包括纏繞層的由纖維復(fù)合材料制成的組件的制作方法
【專利摘要】一種由纖維復(fù)合材料制成的組件，所述組件包括一個設(shè)置在另一個上方的由纖維材料制成的至少三個纏繞層（20a-d）。每個纏繞層包括一個或多個線圈（23），其中對于每個包括超過一個線圈的纏繞層，所述纏繞層的所有線圈都具有相同的纏繞角度且至少在一些部分中彼此分開，以在所述線圈之間形成中間空間（25）。至少兩個纏繞層的所有線圈都具有相同的第一纏繞角度（β）。另外，設(shè)置在至少兩個具有相同第一纏繞角度的線圈的纏繞層之間的至少一個纏繞層的所有一個或多個線圈（23）都具有第二纏繞角度（γ），其中所述第二纏繞角度（γ）的大小不同于所述第一纏繞角度的大小，并且其中至少一個具有第二纏繞角度（γ）的線圈與至少一個具有第一纏繞角度（β）的線圈相交。
【專利說明】包括纏繞層的由纖維復(fù)合材料制成的組件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種包括一個設(shè)置在另一個上方的至少三個纖維材料纏繞層的由纖維復(fù)合材料制成的組件和一種制造這類組件的方法，所述組件例如是用于熔化金屬的坩堝。
【背景技術(shù)】
[0002]由纖維復(fù)合材料制成的纏繞組件用于多種【技術(shù)領(lǐng)域】中，例如制造熔化坩堝或壓力容器。常規(guī)地，為了制造這類組件，將任選地用粘結(jié)劑浸潰的纖維復(fù)絲繞線圈芯纏繞并且鋪設(shè)在線圈芯上。在這種情況下，纖維復(fù)絲(Faserstiiinge)，也稱為粗紗，可以包括由碳、
玻璃、陶瓷或芳族聚酰胺制成的不同的單根纖維，該纖維可以嵌入由粘結(jié)劑形成的聚合物或陶瓷基質(zhì)中，其中聚合物基質(zhì)然后可以通過碳化轉(zhuǎn)化為碳基質(zhì)。由此，可能在去除線圈芯之后和在粘結(jié)劑適當固化和可能的碳化之后，可由碳纖維增強塑料(CFP)、碳纖維增強碳(CFC)、碳纖維增強陶瓷或陶瓷纖維增強陶瓷(CMC)構(gòu)造由纏繞層形成的組件。
[0003]這類組件的每個纏繞層通常包括設(shè)置為在同一方向上纏繞的多個線圈(Wickelwindungen),即所述線圈至少基本上平行、彼此鄰近或彼此重疊，以使通過每個纏繞層，線圈芯的至少一個部分被纖維材料完全覆蓋，即線圈之間不形成凹處或中間空間。在這種情況下，單個纏繞層相繼纏繞在線圈芯上，其中每個層內(nèi)的單個線圈正如所述的至少基本上彼此平行地纏繞。此處，不同纏繞層的線圈的纏繞角度可以相同或不同。在所謂的交叉纏繞中，鄰近纏繞層的線圈相對于同一基準軸數(shù)值相同，但符號不同。
[0004]例如從EP O 333 013 BI可知包括多個纏繞層的這種類型的組件或整個線圈，所述多個纏繞層以堆疊方式一個設(shè)置在另一個上方且配置成各自被完全覆蓋。
[0005]這些已知組件的缺點在于，單個纏繞層之間不存在機械連接，而是在單個纏繞層之間最多存在較弱的化學(xué)和/或物理結(jié)合力相互作用，這種結(jié)合力例如是以粘附性粘結(jié)不同纏繞層的粘結(jié)劑的形式。為此，需要提高最初提到類型的已知組件的穩(wěn)定性，特別是機械強度，例如沖擊韌性或?qū)娱g剪切強度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]因此，本發(fā)明的目的是提高纏繞纖維復(fù)合組件的穩(wěn)定性和機械強度。
[0007]根據(jù)本發(fā)明，由具有如權(quán)利要求1所述特征的組件實現(xiàn)這個目的。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，由纖維復(fù)合材料制成的組件包括一個設(shè)置在另一個上方的由纖維材料制成的至少三個纏繞層，其中每個纏繞層都包括一個或多個線圈，其中
[0009]-對于每個包括超過一個線圈的纏繞層，認為所述纏繞層的所有線圈都具有相同的纏繞角度，并且在至少一些部分彼此分開以在線圈之間形成中間空間，
[0010]-至少兩個纏繞層的所有線圈都具有相同的第一纏繞角度，并且
[0011]-設(shè)置在至少兩個具有相同第一纏繞角度線圈的纏繞層之間的至少一個纏繞層的所有一個或多個線圈都具有第二纏繞角度，其中第二纏繞角度的大小不同于第一纏繞角度的大小，并且其中至少一個具有第二纏繞角度的線圈與至少一個具有第一纏繞角度的線圈相交。
[0012]在本發(fā)明的意義上，纏繞層應(yīng)理解為當該纏繞層包括幾個線圈時，一個或多個線圈至少基本上彼此平行地纏繞，并因此彼此不相交。因此，在最簡單的情況下，纏繞層由線圈組成，其中鄰近該纏繞層的纏繞層的線圈必須具有不同的纏繞角度，即至少基本上不平行于纏繞層的線圈進行纏繞?？蛇x地，在本發(fā)明的意義上，纏繞層還可以包括至少基本上彼此平行纏繞的多個線圈，即線圈各自具有相同的纏繞角度，其中根據(jù)本發(fā)明，至少在一些部分中，中間空間存在于一個纏繞層的單個線圈之間，即在組件的俯視狀態(tài)下，一個纏繞層的相鄰設(shè)置的纖維復(fù)絲部分彼此間具有特定、優(yōu)選恒定的間隔。因為一個纏繞層的所有線圈都具有相同的纏繞角度，所以纏繞層內(nèi)的線圈不相交。纏繞層內(nèi)的線圈優(yōu)選在纏繞期間線圈芯轉(zhuǎn)動時所圍繞的中心點之外還重疊。在上述中心點處,沉積的線圈會不可避免地重疊。
[0013]在這種情況下，線圈表示纏繞層完全圍繞線圈芯圓周表面或組件圓周表面纏繞一次的截面。換言之，線圈對應(yīng)于由纏繞機雙沖程沉積的纖維材料的截面。
[0014]纏繞角度應(yīng)理解為沉積的單個線圈相對于線圈芯上原則上任意基準軸的角度。換言之，纏繞角度是線圈在線圈芯上沉積時縱軸相對于基準軸所占據(jù)的角度，即使纏繞的方向可能因沉積之后纖維復(fù)絲的一些滑移而仍稍有變化。如果線圈芯配置成圓柱形，那么纖維復(fù)絲不發(fā)生滑移，從而在這種情況下，纏繞角度是所沉積線圈的縱軸相對于基準軸所采用的角度。
[0015]參照成品組件，其是指對于具有至少一個圓柱對稱部分的組件，其中一個或多個圓柱對稱部分占組件總表面的至少20%，在本發(fā)明的意義上，纏繞角度是在一個或多個圓柱對稱部分上所沉積線圈部分的縱軸相對于基準軸所采用的角度，而不考慮不同于圓柱對稱部分的組件部分中線圈的方向。對于所有其它組件，在本發(fā)明意義上，術(shù)語纏繞角度是指纏繞與完全跨越線圈芯圓周表面或組件圓周表面的最短線之間的角度，在旋轉(zhuǎn)對稱線圈芯或組件的情況下，平行于線圈芯或組件的旋轉(zhuǎn)軸，并且在非旋轉(zhuǎn)對稱線圈芯或組件的情況下，平行于線圈芯或組件的縱軸?？紤]到術(shù)語纏繞角度先前的定義，由此可以得出所有線圈基本上平行纏繞，借此在本發(fā)明的意義上理解，纏繞任何一點存在的纏繞角度除以所有相應(yīng)纏繞角度的算術(shù)平均值的標準偏差小于0.5。相對于理想直線配置的這種可允許標準偏差考慮了如下事實:在以確定的角度沉積期間，特別是在彎曲區(qū)域，例如線圈芯或組件圓周表面的圓柱形區(qū)域與圓錐形區(qū)域之間的過渡區(qū)域，線圈可以最低限度地滑移，結(jié)果是線圈內(nèi)部可能發(fā)生纏繞角度的特定的輕微變化。除之前的標準偏差以外，同樣適用的是，根據(jù)本發(fā)明，每個線圈的最大纏繞角度與最小纏繞角度之差小于1°，優(yōu)選至多0.8° ,特別優(yōu)選至多0.5°，非常特別優(yōu)選至多0.2°。
[0016]正如上文所述的，一個纏繞層的所有線圈的纏繞角度彼此相同。為了再次考慮沉積之后單個線圈的部分的可能滑移，在本發(fā)明的意義上，相同的纏繞角度理解為纏繞層內(nèi)部所有線圈相對于完全跨越線圈芯圓周表面或組件表面圓周的最短基準線的纏繞角度，在旋轉(zhuǎn)對稱線圈芯或組件的情況那樣，平行于線圈芯或組件的旋轉(zhuǎn)軸，并且在非旋轉(zhuǎn)對稱線圈芯或組件的情況下，平行于線圈芯或組件的縱軸，彼此相差小于1°，優(yōu)選至多0.8°，特別優(yōu)選至多0.5°，非常特別優(yōu)選至多0.2°。
[0017]在根據(jù)本發(fā)明的一個組件中，因此在至少兩個具有相同第一纏繞角度的纏繞層之間存在具有第二不同纏繞角度的纏繞層。根據(jù)本發(fā)明在一個纏繞層的單個線圈之間提供中間空間的結(jié)果是，這些由不同纏繞角度設(shè)置的纏繞層的線圈圖案以交叉方式重疊。因為在相應(yīng)纏繞層的過渡處第一和第二纏繞角度的大小不同，所以如同在已知交叉纏繞的情況中的，不僅僅纏繞角度的符號發(fā)生變化。因此，根據(jù)本發(fā)明，如同在交叉纏繞中一樣，不存在均勻分布在纏繞區(qū)域的線圈的交叉；相反，在根據(jù)本發(fā)明的組件中，存在單個纏繞層的不均勻分布的交叉。結(jié)果，特別是實現(xiàn)了更好的負荷分布和因此更高的組件機械強度。當提供單個全覆蓋設(shè)置的線圈時，已存在這種增加的機械強度。
[0018]由于根據(jù)本發(fā)明的單個纏繞層的設(shè)置的類型，因此消除了如現(xiàn)有技術(shù)中已知的線圈中出現(xiàn)的單個纏繞層的明顯分離，從而在每種情況下，一個纏繞層的纖維接合于位于其上方和/或下方的一個或多個纏繞層中。結(jié)果，在特定程度上，形成混合層或組合層，結(jié)果是其中實現(xiàn)單個連續(xù)的總線圈。因此，獲得織物樣編織結(jié)構(gòu)，其中與現(xiàn)有技術(shù)中已知的相應(yīng)結(jié)構(gòu)相比，層間粘結(jié)提高。
[0019]而在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的纏繞纖維復(fù)合組件中，因此存在彼此明顯分開的纏繞層，其至多通過化學(xué)和/或物理相互作用彼此結(jié)合，在根據(jù)本發(fā)明的組件中，單個纏繞層之間存在機械互鎖或交織，借此實現(xiàn)明顯更高的組件穩(wěn)定性和機械強度，特別是提高的沖擊韌性和損傷容限。根據(jù)本發(fā)明的組件因此還能夠用于具有最大負荷要求的應(yīng)用，如防彈板。
[0020]單個線圈之間存在的中間空間側(cè)，即在纏繞層的俯視狀態(tài)下纏繞層的單個纖維復(fù)絲的間隔以及單個纏繞層之間的單個纏繞角度或纏繞圖案的順序，基本上可取決于應(yīng)用的要求而大范圍地變化。
[0021]由一個設(shè)置在另一個上方的所有纏繞層形成的整個線圈優(yōu)選在俯視狀態(tài)下無中間空間。換言之，一個設(shè)置在另一個上方的纏繞層完全覆蓋線圈芯的纏繞部分或纏繞圓周表面。纏繞層由此形成無凹處的組件壁，例如用于坩堝的容器壁。因此，纏繞層的線圈之間的中間空間不用于生產(chǎn)具有穿孔壁的組件，而是用于交錯接收其它纏繞層的線圈。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式中，在每個包括超過一個線圈的纏繞層中，該纏繞層中線圈之間的中間空間的面積總和與該纏繞層總面積的比率是0.05000至0.99999，優(yōu)選
0.90000 至 0.99999，特別優(yōu)選 0.99000 至 0.99999，非常特別優(yōu)選 0.99990 至 0.99999?？紤]到組件的穩(wěn)定性和機械強度，已證明這樣的面積比特別有利。
[0023]根據(jù)本發(fā)明，纏繞層內(nèi)所有線圈的纏繞角度彼此相差小于1°，優(yōu)選至多0.8°，特別優(yōu)選至多0.5°，非常特別優(yōu)選至多0.2°。這有利于組件具有均勻的機械強度。
[0024]另一方面，根據(jù)本發(fā)明，第二纏繞角度的大小與第一纏繞角度的大小相差至少1°，優(yōu)選至少2°，特別優(yōu)選至少3°，非常特別優(yōu)選至少4°，最優(yōu)選至少5°。為了實現(xiàn)纏繞層之間的確定的交織，特別有利的是，避免都具有過類似纏繞圖案的纏繞層的設(shè)置。
[0025]優(yōu)選地，至少一個纏繞層的至少一個線圈至少在一些部分中接合于設(shè)置在該纏繞層下方和/或上方的纏繞層的至少一個中間空間中。因此，相應(yīng)纏繞層的線圈不嚴格彼此堆疊，而是一個纏繞層的線圈的部分各自穿入另一個纏繞層中，從而在纏繞層之間獲得牢固的機械連接。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的實施方式，至少一個具有第一纏繞角度線圈的纏繞層的所有線圈都接合于至少一個具有第二纏繞角度的至少一個線圈的纏繞層的中間空間中，和/或另外的具有第一纏繞角度的線圈的纏繞層的中間空間中。為此目的，具有第一纏繞角度的單個纏繞層的線圈優(yōu)選地設(shè)置成彼此偏移，以使一個含有具有第一纏繞角度的線圈的纏繞層的線圈設(shè)置在另一個含有具有第一纏繞角度的線圈的纏繞層的中間空間上方。結(jié)果，纏繞相對于線圈芯或組件的圓周表面均勻交織，因此實現(xiàn)特別高的組件強度。
[0027]每個纏繞層都可以包括I至2，000個、優(yōu)選I至250個、特別優(yōu)選I至150個，非常特別優(yōu)選I至10個線圈。線圈的數(shù)量具體地取決于特定應(yīng)用的要求。
[0028]此外，所述組件優(yōu)選包括至少10個、優(yōu)選200至10，000個、特別優(yōu)選500至10，000個、非常特別優(yōu)選2，000至5，000個纏繞層，其一個設(shè)置在另一個上方。通過調(diào)節(jié)一個設(shè)置在另一個上方的纏繞層的數(shù)量，可以用預(yù)定強度的纖維復(fù)絲實現(xiàn)組件的期望的壁厚度或期望的機械強度。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的另外的優(yōu)選實施方式，在每種情況下，一個具有第一纏繞角度線圈的纏繞層和一個具有第二纏繞角度線圈的纏繞層直接以交替順序一個設(shè)置在另一個上方，并且具體地，特別優(yōu)選一個直接設(shè)置在另一個上方。在這種實施方式中，所得纏繞圖案類似于交叉纏繞，然而，與交叉纏繞相對比，其中通過大小上不同的纏繞角度來實現(xiàn)期望的交織效果。
[0030]除了具有第二纏繞角度的線圈的纏繞層之外，至少一個另外的纏繞層可設(shè)置在至少兩個具有第一纏繞角度線圈的纏繞層之間。通過提供這樣的“中間層”，可以以期望的方式對組件的機械性能施加影響。所述至少一個另外的纏繞層可以包括一個或多個線圈，其中所有這些線圈都具有第三纏繞角度，它的大小不同于第一纏繞角度的大小，也不同于第二纏繞角度的大小。以這樣的方式，三種或更多種不同纏繞角度可以彼此組合以進一步增加纏繞層之間的交織效果，從而增加組件強度。
[0031]所有具有第二纏繞角度的線圈優(yōu)選與至少一個具有第一纏繞角度的線圈相交。因此，在線圈芯上，具有第二纏繞角度的線圈不被設(shè)置為在空間上遠離具有第一纏繞角度的線圈。相反，具有不同纏繞角度的線圈重疊在線圈芯或組件的一個或同一個部分上，其中不同纏繞角度交叉的結(jié)果不可避免地最終導(dǎo)致纏繞層之間連接的改進。
[0032]所述纖維優(yōu)選地選自碳纖維、陶瓷纖維、玻璃纖維、聚合物纖維和兩種或更多種上述材料的混合物，其中所述聚合物纖維優(yōu)選地是聚酰胺纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、氧化聚丙烯腈纖維、兩種或更多種上述材料的共聚物的纖維和兩種或更多種上述材料的混合物，其中所述聚酰胺纖維特別是芳族聚酰胺纖維。這樣的纖維材料適合提供具有高機械強度的纏繞組件。在這種情況下，該纖維的平均直徑可以是例如3至20 μ m。也可以使用纖維束，每沉積的纖維束的纖維平均數(shù)可以在500與400，000之間，優(yōu)選在1，000與50，000之間，特別優(yōu)選在3，000與50，000之間。
[0033]特別地，根據(jù)本發(fā)明的組件可由碳纖維增強碳(CFC)、碳纖維增強塑料(CFP)、碳纖維增強陶瓷或陶瓷纖維增強陶瓷(CMC)組成。這類復(fù)合材料的特征尤其在于高機械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、高抗沖擊性、高耐化學(xué)性和高化學(xué)純度。
[0034]一個設(shè)置在另一個上方的纏繞層形成無支撐的線圈。即，在完成組件的制造之前除去用于纏繞纖維材料的線圈芯，從而形成由纏繞層包圍的空腔。以這樣的方式，所述組件可以用作空心型材或用作容器。
[0035]根據(jù)另外的特定的實施方式，所述組件被配置成用于熔化和結(jié)晶金屬和/或半金屬的坩堝。[0036]本發(fā)明還涉及一種制造由纖維復(fù)合材料制成的組件的方法，其中至少三個纖維材料纏繞層纏繞在線圈芯上，其中:
[0037]-對于每個纏繞有一個或多個線圈的纏繞層，其中一個具有超過一個線圈的纏繞層的所有線圈，都以相同的纏繞角度且至少在一些部分中彼此分開地纏繞在線圈芯上，以在線圈之間形成中間空間，
[0038]-至少兩個具有相同第一纏繞角度的纏繞層的線圈纏繞在線圈芯上，并且
[0039]-至少一個具有大小與第一纏繞角度大小不同的第二纏繞角度的纏繞層的所有一個或多個線圈，都以如下方式纏繞在線圈芯上，該方式使得這個纏繞層設(shè)置在至少兩個具有相同第一纏繞角度線圈的纏繞層之間，并且至少一個具有第二纏繞角度的線圈與至少一個具有第一纏繞角度的線圈相交。
[0040]不同纏繞圖案的重疊與留在纏繞層內(nèi)部的中間空間結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)單個纏繞層的相互交錯，并因此實現(xiàn)增加所制造組件的機械穩(wěn)定性的特定的交織或互鎖效果。
[0041]所述至少三個纏繞層的線圈優(yōu)選以如下方式纏繞在線圈芯上，該方式使得它們至少完全覆蓋線圈芯的部分。線圈芯的這個部分在成品組件上構(gòu)成連續(xù)的無凹處壁。
[0042]對于每個纏繞層，所述纖維材料的線圈被纏繞在線圈芯上，至少在一些部分中彼此分開以在線圈之間形成中間空間，從而使纏繞層中線圈之間的中間空間的面積總和與纏繞層總面積的比率是0.05000至0.99999，優(yōu)選0.90000至0.99999，特別優(yōu)選0.99000至
0.99999，非常特別優(yōu)選0.99990至0.99999。對于組件的穩(wěn)定性，這樣的表面比特別有利。
[0043]根據(jù)本發(fā)明的方法可以包括如下另外的步驟:
[0044]-在所述纏繞之前、期間或之后，用粘結(jié)劑浸潰所述纖維材料，和
[0045]-在所述纖維材料浸潰之后并且纏繞之后，固化所述粘結(jié)劑。
[0046]優(yōu)選在纏繞期間浸潰所述纖維材料?？蛇x地，還可以用已預(yù)浸潰和/或穩(wěn)定過的纖維材料(預(yù)浸材料)進行纏繞?；旧峡梢允褂帽绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的所有粘結(jié)劑，其中特別是當使用如下基質(zhì)材料時，獲得良好的結(jié)果，該基質(zhì)材料選自環(huán)氧樹脂、酚樹脂、
乙烯酯樹脂、聚酯樹脂、聚氨酯樹脂、苯并舊惡|嗪樹脂、酚醛清漆、氰酸酯樹脂、雙馬來酰亞胺
樹脂、雙Hil嗪樹脂(B i soxaz i nhar z en )、諸如聚丙烯的聚烯烴、諸如聚酰胺的工程熱塑性塑
料和兩種或更多種上述材料的任何混合物。此外，所述粘結(jié)劑可以包括適合的填充劑，例如碳或石墨粒子或者磨碎或短切的纖維。另外，可以向粘結(jié)劑中添加適合的添加劑，例如硬化齊U、加速劑、乳化劑、內(nèi)部分離劑等。
[0047]取決于粘結(jié)劑的類型，可通過熱方法和/或化學(xué)方法進行所述固化。
[0048]固化之后，可以進行碳化和/或石墨化以使基質(zhì)材料轉(zhuǎn)化成碳。以這樣的方式，可以生產(chǎn)碳纖維增強碳復(fù)合材料。在這種情況下，優(yōu)選在400至1，200°C，特別優(yōu)選600至1，OOO0C的溫度下進行所述碳化，而優(yōu)選在1，400至3，OOO0C，特別優(yōu)選1，600至2，400°C的溫度下進行所述石墨化。
[0049]為了進一步增加基質(zhì)的碳含量或纖維復(fù)合材料的密度，在碳化或石墨化之后，可使用適合的樹脂和/或浙青進行另外的一個或多個液體壓實步驟。在每個這樣的液體壓實步驟之后，進行碳化和/或石墨化。也可以使用根據(jù)CVI原理(“化學(xué)氣相滲透”)的方法以進一步提聞基質(zhì)中的碳含量。[0050]根據(jù)本發(fā)明的一個特定的實施方式，對于所述纏繞，將含有碳纖維的連續(xù)纖維復(fù)絲鋪設(shè)在線圈芯上。
[0051]在將纏繞層纏繞在線圈芯上之前，特別地，可為自動纏繞機創(chuàng)建和/或配置含有關(guān)于所述纏繞的控制指令的程序，其中通過執(zhí)行所述控制指令完成所述線圈的纏繞。因此所述纏繞過程本身能夠全自動地進行。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0052]下文參照實施例進一步解釋本發(fā)明，這些實施例通過參照附圖來解釋本發(fā)明，但不限制本發(fā)明。
[0053]圖1是其上纏繞有第一示例性實施方式纖維材料的第一纏繞層的線圈芯的側(cè)視圖。
[0054]圖2顯示在第一纏繞層上纏繞另外的第二纏繞層的圖1線圈芯。
[0055]圖3顯示在第二纏繞層上纏繞另外的第三纏繞層的圖1線圈芯。
[0056]圖4顯示在第三纏繞層上纏繞另外的第四纏繞層的圖1線圈芯。
[0057]圖5是根據(jù)第二示例性實施方式其上纏繞有一個設(shè)置在另一個上方的兩個纖維材料纏繞層的線圈芯的側(cè)視圖。
[0058]圖6是根據(jù)圖5的線圈芯的透視圖。
[0059]圖7是根據(jù)圖5的線圈芯的另一透視圖。
[0060]圖8是根據(jù)另一示例性實施方式在線圈芯上沉積的纏繞圖案截面的側(cè)視圖。
[0061]圖9a_9d顯示根據(jù)另一示例性實施方式的線圈芯的截面的側(cè)視圖，該線圈芯上纏繞有兩個纖維材料纏繞層(圖9a)、四個纖維材料纏繞層(圖％)、六個纖維材料纏繞層(圖9c)和八個纖維材料纏繞層(圖9d)。
【具體實施方式】
[0062]根據(jù)圖1至4中所示的本發(fā)明第一示例性實施方式，通過在線圈芯或線圈芯軸11上纏繞多個纖維材料纏繞層由纖維復(fù)合材料制造用于熔化金屬的坩堝。僅部分顯示的線圈芯11是具有圓柱形護套部分13和圓頂狀覆蓋部分15的金屬空心體。線圈芯11繞旋轉(zhuǎn)軸R可旋轉(zhuǎn)地安裝在未圖示的支架上，其中安置也未圖示的纏繞機的進料口，以使得它可以將由浸潰粘結(jié)劑的碳纖維構(gòu)成的連續(xù)纖維復(fù)絲17沉積在線圈芯11上。以這樣的方式，形成線圈23，這些線圈23各自完全圍繞線圈芯11纏繞一次。在沉積期間，用可固化的基于聚合物的粘結(jié)劑浸潰連續(xù)纖維復(fù)絲。
[0063]在浸潰過的連續(xù)纖維復(fù)絲17沉積期間，通過移動進料口和使線圈芯11繞旋轉(zhuǎn)軸R轉(zhuǎn)動，在線圈23與完全跨越平行于旋轉(zhuǎn)軸R的線圈芯11的圓周表面的最短線之間設(shè)定特定纏繞角度β。
[0064]以這種方式，纏繞第一纏繞層20a，它的線圈23都具有45°的纏繞角度β。連續(xù)纖維復(fù)絲17彼此相隔一段距離沉積，從而在單個線圈23之間存在中間空間25。
[0065]由于線圈芯或先前纏繞層上的纏繞層的滑移摩擦相對較小而不會達到預(yù)定的纏繞角度，為了實現(xiàn)該預(yù)定的纏繞角度，可以另外地在線圈芯上提供銷或銷邊，將纏繞層相對于線圈芯保持或穩(wěn)定在適合的位置。如果纏繞角度從一個纏繞層到下一個纏繞層的變化很大，以致由于滑移摩擦較小而不可能在線圈芯或先前纏繞層上穩(wěn)定保持纏繞層，那么使用銷也特別有利。
[0066]然后，根據(jù)圖2，在第一纏繞層20a上方將第二纏繞層20b纏繞在線圈芯11上，其中該第二纏繞層20b的線圈23具有0°的纏繞角度。
[0067]然后，根據(jù)圖3，在第二纏繞層20b上方將第三纏繞層20a纏繞在線圈芯11上。第三纏繞層20c的線圈23，和第一纏繞層20a的線圈23—樣，具有45°的纏繞角度，但相對于第一纏繞層20a的線圈23發(fā)生偏移，從而它們位于第一纏繞層20a的中間空間25上方。通過這種處理，將第二纏繞層20b的線圈23 —定程度地壓入中間空間25中。
[0068]此外，根據(jù)圖4，在第三纏繞層20c上方將第四纏繞層20d纏繞在線圈芯11上。第四纏繞層20d的線圈23，和第二纏繞層20b的線圈23—樣，具有0°的纏繞角度，但相對于第二纏繞層20b的線圈23發(fā)生偏移，從而它們位于第二纏繞層20b的中間空間25上方。從而，第三纏繞層20b的線圈23又被壓入位于其下的相應(yīng)中間空間25中。
[0069]兩個不同纏繞角度的結(jié)果是，第一纏繞層20a的線圈23與第二纏繞層20b和第四纏繞層20d的線圈23相交。同樣地，第三纏繞層20c的線圈23與第二纏繞層20b和第四纏繞層20d的線圈23相交。
[0070]作為一個實施例，僅顯示兩個可選的的纏繞角度O °和45°。在本發(fā)明的一個可選示例性實施方式中，第一、第二、第三和第四纏繞層20a、20b、20c、20d的線圈23具有
0.3°、2°、5°和6°的纏繞角度。
[0071]然后在現(xiàn)有纏繞層20a、20b、20c、20d上方纏繞另外的纏繞層，直到一個設(shè)置在另一個上方的所有纏繞層的線圈23完全覆蓋線圈芯11的護套部分13和覆蓋部分15。
[0072]最后，使浸潰過的連續(xù)纖維復(fù)絲17的粘結(jié)劑通過熱方法或化學(xué)方法固化，并且去除線圈芯11。這可例如通過如下方式實現(xiàn):將在覆蓋部分15對面形成的線圈的部分分離，并且從線圈中去除線圈芯11，從而形成一個設(shè)置在另一個上方的纏繞層的空心體，這個空心體形成坩堝。去除線圈芯11之前或之后，可以另外地進行碳化和/或石墨化，以使粘結(jié)劑轉(zhuǎn)化成無定形碳或石墨。
[0073]圖5至7顯示另一種線圈芯11，該線圈芯11具有沉積的浸潰過粘結(jié)劑的連續(xù)纖維復(fù)絲17，其中在此次可看出，在線圈芯11的前側(cè)開孔33上方引導(dǎo)線圈。定義旋轉(zhuǎn)軸R的可旋轉(zhuǎn)軸29延伸穿過開孔33。另外，由圖6推導(dǎo)出，不同于在圖1至4中所示的示例性實施方式，所有線圈23在中心點31處相交，在中心點31處旋轉(zhuǎn)軸R穿過線圈芯11的覆蓋部分15。
[0074]對于自動進行的纏繞，在將線圈23纏繞在線圈芯11上之前，為可旋轉(zhuǎn)軸29和進料口的驅(qū)動創(chuàng)建和/或配置含有關(guān)于纏繞的控制指令的計算機程序?？赏ㄟ^執(zhí)行控制指令而完全自動地進行之前描述的線圈23的纏繞。
[0075]圖8顯示根據(jù)另一示例性實施方式在線圈芯上沉積的纏繞圖案的截面的側(cè)視圖。由此圖可看出在每種情況下線圈23的單個纏繞層20a、20b如何與數(shù)量上不同的纏繞角度相交，其中交叉不均勻地分布，結(jié)果是實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的期望的交織效果，從而導(dǎo)致組件的機械穩(wěn)定性和機械強度增大，特別是沖擊韌性和損傷容限增大。
[0076]圖9a至9d顯示線圈芯的截面的側(cè)視圖，其中圖9a中顯示的線圈芯截面中沉積有兩個纏繞層20a、20b，圖9b中顯示的線圈芯截面上沉積有四個纏繞層20a、20b、20c、20d，圖9c中顯示的線圈芯截面上沉積有六個纏繞層20a、20b、20c、20d、20e、20f，并且圖9d中顯示的線圈芯截面中沉積有八個纏繞層20a、20b、20c、20d、20e、20f、20g、20h。這些纏繞層中的每兩個20a和20b或20c和20d或20e和20f或20g和20h具有大小相同但符號不同的纏繞角度，而其它纏繞層各自具有大小與此不同的纏繞角度。在本發(fā)明意義上這些交叉的纏繞層各自包括兩個不同的纏繞層。用這種纏繞圖案也獲得不均勻分布的交叉，結(jié)果是實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的期望的交織效果，并因此導(dǎo)致組件的機械穩(wěn)定性和機械強度增大，特別是沖擊韌性和損傷容限增大。
[0077]附圖標記:
[0078]11線圈芯 [0079]13護套部分
[0080]15覆蓋部分
[0081]17連續(xù)纖維復(fù)絲
[0082]20a,20b,20c,20d 纏繞層
[0083]20e,20f,20g,20h 纏繞層
[0084]23 線圈
[0085]25中間空間
[0086]27交叉點
[0087]29可旋轉(zhuǎn)軸
[0088]31中心點
[0089]33前側(cè)開孔
[0090]R旋轉(zhuǎn)軸
[0091]β/y/δ纏繞角度
【權(quán)利要求】
1.一種由纖維復(fù)合材料制成的組件，所述組件包括一個設(shè)置在另一個上方的由纖維材料制成的至少三個纏繞層(20a，20b, 20c, 20d)，其中 -每個所述纏繞層(20a，20b, 20c, 20d)包括一個或多個線圈(23)，其中對于每個包括超過一個線圈(23)的纏繞層(20a，20b, 20c, 20d),所述纏繞層(20a，20b, 20c, 20d)的所有線圈(23)都具有相同的纏繞角度(β )且至少在一些部分中彼此分開以在所述線圈(23)之間形成中間空間(25)， -至少兩個所述纏繞層(20a，20c)的所有線圈(23)都具有相同的第一纏繞角度(β )，并且 -至少一個如下纏繞層(20b)的所有所述一個或多個線圈(23)都具有第二纏繞角度(Y )，所述纏繞層(20b)設(shè)置在所述至少兩個具有相同第一纏繞角度(β )的線圈(23)的纏繞層(20a，20c)之間，其中所述第二纏繞角度(Y )的大小不同于所述第一纏繞角度(β )的大小，并且其中至少一個具有第二纏繞角度(Y )的線圈(23)與至少一個具有第一纏繞角度(β )的線圈(23)相交。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于在俯視狀態(tài)下，由所有一個設(shè)置在另一個上方的纏繞層(20a，20b, 20c, 20d)形成的整個線圈沒有中間空間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的組件，其特征在于在每個包括超過一個線圈(23)的纏繞層(20a，20b，20c，20d)中，所述纏繞層(20a，20b，20c，20d)中所述線圈(23 )之間的中間空間(25)的面積總和與所述纏繞層(20a，20b, 20c, 20d)總面積的比率是0.05000至0.99999，優(yōu)選0.90000至0.99999，特別優(yōu)選0.99000至0.99999，非常特別優(yōu)選0.99990至0.99999。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的至少一項所述的組件，其特征在于纏繞層(20a，20b，20c，20d)中所有線圈(23)的纏繞角度(β)彼此相差小于1°，優(yōu)選至多0.8°，特別優(yōu)選至多0.5°，非常特別優(yōu)選至多0.2°。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的至少一項所述的組件，其特征在于所述第二纏繞角度(Y)的大小與所述第一纏繞角度(β )的大小相差至少1°。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的至少一項所述的組件，其特征在于至少一個所述纏繞層(20a，20b，20c，20d)的至少一個線圈(23)至少在一些部分中接合于設(shè)置在所述纏繞層下方和/或上方的纏繞層(20a，20b，20c，20d)的至少一個中間空間(25)中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的組件，其特征在于，至少一個纏繞層(20a)的所有線圈(23)接合于所述至少一個纏繞層(20b)的中間空間(25)中和/或所述另外的纏繞層(20c)的中間空間(25)中，其中所述纏繞層(20a)具有第一纏繞角度(β )的線圈(23)，所述纏繞層(20b)具有所述至少一個具有第二纏繞角度(Y )的線圈(23)，并且所述纏繞層(20c)具有第一纏繞角度(β )的線圈(23)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的至少一項所述的組件，其特征在于每個所述纏繞層(20a，20b，20c, 20d)都包括I至2，000個、優(yōu)選I至250個、特別優(yōu)選I至150個，非常特別優(yōu)選I至10個線圈(23)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的至少一項所述的組件，其特征在于所述組件包括一個設(shè)置在另一個上方的至少10個、優(yōu)選200至10，000個、特別優(yōu)選500至10，000個、非常特別優(yōu)選2，000 至 5，000 個纏繞層(20a，20b，20c，20d)。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的至少一項所述的組件，其特征在于在每種情況下，一個具有第一纏繞角度(β )的線圈(23)的纏繞層(20a，20c)與一個具有第二纏繞角度(Y )的線圈(23)的纏繞層(20b，20d)以交替順序一個直接設(shè)置在另一個上方。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的至少一項所述的組件，其特征在于，除了所述具有第二纏繞角度(Y )的線圈(23)的纏繞層(20b)之外，至少一個另外的纏繞層設(shè)置在所述至少兩個具有第一纏繞角度(β )的線圈(23)的纏繞層(20a，20c)之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組件，其特征在于所述至少一個另外的纏繞層包括一個或多個線圈(23)，其中所有這些纏繞都具有第三纏繞角度(δ )，它的大小不同于第一纏繞角度(β )的大小，也不同于第二纏繞角度(Y )的大小。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中的至少一項所述的組件，其特征在于所有具有第二纏繞角度(Y )的線圈(23)與至少一個具有第一纏繞角度(β )的線圈(23)相交。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中的至少一項所述的組件，其特征在于所述纖維選自碳纖維、陶瓷纖維、玻璃纖維、聚合物纖維和兩種或更多種上述材料的混合物，其中所述聚合物纖維優(yōu)選是聚酰胺纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、氧化聚丙烯腈纖維、兩種或更多種上述材料的共聚物的纖維和兩種或更多種上述材料的混合物，其中所述聚酰胺纖維特別是芳族聚酰胺纖維。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中的至少一項所述的組件，其特征在于纖維復(fù)合材料是碳纖維增強碳(CFC)、碳纖維增強塑料(CFP)、碳纖維增強陶瓷或陶瓷纖維增強陶瓷(CMC)。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中的至少一項所述的組件，其特征在于所述一個設(shè)置在另一個上方的纏繞層(20a，20b, 20c, 20d)形成無支撐的線圈。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中的至少一項所述的組件，其特征在于所述組件配置成用于熔化和結(jié)晶金屬和/或半金屬的 坩堝。
18.—種制造由纖維復(fù)合材料制成的組件、特別是根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的組件的方法，其中至少三個纖維材料纏繞層(20a，20b，20c，20d)纏繞在線圈芯(11)上，其中: -對于每個纏繞有一個或多個線圈(23)的所述纏繞層(20a，20b, 20c, 20d)，其中一個具有超過一個線圈(23)的纏繞層(20a，20b，20c，20d)的所有線圈(23)都以相同的纏繞角度(β )且至少在一些部分中彼此分開地纏繞在所述線圈芯(11)上，以在所述線圈(23)之間形成中間空間(25)， -至少兩個具有相同第一纏繞角度(β )的纏繞層(20a，20c)的線圈(23)纏繞在所述線圈芯(11)上，且 -至少一個具有大小與第一纏繞角度(β )大小不同的第二纏繞角度(Y )的纏繞層(20b )的所有一個或多個線圈(23 )以如下方式纏繞在所述線圈芯(11)上，該方式使得這個纏繞層(20b)設(shè)置在所述至少兩個具有第一纏繞角度(β )的線圈(23)的纏繞層(20a，20c)之間，且至少一個具有第二纏繞角度(Y )的線圈(23)與至少一個具有第一纏繞角度(β )的線圈(23)相交。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于所述至少三個纏繞層(20a，20b，20c，20d)的所述線圈(23)以如下方式纏繞在所述線圈芯(11)上，該方式使得它們至少完全覆蓋所述線圈芯(11)的部分。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的方法，其特征在于對于每個纏繞層(20a，20b，20c，20d)，所述纖維材料的至少兩個線圈(23)纏繞在所述線圈芯(11)上，至少在一些部分中彼此分開以在所述線圈之間形成中間空間(25)，使得所述纏繞層(20a，20b, 20c, 20d)中所述線圈(23 )之間的所述中間空間的面積總和與所述纏繞層(20a, 20b，20c，20d)的總面積的比率是 0.05000 至 0.99999，優(yōu)選 0.90000 至 0.99999，特別優(yōu)選 0.99000 至 0.99999，非常特別優(yōu)選0.99990至0.99999。
21.根據(jù)權(quán)利要求18至20中的至少一項所述的方法，其特征在于另外的步驟: -在所述纏繞之前、期間或之后，用粘結(jié)劑浸潰所述纖維材料，和 -在所述浸潰之后并且在所述纖維材料纏繞之后，固化所述粘結(jié)劑。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于通過熱方法和/或化學(xué)方法進行所述固化。
23.根據(jù)權(quán)利要求18至22中的至少一項所述的方法，其特征在于對于所述纏繞，將含有碳纖維的連續(xù)纖維復(fù)絲(17)鋪設(shè)在所述線圈芯(11)上。
24.根據(jù)權(quán)利要求18至23中的至少一項所述的方法，其特征在于，在所述纏繞層(20a, 20b, 20c, 20d)纏繞在所述線圈芯(11)上之前，為自動纏繞機創(chuàng)建和/或配置含有關(guān)于所述纏繞的控制指令 的程序，其中通過執(zhí)行所述控制指令完成所述線圈(23)的纏繞。
【文檔編號】B29C53/60GK103747942SQ201280038583
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月5日
【發(fā)明者】馬庫斯·施羅德, 塞巴斯蒂安·弗羅梅爾特, 卡爾·英格斯特 申請人:西格里碳素歐洲公司