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Diese Erfindung betrifft eine Faserstruktur zur
Verstärkung eines Verbundmaterials und ein Verfahren
zur Herstellung der faserigen Struktur.
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Bei der Herstellung mechanischer Teile, die eine hohe
Festigkeit für Raumfahrzeuge, Luftfahrzeuge,
Kraftfahrzeuge, Züge, Wasserfahrzeuge und dergleichen haben
müssen, sind faserverstärkte Verbundmaterialien
eingesetzt worden, die aus synthetischen Harzen bestehen,
die mit unterschiedlichen faserigen Strukturen wie
z. B. Kohlenstoffgeweben, Glasgeweben, Aramidfasern
und dergleichen kombiniert werden.
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Verbundmaterialien, die durch derartige
Faserstrukturen verstärkt sind, sind nicht nur leichtgewichtig,
sondern weisen eine hohe spezifische Festigkeit,
spezifische Steifigkeit und Hitzebeständigkeit auf, so daß sie
nicht nur für die vorangehend genannten Anwendungen
von großem Wert sind, sondern auch in vielen anderen
industriellen Bereichen. Die Festigkeitseigenschaften
derartiger Verbundmaterialien hängen zum großen Teil
von dem Faseranteil, der Webart und der Konstruktion,
von der Matrix und dergleichen der Faserstruktur ab,
die als Verstärkung benutzt wird. Für derartige
Faserstrukturen sind Herstellungsverfahren offenbart worden,
z. B. in der japanischen Offenlegungsschrift (Kokai)
Nr. 61-201063 und Nr. 59-71457, in der japanischen
Gebrauchsmusteranmeldung (Kokai) Nr. 61-37930 und der
japanischen Gebrauchsmusteranmeldung (Kokai) 60 194
145. Die an letzter Stelle genannte offengelegte
Patentanmeldung beschreibt eine Faserstruktur zur Verstärkung
eines Verbundmaterials mit einer Vielzahl von
Garnabschnitten,
die in länglicher Reihung angeordnet sind.
Dieses Dokument gibt jedoch keinen Hinweis auf ein
ähnliches Verfahren zur Herstellung der Faserstruktur.
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Die bekannte Technologie kann jedoch nur dann
angewandt werden, wenn die Faserstrukturen hinsichtlich
des Profils oder der Konfiguration vergleichsweise
einfach sind und wenn unterschiedliche Abschnitte jeder
Faserstruktur hinsichtlich der Faserdichte
vergleichsweise gleichmäßig sind. Darüber hinaus muß bei der
Herstellung einer Faserstruktur, die ein kompliziertes
Profil aufweist, eine Schneidoperation durchgeführt
werden, die zum Bruch der Fasern führen kann, was zu
einer Verringerung der Festigkeit führt. Die bekannte
Technologie stellt kein brauchbares Mittel für die
Herstellung eines Elementes dar, wie z. B. eines mit
einem Boden versehenen hohlen Elementes, daß heißt,
eines hohlen Teiles, das eine Bodenwand aufweist, und,
wenn es wünschenswert ist, einen großen
Verstärkungseffekt in einer vorgegebenen Richtung zu haben, muß
die Festigkeit der gesamten Faserstruktur erhöht werden,
so daß die resultierende Faserstruktur den Nachteil eines
erhöhten Gewichtes aufweist. Darüber hinaus bildet bei
der Formung eines Artikels mit Ecken unter Verwendung
eines laminierten Gewebematerials das Harz Ansammlungen
in den Ecken, die ein Abfallen der Festigkeit oder eine
Verringerung der Festigkeit an den Verbindungen bewirkt.
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Es ist deshalb eine Aufgabe dieser Erfindung, ein
Verfahren zur Herstellung einer Faserstruktur zur
Verstärkung eines Verbundmaterials mit einem komplizierten
Profil vorzusehen, das in der Lage ist, hohe Festigkeit
in einer vorgegebenen Richtung zu zeigen und frei ist
von jeglichen bemerkenswerten Faserbrüchen oder
Harzansammlungen.
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Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zur
Herstellung einer Faserstruktur zur Verstärkung eines
Verbundmaterials vor, das ein Körper ist, der aus einer
Vielzahl von Garnabschnitten besteht, die in länglicher
Reihung angeordnet sind sowie aus Flossen, die nach
außen von einer Umfangsseitenwand des Körpers abstehen,
gekennzeichnet durch ein aufrechtes Anordnen einer
Vielzahl von Garnführungsgliedern in vorgegebenen
Abständen gemäß der gewünschten Querschnittskonfiguration
der Faserstruktur, Auflegen eines kontinuierlichen
Garnes entlang den Garnführungsgliedern, um eine
Vielzahl von Schichten eines erststufigen Garnabschnittes
zu bilden; das Formen von Schlingen eines zweiten
kontinuierlichen Garnes und Erfassenlassen der Schlingen
der unteren Enden der jeweiligen Garnführungsglieder
in dem Abschnitt des erststufigen Garnabschnittes,
wo kein weiteres Garn mehr aufgelegt werden soll;
Hochziehen der Garnführungsglieder zusammen mit den
Schlingen des zweiten kontinuierlichen Garnes über die oberste
Schicht des ersten kontinuierlichen Garnes, Entfernen
der Garnführungsglieder, Hindurchführen eines dritten
Garnes durch die Schlingen des zweiten Garnes als ein
Heftgarn, um die Garnschichten des ersten
kontinuierlichen Garnes durch das zweite Garn ordnungsgemäß zu
befestigen, um so die Fertigung des erststufigen
Garnabschnittes zu vollenden; Auflegen des ersten
kontinuierlichen Garnes entlang den verbliebenen
Garnführungsgliedern, um Schichten eines zweitstufigen
Garnabschnittes zu bilden, Hindurchführen eines weiteren
zweiten kontinuierlichen Garnes in Schlingen durch
den Abschnitt des zweitstufigen Garnabschnittes, wo
kein weiteres Garn aufliegen soll, und durch den
angrenzenden Abschnitt des erststufigen Garnabschnittes,
Hindurchführen des dritten kontinuierlichen Garnes
durch Schlingen des weiteren zweiten kontinuierlichen
Garnes und Befestigen der Garnschichten des ersten
kontinuierlichen Garnes durch das weitere zweite
kontinuierliche Garn, und Wiederholen der vorangehenden
Schritte nacheinander für entsprechende Garnabschnitte,
die in sich anschließender Weise geformt werden sollen.
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Die aus verstärktem Verbundmaterial gebildete
Faserstruktur, die in der Regel Flossenglieder hat, die
nach außen von dem Körper abstehen, besteht aus einer
Vielzahl von Garnabschnitten, die aus in Längsrichtung
aneinander gereihten Abschnitten, die Schichten eines
ersten kontinuierlichen Garnes umfassen, mit einem
zweiten kontinuierlichen Garn, das sich durch
überdeckende Teile der sich anschließenden Garnabschnitte
erstreckt, um so die Festigkeit in Längsrichtung der
Struktur auf ein gewünschtes Niveau zu heben.
Außerdem wird in Abschnitten, wo kein weiteres Garn mehr
aufgelegt werden soll, ein drittes kontinuierliches
Garn als ein Heftgarn in Schlingen hineingeführt, die
in dem zweiten kontinuierlichen Garn gebildet sind,
um als ein Mittel dafür zu dienen, daß verhindert wird,
daß das zweite Garn aus den Schichten des ersten
kontinuierlichen Garnes herauskommt und dazu beiträgt,
die Formstabilität zu verbessern. Da die Garne so
endlos wie möglich sind, gibt es nur eine minimale Anzahl
von Garnenden, die an der Außenfläche der
Faserstruktur freiliegen, und deshalb wird eine deutliche
Verbesserung bei der Formstabilität der Faserstruktur
erreicht.
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Ausführungsbeispiele dieser Erfindung werden mit
Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
von denen:
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Fig. 1 und 2 Front- und Querschnittsansichten
sind, die eine Faserstruktur zeigen, die gemäß der
vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
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Fig. 3 und 4 sind schematische Ansichten, die
das Grundschema des Verfahrens gemäß der Erfindung
zeigen;
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Fig. 5 ist eine Draufsicht, die die Anordnung
von Garnführungsrohren zeigt;
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Fig. 6 bis 9 sind schematische Ansichten, die
die Auflegemuster des ersten kontinuierlichen Garnes
in den jeweiligen Garnabschnitten zeigen, die die
Faserstruktur bilden;
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Fig. 10 und 11 sind perspektivische Ansichten,
die andere Ausführungsbeispiele von Faserstrukturen
zeigen, die gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellt sind;
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Fig. 12 ist eine Querschnittsansicht einer
Testeinrichtung zur Festlegung der Zug- und
Druckfestigkeit einer Antennenbefestigungsvorrichtung, wie in
Fig. 1 und 2 gezeigt.
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Fig. 1 ist ein Längsschnitt einer Faserstruktur
zur Verstärkung eines Verbundmaterials, das als eine
Antennenbefestigungsvorrichtung für ein Raumschiff
benutzt wird, und Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht
entlang der Line II-II in der Fig. 1. In der
Faserstruktur, die in den Fig. 1 und 2 wiedergegeben
ist, bilden ein hohles, rechteckiges, pfahlförmiges
Bodenelement (1a), eine Bodenwand (2), die mit dem
Boden des Bodenelementes einen integralen Bestandteil
bildet, und eine Anzahl von Flossen (3a) und (4a),
die sich von geeigneten Ecken der seitlichen
Umfangswand des hohlen, rechteckigen, pfahlförmigen
Bodenelementes (1a) unter einem Phasenwinkel von 90º
abstehen, wenn aneinandergelegt, einen erststufigen
Garnabschnitt (bezeichnet als Abschnitt A in Fig. 1).
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Unmittelbar über dem erststufigen Garnabschnitt (A)
befindet sich ein zweitstufiger Garnabschnitt (als
Abschnitt B in Fig. 1 bezeichnet), der ein hohles,
rechteckiges, pfahlförmiges Element (1b) umfaßt, das
mit dem vorangehend erwähnten Bodenelement (1a) einen
integralen Bestandteil bildet, sowie eine Anzahl von
Flossen (3b) und (4b), die jeweils einen integralen
Bestandteil mit den vorangehend genannten Flossen (3a)
und (4a) bilden. Das hohle, rechteckige, pfahlförmige
Element (1b) erstreckt sich aufwärts, um einen
drittstufigen Garnabschnitt zu bilden, der keine Flossen
auf seiner äußeren Seitenwand hat (als Abschnitt C
in Fig. 1 bezeichnet). Dieser drittstufige
Garnabschnitt (C) sieht eine Stufe (5) am oberen Ende der
Umfangsseitenwand vor. Von der Stufe (5) erstreckt
sich ein hohles, rechteckiges, pfahlförmiges Element
(1c) aufwärts, dessen innere Abmessungen mit denen
des hohlen, rechteckigen, pfahlförmigen Elementes (1b)
identisch sind, um einen viertstufigen Garnabschnitt
zu bilden (als Abschnitt D in Fig. 1 bezeichnet).
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Damit die oben genannte Faserstruktur als Material
für die Herstellung einer Antennenhaltevorrichtung
für z. B. den Einsatz in der Raumfahrt benutzt werden
kann, muß sie leichtgewichtig sein und sowohl eine
Zug- als auch eine Druckfestigkeit von mindestens 6,5 t
in Höhenrichtung aufweisen (nachfolgend die
Z-Achsrichtung). Für diesen Zweck kann ein Kohlefasergarn wie
z. B. Pyrophil T&sub1; (das Warenzeichen der Mitsubishi
Rayon Co., Ltd. für ihre Kohlefaser), mit 7 um · 3000
Fäden, als erstes kontinuierliches Garn (Y&sub1;) verwendet
werden, das das seitliche oder horizontale Komponentengarn
(x-, Y-Achsengarn) der Garnabschnitte bildet und ebenso
als drittes kontinuierliches Garn (Y&sub3;), das ein Heftgarn
ist, während Pyrophil T&sub1;, 7 um · 12000 Fäden als ein
zweites kontinuierliches Garn (Y&sub2;) eingesetzt werden
kann, das das längliche oder vertikale Komponentengarn
(Z-Achsengarn) der Garnabschnitte bildet, das durch das
erste kontinuierliche Garn (Y&sub1;) hindurchgeht.
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Um leichtes Gewicht mit Festigkeit zu verbinden, ist
diese Faserstruktur so konstruiert, daß die Dichte der
Kohlefasergarne bezüglich ihres gesamten Volumens im
Bereich von 25 bis 50% gehalten wird und das
Dichteverhältnisse des X-Achsenkomponentengarnes und des Y-
Achsenkomponentengarnes des ersten kontinuierlichen Garnes
(Y&sub1;) und des zweiten Garnes (Y&sub2;), das entlang der
Z-Achse angeordnet ist, sich im Bereich von ungefähr
20:20:60 befinden. Der Anteil des dritten
kontinuierlichen Garnes (Y&sub3;) ist sehr gering.
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Eine Faserstruktur gemäß der vorliegenden
Erfindung und eine Vergleichsstruktur, die in herkömmlicher
Weise hergestellt worden ist, die also laminierte,
zweidimensionale Teile umfaßt, wurden jeweils mit
demselben Epoxyharz imprägniert, und nach dem Aushärten
wurden jeweils Antennenhaltevorrichtungen gebildet.
Die Halteelemente wurden dann Zug- und Druckversuchen
auf einer Testeinrichtung unterworfen, wie sie in der
Fig. 12 dargestellt ist. Die so erhaltenen Meßwerte
sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben:
Parameter Erfindung Vergleich Gewicht (g) Herstellungskosten spezifische(r) Festigkeit (kg/g) Druck Zug
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Es sollte auch berücksichtigt werden, daß die
Herstellungskosten
für das Befestigungselement, das aus
der Faserstruktur der vorliegenden Erfindung gebildet
ist, im Vergleich zu dem Vergleichselement um 28%
gesunken sind. Das liegt daran, daß die vorliegende
Erfindung keine herkömmlichen Arbeitsgänge erfordert,
nämlich Laminieren, Zuschneiden, Herrichten und klebend
Verfestigen. Das Gewicht pro Halteelement ist um 16%
gesunken. Das Halteelement zeigte eine höhere spezifische
Festigkeit, und zwar bis zu einem spezifischen Niveau
von 35 kg/g, was einer Last von 6,5 t entspricht, für
Zug und für Druck.
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Das Verfahren zur Herstellung der Faserstruktur
für die Anwendung als Verbundmaterial in der
Herstellung derartiger Antennenhaltevorrichtungen wird
nachfolgend beschrieben. Vor der detaillierten Beschreibung
wird jedoch das Basisprinzip zur Bildung der
Garnabschnitte (A), (B), (C) und (D) beschrieben, die die
Faserstruktur bilden, und zwar mit Bezug auf die Fig. 3 und 4.
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Wie dargestellt, ist eine Mehrzahl von
Garnführungsgliedern (10), (10) . . . vertikal beweglich in
Lagerbohrungen (14) gestützt, die in eine Grundplatte (13)
gebohrt sind, die aus einem flexiblen Material wie
zum Beispiel einem Polyamid- (Nylon-)harz besteht.
Da die Garnführungsglieder (10), (10) . . . rohrförmig
ausgebildet sind, werden diese Glieder in der
folgenden Erläuterung als Garnführungsrohre bezeichnet. Auf
der Grundplatte (13) sind zusätzlich parallel zueinander
Separatoren (15), (15) . . . angeordnet, die ebenfalls
aus einem synthetischen Harz bestehen, wie zum
Beispiel dem oben erwähnten oder einem anderen geeigneten
Material, als Mittel zur Abstützung von Distanzstücken
(12), (12) . . ., die weiter unten noch beschrieben werden,
wobei ein Separator zwischen jeder Reihe von zwei
benachbarten Garnführungsrohren (10) und (10) angeordnet
ist. Auf den Separatoren (15), (15) . . . befinden sich
die Distanzstücke (12), (12) . . ., die jeweils die Form
einer dünnen Platte oder Stange haben oder jede
gewünschte Querschnittskonfiguration haben, im rechten
Winkel zu der Axialrichtung der Separatoren (15), (15)
... im wesentlichen in horizontaler Lage, wobei ein
Distanzstück zwischen jeweils zwei benachbarten
Garnführungsrohren (10) und (10) in derselben Weise
angeordnet sind wie die Separatoren (15), (15) . . . . Die
Distanzstücke (12) dienen dazu, eine Ablenkung und
Unordnung der Garnführungsrohre (10), (10) . . . zu
verhindern und, wenn nötig, mit Druckkörpern (11), (11)
zusammenzuwirken, um die Garnabschnitte (A), (B), (C) und
(D) zusammenzudrücken. Die Länge der Garnführungsrohre
(10), (10) . . . ist so eingestellt, daß die Enden der
Distanzstücke (12), (12) . . . sich über die Zone der
Garnführungsrohre (10), (10) . . . hinaus erstrecken, um
einen Eingriff mit den Druckkörpern (11), (11) . . .
sicherzustellen, die im einzelnen nachfolgend beschrieben
werden.
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Wie in Fig. 3 gezeigt, wird zunächst das erste
kontinuierliche Garn (Y&sub1;) in Schlangenlinie in der
Richtung vertikal zu den Achsen der Distanzstücke (12),
(12) . . . entlang von Reihen aus Garnführungsrohren
(10), (10) . . . gelegt, um eine erste Ebene oder Schicht
aus dem ersten kontinuierlichen Garn zu bilden, und
nach der Fertigstellung der Bildung der ersten Schicht
wird das erste Garn (Y&sub1;) in Schlangenlinie in
derselben Weise wie vorher aufgelegt, dieses Mal jedoch
in der Richtung parallel zu der axialen Richtung der
Distanzstücke (12), (12) . . ., um eine zweite Ebene oder
Schicht zu bilden. Die Anzahl von Schichten aus dem
ersten kontinuierlichen Garn (Y&sub1;) in dem ersten
Garnabschnitt
wird vorgewählt unter Beachtung der
Kompressionsbreite oder der Toleranz, die für die
vorgesehene Größe der Faserstruktur geeignet ist. Um die
Garndichte des Abschnittes aus dem ersten
kontinuierlichen Garn (Y&sub1;) zu erhöhen, werden die Distanzstücke
(12), (12) . . . auf dem Abschnitt des sich ergebenden
kontinuierlichen Garnes (Y&sub1;) in derselben Richtung
angeordnet wie die Distanzstücke (12), (12) . . ., die
unter dem Garnabschnitt liegen. Die Druckglieder (11),
(11) . . . stoßen dann gegen die Enden dieser
Distanzstücke (12), (12) . . ., die aus der Zone der
Garnführungsrohre (10), (10) . . . hervorragen und der Abschnitt
aus dem ersten kontinuierlichen Garn wird von der
Oberseite und der Unterseite durch die Distanzstücke (12),
(12) . . . und die Druckkörper (11), (11) . . .
zusammengedrückt. Durch diese Zusammendrückkraft wird der
Garnabschnitt, der aus dem ersten kontinuierlichen Garn
(Y&sub1;) in der X-Achsenrichtung und der Y-Achsenrichtung
ausgerichtet ist, zu einer vorgegebenen Garndichte
und Dicke zusammengedrückt. Dieses Zusammendrücken
des Abschnitts des ersten kontinuierlichen Garnes (Y&sub1;),
das in X- und Y-Achsenrichtung zwischen den Distanzstücken
(12), (12) . . . und den Druckkörpern (11), (11)
verläuft, kann in einem Arbeitsgang durchgeführt werden,
nachdem das Auflegen des ersten kontinuierlichen Garnes
beendet worden ist, wenn jedoch eine dicke Garnschicht
geschaffen werden soll, kann das Zusammendrücken auch
in mehreren einzelnen Schritten im Verlauf des Auflegens
des ersten kontinuierlichen Garnes (Y&sub1;) durchgeführt
werden, um so die Faserdichte in Stufen aufzubauen.
In einigen Fällen kann dieser Arbeitsgang teilweise
ausgelassen werden.
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Wie in Fig. 4 gezeigt, wird dann das Einsetzen des
zweiten kontinuierlichen Garnes (Y&sub2;) begonnen, wenn
die Bildung des Abschnitts aus dem ersten kontinuierlichen
Garn (Y&sub1;) beendet worden ist. Nach dem Lösen der
Druckkörper (11), (11) . . . werden also die Separatoren (15)
nach und nach entfernt, und die Garnführungsrohre (10)
werden bis nahe an die unten liegenden Distanzstücke
(12) angehoben. Das zweite kontinuierliche Garn (Y&sub2;)
wird dann zu einer Schlinge gelegt und auf eine
Garnführung (16) gehakt. Die aus dem zweiten kontinuierlichen
Garn (Y&sub2;) gebildete Schlinge (L) wird, während sie
auf die Garnführung (16) gehakt bleibt, in das
Garnführungsrohr (10) eingesteckt. Dann wird das Garnführungsrohr
(10) hochgezogen, und die Schlinge (L) wird nach oben
aus dem Garnabschnitt aus dem ersten kontinuierlichen
Garn (Y&sub1;) herausgezogen. In dieser Lage wird das
Garnführungsrohr (10) entfernt, wonach das dritte
kontinuierliche Garn (Y&sub3;) in die Schlinge (L) als ein Heftgarn
eingeführt wird. Dann wird nach Bedarf an dem zweiten
kontinuierlichen Garn (Y&sub2;) gezogen, um es wieder zurück
nach unten zu ziehen, um den Abschnitt aus dem ersten
kontinuierlichen Garn (Y&sub1;) nach und nach nach unten zu
drücken. Die vorangehend beschriebene Fädelung des zweiten
kontinuierlichen Garnes wird eine Anzahl von Malen
wiederholt, die gleich der Anzahl der Garnführungsrohre
(10) in dem Bereich ist, wo kein weiteres kontinuierliches
Garn mehr auf den Abschnitt aus dem ersten
kontinuierlichen Garn (Y&sub1;) aufgelegt werden soll, und das
Zusammendrücken des Garnabschnittes durch das zweite
kontinuierliche Garn (Y&sub2;) wird in einer Anzahl von Malen
wiederholt, die der Anzahl der Garnführungsrohre (10)
entspricht, die in diesem Bereich angeordnet sind, wodurch
die Faserdichte der Faserstruktur auf ein vorgegebenes
Niveau angehoben wird. Durch das Hindurchführen des
dritten kontinuierlichen Garnes (Y&sub3;) durch die
Schlingen (L) nacheinander wird das dritte kontinuierliche
Garn (Y&sub3;) in Schlangenlinie oben auf das Garn
aufgelegt.
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Während dieses Auflegeverfahren wiederholt wird, wird
eine Faserstruktur gebildet, die aus einer vorgegebenen
Anzahl von Garnabschnitten besteht, z. B. aus vier
Garnabschnitten (A), (B), (C) und (D). Die daraus
hervorgegangene Faserstruktur wird mit einem thermisch
aushärtenden Harz, Pech oder dergleichen imprägniert,
um ein endgültiges Verbundprodukt zu bekommen.
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Als Garne, die Bestandteil der Faserstruktur sind,
können alle geeigneten Verstärkungsfasern wie z. B.
Kohlefaser, Glasfaser, Aramidfaser, Metallfaser etc.
entweder einzeln oder in Kombination verwendet werden.
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Die Folge der Herstellung einer Faserstruktur zur
Verstärkung von Verbundmaterialien zur Anwendung als in
den Fig. 1 und 2 wiedergegebene
Antennenbefestigungsvorrichtung wird nachfolgend beschrieben.
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Zunächst wird mit Bezug auf die Fig. 5 eine
vorgegebene Anzahl von Garnführungsrohren (10), (10)
auf der Grundplatte (13) durch Separatoren (15) und
Distanzstücke (12) aufgerichtet, und in dieser Situation
wird das Auflegen des erststufigen Garnabschnittes
(A) gemäß dem Verfahren begonnen, das vorangehend
beschrieben worden und in den Fig. 3 und 4 gezeigt
worden ist. Dieser erststufige Garnabschnitt (A) stellt
einen Teil entsprechend der Basis der
Antennenbefestigungsvorrichtung dar.
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Die Auflagemuster des ersten kontinuierlichen Garnes
(Y&sub1;) sind in den Fig. 6 (a), (b), (c) und (d)
wiedergegeben. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht ein
Zyklus der Garnauflage aus vier Mustern von (a), (b),
(c) und (d), und dieser Zyklus wird wiederholt, bis
der erststufige Garnabschnitt (A) eine vorgegebene
Dicke erreicht. Es sollte bemerkt werden, daß die
Auflagemuster für das erste kontinuierliche Garn (Y&sub1;)
nicht auf diejenigen begrenzt sind, die in der Fig.
6 wiedergegeben sind, sondern jegliche anderen Muster
können genommen werden, solange die Faserstruktur eine
gleichmäßige Garndichte aufweist und das erste
kontinuierliche Garn (Y&sub1;) ohne Spannung verlegt werden
kann. Bei den Auflagemustern der Fig. 6 liegt das
erste kontinuierliche Garn (Y&sub1;) um mehrere
Garnführungsrohre (10), (10) . . ., dies ist jedoch beabsichtigt,
um eine glatte Oberfläche der Faserstruktur
sicherzustellen und lokale Ansammlungen des Harzes zu
verhindern. Die Anzahl der Garnführungsrohre (10), um
die sich das Garn herumlegt, ist frei wählbar, solange
es keine Ungleichmäßigkeit in der Garndichte gibt.
Nach der Fertigstellung des Auflegens des ersten
kontinuierlichen Garnes (Y&sub1;) zur Bildung des
Garnabschnittes (A) wird der Garnabschnitt (A) durch die
Druckkörper (11) und Distanzstücke (12) zusammengedrückt.
Danach wird das zweite kontinuierliche Garn (Y&sub2;) als
ein Komponentengarn in Längsrichtung durch den
Garnabschnitt (A) in dem Bereich hindurchgeführt, der der
Bodenwandung (2) entspricht, wo keine weitere Auflage
des ersten kontinuierlichen Garnes mehr stattfinden
soll. Die Separatoren (15), (15) . . ., die im Bereich
der Bodenwandung (2) angeordnet sind, werden folglich
nacheinander entfernt, und die Garnführungsrohre (10),
(10) . . ., die im Bereich der Bodenwandung gelegen sind,
werden nahe an die Distanzstücke (12), (12) . . .
hochgezogen. In dieser Position wird das zweite
kontinuierliche Garn (Y&sub2;) zu einer Schlinge gelegt und vom
unteren Ende her in ein Garnführungsrohr (10) geführt.
Nachdem die Schlinge (L) des zweiten kontinuierlichen
Garnes (Y&sub2;) aus dem oberen Ende des Garnführungsrohres
(10) herausgekommen ist, wird das Garnführungsrohr
(10) herausgezogen, und das dritte kontinuierliche
Garn (Y&sub3;) als ein Haftgarn wird in die Schlinge (L)
eingeführt, die aus dem Garnabschnitt (A) an der Fläche
des Bodenwandbereiches (2) absteht. Dann wird das zweite
kontinuierliche Garn (Y&sub2;) zurück nach unten zu dem
Boden des ersten Garnabschnittes (A) gezogen, und der
Abschnitt des ersten Garnes (Y&sub1;) wird gefestigt. Dieser
Arbeitsschritt wird durch Herausziehen der
Garnführungsrohre (10), (10) . . . nacheinander wiederholt, die in
dem Bodenwandbereich (2) angeordnet sind, wodurch das
zweite kontinuierliche Garn (Y&sub2;) als das längliche
oder vertikale Komponentengarn lediglich in dem Bereich
angebracht wird, der dem Bodenwandbereich (2) entspricht,
während der erststufige Garnabschnitt (A) frei von
dem länglichen oder vertikalen Komponentengarn in den
anderen Bereichen (1a), (3a) und (4a) ist. Dann werden
einige der Separatoren (15) in ihre ursprüngliche
Position gebracht, um einen Zwischenraum zwischen dem
Garnabschnitt und der Grundplatte (13) beizubehalten.
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Bei der Bildung des erststufigen Garnabschnittes
(A) können die Garnführungsrohre (10), die im
Bodenwandbereich (2) angeordnet sind, bezüglich der Länge
kürzer gemacht werden als die Garnführungsrohre (10),
die in allen anderen Bereichen außerhalb des
Bodenwandbereiches (2) angeordnet sind, um das Einfädeln des
zweiten kontinuierlichen Garnes (Y&sub2;) zu erleichtern.
Die Bildung des Bodenwandbereiches (2) wird vor allen
anderen Bereichen vorgenommen, weil es schwierig wäre,
nachdem das Auflegen des hohlen, rechteckigen,
pfahlförmigen Abschnittes beendet ist, das zweite
kontinuierliche Garn (Y&sub2;) in den Bodenwandabschnitt (2)
hineinzufädeln und das dritte kontinuierliche Garn
(Y&sub3;)
in Schlingen (L) des zweiten kontinuierlichen
Garnes (Y&sub2;) einzuführen, die an der Oberfläche des
Bodenwandbereiches (2) gebildet werden. Wenn das
Auflegen des erststufigen Garnabschnittes (A)
fertiggestellt worden ist, können die Garnführungsrohre (10),
(10) . . ., die in dem Bereich aufgerichtet sind, der
den Bodenwandbereich (2) umgibt, und die in vertikaler
Richtung bewegbar sind, entweder nach oben oder nach
unten herausgezogen werden, um das Einfädeln des
zweiten kontinuierlichen Garnes (Y&sub2;) von unterhalb des
Bodenwandbereiches (2), das Hindurchführen des dritten
kontinuierlichen Garnes (Y&sub3;) in die Schlingen (L)
auf dem Bodenwandbereich (2) und das Zurückziehen des
zweiten kontinuierlichen Garnes (Y&sub2;) in der
Abwärtsrichtung zu erleichtern.
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Nach der Fertigstellung des Auflegens des
erststufigen Garnabschnittes (A) werden alle
Garnführungsrohre (10), (10) . . . in dem Bodenwandbereich (2)
entfernt, mit Ausnahme der Garnführungsrohre (10), (10) . . .
in denjenigen Bereichen, die dem unteren Ende (1a)
des Körpers und den Flossen (3a), (4a) entsprechen.
An diesem Punkt wird das Auflegen des zweiten
Garnabschnittes (B) entsprechend dem Rechteckpfahlabschnitt
(1b) des Körpers einschließlich der Flossen (3b), (4b)
begonnen. Gemäß den sechs Auflegemustern, die in den
Fig. 7 (a), (b), (c), (d)' (e) und (f) gezeigt sind,
werden demnach zwei erste kontinuierliche Garne (Y1a)
und (Y1b) aufgelegt. Die beiden ersten kontinuierlichen
Garne (Y1a) und (Y1b) werden in Kombination eingesetzt,
weil infolge der zwei radial von der Seitenumfangswand
des einen hohlen, rechteckigen, pfahlbildenden Körpers
(1b) abstehenden Flossen (3a), (3b) und (4a), (4b) der
Garnabschnitt (B) mit nur einem der beiden ersten
kontinuierlichen Garne (Y1a) und (Y1b) nicht mit einer
gleichmäßigen Struktur hergestellt werden kann. Eines
der kontinuierlichen Garne (Y1a) wird gemäß den
Auflagemustern aufgelegt, die in den Fig. 7 (a), (c) und
(e) gezeigt sind, während das andere Garn (Y1b) in den
Mustern aufgelegt wird, die in den Fig. 7 (b), (d)
und (f) gezeigt sind. Die sechs Muster werden folglich
in der Folge der Fig. 7 (a), (b), (c), (d), (e) und
(f) in einer vorgegebenen Anzahl von Malen wiederholt,
um die Verteilung des ersten kontinuierlichen Garnes
(Y1a) und (Y1b) in dem zweitstufigen Garnabschnitt
(B) zu vollenden. Die kontinuierlichen Garne (Y1a) und
(Y1b) werden linear in den Auflagemustern angeordnet,
die in den Fig. 7 (c) und (d) gezeigt sind, weil die
Faserstruktur, wenn die ersten Garne (Y1a) und (Y1b)
vollständig in Schlangenlinienform angeordnet wären,
ungenügend in der Festigkeit in der seitlichen oder
horizontalen Richtung wäre, also entlang der X- und Y-
Achse, und die Formstabilität des Garnabschnittes (B)
gering wäre. Insbesondere wird die oben genannte Anordnung
benutzt, um eine größere Integration der Flossen mit dem
Körperabschnitt sicherzustellen, so daß die Flossen nicht
abgerissen oder an der Wurzel zerstört werden, wenn sie
einer Zugkraft unterworfen werden. Weil die ersten
kontinuierlichen Garne (Y1a) und (Y1b) in
unterschiedlichen Auflagemustern aufgelegt werden, wird außerdem
die Garndichte in der Richtung, in der eine größere
Festigkeit erforderlich ist, willentlich angehoben,
während die Garndichte in den anderen Richtungen grob
gehalten wird, um so das Gewicht der endgültigen
Faserstruktur herabzusetzen, während ihre anderen notwendigen
Eigenschaften erhalten werden.
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Nach der Fertigstellung des Auflegens der ersten
kontinuierlichen Garne (Y1a) und (Y1b) in dem
Garnabschnitt (B) wird das zweite kontinuierliche Garn (Y&sub2;),
das mit einer Endschleife (L) geformt wird, in jedes
Garnführungsrohr (10) eingeführt, die in den Bereichen
aufrechtstehen, die den Flossen (3a), (3b) und (4a),
(4b) entsprechen, und nachdem die Schlingen (L) aus
der obersten Schicht der ersten kontinuierlichen Garne
(Y1a), (Y1b), die die Flossen (3b), (4b) formen,
ausgetreten sind, wird das Garnführungsrohr (10)
herausgezogen. Dann wird das dritte kontinuierliche Garn (Y&sub3;)
als Heftgarn in die oberen Schlingen (L) hineingeführt,
und das zweite kontinuierliche Garn (Y&sub2;) wird zurück
nach unten gezogen, um die Schichten des ersten
kontinuierlichen Garnes (Y&sub1;), (Y1a) und (Y1b)
zusammenzudrücken. Dieser obige Arbeitsschritt wird wiederholt,
und die Garnführungsrohre (10), (10) . . ., die in den
Bereichen aufrechtstehen, die den Flossen (3a), (3b)
und (4a), (4b) entsprechen, werden nach und nach
herausgezogen, um die Herstellung des Garnabschnittes (B)
abzuschließen, der aus einem hohlen, rechteckigen,
pfahlförmigen Körper (1b) und Flossen (3a), (3b), (4a)
und (4b) besteht. In diesem Stadium wird also das zweite
kontinuierliche Garn (Y&sub2;), von dem erwartet wird,
daß es als längliches oder vertikales Komponentengarn
wirkt, in die Garnabschnitte geführt, die die Flossen
(3a), (4a), (3b) und (4b) bilden, wo das längliche
oder vertikale Komponentengarn nicht in die
vorhergehende Stufe geführt worden war, wodurch ein Abschnitt
des Garnabschnittes (A) integral mit einem Abschnitt
des Garnabschnittes (B) verbunden wird. Dann wird gemäß
den Auflagemustern, die in den Fig. 8 (a), (b),
(c), (d), (e) und (f) gezeigt sind, das Auflegen des
Garnabschnittes (C) begonnen. Dieses Auflegeverfahren
ist im Grunde dasselbe wie das der Garnabschnitte (A) und
(B), und die Schritte, die wiederholt werden, werden
deshalb nicht beschrieben. Das Auflegeverfahren wird
jedoch in Zyklen wiederholt, wobei jeder Zyklus aus sechs
Mustern besteht, nämlich den drei Mustern, die in den
Fig. 8 (a), (c) und (e) gezeigt sind, und den drei
Mustern, die in den Fig. 8 (b), (d) und (f) gezeigt
sind, so daß zwei erste kontinuierliche Garne (Y1a) und
(Y1b) entlang den Garnführungsrohren (10), (10)
aufgelegt werden. Danach wird das Zusammendrücken mit
Hilfe der Distanzstücke (12) und der Druckkörper (11)
durchgeführt. Anschließend wird das zweite kontinuierliche
Garn (Y&sub2;), das mit einer Endschleife (L) geformt ist,
von der Bodenseite des Garnabschnittes (A) mit den
Garnführungsrohren der äußeren der beiden Reihen von
Garnführungsrohren (10), (10) . . . geführt, gefolgt von
dem Einfügen des dritten kontinuierlichen Garnes (Y&sub3;)
in die Schleife (L) und dem selektiven Entfernen der
äußeren Reihe von Garnführungsrohren, um die Herstellung
des drittstufigen Garnabschnittes (C) zu beenden, der
eine Umfangsstufe (5) hat.
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Schließlich wird gemäß den Auflagemustern, die in
den Fig. 9 (a), (b), (c) und (d) gezeigt sind, das
Auflegen des viertstufigen Garnabschnittes (D)
begonnen. Der Auflegezyklus, der insgesamt aus vier Mustern
besteht, nämlich den beiden Mustern, die in den
Figuren 8 (a) und (c) gezeigt sind, und den beiden Mustern,
die in den Fig. 8 (b) und (d) gezeigt sind, wird
wiederholt, um zwei erste Garne (Y1a) und (Y1b)
entlang den Garnführungsrohren (10), (10) . . . zu legen.
Danach wird das Zusammendrücken mit Hilfe von
Distanzstücken (12) und Druckkörpern (11) durchgeführt. Im
Anschluß daran wird das zweite kontinuierliche Garn
(Y&sub2;), das mit einer Endschleife (L) geformt ist, durch
die vier Stufen von Garnabschnitten (A), (B), (C) und
(D) von der Bodenseite des erststufigen Abschnittes
(A) geführt, gefolgt von dem Einfügen des dritten
kontinuierlichen Garnes (Y&sub3;) in die Schlinge (L) und dem
Entfernen der Garnführungsrohre (10), (10)
die in Abschnitten des Bodenendes des Körpers (1a)
und des hohlen, pfahlförmigen Körpers (1b) und (1c)
angeordnet sind, um die Herstellung des
Garnabschnittes (D) zu vollenden.
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In der vorangehend beschriebenen Weise wird eine
Faserstruktur zur Verstärkung eines Verbundmaterials
zur Anwendung als eine Antennenhaltevorrichtung für
die Raumfahrt hergestellt, die in den Fig. 1 und
2 gezeigt ist.
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Die Verbundstruktur, die in der Fig. 10 gezeigt
ist, umfaßt einen zylindrischen Körper (1) und eine
Bodenwand (2), die sich über die Umfangswandung des
Körpers (1) hinaus nach außen erstreckt. Der Körper
(1) und die Bodenwand (2) können andere, frei
verfügbare Konfigurationen aufweisen, zum Beispiel einen
Kreis oder ein Quadrat. Darüber hinaus, wie in den
Fig. 11 (a), (b) und (c) gezeigt, kann die Form
und die Anzahl von Flossen ebenso frei gewählt werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es nun möglich,
eine Faserstruktur zur Verstärkung eines Verbundmaterials
herzustellen, die eine zylindrische oder pfahlförmige
Form mit einem Boden hat und Flossen aufweist, die
sich von dem Umfang des Körpers nach außen erstrecken.
Trotz ihrer komplizierten Formgebung umfaßt diese
Faserstruktur ununterbrochene Längen von Garnen, die linear
und integral angeordnet sind, so daß sichergestellt
ist, daß die Festigkeit oder Haltbarkeit der Garne
in höchster Weise ausgenutzt wird. Darüber hinaus kann
das Muster und die Auflagedichte des Garnes gemäß der
konstruierten Festigkeitsverteilung frei gewählt werden.
Das Gewicht der Faserstruktur kann deshalb reduziert
werden, während die nötigen Festigkeitseigenschaften
beibehalten werden. Als Folge davon ist es nun möglich,
die schärfsten Anforderungen von Raumfahrt- und
Flugzeugbauanwendungen zu erfüllen. Darüber hinaus kann
es keinen zufälligen Garnbruch geben, da die vorliegende
Erfindung keine Schnittoperationen verlangt. Da die
Erfindung kein Kleben, Bonden, Säumen oder andere
Verbindungsoperationen für kompliziert geformte Abschnitte
bedingt, die bis dahin erforderlich waren, kann darüber
hinaus das Abpellen und das Sichlösen des Garnes an
solchen Stellen wirksam verhindert werden.