DE69208692T2

DE69208692T2 - Verfahren zur Herstellung einer hundfussformigen Schicht aus Verbundwerkstoff und dafür gebrauchtes (benötigtes) Werkzeug

Info

Publication number: DE69208692T2
Application number: DE69208692T
Authority: DE
Inventors: David Andrew Kovalsky; Peter Bancroft Leoni
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1991-01-15
Filing date: 1992-01-09
Publication date: 1996-07-25
Anticipated expiration: 2012-01-10
Also published as: DE69208692D1; JPH0569491A; US5158631A; EP0495746A2; EP0495746A3; EP0495746B1

Description

Diese Anmeldung enthält ähnliches Material wie die US-A-5 091 029, die am 15. Januar 1991 eingereicht worden ist, den Titel trägt "Method of Manufacturing a Unitary, Multi-Legged Helicopter Rotor Flexbeam Made Solely of Composite Materials" und auf der Erfindung von Geoffrey C.R. Davis and Allen J. McIntire basiert.

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer hundebeinförmigen Lage von Verbundmaterial, die aus mehreren, sich unidirektional erstreckenden Filamenten aus hoch Zugfesten Fasern besteht, die durch ein Harz miteinander verbunden sind, und bei Gegenständen benutzt wird, welche derartige Lagen verlangen, die in der Lage sind, hohe Zugbelastungen auszuhalten und im Betrieb verschiedene Bewegungsgrade zuzulassen. Eine solche hundebeinförmige Lage ist bei der Herstellung des Biegeträgers eines Pentaflex -Hubschrauberrotors des Typs besonders brauchbar, der aus einer ungeraden Anzahl von Armen besteht, welche sich von einer zentralen Nabe aus radial nach außen erstrecken, vorzugsweise fünf Armen. Ein solcher Biegeträger besteht aus einer Vielzahl von hundebeinfärmigen Lagen, von denen sich jede von einem der Arme des Biegeträgers aus durch dessen Nabe und nach außen in einen zweiten, im wesentlichen diametral entgegengesetzten Arm des Biegeträgers erstreckt, um Belastungen zu übertragen, wie z.B. Zentrifugalbelastungen, die durch das Hubschrauberblatt im Betrieb verursacht werden, und um Bewegungen wie Blattverstell-, Blattschwenk-, Blattschlagbewegungen und Torsionsbewegungen während des Hubschrauberrotorbetriebes aufzunehmen.

Hintergrund der Erfindung

Bei Biegeträgerhubschrauberrotoren ist es wichtig, daß der Biegeträger ein geringes Gewicht hat, in der Lage ist, beträchtliche Belastungen auszuhalten, wie Z.B. die Zentrifugalbelastungen, die auf ihn durch das Hubschrauberblatt während des Hubschrauberbetriebes ausgeübt werden, und verschiedene Bewegungen aufzunehmen, wie z.B. die Verstell-, Schwenk-, Schlag- und Torsionsbewegung des Hubschrauberblattes. Ein Biegeträger, der aus Verbundmaterialien hergestellt ist, insbesondere aus einer Vielzahl von hoch zugfesten, leichten Fasern, die durch ein Harz miteinander verbunden sind und sich auf unidirektionale Art und Weise über die volle Länge der Lage erstrecken, ist in dieser Umgebung besonders attraktiv. Zwei hundebeinförmige Lagen aus derartigem Verbundmaterial können geformt und spiegelbildlich positioniert werden, so daß sie sich entweder über die volle Länge oder über einen Teil der Länge des Biegeträgerarms erstrecken, in Kombination mit anderen Verbundlagen, und sich dann bei dem Durchgang durch die Biegeträgernabe gabeln und sich entweder über die volle Länge oder über einen Teil der Länge erstrecken, wobei dann jede der hundebeinförmigen Lagen die Hälfte der Breite von zwei im wesentlichen entgegengesetzt angeordneten Armen einnimmt. Das führt zu einer sehr günstigen Lastübertragung, insbesondere zu einer sehr günstigen Zentrifugallastübertragung zwischen den verschiedenen Armen des Biegeträgers und gestattet außerdem das Zulassen der wegen der Flexibilität der Biegeträgerteile verlangten Bewegungen. Ein solcher Biegeträger und ein Verfahren zu seiner Herstellung sind beschrieben in der EP-A-0 496 695 und in der US-A-5 091 029, angemeldet am 15. Januar 1991 im Namen von G. Davis et al und betitelt "Method of Manufacturing a Unitary, Multi-Legged Helicopter Rotor Flexbeam Made Solely of Composite Materials", die alle auf einen gemeinsamen Rechtsnachfolger übertragen worden sind.
Es ist demgemäß sehr wichtig, solche Hundebeinlagen billig, schnell und in Produktionsmengen bei der Herstellung von solchen Biegeträgerhubschrauberrotoren herstellen zu können.
Im Stand der Technik ist es bekannt, solche Lagen von Fasern herzustellen, indem sie auf einen umlaufenden Dorn gewickelt werden. Zum Beispiel ist in dem deutschen Patent Nr. 3 243 519 ein zylindrischer Dorn gezeigt, und es sind rhomboidförmige Vorsprünge axial längs desselben angeordnet. Die Lehre des deutschen Patents beinhaltet, Fasern oder ein Filament auf den Dorn in den Bereichen zwischen den Rliomboidvorsprüngen zu wickeln, um so gekrümmte Federstäbe zu bilden. Es ist jedoch wichtig zu beachten, daß gemäß dem deutschen Patent das Filament nicht über die rhomboidförmigen Vorsprünge gewickelt wird, sondern daß das Filament zwischen den Vorsprüngen in die dazwischen gebildeten Zwischenräume gewickelt wird. Das US-Patent Nr. 3 472 718 von W. P. Siegmund, erteilt am 14. Oktober 1969, betitelt "Methods of Making Display Devices", betrifft das Herstellen einer Schauvorrichtung, die aus mehreren übereinander gestapelten Fachböden besteht, von denen einige eine rechteckige Form haben und durch Wickeln eines Filaments auf einen zylindrischen Dorn hergestellt sind, und einige bogenförmig sind und durch Wickeln eines Filaments auf einen konischen Dorn hergestellt sind. Siegmund ist deshalb in der Lage, sowohl gerade als auch bogenförmige Filamente herzustellen, nicht aber die Kombination der beiden. Zum Herstellen eines hundebeinförmigen Filaments unter Anwendung der Lehre von Siegmund wäre es notwendig, gerade Filamentlagen mit den entgegengesetzten Enden einer bogenförmigen Filamentlage zu verbinden. Das würde nicht eine hundebeinförmige Lage ergeben, die hoch zugfeste Fasern hat, welche sich über deren volle Länge erstrecken, sondern würde statt dessen Verbindungen aus Harz oder anderem Verbindungsmaterial zwischen den entgegengesetzten Enden der bogenförmigen Lage und den beiden geraden Lagen beinhalten. Diese Harzverbindungen wären nicht in der Lage, hohe Zugkräfte auszuhalten, wie z.B. die Zentrifugalkraft eines Hubschrauberrotors im Betrieb. Konträr dazu lehren wir, eine hundebeinförmige Lage herzustellen, die Filamente hoher Festigkeit hat, welche sich unidirektional über die volle Länge derselben erstrecken, so daß die Lage hohe Zugfestigkeitsqualitäten hat und hohe Zugbe lastungen über sie übertragen werden können, z.B. in Verbindung mit dem Betrieb des Biegeträgerhubschrauberrotors.

Darstellung der Erfindung

Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer hundebeinförmigen Lage zu schaffen, die aus einer Vielzahl von Fasern hoher Zugfestigkeit besteht, welche sich unidirektional und ohne Knickstellen über deren volle Länge erstrecken und durch ein geeignetes Verbindungsmedium miteinander verbunden sind, um eine Verbundlage mit Hundebeinform zu bilden.
Um das zu erreichen, schafft die Verbindung ein Verfahren zum Herstellen einer hundebeinförmigen Lage aus Verbundmaterial, die aus einer Serie von unidirektionalen, hoch zugfesten Filamenten besteht, beinhaltend die Schritte:
a. Bereitstellen eines Dorns von zylindrischer Form, der drehbar um die Zylinderachse gelagert ist und wenigstens einen kegelstumpfförmigen Vorsprung hat, welcher sich von dessen Umfang nach außen erstreckt und einen inneren Radius hat, der in einer Ebene liegt, die zu der Zylinderachse rechtwinkelig ist und der Radius des Zylinders ist, und einen äußeren Radius, der in einer Ebene liegt, die zu der Zylinderachse rechtwinkelig ist, und größer als der innere Radius ist und längs der Zylinderachse Abstand von diesem hat, um die radialen Abmessungen der kegelstumpfförmigen Oberfläche festzulegen, die sich dazwischen erstreckt, wobei sich der Vorsprung weiter über einen Teil des Umfangs des Zylinders erstreckt;
b. Bereitstellen einer Filamentwickelmaschine, die darauf eingestellt ist, ein Filament spulenartig auf den Dorn zu wickeln, wobei sich das so gewickelte Filament im wesentlichen tangential zu der zylindrischen Dornoberfläche erstreckt;
c. Wickeln eines hoch zugfesten Filaments spulenartig auf den Dorn unter Verwendung der Filamentwickelmaschine, so daß sich die erste Schleife des so gewickelten Filaments umfangsmäßig um den Dorn erstreckt und im wesentlichen auf der Oberfläche des kegelstumpfförmigen Vorsprunges aufliegt, die ihren inneren Radius festlegt;
d. fortschreitendes Wickeln des Filaments um den Dorn, so daß jede anschließende Filamentschleife unmittelbar an der zuvor aufgebauten Filamentschleife positioniert wird, wenn sie mit der zylindrischen Oberfläche des Dorns in Berührung kommt, und dann über den kegelstumpfförmigen Teil mit einem Radius hinweggeht, der etwas größer als der der zuvor so gewickelten Filamentschleife ist;
e. Fortfahren, das Filament so auf den Dorn zu wickeln, bis die letzte Schleife des Filaments im wesentlichen an dem kegelstumpf förmigen Teil an dessen äußerem Radius anliegt;
f. Zerschneiden des so gewickelten Filaments längs der Achse des Dorns an einer Stelle, die zu dem Mittelpunkt des kegelstumpfförmigen Teils im wesentlichen diametral entgegengesetzt ist, und
g. Legen des so von dem Dorn losgeschnittenen gewickelten Filaments auf eine ebene Oberfläche, so daß es eine Hundebeinlage bildet, die einen bogenförmigen Mittelteil und zwei gerade Schenkelteile hat, die sich von dem bogenförmigen Mittelteil aus tangential erstrecken, und so, daß die Lage aus einer Vielzahl von sich unidirektional erstreckenden Filamenten besteht, die sich über die volle Länge der Lage erstrecken.
Durch das Verfahren nach der Erfindung kann eine Hundebeinlage hergestellt werden, bei der der innere Radius des kegelstumpfförmigen Vorsprunges im wesentlichen den inneren Radius des bogenförmigen Teils der Hundebeinlage bildet, der äußere Radius des kegelstumpfförmigen Vorsprunges im wesentlichen den äußeren Radius des bogenförmigen Teils der Hundebeinlage bildet, die Länge des kegelstumpfförmigen Vorsprunges die Länge des bogenförmigen Teils der Hundebeinlage bildet, und die geraden Schenkel, die von den Enden des bogenförmigen Teils der Lage vorstehen, durch das Filament gebildet sind, das auf den zylindrischen Teil des Dorns gewickelt ist.
Zum Ausführen des Verfahrens nach der Erfindung kann ein Filament benutzt werden, das vor dem Wickeln mit Harz imprägniert wird.
Das Filament kann trocken auf den Dorn gewickelt werden, wobei aber ein Bindemittel benutzt wird, so daß, nachdem die Lage anschließend an das Aufbauen von dem Dorn losgeschnitten worden ist, Harz anschließend hinzugefügt werden kann, statt daß der Aufbau unter Verwendung von vorimprägnierten Filamenten hergestellt wird.
Der Dorn kann für den Filamentaufbau vorbereitet werden, indem eine Wegbrechschicht direkt auf die Dornoberfläche aufgebracht wird, auf die das Filament gewickelt wird, um ein sauberes Wegbrechen des gewickelten Filaments von dem Dorn anschließend an die Vollendung des Wickelbetriebes zu bewirken, und die das Handhaben der Lage unterstützt, nachdem diese von dem Dorn getrennt worden ist.
Die hundebeinförmige Lage, die so auf den Dorn gewickelt worden ist, kann, nachdem sie von ihm entfernt worden ist, auf die gewünschte endgültige Form zugeschnitten und durch Beaufschlagung mit Wärme und Druck ausgehärtet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung schafft diese außerdem ein Aufbauwerkzeug zur Verwendung bei der Herstellung von wenigstens einer hundebeinförmigen Lage aus Verbundmaterial, die einen zentralen, bogenförmigen Abschnitt und zwei gerade Schenkel hat, welche von dem entgegengesetzten Ende desselben vorstehen, und aus einer Vielzahl von durch Harz verbundenen, sich unidirektional erstreckenden, hoch zugfesten Filamenten besteht, die sich über die volle Länge der Lage erstrecken, mit:
a. einem zylindrischen Teil, das dafür ausgebildet ist, zur Drehung um eine Drehachse gelagert zu werden, die die Mittellinie des Zylinders bildet;
b. wenigstens einem kegelstumpfförmigen Vorsprung, der sich von der äußeren Oberfläche des Zylinders aus und sich umfangsmäßig um diesen herum über eine Distanz erstreckt, welche gleich der Länge des bogenförmigen Abschnitts der hundebeinförmigen Lage ist, die gebildet werden soll, und eine kegelstumpfförmige Oberfläche hat, die an ihrem inneren Radius mit der äußeren Oberfläche des Zylinders längs einer Ebene verbunden ist, welche sich rechtwinkelig zu der Drehachse des zylindrischen Teils erstreckt, wobei der innere Radius im wesentlichen der innere Radius des bogenförmigen Abschnitts der herzustellenden Verbundlage ist, und in einer zweiten Ebene endigt, die zu der Zylinderdrehachse rechtwinkelig ist, und mit einem zweiten Radius, der im wesentlichen den äußeren Radius des bogenförmigen Abschnitts der herzustellenden Verbundlage bildet und wahlweise größer als der erste Radius und axial beabstandet von dem ersten Radius ist.
Eine Vielzahl von kegelstumpfförmigen Vorsprüngen kann axial längs des zylindrischen Dorns für die Produktion von Hundebeinlagen in Produktionsqualität angeordnet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung eines fünfarmigen Biegeträgers für einen Hubschrauberrotor.
Fig. 2 ist eine Teildraufsicht auf einen solchen fünfarmigen Biegeträger zur Verwendung bei einem Hubschrauberrotor in teilweise weggebrochener Darstellung, um die Verwendung von hundebeinförmigen Lagen bei dessen Fabrikation zu zeigen.
Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung des besonderen Dorns, der bei der Herstellung von unserer Hundebeinlage benutzt wird.
Fig. 4 ist eine Seitenansicht unseres Dorns, die benutzt wird, um die beteiligten Abmessungen zu veranschaulichen.
Fig. 5 ist eine Ansicht nach der Linie 5-5 in Fig. 4.
Fig. 6 ist eine Darstellung der Hundebeinlage, die unter Verwendung unseres Verfahrens und Werkzeuges hergestellt worden ist.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 hat ein Biegeträger 10 fünf Arme 12, die von einer zentralen Nabe 18 zur Drehung um eine Drehachse 14 vorstehen. Der Biegeträger 10 wird aus Verbundmaterial hergestellt, wofür zwei spiegelbildliche, hundebeinförmige Lagen von sich unidirektional erstreckenden, hoch zugfesten Filamenten benutzt werden, die durch Harz od.dgl. verbunden sind und sich von jedem Arm 12 des Biegeträgers 10 aus über dessen volle Länge oder über einen Teil von dessen Länge erstrecken und sich dann bei dem Durchgang durch die Nabe 18 gabeln und sich in die beiden im wesentlichen diametral entgegengesetzten Schenkel 12 entweder über die volle Länge oder über einen Teil der Länge derselben und über die Hälfte der Breite derselben erstrecken. Diese hundebeinförmigen Lagen aus durch Harz verbundenen, hoch zugfesten Fasern sind in der Lage, sehr beträchtliche Zentrifugalbelastungen des Typs auszuhalten, wie sie durch einen Hubschrauberrotor im Betrieb erzeugt werden, und diese Belastungen für Lastverteilzwecke von einem der Arme 12 des Biegeträgers 10 in die beiden im wesentlichen diametral entgegengesetzten Arme zu übertragen.
In Fig. 2, auf die nun Bezug genommen wird, ist der Aufbau des Biegeträgers 10 ausführlicher dargestellt. Es ist zu erkennen, daß der Biegeträger 10 viele hundebeinförmige Lagen des bei unserer Erfindung interessierenden Typs aufweist. Zum Beispiel, der Arm 12a umfaßt ein Ende einer derartigen Hundebeinlage 20 und ein Ende einer zweiten derartigen Hundebeinlage 22, die jeweils die Hälfte der Breite des Arms 12a einnehmen, wobei sich die Hundebeinlage 20 durch den Nabenteil 18 und dann in den Arm 12b erstreckt. Ebenso erstreckt sich die hundebeinförmige Lage 22 durch die Nabe 18 und in den Arm 12c. Es ist deshalb zu erkennen, daß die Lage aus sich unidirektional erstreckenden hoch zugfesten Fasern, welche durch die Kombination der Hundebeinlagen 20 und 22 gebildet wird, die volle Breite des Arms 12a einnimmt, daß jede durch die Nabe 18 hindurchgeht, sich dabei gabelt und sich in die zu dem Arm 12a im wesentlichen diametral entgegengesetzten Arme 12b und 12c erstreckt. Deshalb wird jede Zentrifugalbelastung, die durch den Arm 12a aufgenommen wird, über die Hundebeinlage 20 und 22 in die Arme 12b bzw. 12c für Lastverteilzwecke übertragen. Auf ähnliche Weise nehmen Hundebeinlagen, die nicht dargestellt sind und den Lagen 20 und 22 gleichen, den Arm 12d ein und erstrecken sich durch die Nabe 18 und in die Arme 12e und 12c. Ebenso erstrecken sich Hundebeinlagen von dem Arm 12b aus in die Arme 12a und 12e, von dem Arm 12c aus in die Arme 12d und 12a und von dem Arm 12e aus in die Arme 12d und 12b.
Ein ähnliches Muster von Hundebeinlagen erstreckt sich über die volle Länge von jedem der Schenkel 12a bis 12e. Eine solche Lage ist bei 24 gezeigt, wo sie sich über die volle Länge des Arms 12b und über die Hälfte von dessen Breite und dann durch die Nabe 18 und in den Arm 12e erstreckt, wo sie die Hälfte von dessen Breite einnimmt. Eine Lage ähnlich der bei 24 nimmt die entgegengesetzte Seite des Arms 12b ein, erstreckt sich über dessen volle Länge und durch die Nabe 18 und in den Arm 12a. Ähnliche, sich über die volle Länge erstreckende hundebeinförmige Lagen, die aus hoch zugfesten Fasern bestehen, welche sich unidirektional erstrecken und durch Harz oder durch anderes geeignetes Verbindungsmaterial zu einer Verbundlage verbunden sind, erstrecken sich über die volle Länge von jedem der Schenkel 12c, 12e, 12a und 12d, gabeln sich bei dem Durchgang durch die Nabe 18 und erstrecken sich dann diametral entgegengesetzt in die im wesentlichen diametral entgegengesetzten Arme des Biegeträgers 10.
Anhand einer Betrachtung von Fig. 3 beschreiben wir nun die Art und Weise, auf die wir die hundebeinförmige Lage unter Verwendung unseres bevorzugten Verfahrens und Werkzeuges herstellen. Das Werkzeug 28 ist ein Dorn, der auf herkömmliche Weise um seine Mittel- und Drehachse 32 gelagert ist. Der Dorn 28 hat einen zylindrischen Teil 30, der einen kreisförmigen Querschnitt hat und um die Achse 32 konzentrisch ist. Der Dorn 28 hat Wellenenden 29 und 31, die in herkömmlichen Lagern aufgenommen sind, um den Dorn 28 zur Drehung um die Achse 32 zu lagern. Von dem äußeren Umfang des zylindrischen Teils 30 stehen ein oder mehrere, sich umfangsmäßig erstreckende Vorsprünge 34, 36 und 38 vor, die sich über einen Teil des Umfangs des zylindrischen Teils 30 erstrecken und die Form eines Kegelstumpfes haben.
In Fig. 4 ist am besten zu erkennen, daß der kegelstumpfförmige Vorsprung 34 eine spiegelbildliche Form haben kann, die aus zwei kegelstumpfförmigen Abschnitten 34a und 34b besteht. Der innere Radius R&sub1; des kegelstumpförmigen Teils 34a ist auch der Radius des zylindrischen Teils 30 und liegt, wie es in Fig. 4 am besten zu erkennen ist, in einer Ebene P&sub1;, die zu der Achse 32 rechtwinkelig ist. Der äußere Radius R&sub2; des kegelstumpfförmigen Teils 34a ist längs der Achse 32 von dem Radius R&sub1; beabstandet, ist selektiv größer als der Radius R&sub1; und ist auch in einer Ebene, P&sub2;, angeordnet, die zu der Drehachse 32 rechtwinkelig ist. Die Radien R&sub1; und R&sub2; bilden die radialen Begrenzungen des kegelstumpfförmigen Vorsprunges 34a, und der Vorsprung hat eine glatte, kegelstumpf förmige Oberfläche 40, die sich zwischen dem inneren Radius R&sub1; und dem äußeren Radius R&sub2; erstreckt. Der Vorsprung 34 erstreckt sich, wie es am besten in Fig. 5 zu erkennen ist, umfangsmäßig über einen Teil des Umfangs des Zylinders 36 über einen ausgewählten Bogen C, der die Länge der bogenförmigen Lage festlegt, die auf dem zylindrischen Teil 34 aufgebaut wird. Gemäß der Darstellung in Fig. 4 ist der kegelstumpfförmige Teil 34b spiegelbildlich oder albchiral zu dem kegelstumpfförmigen Vorsprung 34a. Deshalb können zwei identische hundebeinförmige Lagen auf den Teilen 34a und 34b des kegelstumpfförmigen Vorsprungs 34 aufgebaut werden.
Der Dorn 28 kann auch einen umfangsmäßigen Vorsprung 36 aufweisen, der dem kegelstumpfförmigen Vorsprung 34a ähnelt, und bei Bedarf könnte die Umfangsabmessung C desselben größer oder kleiner sein als die Umfangsabmessungen des Vorsprunges 34, und der entsprechende Neigungswinkel A der kegelstumpfförmigen Oberfläche an dem Vorsprung 36 könnte größer oder kleiner als der Winkel des kegelstumpf förmigen Teils 34a und 34b sein, je nach dem Typ und der Art der hundebeinförmigen Lagen, die hergestellt werden sollen.
Ebenso kann ein kegelstumpfförmiger Vorsprung 38, der in Fig. 4 gezeigt ist, so ausgebildet sein, daß er einen größeren äußeren Radius R&sub3; als der äußere Radius R&sub2; des Vorsprunges 34 hat, daß er eine kleinere Umfangsabmessung C hat und daß es einen größeren Abstand s zwischen seinem inneren Radius R&sub1; und seinem äußeren Radius R&sub3; gibt, je nach dem Typ und der Form der Hundebeinlagen, die auf dem Dorn 28 hergestellt werden sollen.
In Fig. 3 ist am besten zu erkennen, daß eine Filamentwickelmaschine 50 so positioniert und programmiert ist, daß sie ein Filament 52 aus hoch zugfester Faser auf den Dorn 28 unter einem Winkel tangential zu der äußeren Oberfläche des zylindrischen Teils 30 desselben wickelt. Die Filamentwickelmaschine 50 beginnt mit dem Herumlegen des Filaments 52 um den rotierenden Dorn 28 im wesentlichen längs der Ebene P&sub1; des kegelstumpfförmigen Vorsprunges 34 im wesentlichen an der Schnittstelle 54 zwischen der äußeren Oberfläche des zylindrischen Teils 30 und der kegelstumpfförmigen Oberfläche 40 des Vorsprunges 34. Die erste Schleife, die so gewickelt wird, bildet eine Schleife, die über den zylindrischen Teil 30 des Dorns 28 führt, der in der Ebene P&sub1; und an der Schnittstelle 54 liegt. Jede folgende Filamentschleife wird wie bei einer Spule neben dem nächsten vorhergehenden aufgelegten Filament sowohl längs der zylindrischen Oberfläche 30 des Dorns 28 als auch längs der kegelstumpfförmigen Oberfläche 40 aufgelegt, wobei zu der Ebene auf dem äußeren Radius R&sub2; des zylindrischen Vorsprungs 34 hin gearbeitet wird. Das hoch zugfeste Filament 52 wird auf diese Weise zwischen den Ebenen P&sub1; und P&sub2; spulenartig gewickelt, wobei sich jede Schleife sowohl über einen Teil des zylindrischen Teils 30 des Dorns 28 als auch über die kegelstumpf förmige Oberfläche 40 des Vorsprungs 34 erstreckt, bis im wesentlichen der gesamte Bereich zwischen den Ebenen P&sub1; und P&sub2; durch so gewickeltes Filament bedeckt ist. Wenn der Benutzer zwei identische Hundebeinlagen gleichzeitig herstellen möchte, kann das Wickeln zwischen der Ebene P&sub2; und der Ebene P&sub3; fortgesetzt werden, die zu der Drehachse 32 ebenfalls rechtwinkelig ist und die Schnittstelle zwischen dem kegelstumpfförmigen Vorsprung 34b und der äußeren Oberfläche der zylindrischen Fläche 30 bildet.
Zum Zwecke der weiteren Beschreibung, wie die Hundebeinlage hergestellt wird, wird davon ausgegangen, daß das hoch zugfeste Filament zwischen den Ebenen P&sub1; und P&sub2; gewickelt worden ist. Das so gewickelte Filament wird dann zerschnitten, vorzugsweise längs einer Linie parallel zu der Achse 32 und diametral entgegengesetzt zu der Umfangsmitte 56 (vgl. Fig. 5) des kegelstumpf förmigen Vorsprunges 34. Wenn eine solche Lage, die so von dem Dorn entfernt worden ist, auf eine ebene Oberfläche gelegt wird, bildet sie die hundebeinförmige Lage 58, die in Fig. 6 gezeigt ist und einen zentralen, bogenförmigen Teil 60 aufweist, der auf die Oberfläche 40 des kegelstumpfförmigen Vorsprunges 34 gewickelt wurde, und zwei geradschenkelige Teile 62 und 64, die auf dem zylindrischen Teil 30 des Dorns 28 gewickelt wurden und von dem zentralen Teil 60 tangential vorstehen und mit diesem die hundebeinförmige Lage 58 bilden. Der innere Radius R&sub1; des bogenförmigen Teils 60 und der äußere Radius R&sub2; des bogenförmigen Teils 60 werden durch den Radius R&sub1; und R&sub2; des Vorsprunges 34 bestimmt. Die Länge des bogenförmigen Teils 60 wird, wie oben erwähnt, durch die Umfangsabmessung oder -länge C (Fig. 5) des Vorsprunges 34 bestimmt.
Es dürfte klar sein, daß das Filament, das so auf den Vorsprung 34b gewickelt wird, eine Lage bilden wird, die mit der auf die Oberfläche 34a gewickelten identisch sein wird. Es dürfte weiter klar sein, daß das auf den zylindrischen Teil 30 und auf die kegelstumpfförmigen Vorsprünge 36 und 38 gewickelte Filament eine Hundebeinlage bilden wird, deren konische Teile 60 und deren geradschenkelige Teile 62 und 64 von den in Fig. 5 gezeigten verschieden sein werden.
Es ist zu erkennen, daß auf diese Weise eine Hundebeinlage oder mehrere Hundebeinlagen hergestellt werden können, indem ein hoch zugfestes Element spulenartig auf den zylindrischen Teil 30 des Dorns 28 und auf die kegelstumpfförmigen Teile wie 34, 36 und 38, welche umfangsmäßig um das und radial nach außen von dem zylindrischen Teil 30 des Dorns 28 vorstehen, gewickelt wird.
In unserer bevorzugten Ausführungsform ist das hoch zugfeste Filament 52, das aus Glasfaser, Kohlenstoff/Graphit, Siliciumcarbid, Quarz, Aramid, orientierter Polyfolie, Aluminiumoxid und Bor bestehen kann, vorzugsweise mit einem Harz wie z.B. einem Epoxy vorimprägniert worden, bevor es auf den Dorn 28 gewickelt wird. Es wäre jedoch auch möglich, das Filament 52 trocken auf den Dorn 28 zu wickeln, dabei aber ein Bindemittel zu benutzen, um die Schleifen des Filaments als eine zusammenzuhalten, so daß das Harz auf die Hundebeinlage aufgetragen werden kann, nachdem diese gewickelt, zerschnitten und von dem Dorn entfernt worden ist.
Ungeachtet dessen, ob Prepreg-Filament oder ein trockenes Filament, das nach dem Wickeln imprägniert wird, benutzt wird, wird die so gebildete Hundebeinlage später ausgehärtet, indem geeignete Wärme und geeigneter Druck benutzt werden, um eine Lage aus unidirektionaler, hoch zugfester Faser herzustellen, die ein Hundebein bildet, wobei sich jede Faser über die volle Länge der Lage 58 erstreckt, wodurch eine hundebeinförmige Lage erzielt wird, die die Fähigkeit hat, sehr hohe Zugbelastungen, die auf sie ausgeübt werden, auszuhalten.
Darüber hinaus wird der Dorn, bevor das Filament 52 auf den Dorn gewickelt wird, behandelt, indem eine Losbrechschicht wie die bei 70 in Fig. 4 gezeigte auf der Oberfläche des Dorns, auf der das Filament 52 gewickelt werden soll, vorgesehen wird. Der Zweck der Losbrechschicht ist es zu verhindern, daß das Filament an dem Dorn dauerhaft befestigt wird, um das Entfernen des zerschnittenen Filaments, das so auf den Dorn gewickelt worden ist, zu unterstützen und um das Filament abzustützen, nachdem es von dem Dorn nach dem Wickeln losgeschnitten worden ist, und um bei der Handhabung der so gebildeten Lage vor dem Aushärten Unterstützung zu leisten. Die Losbrechschicht 70 kann aus Mull oder Schleierstoff hergestellt werden, der aus Glasfaser, Aramid, Kohlenstoff/Graphit und Polyamid besteht.
Es ist demgemäß zu erkennen, daß durch Anwendung unseres Verfahrens Hundebeinlagen aus hochzugfesten Fasern, die in Harz eingebetet sind, um eine Verbundlage zu bilden, in welcher sich die hochzugfeste Faser unidirektional über die volle Länge der Lage erstreckt, hergestellt werden können, indem das hoch zugfeste Filament so auf unseren zylindrischen Dorn 28 gewickelt wird, der kegelstumpfförmige Vorsprünge aufweist, die sich umfangsmäßig um diesen erstrecken und von diesem radial vorstehen.
Die Erfindung ist zwar mit Bezug auf eine beste Ausführungsform derselben gezeigt und beschrieben worden, dem einschlägigen Fachmann dürfte jedoch klar sein, daß die vorstehenden und verschiedene andere Änderungen, Weglassungen und Hinzufügungen in Form und Detail derselben gemacht werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer hundebeinförmigen Lage aus Verbundmaterial, die aus einer Serie von unidirektionalen, hoch zugfesten Filamenten besteht, beinhaltend die Schritte:

a. Bereitstellen eines Dorns von zylindrischer Form, der drehbar um die Zylinderachse gelagert ist und wenigstens einen kegelstumpfförmigen Vorsprung hat, welcher sich von dessen Umfang nach außen erstreckt und einen inneren Radius hat, der in einer Ebene liegt, die zu der Zylinderachse rechtwinkelig ist und der Radius des Zylinders ist, und einen äußeren Radius, der in einer Ebene liegt, die zu der Zylinderachse rechtwinkelig ist, und größer als der innere Radius ist und längs der Zylinderachse Abstand von diesem hat, um die radialen Abmessungen der kegelstumpfförmigen Oberfläche festzulegen, die sich dazwischen erstreckt, wobei sich der Vorsprung weiter über einen Teil des Umfangs des Zylinders erstreckt;

b. Bereitstellen einer Filamentwickelmaschine, die darauf eingestellt ist, ein Filament spulenartig auf den Dorn zu wickeln, wobei sich das so gewickelte Filament im wesentlichen tangential zu der zylindrischen Dornoberfläche erstreckt;

c. Wickeln eines hoch zugfesten Filaments spulenartig auf den Dorn unter Verwendung der Filamentwickelmaschine, so daß sich die erste Schleife des so gewickelten Filaments umfangsmäßig um den Dorn erstreckt und im wesentlichen auf der Oberfläche des kegelstumpfförmigen Vorsprunges aufliegt, die ihren inneren Radius festlegt;

d. fortschreitendes Wickeln des Filaments um den Dorn, so daß jede anschließende Filamentschleife unmittelbar an der zuvor aufgebauten Filamentschleife positioniert wird, wenn sie mit der zylindrischen Oberfläche des Dorns in Berührung kommt, und dann über den kegelstumpfförmigen Teil mit einem Radius hinweggeht, der etwas größer als der der zuvor so gewickelten Filamentschleife ist;

e. Fortfahren, das Filament so auf den Dorn zu wickeln, bis die letzte Schleife des Filaments im wesentlichen an dem kegelstumpfförmigen Teil an dessen äußerem Radius anliegt;

f. Zerschneiden des so gewickelten Filaments längs der Achse des Dorns an einer Stelle, die zu dem Mittelpunkt des kegelstumpf förmigen Teils im wesentlichen diametral entgegengesetzt ist, und

g. Legen des so von dem Dorn losgeschnittenen gewickelten Filaments auf eine ebene Oberfläche, so daß es eine Hundebeinlage bildet, die einen bogenförmigen Mittelteil und zwei gerade Schenkelteile hat, die sich von dem bogenförmigen Mittelteil aus tangential erstrecken, und so, daß die Lage aus einer Vielzahl von sich unidirektional erstreckenden Filamenten besteht, die sich über die volle Länge der Lage erstrecken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Filament, das auf den Dorn gewickelt wird, mit Harz vorimprägniert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Filament aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Glasfaser, Kohlenstoff/Graphit, Siliciumcarbid, Quarz, Aramid, orientierte Polyfolie, Aluminiumoxid und Bor besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, beinhaltend die Schritte Auftragen eines Bindemittels auf den kegelstumpftörmigen und auf den zylindrischen Teils des Dorns, so daß, wenn das Filament darauf gewickelt wird, es durch das Bindemittel zusammengehalten wird, und beinhaltend den zusätzlichen Schritt Imprägnieren der so von dem Dorn losgeschnittenen und auf einer ebenen Oberfläche ausgelegten hundebeinförmigen Lage mit Harz.

5. Verfahren nach Anspruch 3 und beinhaltend den Schritt Aushärten des mit Harz imprägnierten Lagenmaterials, nachdem es von dem Dorn losgeschnitten und in einer ebenen Position ausgelegt worden ist, um die hundebeinförmige Lage zu bilden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und beinhaltend den zusätzlichen Schritt Präparieren des Dorns, bevor das Filament auf ihn gewickelt wird, durch Auftragen einer Losbrechmaterialschicht auf die Oberfläche des Dorns, auf die das Filament gewickelt werden soll.

7. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, beinhaltend den zusätzlichen Schritt Zuschneiden der Hundebeinlage aus Verbundmaterial auf die präzise, gewünschte, endgültige Hundebeinform nach dem Entfernen derselben von dem Dorn.

8. Aufbauwerkzeug zur Verwendung bei der Herstellung von wenigstens einer hundebeinförmigen Lage aus Verbundmaterial, die einen zentralen, bogenförmigen Abschnitt und zwei gerade Schenkel hat, welche von dem entgegengesetzten Ende desselben vorstehen, und aus einer Vielzahl von durch Harz verbundenen, sich unidirektional erstreckenden, hoch zugfesten Filamenten besteht, die sich über die volle Länge der Lage erstrecken, mit:

a. einem zylindrischen Teil, das dafür ausgebildet ist, zur Drehung um eine Drehachse gelagert zu werden, die die Mittellinie des Zylinders bildet;

b. wenigstens einem kegelstumpfförmigen Vorsprung, der sich von der äußeren Oberfläche des Zylinders aus und sich umfangsmäßig um diesen herum über eine Distanz erstreckt, welche gleich der Länge des bogenförmigen Abschnitts der hundebeinförmigen Lage ist, die gebildet werden soll, und eine kegelstumpfförmige Oberfläche hat, die an ihrem inneren Radius mit der äußeren Oberfläche des Zylinders längs einer Ebene verbunden ist, welche sich rechtwinkelig zu der Drehachse des zylindrischen Teils erstreckt, wobei der innere Radius im wesentlichen der innere Radius des bogenförmigen Abschnitts der herzustellenden Verbundlage ist, und in einer zweiten Ebene endigt, die zu der Zylinderdrehachse rechtwinkelig ist, und mit einem zweiten Radius, der im wesentlichen den äußeren Radius des bogenförmigen Abschnitts der herzustellenden Verbundlage bildet und wahlweise größer als der erste Radius und axial beabstandet von dem ersten Radius ist.

9. Aufbauwerkzeug nach Anspruch 8, wobei der kegelstumpfförmige Vorsprung eine glatte, kegelstumpfförmige Oberfläche zwischen seinem inneren und äußeren Radius bildet.

10. Aufbauwerkzeug nach Anspruch 8 und mit einer Vielzahl dieser kegelstumpfförmigen Vorsprünge, die in gegenseitigem Abstand längs der Drehachse des zylindrischen Teils in zu dieser rechtwinkeligen Ebenen positioniert sind.