DE3535070C2 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers, bei dem eine fadenförmige Verstärkung und ein band- und drahtförmiges Matrixmaterial nebeneinander angeordnet und zu einer einheitlichen Struktur unter Druck und Wärme verdichtet werden.

Ein Verfahren der angegebenen Art wie in der US 39 91 928 und der US 39 84 043 beschrieben ist, ist im wesentlichen mit zwei Nachteilen behaftet. Wie weiter unten im einzelnen erläutert, bedingen die Verfahren nach dem Stand der Technik das Beaufschlagen starker komprimierender Kräfte, die in den Verbundkörpern zu Deformationen und zum Zerreißen der fadenförmigen Verstärkungen führen können. Ein weiterer wesentlicher Nachteil ist darin zu sehen, daß lediglich kreisförmige Verbundkörper hergestellt werden können.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, erhebliche mechanische Beanspruchungen bei der Herstellung derartiger Verbundkörper zu vermeiden und weiterhin eine Verfahrensweise vorzuschlagen, die es ermöglicht, eine Vielzahl unterschiedlicher geometrischer Formen der Verbundkörper herzustellen, wie dies weiter unten erläutert ist.

Diese Aufgabe wird nun erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Matrixmaterial und die Verstärkung übereinanderliegend zu einer planen spiralförmigen Konfiguration gewickelt werden, daß benachbarte Windungen der Spirale wenigstens teilweise miteinander verbunden werden, um ein Abwickeln der Spirale zu verhindern, daß die Spirale mit einer kreisförmigen Folie aus Matrixmaterial abgedeckt wird und daß mehrere entsprechend hergestellte mit Folie aus Matrixmaterial abgedeckte Spiralen übereinander gestapelt und durch Druck senkrecht zur Ebene der Spirale zu einer einheitlichen Struktur verdichtet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im einzelnen so durchgeführt, daß zur Herstellung torusförmiger oder spritzkuchenförmiger Bauelemente zunächst ein in einer Richtung verlaufender Einlagestreifen oder ein Band hergestellt wird, dessen Breite gleich der maximalen Höhe der vorgesehenen Ringe ist. Der Streifen wird in eine Spirale gerollt, die einen entsprechenden Innen- und Außendurchmesser aufweist. Die so ausgebildete Spirale wird sodann verdichtet unter Anwenden entweder eines inneren oder äußeren radialen Drucks, d. h. eines Drucks senkrecht zu der Streifenoberfläche. Verstärkungen für Befestigungsteile sind vermittels eines Verfahrens hergestellt worden, das ähnlich dem Verfahren für das Herstellen derartiger Spiralen ist.

Örtliche kreisförmige Verstärkungs- oder Befestigungslöcher können nicht vermittels eines Rollens der Streifen in Spiralen hergestellt werden. In typischer Weise werden diese örtlich begrenzten, kreisförmigen Verstärkungen vermittels gekreuzter Anordnungen (0°±45°) des in einer Richtung verlaufenden Verbundkörpers hergestellt.

Eine andere Möglichkeit zum Herstellen einer Spirale mit einem rechtwinkligen Querschnitt würde darin bestehen, daß eine Mehrzahl an Fadenschichten auf einem Dorn aufgewickelt wird, wobei jede Schicht durch ein Blatt eines Matrixmaterials getrennt ist. Das Aufwickeln wird fortgesetzt bis die gewünschte Dicke erreicht ist. Das aufgewickelte Produkt wird sodann von dem Dorn entfernt und verdichtet.

Erfindungsgemäß weist das fadenverstärkte Bauelement eine Einlage eines kontinuierlichen Verstärkungsfadens in Kombination mit einem Band auf, das durch die vorgesehene Matrix gebildet wird, die in einer planen, kreisförmigen oder nicht kreisförmigen Spirale, wie ein Oval oder Ellipse, um eine Öffnung oder Loch gewickelt wird. Benachbarte Fäden der Spirale sind wenigstens örtlich aneinander befestigt, um die Spirale daran zu hindern sich aufzuwickeln. Das eigentliche Bauelement kann weiterhin zusätzliches Matrixmaterial aufweisen, das auf eine oder beiden Flächen des Bauelementes aufgebracht ist. Ein fadenverstärkter Verbundkörper wird dadurch hergestellt, daß die Bauelemente bis zu einer gewünschten Dicke gestapelt werden, oder indem derartige Bauelemente abwechselnd mit dem in einer Richtung verlaufenden Band angeordnet und derartige Kombinationen verdichtet werden.

Der Erfindungsgegenstand wird nachfolgend beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei die Fig. 1A bis 1C den Stand der Technik wiedergeben.

Es zeigen:

Fig. 1A einen Streifen einer in einer Richtung verlaufenden, fadenverstärkten Einlage;

Fig. 1B zeigt den Streifen nach Fig. 1A in einem Ring aufgewickelt.

Fig. 1C ist eine stark übertriebene Wiedergabe des Rings nach Fig. 1B nach der radialen Verdichtung;

Fig. 2A zeigt das grundlegende Bauelement;

Fig. 2B ist ein Schnitt längs der Linien 2B-2B nach Fig. 2A;

Fig. 2C zeigt gestapelte Bauelemente;

Fig. 2D zeigt die Verdichtungsrichtung eines Bauelementstapels unter Ausbildung einer Spirale;

Fig. 2E zeigt einen vollständig verdichteten Abschnitt nach Fig. 2D.

Fig. 3A ist eine auseinandergezogene Darstellung des Anwendens des Bauelements zum Herstellen des Befestigungsteils;

Fig. 3B ist das fertige Befestigungsteil;

Fig. 3C ist eine besondere Ausführungsform gemäß Beschreibung.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1A ist ein dem Stand der Technik entsprechender Streifen 10 mit einer Einlage von in einer Richtung verlaufenden Fäden 11 gezeigt, die in einem Matrixmaterial 12 eingebettet sind. Um einen Ring, und insbesondere einen Ring mit einem rechtwinkligen Querschnitt herzustellen, wird der Streifen 10 um einen Dorn (nicht gezeigt) in eine Spirale 13, siehe Fig. 1B, gewickelt. Bei dieser Bauart sind die Fäden orthogonal gegenüber der Achse der Spirale 13 angeordnet. Die Pfeile 16 zeigen, daß die Spirale 13 verdichtet werden kann durch Beaufschlagen eines radialen Drucks auf die innere Oberfläche 18 der Spirale 13. Die Pfeile 20 zeigen, daß wahlweise die Spirale 13 dadurch verdichtet werden kann, daß ein radialer Druck auf die äußere Oberfläche ausgeübt wird.

Der Nachteil des Anwendens der Streifeneinlage besteht im wesentlichen in der Verdichtungsrichtung. Die Verdichtung in der radialen Richtung führt bei Beaufschlagen auf die Innendurchmesser-Oberfläche, siehe Pfeile 16, dazu, daß der Faden unter eine hohe Zugbelastung gebracht wird, die zu einem Zerreißen und somit Verlust der Festigkeit führt.

Wenn ein radialer Druck von der Außendurchmesser-Oberfläche, siehe Pfeil 20 erfolgt, tritt ein Verziehen ein, siehe 22. Das Verziehen geht mit einem Fadenzerreißen einher und Verzerren des kreisförmigen Wegs der Fäden, wodurch die Festigkeit verringert wird.

Ein weiterer Nachteil des Arbeitens mit einem Streifen auf der Grundlage von Einlagen besteht darin, daß lediglich eine kreisförmige Form, d. h. eine Form mit einem rechtwinkligen Querschnitt, verdichtet werden kann. Wenn man einen Torus oder anderen nicht rechtwinkligen Querschnitt herstellen will, muß eine umfangreiche nachfolgende maschinelle Arbeit zur Durchführung kommen. Wenn eine derartige Bearbeitung erfolgt, ist ein sehr großer Prozentsatz der Fadenquerschnitte freigelegt. Dies nun ist schädlich bezüglich der sich anschließenden Diffusionsverbindung bedingt durch eine übermäßige Bildung von brüchigen Reaktionsprodukten.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2A ist dort ein erfindungsgemäßes Bauelement 15 gezeigt. Das Bauelement wird gebildet durch das gemeinsame Aufwickeln einer Fadenverstärkung 24 und eines Metallstreifens 26, siehe hierzu auch die Fig. 2B. Das Aufwickeln erfolgt in einer Spirale, wobei das Wickeln plan erfolgt. Es ist zu beachten, daß hier zwar ein kreisförmiges Loch und eine Spirale gezeigt sind, das Verfahren jedoch auch bei anderen Konfigurationen wie Ovalen und Ellipsen angewandt werden kann. Es werden mehrere Bauelemente 15 übereinander­ gestapelt unter Ausbilden eines Verbundringes.

Derartige spiralförmige Einlagen werden hergestellt durch gemeinsames Aufwickeln des Fadens 24 und des Metallstreifens 26 mit entsprechender Matrixlegierung und einer derartigen Dicke, daß der geeignete Faden-Abstand ausgebildet wird unter Erzielen des angestrebten Fadenvolumen-Verhältnisses. Das Aufwickeln erfolgt um einen Dorn mit einem Durchmesser, der geringfügig kleiner als der angestrebte Innendurchmesser des Rings ist.

Vorzugsweise befindet sich dieser Dorn in der Mitte von zwei kreisförmigen Platten mit einem ausreichenden Abstandsverhältnis, um eine Einlage in einer planen spiralförmigen Anordnung zu halten. Der Faden 24 und der Metallstreifen 26 werden entweder vor oder nach der Fertigstellung der spiralförmigen Anordnung mit einem flüchtigen Bindemittel 25 wie Acryl- Klebemittel benetzt, um so die Spirale an einem Aufwickeln zu hindern, sobald dieselbe von dem Dorn gelöst wird. In dieser Form wird das Bauelement als "grüne" Form oder Vorform bezeichnet.

Das grüne Bauelement kann nunmehr zwischen ein oder zwei kreisförmigen Folien 28, siehe die Fig. 2B und 2C aus geeignetem Matrixmaterial gebracht werden. Die grünen Vorformen werden sodann übereinander, wie in der Fig. 2C gezeigt, auf eine entsprechende Dicke gestapelt und mittels Wärme und Druck unter Ausbildung eines ringförmigen Verbundteils verdichtet. Die Vorformen mit unterschiedlichen Durchmessern können für das Ausbilden von Formkörpern angewandt werden, deren Querschnitt nicht rechtwinklig ist. Eine derartige nicht rechtwinklige Form ist in den Fig. 2D und 2E gezeigt.

Das Verdichten erfolgt längs der Achse der Vorformen in einer Richtung senkrecht zu der Ebene der Spirale. Unter diesen Bedingungen besteht keine Möglichkeit eines Stauchens oder Fadenbruches und die Konzentrizität der Form wird leicht beibehalten.

Wahlweise kann das Aufwickeln um einen konischen Dorn erfolgen. Diese konische Wicklung kann sodann nach Entfernen des Dorns in eine flache plane Anordnung zusammengedrückt werden. Hierbei kann sich jedoch eine schlechte Fadenausrichtung ergeben.

Die Konfiguration gemäß den Fig. 2D und 2E zeigt, daß das grundlegende Bauelement auch dazu dienen kann, Ringe herzustellen, die keine rechtwinkligen Querschnitte besitzen. Die Dimensionen eines derartigen Bauelements 15 werden so ausgewählt, daß dieselben der vorgesehenen Lage bei dem Aufbau des Rings entsprechen.

Bei den Fäden kann es sich um beliebige Verstärkungsfäden handeln, wie solche aus Kohlenstoff, Bor, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Graphit usw. Wahlweise können Kombinationen oder Modifizierungen angewandt werden. Ein entsprechend modifizierter Faden wäre z. B. ein Borfaden überzogen mit B₄C oder ein Siliziumkarbidfaden, der Überzüge aufweist oder Oberflächenbehandlungen mit anderen Materialien erfahren hat, wie einer Schicht von kohlenstoffreichem Siliziumkarbid oder einer Siliziumschicht. Sehr oft werden Fäden wie solche aus Bor und Siliziumkarbid usw. zum Erzielen spezieller Eigenschaften überzogen und derartig modifizierte Fäden sind ebenfalls recht zweckmäßig.

Der Erfindungsgegenstand findet seine Hauptanwendung bezüglich der Verwendung von Fäden mit einem hohen Biegemodul oder sehr hoher Steifheit, z. B. eine Zerreißfestigkeit von 2404 MPa (24 500 kg/cm²) und einem Zerreißmodul von über 206 000 MPa (2.1 Millionen kg/cm²). In jedem Fall weisen derartig steife Fäden einen kleinsten Biegeradius auf, der den Durchmesser der Öffnung oder des Lochs 21 bestimmt oder in dem Fall eines nicht kreisförmigen Loches, wie eines Ovals handelt es sich hierbei um den kleinsten Radius der gekrümmten Oberflächen. Es gibt keinerlei Begrenzungen bezüglich des radialen Aufbaus der Spirale.

Der Erfindungsgegenstand findet seine Hauptanwendung bezüglich Metallmatrixstrukturen unter Anwendung von Matrixmaterialien wie Aluminium, Titan, Magnesium, Kupfer usw. Die Struktur kann natürlich auch mit einer Kunstharzmatrix wie einer Epoxidharzmatrix oder Polyimidmatrix angewandt werden.

Die Fig. 3A bis 3C zeigen zwei Möglichkeiten zum Herstellen eines Befestigungsteils unter Anwendung des grundlegenden Bauelements 15. Unter Bezugnahme auf die Fig. 3A ist dort in der Mitte eine in einer Richtung verlaufende Einlage 10 des Verbundmaterials gezeigt. Das Bauelement 15 ist in einem Loch 32 angeordnet, das in der Einlage 10 herausgearbeitet ist. Über und unter diesem Bauelement befinden sich weitere Einlagen 10 mit in einer Richtung verlaufenden Fäden. Jeder dieser Einlagen weist koaxial ausgerichtet mit dem Bauelement 15 ein Folienblatt 34 auf, das auf das Bauelement 15 paßt. In der Fig. 3A ist eine Mehrzahl Vorsprünge 36 gezeigt, die von den verschiedenen Einlagen 10 vor dem Verdichten des Gesamtkörpers entfernt werden.

Das fertige Befestigungsteil wird ausgebildet durch Verdichten des Gesamtkörpers, der Einlagen, Folien und des grundlegenden Bauelements längs der Achse in der weiter oben beschriebenen Weise. Das Verdichten wird ausgeführt durch Beaufschlagen ausreichenden Drucks und Wärme, so daß sich eine Diffusionsverbindung des in der Folie 34 vorliegenden Matrixmaterials mit dem Bauelement 15 und dem Matrixmaterial der Einlagen ergibt. Bei Anwenden von Aluminium würde eine Verdichtung durch "Heißverpressen" z. B. in einem Autoklaven oder HIP-Einheit bei 878-888 K, 5,5-6,9 MPa (605- 615°C, 56-70 kg/cm²) 30 Minuten lang durchgeführt. Bei Anwenden von Titan würde eine Verdichtung durch "Diffusions-Verbindung" z. B. in einer Heißpresse oder HIP-Einheit bei einer Temperatur von 1273 bis 1329 K (1000 bis 1050°C), einem Druck von 41,2-54,9 MPa (420-560 kg/cm²) 1 Stunde lang durchgeführt. Das Ergebnis ist ein homogenes Bauelement der in der Fig. 2E gezeigten Art, das keine feststellbaren Trennungslinien in dem Matrixmaterial zwischen den Folien 34, dem Bauelement 15 und den Einlagen 10 aufweist. Vorzugsweise werden die in einer Richtung verlaufenden Einlagen unter Erzielen einer angestrebten Form oder Konfiguration gestapelt (oftmals auch "geschichtet" bezeichnet). Der Stapel weist eine erste Öffnung auf, die durch die Höhe desselben bestimmt wird. Ein vorgebildeter Ring oder Bauelement, das der ersten Öffnung entspricht, wird in die erste Öffnung eingeführt. Die Kombination der in einer Richtung verlaufenden Einlagen und des Rings wird sodann in eine einheitliche Struktur verdichtet.

Wenn der Querschnittsdurchmesser des Befestigungsteils sich nicht in der gleichen Richtung wie die Dicke des Gesamtkörpers aus den Einlagen erstrecken muß, kann ein Bauelement 15 zwischen Einlagen aus den in einer Richtung verlaufenden Fäden in der Weise zwischengeordnet werden, wie es in der Fig. 3C gezeigt ist, wo die Löcher in der Einlage 10 und des Bauelements 15 aufeinander ausgerichtet sind. Nach der Verdichtung ergibt sich, daß das Befestigungsteil eine größere Dicke besitzt als der übrige Körper.

Diese Arbeitsweise kann auch zur Ausbildung eines vorgeformten Rings auf der Grundlage einer Metallmatrix innerhalb eines Gesamtkörpers eines durch Fäden verstärkten Epoxymatrixmaterials und umgekehrt angewandt werden.

Der Erfindungsgegenstand ist zu sehen in einer Einlage aus gemeinsam aufgewickelten Verstärkungsfäden und einem Matrixmaterial unter Ausbilden einer allgemein spiralförmigen Konfiguration. Um die Spirale intakt zu halten, wird ein Mittel wie Acrylklebstoff angewandt. Eine abgewandelte Ausführungsform besteht darin, das Bauelement 15 mit einer Folie aus dem Matrixmaterial abzudecken. Die Dicke der Folie sowie die Dimensionen des Matrixstreifens 26 bestimmen den relativen Volumenprozentsatz zwischen der Verstärkung und der Matrix des Verbundkörpers.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers, bei dem eine fadenförmige Verstärkung und ein band- oder drahtförmiges Matrixmaterial nebeneinander angeordnet und zu einer einheitlichen Struktur unter Druck und Wärme verdichtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial und die Verstärkung übereinanderliegend zu einer planen spiralförmigen Konfiguration gewickelt werden, daß benachbarte Windungen der Spirale wenigstens teilweise miteinander verbunden werden, um ein Abwickeln der Spirale zu verhindern, daß die Spirale mit einer kreisförmigen Folie aus Matrixmaterial abgedeckt wird und daß mehrere entsprechend hergestellte mit Folie aus Matrixmaterial abgedeckte Spiralen übereinander gestapelt und durch Druck senkrecht zur Ebene der Spiralen zu einer einheitlichen Struktur verdichtet werden.

2. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkung Fäden aus z. B. Kohlenstoff, Bor, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Graphit oder einer Kombination derselben verwendet werden.

3. Verbundkörper hergestellt nach dem Verfahren der Ansprüche 1 oder 2.

4. Verwendung des Verbundkörpers nach Anspruch 3 als Verstärkung oder Befestigungsteil.