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Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR PRODUCING COMPONENTS REINFORCED BY LONG FIBRES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1999/038641
Kind Code:
A1
Abstract:
According to the inventive method, initially and substantially parallel long fibres (18) are introduced into the cavity (16) of a workpiece (10) consisting a matrix material. The cavity (16) has an enlarged area (20) with an expansion element (26) which presses the long fibres (18) against the wall of the enlarged area (20) in order to expand said fibres (18). The workpiece (10) subsequently undergoes a hot isostatic compression process, whereupon it is machined in order to produce said component (30). The component (30) has a housing made from a matrix material with a core reinforced by long fibres (18) incorporated into said matrix material.

Inventors:
Weber, Klaus (Roonstrasse 9 Siegburg, D-53721, DE)
Hüppen, Gerd (Habichtweg 1 Lohmar, D-53797, DE)
Leucht, Rolf (Saturnstrasse 13 Troisdorf, D-53842, DE)
Application Number:
PCT/EP1999/000303
Publication Date:
August 05, 1999
Filing Date:
January 19, 1999
Export Citation:
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Assignee:
Deutsches V, Zentrum Für Luft- Und Raumfahrt E. (Bonn, D-53175, DE)
Weber, Klaus (Roonstrasse 9 Siegburg, D-53721, DE)
Hüppen, Gerd (Habichtweg 1 Lohmar, D-53797, DE)
Leucht, Rolf (Saturnstrasse 13 Troisdorf, D-53842, DE)
International Classes:
B22F5/06; B23P15/00; C22C47/14; (IPC1-7): B23K20/02; C22C1/09
Foreign References:
US5184769A
FR2366904A1
GB2220595A
DE3049424A1
Attorney, Agent or Firm:
Hilleringmann, Jochen (Bahnhofsvorplatz 1 Köln, D-50667, DE)
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Claims:
A N S P R t C H E
1. Verfahren zum Herstellen von langfaserverstarkten Bauteilen (30), die ein Matrixmaterial mit darin eingebetteten, mit Matrixmaterial beschichteten und im wesentlichen parallel verlaufenden Lang fasern (18) aufweisen, wobei die Langfasern (18) innerhalb eines Aufspreizabschnitts (32) des Bauteils (30) aufgespreizt verlaufen, bei dem ein Werkstück (10) aus insbesondere Matrix material mit mindestens einem zumindest einseitig offenen Hohlraum (16) erzeugt wird, der im Querschnitt kleiner ist als das herzu stellende Bauteil (30) und der einen ersten Bereich, in dem die einzelnen Langfasern (18) im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, und einen zweiten Bereich (20) aufweist, in dem die Langfasern (18) aufgespreizt verlaufen, der Hohlraum (16) mit den Langfasern (18) aus gefullt wird, ein Aufspreizelement (26) insbesondere aus Matrixmaterial in den Hohlraum (16) gebracht wird, so daß die Langfasern (18) in dem zweiten Bereich (20) zur Bildung des Aufspreiz abschnitts (32) gespreizt verlaufen, das Werkstuck (10) einem heißisostatischen Preßvorgang ausgesetzt wird und danach das Werkstück (10) zur Erzeugung der Außenkontur des langfaserverstärkten Bauteils (30) bearbeitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich (20) an einem Ende des Hohlraums (16) liegt und dans dans Aufspreizelement (26) den Hohlraum (16) verschließt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der zweite Bereich (20) tricher förmig ausgebildet ist und daß das Aufspreiz element (26) einen zentralen Dorn (28) aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (28) ein Kegeldorn ist, dessen Mantelfläche konkav ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß das Werkstück (10) bei der Einführung von Langfasern (18) in den min destens einen Hohlraum (16) in Vibrationen ver setztwird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß in den mindestens einen Hohlraum (16) des Werkstücks (10) zusatzlich Pulver aus Matrixmaterial eingebracht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß das Werkstück (10) vor dem Einbringen der Langfasern (18) in den min destens einen Hohlraum (16) geätzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß in den mindestens einen Hohlraum (16) mindestens ein Kern aus insbesondere Matrixmaterial eingesetzt wird, wobei der min destens eine Kern im Querschnitt kleiner ist als der mindestens eine Hohlraum (16) und der verblei bende Raum mit Langfasern (18) ausgefüllt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (16) in dem Werkstück (10) ausgearbeitet wird, insbesondere durch Funkenerosion.
10. Bauteil erhältlich durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Verwendung eines Verfahrens nach einem der An spruche 1 bis 9 zum Herstellen einer langfaserver starkten Schraube (30).
Description:
Verfahren zum Herstellen von lanqfaserverstärkten Bauteilen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von langfaserverstarkten Bauteilen, insbesondere von Bau- teilen, bei denen die Langfasern abschnittsweise auf- gespreizt verlaufen.

Um Bauteilen bei geringem Gewicht grö$ere Stabilität zu verleihen, ist es grundsätzlich bekannt, in die Bautei- le Fasern einzubetten. Je nach Wahl des Materials fUr die Faser werden auch die Temperaturausdehnung verrin- gert und die Temperaturfestigkeit des derart faserver- stärkten Bauteils erhöht. Das Faserverstärkungsmaterial besteht zweckmäßigerweise aus mit einem Matrixmaterial beschichteten Fasern ; dies hat den Vorteil, daß sich benachbarte Fasern nicht berühren sondern vielmehr von einem Material, dem Matrixmaterial umgeben sind. Vor- zugsweise werden als Matrixmaterial Titanbasis-Legie- rungen verwendet, während die Faser selbst aus Sili- ziumcarbid (SiC) besteht.

Im Rahmen dieser Erfindung ist mit dem Begriff"Faser" eine Monofaser gemeint, die im Innern aus Fasermaterial besteht und außen eine Beschichtung aus Matrixmaterial aufweist. Das Fasermaterial im Innern kann eine zen- trale Seele aufweisen. Das Fasermaterial kann eine um- gebende Schutzschicht aufweisen, auf die das Matrix- material aufgebracht ist. Bei einer SiC-Faser besteht die Seele aus Kohlenstoff, das die Seele umgebende Fasermaterial aus SiC, die Schutzschicht aus im wesent- lichen Kohlenstoff und das Matrixmaterial aus einer Titanbasis-Legierung.

Aus DE 40 21 547 Al ist ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Bauteilen bekannt, bei dem ein Trägerkörper mit mindestens einer mit einem Matrix- material beschichteten Faser umwickelt wird und dieser Wickelkörper anschließend einem heißisostatischen Preß- vorgang ausgesetzt wird. Beim heißisostatischen Pressen wird der Wickelkörper eingekapselt, d. h. von einer Kapsel umgeben, die Kapsel anschließend evakuiert und vakuumdicht verschlossen und danach die Kapsel erhitzt sowie allseitig einem hohen Druck ausgesetzt. Mit dem bekannten Verfahren lassen sich lediglich faserver- starkte Bauteile herstellen, bei denen die Faserver- stärkung gewickelt ist. Oftmals ist es jedoch wün- schenswert, daß das faserverstärkte Bauteil in einer Dimension hohe Stabilitat aufweisen muß.

Aus DE 29 15 412 C2 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers aus faserverstarktem Metall- (Matrix-) Material bekannt. Die einzelnen Fasern sind in Röhrchen eingelassen, die das Matrixmaterial darstel- len. Mehrere derartige Röhrchen werden in einen hulsen- artigen Formkörper eingebracht, der bereits der Kontur des herzustellenden Bauteils entspricht. Der Form- körper, der an seinen beiden stirnseitigen Enden offen ist, wird durch Pfropfen aus geeignetem Material ver- schlossen, woraufhin der derart verschlossene Formkör- per einem heißisostatischen Preßvorgang ausgesetzt wird. Anschließend werden die Pfropfen entfernt bzw. der Formkörper an seinen Enden anderweitig bearbeitet. Damit der Formkörper heißisostatisch gepreßt werden kann, bedarf es des luftdichten Abschlusses an seinen Enden, was verfahrenstechnisch aufwendig ist, da sich die Verhaltnisse an den Enden des Formkörpers während des heißisostatischen Preßvorganges, bei dem eine Ver- dichtung stattfindet, verandern.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Verbundwerkstoffe ist aus DE 37 00 805 C2 bekannt. Auch bei diesem bekannten Verfahren werden die Fasern in einen Hohlkörper eingebracht, der bereits der Kontur des herzustellenden Bauteils entspricht. tuber einen gasdichten Abschluß der Enden der Hohlform ist dabei nichts ausgesagt. Es ist lediglich ausgeführt, daß die Fasern und die zwischen ihnen eingebrachte Pulvermatrix so stark verdichtet werden, daß die Pulverpartikel so- wohl untereinander als auch mit den Fasern ver- schweißen.

In den Patent Abstracts of Japan. C-743,1990, Vol.

14, No. 342, JP 2-12 58 24 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus Kurzfasern far Verbundmaterialien beschrieben. Zur Herstellung wird eine Mischung aus Kurzfasern und einem Lösungsmittel in eine Form gegossen und anschließend mehreren Preß- vorgängen unterzogen, wobei das Lösungsmittel austritt und die Kurzfasern ausgerichtet werden. Enthält das Werkstück Ausnehmungen, welche beim Pressen zusammen- gedrückt werden könnten, wird ein Einsatzkörper in die Ausnehmung eingebracht, der während des Pressens die Form des Werkstückes sicherstellt. Dieser Formkörper beeinflußt den Faserverlauf nicht, da es nicht möglich ist, mit einem flüssigen Lösungsmittel vermischte Kurz- fasern in ihrem Verlauf bereichsweise aufzuspreizen.

Aus DE 43 35 557 C1 ist ein Verfahren zum Herstellen von langfaserverstärkten Bauteilen, die ein Matrix- material mit darin eingebetteten, mit Matrixmaterial beschichteten, im wesentlichen parallelen Langfasern aufweisen, bekannt, wobei bei dem Verfahren zunächst ein Werkstück aus einem mit dem Matrixmaterial der Fasern verträglichen Material, insbesondere aus dem

Matrixmaterial mit wenigstens einem zumindest einseitig offenen Hohlraum, der im Querschnitt kleiner ist als der herzustellende Bauteil, erzeugt wird, der Hohlraum anschließend mit mit Matrixmaterial beschichteten Lang- fasern ausgefullt wird, wobei die einzelnen Langfasern im wesentlichen parallel zueinander im Hohlraum ange- ordnet werden, das Werkstück mit den in seinem Hohlraum befindlichen Langfasern einem heißisostatischen Preß- vorgang ausgesetzt wird und danach das Werkstuck zur Herstellung des langfaserverstärkten Bauteils bearbei- tet wird. Mit diesem Verfahren lassen sich nur lang- faserverstärkte Bauteile herstellen, bei denen die Fasern im wesentlichen parallel verlaufen ; ein aufge- spreizter Verlauf der Fasern ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von langfaserverstarkten Bauteilen, die eine Verdickung aufweisen, anzugeben, bei dem auch im Bereich der Verdickung eine hohe Zugfestigkeit erzielt wird, wobei sich die Herstellung verfahrenstechnisch einfach gestaltet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens zist-sein Werkstuck vorzugsweise aus Matrixmaterial, das zugleich das Beschichtungsmaterial der Langfasern ist, wobei das Werkstück einen zumindest einseitig offenen Hohlraum aufweist, der im wesentlichen der Form des herzustellenden Bauteils entspricht und im Querschnitt kleiner ist als dieses. Der Hohlraum wird mit einzelnen beschichteten Langfasern dicht ausgefüllt, wobei die einzelnen Fasern innerhalb eines ersten Bereichs des

Hohlraums im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.

In einen zweiten Bereich des Hohlraums wird ein Aufspreizelement, vorzugsweise aus Matrixmaterial, eingebracht, so daß die Fasern innerhalb des zweiten Bereichs von der im wesentlichen parallel Ausrichtung derart umgelegt werden, daß sie aufgespreizt verlaufen.

Mit dem Aufspreizelement werden die Fasern auf einfache Weise vollständig umgelegt.

Das derart praparierte Werkstuck wird einem heißisosta- tischen Preßvorgang ausgesetzt, bei dem zunachst der Hohlraum evakuiert und verschlossen wird, das Werkstück gekapselt wird, wobei der dazu verwendete Behalter evakuiert und vakuumdicht verschlossen wird, und danach der Behälter auf hohe Temperaturen erhitzt und einem allseitigen hohen Druck ausgesetzt wird, so daß aufgrund der Temperatur und des Drucks der Duktilitats- punkt des Matrixmaterials erreicht und gegebenenfalls überschritten wird. Nach dem heißisostatischen Preß- vorgang wird das aus dem Behalter entnommene Werkstück dann zur Herstellung des gewunschten Bauteils bearbeitet. Wenn der zweite Bereich des Hohlraums an einer Stirnseite des Bauteils liegt, wird orteil- hafterweise das Aufspreizelement zum Verschließen des Hohlraums eingesetzt.

Die Evakuierung des Hohlraums erfolgt vorzugsweise unter Temperaturerhöhung, um die Oberfläche der mit Matrixmaterial beschichteten Fasern und/oder des Werk- sticks auszugasen. Diese Oberflächen können chemisch verunreinigt sein, z. B. durch Kleber, Sauer-und/oder Wasserstoff. Kleber kann z. B. eingesetzt werden, um

die Langfasern beim Bestücken des Werkstücks an den Innenwänden des Hohlraums zu halten.

Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Bauteil ist im wesentlichen in einer Dimension faser- verstärkt. Das Verfahren ist insbesondere von Vorteil bei der Herstellung von faserverstärkten Schrauben oder anderen ähnlichen Bauteilen, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Ventilen fUr Verbrennungs- motoren, die insbesondere im Bereich ihrer Teller in axialer Richtung Belastungen ausgesetzt sind. Als Lang- fasern kommen dabei insbesondere Siliziumcarbid-Fasern in Frage, die mit einer Legierung auf Titanbasis beschichtet sind.

Die erhöhte Temperaturfestigkeit der nach dem erfin- dungsgemäßen Verfahren gefertigten Bauteile macht es möglich, bis zum mittleren Betriebstemperaturbereich des Bauteils auf eine Kühlung zu verzichten, in jedem Fall aber weniger als bei konventionellen Bauteilen kühlen zu mussen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch partiel faserverstärkte Bauteile herstellen. Bei- spielsweise können mehrere Hohlräume in dem Werkstück ausgebildet sein, wobei das fertige Bauteil sämtliche Hohlräume umschließt. Es ist ebenfalls denkbar, daß der oder die Hohlräume mit jeweils einem oder mehreren Ker- nen aus vorzugsweise Matrixmaterial bestückt werden, um dann lediglich den verbleibenden"Ringraum"mit Lang- fasern zu bestücken. Ferner kann das Material des Kerns nach dem heißisostatischen Pressen wieder entfernt wer- den, um etwa im Falle eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteils fUr dieses einen inne- ren Kühlraum zu schaffen.

Allgemein kann zum erfindungsgemäßen Verfahren gesagt werden, daß der Hohlraum im Werkstück derart ausgebil- det und bemessen ist, daß das fertige Bauteil den- dann mit Langfasern und Matrixmaterial ausgefüllten- Hohlraum einschließt, also etwa eine den faserverstärk- ten Bereich umgebende Halle bzw. Ummantelung aufweist.

Das den Hohlraum aufweisende Werkstück kann prinzipiell einstuckig oder aber auch mehrteilig, insbesondere zweiteilig ausgebildet sein. Die zwei oder mehreren Teile des Werkstücks werden dann beim Befüllen des Hohlraums zusammengepaßt, wobei sie zwischen sich den mit Langfasermaterial zu befullenden Raum bilden.

Zur Erhöhung des Füllungsgrades des zumindest einseitig offenen Hohlraums im Werkstück mit Langfasermaterial wird das Werkstück zweckmäßigerweise bei der Einführung des Langfasermaterials in Vibration versetzt. Wenn nötig kann das Matrixmaterial zusätzlich mit Pulver aus dem Matrixmaterial verdichtet werden. Hierbei wird zweckmäßigerweise Pulver der Korngröße von 10 bis 20 ym verwendet.

Zweckmäßigerweise wird das Werkstück vor dem Einbringen der Langfasern von Oberflächenschmutz befreit. Dies erfolgt vorzugsweise durch Atzen des mit dem Hohlraum versehenen Werkstücks.

Vorzugsweise wird der Hohlraum im Werkstück durch Fun- kenerosion ausgearbeitet, aber auch"gepreßte"Werk- stocke, in denen sich nach Entfernen eines Kerns, um den herum das Material des Werkstücks gepreßt worden ist, der Hohlraum bildet, sind verwendbar. Grundsätz- lich sind auch noch andere Bearbeitungsverfahren far

das Herstellen bzw. Ausarbeiten des Hohlraums darin m6glich.

Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbei- spiel der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen die Fign. 1 und 2 die verschiedenen Stadien zum Herstellen einer langfaserverstärkten Schraube aus einer Legie- rung auf Titanbasis mit Siliziumcarbid-Lang- fasern, Fig. 3 den verlauf der in dem Hohlraum befindlichen Langfasern und Fig. 4 das fertiggestellte Bauteil.

Ausgangspunkt ist ein im wesentlichen zylinder-oder quaderformiges Werkstuck 10 aus einer Titanbasis- Legierung. In dieses in Fig. 1 dargestelltes Werkstück 10 wird durch Funkenerosion ein an zwei Seiten, nämlich an der Oberseite 12 und an der Unterseite 14, offener durchgehender Hohlraum 16 ausgearbeitet, der im Quer- schnitt der gewünschten Schraubenform entspricht und kleiner ist als die herzustellende Schraube. Der Hohl- raum 16 hat einen zylinderförmigen ersten Bereich und an seiner Unterseite 14 einen trichterförmig aufgewei- teten zweiten Bereich 20.

Nach Fertigstellung des Hohlraums 16 wird das Werkstück 10 geätzt, um die Hohlraum-Innenflächen zu reinigen. Im Anschluß daran wird der Hohlraum 16 mit Siliziumcarbid- Fasern 18 befüllt, die eine Beschichtung z. B. aus dem gleichen Material wie der Werkstück-Block 10 aufweisen.

Bei den Fasern 18 handelt es sich um Langfasern, die sich uber die gesamte Hoche des Werkstücks 10 zwischen

dessen Ober-und Unterseite 12,14 erstrecken. Die Lange der Fasern 18 ist derart bemessen, daß sie bei bundiger Anlage an der Oberseite 12 des Werkstücks 10 tuber die Unterseite 14 überstehen, so daß die Fasern 18 auch bei Aufspreizung die Wandung des zweiten Bereichs 20 voll- standing bedecken.

Die Langfasern 18 sind, wie in Fig. 1 angedeutet, in paralleler Ausrichtung relativ zueinander in dem Hohl- raum 16 untergebracht. Der Füllungsgrad des Hohlraums 16 mit Langfasern 18 wird durch Vibrationsrütteln des Werkstücks 10 während der Befüllung erhöht. Zusätzlich kann zur Verdichtung Titanbasis-Legierungs-Pulver mit einer Korngröße von ca. 10 bis 20 ym in den Hohlraum 16 eingebracht werden.

Das derart praparierte Werkstuck 10 wird anschließend gemäß Fig. 2 zur Vorbereitung auf einen hein- isostatischen Preßvorgang abgedeckt. An der Oberseite 12 wird der Hohlraum 16 mit einer Platte 22 verschlossen, die ein mit dem Hohlraum 16 kommuni- zierendes Ventil 24 zur Evakuierung des Hohlraums 16 aufweist. An der Unterseite 14 wird der Hohlraum 16 mit einem Aufspreizelement 26 verschlossen. Das Aufspreiz- element 26 hat einen mittig angeordneten Dorn 28, dessen Mantelfläche konkav ist und stetig, d. h. ohne Knick verläuft. Der Dorn 28 greift in den tricher- förmigen aufgeweiteten zweiten Bereich 20 derart ein, daß die Fasern 18 an die Wandung des aufgeweiteten Bereichs 20 angedrückt werden. Der freie Raum zwischen dem Aufspreizelement 26 und der Wandung des zweiten Bereichs 20, in dem die Fasern 16 aufgespreizt ver- laufen, wird in Richtung der Außenfläche des Werkstücks 10 schmaler. So wird sichergestellt, daß dieser freie Raum komplett mit Fasern 16 ausgefüllt ist, die nach

außen hin immer ausgedunnter verlaufen ; dies ist bei- spielhaft in Fig. 3 dargestellt.

Der trichterförmige zweite Bereich 20 und das Aufspreizelement 26 sind in ihrer Breite derart bemessen, daß im Randbereich des Werkstucks 10 und das Aufspreizelement 26 direkt aufeinanderliegen, d. h. ohne Vorhandensein von Fasern 18 an dieser Kontakt- stelle. Dadurch wird sichergestellt, daß der Faserkern des fertiggestellten Bauteils an allen Stellen von dem Matrixmaterial umgeben ist. Die Platte 22 und das Aufspreizelement 26 bestehen aus der gleichen Titan- basis-Legierung wie das Werkstuck 10 und die Beschichtung der Langfasern 18.

Das derart an den offenen Seiten seines Hohlraums 16 verschlossene Werkstuck 10 wird dann gekapselt, indem es in einen nicht dargestellten V2A-Behdlter einge- bracht wird. Dieser Behälter wird auf ca. lu-'bar bei einer Temperatur von ca. 500 OC evakuiert und danach vakuumdicht verschlossen. Man kann auf eine Kapselung auch insoweit verzichten, als der Hohlraum des Werk- stocks entgast und gasdicht verschlossen ist. Insoweit stellt das Werkstück selbst die Kapselung dar.

Anschließend erfolgt der heißisostatische Preßvorgang, bei dem durch hohe Temperatur und allseitige Druck- einwirkung der Duktilitätspunkt des Matrixmaterials, also der Titanbasis-Legierung, erreicht und zweck- mäßigerweise überschritten wird.

Nach dem heißisostatischen Preßvorgang wird das Werk- stuck 10 durch beispielsweise eine CNC-Maschine bearbeitet, um die Geometrie der Schraube 30 gemäß Fig. 4 zu erhalten. Diese Schraube 30 zeichnet sich durch einen Umhullung aus Matrixmaterial und einem

faserverstärkten Kern aus, der aus den im Matrix- material eingebetteten Langfasern besteht. Die Schraube 30 wird derart aus dem Werkstück 10 herausgearbeitet, daß der aufgeweitete zweite Bereich innerhalb des Schraubenkopfes 32 liegt, wodurch die Zugfestigkeit der Schraube 30 in optimaler Weise erhöht wird.