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Verfahren zur Herstellung einer Anschlußverbindung an einem Verbundbauteil, das durch Fasern oder Fäden verstärkt ist - Dokument DE19544804C2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19544804C2 13.06.2001
Titel Verfahren zur Herstellung einer Anschlußverbindung an einem Verbundbauteil, das durch Fasern oder Fäden verstärkt ist
Anmelder MTU Aero Engines GmbH, 80995 München, DE
Erfinder Schober, Michael, 80999 München, DE;
Sikorski, Siegfried, 80997 München, DE;
Schönacher, Reinhold, 80999 München, DE
DE-Anmeldedatum 01.12.1995
DE-Aktenzeichen 19544804
Offenlegungstag 05.06.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.06.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.06.2001
IPC-Hauptklasse B29C 70/00
IPC-Nebenklasse B29D 1/00   
Zusammenfassung Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Anschlußverbindung an einem Verbundbauteil angegeben, das durch Fasern oder Fäden verstärkt wird, die in eine Kunstharzmatrix fest eingebunden werden. Dabei soll zumindest ein Teil der für das komplette Bauteil verwendeten Fasern oder Fäden, vor Aushärtung der Kunstharzmatrix auf eine vom übrigen Bauteil abweichende Form und Kraftbeanspruchung der Anschlußverbindung abgestimmt gestaltet und angeordnet werden. Beim Verbundbauteil kann es sich um eine Verdichter- oder Gebläseschaufel handeln.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Anschlussverbindung an einem Verbundbauteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mittels Fasern verstärkte Kunststoffe werden u. a. für Bauteile an Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinentriebwerken, eingesetzt. Faser-Verbund-Bauteile zeichnen sich im wesentlichen aus durch hohe mechanische Festigkeit, niedriges Eigengewicht und oftmals reduzierte Einbau-Volumina. Dabei sind die Fasern gänzlich oder überwiegend im Sinne der Hauptbelastung orientiert, d. h. bei einer Verdichter- oder Gebläselaufschaufel, insbesondere im Kernbereich, parallel zur Längs- bzw. Trägheitsachse der Schaufel. Es bereitet Schwierigkeiten, derartige Verbundbauteile so zu gestalten bzw. zu fertigen, dass eine mechanisch feste und stabile Verbindung mit einem weiteren tragenden Bauteil ermöglicht wird, ohne die grundsätzlich vorhandene Faser-Werkstoff-Struktur zu beeinträchtigen oder gar zu zerstören. Letzteres ist insbesondere dann der Fall, wenn man versucht, durch mechanische Abarbeitung geeignete Haltestrukturen oder Anschlussverbindungen ausbilden zu wollen. Letzteres z. B. durch mechanischen Einschnitt eines Gewindes oder von Aussparungen in relativ dazu senkrechte Faserstrukturen. Abgesehen vom Arbeitsaufwand wird hierdurch die vorhandene Bauteilfestigkeit geschwächt; es wird dabei im wesentlichen die Haltestruktur und die mechanische Festigkeit auf Gebiete reiner Kunstharzmatrix im Werkstoff eingeschränkt. Zudem werden die von der Haltestruktur, also z. B. eines Schaufelfußes am Rotor geforderten speziellen form-, verschleiß- und belastungsspezifischen Anforderungen nicht berücksichtigt.

Die Erfindung geht von einem Stand der Technik gemäß DE 35 04 829 C2 aus, aus der ein Verfahren zur Herstellung eines Gewindeelements bekannt ist, das durch Fasern oder Fäden verstärkt wird, die in eine Matrix-Einbettung fest eingebunden werden, wobei zumindest ein Teil der für das komplette Element verwendeten Fasern oder Fäden vor Aushärtung der Matrix-Einbettung auf eine vom übrigen Element abweichende Form und Kraftbeanspruchungen abgestimmt gestaltet oder angeordnet wird.

Die DE 32 41 797 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Bohrgestänges, bei dem mit Kunststoff vorgetränkte Faserstränge in eine Hohlform eingelegt und dann zur Anpassung an die Gewindegestalt nach außen gedrängt werden. Anschließend wird ein Kunststoffgemisch hinzugefügt, das aushärtet.

Aus der DE 15 04 798 A ist ein Verfahren zum Herstellen glasfaserverstärkter Gewindegänge bekannt, die aus gehärtetem Harz bestehen, wobei ein Glasgespinst zur Verstärkung in eine mit Harzmasse gefüllte Gewindeform eingelagert wird und anschließend das Harz aushärtet.

In der EP 0 449 245 A2/A3 wird bei einem Verbundbauteil auf ein auf einen Kern aufgebrachtes Gewebe ein weiteres Verstärkungsgewebe aufgebracht, wobei die Gewebe in einer Matrix eingebettet werden und anschließend der Kern entfernt wird. Das Verstärkungsgewebe besteht aus herkömmlichen Fasermaterialien, wie Polymer, Glas, Metall, keramischen Fasern, Karbonfasern und Kombinationen davon.

In der US 4 063 838 wird die Herstellung einer Gewindestange offenbart, wobei in Längsrichtung verlaufende Glasfasern auf einen Kern aufgebracht werden und darüber quer dazu verlaufende Glasfasern gewickelt werden, um die darunter liegenden Fasern in Vertiefungen des Kerns zu drücken. Die Glasfasern werden unter Spannung in eine Kunstharz-Matrix eingebettet.

Demgegenüber stellt sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung einer Anschlussverbindung zu schaffen, das eine betriebsoptimale Anbindung von Stütz- oder Halterungsmitteln an das Verbundbauteil bei vergleichsweise einfacher Fertigung ermöglicht, ohne dass eine Schwächung der Festigkeit des Verbundbauteils im Hinblick auf die grundlegend notwendige Faserorientierung auftritt.

Die Lösung der Aufgabe ist bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass für die Verstärkung metallische Fasern oder Fäden mit C-Fasern oder Glasfasern oder aromatischen Polyamid- oder aromatischen Polyimidfasern kombiniert werden und die metallischen Fasern oder Fäden vor dem Einbetten in die Kunststoffmatrix unter Bildung einer gerüstartigen Vorform bleibend verformt werden.

Die Anschlussverbindung am Verbundbauteil kann zahnartig (Anspruch 6) gestaltet werden, z. B. im Sinne eines Schaufelfußprofils in der Art eines Tannenbaumfußes, mit dem der übrige, im wesentlichen das Schaufelblatt enthaltende Teil einer Verdichterlaufschaufel über eine Axialnut an der Radscheibe eines Verdichters verankert werden kann. Dabei greift das hergestellte Fußprofil mit seinen Zähnen in eine demgemäß darauf abgestimmte Verzahnung der Axialnut ein. Es kann mit dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren also die Anschlussverbindung als Fußteil im Hinblick auf die dort auftretenden speziellen Kraft- und Flächenbelastungen abgestimmt gestaltet werden; letzteres insbesondere im Hinblick auf drehzahlbedingte Schaufelfliehkräfte, so dass die an den gegenseitigen Kontaktflächen bzw. Zahnflanken (Fuß/Nut) herrschenden Momente aus Auflagekräften des Schaufelfußes in Multiplikation mit dem örtlichen Querabstand (Hebelarm) zur Schaufelträgheitsachse beherrscht werden können.

Zusätzlich zur genannten gerüstartigen Vorfertigung oder ausschließlich kann das Verbundbauteil mit der Anschlussverbindung bzw. einem Halteglied gemäß Anspruch 10 praktisch "integral" aus mehreren Lagen von Faser- oder Fadengeweben oder z. B. Flechtwerken hergestellt werden; im Hinblick auf die anschlussspezifische Gestaltung können z. B. ganz spezielle Faser- oder Faden- oder Drahtarten, die später beim fertigen Produkt tragende Flächen, z. B. eines Gewindes (Anspruch 5), ausbilden sollen, von vornherein beim Aufbau und der Zusammensetzung von gewebe- bzw. flechtwerk- oder netzartigen Faser- oder Fadenstrukturen oder -laminaten mit berücksichtigt werden. Dabei können z. B. metallische Faser- oder Fadenanteile parallel in der gleichen Kette oder im gleichen Schuss mitlaufen.

Die Verfahrensvorkehrungen nach Anspruch 10 können mit einer Form oder einem Formkern (Anspruch 11) kombiniert werden. Auf diesen Formkern, der repräsentativ für das gesamt spätere Verbundbauteil oder zumindest überwiegend für die Anschlussverbindung sein kann, können z. B. gewebeartig vorgefertigte Faserstrukturen aufgebracht und - vor Aushärtung der Kunstharzmatrix - gemäß gewünschter Kontur verformt werden. Bedarfsweise - und erfindungsgemäß - kann der Formkern nach Aushärtung der Matrix entfernt oder gar im Verbundbauteil, als tragendes "Vorgerüst", belassen werden. Dieses "Vorgerüst" wäre dann Teil des tragenden Kerns z. B., einer Faserverbundschaufel und könnte im wesentlichen im Blatt-Teil der Schaufel von überwiegend in Längsrichtung orientierten Verstärkungsfasern in der Matrix umgeben sein.

Vorteilhafterweise lassen sich gemäß der Erfindung tragende Bestandteile der Anschlussverbindung, z. B. Zahn- und Gewindeflanken, im wesentlichen metallisch und verschleißfest ausbilden. Auf diese Weise ist auch die Bereitstellung einwandfreier elektrisch leitfähiger Verbindungen möglich (Blitzschutz).

Die herstellbare "Gewindeform" erlaubt eine kraft- und/oder formschlüssige Anbindung von Lagermuffen, Halte- oder Betätigungsgliedern, z. B. Schaufelverstellhebeln (Anspruch 7) oder von Gewindebüchsen mit äußerem Fertiggewinde (Anspruch 8).

Alternativ kann die Anschlussverbindung zahn-, sockel- oder noppenartig gestaltet werden (Anspruch 6). Mit relativ darauf abgestimmten Innenkonturen versehene Halteteile, z. B. Füße von Schaufeln oder dergleichen (Anspruch 9), können, nach örtlicher Aufschiebung, durch Presssitz oder Klebung mit den Zähnen, Sockeln oder Noppen bzw. Vorsprüngen fest verbunden oder verriegelt werden. So können z. B. relativ grob vorgefertigte Anschlussmittel (Zähne, Noppen, Sockel) kraft- und formschlüssig mit fein vorgefertigten weiteren metallischen Halte- oder Stell- oder Lagermitteln kombiniert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Zeichnungen weiter erläutert; es zeigen:

Fig. 1 Die Herstellung und Ausbildung einer zahn- und fußartigen Anschlussverbindung an einem als Verdichterlaufschaufel fungierenden Verbundbauteil und mit Befestigung an einer Axialnut der Radscheibe eines Verdichters, jeweils durch örtlich gemeinsam quer zur Radachse geschnitten und ab- bzw. ausgebrochen gezeichnete Abschnitte von Schaufel und Radscheibe verkörpert,

Fig. 2 die Herstellung und Ausbildung der aus einer örtlich abgebrochen gezeichneten Kern-Sektion eines Verbundbauteils faserartig "herauswachsenden" gewindeartigen Anschlußverbindung,

Fig. 3 eine relativ zum Maßstab nach Fig. 2 verkleinert dargestellte Lagerbuchse für das Verbundbauteil, die auf das Außengewinde nach Fig. 2 aufschraubbar ist,

Fig. 4 eine mit Verstellhebel versehene und zugleich als Innenring für ein Kugellager ausgebildete Gewindebuchse, die auf die gewindeartig hergestellte Anschlußverbindung nach Fig. 2 aufschraubbar ist, um das Verbundbauteil an einem Gehäuse drehbar zu lagern,

Fig. 5 eine mit Außen- und Innengewinde versehene Buchse, die auf das Außengewinde nach Fig. 2 aufschraubbar ist und

Fig. 6 die seitliche Ansicht einer für die Herstellung geeigneten laminatartigen Gewebekonstruktion.

In Fig. 1 stellt das Verbundbauteil 2 eine Gebläselaufschaufel dar, wobei der Kern aus überwiegend längs, also im wesentlichen parallel zur Längsmittel- bzw. Trägheitsachse A orientierten Fasern 3, 4 zur Bauteilverstärkung und Hauptlastaufnahme besteht. Innerhalb einer Kunstharzmatrix 5 sind die Fasern 3, 4 fest angeordnet, wenn die Matrix 5 ausgehärtet ist. Letzteres gilt sinngemäß für Fasern 3, 4 bzw. Faseranteile, die zur Herstellung der Anschlußverbindung 1 verwendet werden sollen. Letzteres stellt sich zahnartig, im Sinne eines Tannenbaumfußes dar, der für sich oder über ein beidseitig zahnartig angepaßt vorprofiliertes Zwischenglied 14 in einer Axialnut N einer Radscheibe R verankert ist. Das fest auf dem Kern sitzende Schaufelblatt B kann gesondert vom oder gemeinsam mit den übrigen Bauteilen (Kern, Anschlußverbindung 1 bzw. Fuß) als Faserverbund gefertigt werden.

Für die Herstellung des Kerns und der Anschlußverbindung 1 können z. B. die einen Fasern 3 Glas- und/oder Kohlefasern sein. Bei den Fasern 4 kann es sich um metallisches Faden- bzw. Fasermaterial handeln.

Die die Zähne enthaltende, fußartige Anschlußverbindung 1 kann z. B. aus partiell und lagenweise mit Querabstand ausgewölbten Anteilen der Fasern 3 (oben links) und partiell quer abgewinkelt zwischen den gewölbten Faserlagen endenden Anteilen aus den Fasern 4 (oben rechts) ausgebildet werden. Gemäß Mitte, links, können Anteile der Fasern oder Fäden 4 nach außen quer abgewinkelt und von dort axial abgewinkelt und mit äußeren gewölbten Anteilen aus Fasern 3 verbunden werden, um z. B. metallische tragende Außenflanken bereitzustellen. Vor Aushärtung der gemeinsamen Kunstharzmatrix 5 soll die Vorverformung der betreffenden Anteile aus den Fasern 3 bzw. 4 in Abstimmung auf die vom übrigen Bauteil (Mantel, Kern) abweichende Form und Kraftbeanspruchung der Anschlußverbindung erfolgen. Vor allen Dingen über die metallischen Faser- oder Fadenanteile können verschleißfeste und tragende Zonen gerüstartig vorverformt werden, vor Aushärtung der Kunstharzmatrix oder vor Fasertränkung mit der Kunstharzmatrix. Die Vorverformung - vor Fasertränkung - kann ebenfalls eine fasergerüstartige Vorfertigung des Kerns einschließen.

Beim Verbundbauteil nach Fig. 2 wird aus Fasern oder Fäden 6 bzw. 7 des Kernes K eine äußere Anschlußverbindung 8 gewindeartig erstellt. Beim fertigen Verbundbauteil sind die Fasern oder Fäden 6 bzw. in eine gemeinsame Kunstharzmatrix 5 fest eingebunden. Die Fasern oder Fäden 6 bzw. 7 erstrecken sich im Kernbereich im wesentlichen parallel zur gemeinsamen Mittelachse A. Die einen Fasern oder Fäden 6 können im wesentlichen die sägezahnartige Grundform des Gewindes ausbilden. Übrige Fasern oder z. B. metallische Fäden 7 können die äußeren Ränder und die tragenden Flanken des Gewindes für die Anschlußverbindung 8 ausbilden, und zwar aus umfänglich und axial relativ zueinander versetzten Punkten P heraus, zu denen sie - vom Kern K ausgehend - zunächst in einer Richtung parallel zur Mittelachse A geführt sind.

Es kann auf das Gewinde der Anschlußverbindung 8 (Fig. 2) eine metallische Lagerbuchse 9 mit ihrem Innengewinde 11 aufgeschraubt werden, mit der das Verbundbauteil um seine Mittelachse A an einem Gehäuse verdrehbar gelagert werden könnte. Alternativ kann auf das Gewinde der Anschlußverbindung 8 (Fig. 2) eine mit einem Außengewinde 13 versehene Gewindebuchse 12 aufgeschraubt werden. Auf das Außengewinde 13 könnte ein Stellglied aufgeschraubt werden.

In Fig. 4 bildet die Gewindebuchse 9' mit der Längsbohrung und dem Innengewinde 11 zugleich den Innenring eines Kugellagers L aus, dessen Außenring drehfest in einer Aussparung eines Gehäuses G sitzt. Außen ist die Gewindebuchse 9' mit einem Stellhebel H fest verbunden, um das Verbundbauteil um die Mittelachse A verschwenken zu können, wenn die Gewindebuchsen 9' mit ihrem Innengewinde 11 auf das äußere Anschlußgewinde 8 (Fig. 2) fest aufgeschraubt worden ist.

Fig. 6 veranschaulicht eine für die Durchführung der Erfindung geeignete, sogenannte "bidirektionale" Gewebekonstruktion aus sich jeweils rechtwinkelig kreuzenden Fäden 15 bzw. 16 bzw. Fadensystemen. Als Folge einer geringen Fadenablenkung im jeweiligen Richtungsverlauf läßt sich dabei eine vergleichsweise hohe Festigkeit und Steifigkeit des Laminates erzielen. Diese Gewebekonstruktion ist mithin äußerst schmiegsam, so daß sie praktisch faltenlos längs einer Form drapierbar ist. Bezüglich in Fig. 6 horizontaler Erstreckung (Fäden 16) können z. B. Kombinationen aus Glas- und Feindrahtfäden und bezüglich vertikaler Erstreckung (Fäden 15) C-Fasern oder -fäden verwendet werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Herstellen einer Anschlussverbindung (1) an einem Verbundbauteil (2), das durch Fasern (3, 4) oder Fäden verstärkt ist, bei dem zumindest ein Teil der für das komplette Verbundbauteil verwendeten Fasern (3, 4) oder Fäden auf eine vom übrigen Verbundbauteil abweichende Form und Kraftbeanspruchung der Anschlussverbindung (1) abgestimmt gestaltet oder angeordnet wird, die Fasern (3, 4) in eine Kunststoffmatrix fest eingebettet werden und anschließend der Kunststoff ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass für die Verstärkung metallische Fasern oder Fäden mit C-Fasern oder Glasfasern oder aromatischen Polyamid- oder aromatischen Polyimidfasern kombiniert werden und die metallischen Fasern oder Fäden vor dem Einbetten in die Kunststoffmatrix unter Bildung einer gerüstartigen Vorform bleibend verformt werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern oder Fäden bereits vor ihrer anschlussspezifischen Gestaltung und Anordnung mit dem Matrixwerkstoff versehen werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern oder Fäden erst nach ihrer anschlussspezifischen Gestaltung und Anordnung mit dem Matrixwerkstoff versehen werden.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Faser- oder Fadenmaterialien verwendet werden, die insbesondere im Hinblick auf die Form und Kraftbeanspruchungen an der Anschlussverbindung in jeweils unterschiedlichen Formen und Relativrichtungen zueinander angeordnet und stellenweise untereinander verbunden werden.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern (6, 7) oder Fäden zur Herstellung der Anschlussverbindung (8) gewindeartig gestaltet und angeordnet werden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (3, 4) oder Fäden zur Herstellung der Anschlussverbindung (1) zahn- oder sockel- oder noppenartig gestaltet und angeordnet werden.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf die gewindeartige Anschlussverbindung (8) insbesondere ein metallisches Halte, Lager- oder Stellglied (9, 10) für das Verbundbauteil mit entsprechendem Innengewinde (11) aufgeschraubt wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf die gewindeartige Anschlussverbindung (8) eine metallische Gewindebuchse (12) mit äußerem Fertiggewinde (13) aufgeschraubt wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zahn- oder sockel- oder noppenartig gestaltete Anschlussverbindung (1) jeweils mit einem Halte-, insbesondere Fußteil (14), für das komplette Verbundbauteil (2) verpresst oder verklebt wird, wobei das Halte- bzw. Fußteil (14) mit in Abstimmung auf die Gestaltung der Anschlussverbindung (1) vorgefertigten Innenkonturen versehen wird.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundbauteil zusammen mit der Anschlussverbindung aus Fasern oder Fäden hergestellt wird, die in sich überkreuzenden Relativpositionen gewebe-, gestrick-, flechtwerk- und/oder laminatartig angeordnet und in Abstimmung auf die örtlich voneinander abweichenden Gestaltungs- und Belastungsanforderungen am Verbundbauteil verformt positioniert werden.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Verwendung mindestens eines auf die gestaltungs- und belastungsspezifischen Anforderungen abgestimmten Formkerns, der nach Aushärtung der Kunstharzmatrix entfernt wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunstharzmatrix der Fasern oder Fäden durch Spritzen, Injizieren, Imprägnierung oder Tränkung erzeugt wird.






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