DE4021547C2 - - Google Patents
Info
- Publication number
- DE4021547C2 DE4021547C2 DE19904021547 DE4021547A DE4021547C2 DE 4021547 C2 DE4021547 C2 DE 4021547C2 DE 19904021547 DE19904021547 DE 19904021547 DE 4021547 A DE4021547 A DE 4021547A DE 4021547 C2 DE4021547 C2 DE 4021547C2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- fiber
- carrier body
- matrix
- coated
- capsule
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
- C22C47/02—Pretreatment of the fibres or filaments
- C22C47/06—Pretreatment of the fibres or filaments by forming the fibres or filaments into a preformed structure, e.g. using a temporary binder to form a mat-like element
- C22C47/062—Pretreatment of the fibres or filaments by forming the fibres or filaments into a preformed structure, e.g. using a temporary binder to form a mat-like element from wires or filaments only
- C22C47/064—Winding wires
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C53/00—Shaping by bending, folding, twisting, straightening or flattening; Apparatus therefor
- B29C53/56—Winding and joining, e.g. winding spirally
- B29C53/566—Winding and joining, e.g. winding spirally for making tubular articles followed by compression
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C53/00—Shaping by bending, folding, twisting, straightening or flattening; Apparatus therefor
- B29C53/56—Winding and joining, e.g. winding spirally
- B29C53/58—Winding and joining, e.g. winding spirally helically
- B29C53/581—Winding and joining, e.g. winding spirally helically using sheets or strips consisting principally of plastics material
- B29C53/582—Winding and joining, e.g. winding spirally helically using sheets or strips consisting principally of plastics material comprising reinforcements, e.g. wires, threads
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
- B29C70/02—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising combinations of reinforcements, e.g. non-specified reinforcements, fibrous reinforcing inserts and fillers, e.g. particulate fillers, incorporated in matrix material, forming one or more layers and with or without non-reinforced or non-filled layers
- B29C70/021—Combinations of fibrous reinforcement and non-fibrous material
- B29C70/025—Combinations of fibrous reinforcement and non-fibrous material with particular filler
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
- B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
- B29C70/28—Shaping operations therefor
- B29C70/40—Shaping or impregnating by compression not applied
- B29C70/42—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles
- B29C70/44—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles using isostatic pressure, e.g. pressure difference-moulding, vacuum bag-moulding, autoclave-moulding or expanding rubber-moulding
- B29C70/446—Moulding structures having an axis of symmetry or at least one channel, e.g. tubular structures, frames
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
- C22C47/20—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by subjecting to pressure and heat an assembly comprising at least one metal layer or sheet and one layer of fibres or filaments
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C43/00—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor
- B29C43/02—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles
- B29C43/10—Isostatic pressing, i.e. using non-rigid pressure-exerting members against rigid parts or dies
- B29C43/12—Isostatic pressing, i.e. using non-rigid pressure-exerting members against rigid parts or dies using bags surrounding the moulding material or using membranes contacting the moulding material
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von
faserverstärkten Bauteilen nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Bei einem derartigen Herstellungsverfahren wird ein
sogenannter heißisostatischer Preßvorgang zum Herstel
len des faserverstärkten Bauteils verwendet. Beim heiß
isostatischen Preßvorgang (nachfolgend der Einfachheit
halber auch mit HIP-Preßvorgang bezeichnet) werden in
evakuierten Kapseln, die beispielsweise aus Stahl oder
Glas bestehen, bei hohen Drucken (bis zu 1900 bar) und
hohen Temperaturen (z. B. 900 bis 1800°C) Bauteile,
beispielsweise aus Pulvern, allseitig gepreßt. Tempera
tur und Druck müssen so gewählt werden, daß eine
"fließende Verformung" der Kapsel und des in den
Kapseln befindlichen Materials gegeben ist.
Dieser konventionelle
heißisostatische Preßvorgang kann auch zur
Herstellung von Faserverbundwerkstoffen eingesetzt wer
den. Dabei wird ein Trägerkörper (beispielsweise ein
Rohr, wenn eine faserverstärkte Welle hergestellt wer
den soll) von (kontinuierlichen) Einzelfasern umgeben,
die mit einem Beschichtungsmaterial (im folgenden mit
Matrixmaterial bezeichnet) beschichtet sind. Der mit
den beschichteten Fasern versehene Trägerkörper wird
ggf. von einer Matrixmaterialschicht umgeben (sogenann
ter Grünling) und in einer gasdichten Kapsel einge
schlossen, die nach einer eventuellen Ausgasung des in
ihr befindlichen Materials und zum Evakuieren kurzzei
tig erhitzt und anschließend verschlossen wird. Danach
wird die Kapsel in einem Ofen erhitzt sowie allseitig
einem hohen Druck (s. obige Betriebsparameter) ausge
setzt. Aufgrund der hohen Temperatur und des hohen
Druckes wird der Duktilitätspunkt von Kapsel, Matrix
material und Trägerkörpermaterial erreicht, so daß
diese Materialien "ineinanderfließen" und so das herzu
stellende Bauteil erzeugt wird. Das heißisostatisch
gepreßte Bauteil weist also zwei Schalen (Träger und
Matrixmaterialschicht außen um die Faserschicht herum)
auf, die eine Nachbearbeitung des gepreßten Bauteils
erlauben, ohne die Fasern zu beschädigen. Als Faser
material kommt beispielsweise eine Siliziumcarbid-Faser
und als Matrixmaterial Titan in Frage.
Titan hat den Vorteil des relativ geringen Gewichts und
der recht hohen Temperaturresistenz. Als Material für
die Faserbeschichtung kann aber auch eine
keramische Substanz eingesetzt werden. Die auf die
obige Weise hergestellten Faserverbundwerkstoffe sind
insbesondere im Hochtemperaturbereich einsetzbar.
Bei der Herstellung von faserverstärkten Bauteilen
durch heißisostatisches Pressen kann der Preßvorgang zu
einer Belastung der Fasern senkrecht zur Faserachse und
als Folge davon zum Faserbruch führen, was wiederum den
Verbundwerkstoff schwächt. Faserbruch kann insbesondere
dann auftreten, wenn der Trägerkörper nicht porenfrei
mit Fasern und Matrixmaterial umgeben ist. Diese Poren
freiheit ist vor allem dann nicht ohne weiteres zu er
reichen, wenn der Trägerkörper mit im Querschnitt run
den Fasern umwickelt wird. Die Porenfreiheit ist aber
notwendig, um bei spröden Fasern, z. B. bei Keramik
fasern, einen Faserbruch beim späteren Preßvorgang ver
hindern zu können. Lassen die einzelnen Faserwicklungen
nämlich eine Verschiebung der "Faserschraube" insbeson
dere in radialer Richtung zu, kommt es bei spröden
Fasern unweigerlich zu Faserbruch.
Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Bau
teilen durch heißisostatisches Fressen zu schaffen, bei
dem trotz Umwicklung eines Trägerkörpers mit Fasern ein
Faserbruch wirkungsvoll verhindert wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden mit der Erfindung drei
Herstellungsverfahrensvarianten vorgeschlagen.
Gemäß Anspruch 1 wird sinngemäß derart verfahren, daß
die matrixbeschichtete Faser, bei der es sich vorteil
hafterweise um eine Endlos-Faser handelt, auf ihrer
Umfangsfläche mit einem feinen Pulver versehen wird,
wobei die Pulverteilchen bewegbar haftend auf die Um
fangsfläche aufgebracht sind. Die Aufbringung des
Pulvers auf die Faser erfolgt beispielsweise durch Be
stäuben oder durch Eintauchen der Faser in das Pulver.
Die derart präparierte Faser wird um den Trägerkörper
gewickelt und zwar derart, daß die kleinen Pulver
teilchen in die Zwischenräume zwischen aneinanderlie
genden Faserabschnitten gedrückt werden. Damit sind
nach dem Wickelprozeß sämtliche Hohlräume ausgefüllt,
so daß sich die Faserabschnitte beim anschließenden
HIP-Prozeß nicht gegeneinander bewegen können, insbe
sondere die auf die Faserschlaufen wirkenden Radial
kräfte nicht zu einer radial einwärts gerichteten Be
wegung der Faser führen konnen.
Die Pulverteilchen sollten vorteilhafterweise sehr
klein gegenüber dem Durchmesser der Endlos-Faser sein.
Beispielsweise sollten die Teilchen etwa 10 µm
Durchmesser aufweisen, wenn die matrixbeschichtete
Faser 100 bis 150 µm dick ist.
Statt der getrennten Aufbringung von Kleber und Pulver
ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser
Variante der Erfindung vorgesehen, die Faser mit einer
Pulver-Kleber-Suspension zu beschichten. Diese Suspen
sion befindet sich dann auf der Umfangsfläche des
Matrixmaterials. Die Umwicklung des Trägerkörpers mit
der mit Kleber und Pulver versehenen Faser sollte er
folgen, solange die einzelnen Pulverteilchen noch rela
tiv beweglich und verschiebbar sind und noch nicht fest
an dem Matrixmaterial haften. Der Kleber verdampft oder
verflüchtigt sich nach Umwicklung des Trägerkörpers mit
der Faser. Dieser Vorgang kann im Zusammenhang mit dem
Ausgasen der Kapsel, das im allgemeinen zusammen mit
der Evakuierung der Kapsel erfolgt, erreicht werden.
Gemäß der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Ver
fahrens (siehe Anspruch 3) wird der umwickelte Träger
körper allseitig mit einem Umhüllungsmaterial versehen.
Das Umhüllungsmaterial hat einen niedrigeren Duktili
tätspunkt als das Matrixmaterial der Fasern, d. h. das
Umhüllungsmaterial wird bei einer niedrigeren Tempera
tur bzw. einem niedrigerem Druck in einen Fließzustand
überführt als dies beim Matrixmaterial und der ge
gebenenfalls den Grünling umgebenden Kapsel der Fall
ist. Zunächst werden die Temperatur und der Druck der
art eingestellt, daß der Duktilitätspunkt des Umhül
lungsmaterials erreicht wird, so daß sich das Umhül
lungsmaterial verformt und in die Zwischenräume (Poren)
der Faserschicht des faserumwickelten Trägerkörpers
(Grünling) eindringt und diese verschließt. Vor dem
eigentlichen HIP-Prozeß sind die Zwischenräume des
Faserwickels um den Trägerkörper herum mit dem zuvor
auf den Grünling aufgebrachten Umhüllungsmaterial, das
in die Zwischenräume hineingedrückt worden ist, ausge
füllt. Durch weitere Erhöhung von Temperatur und/oder
Druck bis zur Verformung des Matrixmaterials wird der
porenfreie Grünling weiter verdichtet.
Vorteilhafterweise besteht der Träger aus Matrixmate
rial; bei Erreichung des Duktilitätspunktes des Matrix
materials der Fasern verformt sich also auch das
Trägermaterial, so daß mit Erreichen des Duktilitäts
punktes des Matrixmaterials eine fließende Verformung
zwischen den beschichteten Fasern und dem Träger er
folgt. Als Trägermaterial kommen aber auch sonstige
geeignete Materialien in Frage.
Eine mögliche Variante besteht darin, den Träger nach
dem Wickeln und vor dem Einkapseln zu entfernen. Diese
Variante gilt für sämtliche hier beschriebenen Varian
ten und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Wahl der Materialien für die Matrix und die Umhül
lung ist kritisch, da es unter anderem folgende Effekte
zu beachten gilt:
- a) Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien und der Faser müssen einander angepaßt sein,
- b) Wechselwirkungen (chemischer Art, Diffusion, Bil dung neuer Phasen, Reaktion) zwischen den Mate rialien sollten soweit wie möglich vermieden werden und
- c) die Bildung von Grenzflächenreaktionsprodukten zwischen den beiden Materialien sollte unter drückt werden.
Diese Effekte sind jedoch ohnehin typisch für komplexe
Werkstoffe, wie Faserverbundwerkstoffe; Lösungen für
diese Probleme sind also prinzipiell gegeben. So kann
etwa die Wechselwirkung zwischen den Materialien für
die Umhüllung und die Matrix durch eine dünne Schutz
schicht auf der Matrix oder der Umhüllung minimiert
werden.
Eine Variante der Wickel-/Umhüllungstechnik ist im An
spruch 4 angegeben. Der Einschluß des Grünlings mit
Umhüllungsmaterial gemäß Anspruch 4 eignet sich insbe
sondere zum sogenannten kapselfreien heißisostatischen
Pressen. Hierzu ist vorgesehen, daß zum Einkapseln der
mit der matrixbeschichteten Faser versehene Träger
körper mit einem gasdichten Umhüllungsmaterial voll
ständig umschlossen wird und daß anschließend der der
art gebildete Raum evakuiert wird und der eingekapselte
Trägerkörper erhitzt und einem allseitigen Druck ausge
setzt wird, bis der Duktilitätspunkt des Umhüllungs
materials erreicht ist und sich das Umhüllungsmaterial
unter Eindringen in die Zwischenräume benachbarter
Faserabschnitte bzw. -lagen verformt. Das Vakuum in dem
durch die Umhüllung gebildeten Raum wird vorteilhafter
weise gleichzeitig mit dem Beschichtungsprozeß erzeugt,
da die Beschichtung im Vakuum erfolgt.
Das Umhüllungsmaterial kann bei den Verfahren gemäß der
beiden zuletztgenannten Varianten der Erfindung auf
verschiedenen Arten auf den gewickelten oder in sonsti
ger Weise mit der Endlos-Faser versehenen Träger aufge
bracht werden. Eine vorteilhafte erste Möglichkeit be
steht in der physikalischen Beschichtung des Grünlings
in einem physikalischen Verdampfungsprozeß, bei dem das
Umhüllungsmaterial verdampft, sich auf dem Grünling
niederschlägt und dabei die Poren nach außen ver
schließt. Dadurch sind die inneren Poren gasfrei, denn
der Beschichtungsprozeß erfolgt im Vakuum. Der Be
schichtungsprozeß kann aber auch auf chemische Weise
erfolgen. Dabei erfolgt die Infiltration des Grünlings
mit Umhüllungsmaterial durch einen chemischen Abschei
dungsprozeß, der auch in den Poren abläuft. Eine wei
tere vorteilhafte Möglichkeit zum Aufbringen des Um
hüllungsmaterial auf den Grünling besteht im Eintauchen
des Grünlings in eine Schmelze oder eine Pulversuspen
sion aus Umhüllungs- oder Matrixmaterial. Das Ein
dringen des Umhüllungsmaterial in die Poren wird dabei
durch Druckbeaufschlagung der Schmelze oder der Fulver
suspension gefördert (Druckinfiltration). Das Beschich
tungsmaterial sollte unter Berücksichtigung der für die
Matrix, die Fasern, das Umhüllungsmaterial und das
Trägermaterial geltenden Eigenschaften gewählt werden.
Wird der Grünling im Vakuum in eine Schmelze aus Umhül
lungsmaterial eingetaucht, setzen sich die Frei- oder
Zwischenräume in dem äußeren Bereich der Faserschicht
zu. Sollten sich nicht alle Zwischenräume zusetzen, so
kann nach dem Eintauchen des Grünlings in die Schmelze
und Erstarren des Umhüllungsmaterials auf dem Grünling
dieser sofort heißisostatisch gepreßt werden, da die
noch vorhandenen Zwischenräume bereits evakuiert sind.
Diese Variante stellt die sogenannte Schmelzinfiltra
tion des Grünling mit Umhüllungsmaterial beim "kapsel
freien" heißisostatischen Pressen dar.
Vorteilhafterweise werden bei sämtlichen Verfahrens
varianten matrixmaterialbeschichtete Endlos-Fasern ein
gesetzt, also kontinuierliche Fasern, mit denen der
Trägerkörper auf bequeme Weise umwickelt werden kann
(Grünling). Sämtlichen Verfahrensvarianten gemeinsam
ist das porenfreie Umwickeln eines Trägerkörpers mit
spröden im Querschnitt runden (Einzel-Endlos-)Fasern
zur Vermeidung von Faserbruch beim heißisostatischen
Pressen infolge der Unterbindung von radial nach innen
gerichteten Bewegungen bzw. Verschiebungen der Faser
wicklungen.
Nachfolgend werden anhand der Figuren Ausführungsbei
spiele der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen
zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung zur Erläuterung des heißiso
statischen Preßvorganges bei der Herstellung
faserverstärkter Bauteile,
Fig. 2 perspektivisch einen rohrförmigen Trägerkörper,
um dessen Mantelfläche eine Einzel-Endlosfaser
mehrlagig gewickelt wird,
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III der
Fig. 2 und
Fig. 4 einen Längsschnitt durch das eine Ende eines
mit einer Einzelfaser umwickelten rohrförmigen
Trägerkörpers, der von Umhüllungsmaterial um
geben ist.
Anhand von Fig. 1 soll nachfolgend der heißisostatische
Preßvorgang beschrieben werden. In einer Druckkammer 10
ist eine Kapsel 12 untergebracht. Die
Kapsel 12 besteht aus einem im wesentlichen hohlzylin
derförmigen Teil 14, an dessen einer Stirnseite ein
Deckel 16 zum Öffnen und Schließen des Teils 14 ange
setzt ist. In der Kapsel 12 untergebracht ist ein rohr
förmiger Trägerkörper 18, dessen Außenmantelfläche mit
einer beschichteten Endlosfaser 20 umwickelt ist. Bei
der Endlosfaser 20 handelt es sich z. B. um eine Sili
ziumcarbid-Faser, die mit einem
Matrixmaterial, beispielsweise Titan, beschichtet ist.
Der genaue Aufbau der Faser ist in Fig. 1 nicht darge
stellt; eine vergrößerte Querschnittsansicht der Faser
ist in Fig. 3 wiedergegeben. Der Trägerkörper 18 be
steht ebenfalls aus Matrixmaterial, also in diesem Fall
aus Titan, während die Kapsel aus Stahl oder Glas be
steht. Von außen auf die Endlosfaserschicht aufgebracht
ist eine Schicht 21 aus Matrixmaterial, an der die
Innenseite der Kapselwand anliegt.
Zum heißisostatischen Pressen der Kapsel 20 und des in
dieser befindlichen umwickelten Trägerkörpers 18, des
sogenannten Grünlings, wird die Kapsel 12 zunächst eva
kuiert und zum schnellen Entfernen aller adsorbierten
Gase erwärmt. Danach wird in der Kapsel 12 ein Vakuum
gebildet. Die Kapsel 12 wird vom Vakuum-Pumpstand durch
Zuschweißen des Verbindungsrohres 19 getrennt. Die eva
kuierte Kapsel 12 wird in der Druckkammer 10 einem
hohen Druck von etwa 1900 bar und einer hohen Tempera
tur von ca. 900°C ausgesetzt. Da die Kapsel 12 den
Grünling sowohl von außen als auch von innen umschließt
und evakuiert ist, preßt sie sich aufgrund des hohen
Druckes allseitig an den Grünling an. Aufgrund der Tem
peraturerhöhung wird der Duktilitätspunkt des Matrix
materials erreicht, und das Matrixmaterial unter Ein
wirkung des Druckes verformt. Auf diese Weise verbinden
sich das Matrixmaterial der Faserbeschichtung und der
Trägerkörper 18 sowie die Kapsel 12 mit beidem. Das
Ergebnis ist ein siliziumcarbid-faserverstärktes Bau
teil.
Beim heißisostatischen Preßvorgang besteht die Gefahr,
daß auf die Fasern Kräfte ausgeübt werden, die quer zur
Faserlängserstreckung wirken. Derartige Kräfte führen
leicht zum Faserbruch, was die Güte des gefertigten
Bauteils herabsetzt. Zur Vermeidung von Faserbruch ist
es erforderlich, daß die beschichtete Faser den Träger
körper möglichst "porenfrei" umgibt. Bestehen nämlich
zwischen den Faserwicklungen keine Freiräume, wird auch
der Bewegungsfreiraum der Fasern beim heißisostatischen
Pressen eingeschränkt.
In den Fig. 2 und 3 ist grafisch die Umwicklung des
Trägerkörpers 18 mit einer Endlos-Einzelfaser 20 darge
stellt. Wie man anhand von Fig. 3 erkennt, bilden sich
beim Umwickeln des Trägerkörpers 18 mit der Endlosfaser
20 zwischen den einzelnen Wicklungslagen relativ große
im Querschnitt etwa dreieckförmige Zwischenräume 26.
Beim heißisostatischen Pressen verformt sich das die
Seele der Einzelfaser 20 umgebende Matrixmaterial und
"fließt" (das Matrixmaterial ist nicht flüssig sondern
lediglich verformbar) in die Zwischenräume 26 hinein,
was zur Folge hat, daß sich die einzelnen Faserab
schnitte gegeneinander verschieben, womit es wiederum
zum Faserbruch kommen kann. Bei der in den Fig. 2 und
3 dargestellten Wicklungsmethode wird die Umfangsfläche
der Endlosfaser 20 mit einem (nicht dargestellten)
Klebematerial versehen, auf das feines Pulver 28 aufge
bracht wird. Zu diesem Zweck wird die Endlosfaser 20
vor dem Umwickeln des Trägerkörpers 18 in eine Pulver-
Kleber-Suspension getaucht. Die einzelnen Partikel des
Pulvers 28 werden beim Umwickeln des Trägerkörpers 18
in die sich zwischen den einzelnen Windungen bildenden
Zwischenräume 26 gedrückt und füllen diese aus. Durch
die Pulverpartikel wird der Anteil an Poren in der
Faserschicht reduziert, was die Gefahr von Faserbruch
beim späteren heißisostatischen Preßvorgang verringert.
Die mit der Fulver-Kleber-Suspension versehene Einzel
faser 20 sollte um den Trägerkörper 18 gewickelt wer
den, solange die Fulverpartikel noch nicht fest an der
Einzelfaser anhaften, sondern noch verschiebbar sind,
um sich beim Umwickeln des Trägerkörpers 18 in die
Zwischenräume 26 setzen zu können bzw. in diese ge
drückt werden zu können.
Bei dem Kleber handelt es sich um ein Material, das
sich beim der Evakuierung der Kapsel 12 und der sich
darauf anschließenden Ausgasung verflüchtigt. Das
Pulver muß dem Matrixmaterial entsprechend gewählt
werden und bezüglich seines Ausdehnungskoeffizienten,
seiner Wechselwirkung und der Bildung von Grenzflächen
reaktionsprodukten an das Matrixmaterial angepaßt sein.
Eine Variante davon ist die Verwendung von Pulver als
Matrixmaterial.
In Fig. 3 ist neben der Wickeltechnik auch der Aufbau
der Einzelfaser 20 zu erkennen. Bei diesem Beispiel
weist die Einzelfaser 20 eine Seele 30 aus Silizium
carbid auf, um die herum in einem Beschichtungsprozeß
ein Mantel 32 aus Matrixmaterial aufgebracht ist.
Es ist zu beachten, daß die Größenverhältnisse der in
den Figuren dargestellten Teile nicht den tatsächlichen
Verhältnissen entsprechen. Der Trägerkörper ist in Be
zug zu den Faserdicken in seinen Abmessungen zu klein
dargestellt. Dennoch wurde die in den Figuren wiederge
gebene Darstellungsweise gewählt, um die erfindungsge
mäßen Techniken zum nahezu "porenfreien" Versehen eines
Trägerkörpers mit (Endlos-)Fasern zu verdeutlichen.
In Fig. 4 ist ein mit einer Einzelfaser 20 umwickelter
rohrförmiger Trägerkörper 18 dargestellt, der von einem
Umhüllungsmaterial 34 umgeben ist. Das Umhüllungsmate
rial 34 umgibt den Trägerkörper 18 gasdicht sowohl auf
dessen Innenseite als auch auf dessen mit der umwickel
ten Endlosfaser 20 versehenen Außenseite. Das Umhül
lungsmaterial weist einen niedrigeren Duktilitätspunkt
auf als das Matrixmaterial, aus dem die Faserbeschich
tung und der Trägerkörper bestehen. Beim heißisosta
tischen Preßvorgang werden zunächst die Temperatur und
der Druck auf diejenigen Werte eingestellt, bei denen
der Duktilitätspunkt des Umhüllungsmaterial erreicht
wird. Jetzt verformt sich das Umhüllungsmaterial, wobei
es aufgrund des Druckes in die Zwischenräume zwischen
den einzelnen Faserwindungen bzw. -wicklungen gepreßt
wird. Danach werden der Druck und die Temperatur bis
zum Duktilitätspunkt des Matrixmaterial erhöht, so daß
die Faserbeschichtungsschicht, der Trägerkörper und das
Umhüllungsmaterial ineinanderfließen und somit ein
faserverstärktes Bauteil aus einem Mehrkomponentenwerk
stoff bilden.
Ist das Umhüllungsmaterial gasdicht, kann beim heiß
isostatischen Preßvorgang die Umhüllung als den Grün
ling umschließende Kapsel eingesetzt werden. Diese aus
dem Umhüllungsmaterial bestehende Kapsel wird wie beim
heißisostatischen Pressen vorgesehen, evakuiert, ausge
gast und dem allseitig wirkenden Druck sowie der hohen
Temperatur ausgesetzt. Wird das Umhüllungsmaterial in
einem Beschichtungs- oder Abscheidungsprozeß, also im
Vakuum aufgebracht, entfällt die Evakuierung. Für
dieses sogenannte "kapselfreie" heißisostatische Fres
sen ist der komplette Einschluß des Grünlings mit Um
hüllungsmaterial 34 (Aufbringen des Umhüllungsmaterials
auf der gesamten Oberfläche des Grünlings) zwingend
erforderlich. Soll das Umhüllungsmaterial lediglich zum
Ausfüllen der Zwischenräume zwischen den Faserwick
lungen verwendet werden, braucht der Grünling lediglich
auf seinem von den Fasern gebildeten Oberflächenbereich
mit Umhüllungsmaterial versehen zu sein, da der derart
präparierte Grünling von der (separaten) Kapsel 12 zum
heißisostatischen Pressen eingeschlossen wird.
Die Erfindung wurde anhand der Herstellung von Bau
teilen beschrieben, die mit einer titanbeschichteten
Siliziumcarbid-Faser verstärkt sind. Titan zeichnet
sich unter anderem durch seine hohe Temperaturbestän
digkeit aus. Der Einsatz der hergestellten Bauteile,
z. B. Turbinenantriebswellen, ist daher insbesondere
auch bei hohen Temperaturen noch möglich.
Claims (8)
1. Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Bau
teilen, bei dem
- - ein Trägerkörper (18) mit mindestens einer mit einem Matrixmaterial (24) beschichteten Faser (20) umgeben wird,
- - der mit der Faser versehene Trägerkörper (18) von einer Kapsel (12) umgeben wird und
- - die Kapsel (12) evakuiert, ausgegast und danach erhitzt sowie allseitig einem hohen Druck aus gesetzt wird, dadurch gekennzeichnet,
- - daß die mit Matrixmaterial (24) beschichtete Faser (20) mit einer Klebe-Schicht versehen wird, auf die ein feines Pulver (28) aufge bracht wird, und
- - daß der Trägerkörper (18) mit der derart auf ihrer Umfangsfläche mit Pulver (28) versehenen matrixbeschichteten Faser (20) derart umwickelt wird, daß das Pulver in die Zwischenräume zwischen benachbarten Faserabschnitten hinein gedrückt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Faser (20) mit einer Pulver-Kleber-Suspen
sion beschichtet wird und daß nach dem Umwickeln
des Trägerkörpers (18) mit der Faser (20) der Kle
ber verdampft wird.
3. Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Bau
teilen, bei dem
- - ein Trägerkörper (18) mit mindestens einer mit einem Matrixmaterial (24) beschichteten Faser (20) umgeben wird,
- - der mit der Faser versehene Trägerkörper (18) von einer Kapsel (12) umgeben wird und
- - die Kapsel (12) evakuiert, ausgegast und danach erhitzt sowie allseitig einem hohen Druck aus gesetzt wird, dadurch gekennzeichnet,
- - daß der mit der matrixbeschichteten Faser (20) versehene Trägerkörper (18) vor dem Einkapseln mit einem Umhüllungsmaterial (34) versehen wird, dessen Duktilitätspunkt unter demjenigen des Matrixmaterials liegt,
- - daß nach dem Einkapseln und Evakuieren die Kapsel (12) zunächst einer Temperatur und/oder einem Druck ausgesetzt wird, bei denen der Duktilitätspunkt des Umhüllungsmaterials (34) erreicht ist und sich das Umhüllungsmaterial (34) verformt, wobei es in Zwischenräume zwischen benachbarten Faserabschnitten (20) eindringt, und daß anschließend die Temperatur und/oder der Druck bis zur Verformung des Matrixmaterials (24) erhöht wird.
4. Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Bau
teilen, bei dem
- - ein Trägerkörper (18) mit mindestens einer mit einem Matrixmaterial (24) beschichteten Faser (20) umgeben wird,
- - der mit der Faser versehene Trägerkörper (18) eingekapselt wird und
- - der eingekapselte Trägerkörper (18) evakuiert, ausgegast und danach erhitzt sowie allseitig einem hohen Druck ausgesetzt wird,
dadurch gekennzeichnet
- - daß der mit der matrixbeschichteten Faser (20) versehene Trägerkörper (18) zum Einkapseln mit einem gasdichten Umhüllungsmaterial (34) all seitig vollständig umschlossen wird und
- - daß anschließend der derart gebildete gasdicht umschlossene Raum evakuiert wird und der einge kapselte Trägerkörper (18) danach einer Tempe ratur und/oder einem Druck ausgesetzt wird, bei denen der Duktilitätspunkt des Umhüllungsmate rials (34) erreicht ist und sich das Umhül lungsmaterial (34) verformt, wobei es in Zwischenräume zwischen benachbarten Faserab schnitten (20) eindringt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, da
durch gekennzeichnet, daß das Umhüllungsmaterial
(34) durch Beschichten, Infiltrieren oder durch
Eintauchen des mit der matrixbeschichteten Faser
(20) versehenen Trägerkörpers (18) in eine
Schmelze oder eine Pulversuspension aufgebracht
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung mit Umhüllungsmaterial (34)
in einem physikalischen Verdampfungsprozeß er
folgt.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Infiltration des mit der matrixbeschichte
ten Faser (20) versehenen Trägerkörpers (18) in
einem chemischen Abscheidungsprozeß erfolgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904021547 DE4021547A1 (de) | 1990-07-06 | 1990-07-06 | Verfahren zum herstellen von faserverstaerkten bauteilen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904021547 DE4021547A1 (de) | 1990-07-06 | 1990-07-06 | Verfahren zum herstellen von faserverstaerkten bauteilen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4021547A1 DE4021547A1 (de) | 1992-01-16 |
DE4021547C2 true DE4021547C2 (de) | 1992-07-16 |
Family
ID=6409780
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19904021547 Granted DE4021547A1 (de) | 1990-07-06 | 1990-07-06 | Verfahren zum herstellen von faserverstaerkten bauteilen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4021547A1 (de) |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4335557C1 (de) * | 1993-10-19 | 1995-02-02 | Deutsche Forsch Luft Raumfahrt | Verfahren zum Herstellen von langfaserverstärkten Bauteilen |
DE19803743C2 (de) * | 1998-01-30 | 2000-02-03 | Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt | Verfahren zum Herstellen von langfaserverstärkten Bauteilen |
DE59911362D1 (de) * | 1998-10-31 | 2005-02-03 | Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt | Verfahren zum Herstellen eines langfaserverstärkten Bauteils |
DE10025628A1 (de) | 2000-05-24 | 2001-11-29 | Sgl Carbon Ag | Abwickelbare Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung |
JP2003138352A (ja) * | 2001-10-29 | 2003-05-14 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 金属基複合材料の成形方法 |
FR2886181B1 (fr) * | 2005-05-27 | 2008-12-26 | Snecma Moteurs Sa | Procede de fabrication d'une piece tubulaire avec un insert en materiau composite a matrice metallique |
DE102006040120B3 (de) * | 2006-08-26 | 2008-04-24 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Verbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung |
FR2911524B1 (fr) * | 2007-01-23 | 2009-08-21 | Snecma Sa | Piece tubulaire comportant un insert en matiere composite a matrice metallique. |
DE202014101418U1 (de) | 2014-03-26 | 2015-07-22 | Hqm Sachsenring Gmbh | Fahrwerkbauteil, insbesondere Fahrwerkstrebe bzw. -lenker oder Elastomerlager |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CA1042641A (en) * | 1975-12-24 | 1978-11-21 | Westinghouse Canada Limited | Manufacture of composites for turbine blades |
DE3838968A1 (de) * | 1988-01-22 | 1989-07-27 | Asea Brown Boveri | Verbundwerkstoff auf der basis von kohlenstoff-fasern als bewehrungsgeruest und einer metallischen matrix als fuellstoff und verfahren zu dessen herstellung |
-
1990
- 1990-07-06 DE DE19904021547 patent/DE4021547A1/de active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE4021547A1 (de) | 1992-01-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE69611458T2 (de) | Verfahren zum einbringen einer geschmolzenen zusammensetzung auf der basis von silicium in poröse substrate | |
EP0118702B1 (de) | Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes aus pulverförmigem Material durch isostatisches Pressen | |
DE2939634C2 (de) | ||
DE2460013C3 (de) | Verfahren zum Herstellen metallischer Formkörper | |
DE2432482A1 (de) | Verbundwerkstoff sowie verfahren und vorrichtung zu dessen herstellung | |
DE69705907T2 (de) | Herstellungsverfahren eines faserverstärkten metallischen Teils | |
DE3875594T2 (de) | Verfahren zur herstellung eines gegenstandes aus pulverfoermigem material durch isostatisches pressen. | |
DE10342867B4 (de) | Verfahren zur Herstellung eines wasserlöslichen Formkerns | |
DE4021547C2 (de) | ||
DE2619235A1 (de) | Verfahren zur herstellung von zusammengesetzten gegenstaenden | |
DE2164568B2 (de) | Kohlenstoffaser-verstärkter-Aluminiumverbund werkstoff | |
DE3729033A1 (de) | Verfahren zur herstellung von vakuumschalter-elektroden | |
DE19652223C2 (de) | Formkörper aus einem Werkstoffverbund, Verfahren zu seiner Herstellung und Verwendung | |
EP1973634A2 (de) | Kopfplatte | |
DE69807306T2 (de) | Metallmatrixverbundkörper mit hoher Steifigkeit und hoher Stabilität in Längsrichtung | |
EP2221895B1 (de) | Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Verbindung von MgB2-Supraleiterdrähten über eine MgB2-Matrix aus einem Mg-infiltrierten Borpulver-Presskörper | |
DE3015575A1 (de) | Verfahren zur herstellung eines gegenstandes aus keramischem oder metallischem material durch isostatisches pressen | |
DD301859A9 (de) | Verfahren zur Bildung von Makroverbundkoerpern durch selbsterzeugte Vakuumtechnologien und daraus hergestellte Produkte | |
DE4335557C1 (de) | Verfahren zum Herstellen von langfaserverstärkten Bauteilen | |
DE2907224A1 (de) | Fluessigkeitsphasen-gesinterte verbundkoerper und verfahren zu deren herstellung | |
DE4203773A1 (de) | Verfahren zur verguetung der oberflaeche eines koerpers | |
DE2724524A1 (de) | Behaelter zum heissverdichten von pulver | |
DE3830915A1 (de) | Verfahren zur herstellung eines gegenstandes aus supraleitfaehigem material | |
DE3307000C2 (de) | Verfahren zur Herstellung eines Verbundmetallkörpers | |
DE2210771C3 (de) | Verfahren zur Herstellung eines Faser-Verbundwerkstoffes |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DEUTSCHES ZENTRUM FUER LUFT- UND RAUMFAHRT E.V., 5 |
|
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |