DE3007097C2

DE3007097C2 - Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit einer hochgenauen Oberfläche

Info

Publication number: DE3007097C2
Application number: DE19803007097
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Georg Dipl.-Ing. 8000 München Grimm; Rudolf Ing.(Grad.) 8012 Riemerling Schindler
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1980-02-26
Filing date: 1980-02-26
Publication date: 1982-05-19
Also published as: DE3007097A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit einer hochgenauen Glasoberfläche, bestehend aus einem entsprechend der geforderten Festigkeit und Steifigkeit des Bauteils dimensionierten Trägerplatte aus Faserverbundwerkstoff und einer mit dieser durchgehend fest verbundenen, zumindest örtlich dünnwandigen, mit der hochgenauen Glasoberfläche versehenen Glasschicht.

Es ist bekannt (US-PS 39 12 380 und 40 35 065), Bauteile dieser Art, wie -,ie etwa als Teleskopspiegel mit mehreren Metern Durchmesser Verwendung finden, vor allem aus Gewichtsgründen als Hybrid-Leichtbauteile mit einer tragenden Faserverbundstruktur und einer auf diese flächig aufgeklebten, strahlungsreflektierenden Metall, — im Hinblick auf eine hohe thermische Formbeständigkeit und hinsichtlich Rauhtiefe und Welligkeit hochgradige Oberflächengenauigkeit zumeist aber Glasschicht in der Weise herzusteilen, daß zunächst die Faserverbund-Trägerplatte vorgefertigt und an ihrer zu beschichtenden Vorderseite auf die gewünschte Form der Glasoberfläche gebracht und anschließend die entsprechend vorbearbeitete Glasschicht — ggfs. unter zwischenlage einer elastischen Isolationsschicht — mit der Trägerplatte flächig verklebt wird. Diese bekannten Verfahren aber sind fertigungstechnisch kompliziert, da sowohl die Trägerplatte als auch die Glasschicht vor der Verklebung einer genauen Vorbearbeitung bedürfen, und vor allem

ίο kommt es auf Grund unvermeidbarer Schwankungen in der Dicke der Klebe- und/oder Isolationsschicht zu Verformungen der dünnwandigen Glasschicht, so daß die Oberflächengenauigkeät der so hergestellten Bauteile begrenzt ist

Aufgabe der Erfindung ist es, das Herstellungsverfahren der beanspruchten Art so auszugestalten, daß trotz einer fertigungstechnischen Vereinfachung eine wesentlich exaktere Fixierung der Glasschicht auf der tragenden Fasei Verbundstruktur und eine deutlich verbesserte Formhaltigkeit der Glasoberfläche erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst.

Durcn das Auflaminieren und Aushärten der Faser-Verbundstruktur unmittelbar auf einem zunächst noch unbearbeiteten Glasrohling entfällt erfindungsgemäß einerseits ein umständliches Vorformen der Trägerplatte und andererseits eine komplizierte Handhabung der dünnwandigen Glasschicht im bruchgefährdeten Zustand; vielmehr wird der Glasrohling erst nach dem Verbinden mit der Trägerplatte zu einer dünnwandigen Glasschicht mit der gewünschten Oberflächenform abgearbeitet. Zusätzlich zu der fertigungstechnischen Vereinfachung wird durch diese Maßnahmen zwischen der Glas- und der Faserverbundstruktur eine innige, feste Haftung ohne Zwischenlage einer besonderen Klebe- oder Isolationsschicht und eine derart sichere, störunanfällige Verbindung erreicht, daß sich nach dem Aushärten des Faserverbundwerkstoffs die Glasschicht

ίο mit einer hochgradigen Oberflächengenauigkeit herstellen läßt und ihre Formhaltigkeit auch nachträglich etwa unter dem Einfluß mechanisch oder thermisch bedingter Fremdeinwirkungen nicht verliert.
Vorzugsweise findet das Bauteil nach der Erfindung als Teleskopspiegel Verwendung und wird gemäß Anspruch 2 auf der bearbeiteten Glasoberfläche strahlungsreflektierend ausgebildet.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird der Glasrohling gemäß Anspruch 3 annähernd der Form der Glasoberfläche entsprechend vorgeformt, so daß die Glasschicht im fertigen Bauteil durchgehend dünnwandig ausgebildet ist und die Faserlagen der Faserverbundstruktur in festigkeitsmäßig günstiger Weise im wesentlichen parallel zur Glasoberfläche verlaufen.

Um die Formhaltigkeit des Bauteils unter Berücksichtigung von Temperaturschwankungen zu verbessern und thermisch bedingte Spannungen zwischen der Glasschicht und der Faserverbund-Trägerplatte weitgehend auszuschalten, wird gemäß den Ansprüchen 4 und 5 zweckmäßigerweise für die Tragplatte ein Faserverbundwerkstoff und für die Glasschicht eine Glassorte gewählt, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten möglichst gering und gleich groß sind, wobei sich

t>5 Carbonfasern für den Faserverbundwerkstoff und Glaskeramik für die Glasschicht als in dieser Hinsicht sehr günstig erwiesen haben.

Gemäß Anspruch 6 werden in besonders bevorzugter

Weise Lager- bzw. Krafteinleitungselemente des Bauteils beim Auflaminieren der Faserverbundstruktur gleich in diese mit-einlaminiert, wodurch eine weitere wesentliche Fertigungsvereinfachung erreicht wird.

Im Hinblick auf das anisotrope Festigkeits- und Steifigkeitsverhalten von Faserverbundwerkstoffen haben die Verstärkungsfasern gemäß -Anspruch 7 eine sich kreuzende Faserorientierung, wodurch die Steifigkeit des Bauteils in Richtung der aus dem Eigengewicht und den Trägheitskräften resultierenden Hauptbelasiungen weiter verbessert wird.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Schnitt eines Bauteils nach der Erfindung während des Aushärtens; und

Fig.2 eine der Fig. 1 entsprechende Schnittdarstellung nach der Fertigstellung des Bauteils.

Zur Herstellung eines als Teleskopspiegel 2 ausgebildeten Bauteils wird zunächst ein Glasrohling 4 aus Glaskeramik vorgefertigt, dessen Rückseite 6 annähernd der gewünschten Form der Glasoberfläche 8 des fertigen Bauteils (F i g. 2) entsprechend vorgeformt ist, jedoch die üblichen, fertigungsbedingten Ungenauigkeiten und Oberflächenrauhigkeiten aufweist, wie dies in F i g. 1 durch die unregelmäßige Kontur der Rückseile 6 des Glasrohlings 4 der Deutlichkeit halber stark übertrieben dargestellt ist. Auf die evtl. chemisch gereinigte, im übrigen aber unbearbeitete Rückseite 6 wird eine Faserverbund-Trägerschicht 10 auflaminiert, die aus eirer Vielzahl von übereinander liegenden, parallel zur Rückseite 6 des Glasrohlings 4 verlaufenden Faserlagen besteht. Die Schichtdicke der Trägerschicht 10 wird entsprechend der geforderten Festigkeit und Steifigkeit des fertigen Bauteils dimensioniert und beträgt für einen Teleskopspiegel von z. B. 2 m 0 etwa 15 —20 cm. Die einzelnen Faserlagen haben eine sich kreuzende Faseranordnung und/oder die Faserorientierung ändert sich von Faserlage zu Faserlage, so daß die Verstärkungsfasern in der Trägerschicht 10 multidirektional zueinander verlaufen. Als Verstärkungsfasern werden Carbonfasern gewählt, so daß der Faserverbundwerkstoff annähernd den gleichen, extrem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der aus Glaskeramik bestehende Glasrohling 4 hat. In die letzten Faserlagen der Trägerschicht 10 werden zunächst noch unverbohrte Lager- und Krafteinleitungselemente 12, 14 miteinlaminiert, über die der fertige Teleskopspiegel 2 dann später mit dem (nicht gezeigten) Stütz- und Antriebsmechanismus des Spiegelteleskops verbunden wird.

Unter Wärmeeinwirkung bei etwa 12O⁰C für ca. 1—2 h und bei kleineren Teleskopspiegeln auch noch zusätzlich unter Druckeinwirk.ung wird die Epoxidharzkomponente der Faserverbundschicht 10 auf dem Glasrohling 4 in einem in F i g. 1 schematisch dargestellten Ofen 16 ausgehärtet, wobei sich die Faserverbundschicht 10 fest mit der Rückseite 6 des Glasrohlings 4 durchgehend flächig verbindet.

Nach dem Abkühlen werden die Lager- und Krafteinleitungselemente 12,14 nach einem vorgegebenen Bohrmuster verbohrt (F i g. 2), und diese Bohrungen dienen bei der anschließenden Formgebung der Glasoberfläche 8 als Bezugspunkte. Das Einarbeiten der Glasoberfläche 8 von der Vorderseite des Glasrohlings 4 aus erfolgt durch einen Schleif-, Polier- oder ähnlichen Glasbearbeitungsvorgang, durch den die gewünschte Oberflächenform, etwa die kalottenförmig-konkave Raumform der gezeigten Glasoberfläche 8, mit hoher Genauigkeit und einer minimalen Rauhtiefe (etwa 0,01 μηι) hergestellt wird. Die Glasoberfläche 8 wird soweit in den G'asrohling 4 eingearbeitet, daß die Faserverbundschicht 10 nur noch von einer dünnwandigen, geschlossenen Glasschicht 18 bedeckt ist. Die Dicke der verbleibenden Glasschicht 18 hängt von der erzielbaren Genauigkeit der vorgeformten Glasrohling-Rückseite 6 ab und kann örtlich unter 1 mm liegen.
Die Glasoberfläche 8 wird anschließend etwa durch

JO Aufdampfen oder Aufsputtern eines extrem dünnen Metallfilm:: 20 (dessen Dicke in F i g. 2 der Deutlichkeit halber stark übertrieben dargestellt ist) in üblicher Weise verspiegelt.

Der beschriebene Teleskopspiegel 2 bringt gegen-

Ji über den herkömmlichen Massivglasspiegeln, die bei einem Spiegeldurchmesser von 2 m ein Eigengewicht von etwa 3 to haben, eine Gewichtsersparnis von mehr als 50 bis zu annähernd 75%, was zum einen auf das im Vergleich zu Glas geringere spezifische Gewicht von

•»ο Faserverbundwerkstoff und zum anderen darauf zurückzuführen ist, daß Faserverbundwerkstoff, und insbesondere Carbon-Faserverbundwerkstoff, eine weit höhere Festigkeit als G'as besitzt und sich daher bei entsprechender Dimensionierung der Trägerschicht 10 auch die Gesamtdicke des erfindungsgemäß hergestellten Teleskopspiegels 2 gegenüber einem reinen Glasspiegel gleicher Festigkeit und Steifigkeit merklich verringert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit einer hochgenauen Glasoberfläche, bestehend aus einem entsprechend der geforderten Festigkeit und Steifigkeit des Bauteils dimensionierten Trägerplatte aus Faserverbundwerkstoff und einer mit dieser durchgehend fest verbundenen, zumindest örtlich dünnwandigen, mit der hochgenauen Glasoberfläche versehenen Glasschicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserverbundwerkstoff der Trägerplatte im ungehärteten Zustand auf die Rückseite eines Glasrohlings auflaminiert und nach dem Aushärten des Faserverbundwerkstoffs der mit der Trägerplatte unmittelbar flächig verbundene Glasrohling auf der Vorderseite bis auf die gewünschte Form der Glasoberfläche abgearbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasoberfläche nach der Oberflächenbearbeitung strahlungsreflektierend ausgebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasrohling auf der Rückseite vor dem Auflaminieren des Faserverbundwerkstoffs annähernd der Form der Glasoberfläche entsprechend vorgeformt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Faserverbundwerkstoff der Trägerplatte als auch das Glas geringe, nahezu gleich große thermische Ausdehnungskoeffizienten haben.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für den Faserverbundwerkstoff Carbonfasern und für den Glasrohling Glaskeramik verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auflaminieren der Faserverbund-Trägerplatte in diese Lager- und/oder Krafteinleitungselemente mit einlaminiert werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte aus mehreren Faserlagen mit multidirektionaler Faserorientierung aufgebaut wird.