DE2518644A1 - Bauteil, ausgebildet als kegelfoermige schale - Google Patents

Bauteil, ausgebildet als kegelfoermige schale

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DE2518644A1 DE19752518644 DE2518644A DE2518644A1 DE 2518644 A1 DE2518644 A1 DE 2518644A1 DE 19752518644 DE19752518644 DE 19752518644 DE 2518644 A DE2518644 A DE 2518644A DE 2518644 A1 DE2518644 A1 DE 2518644A1
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Description

Friedrichshafen
Reg. S 222
Bauteil, ausgebildet als kegelförmige Schale
Die Erfindung betrifft Bauteile/ ausgebildet als kegelförmige Schale, bestehend aus einzelnen übereinander geschichteben Lagen veη in Kunststoff eingebetteten, in der Abwicklung unidirectional gelagerton, hochfesten Verstürkungsfasern geringer Wärmeausdehnung.
Beispielsweise in der Rcunfchrttechnik worden für Bauteile von Raumfahrzeugen neben hoher Festigkeit und geringem Gewicht auch besondere thermische Eigenschaften gefordert. Derartige Bauteile müssen für bestimmte Anwendungszwecke ein thermisch völlig neutrales Verhalten zeigen, d* h, es müssen Werkstoffe verwendet werden, deren Wärmeausdehnungskoeffiziorit gleich Null oder zumindest nahe Null ist.
Die aufgestellte Forderung bezüglich das thermisch neutralen Verhaltens der Bauteile kann außer über die Materialauswahl auch konstruktiv und gleichzeitig günstigere Materialauswahl erfüllt werden.
Es ist allgemein in der Technik bekannt, für derartige Aufgaben glasfaserverstärkte Kunststoffe, insbesondere durch hochfeste Fasern geringer Wärnieausdehnung verstärkte Kunststoffe einzusetzen. Es ist in diesem Zusammenhang auch bekannt, derartige Fasern in Form von Stapelfasern in Kunststoffe einzubetten und sogenannte Vorimprägnate herzustellen. Es sind auf organischer Basis hergestellte Verstärkungsfasern bekannt,
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ζ. B. aromatische Polyamide, die die geforderten Eigenschaften hinsichtlich der Festigkeit, des Ε-Moduls und der Wärmoausdehnung aufweisen. Das trifft auch auf KohJ.enstoffase.rn zu. Die Fasern (Stapelfasern) werden in einem bekannten Ausrichtungsverfahren zur Herstellung von uriidirektionalen Vorimprägr.aten verarbeitet. Der thermische Ausdehnungskoeffizient liegt in Fu^errichtung betrachtet,boi derartigen Voriinprägnaten äußerst niedrig.
Um zu Pauteilen ir.it thermisch möglichst neutralem Verhalten zu gelangen, stellt man Bauteile, wie Rohre oder ebene Platten, durch Wickeln oder Aufeinanderschichten von Lagen der genannten unidirektionalen Vorimprägnate her, wobei sich die Verc-tärkungsfasern der einzelnen Lagen Uberkreuzen. Werden mehrere Schichten derartiger Vorirnprägnate in bestimmter Weise zu einem Laminat verarbeitet, kann das thermische Verhalten des Bauteiles in mehreren Ausdehnungsrichtungen festgelegt bzw. beeinflußt werden. Es lassen sich dazu auch die genannten Fasern enthaltende , mit Kunststoff imprägnierte Gewebe mit sich kreuzender Gewebbindung verwenden.
Bei der Herstellung von ebenen Platten oder zylindrischen Rohren bzw. Stäben lassen sich die genannten Vorimprägnate mit unidirektionaler Ausrichtung der Verstärkungsfasern ohne Schwierigkeiten zur Erzielung eines neutralen thermischen Verhaltens des Bauteiles einsetzen. Bei der Herstellung von Bauteilen, die von den angegebenen Formen abweichen, z. B. bei der Herstellung von Kegelschalen, ergeben sich hinsichtlich der Lage
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der Verstärkungsfasern insbesondere der Lage der Fasern mehrerer Schichten zueinander, Schwierigkeiten. Werden für diese Art Bauteile ebene Abwicklungen durch Ubereinciiiderschichten der genannten Voririprägnatc zur Bildung eines KrcuzverbanJos der Verstcirkungsfasern verwendet, so ergibt sich bei der Bildung der herzustellenden Kegelschale an den einander anstoßenden Kanton ('er Abwicklungen eine Unterbrechung der Fasern. Die fasern liegen dann nicht mehr unidirektional, sondern stoßen im Bereich dar Stoßkanten der Abwicklungen in einem Winkel aufeinander. Abgesehen von den Nachteilen, dio sich fectigkoitsmUßig daraus ergeben, wird dadurch auch in erheblichen Maße dos thermische Verhalten derartig gebildeter Bauteile beeinträchtigt.
Gegenüber dom Bekannten ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung als kegelförmige Schalen ausgebildete Bauteile so zu gestalten, daß das thermische Verhalten des Bauteiles unter Verwendung von unidirektionalen Vorimprägnaten mit hochfesten Verstcirkungsfasern geringer Wärmeausdehnung neutral ist, d. h., daß der Wärmeausdehnungskoeffizient gleich Null oder nahe Null gehalten wird. Dieses Ziel soll bei gleichzeitiger Ausnutzung der günstigen Festigkeits- und Gewichtseigenschaften des verwendeten Werkstoffes erreicht werden.
Erfindungsgemäß ist die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die kegelförmige Schale aus mindestens zwei Lagen von Vorimprägnaten gebildet ist und sich die Verstärkungsfasern der übereinandergeschichteten Lagen überkreuzen und zwar so, daß ein Netz von Verstärkungsfasern mit an jeder
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Stelle der Schale gleichen Kreuzungswinkeln zwischen den Fasern der Lagen erzeugt ist. So ausgebildete keglige Schalen, die z. B. als Antennenträger für einen Satelliten verwendet werden können s erfüllen durch die sich ergebenden, an jeder Stelle der kegligen Schale netzförmigen Überkreuzungen der Verstärkungsfasern der Lagen einen Verbund, durch dem sich das
Gesatiitbauteil bei Verwendung entsprechenden Fcurermaterials thermisch völlig neutral verhält. Die Abhängigkeit zwischen dem zu wählenden Kegelwinkel für die Kegelschale und der Minärsstanzahl dar Lagen,durch die die
Schale gebildet wird, ist in oen weit aus meisten Anwendungsfällen für
derartige Bauteile nicht von Bedeutung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht ein weiteres Merkmal darin, daß die einzelnen Lagen durch an sich bekannte Vorimprägnate
mit in der Abwicklung der Kegelschalen unidirektionalen Kohlenstoffatom gebildet sind. Mit derartigen bekannten Fasern gebildete und in der bestimmten Kegelform, d. h. mit bestimmten Kegelwinkeln ausgeführte aus
einer Anzahl von Lagen zusammengefügte Schale , ist ein thermisch völlig neutrales Verhalten des Bauteiles erzielbar.
Gemäß der Erfindung besteht ein weiteres Merkmal darin, daß sich
zur Erzielung eines symmetrischen Wandaufbaues in Richtung der Wandstärke die Schale aus einer zu einer gedachten Mittelkegelfläche beidseitig gleichen Anzahl von Lagen zusammensetzt. Damit ist ein symmetrischer Wandaufbau in Richtung des Querschnittes der Wandung der Kegelschale, d. h. in
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Richtung der Wandstärke gewährleistet. Die keglige Schale kann sich danach aus zv/ei oder mehreren geradzahligen Vielfachen von zwei Lagen zusammen setzen.
Ein weiteres Merkmal besteht ferner darin, daß sich die kegelförmig'.? Schale aus mehreren gleichbemessenen und zusammenhängenden Abschnitten von Abwicklungen, entsprechend der Anzahl der geforderten Logen ;aisar.m.ense.tz, wobei die Verstärkungsvasern in der Abwicklung seitlich die gleiche Ausrichtung aufweisen. Zur Bildung der kegelförmigen SchcJc ist dabei unter Berücksichtigung der zu erzielenden Netzstruktur dor Verstärkungsfasern dir Lagen vorgesehen, doß die aneinander anschließend:?.;') Abschnitte der Abwicklung zur Bildung der kegelförmigen Schale wendelförmig aufeinandergelegt und im Autoklaven unter Einfluß von Wärme und Druck miteinander verbunden werden. Die Vcrimprognate härten dabei endgültig aus. Bei Einhaltung der vorbestimmten Kegelwinkel dor zu bildenden kegelförmigen Schale und Anordnung der bestimmten Anzahl von Lagen ergibt sich die geforderte Netzstruktur der Verstärkungsfasern. Sind beispielsweise zwei Lagen gefordert, so müssen sich deren Fasern zur Erzielung des geforderten Wandaufbaues der Schale unter 90 überkreuzen. Dazu sind drei unterschiedliche Kegelwinkel der fertigen kegligen Schale realisierbar, und zwar mit den Kegelwinkeln 28,95 ; 60 und 97,18 . Bei einer Mindestanzahl von drei Lagen von unidirektionalen Vorimprägnaten und einem Kreuzungswinkel der Verstärkungsfasern unter einem gleichen Winkel von 60 sind fünf unterschiedliche Winkel für die kegelförmige
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Schale ausführbar. Es ist dabei zweckmäßig, daß die Abwicklungen aus den vorimprägnierten Lagen mit unidirectional liegenden Fasern so ausgebildet sind, dcß eine der Stoßkanten der Abwicklung parallel zur Ausrichtung der Vers tärkungsfasern verläuft.
Eine andere Ausführungsform für die Bildung der kegligen Schale zeichnet sich dadurch aus, doß sich die kegelförmige Schale aus einzelnen aus Abwicklungen zu entsprechend kegligen, an ihren Stoßkanten zusammengefügten und durch Vorimprägnate mit unidirektionalen Verstürkungsfasern gebildeten Lagen zusanaiensetzt. Bei diese:" Ausführung werden also für die Herstellung ehr kegelförmigen Schalen einzelne entsprechend keglig geformte Lagen aufeinandergesetzt. Die einzelnen Lagen v/erden dabei um die Hochachse der Kegelschale soweit gegeneinander verdreht angeordnet, daß sich die die geforderte Netzstruktur der Verstärkungsfasern bei Einhaltung der vorbestimmten Kegolv.'inkel ergibt. Die so aufeinander gesetzten Lagen werden dann im Autoklaven unter Druck und unter Wärmezufuhr miteinander verklebt und dabei die Vorimprägnate ausgehärtet. Diese Ausführung gestattet einen symmetrischen Aufbau der kegelförmigen Schale in Richtung dsr Wandstärke«
in der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt.
Fig. ] zeigt in einer Abwicklung Lagen für eine Kegelschale, gebildet aus den genannten Vorimprägnaten mit unidirektionalen Verstärkungsfasern,
Figo 2 zeigt ebenfalls schematisiert,, die aus Kegelabii/icklungen zweier gebildete Kegelschale gemäß Fig. 1, wobei sich deren Ver-
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Stärkungsfasern unter 90 kreuzen,
Fig. 2a zeigt in einem vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2 in schematiccher Darstellungsweise die sich kreuzenden Verstärkungefasern zweier
Lagen,
Fig. 3 zeigt schematisch eine von drei Lagen in Abwicklung für die Bildung
einer Kegelcchale,
Fig. 4- zeigt schematisch die aus den Lagen gebuchte Kegelschale gemäß Fi^. 3, wc bsi sich die Verstorkungsfasern de-r einzelnen Lagen unter
60 kreuzen,
Fig. Aa zeigt in einem vergrößerten Ausschnitt aus F5.g. 4 in schönatischer Darstellungsweise die eich kreuzenden Verstärlamgsfasern dreier
Lagen,
Fig. 5 zeigt in einer Draufsicht auf die Kegelschale gemäß Fig. 2 in schematischer Darstellungsweise den Verlauf der Verstärkungsfaden!
beider Lagen,
Fig. 6 zeigt schematisch den Aufbau der Kegelschale mittels der Lagen im
Querschnitt durch die Kegelschalenwand, Fig. 7 zeigt Kegelabwicklungen einzelner Lagen für mögliche Kegelwinkel der zu bildenden Kegelschale mit sich unter 60 kreuzenden Verstärkungsfasern von Vorimprägnaten bei einer Mindestanzahl von
drei Lagen, Fig. 8 zeigt eine tabellarische Aufstellung über mögliche Kegelwinkel der zu bildenden Kegelschale unter Berücksichtigung der Kreuzungswinkel der Verstärkungsfasern bei einer Mindestanzahl von aufeinanderge-
.... . , 609845/0888
schichteten Lagen.
•A
Bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 1 und 2 ist eine Lage 4 in Form einer Kegelabwicklung 2 bestehend aus einem Vorimprägnat mit unidirektionalen Verstärkungsfasern für die Bildung einer Kegelschale 3 dargestellt, wobei sich die Abwicklung auf einen Kreissektor von 270 erstreckt. Zur Bildung der Kegelschale 3 gemäß Figur 2 sind zwei der genannten Lagen 4 bzw. 5 erforderlich. Aus den Abwicklungen 2 werden kegelförmige Lagen durch Verbinden der Stoßstellen 7 und S gebildet und aufeinandergeschichtet. Nach entsprechender Versetzung der beiden aufeinanderge-' schichteten Lagen 4 bzw. 5 um die Kegelachse A ergibt sich bei einem Kegelwinkel °£ gleich 97,18 für die zu bildende Kegelschale ein Netz von Vcrstcirkungsfasern mit rechtwinkliger Überkreuzung.
Es ist auch denkbar, die Kegelschale 3 so zu bilden, daß die Lagen 4 und 5 an einer ihrer Stoßkanten 7 bzw. 3 miteinander verbunden werden. Daraus ergibt sich eine wendeiförmige Lage von insgesamt 540 . Bedingung dabei ist, daß eine der Stoßkanten der Lagen 4 bzw. 5, bei der gezeigten Ausführung gemäß Figur 1 die Stoßkante 7, einen Verlauf parallel zur Ausrichtung der Fasern K aufweist. Bei der an die Stoßkante 7 der Lage 4 anschließenden Lage 5 muß dann die anschließende Stoßkante der zweiten Lage ebenfalls parallel zur Ausrichtung der Fasern K verlaufen. Zur Bildung der kegelförmigen Schale 3 wird die aus den beiden Lagen 4 und 5 gebildete wendelfbrmige Lage zur Kegelschale 3 (Fig. 2) geformt. Nunmehr werden im Autoklaven unter Druck und Wärmezufuhr die beiden übereinander - geschichteten Lagen 4 und 5 zusammengefügt, wobei die verwendeten Vorim- prägnate endgültig aushärten. Es wird also die rechtwinklige Netzstruktur
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der Verstärkungsfasern entsprechend Fig. 2a bei einer Mindestanzahl von zwei Lagen 4 und 5 nur bei Kegelwinkeln °C der fertigen Kegelschale 3 von 28,95 ; 60 und 97,18 erreicht. Andere Kegelwinkel sind unter der Bedingung der rechtwinkligen Netzstruktur nicht herstellbar.
Für den Aufbau der Kegelschale 3 mit einem Kegelwinkel von &C gleich 60 und einem Abwicklungswinkel ß gleich 180 sind ebenfalls zwei der genannten Lagen 4 und 5 aus den genannten Vorimprägnaten entsprechend des zu bildenden Kegels ausgeschnitten, wobei die Stoßkante 7 bzw. 8 parallel zur Ausrichtung der Verstärkungsfasern K verlaufen.
In Figur 3 ist eine von drei Lagen 4, 5 bzw. 6 in einer Kegelabwicklung dargestellt, wobei die Lage einen Kreissektor von 240 Abwicklungswinkel ή einschließt. Zur Bildung der Kegelschale 3 gemäß Figur 4 sind drei der genannten Lagen mit insgesamt 720 Abwicklungswinkel zusammenhängend wendelförmig aufgewickelt. Es können dabei auch zwei Vollkreise von Abwicklungen verwendet werden, die dann parallel zur Ausrichtung der Verstärkungsfasern K aufgetrennt sind (Stoßkante 7). An dieser Trennstelle v/erden die beiden Lagen dann miteinander verbunden. Hieraus ergibt sich z. B. bei einem Kegelwinkel OC der Kegelschale von 83,62 , wie Figur 4a zeigt, eine netzförmige Struktur der Verstärkungsfasern K, wobei sich die Verstärkungsfasern unter 60 überkreuzen.
Figur 4 zeigt die aus den drei Lagen 4, 5 und 6 gebildete Kegelschale 3 und angedeutet die Netzstruktur der sich überkreuzenden Verstärkungsfasern K. Es sind dabei eine Mindestanzahl von dreil Lagen 4,
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und 6 zur Bildung der Kegelschaie erforderlich. Diese Ausführung läßt konstruktiv für die Bildung der Kegelschale 3 Kev3elwinkel von 19,19°; 38,34°; 60°; 83,62° und 112,83° zu.
Durch Aufeinanderschichten von zwei Lagen oder einem Vielfachen von zwei Lagen wird in Richtung der Wandstärke s der fertigen Kegelschale 3 ein symmetrischer Aufbau der Wandung erreicht.
Figur 6 läßt einen solchen symmetrischen Wandaufbau erkennen. Es sind dort! sechs Lagen von Vorimprägnaten mit unidirektionalen Verstärkungsfasern K vorgesehen. Die beiden Lagen, die die gestrichelt angedeuteten Verstärkungsfasern K zu beiden Seiten der gedachten Mittelkegelfläche M,. enthalten, liegen in Wirklichkeit aufeinander. Wiederum zu beiden Seiten der Mittelkegslfläche M,, liegen zwei weitere Lagen auf, deren Verstärkungsfasern K mittels Kreisen angedeutet sind. Auf diese Lagen sind zwei weitere Lagen aufgeschichtet, deren Verstärkungsfasern K durch durchgezogene Striche angedeutet sind. Die verschiedenen Symbole für die Verstärkungsfasern K sollen den unterschiedlichen Verlauf der Verstärkungsfasern zueinander andeuten. Die symmetrische Ausbildung gemäß der Ausführung nach Figur 6 gewährleistet den geforderten Wandaufbau auch in Richtung der Wandstärke s der Kegelschale 3.
Über den gezeigten Aufbau der Kegelschale 3 hinaus ist auch ein Aufbau mit einer noch größeren Anzahl von Lagen denkbar. Es besteht jedoch zwischen der Mindestanzahl von Lagen, dem geforderten Kreuzungswinkel der Verstärkungsfasern K der Kegelschale 3 und dem sich daraus
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ergebenden möglichen Kegelwinkel &C dieser Schale eine feste Beziehung, die aus der Auswahl nach Fig. 7 zu erkennen ist. Selbstverständlich ist es auch denkbar, über die erforderliche Mindestanzahl von Lagen hinaus zur Bildung einer Kegolschale noch weitere Lagen aufzubringen. Die Fasern dieser Lagen stimmen dann in ihrer Ausrichtung mit der Ausrichtung der Fasern der zur Mindestanzahl gehörenden Lagen Uberein.
24. Awril 1975
KJ 10/Wke
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Claims (1)

  1. Reg. S 222
    Patentansprüche:
    I.I Bauteil, ausgebildet als kegelförmige Schale, besteht aus einzelnen übereinander geschichteten Lagen von in Kunststoff eingsbotteten, in der Abwicklung der Schale unidirectional gelagerten ,hochfesten Ve.r-· ' stärkungsfasern geringer Wärmeausdehnung, dadurch gekennzeichnet, doß die kegelförmige Schale (3) au& mindestens zwei Lagen von Vorimprögnaten gebildet ist und sich die Verstärkungsfasern (K) der übereinander geschichteten Lagen (4, 5, 6) überkreuzen und zwar so, daü ein Netz von Verstärkungsfasern (K) mit an jeder Stelle der Schale (3) gleichen Kreuzungswinkel zwischen den Fasern (K) der Lagen (4, 5, 6) erzeugt ist.
    2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, OaB die einzelnen Lagen (4, 5, 6) durch an sich bekannte Vorimprägnate mit in der Abwicklung (2) der Kegelschale (3) unidirektionalen Kohlenstoffasern (K) gebildet sind.
    3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich zur Erzielung eines symmetrischen Wandayfbaues in Richtung der Wandstärke (s) die Schale (3) aus einer zu einer gedachten Mittelkegelfläche (M^)
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    beiseitig gleichen Anzahl von Lagen (4, 5, 6) zusammensetzt.
    4. Bauteil nach Anspruch I7 dadurch gekennzeichnet, daß sich die kegelförmige Schale (3) aus mehreren gleich bemessenen zusammenhängenden Abschnitten von Abwicklungen (2) entsprechend der Anzahl der geforderten Lagen (4, 5, 6) zusammensetzt, wobei die Verstärkungsfaden! (Κ) in der Abwicklung sämtlich die gleiche Ausrichtung aufweisen.
    5. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die kegelförmige Schale (3) aus einzelnen aus Abwicklungen (2) zu entsprechend
    kegligen,-an ihren Stoßkarrten (7, 8) zusammengefügten und durch Vorrat,. ...
    iinpragnate^unidirektional ausgerichteten Verstärkungsfasern (K) gebildeten Lagen (4, 5, 6) zusammensetzt.
    6. Bauteil nach Anspruch 1 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aneinander anstoßenden Kanten (7, 8) der Abwicklungen (2) parallel zur Ausrichtung der Verstärkungsfasern (K) verlaufen.
    7. Bauteil nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen (4, 5, 6) um die Kegelachse (A) gegeneinander versetzt zusammengefügt sind und zwar so, daß die Kegelschale (3) ein Netz aus Verstärkungsfasern (K) mit gleichen Kreuzungswinkeln aufweist.
    24. Afjril 1975
    KJ 10/tk/ke 609845/0888
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