DE3239804A1 - Verfahren zur herstellung eines gegenstands durch faserwickeln - Google Patents

Description

Die Anmeldung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands durch Faserwickeln, und insbesondere auf ein Verfahren, bei dem Leerräume im gewickelten Gegenstand auf ein Minimum gebracht sind.

Bei modernen Herstellungsverfahren zur Erzeugung von Gegenständen mit gesteigerter Festigkeit,werden häufig Faserwickeltechniken verwendet. Bei derartigen Techniken werden hochfeste Fasern, die in einer Matrix aus Bindematerial angeordnet sind um eine Form oder einenDorn gewickelt, dessen Gestalt allgemein der erforderlichen Gestalt des fertiggestellten Gegenstands entspricht; danach wird das Matrixmaterial ausgehärtet. Bei der Herstellung eines länglichen Artikels, wie eines Tragflügels mittels derartiger Faserwickeltechniken war es üblich, die Fasern um die Form herum zu wickeln, während die Form und die Fasern hin- und hergehend relativ zueinander entlang der Längsachse oder Wickelachse der Form ausgelenkt werden. Bei diesem Verfahren wird auf die Form eine Vielzahl von Fasermateriallagen aufgelegt, wobei die Fasern jeder Lage winkelmäßig bezüglich der Wickelachse sowie bezüglich der Fasern benachbarter Lager versetzt sind. Zur Erzielung einer kontinuierlichen Hin- und Herbewegung der Fasern entlang der Form beim Aufwickeln der Fasern auf diese werden Wendestellen oder Wickelringe an den Enden der Form oder dem Ende des Segments der bewickelten Form verwendet, wobei übereinanderIiegende Endwindungen der verschiedenen. Schichten dadurch geformt werden, daß die Fasern über die Kanten und über eine Außenstirnfläche des Wickelrings weg gewickelt werden, während die Richtung der Längsauslenkung zwischen den Fasern und der Form umgekehrt wird.

Dabei überkreuzen die Faserbänder jeder Lage die Bänder der unmittelbar vorhergehenden Lage in einem bestimmten Kreuzungswinkel, der gleich dem zweifachen des Wicklungswinkels ist.

Da die senkrecht zur gewickelten Oberfläche während des Wickelvorgangs auftretenden Belastungen manchmal nicht ausreichend sind, um die Fasern nennenswert zu komprimieren, führen derartige Überkreuzungen des oben liegenden Faserbandes zu Leerräumen in der durch die beiden Lagen gebildeten Schicht. Solche Leerräume neigen zur Erzeugung unregelmäßig gewickelter Oberflächen, schwächen den fasergewickelten Gegenstand und beeinträchtigen die Übereinstimmung der tatsächlichen Gestalt des gewickelten Gegenstands mit der gewünschten Konstruktionsgestalt nachteilig.

Das vorstehend beschriebene Wickelverfahren, bei dem ein Faserband um eine rotierende Form gewickelt wird, während das Band und die Form in Längsrichtung hin- und herbewegt werden, wurde zuerst bei der Bildung von regelmäßigen geometrischen Gestaltungen, wie Zylindern und Kugeln durch Faserwickeltechniken verwendet. Der Fachmann versteht ohne weiteres, daß bei der Wicklung derartiger regelmäßiger geometrischer Formen die Fasern auf allgemein geodätischen Pfaden gewickelt werden, d.h. auf Pfaden, welche den kürzesten Abstand zwischen einem Paar von beabstandeten Oberflächenpunkten beschreiben. Bei der Wicklung komplex unregelmäßiger Formen, wie der verdrehten, verjüngten Gestalt einer großen Windturbinenblatt-Tragflache, ist es zur Aufrechterhaltung eines konstanten Wicklungswinkels häufig erforderlich, daß die Fasern auf nicht geodätischen Pfaden gewickelt werden, wodurch Querbelastungen auf die Bänder ausgeübt werden, während sie über die Form oder über benachbarte Faserschichten gewickelt werden. Derartige Querbelastungen führen häufig zur Trennung der Vorgespinste innerhalb eines Bandes und zur Entstehung von Leerräumen aufgrund dieser Trennung. Da jede Faserlage eine vorhergehende Lage überkreuzt, werden Leerräume, die sich aus einer derartige Vorgespxnsttrennung ergeben, nachfolgend durch darüberliegend gewickelte Lagen nicht aufgefüllt.

Wie vorstehend erläutert, ist das Fasermaterial mit einem

Bindemittel oder Klebemittel, wie einem Epoxidharz oder ähnlichem imprägniert, das nach dem Wickeln ausgehärtet wird. Es mag zwar so erscheinen, als würden die Leerräume in dem gewickelten Gegenstand aufgrund der Überkreuzung der Lagen und der Fasertrennung aufgrund ihrer nicht geodätischen Wicklungspfade durch Fließen des Bindemittels beim Wickeln von großen Windturbinenblättern mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren aufgefüllt werden, jedoch tritt dieses Fließen aufgrund des verhältnismäßig hohen Fasergehalts (wenig Bindemittel), der für eine erhöhte Festigkeit erforderlich ist, sowie aufgrund der Kapillarwirkung und der Dochtwirkung nicht auf, die dazu neigen, zu bewirken, daß im wesentlichen das gesamte nicht ausgehärtete Bindemittel an dem Vorgespinst haftet.

Es ist daher ein Hauptziel der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands durch Faserwickeln zu schaffen, bei dem die Erzeugung von Leerräumen innerhalb des Gegenstands auf ein Minimum gebracht ist. Gemäß diesem Verfahren werden die Leerräume zwischen den Fasern aufgrund der Wicklung entlang nicht geodätischer Pfade durch Fasermaterial aus darüberliegend gewickelten Lagen aufgefüllt.

Gemäß der Erfindung werden diese Ziele dadurch erreicht, daß alle Lagen einer einzigen Schicht in gleichförmiger Richtung gewickelt werden, wodurch überkreuzungen innerhalb einer Schicht beseitigt werden, und Fasern einer Lage die Leerräume in einer darunterliegenden Lage innerhalb der gleichen Schicht auffüllen. Gemäß der Erfindung wird eine derartige Anordnung des Fasermaterials dadurch erreicht, daß gleichzeitige hin- und hergehende geradlinige und drehende Bewegungen zwischen der Form und dem Dorn, auf dem der Gegenstand gewickelt wird, und einem Band aus Fasermaterial, das auf die Form gewickelt wird, ausgeführt werden,

Durch eine derartige hin- und hergehende Bewegung wird das Band um die Form herum entlang einer Wicklungsachse durch die Form gewickelt, und wenn das Band das Ende der Form erreicht, kehrt es seine Richtung um und wandert zurück entlang der Wickelachse; diese Richtungsumkehr ist begleitet von einer allgemein gleichzeitigen Richtungsumkehr der Relativrotation zwischen dem Fasermaterial und der Form. Es ist anzumerken, daß diese gleichzeitigen Richtungsänderungen sowohl in der geradlinigen Auslenkung entlang der Wicklungsachse und in der Rotationsauslenkung um die Wicklungsachse herum, dazu führt,daß die Vorgespinste in benachbarten Lagen um die Form mit einem gleichförmigen Wicklungswinkel herumgelegt werden, so daß Faserüberkreuzungen und die damit verbundenen Leerräume völlig beseitigt werden. Der gleichförmige Wicklungswinkel ermöglicht es auch, daß die Vorgespinste einer oben liegenden Lage die Leerräume zwischen Vorgespinsten einer unten liegenden Lage füllen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Gegenstandes , der mit einem bekannten Verfahren der Faserwickeltechnik aufgebaut ist;

Fig. 2 eine Teilseitenansicht eines Abschnitts

eines Gegenstands, der gemäß der Fig. 1 gewickelt wurde;

Fig. 3 eine Schnittansicht in Richtung der Linie

3-3 der Fig. 2;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Gegenstands,

der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebaut ist; und

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Fig. 5 ■ eine perspektivische Teilansicht eines Abschnitts eines Gegenstands, der mit der erfindungsgemäßen Faserwickeltechnik aufgebaut ist.

In der Fig. 1 ist ein Gegenstand mit nicht kreisförmigem länglichem Querschnitt gezeigt, der mit einem bekannten Verfahren des Faserwickeins hergestellt wird, wobei in diesem Fall der Gegenstand ein längliches Tragflügelblatt ist, wie es in großen Windturbinen verwendet wird. Das Verfahren wird auf einer Wickelmaschine 10 ausgeführt, welche eine drehbare Welle (Spindel) 13 umfaßt, auf welcher eine Form 16 derart montiert ist, daß die Form mit der Welle um die Längsachse oder Wicklungsachse der Form rotiert. Die Wickelmaschine 10 umfaßt auch einen Schlitten oder einen Wickelkopf 19, der sich über die Länge der Wickelmaschine in einer geradlinigen Bewegung entlang der Schienen 22 hin- und herbewegt. Der Wickelkopf 19 empfängt eine Vielzahl von kontinuierlichen Fasern bzw. Filamenten oder Vorgespinsten 25, wie Glasfasern oder ähnliches aus einer geeigneten Vorratsquelle (nicht gezeigt), und die beschichtet die Vorgespinste mit einem geeigneten Binder, wie einem Epoxy oder einer anderen geeigneten Substanz, so daß die Fasern kollektiv innerhalb einer Matrix eines Bindemittels in auf dem Fachgebiet bekannter Weise angeordnet sind. Die Fasern werden als Band aus einzelnen oder mehreren Schichten von nebeneinanderliegenden Vorgespinsten, oder aus Vorgespinsten in einzelnen Strängen, oder aus Bündeln an die Form geführt. Die gemäß diesem Verfahren geformte Tragfläche umfaßt eine Vielzahl von gewickelten Schichten des Fasermaterials. In diesem Sinn bezieht sich der Begriff "Schicht" auf eine kontinuierliche vollständige Verteilung von Vorgespinsten über die Oberfläche der Form oder über eine innere benachbarte Schicht. Wie dargestellt ist, sind die Windungen bezüglich der Wickelachse der Form winkelmäßig versetzt, wobei eine derartige Winkelorientierung

der Windungen durch die Längsbewegung des Wickelkopfs bezüglich der Form erzeugt wird und die Geschwindigkeit des Wickelkopfes relativ zur Rotationsgeschwindigkeit der Form die Winkelorientierung der Windungen bestimmt. Beim Wickeln der ersten oder innersten Schicht bzw. des innersten Umlaufs, wie in der Fig.1 gezeigt, werden die Enden des mit dem Bindemittel behandelten Filamentbandes an einem Ende der Form befestigt und die Form wird um ihre Längsachse gedreht, während der Wickelkopf über die Länge der Form von rechts nach links läuft. Wenn sich der Wickelkopf einer Umkehrung bzw. Wendung 30 nähert, legt er eine Endwendung 32 des Filamentmaterials bzw. Fasermaterials auf. Wenn der Wickelkopf am Ende der Form vorbeitritt, werden die Fasern von einem oder mehreren Stacheln eingefangen, die von der Kante der Wendung bzw. der Wendestelle 30 wegragen. Nach dem Vorbeitreten an der Wendung kehrt der Wickelkopf seine Richtung um, wodurch die Fasern über die äußere Stirnfläche der Wendestelle gewickelt werden, wonach die Fasern von einer Anzahl von Stacheln eingefangen werden, die von denjenigen versetzt sind, von denen die Fasern zuerst eingefangen wurden. Während der Wickelkopf seine Querbewegung an der Form entlang in entgegengesetzter Richtung beginnt, wird eine Endwendung 37 aufgelegt, welche die Endwendung 32 überkreuzt. Die fortgesetzte Querbewegung des Wickelkopfes 19 an der Form 16 entlang von links nach rechts unter gleichzeitiger Rotation der Form erzeugt eine zweite Lage (Umlauf) von beabstandeten Windungen des Fasermaterials. Es ist anzumerken, daß die dritte Lage aufgelegt wird, nachdem der Wickelkopf 19 die Form in der in der Fig. 1 angegebenen Richtung entlanggelaufen ist und nachdem die Richtung des Wickelkopfes 19 umgekehrt wurde. Für den Fachmann ist erkennbar, daß die Vorgespinstwindungen der dritten Lage allgemein parallel und benachbart zu den Windungen der ersten Lage liegen, jedoch die Windungen der zweiten Lage überkreuzen. Jede aufeinanderfolgende Lage wird parallel zu den Lagen aufgelegt, die bei dem Vorbeilaufen des Wickelkopfes an der Form in der gleichen Richtung aufgelegt worden

ist. Eine kontinuierliche Wiederholung dieses Vorgangs führt zu einer vollständigen Schicht aus Vorgespinsten, die in Form einer "Korbgeflechf-Gestaltung mit einer Dicke von zwei Lagen bzw. Schichten aufgebracht wurden.

In den Fig. 2 und 3 sind zwei vergrößerte Lagen dargestellt. Die Vorgespinste 40 stellen die erste Lage dar, die auf die Form gewickelt und von der Wickelachse der Form im Winkel versetzt ist. Wenn man zu Illustrationszwecken annimmt, daß die Fig. 2 in der gleichen allgemeinen Richtung wie die Fig. 1 verläuft, ist zu sehen, daß die Vorgespinste 40 aufgewickelt werden, während der Wickelkopf an der Form in Richtung von rechts nach links vorbeiläuft. Wenn der Wickelkopf das Ende der Form erreicht und die Richtung ändert, um in seine Anfangsposition in Richtung von links nach rechts zurückzukehren, wird die die Fasern 45 umfassende Lage aufgewickelt. Wenn der Wickelkopf in dieser Richtung völlig an der Form vorbeigelaufen ist, kehrt er seine Richtung um, bewegt sich von rechts nach links und legt eine dritte Lage auf, welche aus den Vorgespinsten 50 besteht, die parallel zu den Vorgespinsten 40 und benachbart zu diesen liegen, jedoch die Vorgespinste 45 überkreuzen.

Wie in der Fig. 3 gezeigt ist, bilden die Vorgespinste 40 und 45 mit der Oberfläche der Form 16 einen Leerraum 55 zwischen dem Rand des Bandes, das durch die Vorgespinste 40 und die Abschnitte der die Form 16 berührenden Vorgespinste 45 geformt ist. Es ist erkennbar, daß jede Überkreuzung wie die durch die Überkreuzung der Vorgespinste 40 durch die Vorgespinste 45 definierte einen ähnlichen Leerraum für jede einzelne Lage eines großen fasergewickelten Gegenstandes bildet, so daß Hunderte solcher Leerräume entstehen. Wenn man bemerkt, daß ein derartiger großer fasergewickelter Gegenstand Dutzende solcher Schichten umfassen kann, wird ohne weiteres verständlich, daß in einem derartigen Gegenstand Tausende dieser Leerräume entstehen können.

Wie vorstehend zum Hintergrund der Erfindung erläutert wurde, ist es bei fasergewickelten Gegenständen komplexer Gestalt nicht immer möglich, in geodätischen Pfaden zu wickeln. Es ist daher ein Wickeln auf nicht-geodätischen Pfaden erforderlich und dem Fachmann wird einleuchten, daß ein derartiges Wickeln Reaktionskräfte auf die Fasern entstehen läßt, die dazu neigen, Fasern innerhalb eines Bandes zu trennen, so daß darin langgestreckte Leerräume entstehen. Derartige "Zwischenband"-Leerräume vermindern die an sich vorhandene Festigkeit des fasergewickelten Gegenstands in der gleichen Weise wie die Leerräume 55.

Durch die vorliegende Erfindung werden derartige Leerräume, die bei herkömmlichen Faserwickeltechniken unvermeidbar sind, praktisch dadurch beseitigt, daß eine gleichförmige Winkelanordnung aller Lagen innerhalb einer Schicht von Vorgespinsten aufrecht erhalten wird. In der Fig. 4 ist eine Wickelmaschine dargestellt, die im wesentlichen gleich der in Fig. 1 dargestellten ist. Auch die Form 16 weist zum Zwecke der Erläuterung ebenfalls wie in der Fig. 1 dargestellt allgemein eine Tragflügelgestalt auf. Die mit Klebemittel behandelten Filamente oder Vorgespinste werden auf die Form durch eine geradlinige Hin- und Herbewegung des Schlittens 19 aufgelegt oder gewickelt, während die Form auf der Spindel 13 gedreht wird. Anders als bei vorstehend beschriebenen bekannten Wickelverfahren, rotiert jedoch die Form bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hin- und hergehend bezüglich des ungewickelten Faserbandes, während der Wickelkopf und damit auch das Band sich bezüglich der Form in Längsrichtung hin- und herbewegen. Gemäß der Erfindung tritt jede Veränderung der Rotationsrichtung der Form allgemein gleichzeitig mit einer Richtungsveränderung der geradlinigen Auslenkung des Wickelkopfes auf. Wie in der Fig. 4 zu sehen ist, ist die erste Lage durch eine Drehung der Form in Richtung des Pfeiles 60 gewickelt, während sich der Wickelkopf entlang der Bahnen 22 von rechts nach links bewegt. Nach

dem Erreichen des linken Endes der Form werden die Vorgespinste durch die Nägel an der Wende eingefangen, wie vorstehend beschrieben wurde, und der Wickelkopf und die.Form kehren ihre relative Rotationsrichtung um, wobei die Form nunmehr in Richtung des Pfeils 65 rotiert, während sich der Wickelkopf von links nach rechts bewegt, wodurch die zweite Lage auf die Form parallel und seitlich neben der ersten Lage aufgewickelt wird, ohne daß eine der zweiten Lagenwindungen, die Windungen der ersten Lage überkreuzt. Es ist erkennbar, daß eine Fortsetzung dieses Verfahrens dazu führt, daß die Vorgespinstbänder seitlich nebeneinander und parallel zueinander aufgelegt werden und eine vollständige Faserschicht mit einer Dicke bilden, die einer einzelnen Vorgespinstdicke entspricht. Es ist dementsprechend ersichtlich, daß Überkreuzungen innerhalb einer einzigen Schicht beseitigt werden und daher die bei derartigen Überkreuzungen auftretenden Leerräume beseitigt sind. Es ist zu sehen, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Schicht mit einer Dicke von zwei Filamentdurchmessern gewickelt werden kann, wobei alle Windungen parallel zueinander liegen. Sollten daher aufgrund des Wickeln in nicht-geodätischen Pfaden Zwischenband-Leerräume vorliegen, so werden darüberliegende 'parallele Vorgespinste ohne weiteres derartige Leerräume im weiteren Verlauf des Wickelprozesses füllen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden aber auch verschiedene andere Vorteile erreicht. Bei einer kontinuierlichen Faserschicht, deren Dicke gleich einem einzelnen Filamentdurchmesser ist, kann die Dicke mit einem präziseren Maß gesteuert werden, als bei herkömmlichen Verfahren, bei denen jede Schicht eine doppelte Filamentdicke mit der vorstehend erläuterten "Korbflechtungs"-Gestalt aufweist. Überdies ist es möglich, übereinanderliegende parallele Lagen zu wickeln, die ineinander gelegt sind, um eine Oberfläche mit glattem Finish zu erzielen, ohne daß zur Verdichtung eine übermäßige Zugspannung erforderlich ist; diese

Zugspannung würde nämlich zu der Gefahr eines Brechens der Faser und daher einer Unterbrechung des Wickelvorgangs führen.

In der Fig. 5 ist das linke Ende der Form der Fig. 4 gezeigt. In der Fig. 4 ist erkennbar, daß der Einfang der Vorgespinste an der Wendestelle derart erfolgt, daß die Vorgespinste um die Spindel herum über die Stirnfläche der Wendestelle gewickelt werden, bevor die Wickelrichtung umgekehrt wird. Wie jedoch in der Fig. 5 gezeigt ist, ist es möglich, die zweite Lage derart zu wickeln, daß unmittelbar nach dem Einfang an der Wendestelle die Vorgespinste in entgegengesetzter Richtung parallel und benachbart zu den Windungen der ersten Lage gewickelt werden. Dies be~ seitigt die Anordnung der Vorgespinste über die Stirnfläche der Wendestelle hinweg und um die Spindel herum, so daß die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens gefördert wird.

Es ist anzumerken, daß innerhalb des Erfindungsgedankens die Fasern benachbarter Schichten parallel zueinander oder im Winkel zueinander versetzt sein können. Es ist lediglich erforderlich, jede Schicht aus parallelen Fasern zu bilden, um das Entstehen von Leerräumen in dem gewickelten Gegenstand zu vermeiden. Die Fasern benachbarter Schichten können beispielsweise im Winkel'zueinander versetzt sein, um den Festigkeitsanforderungen zu genügen, ohne Leerräume in der Struktur herbeizuführen.

Claims (3)

PATENTANWALT DR. RICHARD KNEISSL Widenmayefstr. 45 D-8000 MÜNCHEN 22 TeL 089/295125 2 7. Oitf. 1982 United Technologies Corp. Hartford, Ct. V. St. A. DE 72 Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands durch Faserwickeln Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands durch Faserwickeln, bei dem um eine Form (16) herum ein Band aus Fasern (25) gewickelt wird, das mit einem Klebemittel imprägniert ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine hin- und hergehende relative Rotationsauslenkung der Form (16) und des Bandes (25) gleichzeitig mit einer hin- und hergehenden, geradlinigen relativen Auslenkung der Form (16) und des Bandes (25) ausgeführt wird, und daß jeder Richtungswechsel der relativen Rotationsauslenkung der Form (16) und des Bandes (25) im allgemeinen gleichzeitig mit einer entsprechenden Richtungsänderung der geradlinigen relativen Auslenkung der Form (16) und des Bandes (25) erfolgt,

wodurch im wesentlichen das gesamte Fasermaterial, das in einer einzelnen Schicht auf der Form gewickelt wird, in einer gleichförmigen Winkelorientierung zu einer Achse durch die Form angeordnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Fasern einer Schicht in winkelmäßig versetzter Beziehung relativ zu den Fasern einer benachbarten Schicht auf dem Dorn (16) aufgewickelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hin- und hergehende relative Rotationsauslenkung der Form (16) und des Bandes (15) aus einer hin- und hergehenden Rotation der Form um eine Wickelachse besteht.