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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundstoff-Treibkäfigs und insbesondere ein Verfahren zum Herstellen eines Treibkäfigs aus faserverstärktem Verbundstoff zur Verwendung bei panzerbrechenden, flügelstabilisierten Treibkäfiggeschossen, kurz APFSDS (vom engl. Armor Piercing Fin Stabilized Discarding Sabot), wobei an Stelle einer unidirektionalen Prepreg-Lage mehrere Gewebematten laminiert werden und der ganze Teil durch Zusammenheften mittels Langfaserbündeln verstärkt wird, um die Umfangsscherfestigkeit zu verbessern, wobei ein hochwertiger Treibkäfig aus faserverstärktem Verbundstoff in kurzer Zeit unter Verwenden von vakuumunterstützter Harzinjektion nach dem Zusammenheften hergestellt wird.
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Stand der Technik
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Zum Herstellen des Treibkäfigs für solche APFSDS, die für Panzerabwehrgeschütze verwendet werden, wird allgemein Aluminiumlegierung verwendet. Durch Verwenden eines faserverstärkten Verbundstoffmaterials hoher Festigkeit mit niedrigerer Dichte als das Aluminium an dem Treibkäfig kann aber die Geschwindigkeit des Geschosses mit der gleichen Energie erhöht werden, wodurch die Leistungsfähigkeit des Geschosses verbessert wird. Daher wurde in dem Gebiet weit gespannte Forschung betrieben, um leichtere und bessere Treibkäfige durch Ersetzen des Metall-Treibkäfigs mit polymer-basiertem faserverstärkten Material mit spezifischer Festigkeit herzustellen.
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Der Treibkäfig ist mit dem Außendurchmesser des Penetrators mit drei lösbaren Stücken verbunden und leitet den Treibkäfig in dem Geschützrohr, liefert dem Penetrator die Treibkraft und wird von dem Penetrator getrennt, sobald der Penetrator aus dem Geschützrohr ausgestoßen wird, wobei er die Rolle des strukturellen Lagerns des Treibkäfigs und des Verhinderns eines Austretens von Druck aus dem Geschützrohr übernimmt. Daher ist das Gewicht des Treibkäfigs beim Verbessern der Leistung des gesamten Systems sehr wichtig, so dass durch möglichst leichtes Ausführen des Treibkäfigs dem Penetrator mehr Treibkraft geliefert wird, was einen stabilen Flug des Penetrators gewährleistet. Um zudem dem Penetrator die Treibkraft effizienter zu liefern, ist der Innenteil des Treibkäfigs zu einer konkav/konvex kombinierenden Fläche in Form einer Spirale oder Nut in der Kontaktfläche zum Penetrator ausgebildet. Der Außenteil des Treibkäfigs ist so ausgebildet, dass der Treibkäfig das Geschützrohr eng kontaktiert, wodurch das Geschützrohr so abgedichtet wird, dass der Druck für die Treibkraft beibehalten wird. Nach Lösen des Penetrators von dem Geschützrohr wird der Treibkäfig durch Reibung mit der Luft von dem Penetrator gelöst, ohne den Antrieb des Penetrators zu beeinflussen.
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8 zeigt den Querschnitt des herkömmlichen Aluminiumtreibkäfigs, der zeigt, dass der Treibkä3 aus drei Stücken besteht und mit dem Penetrator 2 des APFSDS in dem Geschützrohr 1 des Panzers oder gepanzerten Fahrzeugs verbunden ist.
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Zwischen dem Außenteil des Penetrators 2 und dem Innenteil des entsprechenden Treibkä3 ist ein konkav/konvex kombinierender Teil 2a, 3ä in Form einer Spirale oder Nut ausgebildet, und dieser konkav/konvex kombinierende Teil 2a, 3a ist so ausgebildet, dass er angesichts der Scherspannung aus der Treibkraft nicht beschädigt wird.
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Der durch das herkömmliche Verfahren hergestellte Treibkäfig besteht aus Aluminium, und auch wenn er im Hinblick auf die Scherspannung kein Problem bezüglich Widerstandsfestigkeit aufweist, die zum Zeitpunkt des Ausstoßes erforderlich ist, verursacht das verglichen mit dem Verbundstoff-Treibkäfig relativ hohe Gewicht ein Problem bei wichtigen Eigenschaften des Penetrators wie Fluggeschwindigkeit, Durchschlagkraft an dem Ziel und anderen Gesamteigenschaften des Systems.
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Berichten zufolge wird zudem Laminierung in der radialen Richtung verwendet, da das herkömmliche Laminierverfahren in der axialen Richtung oder Umfangsrichtung nicht die erforderliche mechanische Festigkeit der Nut erzielen kann. Eine Laminierung in der radialen Richtung verwendet Prepreg aus unidirektionaler Faser oder Gewebefaser und Harz, und die Prepreg-Lage ist in orthogonaler Richtung auf der den Penetrator berührenden Nutfläche laminiert, wodurch verglichen mit dem vorstehend erwähnten herkömmlichen Laminierverfahren in der axialen Richtung oder Umfangsrichtung eine stark verbesserte Scherfestigkeit vorgesehen wird. Während aber die erforderliche Festigkeit in der gleichen oder orthogonalen Richtung des Kontaktierens des Penetrators beim Laminieren in der radialen Richtung erhalten wird, besteht ein Problem bezüglich schwacher Anhaftfestigkeit in der Richtung, in der die Prepreg-Lage laminiert ist, und daher besteht Bedarf, eine Technologie zu entwickeln, die diese Festigkeit verbessern kann.
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Bis vor kurzem waren Patentanmeldungen, die die Laminierung in radialer Richtung betrafen, auf die Laminierungstechnologie oder Ausrichtung der Faser gerichtet, zum Beispiel
US 5 640 054 A (Sabot segment molding apparatus and method for molding a sabot segment) und
US 5 789 699 A (Composite ply architecture for sabot) und
US 6 125 764 A (Simplified tailored composite architecture).
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Ferner beschreibt die
KR 10-2004-024334 A die Herstellung eines Verbundstofftreibkäfigs, bei dem als Startmaterial ein unidirektionales Prepreg verwendet wird, also ein vorimprägniertes Faserhalbzeug, welches dann in einer Form laminiert wird.
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Ferner beschreibt die
US 4 942 013 A die Herstellung von Verbundwerkstoffkörpern wie beispielsweise ummantelten Schaumwerkstoffplatten, wobei die faserverstärkte Verbundwerkstoffschicht mittels vakuumunterstützter Harzimprägnierung hergestellt wird.
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Schließlich zeigt die
EP 1 235 672 B1 ein Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffbauteilen aus gehefteten Gewebematten durch vakuumunterstütztes Harzinjektionsverfahren.
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Das Verfahren zum Verwenden von Harz hoher Festigkeit kann in Betracht gezogen werden, um die Materialeigenschaft in der Laminierrichtung zu verstärken, doch werden die Kosten aufgrund des hohen Preises des Materials und des komplexen Herstellungsverfahrens gesteigert.
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Die bisherigen Verbundstoff-Treibkäfige, die nur durch das radiale Laminierungs- oder Umfangslaminierungsverfahren hergestellt wurden, erzeugten das Delaminierungsphänomen aufgrund des starken Biegens der Faser. Demgemäß ermöglichte es das Verwenden der Bandlaminierung und der Reifenlaminierung auf der äußeren Schicht der radialen Laminierung, der hohen Expansionskraft zu widerstehen, die bei Feuern der Geschosse in der Umfangsrichtung wirkt. Ferner bewirkte die Laminierung, die die vorherige Segementlaminierform verbesserte, dass die Oberfläche von 120° bei dem Prozess der Treibkäfige nicht beschädigt wurde.
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Aufgabe der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um die vorstehend erwähnten Probleme des Stands der Technik zu lösen, insbesondere eine Delaminierung zu verhindern, ohne beim Herstellungsprozess hohe Kosten zu verursachen.
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Offenlegung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoff-Treibkäfigs gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Um eine Delaminierung des Verbundstoff-Treibkäfigs zu verhindern, wird Verstärkungsmaterial, beispielsweise Langfaserbündel, entlang der Richtung der kurzen Kante des vorgeformten laminierten Gewebes geheftet, um sie physikalisch zu verbinden. Das Anhaftvermögen und die Verformungskraft in der Umfangsrichtung können verglichen mit dem herkömmlichen zweidimensionalen Verbundstoff-Treibkäfig, der aus einer Prepreg-Lage mit einer unidirektionalen Faser oder Gewebefaser besteht, mit einer preisgünstigen dreidimensionalen Struktur verbessert werden.
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Zum Lösen der vorstehenden Probleme des Stands der Technik sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundstoff-Treibkäfigs vor, welches folgende Schritte umfasst: anstelle der Verwendung von Prepregs: Erzeugen mehrerer Gewebematten, die unterschiedliche Ausrichtungseigenschaften besitzen und Formen durch Zuschneiden; Bilden eines vorgeformten Gewebegegenstands durch Laminieren der mehreren Gewebematten und Zusammenheften der Gewebematten mit Verstärkungsmaterial; Bilden eines Verbundwerkstoffgegenstands durch Einsetzen des vorgeformten Gewebegegenstands in eine Vorrichtung zur vakuumunterstützten Harzinjektion und vakuumunterstützte Harzinjektion in den vorgeformten Gewebegegenstand; Bilden eines ersten von drei Treibkäfigstücken durch mechanisches Bearbeiten des geformten Verbundwerkstoffgegenstands, wobei das mechanische Bearbeiten derart ausgeführt wird, dass die laminierten Gewebematten parallel zu einer radialen Längsmittelebene des Treibkäfigstücks und das geheftete Verstärkungsmaterial senkrecht zu der genannten radialen Längsmittelebene des Treibkäfigstücks ausgerichtet sind; Bilden von zweiten und dritten Treibkäfigstücken durch Wiederholen der vorgenannten Schritte zum Bilden des ersten Treibkäfigstücks und Bilden des Treibkäfigs durch Kombinieren des ersten, zweiten und dritten Treibkäfigstücks.
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Nach dem Verfahren zum Herstellen eines Treibkäfigs aus faserverstärktem Verbundstoff wird bei dem Schritt des Bildens des vorgeformten Gewebegegenstands ein Laminieren der mehreren Gewebematten unter Berücksichtigung der Ausrichtungseigenschaften der Gewebematte ausgeführt.
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Ferner wird bei dem Schritt des Bildens des vorgeformten Gewebegegenstands das Heften bevorzugt unter Eindringen durch die Richtung der kurzen Kante der Gewebematte ausgeführt, die mit aus Langfaserbündel bestehendem Verstärkungsmaterial laminiert ist.
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Ferner ist die Faser der Gewebematte vorteilhafte eine oder mehrere von Faser gewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstofffaser, Graphitfaser und Glasfaser.
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Zudem ist die Langfaser des Verstärkungsmaterials eine oder mehrere von Faser gewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstofffaser, Graphitfaser, Aramidfaser und Glasfaser. Schließlich ist das in die vakuumunterstützte Harzinjektions-Vorrichtung eingebrachte Harz duroplastisches oder thermoplastisches Harz.
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Gewerbliche Wirkung
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Nach dem Verfahren zum Herstellen eines Treibkäfigs aus faserverstärktem Verbundstoff, bei dem mehrere Gewebematten laminiert werden und der ganze Teil durch Heften durch Langfaserbündel verstärkt wird, kann das Gewicht des Treibkäfigs verglichen mit einem herkömmlichen Aluminiumtreibkäfig um 30% reduziert werden. Durch Verbessern des Anhaftvermögens in der radialen Richtung durch Aufbringen von Kurzfaser wird der Treibkäfig vor dem Expansionsdruck geschützt, der sich aus der hohen Aufprallenergie im Geschützrohr ergibt, was eine optimale Auslegungsanforderung vorsieht, die der Zerstörungskraft des Treibkäfigs widerstehen kann.
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Ferner kann durch Erzeugen des Treibkäfigs durch vakuumunterstützte Harzinjektion verglichen mit dem herkömmlichen Herstellungsverfahren, das Formen mit erforderlichem Druck und erforderlicher Temperatur verwendete, ein hochwertiger Treibkäfig aus faserverstärktem Verbundstoff in kurzer Zeit erzeugt werden.
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Es wird nachfolgend ein Beispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 ist eine perspektivische Ansicht, die mehrere verteilte Gewebematten 10 zum Laminieren zeigt. Die Gewebematten 10 werden jeweils mit Hilfe einer oder mehrerer Fasern hergestellt, die aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstofffaser, Graphitfaser und Glasfaser ausgewählt werden. Bezüglich der Ausrichtungseigenschaft der Gewebematte ist zu sagen, dass sie in Form eines Vierecks ausgebildet sein kann, das rechtwinklig hergestellt ist, oder in Form eines Parallelogramms oder einer Raute.
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Die Gewebematten 10, die auf diese Weise erzeugt werden, werden unter Berücksichtigung der Ausrichtungseigenschaft jeder Gewebematte zu einer vorbestimmten Form geschnitten, und die mehreren Gewebematten werden laminiert. Die laminierten Gewebematten 20 werden mit dem in 2 gezeigten Verstärkungsmaterial 30 geheftet, das aus Langfaserbündel besteht. Das Heften wird in der Richtung der kurzen Kante der laminierten Gewebematte 20 ausgeführt, wobei es kontinuierlich in das Verstärkungsmaterial 30 eindringt.
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Es gibt viele Verfahren, die allgemein für den Prozess des faserverstärkten Verbundstoffs zum Verstärken der Materialeigenschaft in der Richtung der kurzen Kante des Materials verwendet werden, beispielsweise Flechten, Nadelstanzen oder Heften. Die vorliegende Erfindung verwendet im Hinblick auf Produktivität und Kostenersparnis die Hefttechnologie bei der Herstellung des Verbundstoff-Treibkäfigs. Das das Verstärkungsmaterial umfassende Langgewebe umfasst eine oder mehrere Fasern, die aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstofffaser, Graphitfaser, Aramidfaser und Glasfaser und bevorzugt in der Form mehrerer verdrehter Gewebe, wie in 2 gezeigt wird, ausgewählt werden.
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3(b) ist eine Seitenansicht des durch Heften von Verstärkungsmaterial 30 auf die laminierte Gewebematte 20 gebildeten vorgeformten Gewebegegenstands 40. 3(a) zeigt das Erscheinungsbild des vorgeformten Gewebegegenstands 40, bei dem das Verstärkungsmaterial 30 in der senkrechten Richtung geheftet ist.
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4 zeigt das Bilden des Verbundstoffs durch Einsetzen des vorgeformten Gewebegegenstands 40 in die vakuumunterstützte Harzinjektions-Vorrichtung und Ausführen der vakuumunterstützten Harzinjektion. Das vakuumunterstützte Harzinjektions-Verfahren oder VARTM-Verfahren wird bei Bilden von Verbundstoff verbreitet verwendet, insbesondere bei der Herstellung von faserverstärktem Kunststoff, und wird hier ohne spezifische Details schematisch beschrieben.
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Wie in 4 gezeigt ist ein vorgeformter Gewebegegenstand 40 an der Form der Harzinjektions-VARTM-Form angebracht, und das Harzströmnetz 80 ist für einfaches Strömen des Harzes laminiert. Das Strömnetz 80 trägt durch Ablösen von flüssigem Harz, das durch den Harzeinlass 60 eingebracht wurde, zur gleichmäßigen Imprägnierung des Harzes auf dem vorgeformten Gewebegegenstand 40 bei. Das Harzströmnetz 80 besteht daher allgemein aus einem Netz aus Kunststoffmaterial mit einer vorbestimmten Dicke. Das eingebrachte Harz ist duroplastisches oder thermoplastisches Harz.
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Nach dem Laminieren des Harzströmnetzes 80 auf dem vorgeformten Gewebegegenstand 40 werden der Harzeinlass 60 und der Harzauslass 50 an der vorbestimmten Stelle des vorgeformten Gewebegegenstands angebracht und mit Hilfe des Vakuumbeutels 70 unter Vakuum gesetzt. Nach dem Herstellen eines Vakuums wird Harz in den vorgeformten Gewebegegenstand eingebracht, und nach Imprägnierung werden der Harzeinlass 60 und der Harzauslass 50 abgelöst. Das Formen kann durch Ausüben erforderlicher Wärme näher und stärker sein. 5 zeigt einen bearbeiteten Verbundstoffgegenstand 90 aus dem geformten Verbundstoff in der Form eines rechteckigen Parallelipeds. Durch mechanisches Bearbeiten dieses Verbundstoffgegenstands 90 entsprechend der konstruierten Einheit, d.h. der Strichlinie in 5, kann wie in 6b gezeigt ein Stück 100 eines Verbundstoff-Treibkäfigs erhalten werden. Bei mechanischem Bearbeiten des Verbundstoffgegenstands sollten die Laminierungsausrichtung der in dem Stück 100 gebildeten Gewebematte und die Ausrichtung des gehefteten Verstärkungsmaterials erfindungsgemäß wie in 6a gezeigt angeordnet sein. Bei dieser Art des Herstellen des Treibkäfigs durch Kombinieren des Stücks 100 kann die Festigkeit des Treibkäfigs erhalten werden, die erforderlich ist, um dem Explosionsdruck in dem Geschützrohr Stand zu halten.
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Durch erfindungsgemäßes Kombinieren von drei Stücken 100, die mechanisch bearbeitet wurden, wird das in 7 gezeigte Erscheinungsbild des Verbundstoff-Treibkä 120 erhalten.
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Nach dem Erzeugen des Verbundstoff-Treibkäfigs werden also mehrere Schichten von Gewebematten 10 laminiert, und Verstärkungsmaterial 30, beispielsweise Langfaserbündel, wird durch die Matte geheftet, was den ganzen Gegenstand verbindet, und der Treibkäfig wird durch vakuumunterstützte Harzinjektion und mechanisches Bearbeiten erzeugt, was das Erzeugen des Treibkäfigs in einem kurzen Zeitraum ermöglicht und auch die Reproduzierbarkeit eines hochwertigen Verbundstoff-Treibkäfigs sicherstellt.
