DE2460808A1

DE2460808A1 - Verfahren zum herstellen von leichtbauteilen aus faserverstaerktem kunststoff

Info

Publication number: DE2460808A1
Application number: DE19742460808
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Jonda
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1974-12-21
Filing date: 1974-12-21
Publication date: 1976-07-01
Also published as: JPS5189572A; FR2294819A1; DE2460808B2; JPS6030548B2; FR2294819B1; IT1051420B

Description

Kesserschmitt-Bölkow-Blohm Ottobrunn, 19. Dezember 1974

Gesellschaft mit BT 012 Ht/th
beschränkter Haftung,

München 7783

Verfahren zum Herstellen von Leichtbauteilen aus
faserverstärktem Kunststoff

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Leichtbauteilen aus faserverstärktem Kunststoff, bei dem mit Kunststoff getränkte Rovings auf einen Wickeldorn
in kreuzweisen Lagen zu einem Laminat gewickelt und das fertige Laminat vom Wickeldorn abgenommen und ausgehär—

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tet wird«

Durch die BT-PS 1 779 433 Ist ein Verfahren zum Herstellen von Verbundbaukörpern bekannt, bei dem auf einen mit einer Folie beschichteten Wickeldorn mehrere Lagen eines Fasermaterials kreuzweise aufgebracht werden» Die Faseraatten werden nach Fertigstellung des Wickellaminats in Richtung der Wickeldornachse durchgetrennt, von dem WIkkeldorn zusammen mit der Folie abgenommen, in ein die Konturen des fertigen Verbundbaukörpers aufweisendes Formwerkzeug gelegt und mit einem Stützkörper verbunden· Bei diesem Verfahren, welches bereits gegenüber dem vorher angewandten Hand-Einlege-Verfahren von Fasermatten in Kunstharz erhebliche Vorteile aufweist, ist ein Laminat von vier sich kreuzenden Wickellagen erforderlich, weil bei nur zwei Lagen ein Delaminieren, insbesondere bei Wechselbeanspruchun— gen, nicht vermieden werden kann. Weiterhin werden besondere ünterdruckkanäle aufweisende Formwerkzeuge benötigt, um die zugeschnittenen Fasermatten an die Wandungen anzusaugen·

Für die Herstellung sowohl von Einzel— als auch Serientei— len aus faserverstärkten Kunststoffen besteht nach wie vor das Bedürfnis nach einer rationelleren Fertigungsmethode, weil das bekannte Verfahren die Verwendung aufwendiger Formwerkzeuge voraussetzt und sich auf Verbundbaukorper mit tragflügelartiger Gestaltung beschränkt. Insbesondere die zunehmende Verwendung von Kohlefasern, die gegenüber den bisher gebräuchlichen Glasfasern weitaus höhere Festigkeiten erreichen, aber wegen ihrer Sprödigkelt nicht zu Matten verwebt werden können, erfordert bessere rationel—

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lere Herstellungstechniken·

Hier setzt nun die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, ein neues Verfahren zum Herstellen von Leichtbauteilen aus faserverstärktem Kunststoff aufzuzeigen, bei dem eine verbesserte Technik zur Herstellung und Weiterverarbeitung von Wickellaminaten verwendet wird»

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, daß beim Wickeln jeweils mehrere Rovings zu Fasersträngen zusammengefaßt werden, die Faserstränge zweier sich kreuzender Lagen so neben- und übereinander angeordnet werden, daß sie zu einer webeartigen Verbindung verbunden werden j- dann das fertige Wickellaminat entsprechend den Umrissen der herzustellenden Leichtbauteile aufgeschnitten wird und anschliessend die Leichtbauteile in ihre Fertigform gebracht und ausgehärtet werden· .

Erfindungsgemäße Weiterbildungen des Verfahrens sehen vor,, daß zum Wickeln eines Faserstranges vorzugsweise sechs Rovings in zwei Schichten zusammengefaßt.werden und daß die webeartige Bindung der sich kreuzenden.Lagen in einem flächig begrenzten, sich stets wiederholenden Muster erfolgt.

Entsprechend einer Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung werden die Umrisse der Leichtbauteile direkt auf dem Wickeldorn aus dem Laminat herausgeschnitten und die . Leichtbauteile dann in ihre Fertigform gebracht und ausgehärtet· ,-■-.■ .

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Eine andere Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, daß das fertige Wickellaminat aufgeschnitten, vorn Wickeldorn genommen und zu einer ebenen Platte geformt wird, worauf aus dieser Platte die Umrisse der Leichtbauteile ausgeschnitten und letztere entsprechend ihrer Fertigform entweder eben gelassen oder verformt und dann ausgehärtet werden.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden die Umrisse der Leichtbauteile entsprechend den Richtungen ihrer Hauptbelastungen ausgeschnitten, wobei das Laminat bevorzugt entweder in Achsrichtung des Wickeldornes oder parallel zur Richtung einer der Faserstranglagen aufgeschnitten wird·

Entsprechend einem weiteren Erfindungsmerkmal können die Faserstränge mit einem Abstand zueinander gewickelt werden, wodurch eine gitterförmige Anordnung des Wickellaminats erzeugt wird·

Das mit dem erfinderischen Verfahren hergestellte Wickellaminat hat dadurch, daß mehrere Rovings zu Fasersträngen zusammenfaßt und die Faserstränge in einer webeartigen Bindung verbunden werden, eine sehr hohe innere Strukturfestigkeit ähnlich einem Gewebe. Es wird mit der Erfindung ermöglicht, mit Hilfe eines WickelVerfahrens Laminate von ähnlicher Beschaffenheit und ähnlichen Festigkeitseigenschaf· ten wie im Webeverfahren mit Kette und Schuß herzustellen· Durch die webeartige Struktur des Laminats kann bei Verwendung von nur zwei Schichten Rovings zur Herstellung der Faserstränge ein Delaminieren selbst bei hohen Wechselbeanspruchungen vermieden werden. Die fertigen Laminate

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können dann sehr vielseitig weiterverwendet werden, wobei die gut sichtbaren Faserstränge in die Hauptbelastungsrichtungen des herzustellenden Leichtbaukörpers gelegt v/erden können. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß im Gegensatz zu den in Einzelfertigung im Handeinlegeverfahren gefertigten Teilen aus Fasermatten Serienteile in jeier gewünschten Form und gleicher Struktur aus dem Wickeilatninat zu schneiden sind. Dabei können die Teile entweder direkt auf dem Wickeldorn oder aus einer nach dem Abnehmen von dem Wickeldorn geebneten Platte herausgeschnitten werden.

Bei einer gitterförmigen Anordnung des Wickellaminats wird mit wesentlich geringerem Materialaufwand als bei geschlossenen Wickellagen eine gleich hohe Festigkeit erzielt. Ein weiterer Vorteil der gitterförmigen Anordnung besteht darin, daß auch sehr spröde Fasern in einer gewebeartigen Verbindung gewickelt werden können. Es ist dadurch erfindungsge— maß möglich, für die Herstellung der Rovings auch Kohlenstoff asern zu verwenden. Dieses ist von großem Vorteil, insbesondere für Kohlenstoffasern des Hochfestigkeitstyps, die bei einem Verweben mit Kette und Schuß wegen ihrer Sprödigkeit brechen würden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen

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BAD ORIGINAL^T

Fig. 1 einen Wickeldorn mit einem Wickellaminat entsprechend der Erfindung in schematischer Darstellung;

Fig. 2 einen Ausschnitt aus dem Wickellaminat der Fig. 1 in ebener Darstellung;

Fig. 3 eine Querschnitt in stark vergrößerter Darstellung durch einen aus sechs Rovings gebildeten Faserstrang;

Fig. 4 einen Querschnitt wie Fig. 3 mit einem Faserstrang aus zwölf Rovings;

Fig. 5, 6 und 7 Beispiele von aus dem Wickellaminat herzustellenden Leichtbaukörpern;

Fig. 8 einen Wickeldorn wie Fig. 1 in verkleinertem Maßstab und

Fig. 9 eine ebene Abwicklung des Wickeldorn3 der Fig. 8.

Ein Wickeldorn 1 wird durch eine Welle 2 in bekannter, nicht dargestellter Weise über ein Getriebe oder dergleichen angetrieben. Auf den Wickeldorn werden Rovings 3, welche von einem Wickelkopf 4 geführt und von einer Garnrolle 5 abgewickelt werden, durch stetiges Hin- und Herwandern des Wickelkopfes aufgebracht. In dem Wickelkopf A werden die Rovings über Rollen 6 geführt und dabei in einem Kunstharzbad 7 getränkt· Auf dem Wickeldorn 1 werden die Rovings 3

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zu Fasersträngen, deren Aufbau an Hand der Fig. 3 und 4 n.'iher beschrieben wird,' zusammengefaßt· und='diese" "kreuzweise aufgewickelt. Der Übersichtlichkeit halber sind nur Faserstränge 8 und 9 gezeigt, die ein stets wiederkehrendes webeartiges Muster 10 begrenzen.

Die Fig. 2 zeigt ein Stück eines auf dem Wickeldorn 2 gewickelten fertigen Wickellaminats 11 in ebener Darstellung. Die Lage eines jeden der gezeigten Faserstränge 12 ist nach einer vorgegebenen Bewegung des Wickelkopfes 4 und Drehung des Wickeldorns 1 bestimmt. Das hier gezeigte Muster 10 besteht aus vier kreuzweise aufgebrachten Fasersträngen 12, die sich in stets wiederholender Weise so überkreuzen, daß ein zuletzt gewickelter Faserstrang 8 durchläuft und dabei einen davor gewickelten quer gerichteten.Faserstrang 9 überdeckt. Diese gegenseitige Pberdeckung wiederholt sich entsprechend dem Aufbau des Musters 10 viermal bis mit den Fasersträngen 8 und 9 wieder ein neues Muster beginnt. Die Faserstränge sind mit Abständen a und b gewickelt, die üblicherweise gleich ausgeführt sind und entsprechend den Festigkeits- und sonstigen Anforderungen gewählt werden können. Durch das kleine, immer wiederkehrende Muster 10 entsteht für das Wickellaminat 11 der Gesamteindruck eines symmetrischen flachenhaften Aufbaus. Es liegt im Rahmen der Erfindung, bei der Kreuzung der Faserstränge auch andere Muster, andere Abstände a und b der Faserstränge und unterschiedliche Kreuzungswinkel zu wählen.

Beispiele für den Aufbau der Faserstränge 12 sind aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich. Entsprechend Fig. 3 sind sechs

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Rovings 3 in zwei Dreierschichten und entsprechend Fig. zwölf Rovings 3 in drei Viererschichten zu einem Faserstrang zusammengefaßt. Je nach den Festigkeitsanforderungen können die Faserstränge 12 in jeder zweckmäßigen Variation von Schichten und Anzahl von Rovings pro Schicht gewählt werden, wobei für gering beanspruchte Leichtbauteile auch einschichtige Faserstränge möglich sind.

Die Weiterverarbeitung des fertigen Wickellaminats zu Leichtbauteilen, die vor dem vollständigen Aushärten erfolgen muß, kann auf verschiedene Weise vorgenommen wer-* den. Werden beispielsweise, wie Fig. 5 zeigt, für die Herstellung eines kastenförmigen LeichtbaukÖrpors 15 quadratische Wandte!Xe benötigt, so können diese entsprechend dem in der Fig. 1 dargestellten Ausschnitt 11 direkt auf dem Wickeldorn herausgeschnitten werden. Dabei ist es möglich, die Schnittkanten entsprechend den späteren Hauptbelastungsrichtungen des fertigen Körpers zum Beispiel wie dargestellt in die Richtung der Faserstränge und 9 oder auch in Richtung oder parallel zur Achse la des Wickeldorns zu legen. Die ausgeschnittenen Wickellaminate 11 werden dann in geeigneter Weise zu ebenen Wandteilen gepreßt, ausgehärtet und zu dem Leichtbaukörper 15 zusammengefügt.

In gleicher Weise ist es möglich, das Wickellaminat entsprechend Fig. 6 zu einem Rohr 16 zu formen, bei dem das quadratische Laminat 11 zusammengerollt, in einer Nahtstelle 17 überlappt und dann ausgehärtet wird. Eine andere Verwendungsmöglichkeit für die Weiterverarbeitung der ausgeschnittenen Wickellaminate ist aus der Fig.

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ersichtlich· Hierbei werden in einer nicht gezeigten Form vier Laminatstücke 11 zu einer sphärisch gekrümmten Haube 18 zusammengefügt. Es lassen sich viele weitere Anwendungsmöglichkeiten für die Weiterverarbeitung der Wickellaminate ausführen. Sie alle haben gemeinsam, daß ihr struktureller Aufbau durch die nach dem erfinderischen Verfahren angewandte Wickeltechnik vollkommen gleich ist. Es ist somit möglich, die solcher Art herzustellenden Körper vorher genau festigkeitsmäßig zu berechnen und damit einen optimalen Leichtbau sicherzustellen.

In den Fig. 8 und 9 ist eine andere Methode der Weiterverarbeitung eines Wickellaminats gezeigt. Dabei wird das fertige Laminat in bekannter Weise aufgeschnitten, vom Wickeldorn 1 abgewickelt und zu einer ebenen Platte 20 gepreßt. Aus dieser Platte können entsprechende Teile ausgeschnitten und zu Leichtbaukörpern zusammengesetzt werden. Wenn die gewünschten Teile eben sind, kann die Platte 20 vorher aushärten, bei gekrümmten Teilen müssen diese selbstverständlich vor dem Aushärten ausgeschnitten und in die gewünschte Endform gebracht werden·

- Patentansprüche -

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Claims

Messerachmitt-Bülkow-Blohm Ottobrunn, 19. Dezember 19 Gesellschaft mit BT 012 Hi/th beschränkter Haftung, München 7783 P atentan sprü ehe

1. Verfahren zum Herstellen von Leichtbauteilen aus faserverstärktem Kunststoff, bei dem mit Kunststoff getränkte Rovings auf einen Wickeldorn in kreuzweisen Lacjen zu einem Laminat gewickelt und das fertige Laminat vom Wickeldorn abgenommen und ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß beim Wickeln jeweils mehrere Rovings (3) zu Fasersträngen (12) zusammengefaßt werden, die Faserstränge zweier sich kreuzender Lagen so neben- und übereinander angeordnet werden, daß sie zu einer webeartigen Bindung verbunden v/erden, dann das fertige Wickellaminat entsprechend den Umrissen der herzustellenden Leichtbauteile (11) aufgeschnitten wird und anschließend die Leichtbauteile in ihre Fertigform gebracht und ausgehärtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Wickeln eines Faserstranges (12) vorzugsweise sechs Rovings (3) in zwei Schichten zusammengefaßt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die webeartige Bindung der sich kreuzenden Lagen in einem flächig begrenzten, sich stets wiederholenden Muster (10) erfolgt.

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4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umrisse der Leichtbauteile (11) direkt auf dem Wickeldorn (1) aus dem Laminat herausgeschnitten und die Leichtbauteile (11) dann in ihre Fertigform gebracht und ausgehärtet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet ,daß das fertige Wickellaminat aufgeschnitten, vom Wickeldorn (1) genommen und zu einer ebenen Platte (20) geformt wird, worauf aus dieser Platte die Umrisse der Leichtbauteile (11) ausgeschnitten und letztere entsprechend ihrer Fertigform entweder eben gelassen oder verformt und dann ausgehärtet werden·

6· Verfahren nach den Ansprachen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Umrisse der Leicht-. . bauteile (11) entsprechend den Richtungen ihrer Hauptbelastungen ausgeschnitten werden, wobei das Laminat bevorzugt entweder in Achsrichtung (la) des Wickeldorns (1) oder parallel zur Richtung einer der Faserstranglagen (8,9) aufgeschnitten wird·

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 und einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch g e k e η η ζ e i chn e t, daß die Faserstränge (12) mit einem Abstand (a, b) zueinander gewickelt werden, wodurch eine gitterförmige Anordnung des Wickellaminats erzeugt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch g e k en η ζ e I c h η e t , daß für die Herstellung der Rovings (3) Kohlenstoffasern verwendet werden.

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