DE2021347C2

DE2021347C2 - Verfahren zur Herstellung langgestreckter, faserverstärkter Verbundkörper

Info

Publication number: DE2021347C2
Application number: DE2021347A
Authority: DE
Inventors: Walter Guillam Farnborough Hampshire Molyneux; William East Kilbridge Glasgow Paton
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1969-04-30
Filing date: 1970-04-30
Publication date: 1984-08-16
Also published as: JPS5424439B1; DE2021347A1; FR2040503A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art, wie es aus der US-PS 28 52 424 bekannt ist.

Die Erfindung ist besonders auf Verbundkörper anwendbar, bei denen die Verstärkung aus großen Faserlängen besteht, vor allem unter Verwendung von Kohlefasern wegen deren hoher Festigkeit in Verbindung mit geringem Gewicht; jedoch ist festzustellen, daß das Verfahren gemäß der Erfindung auch auf die Herstellung von Verbundkörpern mil anderen Faserarten anwendbar ist. Wie in der GB-PS 11 10 791 offenbart ist, lassen sich Kohlefaserstränge mit hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul herstellen, deren Verwendung als Verstärkung zu Verbundkörpern mit besonders hohem Verhältnis der Festigkeit zum Gewicht führt, das weit höher als das von Homogenmaterialien, wie z. B. festem Metall ist.

Bei dem Verfahren nach der US-PS 28 52 424 wird als Mantel vorzugsweise ein Rohr aus Vinylkünststöffmalerial und aligemein jedem flexiblen, elastischen Material verwendet Beim Einbringen des bindemittelhaltigen Faserverstärkungswerkstoffs in das Rohr genügt es, die Poren im Verstärkungsmaterial im wesentlichen zu füllen. Nach dem Einbringen wird das gefüllte Rohr zur Hersteilung einer wendeiförmigen Feder verformt, danach das Bindemittel ausgehärtet und schließlich das

ίο Rohr von der Verbundkörperfeder entfernt Durch diese Verfahrensweise ist nicht sichergestellt daß der Verbundkörper porenfrei ist.

Aus der DE-AS 11 67 514 ist es bekannt, kunstharzgetränkte Faserstränge oder Gewebebänder, besonders

is Glasfasern, im Spritzkopf eines Extruders kontinuierlich mit thermoplastischer Kunststoffschmelze zur Bildung einer Hülle zu überziehen.

Die DE-OS 18 01 709 beschreibt ein Verfahren, nach dem ein insbesondere Glasfaden- oder -fasennaterial mit einem härtbaren Harz imprägniert wird und das imprägnierte Material in eine biegsame Folie gewickelt wird, deren Ränder verschlossen werden, wonach man die Folie schrumpfen läßt

Aus der US-PS 26 94 661 ist es bekannt eine fascrverstärkte Stange aus Fasern und Harz mit einem hitzczersetzbaren elastischen Formmaterial zu umgeben, das beim Aushärten des Harzes schrumpft und nach dessen Aushärten zersetzt'wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs vorausgesetzten Art so zu verbessern, daß ein praktisch porenfreier Verbundkörper verbesserter mechanischer Eigenschaften gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs I gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Durch Einbringen des mit Bindemittelüberschuß versehenen Faserverstärkungswerksi">ftes unter Druckerzeugung in den stabil dimensionierten Manteihohlruum und wenigstens teilweise Aushärten des Bindemittels unmittelbar danach bleiben praktisch keine Poren im Verbundkörper, so daß verbesserte mechanische Eigcnschäften erhältlich sind.

Der beim Einführen der imprägnierten Fasern in den begrenzten Raum innerhalb des Mantels ausgeübte Druck wird ausgenutzt, um einen Teil des Harzes herauszudrücken, wodurch Faservolumenanteile im Bereich von 35 bis 70% und mehr erreichbar sind.

Ein innerer Kernkörper kann zusammen mit den Fasern in den Mantel eingeführt werden, und die mit Harz imprägnierten Fasern können wenigstens teilweise den inneren Kernkörper umhüllen und den Raum zwischen diesem und dem Mantel ausfüllen.

Die Fasern bzw. diese und der innere Kernkörper können in den Mantel hineingedrückt oder hineingezogen werden.

Der Mantel muß aus einem Material sein, das gegcnüber der zum Aushärten des Harzes erforderlichen Hiize beständig ist. Einige Harze können durch Zugabe eines Härtemittel/Beschleunigers gehärtet werden, und der Mantelwerkstoff muß auch gegenüber diesen Zusätzen und natürlich gegenüber dem Harz beständig sein.

b5 So besteht Metall, obwohl normalerweise aus Metall, und zwar möglichst duktilem Metall, wie z. B. Aluminium oder Stahl, wahlweise auch aus einem geeignetem Kunststoff; als Bindemittel geeignet sind z. B. Epoxy-,

Polyester-, Phenol-, Polyimid- und Furanharze.

Der Mantel kann von jeder gewünschten Form, möglicherweise konisch oder abgestuft und von bestimmter Länge sein, doch lassen sich auch erhebliche Längen des Verbundkörpers herstellen, so daß davon kürzere Langen nach Wunsch abgeschnitten werden können.

Der gemäß der Erfindung hergestellte Verbundkörper hat einen Bereich von mechanischen Eigenschaften, die in weitem Maße von der besonderen jeweils verwendeten Faser -utid dem Volumenanteil der Fasern im Verbundkörper abhängen.

Die Festigkeit und Steifheit in der Hauptrichtung gemäß der Faserrichtung sind in einseitig gerichteten Verbundkörpern hoch, in anderen Richtungen fallen diese Eigenschaften schnell ab, z. B. sind die Torsions-, Scher- und Quereigenschaften im Verhältnis zu den Axialeigenschaften niedrig. Dieser hohe Grad von Anisotropie begrenzt die Verwendung von Kohlefasern in solchen Fällen von Formerfordernissen, in denen trotz einer gut definierten Hauptbelastungsrichtung noch gewisse Mindestsekundärfestigkeitseigenschaften erfüllt werden müssen. Zum Beispiel ist bei einem hohlen Querschnitt die Hauptaufgabe, Zug- oder Druckbelxstungen zu übertragen, doch muß in den meisten praktischen Fällen der Körper zustätzlich geeignet sein, auch einige Torsions-, Scher- oder lokale Querkräfte aufzunehmen.

Wegen ihrer außergewöhnlichen Festigkeits-Gewichts-Eigenschaften sind Kohlefasern bei der Herstellung der Verbundkörper gemäß der Erfindung besonders nützlich: es versteht sich jedoch, daß die Erfindung auf die Verwendung dieser Kohlefasern nicht beschränkt ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verbundkörper genügt es, wenn der Mantel nicht mehr als 25% des Gesamtquerschnitts des Verbundkörpers nimmt, besonders wenn der Mantel aus Metall ist. Wenn der Mantel jedoch aus Kunststoff besteht, wird er einen größeren Querschnittsflächenanteil einnehmen.

Der Zweck des Mantels ist, einige Verbesserungen der Quer-, Abscher- und Torsionsfestigkeit des Quer-Schnitts zu bringen, in welcher Hinsicht die Fasern, wie erwähnt, verhältnismäßig geringe Festigkeit haben. Der Mantel fördert auch die Verteilung stark lokalisiert einwirkender Kräfte, kann jedoch auch als Schutzmantel bei Anwendungen dienen, wo z. B. Erosion ein Problem ist. Die Unterbringung der faserverstärkten Matrix innerhalb eines deformierbaren Mantels ermöglicht außerdem Verformungsvorgänge, wie z. B. Biegen oder Umformung in einer Form vor dem Endaushärten. Der verformbare Mantel kann dünn- oder dickwandig sein. Der dünnwandige Mantel kann Stützmittel während des Einführungsvorganges der imprägnierten Fasern benötigen, wobei seine Primärfunktion die Bildung des Mantels ist. Der dickwandige Mantel kann selbsttragend während des Einführungsvorganges sein. Der Mantel kann, wenn erwünscht, nach dem Formen und Aushärten entfernt werden.

Der Harz-Faser-Teil des Verbundkörpers kann einem Vcrformvorgang, wie z. B. Ziehen durch fine Schablone unterworfen werden, um ihn leichter in einen bestimmt t>o gestalteten Mantel einziehbar zu machen.

Der Mantel kann jeden gewünschten Querschnitt aufweisen.

Die Erfindung liefert ein bequemes Verfahren zur Formung eines Tennisschlägers oder dergleichen. Der t>5 gefüllte Mantel kann von einer Länge sein, damit aus ihm wenigstens ein Teil des Schlägerkopfes sowie Teile des Griffes hergestellt werden können; man läßt vorzugsweise den Mantel am Platz, um die Anbringung der Saiten zu erleichtern.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin veranschaulichen

F i g. 1 und 2 die Form zu Herstellung eines Verbundkörpers von »L«-Fonn;

F i g. 3a und 3b Beispiele für die Verbundkörper;

F i g. 4,5,6,7,8 Ausführungsformen für den Mantel;

F i g. 9 und 10 die Einzelteile zur Herstellung eines in F i g. 8 gezeigten Mantels;

Fig. 11 ein Verfahren zum Einziehen der Fasern in den Mantel;

Fig. 12 und 13 Verbundkörper mit verschiedenen Querschnitten;

F i g. 14 einen fertigen Tennisschläger;

F i g. 15 eine Ansicht in Richtung der Pfeile X, X nach F ig. 14.

In der Zeichnung zeigt Fig. 1 die Herstellung eines Verbundkörpers in Form eines »L«, doch versteht es sich, daß ähnliche Betrachtungen auch für die Herstellung von. »Z«-, »I«-, »T«- und »Hut«-ig<ierschnitten gelten.

In F i g. 1 ist ein Mantel 9 von 1,22 m Länge aus Aluminium nach einem herkömmlichen Blechveriirbeitungsverfahren dargestellt. Dieser Blechmantel 9 wird in der im Querschnitt gezeigten Einspannvorrichtung gehalten. Die Unterform 1 aus Winkelmaterial ist auf einem Asbestbasis-Träger 2 montiert und enthält Bandheizgeräte 3 zum Zweck der Wärmehärtung des Verbundkörpers in situ. Die Druckplatte 4 ist in einer Reihe von Belastungspunkten längs ihrer Länge über Druckpolster 5 belastet. Eine Kraft kann auf diese Polster abwechselnd längs der Länge durch Bolzen 6 (Fig. 1) oder durch einen Gewichtskolben 7 (F i g. 2) einwirken. Diese letztere Belastungsmethode macht es möglich, den Verbundkörper während des Aushärtens unter konstantem Druck zu halten, um Harzschrumpfeffekte zu vermeiden, während das erstere Verfahren sichert, daß die Mantelform ohne Verzerrung während des Zieiiprozesses beibehalten wird. Anschläge 8 schaffen eine Möglichkeit der Abmessungskontrolle.

Um die Fasern in den Mantel einzuziehen, ist es erforderlich, die Faserstrangenden in der Gestalt der Formmündung unter Einführung eines kleinen Haitehakens zu imprägnieren und zu härten. Dies wird in einer einfachen Form unter Verwendung eines schnell härtenden Harzes vorgenommen.

Vor dem Ziehvorgang werden die Fasern, in diesem Fall 200 Stränge (1 Strang = 10 000 Fasern) sorgfältig in einem (kalthärtenden) Epoxyharzbad mit Hilfe einer kleinen Walze angefeuchtet. Das angefeuchtete Bündel wird dann durch die Form und in den Mantel 9 eingezogen, in welchen vorher etwas Epoxyharz eingeführt ist, um eine Schmierung zu schaffen und Lufteinschlüsse zu vermeiden.

Eine angenäherte Dimensionskontrollc in diesem Stadium wird durch Voreinstellen der Bolzen 6 erreicht. Wenn der Einziehvorgang vollendet ist, läßt man einen mäßigen Druck lär.gs der Ausdehung der Druckplatte 4 durch weiteres Anziehen der Bolzen 6 einwirken. Der Körper wird dann nach Zeitplan mit Hilfe der Banderhitzer 3 gehärtet. Alternativ läßt sich die Belastung auch mittels der Gewichtbelastung gemäß F i g. 2 erreichen.

Die Durchführung des Verfahrens auf andere Querschnittypen erfordert lediglich den Ersatz der genannten Einheit durch eine andere Formdruckplatten-Einheit. Das Verfahren ist jedoch auf die Erzeugung flacher

und runder Stäbe anwendbar. Kompliziertere Teile, wie z. B. Turbinenschaufeln, erfordern eine detaillierte Abänderung, doch wären die gleichen Prinzipien anwendbar.

F i g. 3a, 3b erläutern die Anwendung der Erfindung auf die örtliche Verstärkung von Flanschen an Trägern. F i g. 3a zeigt das Endprodukt eines Verfahrens, bei dem ein I-Querschnittstab vorgesehen wird, an dem die beiden Flanschen Vertiefungen aufweisen; der Querschnitt kann z. B. durch Gießen oder Extrusion oder auch aus Metallblech und -band erzeugt werden. Die Metalloberfläche wird zum weiteren Verfahren vorbereitet, und die Hohlräume werden durch Pla.tten geschlossen; in einer der oben beschriebenen ähnlichen Weise werden imprägnierte Fasern in die so gebildeten Hohlräume eingeführt. Wenn das Harz ausgehärtet ist, kann man die Platten entfernen, nachdem die Innenoberflächen der Platten gegebenenfalls so behandelt wurden, daß ein Haften am Harz vermieden! wird. Die Endprodukte zeigt F i g. 3a. wo die Teile 116 die Verstärkungen aus Kohlefaser/Harz-Verbundkörper darstellen.

Die Art der Herstellung eines Profils der in Fig. 3b dargestellten Gestalt ist klar; es können zwei Metallquerschnitte, wie sie sich extrudieren oder aus Metallblech herstellen lassen, verwendet werden, oder man kann eine Einzelextrusion mit dem gleichen oder einem ähnlichen Gesarntquerschnitt vornehmen.

Um eine Einheit herzustellen, deren Hauptzweck die Übertragung axialen Zuges oder Druckes ist, lassen sich die in den F i g. 4 bis 7 erläuterten Mantel anwenden.

In Fig.4 ist ein innengeripptes Rohr 17 vorgesehen; imprägnierte Fasern werden in die vier Hohlräume 18 eingezogen, die zwischen einem entnehmbaren Kernkörper 19 und dem Rohr 17 zwischen den jeweiligen Rippen gebildet sind; der Kernkörper 19 wird nachher herausgezogen; alternativ könnte der Kern 19 ein dünnwandiges Rohr sein und braucht nicht entfernt zu werden, doch kann im letzteren Fail der innere Raum mit einem Kern 19, vorzugsweise geringer Dichte, wie z. B. Polyurethanschaum, gefüllt werden.

In einer Variante kann der Kern 19 aus einem Material mit niedriger Dichte bestehen, das in den Hohlraum oder die Hohlräume während der Herstellung eingezogen wird; dieses Kernmaterial muß nach Bildung des Verbundkörpers nicht entfernt werden.

In F i g. 5 besteht der Mantel aus einem äußerlich gerippten Rohr 20, das sich in einem äußeren Hüllrohr 21 befindet. Ein solcher Querschnitt läßt sich indessen auch in einem Stück, z. B. durch Extrusion erzeugen, wie es bei der Form, die in Fig.6 erläutert ist. der Fall ist, wobei die verhäi'nismäßig dicken Wände eines Rohres in getrennten Zonen 22 hohl sind, um den Faserharzverbund aufzunehmen.

In der alternativen Form gemäß F i g. 7 werden zwei Rohre 23, 24 durch ein drittes, gewelltes Rohr 25 im Urnfangsabstand gehalten, das nicht notwendigerweise ringsum zusammenhängend sein muß. Einige der so gebildeten Räume oder auch alle diese Räume können mit dem Faserharzverbund gefüllt werden.

Bei den rohrförmigen Verbundkörpern gemäß F i g. 4 bis 7 ist, während der Faserharzverbund die Funktion der Zug- oder Druckfestigkeit erfüllt, der Metallmantel so ausgelegt, daß er die sekundären Beiastungserfordernisse, wie z. B. Torsions- oder Querbelastung, z. B. aufgrund von Innendruck, erfüllt-

Noch ein weiterer alternativer Aufbau ist in F i g. 8 erläutert, und dieser Aufbau wird aus zwei extrudierten Teilen gefertigt, wie sie in den Fig.9 und 10 gezeigt sind. Das Herstellungsverfahren ist dem im Zusammenhang mit F i g. 5 beschriebenen ähnlich und braucht nicht im einzelnen erläutert zu werden. Dieser Körper soll hauptsächlich axiale, jedoch in diesem Fall auch größere Quer- und Torsionsbelasiungen aufnehmen. Das bei diesem Querschnittstyp angewendete Prinzip ist der weiteslmögliche Ersatz, von Metall im Querschnitt durch Kohlefascrverbundkörpcr in der Weise, daß das verbliebene Metall die sekundären Bclastungserfordcrnisse erfüllen kann. Ks ist möglich, bis /u 70% der Querschnittsfläche eines Körpers von ahnlichen Gesamtquerschnittsabmessungcn durch Kohlcfaservcrbundwerkstoff zu ersetzen und beachtliche Sekundiirbelastungscigenschaflcn zu erzielen. Dadurch läßt sich eine Gewichtsersparnis von angenähert bO^u/o erzielen, während die Axialeigenschaften des Querschnitts beibehalten bleiben.

In F i g. 11 werden ein durch eine Wenclelwirkung aus Stahlfederdraht 27 verstärkter Kern 26 aus Polymerwerkstoff und eine Anzahl von Kohlefsssrs'.rängen 28. die vorher in einem Bad mit (kalthärtendem) Epoxyharz angefeuchtet wurden, durch Löcher in einer Platte 29 geführt und dann in einen verformbaren rohrförmigen Polyäthylenmanlei 30 eingezogen, in den vorher etwas Epoxyharz eingeführt wurde, um eine Schmierung zu ermöglichen und Lufteinschlüsse zu vermeiden. Der Polyäthylenmantel 30 hat eine Wanddicke von 0,25 mm und wird während des Einziehvorganges innerhalb eines rohrrormigen Metallträgers 31 gehalten.

In Fig. 12 besteht der Mantel aus extrudiertem deformierbarem Nylon 32 von Rechteckquerschniti mit drei Längshohlräurnen. Mit Epoxyharz angefeuchieic Kohlefasern werden in die beiden Außenhohlriiume 33 eingezogen, und der Mittelhohlraum 34 wird mit Schaumpolymer gefüllt.

In Fig. 13 ist der Mantel ein dünnwandiges deformierbares Polyäthylenrohr 35. Extrudiertcs deformierbares Nylon 36 wird in das Rohr 35 eingepaßt und ist so geformt, daß sechs Längshohlräume innerhalb des Rohres gebildet werden. Dann werden mit Epoxyharz angefeuchtete Kohlefasern in die sechs Hohlräume 37 eingezogen.

Ein Doppelschafi-Tennisschläger wird nach Fig. 14 hergestellt, indem man vorher in einem Epoxyharz angefeuchtete Kohlefasern in einen dünnen deformierbaren thermoplastischen Mantel einzieht und dann unter Verwendung von Stahlformen den verformbaren gefüllten Mantel vor dem Endaushärten zur Gestalt eines Schlägerkopfes 38 und zweier Schäfte 39 formt. Die Abmessungen des Querschnitts des Kopfes werden durch die Gestalt der Formen bestimmt, die ihrerseits durch die Belastungsanforderungen bestimmt werden, die beim Gebrauch des Schlägers erfüllt sein müssen. Der Griffquerschnitt besteht an einem Verbund aus Kohlefaserverbundkörper 40, Holz 4t und Kohlefascrverbundkörper40, wie in Fig. 15 dargestellt ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

. · "Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines langgestreckten Verbundkörpers, bestehend aus einem Mantel mit darin angeordnetem, mit härtbarem Bindemittel versehenen Faserverstärkungswerkstoff, wobei man den bindemittelhaltigen Faserverstärkungswerkstoff durch eine Einführöffnung längs in den Mantel einbringt und das Bindemittel wenigstens teilweise aushärtet, dadurch gekennzeichnet, daß man den mit Bindemittelüberschuß versehenen Faserverstärkungswerkstoff unter Druckerzeugung in einen stabil dimensionierten Mantelhohlraum einführt und unmittelbar danach das Bindemittel wenigstens teilweise aushärtet

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in den Mantel vor dem Einführen des Faserverstärkungswerkstoffs zusätzliches Bindemittel einbringt

3. Verfajjr»n nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man beim Einführen des Faserverstärkungswerkstoffs und des Bindemittels in die Manteieinführöffnung einen Teil des Bindemittels ausquetscht

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß irian den Faserverstärkungswerkstoff wendelförmig in den Mantel einführt

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den Faserverstärkungswerkstoff unter Relativrotation zwischen dem Mantel einerseits und dem FaservcrstärkKngswerkstoff andererseits in den Mantel einführt

6. Verfahren nach einem d^- Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man den teilweise gehärteten Verbundkörper vor dem vollständigen Aushärten des Bindemittels in eine Endgestalt verformt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den aus sich nicht mit dem Faserverstärkungswerkstoff verbindenden Material bestehenden Mantel vom vollständig abgehärteten Verbundkörper entfernt.

8. Verwendung von Kohlefasern für wenigstens einen Teil des Faserverstärkungswerkstoffs im Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 7.