DE102013014119A1 - Electrically conductive cable made of fiber composite material and method for its production - Google Patents

Electrically conductive cable made of fiber composite material and method for its production Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kabels aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer metallischen Matrix, bestehend aus einem metallischen Leiterwerkstoff und mindestens einer Zugentlastungsfaser (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterwerkstoff und die Zugentlastungsfaser (1) in Form von Drähten (1, 2, 3, 4) zu einem Bündel (5) zusammengefügt werden, so dass eine zentrale Zugentlastungsfaser (1) von mehreren Drähten (2, 3, 4) aus Leiterwerkstoff umgeben ist, wonach die Drähte (2, 3, 4) zunächst radial zusammengepresst und anschließend unlösbar miteinander verbunden werden.Method for producing an electrically conductive cable made of a fiber composite material having a metallic matrix consisting of a metallic conductor material and at least one strain relief fiber (1), characterized in that the conductor material and the strain relief fiber (1) are in the form of wires (1, 2, 3 , 4) are joined together to form a bundle (5) so that a central strain relief fiber (1) is surrounded by a plurality of wires (2, 3, 4) of conductor material, after which the wires (2, 3, 4) are initially radially compressed and subsequently inextricably linked together.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kabels aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer metallischen Matrix, bestehend aus einem metallischen Leiterwerkstoff und mindestens einer Zugentlastungfaser.The present invention relates to a method for producing an electrically conductive cable made of a fiber composite material with a metallic matrix, consisting of a metallic conductor material and at least one Zugentlastungfaser.

Die Erfindung betrifft ferner ein elektrisch leitendes Kabel aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer metallischen Matrix, bestehend aus einem metallischen Leiterwerkstoff und mindestens einer Zugentlastungsfaser.The invention further relates to an electrically conductive cable made of a fiber composite material having a metallic matrix, consisting of a metallic conductor material and at least one strain relief fiber.

Die eingangs genannten elektrisch leitenden Kabel aus einem Faserverbundwerkstoff sind beispielsweise in DE 601 15 241 T2 beschrieben. Hiernach werden Taue aus kontinuierlichen Fasern mittels Hitze gereinigt und in einer Vakuumkammer evakuiert, bevor sie in einem Tiegel mit einer Schmelze des metallischen Materials eintreten. Die Schmelze durchdringt die Taue und verfestigt sich, nachdem sie aus dem Tiegel austritt. Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass bei der Anwendung dieses Herstellverfahrens insbesondere durch die Hitzeeinwirkung nachteiliger Weise Faserschädigungen zu beobachten sind, so dass die Metallmatrixverbunddrähte eine verringerte Zugfestigkeit aufweisen. Ferner ist auch die Herstellung der Metallschmelze vergleichsweise energie- und somit kostenintensiv. Schließlich kann durch dieses Herstellverfahren nicht gewährleistet werden, dass die Zugentlastungsfaser zentral angeordnet ist, womit nachteiligerweise ungleichmäßige Biegeeigenschaften des Kabels verbunden sindThe above-mentioned electrically conductive cable made of a fiber composite material, for example, in DE 601 15 241 T2 described. Thereafter, tows of continuous fibers are heat-cleaned and evacuated in a vacuum chamber before entering a crucible with a melt of the metallic material. The melt penetrates the ropes and solidifies after it emerges from the crucible. It has been found in practice that fiber damage can be observed in the application of this production method, in particular by the effect of heat disadvantageously, so that the metal matrix composite wires have a reduced tensile strength. Furthermore, the production of molten metal is relatively energy-consuming and thus costly. Finally, it can not be guaranteed by this manufacturing method that the strain relief fiber is centrally located, which disadvantageously uneven bending properties of the cable are connected

Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellverfahren anzugeben, bei dem die Fasern beim Herstellen der Metallmatrixverbunddrähte beschädigungsfrei bleiben, womit solche Kabel eine vergleichsweise größere Zugfestigkeit aufweisen. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein elektrisch leitendes Kabel aus einem Faserverbundwerkstoff mit hoher Zugfestigkeit vorzuschlagen.It is therefore the object of the present invention to provide a production method in which the fibers remain free of damage during the production of the metal matrix composite wires, with which such cables have a comparatively greater tensile strength. Furthermore, it is the object of the invention to propose an electrically conductive cable made of a fiber composite material with high tensile strength.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und durch das elektrisch leitende Kabel nach Anspruch 5 gelöst.This object is achieved by the method according to claim 1 and by the electrically conductive cable according to claim 5.

Hiernach ist vorgesehen, dass der Leiterwerkstoff und die Zugentlastungsfaser in Form von Drähten zu einem Bündel zusammengefügt werden, so dass eine zentrale Zugentlastungsfaser von mehreren Drähten aus Leiterwerkstoff umgeben ist, wonach die Drähte zunächst radial zusammengepresst und anschließend unlösbar miteinander verbunden werden. Hierdurch kann auf die schädigende Hitzeeinwirkung auf die Fasern während der Reinigung und/oder während der Ummantelung der Fasern mit Metallschmelze verzichtet werden. Sofern bei dem Pressvorgang oder bei der unlösbaren Verbindung der Drähte aus Leiterwerkstoff erhöhte Temperaturen entstehen, sind diese nur von kurzer Zeitdauer und führen zu keinerlei hitzebedingten Beschädigungen. Darüber hinaus können durch das erfindungsgemäße Verfahren Loslängen mehreren 10 Kilometern erzielt werden, da bereits die Zugentlastungsfaser sowie die Drähte in derartigen Längen zur Verfügung stehen.Hereinafter, it is envisaged that the conductor material and the strain relief fiber are assembled in the form of wires into a bundle, so that a central strain relief fiber is surrounded by a plurality of wires of conductor material, after which the wires are first radially compressed and then connected together inextricably. This can be dispensed with the damaging effect of heat on the fibers during cleaning and / or during the sheathing of the fibers with molten metal. If increased temperatures occur in the pressing process or in the permanent connection of the wires made of conductor material, these are only of short duration and do not lead to any heat-related damage. In addition, can be achieved by the inventive method Loslängen several 10 kilometers, as already the Zugentlastungsfaser and the wires are available in such lengths.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend und in den Unteransprüchen angegeben.Preferred embodiments of the invention are given below and in the subclaims.

Grundsätzlich können im Rahmen der vorliegenden Erfindung zwar alle leitfähigen Metalle als Leiterwerkstoff verwendet werden, allerdings hat sich für elektrisch leitende Kabel mit einem vergleichsweise großen Leiterquerschnitt – beispielsweise für Überlandleitungen – Aluminium als bevorzugter Leiterwerkstoff erwiesen, da Aluminium eine hohe Leitfähigkeit bei geringem spezifischen Gewicht und einer geringen Schmelztemperatur besitzt. Für elektrisch leitfähige Kabel mit einem geringen Durchmesser von wenigen μm – wie sie beispielsweise für medizinische Geräte in der Endoskopie Verwendung finden – hat sich Gold, Silber oder Kupfer als bevorzugter Leiterwerkstoff herausgestellt.Although all conductive metals can be used as conductor material in the context of the present invention, aluminum has proven to be a preferred conductor material for electrically conductive cables with a comparatively large conductor cross-section, for example for power lines, since aluminum has a high conductivity with a low specific weight and a high conductivity has low melting temperature. For electrically conductive cables with a small diameter of a few microns - as used for example for medical devices in endoscopy - has turned out to be gold, silver or copper as a preferred conductor material.

Als Zugentlastungsfasern werden vorzugsweise Kohlenstoff-, Aramid- oder Glasfasern verwendet.As strain relief fibers, carbon, aramid or glass fibers are preferably used.

Beim Zusammenpressen der Drähte aus Leiterwerkstoff wird nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mindestens eine Walzenpresse als Formwerkzeug eingesetzt, worin der Leiterwerkstoff vorzugsweise mit radial gleichwirkender Kraft in einem kontinuierlichen Prozess zusammengepresst wird. Anschließend werden die zusammengepressten Drähte nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung mittels Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen, unlösbar miteinander verbunden.When compressing the wires of conductor material is used according to a preferred embodiment of the invention, at least one roller press as a molding tool, wherein the conductor material is preferably pressed together with radially equivalent force in a continuous process. Subsequently, the compressed wires according to a further advantageous embodiment by means of welding, in particular ultrasonic welding, inextricably linked together.

Insbesondere für Drähte mit geringem Durchmesser wird anstelle von Walzenpressen ein oder ggf. mehrere Ziehsteine nacheinander zum Zusammenpressen der Drähte verwendet. Ein Ziehstein besteht dabei im wesentlichen aus einem Stahlkörper mit einem trichterförmigen Abschnitt, der in einer Bohrung mit dem gewünschten Durchmesser endet. Beim Durchziehen des Drahtes durch diese Öffnung wird der Drahtdurchmesser auf den gewünschten Durchmesser reduziert.In particular, for wires with a small diameter one or possibly several dies is used in succession to compress the wires instead of roller presses. A die consists essentially of a steel body with a funnel-shaped section, which ends in a hole with the desired diameter. When pulling the wire through this opening, the wire diameter is reduced to the desired diameter.

Die fertigen elektrisch leitenden Kabel, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden und als Leiterwerkstoff Gold, Kupfer oder Silber aufweisen, besitzen vorzugsweise einen Leiterdurchmesser von 0,04 mm bis 1,0 mm, vorzugsweise von 0,08 mm bis 0,3 mm.The finished electrically conductive cables, which are produced by means of the method according to the invention and have as the conductor material gold, copper or silver, preferably have a Conductor diameter of 0.04 mm to 1.0 mm, preferably from 0.08 mm to 0.3 mm.

Demgegenüber besitzt ein elektrisch leitendes Kabel mit Aluminium als Leiterwerkstoff im fertigen Zustand vorzugsweise einen Leiterdurchmesser von 0,5 mm bis 10 mm, vorzugsweise von 1,5 mm bis 3 mm.In contrast, an electrically conductive cable with aluminum as the conductor material in the finished state preferably has a conductor diameter of 0.5 mm to 10 mm, preferably from 1.5 mm to 3 mm.

Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:A concrete embodiment of the invention will be explained below with reference to the drawings. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Herstellungsprozesses und 1 a schematic representation of a manufacturing process and

2a–e Querschnittsansichten von Zwischenprodukten der elektrisch leitenden Kabel bei unterschiedlichen Produktionsabschnitten. 2a Cross-sectional views of intermediates of the electrically conductive cable at different production sections.

Elektrisch leitende Kabel der erfindungsgemäßen Art werden nach einer konkreten Ausführungsform in einem kontinuierlichen Prozess hergestellt. Hierzu werden die Rohstoffe, nämlich die Zugentlastungsfaser 1 und der Leiterwerkstoff in Form von Drähten 2, 3, 4 und von Spulen 1', 2', 3', 4' abgewickelt und zu einem Bündel 5 zusammengefügt, so dass die zentrale Zugentlastungsfaser 1 von drei Drähten 2, 3, 4 aus Leiterwerkstoff umgeben ist (siehe 2a und 2b). Während einer sukzessiven Durchführung mehrerer Formvorgänge 6, 6', von denen in 1 zwei gezeigt sind, werden die Drähte 2, 3, 4 zusammengepresst, so dass nach dem Durchlauf der Formvorgänge 6, 6' ein im wesentlichen kreisrundes Kabel mit einer zentral angeordneten Zugentlastungsfaser 1 vorliegt, wobei die Drähte 2, 3, 4 aus Leiterwerkstoff im Querschnitt im wesentlichen tortenstückförmig ausgestaltet sind und im wesentlich vollflächig aneinander anliegen (siehe 2c). In einem abschließenden Prozess werden die tortenstückförmigen Drähte 2, 3, 4 mittels Ultraschallschweißen und mittels einer geeigneten Vorrichtung 8 unlösbar miteinander verbunden, so dass die Zugentlastungsfaser 1 von einem einstückigen Mantel 7 aus Leiterwerkstoff umgeben ist (siehe 2d). Alternativ erfolgt das unlösbare Verbinden der Drähte 2, 3, 4 über HF-Schweißen oder eine mechanische und/oder thermische Verschmelzung. Schließlich wird das elektrisch leitende Kabel auf eine Rolle 9 aufgewickelt.Electrically conductive cables of the type according to the invention are produced according to a specific embodiment in a continuous process. For this purpose, the raw materials, namely the strain relief fiber 1 and the conductor material in the form of wires 2 . 3 . 4 and of coils 1' . 2 ' . 3 ' . 4 ' unwound and into a bundle 5 put together so that the central strain relief fiber 1 of three wires 2 . 3 . 4 is surrounded by conductor material (see 2a and 2 B ). During a successive execution of several molding operations 6 . 6 ' of which in 1 Two are shown, the wires are 2 . 3 . 4 compressed so that after the passage of molding operations 6 . 6 ' a substantially circular cable with a centrally located Zugentlastungsfaser 1 is present, the wires 2 . 3 . 4 are made of conductor material in cross-section substantially cake piece-shaped and in substantially full-surface abut each other (see 2c ). In a final process, the pie-shaped wires become 2 . 3 . 4 by ultrasonic welding and by means of a suitable device 8th undetachably connected to each other, so that the strain relief fiber 1 from a one-piece coat 7 is surrounded by conductor material (see 2d ). Alternatively, the permanent connection of the wires takes place 2 . 3 . 4 via HF welding or a mechanical and / or thermal fusion. Finally, the electrically conductive cable on a roll 9 wound.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 60115241 T2 [0003] DE 60115241 T2 [0003]

Claims (9)

Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kabels aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer metallischen Matrix, bestehend aus einem metallischen Leiterwerkstoff und mindestens einer Zugentlastungsfaser (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterwerkstoff und die Zugentlastungsfaser (1) in Form von Drähten (1, 2, 3, 4) zu einem Bündel (5) zusammengefügt werden, so dass eine zentrale Zugentlastungsfaser (1) von mehreren Drähten (2, 3, 4) aus Leiterwerkstoff umgeben ist, wonach die Drähte (2, 3, 4) zunächst radial zusammengepresst und anschließend unlösbar miteinander verbunden werden.Method for producing an electrically conductive cable made of a fiber composite material having a metallic matrix, consisting of a metallic conductor material and at least one strain relief fiber ( 1 ), characterized in that the conductor material and the strain relief fiber ( 1 ) in the form of wires ( 1 . 2 . 3 . 4 ) into a bundle ( 5 ), so that a central strain relief fiber ( 1 ) of several wires ( 2 . 3 . 4 ) is surrounded by conductor material, after which the wires ( 2 . 3 . 4 ) are first radially compressed and then connected together inextricably. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterwerkstoff aus Aluminium, Silber, Gold oder Kupfer besteht und/oder dass die Zugentlastungsfaser (1) eine Kohlenstoff-, Aramid- oder Glasfaser ist.A method according to claim 1, characterized in that the conductor material consists of aluminum, silver, gold or copper and / or that the strain relief fiber ( 1 ) is a carbon, aramid or glass fiber. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bündel (5) mittels einer Walzenpresse zusammengepresst wird.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the bundle ( 5 ) is pressed together by means of a roller press. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammengepressten Drähte (2, 3, 4) mittels Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen, unlösbar miteinander verbunden werden.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the compressed wires ( 2 . 3 . 4 ) are permanently connected to each other by means of welding, in particular ultrasonic welding. Elektrisch leitendes Kabel aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer metallischen Matrix bestehend aus einem metallischen Leiterwerkstoff und mindestens einer Zugentlastungsfaser (1), dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kabels der Leiterwerkstoff und die Zugentlastungsfaser (1) in Form von Drähten (1, 2, 3, 4) zu einem Bündel (5) zusammengefügt werden, so dass eine zentrale Zugentlastungsfaser (1) von mehreren Drähten (2, 3, 4) aus Leiterwerkstoff umgeben ist, wonach die Drähte (2, 3, 4) zunächst radial zusammengepresst und anschließend unlösbar miteinander verbunden werden.Electrically conductive cable of a fiber composite material with a metallic matrix consisting of a metallic conductor material and at least one strain relief fiber ( 1 ), characterized in that for producing an electrically conductive cable, the conductor material and the strain relief fiber ( 1 ) in the form of wires ( 1 . 2 . 3 . 4 ) into a bundle ( 5 ), so that a central strain relief fiber ( 1 ) of several wires ( 2 . 3 . 4 ) is surrounded by conductor material, after which the wires ( 2 . 3 . 4 ) are first radially compressed and then connected together inextricably. Elektrisch leitendes Kabel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterwerkstoff aus Aluminium, Silber, Gold oder Kupfer besteht und/oder dass die Zugentlastungsfaser (1) eine Kohlenstoff-, Aramid- oder Glasfaser ist.Electrically conductive cable according to claim 5, characterized in that the conductor material consists of aluminum, silver, gold or copper and / or that the strain relief fiber ( 1 ) is a carbon, aramid or glass fiber. Elektrisch leitendes Kabel nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bündel (5) mittels einer Walzenpresse zusammengepresst wird.Electrically conductive cable according to one of claims 5 or 6, characterized in that the bundle ( 5 ) is pressed together by means of a roller press. Elektrisch leitendes Kabel nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammengepressten Drähte (2, 3, 4) mittels Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen unlösbar miteinander verbunden sind.Electrically conductive cable according to one of claims 5 to 7, characterized in that the compressed wires ( 2 . 3 . 4 ) are permanently connected to each other by means of welding, in particular ultrasonic welding. Elektrisch leitendes Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Kabel einen Leiterdurchmesser von 0,04 mm bis 1,0 mm, vorzugsweise von 0,08 mm bis 0,3 mm besitzt und der Leiterwerkstoff Gold, Kupfer oder Silber ist.Electrically conductive cable according to one of claims 1 to 8, characterized in that the electrically conductive cable has a conductor diameter of 0.04 mm to 1.0 mm, preferably from 0.08 mm to 0.3 mm and the conductor material gold, copper or silver is.
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