DE19859465A1 - Verfahren zum Herstellen einer Feder aus thermostabilem Verbundwerkstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Federn aus mechanisch thermostabilem, d. h. auch bei erhöhter Temperatur Strukturfestigkeit aufweisenden Verbundwerkstoff.

Federn sind im großen Umfang eingesetzte mechanische Bauteile. Im allgemeinen bestehen sie aus Metall, und dieser Umstand führt dann zu Problemen, wenn die Vorrichtungen, in denen sie eingebaut sind, erhöhten Temperaturen oder aggressiven Umgebungen ausgesetzt sind.

Zur Lösung dieser Probleme kann man daran denken, den Federwerkstoff Metall durch ein Material zu ersetzen, welches sich ohne Schaden derartigen Einsatzbedingungen aussetzen läßt, insbesondere einen thermostabilen Verbundwerkstoff.

Die - mechanisch - thermostabilen Verbundstoffe sind gekennzeichnet durch ihre besonderen mechanischen Eigenschaften, die sie für Strukturelemente geeignet machen, ferner durch ihre Fähigkeit, diese Eigenschaften auch bei erhöhten Temperaturen beizubehalten.

Bekannte thermostabile Verbundwerkstoffe sind die Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe (C/C-Verbundwerkstoffe), bestehend aus einer fasrigen Verstärkung aus Kohlenstoffasern, die durch eine Kohlenstoff-Matrix verdichtet ist. Bekannt sind außerdem Verbundwerkstoffe mit Keramik-Matrix (CMC-Werkstoffe), bestehend aus einer fasrigen Verstärkung aus hitzebeständigen Fasern, beispielsweise Fasern aus Kohlenstoff oder Keramikmaterial, verdichtet durch eine Matrix aus keramischem Werkstoff.

Außer ihrer hitzebeständigen oder feuerfesten Eigenschaft haben C/C- und CMC-Werkstoffe den Vorteil, daß sie - anders als Metalle - auch gewissen korrosiven Umgebungen standhalten können.

Es wurde bereits vorgeschlagen, Federn aus C/C-Verbundstoffen herzustellen.

Die US-A-4 412 675 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines organischen Stoffs, der mit Kohlenstoffasern gefüllt ist, das Formen diese Werkstoffs, um eine Schraubenfeder zu bilden, gefolgt von einer Wärmebehandlung zwecks Carbonisierung. Allerdings ist dieses Verfahren beschränkt auf die Fertigung von Schraubenfedern und ist relativ kompliziert, da es die vorherige Zubereitung von Zusammensetzungen erfordert, die sich zu Spulenform extrudieren lassen.

Die EP-A-0 684 216 offenbart zwei Verfahren: Das eine Verfahren besteht aus der Herstellung einer Schraubenfeder aus einem vorimprägnierten oder mit einer Polymerhülse umgebenen Faden, gefolgt von einem Druckformvorgang; das andere Verfahren besteht aus der Herstellung eines Werkstücks aus C/C-Werkstoff, gefolgt von einer zerspanenden Bearbeitung dieses Werkstücks, um eine Feder zu erhalten. Das erste Verfahren ist beschränkt auf die Herstellung von Schraubenfedern und erfordert Druckformmaschinen für die Herstellung von Federn spezieller Form. Das zweite Verfahren eignet sich nur zur Fertigung von sehr teuren Federn, bedingt durch die beträchtlichen Kosten der C/C-Verbundwerkstoffe und den Materialverlust bei der spanabhebenden Bearbeitung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Feder aus thermostabilem Verbundwerkstoff anzugeben, welches die vorerwähnten Nachteile nicht aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, das ist ein Verfahren zum Herstellen einer Feder aus thermostabilem Verbundwerkstoff mit einer durch eine Matrix verdichteten Faserverstärkung, umfassend folgende Schritte:

• - Herstellen eines fasrigen Vorformlings aus einem Faserblock, wobei in dem Block mindestens ein Schnitt gebildet wird, um zwischen zwei Teile des Vorformlings, die den Blättern oder den Windungen einer herzustellenden Feder entsprechen, einen Zwischenraum zu schaffen, und
• - Verdichten des Vorformlings mit einem Matrixmaterial des thermostabilen Verbundwerkstoffs.

Der Zwischenraum zwischen Teilen des Vorformlings kann durch Materialentfernung gebildet werden, vorzugsweise nach Verfestigung des Vorformlings.

Dieser Zwischenraum kann auch durch Spreizen der Ränder des Schlitzes gebildet werden, wobei in diesen hinein ein provisorisches Einschubteil eingebracht wird. Dieses Einschubteil wird zumindest bis zur Verfestigung des Vorformlings an seiner Stelle gehalten.

Das Verfestigen beinhaltet das teilweise Verdichten des Vorformlings, bis dieser ausreichend Halt besitzt, um seine Form zu behalten und gehandhabt werden zu können, ohne daß hierzu eine Haltevorrichtung benötigt, aber ohne daß dabei der Vorformling wesentlich verdichtet wird. Erreicht werden kann die Verfestigung durch eine Vorimprägnierung mittels einer flüssigen Zusammensetzung, beispielsweise mit Hilfe eines Harzes, gefolgt von einem Aushärten dieses Mittels. Alternativ kann man eine teilweise Vorverdichtung durch chemisches Infiltrieren aus der Dampfphase erreichen, wobei die Verdichtung des Vorformlings später vervollständigt wird.

Das Verfahren eignet sich zur Herstellung von Federn verschiedener Formen. Beispielsweise kann zur Herstellung von Blattfedern der fasrige Vorformling unter Verwendung eines prismatischen Blocks hergestellt werden, in dem mehrere Einschnitte ausgebildet werden, die etwa parallel zueinander verlaufen. Jeder Schnitt verläuft über eine Teilstrecke in den einander abgewandten Seitenbereichen des Blocks. Zur Herstellung einer Schraubenfeder kann der fasrige Vorformling aus einem zylindrischen Block hergestellt werden, der eine axial verlaufende Ausnehmung aufweist. Durch den Block hindurch wird ein schraubenförmiger Schnitt um die Blockachse herum ausgeführt. Zur Herstellung einer flachen Spiralfeder kann der fasrige Vorformling aus einer Scheibe hergestellt werden, wobei in der Scheibe ein Schnitt in Form einer Spirale ausgeführt wird. Zur Herstellung einer kegelförmigen Spiralfeder kann der fasrige Vorformling aus einem hohlen kegelstumpfförmigen Block hergestellt werden, wobei durch die Wandung des Blocks hindurch ein spiralförmiger Schnitt ausgeführt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich folglich wesentlich vom vorerwähnten Stand der Technik, da die Formgebung der Feder weder ausgehend von einer Fadenspule noch durch spanabhebende Bearbeitung eines Werkstücks aus thermostabilem Verbundwerkstoff erfolgt, sondern statt dessen im Stadium des Vorformlings festgelegt wird, welcher seinerseits durch einen noch nicht oder nur unvollständig verdichteten Block gebildet wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A bis 1D aufeinanderfolgende Schritte der Herstellung einer Blattfeder aus thermostabilem Verbundwerkstoff gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2A und 2B eine abgewandelte Ausführungsform des in Fig. 1A bis 1D dargestellten Verfahrens;

Fig. 3A bis 3D aufeinanderfolgende Stufen der Herstellung einer anderen Form einer Blattfeder aus thermostabilem Verbundwerkstoff gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 4A bis 4D die aufeinanderfolgenden Stufen der Herstellung einer Schraubenfeder aus thermostabilem Verbundwerkstoff gemäß einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 5A bis 5C aufeinanderfolgende Stufen der Herstellung einer flachen Spiralfeder aus thermostabilem Verbundwerkstoff gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 6A bis 6C aufeinanderfolgende Stufen der Herstellung einer kegelstumpfförmigen Spiralfeder aus thermostabilem Verbundwerkstoff gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.

Eine erste Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Fertigung eines Faserblocks.

Es werden mehrere Faserstruktur-Lagen 10 in der in Fig. 1A gezeigten Weise flach übereinandergelegt.

Jede Lage 10 kann aus einer im wesentlichen zweidimensionalen Struktur bestehen, so z. B. aus einem Gewebe (bidirektionale Struktur) oder einem Vlies aus unidirektionalen (UD-)Fasern oder aus einem Filz.

Werden UD-Faservliese verwendet, so werden diese in verschiedenen Orientierungsrichtungen übereinandergelegt.

Die übereinandergelegten Lagen können untereinander durch Implantieren von Fäden oder durch Quer-Nadelung verbunden werden. Eine Ausführungsform von Vorformlingen durch gleichzeitiges Übereinanderlegen und Nadeln von Faserstrukturlagen ist in der US-A-4 790 052 beschrieben.

Von dem so erhaltenen Teil 100 wird ein Faserblock 11 abgeschnitten, wobei die Abmessungen des Blocks 11 in Abhängigkeit der Abmessungen eines Federvorformlings oder einer Gruppe von herzustellenden Federvorformlingen gewählt werden. Aus einem Teil 100 können mehrere Faserblöcke 11 geschnitten werden, wobei auch die Möglichkeit besteht, ein einziges Teil 100 mit den Abmessungen eines Blocks 11 herzustellen.

In der zweiten Stufe (Fig. IB) werden Einschnitte in Form von Schlitzen 12 und 13 in dem so hergestellten Block 11 ausgeführt. Im dargestellten Beispiel sind die Lagen 10 rechteckig, so daß der Block 11 die Form eines Parallelepipeds hat. Die Schlitze sind so ausgeführt, daß sie rechtwinklig zu der Längsrichtung L verlaufen, welche der Kompressions-/Ausdehnungs-Richtung der herzustellenden Feder entspricht. Die Schlitze 12 und 13 können jeweils durch einen Schnitt mit einer Klinge oder mit Hilfe eines Hochdruckwasserstrahls gebildet werden.

Die Schlitze 13 wechseln sich entlang der Richtung L mit Schlitzen 12 ab, wobei die Schlitze 12 sich über einen Teil der Breite l des Blocks 11 zwischen den Seitenflächen 11a und 11b erstrecken, ohne in diese Flächen zu münden. Die Schlitze 13 sind zweiteilig mit jeweils gleicher Länge 13a, 13b ausgeführt und gehen von den Seitenflächen 11a bzw. 11b aus, ohne jedoch miteinander verbunden zu sein. Das heißt, die Schlitze 13 verlaufen nicht vollständig quer über die Breite des Blocks.

Jeder der Schlitze 12 und 13 (13a und 13b) verläuft über mehr als die Hälfte der Blockbreite.

Nach der Ausbildung der Schlitze 12 und 13 wird der Block 11 in Richtung L ausgedehnt (Fig. 1C), so daß sich die Schlitze öffnen und Zwischenräume 15 und 16 (16a und 16b) zwischen den Teilen des Blocks bilden, die den Blättern der herzustellenden Feder entsprechen. Der Block wird durch Einführen von Einschüben 17 und 18 (18a und 18b) in die so gebildeten Zwischenräume ausgedehnt gehalten. Die Einschübe werden z. B durch Graphitplatten gebildet.

Die Abmessungen der Zwischenräume 15 und 16 in Richtung L und die Bereiche des Blocks zwischen diesen Zwischenräumen bestimmen die Härte der zu realisierenden Feder. Diese Abmessungen können konstant sein, um eine Feder mit einer konstanten Federhärte zu bilden. In einer Abwandlung kann vorgesehen sein, daß diese Abmessungen in Richtung L in der Weise variieren, daß die Feder eine veränderliche oder differentielle Federhärte erhält. In diesem Fall reicht es möglicherweise aus, die Breite der Zwischenräume 15 und 16 oder ihren Mittenabstand zu variieren.

Der so erhaltene fasrige Vorformling 14 wird im ausgedehnten Zustand verfestigt. Zu diesem Zweck kann eine Imprägnierung mit einem Harz vorgenommen werden, bevor der Vorformling ausgedehnt wird und die Einschübe eingeführt werden. Die Menge des eingeleiteten Harzes reicht aus, damit nach der Aushärtung der Vorformling 14 seine ausgedehnte Form auch nach dem Entfernen der Einschübe beibehält, ohne daß dabei aber die Porosität des Vorformlings vollständig verloren geht.

In einer Abwandlung kann die Verfestigung im Zuge einer Vorverdichtung vorgenommen werden, die z. B. durch chemisches Infiltrieren aus der Dampfphase erfolgt, wobei ein Teil der gewünschten Matrix des thermostabilen Verbundwerkstoffs infiltriert wird und dieses Infiltrieren abgebrochen wird, wenn die Formbeständigkeit des Vorformlings ausreicht, um die Einschübe herausziehen zu können.

An die Verdichtung des Vorformlings 14 schließt sich nach dem Herausziehen der Einschübe das Auffüllen der Restporosität an, bis das gewünschte Verdichtungsmaß erreicht ist. Auf diese Weise erhält man die Blattfeder 19 aus thermostabilem Verbundwerkstoff.

Der thermostabile Verbundwerkstoff kann ein C/C-Verbundwerkstoff sein. Die Faserstrukturlagen 10 bestehen dann aus Kohlenstoffasern oder aus Kohlenstoff-Vorläufer-Fasern (voroxidiertes Polyacrylnitril, Pech, aus Phenol, aus Zellulose, . . .), wobei die Umwandlung des Vorläufermaterials z. B. nach der Herstellung des Blocks 11 erfolgt. Die Matrix des Verbundwerkstoffs ist pyrolytischer Kohlenstoff. Er kann zumindest teilweise in flüssiger Form erhalten werden (imprägnieren durch einen Kohlenstoff-Vorläufer in flüssigem Zustand, beispielsweise ein Harz, und Carbonisation, wobei mehrere Zyklen aus Imprägnieren und Carbonisieren durchgeführt werden können), oder in gasförmiger Form (chemische Infiltration aus der Dampfphase).

Die obige Beschreibung betrifft die Herstellung einer einzigen Feder 19 aus dem Block 11. Man erkennt sofort, daß man aus ein und demselben Block dadurch mehrere Federn erhalten kann, daß man einen Schnitt in einer Ebene oder mehreren Ebenen rechtwinklig zur Richtung L ausführt. Dieser Schneidvorgang kann vor der Verfestigung, nach der Verdichtung oder - vorzugsweise - nach Verfestigung und vor der Verdichtung ausgeführt werden.

Die aus ein und demselben Faserblock gewonnenen verschiedenen Federn können identisch oder unterschiedlich sein. In letzterem Fall können sie unterschiedliche Längen und/oder verschiedene Federhärten besitzen, wobei diese für jede Feder konstant oder variabel ist.

Der thermostabile Verbundwerkstoff kann ein CMC-Material sein, d. h. ein Verbundwerkstoff mit Keramikmatrix. Die Faserstrukturlagen 10 sind dann Fasern aus Kohlenstoff oder aus keramischem Werkstoff, oder aus einem Vorläufermaterial von Kohlenstoff oder dem keramischen Werkstoff. Die Matrix besteht aus keramischem Material, beispielsweise aus Siliciumcarbid (SiC). Sie kann in flüssiger oder in gasförmiger Form eingesetzt werden.

Fig. 2A und 2B zeigen eine abgewandelte Ausführungsform zur Bildung von Schlitzen 22 und 23 in einem Faserblock 21. Die Schlitze erstrecken sich über die Hälfte der Breite des Blocks hinweg, ohne diesen vollständig zu durchqueren, wobei sie abwechselnd von der einen Seitenfläche 21a und der anderen Seitenfläche 21b ausgehen.

Nach der Dehnung des Blocks 11 in Längsrichtung L₁ bildet man die Zwischenräume 25 und 26 zwischen denjenigen Teilen des fasrigen Vorformlings 24, die den Blättern der herzustellenden Feder entsprechen (Fig. 2B).

Als weitere Abwandlung kann man einen Vorformling 24 mit den Zwischenräumen 25 und 26 gemäß Fig. 2B im Gegensatz zu der Ausbildung der Schlitze und der Ausdehnung des Faserblocks dadurch erhalten, daß man das den Zwischenräumen 25 und 26 entsprechende Fasermaterial entfernt. Diese "materialabtragende Bearbeitung" des Faserblocks läßt sich auch mit Hilfe eines Werkzeugs in Form einer Klinge oder mit Hilfe eines Wasserdruckstrahls ausführen. Diese Bearbeitung erfolgt, nachdem der Vorformling verfestigt wurde, wenn die Formstabilität des Faserblocks am Anfang nicht ausreichend ist.

Die Herstellung einer Feder aus dem Vorformling gemäß Fig. 2B kann in der oben in Verbindung mit den Fig. 1C und 1D beschriebenen Weise erfolgen. Es sei allerdings angemerkt, daß, wenn die Zwischenräume 25 und 26 durch Materialbeseitigung hergestellt werden, das Vorhandensein von Einschüben nicht unerläßlich ist; der Vorformling kann in diesem Zustand vollständig verdichtet werden.

Die Breite und der Mittenabstand der Zwischenräume 25 und 26 können konstant oder variabel sein, abhängig davon, ob man eine Feder mit konstanter Federhärte oder differentieller Federhärte herstellen will.

Die Fig. 3A bis 3D zeigen eine weitere Ausführungsform des Verfahrens, um eine Blattfeder aus thermostabilem Verbundwerkstoff herzustellen.

Bei diesem Beispiel hat der hergestellte Faserblock 31 eine prismatische Form, deren Grundfläche die für die herzustellenden Blattfedern gewünschte Form hat, beispielsweise hier eine Sechseckform mit Mittelöffnung.

Zu diesem Zweck werden Schichten 30 (Fig. 3A) in Form der Grundfläche des Prismas aus einem Faserstrukturstoff zugeschnitten, beispielsweise - wie zuvor - aus einem Gewebe, einem UD-Faservlies oder einem Filz. Die Schichten werden übereinandergestapelt, bis die gewünschte Länge erreicht ist, abhängig von der Länge der herzustellenden Feder. Die Schichten werden untereinander verbunden, z. B. durch Nadelung.

In einer Abwandlung können die Blöcke 31 aus einem Werkstück ausgeschnitten werden, beispielsweise dem Werkstück 100 gemäß Fig. 1A.

In den Faserblock 31 werden Schlitze 32 und 33 eingeschnitten, rechtwinklig zur Längsrichtung L, wobei letztere dem Zusammendrücken/Ausdehnen der herzustellenden Feder entspricht. Die Schlitze 32 und 33 verlaufen über einen Hauptteil, allerdings nur über einen Bruchteil des Querschnitts des Blocks 31, und zwar abwechselnd ausgehend von der einen Kante 31a und einer anderen, gegenüberliegenden Kante 31b, wie dies in der Seiten-Draufsicht der Fig. 2B gezeigt ist. Ausgeführt werden die Schlitze durch Einschneiden des Materials mit einer Klinge oder mit Hilfe eines Wasserdruckstrahls.

Der Block 31 wird dann in Richtung L auseinandergezogen, um einen Vorformling mit Zwischenräumen 35 und 36 zu bilden, wobei die Zwischenräume durch Aufweiten der Ränder der Schlitze 32 und 33 erreicht wird. Der so erhaltene fasrige Vorformling 34 wird durch Einführen von Einschüben 37 und 38 in die Zwischenräume 35 und 36 in Form gehalten, wie dies durch die Schnittansicht in Fig. 3C veranschaulicht ist. Der Vorformling wird in der oben beschriebenen Weise verfestigt, entweder durch eine vorab durchgeführte Vorimprägnierung, oder durch eine teilweise Verdichtung durch chemisches Infiltrieren aus der Dampfphase.

Nach der Verfestigung können die Einschübe entfernt werden, und die Verdichtung kann fortgesetzt werden, bis die Blattfeder 39 fertig ist (Fig. 3D). Man sieht, daß bei diesem Beispiel die Blätter der Feder parallel zu den Schichten des fasrigen Vorformlings verlaufen, während bei der Ausführungsform nach den Fig. 1A bis 1D die Blätter senkrecht zu diesen Schichten verlaufen.

Wie zuvor, können mehrere Federn 39 aus einem Block 31 hergestellt werden, indem während dem einen oder dem anderen Stadium der Fertigung senkrecht zu der Richtung L geschnitten wird. Man kann außerdem Federn mit differentiellen oder konstanten Federhärten herstellen, indem man die Breite und/oder den Mittenabstand der Zwischenräume 35, 36 variiert bzw. nicht variiert.

Die Fig. 4A bis 4D zeigen eine weitere Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer Schraubenfeder aus thermostabilem Verbundwerkstoff.

Bei diesem Beispiel wird ein Faserblock 41 zylindrischer Form als Rotationskörper hergestellt, indem man auf einen Dorn 40a ein Band 40 aus Faserstrukturlagen in mehreren Lagen aufwickelt. Das Band 40 ist z. B. ein Gewebe, ein Filz, ein UD-Vlies (ein Vlies aus unidirektional verlaufenden Fasern), oder ist ein Gebilde aus mehreren UD-Vliesen, die in verschiedenen Richtungen übereinandergelegt und durch Vorab- Nadelung untereinander verbunden sind.

Die übereinanderliegenden Lagen des Bandes 40 können zur Spulenbildung aus dem Band 40 genadelt werden, wie dies in der bereits zitierten US-A-4 790 052 beschrieben ist. Das Wickeln der Spule wird unterbrochen, wenn eine Dicke erreicht ist, die der Dicke der Windungen der herzustellenden Schraubenfeder entspricht.

Der zylindrische Faserblock 41 wird von dem Dorn 40a abgezogen und mit einem schraubenförmigen Schlitz 42 versehen, der quer durch die Dicke des zylindrischen Faserblocks über dessen gesamte Längsabmessung um die Achse L des Blocks 41 herum verläuft. Der Schlitz 41 wird mit einem Messer oder mittels Hochdruckwasserstrahl ausgeführt, wobei sich im Falle eines Hochdruckwasserstrahls der Spritzkopf vorzugsweise im Inneren des Blocks 41 befindet.

Nach der Ausführung des Schlitzes wird der Block 41 in seiner Längsrichtung gezogen, um einen Vorformling 44 der Schraubenfeder zu bilden, bei dem sich zwischen den Windungen ein Zwischenraum 45 erstreckt.

In dem schraubenförmigen Zwischenraum 45 wird durch gegenseitiges "Verschrauben" mit dem Vorformling 48 ein schraubenförmiger Einschub 47 angeordnet, wie dies in Fig. 4C gezeigt ist. Der Vorformling 41 wird anschließend verfestigt, entweder durch Aushärten einer Imprägnierungszusammensetzung, die nach der Ausbildung des Schlitzes eingebracht wird, jedoch vor dem Auseinanderziehen, oder durch teilweises Verdichten mittels chemischer Infiltration aus der Dampfphase.

Nach dem Verfestigen kann der Einschub 47 ausgezogen und die Verdichtung des Vorformlings auf flüssigem oder gasförmigem Wege erreicht werden. Hierdurch erhält man eine Schraubenfeder 49, wie sie in Fig. 4D gezeigt ist.

Man erkennt außerdem, daß man durch Schneiden quer zu der Achse L mehrere Federn 49 aus ein und demselben Faserblock 41 gewinnen kann. Der Schnitt kann vor der Verfestigung, nach dem Verdichten oder nach der Verfestigung und vor der Verdichtung ausgeführt werden. Außerdem kann der schraubenförmige Zwischenraum 45 eine Ganghöhe und eine Breite (gemessen in Richtung L) von konstantem Wert aufweisen, so daß man eine Feder mit einer konstanten Federhärte erreicht, oder man kann den schraubenförmigen Zwischenraum mit variabler Breite ausführen, um eine Feder mit einer differentiellen Federhärte herzustellen.

Die Fig. 5A bis 5C veranschaulichen eine weitere Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer flachen Spiralfeder aus einem thermostabilen Verbundwerkstoff.

Bei diesem Beispiel wird ein Faserblock 51 in Form einer Scheibe mit einer Achse A durch Übereinanderlegen und Nadeln von kreisförmigen Schichten 50 hergestellt (Fig. 5A). Die Schichten werden zugeschnitten aus Faserstrukturmaterial, beispielsweise aus einem Gewebe, einem UD-Vlies oder einem Filz. Es werden Schichten übereinandergelegt, bis eine Dicke entsprechend der Dicke der herzustellenden Feder erreicht ist.

Quer durch die Scheibe 51 wird ein spiralförmiger Schnitt 52 ausgeführt, ausgehend von der Mitte der Scheibe bis hin zu ihrem Umfang (Fig. 5B). Der Schnitt 52 wird unter Materialbeseitigung ausgeführt, beispielsweise mit Hilfe eines Messers oder eines Druckwasserstrahls, um einen Zwischenraum mit einer Breite zu erhalten, der zwischen den Teilen des Vorformlings 54 entsprechend den Windungen einer herzustellenden Feder im wesentlichen konstant ist.

Der so erhaltene Vorformling 54 wird auf flüssigem oder gasförmigem Wege verdichtet, so daß man die in Fig. 5C gezeigte flache Spiralfeder 59 erhält.

Man sieht, daß der Zwischenraum 52 auch dadurch gebildet werden kann, daß man einen einfachen spiralförmigen Schlitz bildet und die dadurch gebildeten Windungen auseinanderzieht. Der Vorformling kann dann mit Hilfe eines spiralförmigen Einsatzes bis zu seiner Verfestigung in seiner Form gehalten werden, wobei die Verdichtung stattfindet, nachdem der Einsatz herausgenommen wurde.

Aus ein und demselben Block 51 lassen sich durch Schneiden quer zu der Achse A mehrere Federn erhalten. Das Schneiden kann vor der Verfestigung oder nach der Verfestigung, dann aber vor der Verdichtung erfolgen, er kann auch nach der Verdichtung vorgenommen werden.

In einer Abwandlung kann man die Breite und/oder die Schrittweite des Zwischenraums 52 variieren, um eine Feder mit einer differentiellen Federhärte zu erhalten.

Die Fig. 6A bis 6C (von denen Fig. 4B eine Schnittdarstellung ist) veranschaulichen eine weitere Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer konischen Druck-Spiralfeder aus thermostabilem Verbundwerkstoff.

Bei diesem Beispiel wird ein Faserblock 51 in Form eines hohlen Kegelstumpfs hergestellt durch Aufwickeln eines Bandes 60 auf einen kegelstumpfförmigen Dorn 60a (Fig. 6A). Das Band 60 besteht aus Faserstrukturmaterial. Es wird so gewickelt, daß man einander überlappende Lagen erhält, jede Lage gebildet durch nebeneinanderliegende Windungen. Die Lagen werden untereinander durch Nadeln verbunden. Der Block 61 wird von dem Dorn 60a abgezogen, nachdem die gewünschte Dicke erreicht ist.

Quer durch die Wandung des hohlen kegelstumpfförmigen Blocks 61 wird ein spiralförmiger Schnitt 62 unter Materialbeseitigung ausgeführt, und zwar in einer Richtung etwa parallel zu der Achse des Blocks (Fig. 6B). Diese materialabtragende Bearbeitung erfolgt mit Hilfe eines Messers oder eines Druckwasserstrahls. Der Schnitt 62 bildet einen Zwischenraum mit einer Breite, die zwischen denjenigen Teilen des Vorformlings 64, die den Windungen der herzustellenden Feder entsprechen, im wesentlichen konstant ist.

Der so erhaltene Vorformling 64 wird auf flüssigem oder gasförmigem Wege verdichtet, so daß man die in Fig. 6C dargestellte konische Spiralfeder 69 erhält.

Man sieht, daß der spiralförmige Zwischenraum gebildet werden kann, nachdem der Faserblock verfestigt wurde, wenn sich dessen Formstabilität als unzureichend erweist.

Man sieht außerdem, daß der Zwischenraum 62 dadurch gebildet werden kann, daß man einen einfachen spiralförmigen Schlitz schneidet und die so gebildeten Windungen gegeneinander beabstandet. Der erhaltene Vorformling wird dann verfestigt, wobei seine Windungen auf Abstand gehalten werden, z. B. mit Hilfe eines Einsatzes. Die Verdichtung erfolgt, nachdem der Einsatz entfernt wurde.

Im dargestellten Beispiel hat der Zwischenraum 62 eine jeweils konstante Breite und Ganghöhe. In einer Abwandlung kann der Zwischenraum 62 mit variabler Breite und/oder variabler Ganghöhe realisiert werden.

Die thermostabilen Verbundwerkstoffe der Federn gemäß den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 3A bis 3D, 4A bis 4D, 5A bis 5C und 6A bis 6C können von der gleichen Art sein, wie dies für die Ausführungsform nach den Fig. 1A bis 1D angegeben wurde.

Claims (18)

1. Verfahren zum Herstellen einer Feder aus thermostabilem Verbundwerkstoff mit einer durch eine Matrix verdichteten Faserverstärkung, umfassend folgende Schritte:

• - Herstellen eines fasrigen Vorformlings aus einem Faserblock, wobei in dem Block mindestens ein Schnitt gebildet wird, um zwischen zwei Teilen des Vorformlings, die den Blättern oder den Windungen einer herzustellenden Feder entsprechen, einen Zwischenraum zu schaffen, und
• - Verdichten des Vorformlings mit einem Matrixmaterial des thermostabilen Verbundwerkstoffs.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Zwischenraum zwischen zwei Teilen der Vorform durch Materialentfernung gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialentfernung stattfindet, nachdem der Vorformling verfestigt wurde.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen zwei Teilen des Vorformlings durch Bildung eines Schlitzes, durch Auseinanderbewegen der Ränder des Schlitzes und durch Aufrechterhalten des aufgeweiteten Zustands gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Aufrechterhalten des erweiterten Zustands dadurch erreicht wird, daß zwischen die Ränder des Schlitzes ein Einschubelement eingebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschubelement zumindest solange an seiner Stelle verbleibt, bis eine Verfestigung des Vorformlings erreicht ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und 6, bei dem das Verfestigen des Vorformlings durch Vorimprägnierung mit Hilfe einer flüssigen Zusammensetzung und durch Aushärten dieser Zusammensetzung erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigung des Vorformlings durch Vorverdichten mittels chemischer Infiltration aus der Dampfphase erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen zwei Teilen des Vorformlings, die Blättern oder Windungen einer herzustellenden Feder entsprechen, eine veränderliche Breite und/oder einen veränderlichen Mittenabstand aufweist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem mehrere Federn durch Abschneiden aus ein und demselben Block hergestellt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Abschneiden nach dem Verfestigen des Vorformlings und vor dem Verdichten durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Abschneiden nach dem Verdichten des Vorformlings stattfindet.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Herstellen einer Blattfeder, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorformling (14; 24; 34) aus einem prismatischen Faserblock (11; 21; 31) hergestellt wird und daß zwischen zwei einander abgewandten Seitenbereichen des Blocks in einem Abstand, der kleiner ist als der die zwei Seitenbereiche trennende Abstand, Schnitte (12, 13; 22, 23; 32, 33) gebildet werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Herstellen einer Schraubenfeder, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorformling (44) aus einem drehzylindrischen Faserblock (41) mit Axialöffnung hergestellt wird, und daß um die Achse herum durch den Block hindurch ein schraubenförmiger Schnitt (42) ausgeführt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Herstellen einer flachen Spiralfeder, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorformling (54) aus einem Faserblock (51) gefertigt wird, der die Form einer Scheibe hat, und daß durch den Block hindurch zwischen dessen Mittelbereich und seinem Umfang ein Schnitt (52) in Form einer Spirale gebildet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Herstellen einer konischen Spiralfeder, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorformling (64) aus einem hohlen, kegelstumpfförmigen Faserblock (61) gebildet wird, und daß quer durch die Wand des Blocks ein spiralförmiger Schnitt (62) gebildet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserblock durch Übereinanderlegen von Faserstrukturlagen und durch Verbinden der Lagen untereinander gebildet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstrukturlagen untereinander durch Nadelung verbunden werden.