb des RTM-Werzeugs wird das Harzsystem unter Druck und Wärme geliert und ausgehärtet.

Daraufhin wird das Werkzeug geöffnet und der Wickeldorn mit dem gebildeten Hohlkörper entnommen. Nach dem Abkühlen des Wickeldornes wird er aus dem zylindrischen Hohlkörper entnommen.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das gleiche Harz in das RTM-Werkzeug injiziert, welches zum Wickeln des Grundlaminates verwendet wurde.

Das Grundlaminat und der Geflechtschlauch auf dem Wickeldorn werden vorzugsweise nass in das RTM-Werkzeug eingebracht.

Die Erfindung umfasst ferner eine Vorrichtung zur Herstellung eines zylindrischen Hohlkörpers aus faserverstärktem Kunststoff. Bei der Vorrichtung handelt es sich um ein RTM-Werkzeug mit zwei Werkzeughälften, wobei die Innenform des Werkzeugs so ausgebildet ist, dass in ihr ein Wickeldorn mit einem aufgewickelten Grundlaminat und einem aufgepressten Geflechtschlauch aufnehmbar ist. Die Längsseiten der Innenform, welche die Außenfläche des späteren Hohlkörpers abbilden, sind parallel zu den Längsseiten angeordnet, welche den Wickeldorn seitlich aufnehmen.

Die Vorrichtung umfasst zweckmäßigerweise Dichtelemente zur Abdichtung der beiden Werkzeughälften gegeneinander und einen Zulauf und einen Ablauf zur Injizierung von Harz in das Werkzeug. Ferner weist die Vorrichtung Mittel zur Druckbeaufschlagung und Beheizung auf. Durch die spezielle Ausbildung der Vorrichtung eignet sie sich insbesondere zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines zylindrischen Hohlkörpers.

Die Erfindung umfasst ferner einen zylindrischer Hohlkörper aus faserverstärktem Kunststoff mit einer inneren Wickelschicht und eine äußeren Geflechtschicht. Der Hohlkörper wurde vorzugsweise mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt. Der so hergestellte Hohlkörper weist ein glatte Innen- und Außenfläche auf, und die Flächen sind sehr gut koaxial zueinander. Dabei sind die geforderten Maße so genau herstellbar, dass keine mechanische Nachbearbeitung der Flächen erforderlich ist. So können die genannten Probleme bei der Bearbeitung vermieden und ein Hohlkörper bereitgestellt werden, der sich sehr gut für den Einsatz im Hochfrequenzbereich eignet. Der Einsatz wird zusätzlich dadurch begünstigt, dass die äußere Lage des Laminates aus einem Geflechtschlauch besteht, der Kreuzungspunkte der Fasern aufweist. Durch die Kreuzungspunkte ist ein Ablösen der Einzelfasern aus der Oberfläche nicht mehr möglich.

Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
Von den Abbildungen zeigt:
1 den Wickelprozess einer Faser auf einen Wickeldorn;
2 einen Wickeldorn mit aufgebrachtem Geflechtschlauch; und
3 das Einbringen des Wickeldornes in ein RTM-Werkzeug.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird wie bei bekannten Rohren ein Grundlaminat aus Fasern auf einer Wickelmaschine hergestellt. Ein derartiger Wickelprozess ist schematisch in 1 dargestellt. Dabei werden die Fasern 10 mit der Faserorientierung (radial und axial) so auf einen Wickeldorn 20 gewickelt, wie es die Bauteilauslegung vorsieht. Das Wickelverfahren wird vorzugsweise „nass", das heißt direkt mit der mit Harz imprägnierten Faser durchgeführt. Es kann jedoch auch ohne Imprägnierung mit einem Harz durchgeführt werden, wobei das Harz in diesem Fall zu einem späteren Zeitpunkt in das System eingebracht wird.
Nach dem Wickelprozess wird der Wickeldorn 20 nicht wie im bisherigen Stand der Technik in einen Härteofen gespannt und das Laminat dadurch ausgehärtet, sondern der Wickeldorn wird direkt weiterverarbeitet. Auf das gewickelte Grundlaminat wird dabei ein Fasergeflechtschlauch 30 gezogen, der in 2 dargestellt ist. Der Geflechtsschlauch wird zweckmäßigerweise durch axialen Zug fest auf das Wickellaminat gepresst. Vorzugsweise wird hierbei ein Geflechtschlauch aus gleicher oder höherwertiger Faser verwendet. Die Länge des Geflechtschlauches entspricht in gespanntem Zustand vorzugsweise der des Grundlaminates.
Der Wickeldorn 20 mit den aufgebrachten nassen Schichten wird daraufhin in ein RTM-Werkzeug (Resin-Transfer-Moulding-Werkzeug) eingelegt, wie es schematisch in 3 dargestellt ist. Dieses Werkzeug 40 ist vorzugsweise in eine Oberhälfte und ein Unterhälfte unterteilt, so dass sich der Dorn mit geringem Aufwand einlegen lässt. Die Innenform 50 des Werkzeugs ist so ausgebildet, dass in ihr der Wickeldorn zusammen mit dem aufgewickelten Grundlaminat und dem aufgepressten Geflechtschlauch aufnehmbar ist. Der Dorn wird dabei so in die Innenform eingebracht, dass die Innen- und Außenfläche des herzustellenden Hohlkörpers später möglichst parallel zueinander verlaufen. Um dies zu erreichen, ist die Innenform so ausgebildet, dass ihre Längsseiten 60 und 61, welche die Außenfläche des späteren Hohlkörpers abbilden, parallel zu den Längsseiten 70 und 71 angeordnet sind, welche den Wickeldorn 20 seitlich aufnehmen. Die Einbringung des Dorns zwischen die Längsseiten 70 und 71 erfolgt somit möglichst passgenau. Durch diese spezielle Konstruktion des RTM-Werkzeugs wird die Außenkontur des zu erzeugenden Rohres direkt zur Innenkontur des Wickelrohres zentriert.
Das RTM-Werkzeug wird zusammen mit Dichtelementen 80 durch Zusammenführen der unteren und oberen Werkzeughälfte geschlossen. Um beim Einlegen des Wickeldornes in das Werkzeug Lufteinschlüsse zu vermeiden, wird das RTM-Werkzeug vor dem Aushärten mit dem gleichen Harzsystem, wie es beim Wickelprozess verwendet wurde, durchspült. Wurde das Grundlaminat trocken gewickelt, erfolgt in diesem Fall die erste Imprägnierung mit Harz. Dazu wird das Harz von einer Injektionspumpe durch einen Schlauch in das RTM-Werkzeug hereingedrückt, bis es blasenfrei an einem zweiten Schlauch am anderen Ende des Werkzeugs wieder austritt. So ist sichergestellt, dass die gesamte Innenform 50 des Werkzeugs mit Harz ausgefüllt ist.
Das Harzsystem wird nach dem Injektionsvorgang durch Anlegen von Druck an beiden Schläuchen komprimiert, so dass der Schrumpf des Harzsystems ausgeglichen wird. Der Druck liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 5–7 bar, insbesondere bei 6 bar. Anschließend wird das Harzsystem durch eine Beheizung des RTM-Werkzeugs geliert und gehärtet. Nach dem Härten des Laminates wird das Werkzeug geöffnet und der Wickeldorn aus dem Werkzeug entnommen. Das faserversträkte Rohr kann nach Abkühlung des Wickeldornes von demselben abgeschoben werden. Für die Weiterverarbeitung des Rohres muss es nur noch auf Länge bearbeitet werden, was keine weiteren Probleme verursacht.

10: Faser, imprägniert
20: Wickeldorn
30: Geflechtschlauch
40: RTM-Werkzeug
50: Innenform des Werkzeugs
60, 61: Längsseiten zur Abbildung der Außenflächen des
: Hohlkörpers
70, 71: Längsseiten zur seitlichen Aufnahme des
: Wickeldorns
80: Dichtung

Claims

Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Hohlkörpers (50) aus faserverstärktem Kunststoff, gekennzeichnet, durch folgende Schritte – Wickeln eines Grundlaminates aus mit Harz imprägnierten Fasern (10) auf einen Wickeldorn (20); – Aufbringen eines Fasergeflechtschlauches (30) auf das Grundlaminat; – Einbringen des Wickeldorns (20) mit dem Grundlaminat und dem Fasergeflechtschlauch (30) in ein RTM-Werkzeug (40); – Injizieren von Harz in das RTM-Werkzeug (40); – Gelieren und Aushärten des Harzsystems innerhalb des RTM-Werzeugs (40) unter Druck und Wärme; – Öffnen und Entnehmen des Wickeldorns (20) mit dem Hohlkörper (50) aus dem RTM-Werkzeug (40); und – Entfernen des Wickeldorns (20) aus dem zylindrischen Hohlkörper.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gleiche Harz in das RTM-Werkzeug (40) injiziert wird, welches zum Wickeln des Grundlaminates verwendet wird.
Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundlaminat und der Geflechtschlauch auf dem Wickeldorn nass in das RTM-Werkzeug eingebracht werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Geflechtschlauch durch axialen Zug auf das Grundlaminat gepresst wird.
Vorrichtung zur Herstellung eines zylindrischen Hohlkörpers (50) aus faserverstärktem Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Vorrichtung um ein RTM-Werkzeug (40) mit zwei Werkzeughälften handelt, wobei die Innenform (50) des Werkzeugs so ausgebildet ist, dass in ihr ein Wickeldorn (20) mit einem aufgewickelten Grundlaminat und einem aufgepressten Geflechtschlauch (30) aufnehmbar ist, und dass die Längsseiten (60; 61) der Innenform, welche die Außenfläche des späteren Hohlkörpers (50) abbilden, parallel zu den Längsseiten (70; 71) angeordnet sind, welche den Wickeldorn (20) seitlich aufnehmen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie Dichtelemente (80) zur Abdichtung der beiden Werkzeughälften gegeneinander umfasst.
Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Injizierung von Harz in das Werkzeug einen Zulauf und einen Ablauf umfasst.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie sich zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 eignet.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Druckbeaufschlagung und Beheizung umfasst.
Zylindrischer Hohlkörper aus faserverstärktem Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, dass er eine innere Wickelschicht und eine äußere Geflechtschicht aufweist und nach einem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt wurde.