DE102011120197A1

DE102011120197A1 - Spindel,insbesondere Gewindespindel,und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102011120197A1
Application number: DE102011120197A
Authority: DE
Inventors: Gerd Paczkowski; Lothar Kroll; Frank Schubert; Uwe Frieß; Martin Kausch
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2031-12-06
Also published as: DE102011120197B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spindel, insbesondere Gewindespindel und ein Verfahren zu deren Herstellung, wobei ein Kern und ein Mantel vorgesehen ist, der Kern aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere kohlefaserverstärktem Kunststoff- oder Kunstharzmaterial und einem Hartstoffbaumaterial-Außenmantel, vorzugsweise bestehend aus einer oder mehreren Stahllegierungen, die vorzugsweise in einem thermischen Spritzverfahren, vorzugsweise Lichtbogenspritzen, auf den Faserverbundkörper schichtweise aufgespritzt werden. Für drehmomentübertragende Verbindungen ist auf diese Weise eine Leichtbau-Bauteilkombination erreichbar, die sich durch hohe Energieeffizienz und massive Gewichtseinsparung gegenüber Vollmaterial-Stahlbauteilen auszeichnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spindel, insbesondere eine Gewindespindel, mit einem inneren Kern und einem äußeren Mantel, wobei der Mantel zumindest abschnittsweise eine Hartschicht-Konfiguration besitzt. Ferner betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung einer solchen Spindel.
Spindeln oder Wellen finden z. B. in Werkzeugmaschinen oder auch in Linearantrieben z. B. als Kugelumlaufspindeln Verwendung, und zwar einmal als Rotationsantrieb z. B. von Werkzeugen oder auch in Verbindung mit, insbesondere zur Umsetzung einer Rotationsbewegung in eine lineare Vorschubbewegung eines Schlittens.
Spindeln oder Wellen sind vielfach als langgestreckter Voll- oder Hohlzylinder aus Metall ausgebildet. Ihr Durchmesser richtet sich nach den zu übertragenden Drehmomenten, Biegelasten, Drehzahlen und den geforderten Rundlaufeigenschaften. Mit zunehmender Masse steigen die energetischen Anforderungen.
Ferner ist aus der Dynamik bekannt, dass mechanische Kreisfrequenzen einer Spindel durch deren Längssteifigkeit inklusive ihrer Lagerung wesentlich bestimmt werden. Auch die Torsionssteifigkeit einer Spindel wird durch deren Kreisfrequenz bestimmt. Eine Erhöhung der Kreisfrequenzen durch höhere Längs- und/oder Torsionssteifigkeiten führt folglich zu einer dynamischeren Spindel mit einer höheren Produktivität. D. h. eine derartige Spindel ist schneller in der Drehzahl regulierbar und kann als Gewindespindel einen reaktionsschnelleren Antrieb, z. B. im Rahmen eines Linearantriebes als Stellantrieb bilden, was z. B. für die Montagebewegungen von Bestückungsköpfen in Leiterplatten-Bestückungsautomaten von hoher Bedeutung für die Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeiten derartiger Hochleistungsmaschinen ist.
Der Erfindung liegt die daher Aufgabe zugrunde, eine Spindel anzugeben, die bei unverminderter Fertigkeit und Steifigkeit ein vergleichsweise reduziertes Massenträgheitsmoment aufweist und die daher mit einer verbesserten Energiebilanz betrieben werden kann.
Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Spindel, insbesondere einer Gewindespindel anzugeben, das bei hoher Gestaltungsvariabilität hinsichtlich des Spindeldesigns eine verbesserte Anpassung der Spindelstruktur und die lokal auftretenden Belastungen und eine energieffizientere Auslegung derartiger Spindeln unter möglichster Verminderung ihrer Masse ermöglicht. Auch das Dämpfungsverhalten einer Spindel soll durch das Verfahren vorteilhaft beeinflussbar sein.
Hinsichtlich der Spindel wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1, hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 12 und 14 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Spindel, insbesondere Gewindespindel, einen inneren Kern und einen äußeren Mantel aufweist, wobei der Mantel zumindest abschnittsweise eine Hartschicht-Konfiguration, insbesondere metallische Konfiguration und der Kern ein faserverstärktes Kunststoff- oder Kunstharzmaterial aufweist.
Die Verwendung von faserverstärktem Kunststoff- oder Kunstharzmaterial für den Kern hat zunächst gegenüber einer rein metallischen Spindel den Vorteil, dass die Spindel in Summe weniger Masse aufweist, also leichter ist und somit ein reduziertes Massenträgheitsmoment aufweist. Dabei sind Gewichtseinsparungen bis zu 50% im Vergleich zu einer herkömmlichen Spindel möglich. Einhergehend mit der Verringerung der Masse kann der Energieeinsatz zum Antrieb einer solchen Spindel deutlich reduziert werden.
Die Erfindung ist also für den Leichtbau, insbesondere von Antriebsteilen für Maschinen und Fahrzeug, oder z. B. auch im Bereich der Flugzeugindustrie von Bedeutung (z. B. Gestaltung von Knickstäbe) ohne hierauf beschränkt zu sein.
Faserverstärktes Kunststoff- oder Kunstharzmaterial besteht vorzugsweise aus zumindest zwei Komponenten, nämlich den Fasern, die dem Körper die notwendige Festigkeit verleihen und der Matrix, die die Fasern in Position halten und Spannungen zwischen ihnen übertragen und verteilen. Auch kann das Matrixmaterial die Fasern vor äußeren mechanischen und chemischen Einflüssen schützen.
Als Fasern können je nach Einsatzgebiet, mechanischen Randbedingungen und Umwelteinflüssen beispielsweise Materialien aus Glas, Kohlenstoff, Keramik, Aramid, Stahl, oder Nylon zur Anwendung kommen. Selbstverständlich sind auch weitere Materialien als Faserwerkstoff verwendbar, z. B. Naturfasern, wie Bambusfasern. Auch eine Kombination solcher Fasermaterialien kann verwendet werden.
Als Matrixmaterial können beispielsweise Duromere, Elastomere, und/oder Thermoplaste oder aushärtbare Kunstharze zum Einsatz kommen. Auch sind Kombinationen von unterschiedlichen Fasern und unterschiedlichen Matrixmaterialien möglich, auch innerhalb eines Spindelkörpers.
Das Matrixmaterial sollte einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisen, so dass es leicht verarbeitbar ist.
Der Grad der Aushärtung kann dabei z. B. in Abhängigkeit von einem gewünschten Steifigkeitsprofil der Spindel; insbesondere Gewindespindel oder Welle, einstellbar sein. (Die Begriffe ,Spindel' und ,Welle' werden im Rahmen der vorliegenden Anmeldung als Synonyme verwendet). Die Erfindung ist nicht auf ein solches Bauteil im engen Sinne beschränkt, sondern kann überall dort Anwendung finden, wo es auf ein Ultra-Leichtbau drehmomentübertragender Bauteile ankommt.
Der aus faserverstärktem Kunststoff oder Kunstharz (im Rahmen der Anmeldung wird der Begriff „Kunstharz” gleichwirkend zu „Kunststoff” als Matrixmaterial verwendet betreffend also stets faserverstärktes Kunstharz) bestehende Kern der Spindel gewährleistet die benötigte Struktursteifigkeit und -festigkeit für den Einsatz z. B. als Werkzeugmaschinenwelle oder Gewindespindel. Auch kann ein derartiges Kunststoff- oder Kunstharzmaterial im hohen Maße zur Kompensation thermischer Dehnung beitragen, da ein Kern, enthaltend z. B. Kohlefasermaterial oder Aramid einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, d. h. ein solcher Kern bzw. dessen Fasern werden bei Erwärmung kürzer und dicker. Besonders bevorzugt ist eine Materialkombination von Verstärkungsfasern im Kern und einem Metall oder von Metalllegierungen, insbesondere aus einem Verbund mehrerer Schichten im Mantel mit ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. So können zusätzliche Spannungen im Grenzbereich zwischen Kern und Mantel vermieden werden.
Der Kern der Spindel weist vorzugsweise mindestens eine Materialschicht auf. Um unterschiedlichen Einsatzbedingungen und unterschiedlichen mechanischen Belastungen gerecht zu werden, ist es ferner von Vorteil, wenn in der zumindestens eine Materialschicht des Kerns aus faserverstärktem Kunststoff- oder Harzmaterial mindestens eine Faserorientierung von Verstärkungsfasern in Belastungsrichtung vorliegt.
Somit kann der Kern auf die individuell auftretenden Belastungen für unterschiedliche Spindeln im Leicht- bzw. Ultraleichtbau ausgelegt werden, wobei ein Höchstmaß an Steifigkeit sowie Festigkeit erzielbar ist. Bei einer Belastung in Längsrichtung einer Spindel ist es günstig, wenn die Fasern zumindest einer Materialschicht in Längsrichtung angeordnet sind. Aufgrund der Tatsache, dass eine Spindel eine rotierende Bewegung ausführt, ist es auch vorteilhaft, dass Faserlagen von Verstärkungsfasern mindestens einer Materialschicht des Kerns in Umfangsrichtung der Spindel orientiert bzw. eine torsionsangepasste Orientierung aufweist.
Da auch weitere Belastungsrichtungen innerhalb einer Spindel auftreten können, welche beispielsweise aus den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Materialien resultieren, ist es bevorzugt, mindestens eine Materialschicht in einem Winkel zwischen der Längsrichtung und der Umfangsrichtung anzuordnen, um ein Höchstmaß an Dehnungskompatiblität zu gewährleisten.
Vorzugsweise werden Faserlagen von z. B. Kohlefasern unter einem Winkel zwischen 0° und 905° zur Längsachse der Spindel, höchst vorzugsweise unter einem Winkel zwischen 30° und 60°, wie z. B. 45° zur Längsachse gewickelt und sodann mit Kunstharz bzw. Kunststoffmaterial getränkt oder sind bereits vor dem Bilden des Kernes entsprechend, z. B. in einem Pultrusionsverfahren mit Kunststoff oder Kunstharz laminiert.
Selbstverständlich können auch mehrere Materialschichten in unterschiedlichen Winkelbereichen entlang der Achse einer Spindel und/oder entlang der Umfangsrichtung angeordnet sein. Vorzugsweise sind Faserlagen mit wechselnden, insbesondere hinsichtlich ihres Vorzeichens entgegengesetzten Steigungswinkeln vorgesehen.
Ein vielschichtiger Aufbau des Kerns ist günstig, um Spindeln, die sowohl in axialer Belastungsrichtung als auch in radialer bzw. in Umfangsrichtung beansprucht werden, in Leichtbauweise den Belastungen anzupassen. Folglich ist es bevorzugt, dass die Spindel mehrere Materialschichten aufweist, bzw. mehrlagig aufgebaut ist, wobei die Fasern des faserverstärkten Kunststoff- oder Kunstharzmaterials vorzugsweise in unterschiedlichen Richtung orientiert sind, um möglichst viele Kräfte aus den unterschiedlichsten Belastungsrichtungen (einschl. von Biegebeanspruchungen) aufzunehmen.
Auch der Mantel der Spindel besteht aus mindestens einer Materialschicht, vorzugsweise einer Metallschicht, ist aber vorzugsweise ebenfalls aus mehreren Schichten zur Ausbildung eines Hartschichtkörpers gebildet. Damit ist es möglich, verschiedenen Anforderungen an den Mantel gerecht werden, wie z. B. eine besonderes harte Schicht aus einem widerstandsfähigen Material, zur Ausbildung einer glatten Lauffläche/Laufbahn für Lagerelemente eines Lagers, für die Kugeln einer Kugelumlaufspindel oder als Festsitzfläche von Lagerringen. Aber es ist auch möglich, ein weiches Material mit guten Gleitreibungseigenschaften für ein Gleitlager zur Verfügung zu stellen. So kann es von Vorteil sein, entlang einer Längsachse der Spindel unterschiedliche Materialschichten des Mantels zu realisieren, angepasst an unterschiedliche Funktionen. Somit ist es möglich, neben der erwähnten Materialschicht für ein Gleitlager eine Materialschicht für ein Kugellager aber auch eine weitere Materialschicht zur Ausbildung des Gewindes vorzusehen. Die Anordnung und konstruktive Ausbildung einzelner Schichten ist lediglich abhängig von äußeren konstruktiven Gegebenheiten und Anforderungen an eine Spindel oder Welle, im weiteren Sinne an das Bauteil.
In Abhängigkeit der Funktion und der Aufgaben der unterschiedlichen Bereiche entlang einer Spindel ist es auch möglich, nicht nur die Materialschichten entlang der Achse einer Spindel unterschiedlich auszugestalten, sondern auch unterschiedliche Materialschichten abfolgend (in radialer Richtung) auszubilden. D. h. in Abhängigkeit von Radius der Spindel kann der Mantel und/oder der Kern unterschiedliche Materialien aufweisen. So ist es beispielsweise für den Mantel möglich, dass sich eine Eisen-Nickel-Legierung mit einer Stahllegierung abwechselt (ohne dass dies in strengem Sinne nach jeder Stahllegierungslage der Fall ist).
Dies hat den Vorteil, dass hierdurch ein Spannungsabbau innerhalb des Metallmantels von innen nach außen stattfindet und die Innigkeit der Haftverbindung zwischen Mantel und Kern der Spindel und damit deren gesamte Haltbarkeit und Lebensdauer vorteilhaft beeinflusst wird. Für den Kern ist es ebenfalls möglich, verschiedene Schichten zu realisieren. So können innenliegende Schichten mit einem geringen Faseranteil im Vergleich zu außenliegenden ausgestattet sein, da dort der mechanische Spannungsanteil geringer ist. Auch eine unterschiedliche Winkelorientierung der einzelnen faserverstärkten Schichten zueinander kann vorgesehen sein, wodurch homogenere Schubspannungsverteilung in radialer Richtung möglich ist. Das bedeutet, dass, je größer der Radius wird, die Verstärkungsfasern zur Schutzspannungsrichtung einen kleineren Winkel einnehmen, so dass immer mehr Fasern und Faserbündel in Hauptbelastungsrichtung orientiert sind.
Um weitere Gewichtseinsparungen bei der erfindungsgemäßen Spindel zu erreichen, ist es ferner von Vorteil, wenn der Kern hohl ausgebildet bzw. als Hohlzylinder ausgeführt ist. Somit reduziert sich die zu beschleunigende Masse der Spindel sowie das Massenträgheitsmoment aber auch die aufzuwendende Energie, um eine Spindel in Rotation zu versetzen. Auch kann mittels eines hohlen Kerns eine einfache Kühlungsmöglichkeit realisiert werden.
Bevorzugterweise weist der Kern Fasern aus Kohlenfaserstoff auf, diese sind sowohl leicht, steif, als auch hochfest und weisen eine geringe oder negative thermisch Dehnung auf. Ferner können durch den Einsatz von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen bzw. Kunstharzen hierdurch gute Dämpfungseigenschaften erzielt werden.
Um die mechanische Belastbarkeit des Kerns weiter zu erhöhen, ist es günstig, wenn der Kern ultrahochmodulige Kohlestofffasern aufweist. Dabei kann der Faservolumengehalt in einem Bereich zwischen 30 Vol.-% und 70 Vol.-% liegen, wobei ein höherer Anteil zu einer erhöhten Festigkeit führt.
Zusammenfassend ist erfindungsgemäß eine Spindel vorgesehen, aufweisend einen Mantel mit oder aus Hartstoff, insbesondere metallischem Werkstoff, der alle Funktionsflächen bildet (z. B. Laufbahnen für Wälzkörper, Lagerflächen für Axial- und Radial-Lager, Kugelkanäle für Kugelspindeln, etc.) und einer Verstärkung aus einem faserverstärkten, vorzugsweise kohlestofffaserverstärktem Kunststoff-/Kunstharzmaterial mit verbesserten Eigenschaften (beispielsweise Steifigkeit, Dämpfung, thermische Dehnung) im Kern.
Die Spindel besitzt daher einen Kern aus einem Voll- oder Hohlzylinder aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff oder Kunstharz. Ferner können die Eigenschaften solcher Spindeln durch den Einsatz und die Kombination isotroper und anisotroper Werkstoffe auch gezielt richtungsabhängig variiert werden. Neben Steifigkeitseigenschaften stellen auch Dämpfungseigenschaften von Spindeln einen wesentlichen zu optimierenden Parameter dar. Auch kann die thermische Ausdehnung verschiedener Werkstoffe positiv abgestimmt werden und durch die Wahl eines geeigneten faserverstärkten Kunststoff/-Kunstharzmaterials im Kombination mit einem geeigneten Hartstoff-Körper, insbesondere metallischen Körper für den Mantel gezielt beeinflusst werden. Ebenfalls kann das Massenträgheitsmoment einer Spindel durch Verwendung eines derartigen Kern-Werkstoffs mit geringerer Dichte verbessert bzw. reduziert werden und sind wesentliche Gewichtseinsparungen im Vergleich zu Stahlspindeln aus Vollmaterial erreichbar.
Für die innige mechanische Verbindung von innerem Kern und äußerem Material ist es bevorzugt, beide miteinander form-, und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig zu verbinden. Beispielsweise kann ein Formschluss auf einfache Weise dadurch erreicht werden, dass der Mantel innenseitig eine Form aufweist, in die der Kern mit außenseitig angebrachten Mitteln eingreift. Hierzu kann beispielsweise eine Schraubverbindung oder aber eine Steckschraubverbindung geeignet sein. Eine kraftschlüssige Verbindung kann beispielsweise realisiert werden durch das Einpressen des Kerns in einen hohlen Mantel. Um einen Stoffschluss zwischen Mantel und Kern zu erreichen, wird vorzugsweise ein Adhäsionsmittel auf die Kontaktflächen, die zwischen beiden liegen, aufgebracht und dieses nach dem Positionieren von Mantel und Kern ausgehärtet. Vorzugsweise besitzt eine Grenzschicht zwischen Kern und Mantel der Spindel vorzugsweise eine vergrößerte Oberflächenstruktur und ist vorzugsweise als Kombination von Stoff- und Formschluss-Verbindung ausgebildet.
Eine vorteilhafte Verbindung in Form-, Kraft- und Stoffschluß wird erreicht, wenn der Mantel durch thermisches Spritzen von Metall und/oder oxidkeramischen Werkstoffen und/oder carbidischen Werkstoffen auf den Kern aufgebracht wird. Dabei ist es besonders günstig, den Mantel mittels Lichtbogen-, Plasma-, Flamm- oder Laserspritzen aufzubringen. Vorzugsweise wird der Mantel durch Lichtbogenspritzen einer Mehrzahl von Schichten, vorzugsweise unterschiedlicher Stahllegierungen und/oder Eisenlegierungen (als Spannungs-Dehnungsausgleich) gebildet.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Spindel im Bereich eines Endes einen Flansch aufweist. Auf diese Weise kann auf einfache Weise ein Drehmoment auf die Spindel bzw. ein Gewindestück übertragen werden.
Vorzugsweise ist der Flansch mit dem Kern und dem Mantel form-, und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden. Dies gewährleistet die gleichen Vorteile wie bereits vorher erwähnt, nämlich die Schaffung eines möglichst großen mechanischen Zusammenhalts, der hohen Belastungen standhält.
Unter einem zweiten Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, ein Verfahren zur Herstellung einer Spindel anzugeben, die einen inneren Kern und einen äußeren Mantel aufweist, der eine metallische Konfiguration besitzt, wobei der Mantel vorzugsweise zumindest abschnittsweise ein Gewinde aufweist. Ein derartiges Verfahren umfasst bevorzugterweise nachfolgende Schritte:
In einem ersten Schritt wird vorzugsweise der Kern aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial/Kunstharz erstellt, vorzugsweise aus einem mehrlagigen Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoff. Die einzelnen Faserlagen/Faserbündel, die aus Einzelfasern (Kohlenstofffasern) bestehen, werden auf ein Dorn, der z. B. einen vorbestimmten Steigungswinkel vorgibt, gewickelt und anschließend mit Kunststoff- oder Harzmaterial getränkt und ausgehärtet. Dies kann auch gleichzeitig erfolgen oder es können bereits im Kunststoff/Kunstharz eingebettete Faserbündel verwendet werden. Der Dorn kann auch durch einen bereits vorliegenden Voll- oder Hohlzylinder aus insbesondere gleichartigen faserverstärktem Kunststoffmaterial oder faserverstärktem Kunstharz gebildet werden. Der Kern kann auch mittels Pultrusion hergestellt werden, wobei unterschiedliche Orientierungen der Fasern und Faserbündel realisierbar sind.
Gegebenenfalls können auch diese Verfahren (Pultrusion/Wickeltechnik) miteinander kombiniert werden.
In einem weiteren Schritt wird (nach Aushärten des mehrlagigen Faserverbund-Kerns) vorzugsweise der Mantel durch thermisches Spritzen von Metall und/oder oxidkeramischen Werkstoffen und/oder carbidischen Werkstoffen auf den Kern hergestellt. Hierfür eignet sich insbesondere das (Draht)Lichtbogen-, Plasma-, Flamm- oder Laserspritzen.
Bei einem thermischen Spritzen handelt es sich um ein Oberflächenbeschichtungsverfahren. (s. DIN EN 657). Dabei werden sogenannte Spritzzusätze, innerhalb oder außerhalb eines Spritzbrenners, z. B. im Lichtbogen zwischen zwei Drahtelektroden, geschmolzen. In einem Gasstrom des Spritzbrenners werden die Spritzzusätze bzw. Spritzpartikeln beschleunigt und auf die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils geschleudert. Beim herkömmlichen thermischen Spritzen wird die Bauteiloberfläche nicht angeschmolzen und nur in einem geringen Maße thermisch belastet.
Zur Herstellung einer festen mechanischen Bindung, die sowohl form- als auch stoffschlüssig sein soll, ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung von Vorteil, wenn der Matrixwerkstoff des vorzugsweise kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffs/Kunstharz des Kerns an der oberen Grenzschicht an- bzw. aufgeschmolzen wird, um eine innige Bindung zwischen Mantel und Kern zu schaffen. Die Kunststoff-Kunstharz-Matrix der oberen Kernschicht wird dabei aufgeschmolzen und durch das aufgespritzte Metallmaterial (Eisenlegierung) verdrängt, so dass die Metalllegierung in innige und die Faserbündel der Grenzschicht einbettenden Verbindung tritt, so dass ein fester Form- und Stoffschluß zwischen der oberen Kernschicht und der ersten Mantelschicht (Metalllegierung) entsteht, die für die Verbindungsfestigkeit zwischen Kern und Mantel der Spindel wesentlich ist. Dann werden weitere Metalllagen (Schichten) thermisch aufgespritzt. Für eine feste Bindung zwischen einem (kohle)faserverstärkten Kunststoff/Kunstharz und dem aufgespritzten Metallmaterial ist es vorteilhaft, wenn zumindest die erste Schicht sehr dünn aufgetragen wird. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die erste Schicht eine Dicke von ca. 100 μm bis 1 mm, besonders bevorzugt von ca. 500 μm, aufweist.
Mit zunehmender radialer Entfernung von der Grenzschicht zwischen z. B. kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff/Kunstharz (Kern) und Metall (Mantel) ist es günstig, die aufzubringende Schichtdicke zu erhöhen, um die Verfahrensdauer zu verkürzen.
Auf diese Weise kann der Mantel vorzugsweise eine Gesamtdicke von z. B. ca. 5 mm bis 10 mm aufweisen, so dass dieser wie eine Vollmetallwelle oder -spindel, z. B. spanend bearbeitet (überdreht) oder z. B. durch Gewindestrehlen oder -schneiden, -fräsen oder -schleifen (oder auch Gewinderollen oder Aufwalzen eines Gewindes) abschnittsweise oder vollständig mit einem Außengewinde versehen werden kann.
Vorzugsweise werden beim thermischen Spritzen unterschiedliche Materialien bzw. unterschiedliche Metallschichten aufgebracht. So ist es beispielsweise möglich, eine Eisen-Nickel-Legierung in Abwechslung mit einer Stahllegierung aufzuspritzen. Dies hat den Vorteil, dass durch die im Verhältnis zur Stahlschicht weiche Eisen-Nickel-Verbindung Spannungen im Materialgefüge des Mantels abgebaut und ausgeglichen werden können.
Zur Stärkung der Verbindung von aufgespritztem Material durch thermisches Spritzen auf einem faserverstärkten Kunststoff-/Kunstharzkern kann alternativ oder zusätzlich der Kern vorbehandelt werden. Dies weist insbesondere einen Reinigungsschritt, eine mechanische Vorbearbeitung (Aufrauhen) und anschließend einen erneuten Reinigungsschritt auf.
Hierbei dienen die Reinigungsschritte dazu, lose Partikel und Schmutz von der Oberfläche zu entfernen, damit die Oberfläche des Kerns und des Mantels direkt aneinander liegen können, ohne störende und haftungsvermindernde Zwischenmaterialien.
Vorzugsweise wird bei der mechanischen Vorbearbeitung der Oberfläche des Kerns die Oberfläche aufgerauht, um eine möglichst große Oberfläche als Kontaktfläche zum aufgespritzten Material zu erhalten. Es ist auch möglich, die van-der-Waalschen Kräfte im Grenzbereich zwischen beiden Spindelbestandteilen zu erhöhen, z. B. durch eine chemische Aktivierungsbehandlung der Kernoberfläche. Es ist auch möglich, den Kern mit einer Nanomaterialschicht zu beschichten, die einerseits eine extreme Bindungsfestigkeit zu der aufgespritzten, ersten Schicht des metallischen Mantels aufgrund der besonders hohen physikalisch-chemischen Reaktionsfreudigkeit der Oberfläche des Nanomaterials, das z. B. als flüssiges Material auf den Kern aufgegeben, z. B. aufgespritzt, aufgesprüht oder aufgestrichen werden kann, aufweist und ebenfalls, insbesondere in Verbindung mit einer Primer-Vorbehandlung der Kernoberfläche zu einer besonders großen Affinität und Bindungsfestigkeit zu den oberen Fasermaterial-Lagen der Verstärkungsfasern des Kerns gebracht werden kann. In einem solchen Fall kann gegebenenfalls (bevorzugt) auf eine vollständige Kunststoff- oder Kunstharzeinbettung der obersten Verstärkungsfaserlage des Kerns verzichtet werden.
Ferner ist es vorteilhaft, die zu realisierende Außengeometrie, etwa eine Kugellaufbahn, teilweise im Kern abzubilden (Vorkonturierung). Somit kann das Volumen des Mantelwerkstoffes in geeigneter Weise reduziert werden.
Bei den Reinigungsschritten handelt es sich vorzugsweise um ein Reinigen mittels Druckluft und/oder Lösungsmitteln, wobei diese vor allem dazu dienen, freie, unverbundene Bestandteile der Oberfläche des Mantels, Bruchstücke von Matrix- oder Fasermaterial aufgrund einer vorangegangenen Aufrauhbehandlung vor dem weiteren Auftragen von Material zu entfernen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, ein Verfahren zur Herstellung einer Spindel anzugeben, die einen inneren Kern und einen äußeren Mantel aufweist. Hierzu werden vorzugsweise nachstehende Schritte durchgeführt.
In einem ersten Schritt ist es günstig, den Kern mittels Pultrusion herzustellen, wobei unterschiedliche Orientierungsrichtungen der Fasern realisierbar sind. In Ergänzung zur Pultrusion kann aber auch stattdessen die sogenannte Wickeltechnik zum Einsatz kommen, die besonders für rotationssymmetrische Bauteile geeignet ist.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Erstellens des Mantels. Dabei wird der Mantel vorzugsweise aus einem Vollmaterial durch Kernbohren und durch zumindest abschnittsweises Gewindeschneiden auf der Außenseite des Mantels erstellt. Hierbei ist die Reihenfolge von Kernbohren und Gewindeschneiden frei wählbar.
Anschließend wird der separat hergestellte Kern in den gebohrten Mantel eingesetzt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der Kern in den hohlen Mantel eingepresst wird. Vorzugsweise wird die Kernbehandlung reinigend oder durch Profilierung, z. B. mit einem Innengewinde oder ähnlicher Innenflächenvergrößerung vorbehandelt. Ein solcher Vorbehandlungsschritt kann z. B. ein Reinigen der Kernbohrung mit geeigneten Reinigungsmitteln umfassen, die beispielsweise das Bohröl bzw. das Schneidöl für die Kernbohrung von der Innenfläche der Bohrung entfernen. Auch kann der Schritt ein Beizen der Oberfläche umfassen, um eine oxidfreie Fläche zu schaffen, da Oxidbildung die Qualität einer kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung herabsetzen kann.
Grundlage ist hierbei die Ausbildung eines Stahlkörpers zur Ausbildung eines Mantels der Spindel in z. B. einem Schichtverfahren (z. B. Laserstrahlschmelzen/Sintern eines Pulvermateriales) oder Herstellung dieses Metallkörpers durch thermisches Spritzen oder in sonstiger Weise, z. B. herkömmlich als Stahlzylinder bzw. Hohlzylinder und Kernbohren dieses Vollkörpers aus Metall, z. B. einer Werkzeugstahllegierung (Mangan oder Chrom-/Nickel-Stahl), um so eine Innenbohrung zur Aufnahme eines kraft- und/oder stoff- und/oder formschlüssig einzusetzenden, und mit dem Mantel zu verbindenden Kerns aus faserverstärktem, oder kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff- oder Kunstharzmaterial zu schaffen.
Alternativ kann ein solcher Hohlzylinder auch umformtechnisch, z. B. durch Rückwirkungsfließpressen hergestellt, gg. in Kombination mit spanender Konfektionierung der Hülse hergestellt werden.
Zur Ausbildung einer Gewindespindel kann die Ausbildung des Gewindes in der vorbeschriebenen Weise bzw. in herkömmlicher Technologie spanend oder spanlos erfolgen, und ggf. auch nur schrittweise erfolgen.
Ein Vorbehandeln der Kernbohrung kann also auch eine mechanische Vorbearbeitung umfassen, bei der vorzugsweise ein Innengewinde in den kerngebohrten Mantel geschnitten wird, in das z. B. dann der Kern eingesetzt, z. B. eingepresst oder auch rotierend eingeschraubt werden kann. Es kann sich bei der Innenkonturierung des Mantels auch nur um eine gewindeartige Struktur handeln, die die Haftverbindung zu dem eingepressten Kern vergrößert. Der Mantel kann auch gegossen sein.
Vorteilhaft an einer derartigen Vorbehandlung ist die Erhöhung der Kontaktkraft zwischen Mantel und Kern. Folglich können somit deutlich höhere mechanische Kräfte übertragen werden.
Ferner ist es günstig, wenn dem Schritt des Einsetzens ein Erwärmen des Mantels vorausgeht. Auf diese Weise wird der Innendurchmesser des Mantels erhöht, wodurch der Kern leichter einsetzbar, z. B. einpreßssbar ist.
Vorzugsweise erfolgt nach dem Erwärmen des Mantels und dem Einsetzen des Kerns in die Kernbohrung der Schritt des Abkühlens des Mantels. Dies kann entweder aktiv geschehen, d. h. mittels eines Kühlmediums, das auf den Mantel geführt wird, oder einfach passiv geschehen, d. h. durch konvektives Abkühlen.
Beim Schritt des Einsetzens eines Kerns in einen erwärmten Mantel ist es besonders bevorzugt, wenn der Außendurchmesser des Kerns größer ist als der erkaltete Innendurchmesser des Mantels. Auf diese Art und Weise wird eine Pressverbindung mit sehr hohen Kräften und einer sehr hohen Qualität erreicht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Kerns kann dieser selbst als Hohlkörper ausgebildet werden. Somit kann nochmals die Masse verringert und Antriebsenergie sowie Gewicht eingespart werden.
Nach dem Schritt des Einsetzens des Kerns in den Kern gebohrten Mantel erfolgt vorzugsweise der Schritt des Verbindens von Kern und Mantel. Dabei ist es bevorzugt, dass dieser Schritt eine Druckbeaufschlagung mittels eines Fluides umfasst, das den hohlen Kern gegen die Innenseite des Kern gebohrten Mantels presst. Insbesondere dann ist eine solche Vorgehensweise günstig, wenn vor dem Schritt des Verbindens die Innenseite des hohl gebohrten Mantels in einen angeschmolzenen Zustand versetzt wurde, und der aus z. B. kohlenstofffaserverstarktem Kunststoff oder Kunstharz bestehende Kern ebenfalls zumindest an der Außenseite in einem angeschmolzenen Zustand vorliegt.
Aufgrund der vorzugsweise jeweiligen angeschmolzenen Grenzflächen kann eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Außenseite des Kerns und der Innenseite des Mantels geschaffen werden. Ein Druckfluid zum Anpressen des hohlen Kerns gegen den umgehenden Mantel kann gleichzeitig als Kühlmittel dienen oder auch genutzt werden, um eine Temperaturführung an den Grenzflächen zwischen Kern und Mantel zu bewirken (langsames Abkühlen).
Die Erfindung zielt daher darauf ab, in der Kombination eines Mantels aus Hartstoffmaterial, vorzugsweise eines metallischen Mantels mit einem (eventuell hohl ausgeführtem) Kern aus faserverstärktem Kunststoff ein sehr leichtes Bauteil, wie eine Spindel mit verbesserten Eigenschaften zu erstellen. Die Faserorientierung kann dabei auch längs der Mittelachse der Spindel ausgerichtet sein, um eine maximale Erhöhung der Steifigkeit in Längsrichtung bei langen Spindeln zu erreichen und um die dynamischen Eigenschaften zu verbessern.
Alternativ kann die Faserorientierung Jedoch ebenfalls in Umfangsrichtung erfolgen, was zu einer Erhöhung der Torsionssteifigkeit führt. Eine Kombination durch eine sogenannte bidirektionale Faserorientierung ist ebenfalls denkbar. Durch die Kombination mehrerer Werkstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften können auch weitere Eigenschaften des Gesamtsystems, insbesondere die mechanische Dämpfung oder thermische Dehnung gezielt beeinflusst bzw. verbessert werden. Als Matrixwerkstoff kann ein thermoplastischer Kunststoff bzw. Kunstharz dienen. Als Verstärkungs-Faserbündelmaterial sind Kohlenstofffaserbündel bevorzugt. Ein Thermoplast ermöglicht eine gute Verbindung des materiellen Werkstoffes mit der kohlefaserverstärkten Matrix.
Vorzugsweise erfolgt die Ausbildung der metallischen Außenoberflächen der Spindel, vorzugsweise Gewindespindel, durch thermisches Spritzen, vorzugsweise Lichtbogenspritzen, von unterschiedlichen Stahllegierungen in einer Mehrzahl von Schichten.
Es ist jedoch auch möglich, in anderer Weise einen metallischen Mantel (Beispiel für Hartstoff) mit einem Kern aus faserverstärktem Kunststoff/Kunstharz zur Herstellung einer Spindelwelle zu verbinden. Überdies kann auch der Kern hohl ausgebildet werden. Eine innere Mantelfläche wird für die Verbindung vorbehandelt, z. B. gebeizt oder mechanisch aufgerauht und gereinigt. Ebenfalls kann das gezielte Einbringen einer Innenstruktur beispielsweise Nuten oder Gewindegänge, im Mantelkörper aus metallischem Werkstoff erfolgen. Anschließend wird der vorzugsweise ebenfalls hohle Kern aus Faserverbundwerkstoff eingeführt. Der metallische Mantel der Spindel wird erhitzt, was zu einem Aufschmelzen des thermoplastischen Matrixmaterials der Kohlefaserverstärkung führt. Gleichzeitig wird die Verstärkung aus Kohlefaser durch ihre innere Hohlbohrung mittels eines Fluides unter Druck gesetzt, mit dem Ziel, die Verbindungsfläche bzw. Kontaktfläche unter Druck zu setzen. Zuletzt endet die Erwärmung des Mantels und der Matrixwerkstoffe erstarrt und verbindet sich mit dem Mantelkörper aus Stahlwerkstoff. Da die erforderlichen Temperaturen deutlich unter den Anlasstemperaturen von Stahl liegen, ist eine Beeinträchtigung der Eigenschaften des Stahlmantels – der alle Funktionsflächen und genauigkeitsbestimmenden Geometrien abbildet – nicht zu besorgen.
Eine weitere Möglichkeit stellt das Tränken der Kohlefasern in einem unvernetzten Polymer dar. Die Faserbündel der Verstärkungsfasern werden dann in den Hohlraum des Mantels eingeführt bzw. durch diesen hindurchgezogen und beim Konsolidieren verbinden sie sich mit dem Mantel aus metallischem Werkstoff. Ein gewisses ”Quellen” des Matrixwerkstoffs wäre ebenfalls denkbar, um eine Vorspannung der Verstärkung und des Mantels zur besseren mechanischen Verbindung zu erzielen.
Weiterhin wäre ein klassisches Klebeverfahren, in denen der Kleber durch kleine Injektionsbohrungen – außerhalb von Funktionsflächen der Spindel – eingebracht wird, möglich. Eine weitere Verfahrens-Alternaitve kann darin bestehen, einen metallischen Mantel auf den Kern aus Kohlefaserverbundwerkstoff aufzuwalzen, in Kombination mit einem Klebeverfahren (Kombination aus Kleben und Walzen).
Der Einsatzbereich einer erfindungsgemäßen Spindel nach allen vorgenannten Aspekten erstreckt sich vorzugsweise auf den Bereich von Gewinde- oder Werkzeugspindeln und kann beispielsweise als Gewinde-, Werkzeug-, Motor-, Schleif-, Dreh-, Fräs-, Hydrodynamik-, Hydrostatikspindel, aber auch als Gewindespindel zum Einsatz kommen.
Die vorbeschriebenen Merkmale, die alle der Ausbildung und Herstellung einer Spindel dienen, sind frei miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen, schematisch:
1 einen Längsschnitt einer Spindel nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine Modifikation einer Spindel nach dem ersten Ausführungsbeispiel von 1;
3a einen Längsschnitt einer Spindel nach einem weiteren Ausführungsbeispiel;
3b einen Querschnitt der Spindel nach 3a;
4a einen Längschnitt einer Spindel in einer Modifikation des Ausführungsbeispieles nach 3 mit Verbindung zu einem Antrieb;
4b einen Querschnitt der Spindel nach 4a, vergleichbar 3b;
5a eine Teil-Längsschnittdarstellung einer Spindel nach einem weiteren Ausführungsbeispiel mit schematischer Darstellung von Verstärkungsfasern bzw. Faserbündeln;
5b eine Querschnittsdarstellung einer Spindel nach einem weiteren Ausführungsbeispiel mit schematischer Darstellung von Verstärkungsfasern bzw. Faserbündeln;
6a–6d ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer Gewindespindel;
7a–7c ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Herstellungsverfahrens einer Spindel;
8a–8g schematische Darstellungen verschiedener Verbindungsstrukturen zwischen einem Kern und einem Mantel einer Spindel;
9a–9d schematische Darstellungen eines Verfahrens zur Gestaltung eines Wickeldornes zur Herstellung einer Kugelgewindespindel mit gewickeltem Mantel;
10a eine Kugelgewindespindel nach einem Ausführungsbeispiel;
10b eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Bereiches C (Drehmomenteinleitungsabschnitt der Kugelgewindespindel) nach 10a, und
11 eine perspektivische Ansicht der Spindel aus 10b.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Spindel 1 in Ausbildung als Gewindespindel, mit einem Kern 2 und einem äußeren Mantel 3. Der Mantel 3 weist zwei Materialschichten auf, von denen die eine Materialschicht 3a direkt auf einer Außenoberfläche des Kerns 2 aufgebracht ist, während die andere Materialschicht 3b eine Außenseite der Spindel 1 bzw. des Mantels 3 bildet. Die Materialschicht an der Außenseite des Mantels ist mit einem Außengewinde 4 versehen, dass auf herkömmliche Art aufgeschnitten wurde.
Auch der Kern 2, der hier als Rohr ausgebildet ist, weist mehrere Materialschichten auf (nicht dargestellt). Er besteht aus einem Faserverbundkörper, in mehreren Schichten gewickelter Verstärkungsfaserlagen, jeweils mit z. B. thermoplastischen Kunststoff bzw. Kunstharz getränkt und ausgehärtet, wobei die Verstärkungsfasern vorzugsweise Karbonfasern (Kohlenstofffasern) sind. Sie sind innerhalb des Kerns in Belastungsrichtung, insbesondere Hauptbelastungsrichtung, orientiert und weisen in verschiedenen Schichten gegebenenfalls weitere unterschiedliche Richtungen auf, um mechanische Kräfte bestmöglich aufzunehmen und weiterzuleiten.
Die Schichten des Mantels 3, die aus gegebenenfalls unterschiedlichen Stahllegierungen bestehen, sind durch thermisches Spritzen, insbesondere Lichtbogenspritzen, auf den Kern 2 aufgebracht. Ein solches Verfahren (z. B. Drahtlichtbogen-, Plasma-, Flamm- oder Laserspritzen) wird in der 6 schematisch näher erläutert.
Ferner zeigt 1, dass der Mantel 3 auch nur aus einer Hart-Materialschicht aufgebaut sein kann, auf der eine Kugel 5 eines Lagers läuft. Hierbei ist die eine Materialschicht 3c mit einer Ausnehmung 5a als Lauffläche versehen. Beim metallischen Material der Schicht 3c handelt es sich im vorliegenden Beispiel um eine harte widerstandfähige Schicht, vorzugsweise aus einer Stahllegierung bzw. um eine oxidkeramische Schicht. Im Allgemeinen besteht die Schicht 3 aus einer Mehrzahl von Schichten, die z. B. mit einer Schichtdicke von 100 μm bis 1000 μm, vorzugsweise ca. 500 μm, aufgespritzt wird. Mehrere abfolgende Schichten aus unterschiedlichen Legierungen, z. B. unter Einsatz von Eisen-Nickel-Legierungen zwischen Stahllegierungsschichten, sind für einen thermischen Spannungsabbau innerhalb der Schicht 3 vorteilhaft.
Des Weiteren zeigt 1, dass der Kern 2 hohl ausgebildet ist. Somit kann entlang der Längsachse ein Kühlmittel geführt werden, das die gesamte Spindel 1 kühlt.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der Kern 2 als faserverstärkter Kunststoffkörper mit ultrahochmoduligen Kohlenstofffasern gebildet. Zwischen Kern 2 und Schenkel 3 ist für eine enge kraft- und drehmomentenübertragende Verbindung Sorge getragen. Kern 2 und Mantel 3 sind stoff- und/oder form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunen. Die Spindel 1 nach dem Ausführungsbeispiel kann die weiteren, oben beschriebenen Merkmale derselben einzeln oder in Kombination aufweisen.
2 zeigt im Wesentlichen eine Spindel 1 nach 1, wobei an einem Ende der Spindel 1 ein Flansch 8 angeordnet ist. Der Flansch 8 weist an einer Seite einen Anschluss für einen Antriebsmotor oder für eine Einspanung der Spindel in ein Antriebsaggregat auf, wobei der Flansch 8 Verbindungsvorsprünge 9 aufweist, die in inniger Verbindung mit dem Faserverbund-Kern 2 und dem metallischen Mantel 3 sind, so dass eine problemlose Drehmomenteinleitung in die Spindel 1 möglich ist und die in diesem Zusammenhang im Verbindungsbereich zwischen Gewindespindel (Welle) 1 und Flansch 8 auftretenden Torsionsmomente, insbesondere bei auf die Gewindespindel 1 einwirkender Last sicher aufgenommen werden können und eine zuverlässige Drehmomentenübertragung von einem Antrieb auf die Spindel 1 gewährleistet ist. Vorzugsweise ist der Flansch 8 bereits werkzeugseitiger Dorn beim lagenweise Wickeln der Verstärkungsfaserbündel des Kerns 2 und auch Teil des Trägers (Kerns 2), auf den der Mantel 3 aus metallischen Schichten (Stahllegierungen) aufgespritzt wird.
Wie 2 ferner zeigt, stößt ein Vorsprung 9 des Flansches 8 an den Kern 2. Hingegen ist die Schicht 3a zwischen zwei Vorsprüngen 9 des Flansches 8 angeordnet. Die Schicht 3b ist zum einen auf einem Vorsprung 9 des Flansches 8 angeordnet, zum anderen stößt der Vorsprung 9 auf die Schicht 3a. Hierbei ist es aber auch möglich, dass der Kern 2 zwischen zwei Vorsprüngen 9 des Flansches 8 angeordnet ist oder aber die Schicht 3a direkt auf einen Vorsprung 9 stößt. Im Wesentlichen hat die Ausbildung des Flansches 8 mit Vorsprüngen und Ausnehmungen den Sinn, eine form- und/oder stoffschlüssige, wie auch kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Flansch 8 und dem Mantel 3 sowie dem Kern 2 bzw. der Spindel 1 zu schaffen, um eine glatte Einleitung des Drehmomentes in die Spindel 1 zu bewirken.
3a und 3b zeigen eine modifizierte Ausführungsform zu 1 und 2, bei der der Mantel 3 drei Abschnitte 3.1, 3.2 und 3.3 verschiedenen Durchmessers aufweist, wobei im Bereich eines mittleren Durchmessers des Abschnitts 3.2 eine Lagerungsanordnung 6 zur Drehlagerung der Spindel 1 in einem hier nicht dargestellten Gehäuse angeordnet ist. Die Lagerungsanordnung 6 kann gegen eine Schulter des Abschnitts 3.3 gespannt sein (nicht dargestellt). Ähnlich wie in den 1 und 2 kann auch hier in 2 der Mantel 3 ein hier nicht dargestelltes Gewinde aufweisen.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach 1 ist der Kern 2 der Spindel 1 in 3a, 3b nicht hohl. Ferner ist der Kern 2 aus Faserbundwerkstoff mit dem metallischen Mantel 3 (zusätzlich) über eine Welle-Nabe-Verbindung 7 verbunden. Auf diese Weise wird eine form- und kraftschlüssige Verbindung gewährleistet.
4a und 4b zeigen eine Spindel 1 ähnlich wie in 3. Ein Flansch 8 ist auf einem Abschnitt 3.1 nach 3a angeordnet, um einen Antrieb von einem Zahnriemen 10 über eine Kupplung 11 aufzunehmen.
In der Ausführung nach 4a und 4b ist abweichend von der Ausführung nach 3 der Kern 2 wiederum mit einem Innenhohlraum 12 zur Führung eines Kühlfluides oder Druckverbindungsfluides (Kern 2 – Mantel 3) sowie ein Mantel 3 mit Abschnitten 3.2 und 3.3 unterschiedlichen Durchmessers versehen. Eine Lageranordnung ist wiederum mit 6 bezeichnet.
In zwei weiteren Ausführungsbeispielen dargestellt, in 5a und 5b, ist die Spindel 1 wiederum mit einem hohlen Kern 2 aus faserverstärktem Kunststoff bzw. Kunstharz versehen.
5a und 5b zeigen die Spindel 1 schematisch mit einem detaillierteren Kern 2. Dabei ist in 5a dargestellt, dass der Kern 2 aus faserverstärktem Kunststoffmaterial besteht, dessen Faserbündel aus Verstärkungsfasern 13 in Umfangsrichtung der Spindel 1 angeordnet sind. Mit Hilfe einer derartig ausgestalteten Spindel 1 können insbesondere Kräfte und Momente in Umfangsrichtung besonders gut aufgenommen, aber auch erzeugt werden. Auch hier dient ein Hohlraum 12 innerhalb des hohlen Kerns 2 zur Führung eines Fluides, insbesondere Druckfluides, dargestellt durch Doppelpfeile 9, das der Erzeugung eines Haftverbindungsdruckes zwischen dem Kern 2 und dem aufgespritzten oder anderweitig verbundenen Mantel 3 aus metallischem Material dient, der sofern durch thermisches Spritzen hergestellt, insbesondere Lichtbogenspritzen ebenfalls aus einer Vielzahl von Schichten besteht, die hier nicht gezeigt sind.
In 5b hingegen ist das faserverstärkte Kunststoffmaterial des Kerns 2 mit seinen Verstärkungsfasern 13 in Längsrichtung der Spindel 1 ausgerichtet. Bei einer derartigen Ausgestaltung nimmt die Spindel 1 bevorzugt Kräfte entlang ihrer Längsachse auf und leitet diese weiter. Selbstverständlich ist es möglich, innerhalb eines Kerns 2 in mehreren Schichten die Verstärkungsfasern bzw. -faserbündel 13 sowohl in Längs- als auch in Umfangsrichtung anzuordnen. Auf diese Weise wird eine Spindel 1 geschaffen, die sowohl vorzugsweise in Umfangsrichtung als auch vorzugsweise in Längsrichtung Kräfte aufnehmen und weiterleiten kann. Dabei sind unterschiedliche Winkel der Verstärkungsfasern 8 zur Achse der Spindel, vorzugsweise im Bereich zwischen 30° und 60°, insbesondere 45° sowie mit entgegengesetztem Vorzeichen in abfolgenden Lagen (Schichten) möglich. Auch sind die oben genauer beschriebenen, weiteren Modifikationen anwendbar.
6 zeigt schematische Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Spindel 1, die einen inneren Kern 2 und einen äußeren Mantel 3 aufweist. Dabei ist abschnittsweise auf dem Mantel 3 ein Gewinde 4 angeordnet. Im ersten Verfahrensschritt aus 6 wird der Kern 2 aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial hergestellt, wobei die Verstärkungsfaserbündel 13 um einen Rohling oder Dorn 14, der als Innendurchmesser den Innendurchmesser des zu fertigenden Kerns 2 aufweist, gewickelt und mit Kunstharz getränkt bzw. schichtweise in, vorzugsweise thermoplastischem Kunststoff eingebettet werden. Es kann aber auch ein Kern 2 mittels Pultrusion, einem Strangziehverfahren für faserverstärkte Kunststoffmaterialien, hergestellt werden. Anschließend wird in einem weiteren Verfahrensschritt der Mantel 3 der Spindel 1 durch thermisches Spritzen, vorzugsweise Aufspritzen von unterschiedlichen Schichten in einem Lichtbogen-Aufspritzen durch eine Lichtbogen-Aufspritzeinrichtung 15 erzeugt.
Hierbei kommen unterschiedliche Materialien zum Einsatz, wie z. B. Metall auf Stahl-Legierungsbasis. Auf den so gebildeten Metallmantel 3 der Spindel 1 wird ein Gewinde geschnitten. Auch oxidkeramische und/oder carbidische Werkstoffe, die sich insbesondere für Lagerflächen von Wälzlagern können den Mantel 3 oder eine Schicht derselben bilden. Bei diesem dargestellten Verfahrensschritt des thermischen Spritzens kann es sich um bevorzugt Drahtlichtbogen-, Plasma-, Flamm- oder Laserspritzen handeln. Der Vorgang des thermischen Spritzens wird so oft wie nötig mit unterschiedlichen Materialien, insbesondere mit Stahllegierungen, gegebenenfalls unterbrochen durch Spannungsverminderungsschichten, wie z. B. FE-Ni-Schichten, realisiert, bis die gewünschte Schichtdicke des Mantels 3 (z. B. 10 mm) erreicht ist. Hierbei nehmen vorzugsweise die Schichtdicken ausgehend von dem z. B. kohlenstofffaserverstärkten Kern 2 in der Dicke zu.
Zu Beginn sind die Schichten sehr dünn gewählt, um eine gute Adhäsion auf dem faserverstärkten Kunststoffmaterial des Kerns 2 zu erreichen. Im vorliegenden Fall ist es bevorzugt, die erste Schicht 3a mit einer Dicke von 500 μm auf den Kern 3 zu fertigen, um mit zunehmender Entfernung vom Kern 2 dickere Schichten aufzuspritzen, damit der Fertigungsprozess beschleunigt wird. Anschließend wird die Spindel 1 weiterbearbeitet, z. B. wie eine herkömmliche Vollmaterialspindel überdreht bzw. mit einem Außengewinde 4 versehen.
Ferner wird beim Bilden des Mantels 3 durch thermisches Spritzen das Kunststoff-/Kunstharz-Matrixmaterial des Kerns 2 aufgeschmolzen und verdrängt, so dass das Metall in innige Verbindung mit den Faserbündeln 13 des Verstärkungsmaterials tritt, so dass eine mechanisch hochbelastbare Stoffschluss-Verbindung (auch Formschluss) an der Grenzschicht zwischen Kern 2 und Mantel 3 entsteht.
Gemäß 6b wird vorzugsweise vor dem Ausbilden des Mantels 3 der Spindel 1 das Matrixmaterial des hergestellten Kerns 2 oberflächig durch eine Wärmequelle 16 auf- oder angeschmolzen, um eine festere, stoffschlüssige Verbindung zu den aufgespritzten Hartstoff-Materialschichten, hier Stahllegierungsschichten des Mantels 3 zu schaffen. Gegebenenfalls kann dieser Verfahrensschritt aber auch entfallen, da das aufgespritzte Metall selbst für ein An- oder Aufschmelzen des Matrix-Materiales und eine innige Verbindung zu den dann „angreifbaren” Verstärkungsfaserbündeln 13 (C-Faserbündel) sorgt.
Anstelle des Anschmelzens des Matrixwerkstoffes kann der Kern auch vorab gereinigt werden, um etwaige lose Partikel, die sich auf dem Kern gesammelt haben, zu beseitigen. Aber auch eine mechanische Vorbearbeitung ist möglich, wie z. B. ein Aufrauhen der Oberfläche, wodurch die Oberfläche im Grenzgebiet bzw. Kontaktfläche zwischen Kern 2 und Mantel 3 erhöht wird und die Verbindungsfestigkeit zwischen diesen verbessert wird.
7 zeigt ein alternatives Verfahren zur Herstellung einer Spindel 1, die einen inneren Kern 2 und einen äußeren Mantel 3 aufweist. Hierbei wird der Kern 2 identisch zu den Verfahren aus 6 hergestellt, so dass auf die dort angegebenen Verfahrensschritte (schichtweises Wickeln) oder Pultrusion od. ähnl. Faserbundkörperherstellungen verwiesen wird.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel aus 6 wird in 7 der Mantel 3 aus einem metallischen Vollmaterial durch Kernbohren und durch zumindest abschnittsweises Gewindeschneiden auf der Außenseite des Mantels 3 erstellt. Selbstverständlich kann das Gewindeschneiden vor dem Kernbohren erfolgen. Im Anschluss werden die sich kontaktierenden Flächen des Kerns und des kerngebohrten Mantels vorbehandelt. Dabei handelt es sich um einen Reinigungsvorgang, der lose Partikel von der Oberfläche entfernt. Zusätzlich kann auch noch die metallische Oberfläche des kerngebohrten Mantels 3 gebeizt werden, um Oxide und Komponenten zu entfernen, die den Stoffschluss beeinträchtigen. Aber auch die mechanische Vorbehandlung des Mantels bzw. dessen Innenseite kann durch Ausbilden eines Innengewindes und einer innengewindeähnlichen Vorbehandlung vorbereitet werden. Anschließend kann der Kern 2 in den kerngebohrten Mantel 3 eingesetzt werden. Dabei ist es möglich, dass der Kern außenseitig ein Gewinde aufweist, das in das vorbereitete Innengewinde des Mantels 3 eingreift. Vorzugsweise wird der Faserverbundmaterialkern 2 jedoch in den Mantel mit Übermaß eingepresst.
Wie 7 zeigt, kann vor dem Einsetzen des Kerns 2 der Mantel 3 erwärmt werden, um einen größeren Innendurchmesser zu erzeugen. Hierauf wird der Kern 2 eingeführt, wobei der Außendurchmesser d des Kerns 2 größer ist als der erkaltete Innendurchmesser D des Mantels 3. Auf diese Art und Weise wird ein extrem fester Form- und Kraftschluss zwischen Kern 2 und Mantel 3 erreicht.
Für eine stoffschlüssige Verbindung kann die Matrix des Kerns 2 angeschmolzen werden und auch der Mantel 3 auf der Innenseite erreicht werden, wie 7 zeigt. Die Grenzschichten beider Teile sind dazu in einen heißen, verformbaren Zustand vorhanden, der es erlaubt, dass die Matrix des Kerns 2 und der metallische Werkstoff des Mantels 3 in einem Mikro-Eingriff kommen, wodurch eine besonders gute Festverbindung zwischen Kern 2 und Mantel 3 geschaffen wird, der eine spätere Ablösung des Mantels 3 vom Kern 2 verhindert. Im Anschluss an das Erwärmen des Mantels wird die zusammengefügte Spindel, wie 7 zeigt, abgekühlt, wodurch auch der Mantel 3 seinen Innendurchmesser verringert und einen engen Pressverband mit dem Kern 2 erzeugt. Auch ist hier dargestellt, dass der Kern 2 hohl ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass der Kern 2 von der Innenseite beim Schritt des Verbindens durch eine Druckbeaufschlagung mittels eines Fluides L auf einfache Weise gegen die Innenseite des Mantels 3 gepresst werden kann. Somit kann, insbesondere mit der Druckbeaufschlagung, eine noch festere Verbindung erzeugt werden.
8a bis 8g zeigen form-, stoff- und kraftschlüssige Fügeverbindungen eines Kerns 2 aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial innerhalb eines Mantels 3 aus Metall. Die Fügeverbindungen aus den genannten Figuren werden im Wesentlichen durch das in 7 geschilderte Verfahren hergestellt. Im Gegensatz zu dem Verfahren aus 7 schließt sich nach dem Bohren aus Schritt a ein Formschritt an, der die Innenseite des hohlzylindrischen Mantels 3 konturiert.
Hierbei zeigt 8a eine N-Punkt-Verzahnung zwischen dem Mantel 3 und dem Kern 2. die einzelnen Zähne sind pyramidenförmig ausgestaltet und mittels Drehens und Fräsens erstellt. Der Vorteil einer N-Punkt-Verzahnung liegt in der hohen Anzahl von Lasteinleitungspunkten, die die zu übertragende Kraft auf die N-Punkte verteilt, so dass Lastspitzen vermieden werden und eine vielpunktige Krafteinleitung ermöglicht wird.
8b zeigt eine Alternative zur form- und kraftschlüssigen N-Punkt-Verzahnung, nämlich eine wellenförmige Konturierung der Innenseite des hohlzylindrischen Mantels 3. Hierbei sind anstelle der N-Punkte bzw. der Zähne entlang der Spindelachse ringförmige Ausnehmungen angeordnet, die bei Betrachtung auf die Längsachse eine wellenförmige Anordnung ergeben. Eine solche Konturierung kann beispielsweise durch einen Drehvorgang, aber auch durch einen Fräsvorgang erreicht werden. Vorteilhaft daran ist, dass im Vergleich zur N-Punkt-Verzahnung eine einfache Form kostengünstig erstellt werden kann. Ferner werden aufgrund der großen Übergangsradien zwischen den einzelnen Ringsegmenten Faserschädigungen auf ein Minimum reduziert.
Sowohl die wellenförmige Konturierung, als auch die N-Punkt-Verzahnung realisieren auf einfache Weise einen Formschluss. Ferner kann auch mit beiden ein Kraftschluss erreicht werden, in dem, ähnlich dem Schritt b aus 7, der Mantel 3 erwärmt wird und sich somit ausdehnt. Durch die Dehnung wird das Volumen innerhalb des Hohlzylinders erhöht, wodurch nach dem Einbringen des faserverstärkten Hohlprofils und Abkühlung die Normalkräfte zwischen Kern und Mantel steigen, so dass eine kraft-, stoff- und formschlüssige Verbindung entsteht.
8c zeigt eine weitere Möglichkeit für eine form- und kraftschlüssige Verbindung. Hierbei weist der Mantel 3 am Spindelende einen Konus auf, der im Anschluss an das Bohren des Mantels formgebohrt wird. Vorteilhaft an einer derartigen Ausgestaltung ist die einfache Gestaltung mittels zwei Bohrern, die die Innenkontur des Mantels 3 für eine form- und kraftschlüssige Verbindung vorbereiten.
Im Gegensatz zu den vorigen 8a bis 8c zeigt die 8d eine formschlüssige Fügeverbindung mittels einer konischen Schraubverbindung. Im Gegensatz zu den vorhergenannten Fügeverbindungen ist die konische Schraubverbindung nur in der Lage, einen Formschluss zu gewährleisten. Hierbei wird nach dem Bohren des Mantels 3 und dessen Innenkonturierung ein vorkonturierter Kern 2 eingeschraubt.
Der Kern wird dabei einer mechanischen Vorbearbeitung unterworfen, die ein dementsprechendes Gewinde außenseitig aufbringt. Nicht dargestellt, aber dennoch möglich, ist die Ausgestaltung eines hohlen vorkonturierten Kerns für eine konische Schraubverbindung, so dass das geschilderte Verfahren aus 7 mit dem Erwärmen von Kern und Mantel (7 Schritt b) und der anschließenden Druckbeaufschlagung mittels eines Fluides zur Erhöhung der Passform sowie des Formschlusses (7 Schritt c) ebenfalls möglich ist. Anstelle einer konischen Schraubverbindung ist selbstverständlich auch eine gängige (normale) nicht konische Schraubverbindung möglich. Vorzugsweise sind ähnlich zu der Ausgestaltung aus 8b die Übergangsradien einer solchen Schraubverbindung groß gewählt, um eine Faserschädigung zu vermeiden.
Vorteilhaft an einer derartigen Schraubverbindung ist die hohe Profilsteifigkeit bei Ausgestaltung des Kerns aus einem Vollmaterial, sowie die einfache Handhabung durch separate Fertigung und Montage der einzelnen Teile, Kern 2 und Mantel 3.
In 8e ist eine alternative Form formschlüssige Fügeverbindung für einen zylindrischen Hohlmantel 3 und einen Kern 2 aus einem faserverstärkten Kunststoff dargestellt. Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine Passfederverbindung, bei der der Kern 2 sowie der Mantel 3 eine Einkerbung zum Einsetzen der Passfeder 100 ausweisen. Obwohl 8e einen Kern aus einem Vollmaterial aufweist, ist es auch hier möglich, einen hohlen Kern für eine Passfederverbindung zu verwenden. Dieser ermöglicht es, das Verfahren aus 7 analog anzuwenden, wodurch neben der formschlüssigen Fügeverbindung auch eine kraftschlüssige erzeugt werden kann. Bei Verwendung eines Vollmaterials für den Kern 2 können die Verfahrensschritte aus 7a und b analog durchgeführt werden, wobei beim Einsetzen des Kerns 2 in den Hohlzylinder 3 die zuvor eingebrachten Kerben für das Einsetzen der Passfeder deckungsgleich positioniert werden müssen. Im Unterschied zum Verfahren aus 7 entfällt der letzte Schritt (7c), nämlich die Druckbeaufschlagung des Kerns.
Vorteilhaft an einer derartigen Passfederverbindung ist die Profilsteifigkeit durch das Vollmaterial des Kerns sowie die einfache Handhabung durch die separate Fertigung und Montage.
Wie 8f zeigt, ist es möglich, den Kern 2 mit dem Mantel 3 über eine kraftschlüssige Fügeverbindung mittels einer Spannvorrichtung zu realisieren, die eine Spannhülse 101, eine Schraubmutter 102, eine Schraube 103 sowie einen Deckel 104 aufweist. Ferner weist der Kern 2 eine kegelstumpfförmige Ausnehmung an seinem Ende auf. Darin befindet sich eine ebenfalls kegelstumpfförmige Spannhülse 101, in deren Mitte eine Schraubmutter 102 angeordnet und fest mit der Spannhülse 101 verbunden ist. Am Ende der Spindel 1 bzw. am Ende des Kerns 2 und des Mantels 3 befindet sich ein Deckel 104, in dessen Mittelpunkt eine Schraube 103 durch geführt ist, die in die Schraubmutter 102 der Spannhülse 101 eingreift. Somit ist es möglich, durch Einschrauben der Schraube die Spannhülse in Richtung des Deckels 104 zu bewegen und somit den Deckel gegen den Mantel 3 zu spannen.
Damit die Spannhülse 101 mit ihrer Mutter 102 möglichst hohe Kräfte aufnehmen und weiterleiten kann, ist die Mutter an ihrem vom Deckel weggerichteten Ende mit Vorsprüngen 105 versehen, die die Kontaktoberfläche zur kegelstumpfförmigen Spanhülse erhöhen. Im vorliegenden Beispiel ist der Kern um die Spannhülse 101 herum formgenau angepasst. Das heißt, dass die Spannhülse bei Herstellung des Kerns 2 bereits eingesetzt worden ist, und dass diese nur unter Zerstörung der kegelstumpfförmigen Aufnahme des Kerns 2 entfernt werden kann.
Der Deckel 104 weist vorzugsweise zwei zylindrische Absätze 106, 107 auf, die zusammen den Mantel 3 umgreifen. Dabei dient der konzentrisch zum äußeren angeordnete innere Absatz 107 ferner dazu, den Kern 2 innerhalb des Mantels 3 zu zentrieren. Auch ist es möglich, den Kern 2 nach einem der vorgenannten Ausführungsbeispiele der 8a bis 8e mit dem Mantel zu verbinden und somit den inneren Absatz einzusparen und dennoch den Kern mit dem Mantel zu verspannen.
Mittels der kraftschlüssigen Fügeverbindung aus 8f ist eine hohe Profilsteifigkeit aufgrund des Vollmaterials des Kerns 2 möglich. Ferner erlaubt eine derartige Verbindung den Kern sowie den Mantel aber auch den Deckel getrennt zu fertigen, wodurch große Toleranzen möglich sind, sodass die Fertigung kostensparender arbeiten kann.
8g zeigt eine stoffschlüssige Fügeverbindung. Hierbei wird der Kern 2 auf den Mantel 3 geklebt, wobei an der Kontaktfläche ein Adhäsionsmittel 108 (Klebstoff) angebracht ist. Auch ist es möglich, einen hohlen Kern 2 gemäß den Schritten aus 7a und b zu verwenden und zusätzlich zum Kleben den Schritt der Druckbeaufschlagung der Innenseite des hohlen Kerns 2 aus (7c) durchzuführen. Auf diese Art und Weise wird die Klebeverbindung zusätzlich verstärkt. Ferner wird durch die Erwärmung des Mantels 3 aus dem Schritt b von 7 das Volumen innerhalb es hohlzylindrischen Mantels 3 erhöht, so dass neben der stoffschlüssigen Adhäsionsverbindung auch eine kraftschlüssige Verbindung ermöglicht wird. Vorteilhaft erweist sich die Verwendung eines Adhäsionsmittels für die Verkürzung der Prozesskette, wodurch Kosten einsparbar sind.
9a–d zeigen ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Spindel 1. Hierbei wird die Spindel 1 im Wesentlichen gemäß dem Verfahren aus 6 erstellt.
Im ersten Verfahrensschritt wird ein faserverstärkter Kunststoffstab 120 durch Pultrusion und/oder Wickeltechnik erstellt. Der Kunststoffstab weist konturlose Oberflächen sowie zwei Durchmesser auf, von denen der dünnere jeweils an den Enden des Stabes 120 angeordnet ist.
Über eines der Enden wird ein hohlzylindrischer erster Flansch 130 (Drehmomenteneinleitungsabschnitt) geschoben (9a und 9b). Der einteilige Flansch weist zwei Bestandteile auf, einen hohlzylindrischen Teil 121 zur Aufnahme des Stabendes und einen Anschlussteil mit einem Außengewinde 122. Der hohlzylindrische Teil ist innenseitig konturlos, wodurch der Flansch 130 einfach auf das Stabende geschoben werden kann. Jedoch ist es möglich, Konturen auf die Zylinderinnenfläche des hohlzylindrischen Teils sowie auf die zylindrische Außenfläche des Stabes aufzubringen, beispielsweise ein Gewinde, so dass das Stabende mit der hohlzylindrischen Aufnahme formschlüssig verbindbar ist.
Um im Falle von zwei konturlosen Flächen eine Verbindung eines Stabendes mit dem hohlzylindrischen Teil zur Aufnahme zu schaffen, kann es vorteilhaft sein, beide miteinander zu verkleben, ähnlich der Ausführung aus 8g.
Wie 9a und 9b zeigen, weist der hohlzylindrische Bestandteil außenseitig Nuten 131 für einen Formschluss auf. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere für die Schaffung einer höchstbelastbare Bindung zwischen dem Stab und dem hohlzylindrischen Bestandteil mittels der Wickeltechnik von Vorteil.
Das Anschlussteil 122 des ersten Flansches 130 (Drehmomenteneinleitungsabschnitt) weist ein Außengewinde auf, mit dem die fertiggestellte Spindel 1 an einem Motor oder an einer Kupplung befestigbar ist (nicht dargestellt). Zwischen dem hohlzylindrischen Bestandteil 121 und dem Anschlussteil mit Außengewinde 122 des Flansches 130 ist ein Absatz im Übergangsbereich angeordnet. Dieser dient als Begrenzungsmarke, die den Wickelbereich für die Wickeltechnik eingrenzt.
Nach dem Ankleben des Flansches 130 an das Stabende, wird der Stab zusammen dem hohlzylindrischen Bestandteil 121 dem nächsten Verfahrensschritt zugeführt.
Hier wird die Oberflächenrauhigkeit des Stabes erhöht, beispielsweise durch einen Schleifvorgang oder aber durch ein chemisches Verfahren, dass die Matrix aus dem faserverstärkten Kunststoff anlöst, so dass die obersten Lagen des Stabes bzw. die oberste Lage nur noch teilweise eine Matrix aufweist. Auch vorstellbar ist das Aufrauen mittels Überdrehen in einer Drehmaschine.
Im Anschluss daran wird der Stab zusammen mit dem Flansch mittels der sogenannten Wickeltechnik verbunden. Dieser Schritt wird ähnlich dem Schritt aus 6a durchgeführt. Hierbei kann es sich um ein sogenanntes Nasswickelverfahren handeln, dass zu einem Formschluss zwischen dem kunststofffaserverstärkten Stab und dem Flansch führt. Die Anordnung aus erstem Flansch 130 (Drehmomenteneinleitungsabschnitt) und Stab 120 ist vorzugsweise mit 45° Lagen umwickelt. Die Schichtdicke, die in dem Wickelschritt aufgetragen wird, liegt in der Größenordnung von 6 mm. Jedoch ist die Schichtdicke mindestens so gewählt, dass die äußere Kontur des hohlzylindrischen Bestandteils des Flansches nicht mehr sichtbar ist.
Im Anschluss an das Wickeln wird die vorgefertigte Spindel bestehend aus dem umwickelten Stab und dem umwickelten Flansch thermisch nachbehandelt. Dies kann sowohl durch Kalt- als auch Warmhärten geschehen und zusätzlich ein Tempern umfassen.
Zur Vorbereitung für den nächsten Verfahrensschritt wird die ausgehärtete Oberfläche aus dem Wickelverfahren mechanisch vorbearbeitet. Das heißt, die Oberfläche wird erneut aufgeraut, beispielsweise durch einen Drehvorgang oder aber durch ein grobkörniges Schleifen oder aber durch erneutes An- und Ablösen der Matrix aus dem aufgewickelten faserverstärkten Kunststoff.
Im Anschluss daran wird ein weiterer Flansch 123 über das Außengewinde des Anschlussteils 122 des Flansches 130 geschraubt. Hierbei ist der zweite Flansch 123 hohlzylindrisch ausgeführt. An einem seiner Enden weist er ein Innengewinde auf, mit dem er auf das Außengewinde des Anschlussteils 122 des ersten Flansches 130 (Drehmomenteneinleitungsabschnitt) aufgeschraubt ist, wie 9d zeigt.
Der zweite Flansch 123 hat zwei unterschiedliche Innendurchmesser, von denen der kleinere am Ende des Flansches angeordnet ist und ein Innengewinde aufweist. Das andere Ende weist einen größeren Innendurchmesser auf, der in der Größenordnung des Außendurchmessers des umwickelten Zwischenprodukts bestehend aus Stab 120 und erstem Flansch 130 liegt. Der Bereich mit dem größeren Durchmesser weist auf seiner Außenseite Ausnehmungen 125 auf, die unterschiedliche Formen aufweisen können. Wie in 9c und d dargestellt, kann es sich bei den Ausnehmungen um kreisförmige Löcher handeln. Es sind aber auch Längsnuten oder Quernuten und stern- und sechs- sowie polygonförmige Formen denkbar. Hinsichtlich der Formenwahl sind keine Grenzen gesetzt.
Nach dem Aufdrehen des zweiten Flansches 123 wird die Gesamtanordnung bestehend aus dem zusammen mit dem Stab umwickelten ersten Flansch 130 und dem zweiten Flansch 123 dem Verfahrensschritt aus 6c, dem thermischen Spritzen, unterworfen.
Bei diesem Verfahrensschritt werden mehrere metallische Schichten aufgebracht. Bevorzugt ist das Aufspritzen einer Eisennickelschicht abwechselnd mit einer Stahlschicht. Die Eisennickelschicht dient dazu, die Gefügespannungen der Stahlschicht zu kompensieren. Folglich ist es somit möglich, Schichteigenspannungen durch den sequenziellen Lagenaufbau zu reduzieren.
Nach dem Aufbringen der Schichten sowie dem Abkühlen des Bauteils ist es nun möglich, in einem weiteren Verfahrensschritt die so gefertigte Spindel 1 sauber zu drehen und beispielsweise eine Kugelbahn für eine Kugelgewindespindel einzubringen.
10a zeigt eine erfindungsgemäße Spindel 1, die mithilfe des Verfahrens aus 9a–d hergestellt wurde. In 10b ist der kreisförmig umrandete Bereich der Spindel 1 vergrößert dargestellt. So zeigt 10b einen Stab 120 aus einem faserverstärkten Kunststoff und einen darauf aufgeschobenen ersten Flansch 130 (Drehmomenteneinleitungsabschnitt), der aus einem Vollmaterial ausgebildet ist. Der Kunststoffstab 120 wurde durch Pultrusion und/oder Wickeltechnik erstellt und weist zwei Durchmesser auf, wobei der Flansch 130 über den kleineren Durchmesser geschoben ist.
Der erste Flansch 130 weist zwei Bestandteile auf, einen hohlzylindrischen Teil 121 zur Aufnahme des Stabendes und einen Anschlussteil mit einem Außengewinde 122, woran ein Motor oder an eine Kupplung befestigbar ist (nicht dargestellt). Der hohlzylindrische Teil 121 ist innenseitig konturlos und auf das Stabende aufgeschoben oder zusätzlich mittels eines Adhäsionsmittels verbunden.
Außenseitig hat der hohlzylindrische Teil 121 des ersten Flansches 130 (Drehmomenteneinleitungsabschnitt) mehrere Nuten 131, die zusammen mit dem Stab von faserverstärktem Kunststoffmaterial 124 umwickelt und ausgehärtet sind. Ferner ist zwischen dem hohlzylindrischen Bestandteil 121 und dem Anschlussteil mit Außengewinde 122 des Flansches 130 ein Absatz angeordnet, gegen den ein zweiter Flansch 123 geschraubt ist.
Das faserverstärkte Kunststoffmaterial 124, das um den ersten Flansch 130 und den Stab 120 gewickelt ist, ist in einer Schichtdicke aufgetragen, die die Nuten 131 vollständig aufnimmt, so dass die äußere Kontur des hohlzylindrischen Bestandteils des Flansches verschwindet.
Über den ersten Flansch 130 ist ein zweiter Flansch 123 angeordnet. Der zweite Flansch 123 ist ebenfalls hohlzylindrisch ausgeführt und weist an einem seiner Enden ein Innengewinde auf, mit dem er auf das Außengewinde des Anschlussteils 122 des ersten Flansches 130 aufgeschraubt ist. Das andere Ende hat einen größeren Innendurchmesser, der in der Größenordnung des Außendurchmessers des von faserverstärktem Kunststoff eingeschlossenen Stabes 120 und erstem Flansch 130 liegt.
Der zweite Flansch 123 weist im Bereich mit dem größeren Durchmesser auf seiner Außenseite Ausnehmungen 125 auf, die unterschiedliche Formen haben können. Wie in 10b dargestellt, kann es sich bei den Ausnehmungen um kreisförmige Löcher handeln. Es sind aber auch Längsnuten oder Quernuten und stern- und sechs- sowie polygonförmige Formen denkbar. Hinsichtlich der Formenwahl sind diverse Formen denkbar.
Auf den zweiten Flansch 123 sind mehrere metallische Schichten aufgespritzt, wobei sich eine Eisennickelschicht mit einer Stahlschicht abwechselt. Die Eisennickelschichten dienen dazu, die Gefügespannungen der Stahlschichten zu kompensieren. Folglich ist es somit möglich, Schichteigenspannungen durch den sequenziellen Lagenaufbau zu reduzieren. In die metalischen Schichten ist ein Gewinde 126 für Kugeln eingeschnitten.
11 zeigt die Spindel 1 aus 10a und b in einer perspektivischen Ansicht mit einem ersten Flansch 130 und einem zweiten 123.
So ist auch hier ein Stab 120 aus einem faserverstärkten Kunststoff aus einem Vollmaterial und einen daran anschließenden ersten Flansch 130, ebenfalls aus einem Vollmaterial ausgeführt, dargestellt. Der erste Flansch 130 ist identisch dem ersten Flansch aus 10b aufgebaut, mit einem hohlzylindrischen Bestandteil 121 und einem Anschlussteil mit Außengewinde 122. Der hohlzylindrische Bestandteil 121 weist ebenfalls an seiner Außenseite eine Konturierung (Nuten 121) auf, die einen Stoffschluss mit einem umwickelten faserverstärkten Kunststoff ermöglicht.
Im Anschluss an den überwickelten ersten Flansch 130 und den Stab 120 ist der zweite Flansch 123 auf das Außengewinde des Anschlussteils 122 des ersten Flansches aufgeschraubt.
Auf den zweiten Flansch 123 und auf den umwickelten ersten Flansch 130 (Drehmomenteneinleitungsabschnitt) mit dem umwickelten Stab 102 mittels thermischen Spritzens diverse Metallschichten aufgebracht. Hierbei wechseln sich Eisennickelschichten mit Stahlschichten ab. Vorteilhaft bei einer derartigen Ausführung ist es, wenn zu Beginn des thermischen Aufspritzens die Schichtdicken möglichst dünn gewählt werden, um eine bessere Adhäsion mit der aufgerauten Oberfläche des Zwischenbauteils zu erreichen.
Die Spindel, hier als Prototyp eines Bauteiles, das Momente überträgt, zeichnet sich nach den Ausführungsbeispielen vorzugsweise aus durch:

– Kern (2) bestehend aus Faserkunststoffverbund, Mantel (3) bestehend aus durchgängiger, vorzugsweise metallischer Funktions- und Tragschicht,
– Faserorientierung des Kerns (2) zur Realisierung der Torsions- und Axialsteifigkeit sowie -festigkeit,
– Wärmeausdehnungskoeffizient des hybriden Bauteils nahe null zur Realisierung von Fest-Fest-Lagerung,
– Integration von Flanschkomponenten zur Einleitung des Antriebsmoments, gezielte Erzeugung von Form-, Kraft- und Stoffschluss,
– die metallischen Funktionsschichten werden vorzugsweise mittels thermisches Spritzen (Drahtlichtbogenspritzen) erzeugt (Mehrlagentechnik).

Die Erfindung gestattet die Herstellung und die konstruktive Gestaltung einer „Hybrid-Spindel” mit einem metallischen Außenbereich, der wie eine übliche Vollmaterial-Stahlspindel behandelt und bearbeitet werden kann (z. B. zur Ausbildung als Kugelgewindespindel) und einem faserverstärkten Kunststoffkörper/Kunstharzkörper bestehenden, inneren Kernbereich, der allen Fertigkeits- und Belastungsanforderungen einer Spindel oder Welle entspricht.
Diese kann daher mit wesentlicher Gewichtsreduktion gegenüber herkömmlichen Spindeln oder Wellen (oder auch Achsen) hergestellt und daher mit wesentlich verminderter Antriebsenergie, die sich dann praktisch unvermindert aus dem Einsatzzweck der Spindel bemißt in praktischem Betrieb abgetrieben werden (energieeffiziente Spindel).
Vorzugsweise ist ein zur Drehmomenteinleitung in die Spindel 1 vorgesehener Endabschnitt derselben durch schichtweises Generieren (Rapid Prototyping) eines entsprechenden Kraftübertragungsabschnittes versehen, vorzugsweise mit einem Außengewindeabschnitt, z. B. durch schichtweises Laserstrahl-Aufschmelzen eines pulvermetallurgischen Titan-Materiales (Pulvers) gebildet.
Für die Ausbildung von Profilierungen auf der Außenoberfläche der Spindel, bzw. z. B. zum Ausbilden einer Gewindespindel, z. B. einer Kugelgewindespindel mit verhältnismäßig größeren Kugelkanälen kann eine entsprechende Profilierung oder Vor-Profilierung auch bereits bei der Kernherstellung, insbesondere beim Wickeln von äußeren Lagen des Verstärkungs-Faserbündelmaterials (und deren Imprägnierung mit Matrixmaterial) berücksichtigt und vorgesehen werden.
Das thermische Aufspritzen des Metallmantels der Spindel erfolgt dann bereits auf eine als Gewinde oder Vorgewinde profilierte Oberfläche des Kerns, so dass eine spätere Endverarbeitung z. B. spanende oder umformtechnische Endfertigung eines Außengewindes der Gewindespindel oder von Abschnitten einer solchen vereinfacht und mit geringem Aufwand durchgeführt werden kann.
Die Erfindung kann auch im weiten Rahmen überall dort angewandt werden, wo im Leichtbau mit geringeren Energieeinsatz gearbeitet werden und Drehmomente übertragen werden müssen, z. B. auch im Fahrzeug- oder Flugzeugbau, bei Knickstäben od. dgl.. D. h., die Erfindung ist auf die Herstellung oder Ausbildung von Spindeln, Wellen, Kugelumlauf- oder Gewindespindeln oder ähnliche rotierende Bauteile beschränkt. Sie kann bei statischen Torsionsmomentübertragungen zwischen zwei, vorzugsweise koaxialen Bauteilen eingesetzt werden.
Die Erfindung betrifft eine Spindel, insbesondere Gewindespindel und ein Verfahren zu deren Herstellung, wobei ein Kern und ein Mantel vorgesehen ist, der Kern aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere kohlefaserverstärktem Kunststoff- oder Kunstharzmaterial und einem Hartstoffbaumaterial-Außenmantel, vorzugsweise bestehend aus einer oder mehreren Stahllegierungen, die vorzugsweise in einem thermischen Spritzverfahren, vorzugsweise Lichtbogenspritzen, auf den Faserverbundkörper schichtweise aufgespritzt werden.
Für drehmomentübertragende Verbindungen ist auf diese Weise eine Leichtbau-Bauteilkombination erreichbar, die sich durch hohe Energieeffizienz und massive Gewichtseinsparung gegenüber Vollmaterial-Stahlbauteilen auszeichnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 657 [0039]

Claims

Spindel (1), insbesondere Gewindespindel, mit einem inneren Kern (2) und einem äußeren Mantel (3), wobei der Mantel (3) zumindest abschnittsweise eine Hartschicht-Konfiguration und der Kern (2) ein Faserverbundmaterial aufweist.
Spindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) und der Mantel (3) jeweils mindestens eine Materialschicht aufweisen.
Spindel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartschicht-Konfiguration Stahllegierungen, vorzugsweise lufthärtende Stahllegierungen, vorzugsweise in Verbindung mit Spanungsminderungsschichten, wie Fe-Ni-Legierungen, aufweist.
Spindel nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (3) durch thermisches Spritzen mit Metall, oxidkeramischen Werkstoffen und/oder carbidischen Werkstoffen auf den Kern (2) aufgebracht ist, insbesondere durch Lichtbogen-, Plasma-, Flamm- oder Laserspritzen.
Spindel nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Materialschicht des Kerns (2) aus faserverstärktem Kunststoff- oder Kunstharzmaterial, insbesondere mit mindestens einer Faserorientierung der Verstärkungsfasern oder -faserbündel (13) in einer Hauptbelastungsrichtung, insbesondere in einer Längsrichtung (L) und/oder in einer Umfangsrichtung (U) der Spindel (1), vorgesehen ist.
Spindel nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Materialschicht des Mantels (3) zumindest abschnittsweise auf dem Kern (2) angeordnet ist.
Spindel nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Drehmomenteinleitungsabschnitt (130).
Spindel nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein Außengewinde (4), insbesondere Kugelbahnen einer Kugelumlaufspindel.
Spindel nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen mehrschichtigen Aufbau des Kerns (2) und das Mantels (3).
Spindel nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) ein Wickeldorn (14), insbesondere in Verbindung mit einem Vollmaterialstab aus faserverstärktem Kunststoff oder Kunstharz und einem Wickel oder Formkörper aus faserverstärktem Kunststoff oder Kunstharz aufweist.
Spindel nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickeldorn (14) einen Aufnahmeschritt für eine Penetrier- und Drehmomentübertragungshülse (130) bildet, die im Grenzbereich zwischen Kern (2) und Mantel (3) eingesetzt und von dem Wickeldorn (14) abgestützt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Spindel (1), die einen inneren Kern (2) und äußeren Mantel (3) aufweist, insbesondere einer Spindel nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 11, mit folgenden Schritten: Erstellen des Kerns (2) aus einem faserverstärktem Kunststoffmaterial, insbesondere aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff oder Kunstharz, vorzugsweise hergestellt mittels Pultrusion und/oder Wickeltechnologie, Erstellen des Mantels (3) durch thermisches Spritzen mit Metall, oxidkeramischen Werkstoffen und/oder carbidischen Werkstoffen auf den Kern, insbesondere durch Drahtlichtbogen-, Plasma-, Flamm- oder Laserspritzen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Erstellens des Mantels (3) ein Vorbehandeln des Kerns (2) umfasst, insbesondere ein Reinigen, Beizen und/oder eine mechanische Vorbearbeitung vorzugsweise ein Aufrauhen der Oberfläche.
Verfahren zur Herstellung einer Spindel, die einen inneren Kern (2) und einen äußeren Mantel (3) aufweist, insbesondere einer Spindel nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 11, mit folgenden Schritten: Erstellen des Kerns (2) aus einem faserverstärktem Kunststoffmaterial, insbesondere aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff und Kunstharz, vorzugsweise hergestellt mittels Pultrusion und/oder Wickeltechnologie, Erstellen des Mantels (3) aus einem Vollmaterial durch Kernbohren und durch zumindest abschnittsweises Gewindeschneiden auf einer Außenseite des Mantels (3), Einsetzen des Kerns (2) in den gebohrten Mantel (3), Verbinden von Kern (2) und Mantel (3), insbesondere durch Verkleben oder Verpressen, Schrumpfen od. dgl..
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Erstellens des Mantels (3) ein Vorbehandeln der Kernbohrung umfasst, insbesondere ein Reinigen, Beizen und/oder eine mechanische Vorbearbeitung vorzugsweise durch Schneiden eines Innengewindes.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schritt des Einsetzens ein Erwärmen des Mantels (3) vorausgeht, und vorzugsweise ein Abkühlen des Mantels (3) nachfolgt, wobei der Außendurchmesser des Kerns größer ist als der erkaltete Innendurchmesser des Mantels.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) hohl ausgebildet ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Verbindens eine Druckbeaufschlagung mittels eines Fluides umfasst, das den hohlen Kern (2) des Mantels gegen eine Innenfläche des Mantels (3) presst.