DE19640955A1

DE19640955A1 - Hohlkörperprofil und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE19640955A1
Application number: DE19640955A
Authority: DE
Inventors: Thomas Mueller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-10-04
Filing date: 1996-10-04
Publication date: 1998-04-16

Description

Die Erfindung betrifft ein Hohlkörperprofil, insbesondere als Fahrradrahmenteil, Steuerrohr, Tretlager oder Ähnliches.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von gewichtsarmen Hohlkörpern, insbesondere als Fahrradrahmenteil, Steuerrohr, Tretlager oder Ähnliches, die hohen Druck-, Zug- und Biegebeanspruchungen ausgesetzt werden.

Insbesondere im Bereich des Fahrradteilebaues werden Lenker-Gabelaufnahmen, Tretlager, Schwingen und weitere Teile benö tigt, die nicht nur hohen Belastungen ausgesetzt werden und daher eine große Festigkeit besitzen müssen, sondern die ebenso unter der Zielsetzung einer Leichtbauweise gewichtsarm sein sollen. Eine erste Möglichkeit, Gewicht zu sparen, besteht in der Materialwahl. So werden beispielsweise für Sattel- und Tretlager sowie Steuerrohre bereits Carbon- oder Aluminium-Halbzeuge verschiedener Wandstärke verwendet, die über ein Rohr-Muffensystem ineinandergesteckt werden. Soweit es sich um Metalle handelt, können die Einzelteile geschweißt werden, soweit sie die notwendige Schweißeignung, Schweißsicherheit und Schweißmöglichkeit bieten, insbesondere in bezug auf die gewünschte Festigkeit und Zähigkeit. Nicht schweißbare Hohl profil-Halbzeuge lassen sich durch Einfügen eines Schaumkernes ausrichten und gegeneinander fixieren sowie anschließend mit einem einzuspritzenden aushärtbaren Kleber, zum Teil mit gleichzeitiger Außenumwicklung der aneinanderzufügenden Teile mittels harzgetränkter gegebenenfalls glasfaserverstärkter Mat ten, die einem späteren Aushärten unterzogen werden, aneinan derfügen. In jedem Fall ist zur Fertigung betreffender Hohl körperprofile ein erheblicher Material- und Arbeitsaufwand erforderlich, da neben den erwähnten Arbeiten die aneinanderge fügten Teile noch nachbearbeitet werden müssen. Zum Teil ist auch ein großer Materialmehraufwand, der zu einer unerwünschten Gewichtserhöhung der betreffenden Fertigteile führt, anderer seits kann wegen der geforderten Festigkeit auch nicht auf die Innenkerne verzichtet werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hohlkörperpro fil, insbesondere als Fahrradrahmenteil, Steuerrohr, Tretlager oder Ähnliches, sowie ein Verfahren zur Herstellung gewichtsar mer Hohlkörper, die hohen Druck-, Zug- und Biegebeanspruchungen ausgesetzt werden, anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile vermeiden. Insbesondere soll das Hohlkörperprofil aus möglichst wenig gewichtsarmen Massen bestehen und Bruch- und Biege-fest sein. Die verfahrenstechnischen Aufwendungen zur Herstellung solcher (Füge-)Teile sollen leicht und beliebig reproduzierbar durchführbar sein, einen geringen apparativen Aufwand erfordern und eine vollautomatische Massenproduktion preisgünstig erlauben.

Die Aufgabe wird durch das Hohlkörperprofil nach Anspruch 1 gelöst, das einen Verbundkörper darstellt, der aus mehreren, vorzugsweise 2 Schalenaußenteilen und einer am Schaleninnen mantel verklebten dünnen Matte besteht. Die genannten Schalen teile können aus einem Metall, einem Leichtmetall wie Alumi nium, oder aus einem Kunststoff, vorzugsweise einem Thermo plast, bestehen, also Teilen, die maschinell in die gewünschte Form, beispielsweise durch Pressen oder Gießen, überführt wer den können. Vorzugsweise bestehen die Schalenteile aus zwei Halbschalen, deren Außenmantel dem Außenprofil des gewünschten Hohlkörpers entspricht. Die Schalenteile oder Halbschalen wer den jedoch nicht durch Schweißverbindungen miteinander verbun den, sondern mittels einer am Schaleninnenmantel verklebten dünnen Matte, die selbst aus einem Faserverbundwerkstoff, bei spielsweise einer Carbon- oder einer Kunststoff-Faser bestehen kann, die mittels eines aushärtbaren Harzes wie Polyester- oder Epoxid-Harz eine feste Klebeverbindung, auch unter hohen Druck-, Zug- und Biegebeanspruchungen, liefert.

Zur Herstellung eines solchen Hohlkörperprofiles wird das im Anspruch 5 beschriebene Verfahren angewendet, bei dem ein mit einer harzgetränkten Matte vollständig umhüllter aufblasbarer Schlauch zwischen mehrere, vorzugsweise 2 dem gewünschten Hohl körper entsprechenden Schalenteilen aus Metall oder Kunststoff eingelegt und dieser Schlauch anschließend nach außenmantel seitiger Fixierung der Schalenteile soweit aufgeblasen wird, bis die Matte sich voll flächig an die Halbschaleninnenwandung anlegt, wonach die Matte (bei aufgeblasenem Schlauch) abschlie ßend ausgehärtet wird.

Vorteilhafterweise kann bei diesem Verfahren auf die Schweiß arbeiten und die hierbei stets einzuhaltende Lagefixierung der Teile gegeneinander während des Schweißens verzichtet werden. In entsprechendem Maß entfallen Schweißnahtvorbereitungen, das Schweißen selbst sowie das Nachbehandeln von Schweißnähten ebenso wie das Auftreten von Schrumpfungen, Spannungen, Verwer fungen und Verzug durch die örtliche Erwärmung im Bereich der Schweißnaht. Bei Anwendung des Verfahrens ist lediglich darauf zu achten, daß die Schalenteile beziehungsweise die Halbschalen während der Druckaufbringung auf den innen liegenden Schlauch in der gewünschten Lage gegeneinander fixiert werden, was durch eine Halterung, gegebenenfalls in einer vorbereiteten Form leicht durchgeführt werden kann.

Im einfachsten Fall wird zunächst eine (untere) Halbschale mit einer Fasermatte, die auch glasfaserverstärkt sein kann, ausge legt, anschließend ein Schlauch aufgelegt, um den die Faser matte unter Ausbildung einer vollständigen Umhüllung des Schlauches umgeschlagen wird. Soweit die Fasermatte nicht bereits harzgetränkt war, also z. B. als Prepreg-Matte, wird ein entsprechender Flüssigharz allseitig aufgetragen, die zweite (obere) Halbschale aufgelegt und anschließend bei Fixierung der beiden Halbschalen gegeneinander der Schlauch aufgeblasen, womit die harzgetränkte Matte voll flächig auf den Innenmantel der beiden Halbschalen gepreßt wird. Hiernach wird, vorzugs weise unter gleichzeitiger Wärmeeinwirkung der Harz ausgehär tet, bevor der Schlauch entlüftet wird. Das Hohlprofil kann nunmehr als Einheit entnommen werden.

Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.

So können die Schalenteile im aneinandergesetzten Zustand, der dem zu fertigenden Hohlkörperprofil entspricht, Öffnungen oder Schlitzbereiche aufweisen, durch die überschüssige Harzmengen während der Druckaufbringung auf den Schlauch herausgepreßt werden. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß nur soviel Harz in dem Fertigteil als ausgehärtete Masse vorhanden ist wie zur Herstellung einer festen Klebeverbindung benötigt wird.

Vorzugsweise wird der Schlauch mittels Druckluft zwischen 2 und 10 bar (2 × 10⁵ bis 10⁶ Pa) aufgeblasen. Dies gewährleistet, daß die Fasermatte mit dem Flüssigharz allseitig an die Scha lenteilinnenseite angepreßt wird.

Der zum Anpressen erforderliche Schlauch kann grundsätzlich im Innenraum des Hohlprofils verbleiben, vorzugsweise sind jedoch Schalenteilöffnungen vorgesehen, durch die nach Aushärtung des Harzes der Schlauch entfernt werden kann. Auf diese Weise wird das hergestellte Fertigteil um das Schlauchgewicht leichter. Um den Schlauch leicht herauslösen zu können, besteht dieser aus Silikon, das keine Verbindung mit dem Harz während des Aushär tens eingeht, gegebenenfalls kann der Schlauch vor dem Einlegen eingefettet werden.

Zur Beschleunigung der Aushärtung erfolgt diese unter Wärme einwirkung, die vorzugsweise ein abschließendes Tempern bei 80°C bis 100°C, insbesondere 90°C umfaßt.

Soweit die Matten aus einem Faserverbundwerkstoff bestehen, der eine Orientierung aufweist, wird die Matten gegenüber den Scha lenteilen entsprechend dieser Orientierung ausgerichtet, um die gegebenen Festigkeitseigenschaften ausnutzen zu können.

Im Bereich der Öffnungen, durch die überschüssiges Harz ausge treten ist, kann das fertiggestellte Profil noch entgratet oder oberflächengeschliffen werden.

Die Erfindung umfaßt auch die Maßnahme, den Innenmantel der Schalenteile mit einem Auftrag (Primer) zu versehen, der die Ausbildung einer festen, belastbaren Klebeverbindung der Matten mit den Schalenteilen fördert. Ebenso ist es möglich, die betreffende Vorrichtung (Form), die zur Fixierung der Schalen teile dient, als Heizvorrichtung auszugestalten, über die die Aushärtung erfolgen kann.

Verwendet man Carbonmatten als Verbindungswerkstoff zu Alumi niumschalenteilen, so empfiehlt es sich, zusätzliche Glasfa sermatten zwischen dem Aluminiumschalenteil und der Carbonmatte anzuordnen, um die Bildung eines galvanischen Elementes und eine damit gegebene Korrosionsgefahr zu verhindern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar gestellt, die einen Querschnitt durch ein Hohlkörperprofil zeigt.

Das Hohlkörperprofil besitzt 2 Aluminiumhalbschalen 1 und 2, die über ein mittels eines ausgehärteten Harzes versteiftes Faserverbundmaterial 3 miteinander verbunden sind. Im darge stellten Fall weist das Faserverbundmaterial einen mittleren Steg 4 als Versteifungsstrebe.

Das dargestellte Hohlkörperprofil kann folgendermaßen herge stellt werden: Zunächst werden die Aluminiumschalen 1 und 2 vorgeformt, so daß sie die gewünschten Außenmaße, Dicke und Formvorgaben erfüllen. Anschließend werden mehrlagig Glasfaser- und Carbonfasermatten, die mit Harz getränkt sind oder werden, um drucklose Schläuche gewickelt und zwischen die Aluminium schalen 1 und 2 gelegt, die außenseitig durch eine entspre chende Form oder sonstige Fixierung gehalten werden, damit der anschließend in die Schläuche gegebene hohe Druck die Schalen 1 und 2 nicht auseinandertreibt. Die Druckaufbringung, die bis zu 10⁶ Pa betragen kann, wird so gewählt, daß gewährleistet ist, daß sich die Matten voll flächig auf die Innenwandungen der Schalenteile anlegen. Etwa überschüssiges Flüssigharz, mit dem die Matten getränkt sind, entweicht über die Spalte 5 und 6. Unter Verwendung von 2 jeweils umwickelten Schläuchen, die beide luftdruckgefüllt werden, bildet sich zwangsläufig die Querstrebe 4 aus. Nach dem Aushärten des Kunststoffes und einem etwaigen Nachtempern zur Erhöhung der Festigkeit ist das Hohl körperprofil fertiggestellt. Etwaige aus den Spalten 5 und 6 überstehende Grate aus ausgehärtetem Harz können abgeschliffen werden. Ebenso kann, insbesondere bei mindestens einseitig offenem Hohlprofil jeder der beiden Schläuche, die vor dem Umhüllen mit den harzgetränkten Matten eingefettet worden sind, leicht herausgezogen werden.

Claims

1. Hohlkörperprofil, insbesondere als Fahrradrahmenteil, Steuerrohr, Tretlager oder Ähnliches, dadurch gekenn zeichnet, daß das Hohlkörperprofil ein Verbundkörper ist, der aus mehreren, vorzugsweise 2 Schalenaußenteilen (1, 2) und einer am Schaleninnenmantel verklebten dünnen Matte (3) besteht.

2. Hohlkörperprofil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalenteile aus einem Metall, vorzugsweise einem Leichtmetall wie Aluminium, oder aus einem Kunststoff, vorzugsweise einem Thermoplast, bestehen und/oder Halb schalen (1, 2) sind.

3. Hohlkörperprofil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Matten aus einem Faserverbundwerkstoff bestehen, die vorzugsweise hinsichtlich ihrer Faserorien tierung zwischen den Schalenteilen (1, 2) ausgerichtet sind.

4. Hohlkörperprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Matten aus einem Carbon-(Kohlen stoff-Faser) oder einem Zellulose- oder Polyacrylnitril-Fasermaterial, die vorzugsweise glasfaserverstärkt ist, bestehen und mittels eines aushärtbaren Harzes, vorzugs weise Polyester- oder Epoxid-Harz ausgehärtet sind.

5. Verfahren zur Herstellung von gewichtsarmen Hohlkörpern, insbesondere Fahrradrahmenteilen, Steuerrohren, Tretlagern oder Ähnlichem, die hohen Druck-, Zug- und Biegebeanspru chungen ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einer harzgetränkten Matte vollständig umhüllter auf blasbarer Schlauch zwischen mehrere, vorzugsweise 2 dem gewünschten Hohlkörper entsprechenden Schalenteilen aus Metall, vorzugsweise Leichtmetall wie Aluminium, oder aus einem Kunststoff, vorzugsweise einem Thermoplast, einge legt und dieser Schlauch anschließend nach außenmantel seitiger Fixierung der Schalenteile soweit aufgeblasen wird, bis die Matte sich vollflächig an die Schaleninnen wandung anlegt, und die harzgetränkte Matte abschließend ausgehärtet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalenteile Halbschalen sind.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalenteile im aneinandergestzen Zustand Öffnun gen oder Schlitzbereiche aufweisen, durch die überschüs sige Harzmengen während der Druckaufbringung auf den Schlauch herausgepreßt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch mittels Druckluft, vor zugsweise zwischen 2 und 10 bar (2 × 10⁵ bis 10⁶ Pa) auf geblasen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalenteile im aneinandergesetzten Zustand Öffnungen auf weisen, durch die nach Aushärtung der Matten der Schlauch entfernt werden kann.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch aus Silikon besteht und/ oder vor dem Einlegen eingefettet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Aushärtung unter Wärmeeinwirkung erfolgt, die vorzugsweise ein abschließendes Tempern bei 80°C bis 100°C, insbesondere 90°C umfaßt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Matten aus einem Faserverbundwerk stoff bestehen, der eine Orientierung aufweist, und bei dem Umhüllen des Schlauches oder dem Einlegen zwischen die Schalenteile entsprechend ihrer Faser-Orientierung ausge richtet.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Matten aus einem Carbon-(Kohlenstoff-Faser) oder einem Zellulose- oder Polyacryl nitril-Fasermaterial, die vorzugsweise glasfaserverstärkt ist und der aushärtbare Harz aus Polyester- oder Epoxid-Harz bestehen.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Matten aus Carbon- und Glasfasern verwendet werden, wobei vorzugsweise die Glasfasermatte zwischen der Aluminiumhalbschale und der Carbonmatte oder weiteren Matten angeordnet wird.