DE102015102440B4

DE102015102440B4 - Process for producing a fiber composite hollow body with a helical contour

Info

Publication number: DE102015102440B4
Application number: DE102015102440.3A
Authority: DE
Inventors: Raimund Grothaus
Original assignee: EAST 4D Carbon Technology GmbH
Current assignee: EAST 4D Carbon Technology GmbH
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2015-02-20
Publication date: 2017-01-12
Anticipated expiration: 2035-02-21
Also published as: DE102015102440A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Hohlkörpers mit Gewinde unter Verwendung von von einer Spule abwickelbaren endlosen Fasern, Faserbündeln oder Verstärkungsbändern umfassend folgende Schritte: Wickeln von zumindest einer Faserschicht (1.1) aus Fasern, Faserbündeln oder Verstärkungsbändern auf einen zylinderförmigen Wickelkern (2), aufweisend einen ersten (2.1) und einen zweiten Endabschnitt (2.2), deren Außendurchmesser geringer ist als der größte Außendurchmesser eines zwischen den Endabschnitten (2.1, 2.2) angeordneten Profils (6) in Form einer helixförmig um die Mantelfläche verlaufenden Nut, wobei die Längsachse der durch die Nut definierten Helix auf der Mittelachse (7) des Wickelkerns (2) liegt, und jeweils ein auf jedem Endabschnitt (2.1, 2.2) angeordnetes Wickelungswendeelement (4), von denen zumindest ein Wickelungswendeelement (4) nach Lösen einer Fixierung axial auf dem jeweiligen Endabschnitt verschiebbar ist, wobei die Fasern, Faserbündel oder Verstärkungsbänder (1.1) zwischen den beiden Wickelungswendeelementen (4) geodätisch derart abgelegt werden, dass sie nur die äußeren Erhebungen des Profils (6) kontaktierend gerade gestreckt über dasselbe verlaufen; – Lösen der Fixierung eines der Wickelungswendeelemente (4) und Einformen der Faserschicht (1.1) in die Nut des Profils (6), wobei gleichzeitig das Wickelungswendeelement (4), dessen Fixierung gelöst wurde, in der Art entlang der Achse (7) in Richtung des gegenüberliegenden Wickelungswendeelementes (4) verschoben wird, dass die Faserschicht (1.1) stets mit einer vorgegebenen Faservorspannung auf dem Wickelkern (2) aufliegt und eine für das Einformen der Faserschicht (1.1) zusätzlich benötigte Rovinglänge beigestellt wird; und – Konsolidieren der Faserschicht (1.1) in der Gewindeform.A method of producing a threaded fiber composite hollow body using coil unwindable continuous fibers, fiber bundles or reinforcing tapes comprising the steps of: winding at least one fiber layer (1.1) of fibers, fiber bundles or reinforcing tapes onto a cylindrical winding core (2) comprising one first (2.1) and a second end portion (2.2) whose outer diameter is smaller than the largest outer diameter of a between the end portions (2.1, 2.2) arranged profile (6) in the form of a helically extending around the lateral surface groove, wherein the longitudinal axis of the Groove defined helix on the central axis (7) of the winding core (2), and one on each end portion (2.1, 2.2) arranged winding turning element (4), of which at least one winding turning element (4) after releasing a fixation axially on the respective end portion is displaceable, wherein the fibers, fiber bundles or V strengthened bands (1.1) between the two winding turning elements (4) are stored geodetically such that they are just extending the outer elevations of the profile (6) straight stretched over the same; - Solving the fixation of one of the winding turning elements (4) and molding the fiber layer (1.1) in the groove of the profile (6), wherein at the same time the winding turning element (4) whose fixation has been solved, in the manner along the axis (7) in the direction the opposite winding turning element (4) is moved, that the fiber layer (1.1) always rests with a predetermined fiber tension on the winding core (2) and a roving length additionally required for forming the fiber layer (1.1) is provided; and - consolidating the fiber layer (1.1) in the thread form.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern in Wickeltechnik mit urgeformten Gewinde aus Faserverbundmaterialien. Das Verfahren bietet sich besonders für die Fertigung von Teilen an, die hohen Beschleunigungen und hohen Kräften ausgesetzt sind, wie beispielsweise rotatorisch und ggf. translatorisch bewegte Kugelrollspindeln. The invention relates to a process for the production of hollow bodies in winding technology with urgeformten thread of fiber composite materials. The method is particularly suitable for the production of parts that are exposed to high accelerations and high forces, such as rotational and possibly translationally moving ball screws.

Gewinde besitzen eine helixförmige Kontur. Diese Kontur ist durch eine Kurve gekennzeichnet, die sich mit konstanter Steigung um den Mantel des zylindrischen Hohlkörpers windet. Die im Folgenden verwendeten Begriffe „helixförmige Kontur“ bzw. „Helix“ bezeichnen somit ein Gewinde (außen und/oder innen) auf der Mantelfläche eines zylinderförmigen Hohlkörpers. Threads have a helical contour. This contour is characterized by a curve that winds at a constant pitch around the shell of the cylindrical hollow body. The terms "helical contour" or "helix" used below thus denote a thread (outside and / or inside) on the lateral surface of a cylindrical hollow body.

Es ist bekannt, Faserverbundbauteile mit einem Gewinde zu versehen, indem metallische Gewindeelemente formschlüssig mit den Faserverbundbauteilen verklebt, wie z. B. in DE 100 58 609 A1 beschrieben, oder durch thermisches Verpressen in die Faserverbundkunststoff-Formteile eingepresst werden, wie in DE 10 2006 010 148 A1 offenbart. Nachteilig bei diesen Verfahren bzw. solchen Bauteilen ist, dass durch die Integration von Metall in den Faserverbundkörper die Bauteilmasse unverhältnismäßig stark erhöht wird, wobei die Verbindungsstelle zwischen den beiden unterschiedlichen Materialien – als schwächstes Glied in der Kette – eine ungewollte Sollbruchstelle definiert. Außerdem lassen sich mit diesen Verfahren keine Gewindestäbe aus faserverstärktem Kunststoff erzeugen. It is known to provide fiber composite components with a thread by positively bonding metallic threaded elements with the fiber composite components, such. In DE 100 58 609 A1 described or pressed by thermal compression in the fiber composite plastic moldings, as in DE 10 2006 010 148 A1 disclosed. A disadvantage of these methods or such components is that the component mass is disproportionately increased by the integration of metal in the fiber composite body, wherein the junction between the two different materials - defined as the weakest link in the chain - an unwanted breaking point. In addition, this method can not produce threaded rods made of fiber-reinforced plastic.

In DE 10 2011 120 197 A1 ist eine Gewindespindel beschrieben, die aus einem Kern aus einem Faserverbundwerkstoff und einem Hartstoffbaumaterial-Außenmantel, vorzugsweise bestehend aus einer oder mehreren Stahllegierungen, aufgebaut ist. Zwar ist diese Gewindespindel durch ein geringeres Gewicht gegenüber Vollmaterial-Stahlbauteilen gekennzeichnet, dennoch ist eine weitere, deutliche Gewichtseinsparung durch einen vollständigen Verzicht auf Metallbauteile möglich. In DE 10 2011 120 197 A1 a threaded spindle is described which is constructed of a core of a fiber composite material and a hard material outer sheath, preferably consisting of one or more steel alloys. Although this threaded spindle is characterized by a lower weight compared to solid steel components, yet a further, significant weight saving is possible by completely dispensing with metal components.

Gemäß JP S59-167227 A wird das Gewinde einer Schraube aus Kunststoffmaterial mit einer faserverstärkten Harzschicht ummantelt, um die Festigkeit der Schraube zu erhöhen. According to JP S59-167227 A The thread of a screw made of plastic material is coated with a fiber-reinforced resin layer in order to increase the strength of the screw.

Gewindestrukturen auf Faserverbundstäben oder -rohren können in bekannter Weise durch plastische Verformung während des Erhärtungsprozesses aufgebracht werden. Zum Beispiel beschreibt DE 38 34 266 A1 einen Zugstab aus einem Faserverbundwerkstoff, der an seiner Oberfläche mit einer Profilierung aus im Schnitt trapezförmigen Rippen und Vertiefungen versehen ist. Diese Profilierung kann gemäß DE 38 34 266 A1 dadurch erzeugt werden, dass auf den Zugstab während des Erhärtens des die unidirektionalen Fasern einhüllenden und miteinander verklebenden Kunstharzes von außen in radialer Richtung ein Verformungsdruck aufgebaut wird, durch den die Vertiefungen als Einprägungen erzeugt werden. DE 196 25 426 A1 offenbart einen Felsanker, der aus einem Polymer, z. B. einem Epoxid- oder Polyesterharz, besteht und Verstärkungselemente in Form von Glas-, Metall-, Textil-, Aramid- oder Kohlefasern enthält. Threaded structures on fiber composite rods or pipes can be applied in a known manner by plastic deformation during the hardening process. For example, describes DE 38 34 266 A1 a tension rod made of a fiber composite material, which is provided on its surface with a profiling of average trapezoidal ribs and depressions. This profiling can be done according to DE 38 34 266 A1 be generated by the fact that on the tension rod during the hardening of the unidirectional fibers enveloping and glued together resin from the outside in the radial direction, a deformation pressure is built up, through which the recesses are produced as impressions. DE 196 25 426 A1 discloses a rock bolt made of a polymer, e.g. As an epoxy or polyester resin, and reinforcing elements in the form of glass, metal, textile, aramid or carbon fibers.

Aus DE 2 252 411 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Drahtgeflechtarmierung für einen Betonaufsatz bekannt, wobei das Drahtgeflecht mittels einer Exzenterpresse zu einem Zylinder oder abgestumpften Kegel gebogen wird. Out DE 2 252 411 A For example, there is known a method and apparatus for making a wire mesh reinforcement for a concrete tower, wherein the wire mesh is bent into a cylinder or truncated cone by means of an eccentric press.

In DE 10 2007 027 461 A1 ist ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks aus einem Faserverbundwerkstoff beschrieben, bei dem mit einem Werkzeug mit einer geometrisch bestimmten Schneide ein Gewindeschneiden in das Faserverbundwerkstoff-Werkstück erfolgen kann. Wie alle spanenden Verfahren hat es den Nachteil, dass ein massives Werkstück aus einem Faserverbundwerkstoff benötigt wird, das durch Materialentfernung in die gewünschte Form gebracht wird, wobei die Fasern in den Gewindegängen zerstört werden, d. h., die Faserstränge des fertig gestellten Werkstücks sind nicht fortlaufend. Dies hat den Nachteil, dass die Belastbarkeit eines solchen Werkstücks deutlich reduziert ist gegenüber der Belastbarkeit eines Faserverbund-Werkstücks mit ununterbrochenen Faserverläufen. In DE 10 2007 027 461 A1 a method for machining a workpiece from a fiber composite material is described in which a tool with a geometrically determined cutting thread can be tapped into the fiber composite workpiece. As with all machining methods, it has the disadvantage of requiring a solid workpiece made of a fiber composite which is made into the desired shape by material removal, destroying the fibers in the threads, ie, the fiber strands of the finished workpiece are discontinuous. This has the disadvantage that the load capacity of such a workpiece is significantly reduced compared to the load capacity of a fiber composite workpiece with uninterrupted fiber progressions.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das es ermöglicht, einen zylindrischen Hohlkörper aus Faserverbundmaterial mit einem gewindeförmigen Profil auf seiner inneren oder äußeren Mantelfläche in der Art herzustellen, dass der Hohlkörper den Belastungsanforderungen angepasst ist, d. h. die Fasern der Helixform angepasst verlaufen, und das Profil in trockenem Zustand nach der Faserablage, d. h. vor dem Harzinjektionsprozess, geformt wird. Insbesondere soll der Hohlkörper an seiner Außenseite eine Gewindeform aufweisen, über die der Hohlkörper als Kugelrollspindel dienen kann. Des Weiteren soll es möglich sein, die Faserstränge/Faserbündel fortlaufend zu wickeln, d. h., zu keinem Zeitpunkt des Herstellungsprozesses soll es nötig sein, die Faserstränge neu anzusetzen, um eine ununterbrochene Verbundstruktur mit gleichzeitig steter Faservorspannung zu erreichen. The object of the invention is to provide a method which makes it possible to produce a cylindrical hollow body made of fiber composite material with a thread-shaped profile on its inner or outer circumferential surface in such a way that the hollow body is adapted to the load requirements, d. H. the fibers of the helical shape are adapted to run, and the profile in the dry state after the fiber deposit, d. H. before the resin injection process is formed. In particular, the hollow body should have on its outer side a thread form, via which the hollow body can serve as a ball screw. Furthermore, it should be possible to wrap the fiber strands / fiber bundles continuously, d. That is, at no point in the manufacturing process should it be necessary to re-set the fiber strands to achieve a continuous composite structure with constant fiber pretension.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers mit helixfömiger Kontur aus Faserverbundwerkstoff gemäß Patentanspruch 1; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung befinden sich in den Unteransprüchen. The solution of this object is achieved by a method for producing a hollow body with helixfömiger contour of fiber composite material according to claim 1; expedient embodiments of the invention are located in the subclaims.

Gemäß dem Verfahren der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Herstellung eines Hohlkörpers aus Faserverbundmaterial ein oder mehrere Rovings unter einem Wickelwinkel Ω (Winkel zwischen dem Roving im Punkt der Ablage des selbigen auf dem Wickelkern und der Rotationsachse des Wickelkerns) mit Hilfe eines Fadenauges als Fadenführungssystem auf geodätischen Linien auf einem rotierenden Wickelkern zu einer oder mehreren Faserschichten gewickelt werden. According to the method of the invention it is provided that for producing a hollow body made of fiber composite material one or more rovings at a winding angle Ω (angle between the roving at the point of storage of the same on the winding core and the axis of rotation of the winding core) by means of a yarn eye as a thread guide system geodesic lines are wound on a rotating hub to one or more fiber layers.

Die Rovings können ein Bündel aus verschiedenartigsten Verstärkungsfasern sein, bevorzugt aus Kohle- oder Glasfasern. Das Verfahren lässt aber auch die Verwendung von Rovings zu, die aus thermoplastischen Materialien wie Polyamid (PA), Polyphenylensulfid (PPS), Polypropylen (PP), Polybutylenterephthalat (PBT) oder Polyetheretherketon (PEEK) bestehen oder bei denen es sich um Prepreg-Rovings handelt. The rovings may be a bundle of various reinforcing fibers, preferably carbon or glass fibers. However, the process also allows the use of rovings consisting of thermoplastic materials such as polyamide (PA), polyphenylene sulfide (PPS), polypropylene (PP), polybutylene terephthalate (PBT) or polyetheretherketone (PEEK), or prepreg rovings is.

Statt Verstärkungsfasern können auch Verstärkungsbänder etwa als Gewebeband, Geflechtband oder Gelegeband mit oder ohne Matrixvorimprägnierung zum Einsatz kommen. Der Begriff „Roving“ umfasst dementsprechend im Folgenden nicht nur Verstärkungsfasern sondern auch Verstärkungsbänder. Instead of reinforcing fibers, reinforcing tapes can also be used, for example, as a woven tape, woven tape or gauze tape with or without matrix preimpregnation. Accordingly, the term "roving" below includes not only reinforcing fibers but also reinforcing ribbons.

Der Wickelkern, auf dem die Rovings abgelegt werden, ist zylindrisch, wobei er an seinen beiden Endabschnitten einen geringeren Außendurchmesser als in seinem Mittelbereich aufweist. Vorzugsweise ist der Übergang zwischen Endabschnitt und Mittelbereich stufenartig. Auf der Mantelfläche des Mittelbereichs weist der Wickelkern ein Profil in Form einer helixförmig um die Mantelfläche herum verlaufenden Nut auf. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Wickelkern ein gerader Zylinder (mit gleichem Durchmesser entlang seiner gesamten Längsausdehnung) ist, auf welchem in seinem Mittelbereich ein separates, abnehmbares Gewinde-Werkzeug angeordnet ist, welches einen Hohlzylinder bildet, dessen Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Wickelkerns entspricht, wobei die äußere Mantelfläche des Werkzeugs mit einer helixförmigen Nut profiliert ist. The winding core on which the rovings are deposited, is cylindrical, wherein it has a smaller outer diameter at its two end portions than in its central region. Preferably, the transition between end portion and middle portion is step-like. On the lateral surface of the middle region of the winding core has a profile in the form of a helically around the lateral surface extending groove. It can also be provided that the winding core is a straight cylinder (with the same diameter along its entire longitudinal extent), on which in its central region a separate, removable threading tool is arranged, which forms a hollow cylinder whose inner diameter corresponds to the outer diameter of the winding core , wherein the outer circumferential surface of the tool is profiled with a helical groove.

In jedem Endbereich des Wickelkerns wird auf seinen Endabschnitt ein Wickelungswendeelement, z. B. ein Wendezonenring oder eine Wendepolkappe, (wobei die Mittelachsen der Ringe bzw. Kappen und des Wickelkerns aufeinander zu liegen kommen) derart lösbar fixiert, dass zumindest eines dieser Elemente entlang der Achse auf dem jeweiligen Endabschnitt des Wickelkerns verschiebbar ist, wobei Grundflächen der beiden Wickelungswendeelemente parallel, einander zugewandt und vom Mittelbereich des Wickelkerns definiert, beispielsweise mittels Spiralfedern oder Stellschrauben, beabstandet sind. In each end of the winding core is on its end portion a winding turning element, z. B. a reversing zone ring or a Wendepolkappe, (wherein the central axes of the rings or caps and the winding core come to rest) such releasably fixed, that at least one of these elements along the axis on the respective end portion of the winding core is displaceable, wherein bases of the two Winding turning elements parallel, facing each other and defined by the central region of the winding core, for example by means of coil springs or screws, are spaced.

Bei der ersten zu wickelnden Faserschicht wird die Faserablage im Bereich des großen Außendurchmessers des Wickelkerns bzw. Gewinde-Werkzeugs zwischen den vorgegebenen Wendebereichen so gewählt, dass die Rovings über die in diesem Bereich vorhandenen Nuten der helixförmigen Kontur vollständig hinweg laufen, d. h., die gewickelte Faserschicht berührt den Wickelkern bzw. das Gewinde-Werkzeug nur an den äußersten Ausbuchtungen des Profils. Die Länge dieser Faserschicht ist hierbei um eine vorgegeben Umformlänge größer als die spätere Bauteillänge, wobei diese Umformlänge dem Abstand zwischen einem Rand des Mittelteils des Wickelkerns und dem in Anschluss an diesen Rand auf dem Endabschnitt verschiebbar angeordnetem Wickelungswendeelement entspricht. In the case of the first fiber layer to be wound, the fiber deposit in the region of the large outside diameter of the winding core or threading tool is selected between the predetermined turning regions so that the rovings pass completely over the grooves of the helical contour present in this region, ie. h., The wound fiber layer touches the winding core or the threaded tool only at the outermost bulges of the profile. The length of this fiber layer is in this case by a predetermined Umformlänge greater than the later component length, said Umformlänge corresponds to the distance between an edge of the central part of the winding core and the subsequent to this edge on the end portion slidably arranged winding turning element.

Ist der Vorgang des Wickelns zumindest einer ersten, den Wickelkern bedeckenden, Faserschicht abgeschlossen, so wird die Fixierung eines Wickelungswendeelements gelöst. Die Wickelungswendeelemente werden als nächstes wenigstens um diejenige Länge aufeinander zu bewegt, um die die Länge der Rovings größer sein müsste, wenn diese durch die Nut laufen würden, und bevorzugt synchron dazu werden die über die Nut hinweg laufenden und durch das Aufeinanderbewegen der Wickelungswendeelemente gelockerten Rovings im Bereich der Nut in die Nut gedrückt. If the process of winding at least a first, the winding core covering, fiber layer is completed, the fixation of a winding turning element is released. The winding turning elements are next moved at least by the length by which the length of the rovings would have to be greater as they would pass through the groove, and preferably synchronously, the rovings running across the groove and loosened by the winding elements turning on each other pressed into the groove in the area of the groove.

Das Eindrücken der Rovings in die Nut erfolgt vorzugsweise durch Wickeln eines Umformfadens in der Form auf die Faserschicht, dass der Ablagewinkel dieses Umformfadens der helixförmigen Nut (d. h. der Gewindesteigung) folgt, sodass die Rovings durch diese Umformfäden in die Nut (d. h. die innen liegenden Täler der Helixkurve) eingeformt werden, wobei gleichzeitig durch das Verschieben der Wickelungswendeelemente die zusätzlich benötigte Rovinglänge beigestellt wird. The impressions of the rovings in the groove is preferably carried out by winding a Umformfadens in the form on the fiber layer that the filing angle of this Umformfadens the helical groove (ie the thread pitch) follows, so that the rovings through these Umformfäden in the groove (ie the inner valleys the helix curve) are formed, at the same time by the displacement of the winding turning elements, the additionally required roving length is provided.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die äußere Helixform (d. h. das Gewinde im Faserverbund-Hohlkörper) durch ein Außenwerkzeug realisiert wird, das die Faserschicht in die Nuten des Wickelkerns bzw. Gewinde-Werkzeugs drückt. It can also be provided that the outer helix shape (that is to say the thread in the fiber composite hollow body) is realized by an external tool which presses the fiber layer into the grooves of the winding core or threaded tool.

Die für die Herstellung des Hohlkörpers verwendeten Rovings können in vorteilhafter Weise gebindert sein, d. h., sie sind mit einem thermoplastischen Klebstoff ummantelt, welcher bei Raumtemperatur pulverförmig ist und bei erhöhten Temperaturen, je nach Material zwischen 150°C bis 350°C, verflüssigt und nach dem Abkühlen die Faserschicht in ihrer Lage fixiert. Es können auch Rovings verwendet werden, die aus Kohlefasern und thermoplastischen Prepreg-Fasern bestehen. Werden die Rovings beispielsweise mit einem erwärmten Umformwerkzeug in die Nuten gedrückt, erfolgt so gleichzeitig ihre Fixierung. The rovings used for the production of the hollow body can be advantageously reduced, d. h., They are coated with a thermoplastic adhesive which is powdery at room temperature and at elevated temperatures, depending on the material between 150 ° C to 350 ° C, liquefied and fixed after cooling, the fiber layer in position. It is also possible to use rovings which consist of carbon fibers and thermoplastic prepreg fibers. For example, if the rovings are pressed into the grooves with a heated forming tool, their fixation takes place at the same time.

Die Rovings können nach der Ablage auf dem Wickelkern und dem Einformen in die Nuten (d. h. die innen liegenden Täler der Helixkurve) auch mit einem niedrigviskosen Reaktionsharz gestärkt werden. The rovings can also be strengthened with a low-viscosity reaction resin after they have been deposited on the winding core and molded into the grooves (ie the inner valleys of the helical curve).

Nach dem Verformungsvorgang und dem Fixieren der Rovings in der Gewindeform können die Wickelungswendeelemente entfernt werden. After the deformation process and fixing the rovings in the thread form, the winding turning elements can be removed.

In Abhängigkeit der Erfordernisse, die an den fertigen Faserverbundkörper gestellt werden, werden die Rovings entweder vor dem Aufwickeln auf die Wickelkerne mit einem Matrixwerkstoff getränkt oder dem fertig gewickelten Körper wird der Matrixwerkstoff injiziert. Nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffes wird der Faserverbundkörper nachgearbeitet. Um die Oberfläche des Faserverbundkörpers vor Beschädigungen zu schützen, kann dieser schließlich noch mit einer, beispielsweise gummiartigen, Verschleiß-Schutzschicht (Coating) beschichtet werden. Depending on the requirements placed on the finished fiber composite body, the rovings are either soaked with a matrix material prior to winding onto the winding cores or the finished wound body is injected with the matrix material. After curing of the matrix material, the fiber composite body is reworked. In order to protect the surface of the fiber composite body from damage, this can finally be coated with a, for example, rubber-like, wear-protective coating.

Gemäß einer Ausgestaltungsvariante des Verfahrens wird der mit den Rovings und Umformfäden bewickelte Wickelkern in das Außenwerkzeug, welches ein Innengewinde mit der Steigung der Helix des Wickelkerns aufweist, eingedreht. Das Außenwerkzeug kann vor dem Eindrehen des mit den Rovings und Umformfäden belegten Wickelkerns auf seiner gewindeformenden Innenfläche mit einer Beschichtung versehen werden. According to one embodiment variant of the method, the winding core wound with the rovings and forming threads is screwed into the external tool, which has an internal thread with the pitch of the helix of the winding core. The outer tool can be provided with a coating on its thread-forming inner surface before screwing in the winding core covered with the rovings and forming threads.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die Rovings nach der Montage des Wickelkerns in das Außenwerkzeug durch das mit der Helix profilierte Gewinde-Werkzeug, welches auf dem Umfang des Wickelkerns angeordnet in Form eines Andrückelements ausgebildet ist, geformt werden. It can also be provided that the rovings are formed after the assembly of the winding core into the external tool by the helix-profiled threading tool, which is arranged on the circumference of the winding core in the form of a pressing element.

Die Erfindung kann weiter derart ausgebildet sein, dass im Bereich eines der Enden des Hohlkörpers mit helixfömiger Kontur eine Ausformung abweichend von der Helixform mittels eines separaten Formwerkzeugeinlegers, welcher auf dem Wickelkern angeordnet ist, entsteht. In vorteilhafter Weise kann eine solche von der Helixstruktur abweichende Formgebung genutzt werden, um an einem an diesem Ende des Wickelkerns angeordneten Montage-/Demontagewerkzeugsitz einen Werkzeugaufsatz auf den faserverstärkten Hohlkörper zu setzen, sodass die Entformung des Hohlkörpers von dem Wickelkern über eine Drehbewegung leicht realisierbar ist. The invention can be further configured such that in the region of one of the ends of the hollow body with helixfömiger contour a shape deviating from the helical shape by means of a separate mold inserts, which is arranged on the winding core arises. Advantageously, such deviating from the helix structure shaping can be used to set at a arranged at this end of the winding core assembly / disassembly tool seat a tool attachment to the fiber reinforced hollow body, so that the demolding of the hollow body of the winding core via a rotational movement is easily feasible ,

In einer anderen Ausgestaltung kann der Demontagewerkzeugsitz auch innerhalb des Außenwerkzeugs positioniert sein, wodurch die Entformung des faserverstärkten Hohlkörpers aus diesem Außenwerkzeug vereinfacht wird. Auch die Verwendung zweier Werkzeugsitzelemente für sowohl Wickelkern als auch Außenwerkzeug ist vorteilhaft, um die Entformung des Hohlkörpers zu vereinfachen. In another embodiment, the disassembly tool seat can also be positioned within the outer tool, whereby the demolding of the fiber-reinforced hollow body is simplified from this outer tool. The use of two tool seat elements for both winding core and outer tool is advantageous in order to simplify the removal of the hollow body.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die bereits mit einer helixförmigen Kontur versehenen Rovings nach Montage des Wickelkörpers mitsamt Wickelkern im Außenwerkzeug durch ein Gewinde-Werkzeug in Form eines Andrückelements noch verstärkt in die Helixkontur des Außenwerkzeuges hinein geformt werden. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung von Andrückelementen mit besonders ausgeprägten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wie etwa Silikon, erfolgen, die im Rahmen der Erwärmung des Werkzeuges eine Verspannung nach sich ziehen. Es kann auch Luft oder ein Fluid durch einen Kanal im Wickelkern herangezogen werden, wobei unter Druckbeaufschlagung das Andrückelement radial nach außen verformt wird. Gerade diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft in Kombination mit dem Harzinjektionsprozess, da während des Harzinjektionsvorgangs die (mit den Rovings ausgefüllten) Zwischenräume zwischen Wickelkern und Außenwerkzeug größere Freiräume für einen geordneten Harzfluss während der Injektion ermöglichen. Nach Abschluss der Harzinjektion erfolgt in diesem Fall eine Druckerhöhung im Kanal mit der darauf folgenden radialen Aufweitung des Andrückelements. According to one embodiment of the method, it can be provided that the rovings, which are already provided with a helical contour, are reinforced in the outer contour of the outer tool by a threaded tool in the form of a pressing element after assembly of the winding body. This can be done, for example, by the use of pressing elements with particularly pronounced coefficients of thermal expansion, such as silicone, which entail tension as part of the heating of the tool. It is also possible to use air or a fluid through a channel in the winding core, the pressurizing element being deformed radially outward when pressurized. Especially this embodiment is particularly advantageous in combination with the resin injection process, since during the resin injection process, the gaps (filled with the rovings) between the winding core and the outer tool allow greater freedom for an ordered resin flow during the injection. After completion of the resin injection takes place in this case, a pressure increase in the channel with the subsequent radial expansion of the pressure element.

Die während einer duromeren Harzaushärterelation auftretende Volumenschwindung des Reaktionsharzes kann ebenfalls mit dieser Ausführungsform des Verfahrens erfolgversprechend kompensiert werden, sodass sich hohe Faservolumengehalte und gleichzeitig auch sehr gute Oberflächenqualitäten gerade auf der Außenseite der helixförmigen Kontur realisieren lassen, was für Anwendungen wie etwa Kugelrollspindeln besonders vorteilhaft ist. The volume shrinkage of the reaction resin occurring during a thermosetting Harzaushärterelation can also be compensated promisingly with this embodiment of the method, so that high fiber volume content and also very good surface qualities can be realized just on the outside of the helical contour, which is particularly advantageous for applications such as ballscrews.

In bevorzugter Weise entspricht die Gewindesteigung des Hohlkörpers der Steigung eines ISO-Norm-Gewindes, beispielsweise einer Kugelrollspindel. Preferably, the thread pitch of the hollow body corresponds to the pitch of an ISO standard thread, for example a ball screw.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielgebend anhand der Herstellung eines Hohlzylinders mit Gewinde und mit den 1 bis 8 näher erläutert. Es zeigt die hierzu verwendeten Mittel schematisch, nämlich The inventive method is exemplified by the preparation of a hollow cylinder with thread and with the 1 to 8th explained in more detail. It shows the means used for this purpose schematically, namely

1 einen Wickelkern mit Wickelungswendeelementen im Längsschnitt; 1 a winding core with winding turning elements in longitudinal section;

2 ein Außenwerkzeug im Querschnitt; 2 an outer tool in cross section;

3 Wickelungswendeelemente im Detail; 3 Winding turning elements in detail;

4 bis 6 den Wickelkern mit Wickelungswendeelementen in verschiedenen Verfahrensschritten des Herstellungsverfahrens; 4 to 6 the winding core with winding turning elements in different process steps of the manufacturing process;

7 einen Wickelkern mit Andrückelement im Längsschnitt; und 7 a winding core with pressure element in longitudinal section; and

8 einen Wickelkern mit Andrückelement und Außenwerkzeug im Längsschnitt. 8th a winding core with pressure element and outer tool in longitudinal section.

1 zeigt den Wickelkern 2 mit einem auf seinem ersten Endabschnitt 2.1 angeordneten Wickelungswendeelement 4 in Form eines Wendezonenrings 5, der über einen mechanischen Verstellmechanismus 17 in seiner Position fixiert wird und auch über diesen Verstellmechanismus 17 entlang der Mittelachse 7 des Wickelkerns 2 verschoben werden kann. 1 shows the hub 2 with one on its first end section 2.1 arranged winding turning element 4 in the form of a reversing zone ring 5 that has a mechanical adjustment mechanism 17 is fixed in position and also about this adjustment mechanism 17 along the central axis 7 of the winding core 2 can be moved.

In diesem ersten Endabschnitt 2.1 des Wickelkerns 2 ist ebenfalls ein separater Formwerkzeugeinleger (14) angeordnet, durch den in dem an dieser Position angeordneten Ende des Hohlkörpers mit helixfömiger Kontur eine Ausformung (15) entsteht, die von der Helixform abweicht. In this first end section 2.1 of the winding core 2 is also a separate molding tool ( 14 ) arranged by the in the arranged at this position end of the hollow body with helixfömiger contour a formation ( 15 ), which deviates from the helical form.

Auf dem auf der rechten Seite von 1 dargestellten zweiten Endabschnitt 2.2 des Wickelkerns 2 ist eine andere Ausführungsgestaltung des Wickelungswendeelementes 4 angeordnet. Dieses Wickelungswendeelement ist ein Wendezonenring 5 und weist Spiralfedern 10 auf, welche zwischen Mittelbereich des Wickelkerns 2 und Wendezonenring 5 parallel zur Achse 7 um den Endabschnitt 2.2 des Wickelkerns 2 umlaufend angeordnet sind. Hierbei werden Druckfedern eingesetzt, sodass die Verstärkungsfasern 1.1 unter einer stetigen Zugvorspannung gehalten werden. Auch mit dem Verstellmechanismus 17 kann kann diese Vorspannung der Verstärkungsfasern 1.1 durch entsprechende Sensoren gemessen und mittels einer Regelungseinheit geregelt werden (in der Figur nicht dargestellt). On the right side of 1 shown second end portion 2.2 of the winding core 2 is another embodiment of the winding turning element 4 arranged. This winding turning element is a reversing zone ring 5 and has spiral springs 10 on which between middle area of the winding core 2 and reversing zone ring 5 parallel to the axis 7 around the end section 2.2 of the winding core 2 are arranged circumferentially. This compression springs are used so that the reinforcing fibers 1.1 be kept under a constant tensile prestress. Also with the adjustment mechanism 17 Can this bias the reinforcing fibers 1.1 be measured by appropriate sensors and controlled by a control unit (not shown in the figure).

Die Verstärkungsfasern 1.1 sind auf den Wickelkern 2 aufgewickelt, wobei sie an den Wendezonenringen 5 um dort angeordnete Wickelpins 8 geführt sind. Seine helixförmige Kontur erhält der Hohlkörper aus Faserverbundmaterialien durch Einformen der Verstärkungsfasern 1.1 in die Nuten des Wickelkerns 2 mittels der Umformfäden 1.2. The reinforcing fibers 1.1 are on the hub 2 wound up, being at the turnaround rings 5 around there arranged winding pins 8th are guided. Its helical contour receives the hollow body made of fiber composite materials by molding the reinforcing fibers 1.1 into the grooves of the hub 2 by means of Umformfäden 1.2 ,

2 zeigt einen Querschnitt des Außenwerkzeugs 3, wobei das Oberwerkzeug 3.1 und das Unterwerkzeug 3.2 durch Positionierungsstifte 18 zueinander positioniert werden und die Zuhaltekräfte über separate Verbindungsmittel 19 aufgebracht werden. Der Wickelkern 2 wird innerhalb des zylinderförmigen Hohlraums, der von dem Oberwerkzeug 3.1 und dem Unterwerkzeug 3.2 gebildet ist, positioniert. 2 shows a cross section of the outer tool 3 , where the upper tool 3.1 and the lower tool 3.2 through positioning pins 18 be positioned to each other and the locking forces via separate connection means 19 be applied. The winding core 2 is within the cylindrical cavity, that of the upper tool 3.1 and the lower tool 3.2 is formed, positioned.

In 3 sind zwei Ausgestaltungsvarianten des Wickelungswendeelementes 4 dargestellt, die jeweils mit Spiralfedern 10 von dem Mittelbereich des Wickelkerns 2 beabstandet sind. Für die Herstellung offener, rohrförmiger Hohlkörper wird ein Wendezonenring 5 mit radial abstehenden Wickelpins 8 (d. h., sie stehen senkrecht zur Achse 7) getreu 3a verwendet. Für eine Herstellung eines faserverstärkten zylinderförmigen Hohlkörpers mit halbkugelförmiger Kappe am Endbereich des Zylinders kann das Wickelungswendeelement 4 entsprechend 3b in Form einer Wendepolkappe 9 ausgebildet sein, wobei die Wickelpins 8 in diesem Fall, aufgrund der Wickelweise der Verstärkungsfasern 1.1 entlang geodätischer Linien, entfallen. In 3 are two design variants of the winding turning element 4 shown, each with coil springs 10 from the central region of the winding core 2 are spaced. For the production of open, tubular hollow body is a turning zone ring 5 with radially projecting winding pins 8th (ie, they are perpendicular to the axis 7 ) faithfully 3a used. For manufacturing a fiber-reinforced cylindrical hollow body having a hemispherical cap at the end portion of the cylinder, the winding-reversing element can 4 corresponding 3b in the form of a reversible pole cap 9 be formed, with the winding pins 8th in this case, due to the way in which the reinforcing fibers are wound 1.1 along geodetic lines, omitted.

Die 4 bis 6 zeigen den Vorgang zur Erzeugung eines Hohlkörpers mit Gewinde. Diese Verfahrensschritte erfolgen nach Abschluss des Wickelns einer kompletten Faserschicht aus Verstärkungsfasern 1.1 auf den Wickelkern 2, wie in 4 gezeigt. Die Fixierung des auf der rechten Seite von 4 dargestellten Wickelungswendeelementes 4 wird gelöst, sodass sich dieses auf dem Endabschnitt 2.2 des Wickelkerns 2 in axialer Richtung frei bewegen kann. Auf die auf den Wickelkern 2 aufgebrachte Faserschicht 1.1 werden Umformfäden 1.2 in der Art angebracht, dass sie entlang einer Schraubenlinie um den Wickelkörper verlaufen, wobei sie der vom Wickelkern 2 vorgegebenen Helix 6 folgen. 5 zeigt, dass durch Eindrücken der Umformfäden 1.2 in die Rillen des Gewindegangs 6 des Wickelkerns 2 der Wickelkörper die Gewindestruktur erhält. Durch das Eindrücken üben die an den Wickelpins 8 befestigten Verstärkungsfasern 1.1 eine erhöhte Zugspannung auf die Wickelungswendeelemente 4 aus, sodass das (in 5 rechts liegende) Wickelungswendeelement 4 parallel zur Achse 7 verschoben wird, wobei die Federn 10 des Wickelungswendeelementes 4 zusammengedrückt werden. Dadurch bleiben die Fasern 1.1 stets mit der gleichen Vorspannung behaftet. The 4 to 6 show the process of producing a hollow body with thread. These process steps take place after completion of winding a complete fiber layer of reinforcing fibers 1.1 on the winding core 2 , as in 4 shown. The fixation of on the right side of 4 illustrated winding turning element 4 is released so that this on the end section 2.2 of the winding core 2 can move freely in the axial direction. On the on the winding core 2 applied fiber layer 1.1 become forming threads 1.2 mounted in such a way that they run along a helical line around the winding body, whereby that of the winding core 2 given helix 6 consequences. 5 shows that by pressing the Umformfäden 1.2 into the grooves of the thread 6 of the winding core 2 the winding body receives the thread structure. By impressing practice on the winding pins 8th attached reinforcing fibers 1.1 an increased tensile stress on the winding turning elements 4 out, so that the (in 5 right) winding turning element 4 parallel to the axis 7 is shifted, with the springs 10 the winding turning element 4 be compressed. This will leave the fibers 1.1 always with the same bias voltage.

Nachdem die erste Faserschicht komplett in die Nuten eingedrückt wurde, wird eine weitere Faserschicht von Verstärkungsfäden 1.1 auf den Wickelkern 2 gewickelt. Anschließend wird die Fixierung des zweiten (auf der linken Seite von 6 dargestellten) Wickelungswendeelementes 4 gelöst und die zweite Faserschicht mittels Umformfäden 1.2 in das im Mittelbereich des Wickelkerns 2 angeordnete helixförmige Profil 6 gedrückt. Hierbei werden nun die Spiralfedern 10 des linken (in 6) Wickelungswendeelementes 4 zusammengepresst. After the first fiber layer has been completely pressed into the grooves, another fiber layer of reinforcing threads is formed 1.1 on the winding core 2 wound. Subsequently, the fixation of the second (on the left side of 6 shown) winding turning element 4 dissolved and the second fiber layer by Umformfäden 1.2 in the middle of the hub 2 arranged helical profile 6 pressed. Here are now the coil springs 10 of the left (in 6 ) Winding turning element 4 compressed.

Sobald die letzte Windung des Gewindes auf diese Art erzeugt wurde, sind die Federn 10 beider Wickelungswendeelemente 4 maximal zusammengedrückt. Durch ein Tempern des gesamten Wickelkerns 2 mit Wickelkörper wird der thermoplastische Klebstoff der gebinderten Fasern 1.1 und 1.2 verflüssigt. Nach dem Abkühlen hat der Wickelkörper durch den Klebstoff eine starre Form erhalten und kann vom Wickelkern 2 entfernt werden. 7 zeigt im Längsschnitt den Wickelkern 2 mit dem im Mittelbereich aufgesetztem Gewinde-Werkzeug 12, welches mit dem Gewindegang 6 profiliert ist, sowie zwei mögliche Ausgestaltungsvarianten des Gewinde-Werkzeugs 12 im Querschnitt. Once the last turn of the thread has been made in this way, the springs are 10 both winding turning elements 4 maximally compressed. By annealing the entire hub 2 with bobbin becomes the thermoplastic adhesive of the bonded fibers 1.1 and 1.2 liquefied. After cooling, the bobbin has received a rigid shape by the adhesive and can from the hub 2 be removed. 7 shows in longitudinal section the winding core 2 with the threaded tool in the middle area 12 which with the thread 6 is profiled, as well as two possible design variants of the threaded tool 12 in cross section.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist in 8 zu sehen. Es beruht darauf, dass die Verstärkungsfasern 1.1 nach Montage des Wickelkörpers mitsamt Wickelkern 2 im Außenwerkzeug 3, umfassend ein Oberteil 3.1, ein Unterteil 3.2, einen linken Deckel 3.3 und einen rechten Deckel 3.4, durch das Andrückelement 12 noch verstärkt in die Helixkontur des Außenwerkzeuges 3 hinein geformt werden. Dies erfolgt durch Luft, die über einen Kanal 13 herangezogen wird und unter Druckbeaufschlagung das Andrückelement 12 radial nach außen verformt. Dieses Ausführungsbeispiel ist besonders vorteilhaft in Kombination mit dem Harzinjektionsprozess, da die mit den Fasern 1.1 und 1.2 ausgefüllten Zwischenräume zwischen Wickelkern 2 und Außenwerkzeug 3 während des Harzinjektionsvorgangs für einen vereinfachten Harzfluss größere Freiräume zulassen. Nach Abschluss der Harzinjektion erfolgt in diesem Fall die Druckerhöhung im Kanal 13 mit der darauf folgenden radialen Aufweitung des Andrückelements 12. Another embodiment of the method is in 8th to see. It is based on the fact that the reinforcing fibers 1.1 after assembly of the winding body including winding core 2 in the outer tool 3 comprising an upper part 3.1 , a lower part 3.2 , a left lid 3.3 and a right lid 3.4 , by the pressing element 12 reinforced in the helix contour of the outer tool 3 be formed into it. This is done by air flowing through a duct 13 is used and pressurized the pressure element 12 deformed radially outwards. This embodiment is particularly advantageous in combination with the resin injection process, as with the fibers 1.1 and 1.2 filled spaces between hub 2 and outside tools 3 allow greater clearance during the resin injection process for simplified resin flow. After completion of the resin injection in this case, the pressure increase in the channel 13 with the subsequent radial expansion of the pressing element 12 ,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Roving roving
1.1 1.1: Roving, Verstärkungsfaser Roving, reinforcing fiber
1.2 1.2: Roving, Umformfaden Roving, forming thread
2 2: Wickelkern winding core
2.1 2.1: erster Endabschnitt first end section
2.2 2.2: zweiter Endabschnitt second end section
3 3: Außenwerkzeug outer tool
3.1 3.1: Außenwerkzeug, Oberteil Outer tool, upper part
3.2 3.2: Außenwerkzeug, Unterteil Outer tool, lower part
3.3 3.3: Außenwerkzeug, Deckel links External tool, cover left
3.4 3.4: Außenwerkzeug, Deckel rechts Outer tool, cover right
4 4: Wickelungswendeelement Winding turnaround
5 5: Wendezonenring Turning zone ring
6 6: Helix bzw. Gewindegang Helix or thread
7 7: Achse axis
8 8th: Wickelpin Wickelpin
9 9: Wendepolkappe Wendepolkappe
10 10: Spiralfeder spiral spring
12 12: Andrückelement/Gewinde-Werkzeug Pressing element / threaded tool
13 13: Luftkanal air duct
14 14: Montage-/Demontagewerkzeugsitz Wickelkern Assembly / disassembly tool seat Winding core
15 15: Montage-/Demontagewerkzeugsitz Faserverbundbauteil Assembly / disassembly tool seat fiber composite component
1717: Verstellmechanismus adjustment
1818: Positionierungsstift positioning pin
1919: Verbindungsmittel connecting means

Claims

A method of making a threaded fiber composite hollow body using coil-wound continuous fibers, fiber bundles or reinforcing tapes, comprising the steps of: winding at least one fibrous layer ( 1.1 ) of fibers, fiber bundles or reinforcing tapes on a cylindrical winding core ( 2 ), having a first ( 2.1 ) and a second end portion ( 2.2 ) whose outer diameter is smaller than the largest outer diameter of a between the end portions ( 2.1 . 2.2 ) arranged profile ( 6 ) in the form of a helically extending around the lateral surface groove, wherein the longitudinal axis of the helix defined by the groove on the central axis ( 7 ) of the winding core ( 2 ), and one on each end section ( 2.1 . 2.2 ) arranged winding turning element ( 4 ), of which at least one winding turning element ( 4 ) is displaceable axially on the respective end section after releasing a fixing, wherein the fibers, fiber bundles or reinforcing tapes ( 1.1 ) between the two winding turning elements ( 4 ) are stored geodesically so that they only the outer elevations of the profile ( 6 ) contacting straight stretched over it; - release the fixation of one of the winding turning elements ( 4 ) and molding the fiber layer ( 1.1 ) in the groove of the profile ( 6 ), wherein at the same time the winding turning element ( 4 ), whose fixation has been solved, in the manner along the axis ( 7 ) in the direction of the opposite winding turning element ( 4 ) that the fibrous layer ( 1.1 ) always with a predetermined fiber tension on the winding core ( 2 ) and one for molding the fiber layer ( 1.1 ) additionally required roving length is provided; and - consolidating the fiber layer ( 1.1 ) in the thread form.

A method according to claim 1, characterized in that the molding of the fiber layer ( 1.1 ) into the groove with a Umformfaden ( 1.2 ), which in type on the fiber layer ( 1.1 ) is wound, starting from the end portion, which is opposite to the end portion, at which the fixation of the winding turning element ( 4 ), the forming thread ( 1.2 ) following the course of the groove so tightly wound that the fiber layer ( 1.1 ) in the groove of the profile ( 6 ) is pressed.

A method according to claim 1, characterized in that the molding of the fiber layer ( 1.1 ) into the groove with an external tool ( 3 ), comprising a plurality of connection means ( 19 ) releasably interconnected components ( 3.1 . 3.2 ), the components ( 3.1 . 3.2 ) in the connected state form a cylindrical cavity, which has on its inner circumferential surface a thread-like profile which forms a negative mold on the outer surface of the winding core ( 2 ) arranged profile ( 6 ).

A method according to claim 2, characterized in that the (with the fiber layer 1.1 ) and the forming threads ( 1.2 ) wound winding core ( 2 ) into an external tool ( 3 ), comprising a plurality of connection means ( 19 ) releasably interconnected components ( 3.1 . 3.2 ), the components ( 3.1 . 3.2 ) in the connected state form a cylindrical cavity, which has on its inner circumferential surface a thread-like profile which forms a negative mold on the outer surface of the winding core ( 2 ) arranged profile ( 6 ), is screwed.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that on the winding core ( 2 ) deposited fiber layer ( 1.1 ) after molding in the helical around the lateral surface of the winding core ( 2 ) extending groove is strengthened with a low-viscosity reaction resin.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the Umformfäden ( 1.2 ) and / or the fiber layer ( 1.1 ) after molding by binding with a thermoplastic adhesive in its helical position are fixed.

There are 8 sheets of drawings