DD290254A5 - MASS, SHAPE AND POSITIONING COMPOSITIONS FROM FIBER COMPOSITES - Google Patents

MASS, SHAPE AND POSITIONING COMPOSITIONS FROM FIBER COMPOSITES Download PDF

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DD290254A5 DD33522589A DD33522589A DD290254A5 DD 290254 A5 DD290254 A5 DD 290254A5 DD 33522589 A DD33522589 A DD 33522589A DD 33522589 A DD33522589 A DD 33522589A DD 290254 A5 DD290254 A5 DD 290254A5
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fiber
shape
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lageverkörperungen
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DD33522589A
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Inventor
Sigfrid Kaufmann
Lothar Lauck
Original Assignee
Hochschule Fuer Verkehrswesen "Friedrich List" Dresden,De
Veb Waggonbau Ammendorf,De
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Abstract

Die Erfindung betrifft Masz-, Form- und Lageverkoerperungen aus Faserverbundwerkstoffen, die vorzugsweise unter Verwendung von Kohlenstoff- und/oder Aramidfasern fuer grosze Laengen hergestellt sind. Ziel der Erfindung ist es, die Maszkonstanz dieser Pruefmittel auch unter unguenstigen Umweltbedingungen zu gewaehrleisten; dabei steht die Aufgabe, die Aufnahme von Feuchtigkeit in den Faserverbund auszuschlieszen. Erfindungsgemaesz werden die Masz-, Form- und Lageverkoerperungen mindestens hinsichtlich ihrer der Atmosphaere zugaenglichen Oberflaeche mit einer diffusionssperrenden Schicht versehen Schicht versehen. Solche Schichten koennen Metallfolien, aufgedampfte Metalle, Glas, Keramik, Wachs und bezueglich ihrer Wirkung vergleichbare Materialien sein. Anwendungsbeispiele der Erfindung sind Traegerelemente fuer Meszgeraete, geodaetische Meszlatten, Endmasze, Stufenendmasze und Pruefkoerper fuer Meszmaschinen, Lehren, flexible Maszstabtraeger und in Maschinen implizierte Maszverkoerperungen.{Faserverbundwerkstoff; Kohlenstoffaser; Aramidfaser; grosze Laengen; unguenstige Umweltbedingungen; diffusionssperrende Schicht; Metallfolien; aufgedampfte Metalle; Glas; Keramik; Wachs}The invention relates to Masz-, form and Lageverkoerperungen of fiber composites, which are preferably prepared using carbon and / or aramid fibers for large amounts. The aim of the invention is to ensure the consistency of Maszkonstanz this test even under unfavorable environmental conditions; The task is to exclude the absorption of moisture in the fiber composite. According to the invention, the composition, shape and positional composites are provided with a layer providing a diffusion-blocking layer, at least with regard to their surface accessible to the atmosphere. Such layers may be metal foils, vapor deposited metals, glass, ceramics, wax, and comparable materials in their effect. Examples of applications of the invention are tracer elements for measuring devices, geodesic measuring plates, endmasks, step endmasks and test elements for measuring machines, gauges, flexible stripper carriers and masonry implements implied in machines. {Fiber composite material; carbon fiber; aramid fiber; large lengths; unfavorable environmental conditions; diffusion barrier layer; Metal foils; vapor-deposited metals; Glass; ceramics; Wax}

Description

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, die Aufnahme von Feuchtigkeit in Faeerverbundwerkrtoffe auszuschließen. Erfindungsgemäß werden Maß-, Form- und Lageverkörperungen aus Faserverbundwerkstoff mindestens hinsichtlich ihrer der Atmosphäre zugänglichen Oberfläche mit einer diffusionssperrenden Schicht versehen. Solche Schichten können Metallfolien, aufgedampfte Metalle, Glas, Keramik, Wachs und bezüglich ihrer Wirkung vergleichbare Materialien sein. Die aufgebrachten Schichten weisen, bevorzugt eine zur Grundstruktur vergleichsweise geringe Dicke auf, so daß ihr Einfluß auf dessen LTK vernachlässigbar ist. Ist das technologisch nicht möglich bzw. nicht zweckmäßig, ist der LTK des Faserverbundwerkstoffes durch Variation des Faserund Matrixmaterials in bekannter Weise so zu gestalten, daß der LTK ag„ der erfindungsgemäßen Maß-, Form- und Lageverkörperung dem gewünschten Wert, bevorzugt Null, entspricht.The object of the invention is to exclude the absorption of moisture in Faeerverbundwerkstoff. According to the invention, dimensional, shape and positional embodiments of fiber composite material are provided with a diffusion barrier layer at least with respect to their surface accessible to the atmosphere. Such layers may be metal foils, vapor-deposited metals, glass, ceramics, wax and materials comparable in their effect. The applied layers preferably have a thickness that is comparatively small compared to the basic structure, so that their influence on its LTK is negligible. If this is technologically not possible or not appropriate, the LTK of the fiber composite material is to be designed in a known manner by varying the fiber and matrix material such that the LTK a g "of the dimensional, shape and positional embodiment of the invention corresponds to the desired value, preferably zero ,

Damit bietet sich der Einsatz der erfindungsgemäßen Normale in Erweiterung der bislang bekannten Anwendungen auch unter extremen Umweltbedingungen, wie sie z. B. innerhalb von eingehausten Bearbeitungszentren durch die Einwirkung von Kühlmitteln bzw. deren Sprühnebel auftreten, an.Thus, the use of the standards according to the invention in extension of the hitherto known applications, even under extreme environmental conditions, as z. B. occur within housed processing centers by the action of coolants or their spray.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.The invention will be explained below with reference to an exemplary embodiment.

Fig, 1 zeigt im Schnitt schematisch den Schichtaufbau eines Rohres aus Faserverbundwerkstoff, wie es beispielsweise als Grundkörper für Parallelendmaße für große Längen (I ä 500mm) genutzt werden kann.Fig. 1 shows in section schematically the layer structure of a tube made of fiber composite material, as it can be used, for example, as a basic body for gauge blocks for large lengths (I ä 500mm).

Die die Steifigkeit und Festigkeit sowie den L ängen-Temperatur-Koeffizienten des Rohres bestimmenden Schichten sind aus Kohlenstofffasern, Glasfasern und einer Epoxidharzmatrix nach dem Wickelverfahren hergestellt. Der Rohraußendurchmesser beträgt im Beispiel 35 mm. Die Schicht 1 stellt die Hauptschicht aus kohlenstoffaserverstärktem Plast dar (Schichtdicke ca. 3 mm). Ihr folgt nach außen hin eine Schicht 2 aus glasfaserverstärktem Plast (Schichtdicke ca. 0,5 mm), die im vorliegenden Beispiel vorrangig die Funktion einer elektrisch isolierenden Schicht zwischen den Schichten 1 und 3 (Verhinderung eines elektrochemischen Elements zwischen den leitenden Kohlenstoffasern und der äußeren Metallschicht). Die Schicht 3 stellt die eigentliche äußere, das Laminat zur umgebenden Atmosphäre hin diffusionsdicht abschließende Sperrschicht dar. Sie besteht im Beispiel aus einer 20Mm dicken Aluminiumfolie, die radial (mit einer geringen Schnittstellenüberlappung) auf der ganzen Länge um das Rohr geschalt und aufgeklebt iai. Diese Schicht kann zusätzlich entsprechend dekorativ nach außen hin gestaltet sein (eioxiert, lackiert o. ä.). Zur Verhinderung des Zutritts von Luftfeuchte von der Innenseite des Rohres her an das Laminat ist dort eine ebenfalls feuchtigkeitsdiffusionsdichte Wachsschicht von ca. 0,2 mm Dicke (Schicht 4) aufgebracht. Die vergleichsweise weiche Wachsschicht ist im vorliegenden Einsatzfall ausreichend, da von innen her keine verschleißende mechanische Beanspruchung auftritt. Durch die vergleichsweise dünnen diffusionssperrenden Schichten 3 und 4 ist der Faserverbundwerkstoff zur umgebenden Atmosphäre hin allseitig geschützt.The stiffness and strength, as well as the length-temperature coefficients of the tube defining layers are made of carbon fibers, glass fibers and an epoxy resin matrix according to the winding process. The pipe outside diameter is 35 mm in the example. Layer 1 represents the main layer of carbon-fiber-reinforced plastic (layer thickness approx. 3 mm). It follows outwardly a layer 2 made of glass fiber reinforced plastic (layer thickness about 0.5 mm), which in the present example primarily the function of an electrically insulating layer between the layers 1 and 3 (preventing an electrochemical element between the conductive carbon fibers and the outer metal layer). The layer 3 represents the actual outer, the laminate to the surrounding atmosphere towards diffusion-sealing barrier layer. It consists in the example of a 20Mm thick aluminum foil, the radial (with a small interface overlap) over the entire length around the pipe and glued iai. This layer can also be designed according to decorative outward (eioxiert, painted o. Ä.). To prevent the ingress of atmospheric moisture from the inside of the tube to the laminate there is also applied a moisture-diffusion-tight wax layer of about 0.2 mm thickness (layer 4). The comparatively soft wax layer is sufficient in the present application, since no wear-inducing mechanical stress occurs from the inside. Due to the comparatively thin diffusion barrier layers 3 and 4, the fiber composite material is protected on all sides towards the surrounding atmosphere.

Claims (4)

1. Maß-, Form- und Lageverkörperungen aus Faserverbundwerkstoffen, insbesondere unter Verwendung von Kohlenstoff- und/oder Aramidfasern, gekennzeichnet dadurch, daß der Faserverbundwerkstoff mindestens hinsichtlich seiner der Atmosphäre zugänglichen Oberfläche mit einer diffusionssperrenden Schicht versehen ist.1. dimensional, shape and Lageverkörperungen of fiber composites, in particular using carbon and / or aramid fibers, characterized in that the fiber composite material is provided at least with respect to its surface accessible to the atmosphere with a diffusion barrier layer. 2. Maß-, Form- und Lageverkörperungen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die diffusionssperrende Schicht aus leitenden Material, vorzugsweise aus Metall oder Metallverbindungen besteht.2. dimensional, shape and Lageverkörperungen according to claim 1, characterized in that the diffusion barrier layer of conductive material, preferably of metal or metal compounds. 3. Maß-, Form- und Lageverkörperungen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die diffusionssperrende Schicht aus nichtleitendem Material, vorzugsweise aus Glas, Keramik oder Wachs besteht.3. dimensional, shape and Lageverkörperungen according to claim 1, characterized in that the diffusion barrier layer of non-conductive material, preferably glass, ceramic or wax. 4. Maß-, Form- und Lageverkörperungen nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen der die Steifigkeit und Festigkeit sowie den Längen-Temperatur-Koeffizienten des Faserverbundwerkstoffes bestimmenden Schicht (1) aus kohlenstoffaserverstärktem Plast und der diffusionssperrenden Schicht (3) eine Schicht (2) aus elektrisch isolierenden Material eingefügt ist.4. dimensional, shape and Lageverkörperungen according to claim 1 and 2, characterized in that between the stiffness and strength and the length-temperature coefficient of the fiber composite material determining layer (1) made of carbon fiber reinforced plastic and the diffusion barrier layer (3) Layer (2) is inserted from electrically insulating material. Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung betrifft Maß-, Form- und Lageverkörperungen aus Faserverbundwerkstoffen, die vorzugsweise unter Verwendung von Kohlenstoff- und/oder Aramidfasern für große Längen hergestellt sind. Anwendungsbeispiele der Erfindung sind u. a. Trägerelemente für Meßgeräte, geodätische Meßlatten, Endmaße, Stufenendmaße und Prüfkörper für Meßmaschinen, Meßroboter und Werkzeugmaschinen, Lehren, flexible Maßstabträger sowie Normale in Bearbeitungszentren.The invention relates to dimensional, shape and Lageverkörperungen of fiber composites, which are preferably made using carbon and / or aramid fibers for long lengths. Application examples of the invention are u. a. Carrier elements for measuring instruments, geodetic measuring rods, gauge blocks, step gauges and test specimens for measuring machines, measuring robots and machine tools, gauges, flexible scale carriers and standards in machining centers. Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art Faserverbundwerkstoffe werden in der Fertigungsmeßtechnik beroits seit längerem für verschiedene, oft kompliziert zu fertigende Meßgeräteteile und für Hauptbaugruppen von Handmeßgeräten für große Längen eingesetzt. International durchgesetzt hatte sich z.B. das Stabmikrometer 8225 für Messungen bis zu 11500mm der Firma AB C. E. Johannson, Eskiltstuna/Schweden, dessen zigarrenförmiger Grundkörper aus glasfaserverstärktem Plast (GFP) besteht; gleichfalls aus GFP gibt es schon seit vielen Jahren Meßbänder (DD-AP30900). Seit Mitte der 70er Jahre führen sich mehr und mehr sowohl in der Fertigungsmeßtechnik als auch in der Geodäse Maßverkörperungen aus kohlenstoffaserverstärktem Plast (KFP) ein. So sind u.a. Meßgeräte für Innen- und Außenmessungen großer Längen (DD-WP 138835), ein „Multivalenter Trägerelementesatz für Handmeßgeräte großer Längen" (DD-WP 156444), Endmaße bzw. Stufenendmaße (DD-WP238665, DE-PS3806791, DE-PS3817174), „Prüfkörper für Koordinaten-Meßgeräte" (DE-PS3823684), aber auch verschiedene Meßbänder (DE-PS2950580, DD-WP250439, DD-WP248647, DD-WP263818), die KFP als hauptsächlichen Werkstoff einsetzen, bekannt. Zudem kommen Easislattan und Paßpunktsysteme als KFP-Maßverkörperungen für das Prüfen großer Bauteile mit geodätischen Meßmitteln zum Einsatz. Weiterhin gibt es einen ersten Vorschlag, den Grundkörper von Lehren, die der gleichzeitigen Maß-, Form- und Lageprüfung, wiederum bevorzugt an großen Bauteilen, dienen, unter Verwendung von KFP herzustellen. Die starren KFP-Maßverkörperungen zeichnen sich im allgemeinen durch sehr geringe Masse bei gleichzeitig hoher Steifigkeit und einen Längen-Temperatur-Koeffizienten (LTK) nahe oder gleich Null aus. Des weiteren wird, wenn die Maßverkörperung mehrteilig und aus verschiedenen Materialien ausgeführt ist, die Struktur des Verbundwerkstoffes so gestaltet, daß dessen LTK gering negativ und daraus folgend der der Gesamtkonstruktion wiederum gleich Null ist (vgl. DD-WP 238665). Der Vorteil solcher Maßverkörperungen besteht neben der hohen Maßkonstanz bei praktisch allen Umgebungstemperaturen und der damit höheren Sicherheit der Messung auch darin, daß die Messungen sofort, und nicht erst nach dem allgemein geforderten Temperaturausgleich zwischen Maßverkörperung und Prüfling (üblich: 1,5...4hl) durchgeführt werden können. Grundsätzlich analog sind die Verhältnisse bei dem Einsatz von Aramidfasern statt der bislang bevorzugten Kohlenstoffasern. Nachteil aller Faserverbiindwerkstoffe ist, daß es unter bestimmten Umweltbedingungen, namentlich bei hoher Luftfeuchtigkeit in Verbindung mit relativ hoher Temperatur, zu einer Aufnahme von Feuchtigkeit durch das Polymer (bevorzugt Epoxidharz) und durch die Verbundstruktur (in Zwischenschichten, Vakuolen u.a.) kommt. Das führt zu einer unerwünschten Quellung des Materials und ggf. zu Änderungen von Maßen und mechanischen Eigenschaften.Fiber composite materials have long been used in production metrology beroits for various, often complicated to be manufactured meter parts and main assemblies of Handmeßgeräten for long lengths. Internationally enforced e.g. the rod micrometer 8225 for measurements up to 11500mm of the company AB C. E. Johannson, Eskiltstuna / Sweden, whose cigar-shaped body consists of glass fiber reinforced plastic (GFP); also from GFP, there have been measuring tapes for many years (DD-AP30900). Since the mid-seventies more and more mass production of carbon fiber reinforced plastic (KFP) has become more and more common both in production measuring technology and in the Geodäse. So are u.a. Measuring instruments for internal and external measurements of long lengths (DD-WP 138835), a "Multivalent carrier element set for handheld measuring devices of large lengths" (DD-WP 156444), final dimensions or step gauges (DD-WP238665, DE-PS3806791, DE-PS3817174), " Specimens for coordinate measuring instruments "(DE-PS 3823684), but also various measuring tapes (DE-PS2950580, DD-WP250439, DD-WP248647, DD-WP263818), the KFP use as the main material known. In addition, Easislattan and Paßpunktsysteme are used as KFP-Maßverkörperungen for testing large components with geodetic measuring means. Furthermore, there is a first proposal to make the body of teachings, which serve the simultaneous dimensional, shape and attitude test, again preferably on large components, using KFP. The rigid KFP measuring graduations are generally characterized by very low mass with simultaneously high rigidity and a length-temperature coefficient (LTK) close to or equal to zero. Furthermore, if the material measure is made of several parts and made of different materials, the structure of the composite material is designed so that its LTK low negative and consequently the total construction is equal to zero (see DD-WP 238665). The advantage of such material measures is in addition to the high dimensional stability at virtually all ambient temperatures and thus higher reliability of the measurement also in the fact that the measurements immediately, and not only after the generally required temperature compensation between material standard and DUT (usual: 1.5 ... 4hl ) can be performed. Basically, the conditions are analogous to the use of aramid fibers instead of the previously preferred carbon fibers. Disadvantage of Faserverbiindwerkstoffe is that under certain environmental conditions, namely at high humidity in conjunction with relatively high temperature, to a moisture uptake by the polymer (preferably epoxy resin) and by the composite structure (in interlayers, vacuoles, etc.). This leads to an undesirable swelling of the material and possibly to changes in dimensions and mechanical properties. Ziel der ErfindungObject of the invention Ziel der Erfindung ist es, die Maßkonstanz von Konstruktionen aus Faserverbundwerkstoffen, die als Maß-, Form- und Lageverkörperungen eingesetzt werden, auch unter ungünstigen Umweltbedingungen zu gewährleisten.The aim of the invention is to ensure the dimensional stability of structures made of fiber composites, which are used as Maß-, form and Lageverkörperungen, even under unfavorable environmental conditions.
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