DE19716057A1 - Formteile aus Aramid-Hochleistungsfaser-verstärktem Kunststoff - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung sind Formteile aus Aramid-Hochleistungsfaser-verstärktem Kunststoff mit hoher Maß- und/oder Konturgenauigkeit sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Hochleistungsfasern, nämlich Aramidfasern, sind beispielsweise aus Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5. Auflage, Band A13, S. 1 bis 23 bekannt.

Hierunter versteht man bekanntermaßen hochwärmebeständige und insbesondere hochfeste Fasern, die beispielsweise unter den Handelsbezeichnungen Twaron® oder Kevlar® im Handel erhältlich sind. Zur Herstellung von Formteilen werden diese Fasern in organische Harze eingebettet. So sind Formteile, d. h. insbesondere hochfeste und formstabile, leichte Bauteile oder Produkte aus faserverstärkten Kunststoffen oder solche aus metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffen mit Verstärkungen oder Beschichtungen aus Faserverbundkunststoffen bekannt.

Je nach Art der Belastung werden hochfeste, leichte Formteile mitunter aus mit Aramid-Hochleistungsfaser-verstärkten Kunststoffen im Wickel- oder Laminier­ verfahren, d. h. nicht umfassend formgebunden, hergestellt.

Wird in solchen Fällen eine hohe Form- oder Maßgenauigkeit bestimmter oder aller Bauteiloberflächenabschnitte gefordert, so müssen diese Abschnitte spangebend nachgearbeitet werden.

Laminate aus mit Hochleistungsfaser-verstärkten Kunststoffen auf Aramid-Basis lassen sich jedoch aufgrund der hohen Festigkeit und Zähigkeit der Fasern nur sehr schwer spangebend bearbeiten. Bei den klassischen Bearbeitungsverfahren, wie Bohren, Sägen, Fräsen, Drehen, Senken oder Schleifen entstehen starke Aus­ fransungen und Delaminationen im Bereich der Bearbeitungsstellen. Selbst bei Einsatz von Spezialwerkzeugen und genauer Abstimmung der Vorschub- und Schnittgeschwindigkeiten sind die erreichten Oberflächenqualitäten in den meisten Fällen nicht akzeptabel. Das gleiche gilt für die erzielbare Maßgenauigkeit.

Aufgrund der hohen Zähigkeit der Fasern werden diese nicht sauber durch- oder abgetrennt, sondern nur angeschnitten und freigelegt. So entstehen Ausfransungen der freigelegten Fasern, die eine unsaubere, wollartig aussehende Oberfläche an den bearbeiteten Flächen entstehen lassen, wodurch die geforderte oder gewünschte Maßgenauigkeit nicht erreichbar ist. Hohe Anforderungen an die Maßgenauigkeit zur Erzeugung präziser Nahtstellen zu anderen Bauteilen sind unter Verwendung der Aramid-Hochleistungsfasern nur formgebunden umfassend erfüllbar.

Insbesondere, bei den Laminier-, Wickel- oder Flechtverfahren ist jedoch nur eine einseitig formgebundene Oberfläche gegeben, so daß zur Erzielung hochgenauer Wanddicken, Bohrungen, Schlitze oder Paßflächen eine spangebende Nach­ bearbeitung erforderlich ist.

Die Aufgabe der Erfindung bestand nunmehr darin, insbesondere gewickelte oder laminierte Formteile aus mit Aramid-Hochleistungsfaser-verstärktem Kunststoff maß- und paßgenau herzustellen, damit diese Formteile im Werkzeug-, Maschinen- und Gerätebau, bei denen enge Einbautoleranzen oder exakte Nahtstellen zu anderen Bauteilen gefordert sind, eingesetzt werden können.

Dies gilt besonders für leichte und hochbeanspruchte oder schnell laufende Teile wie Walzen, Räder, Rollen oder Schleifmittelträger, die eine hohe Rundlaufgenauigkeit aufweisen müssen.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit Formteilen aus Aramid-Hochleistungsfaser-verstärktem Kunststoff mit hoher Maß- und/oder Kontur­ genauigkeit, die dadurch gekennzeichnet sind, daß sie wenigstens einen Aramid-Hoch­ leistungsfaser-freien Oberflächenabschnitt aufweisen.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung werden die Nachteile des Standes der Technik dadurch behoben, daß die Beschichtung oder der Auftrag aus mit Aramid- Hochleistungsfaser-verstärktem Kunststoff unterhalb der Fertigmaße, das heißt in geringerer Schichtdicke, aufgetragen und anschließend eine Beschichtung mit einem Aramid-Hochleistungsfaser-freiem Material im Übermaß dort aufgetragen wird, wo die hohe Maß- und/oder Konturgenauigkeit erwünscht oder erforderlich ist. Dieses Übermaß kann anschließend bearbeitet werden.

Den Kern der erfindungsgemäßen Formteile bilden somit mit Aramid- Hochleistungsfaser-verstärktem Kunststoff verstärkte oder beschichtete Werkstoffe aus metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffen.

Der Aramid-Hochleistungsfaser-freie Oberflächenabschnitt kann erfindungsgemäß Teile oder die vollständige Oberfläche der Formteile umfassen.

Der Aramid-Hochleistungsfaser-freie Oberflächenabschnitt wird vorzugsweise aus dem gleichen Kunststoffmaterial des Aramid-Hochleistungsfaser-verstärktem Kunststoffmaterials aufgebaut. Hierdurch läßt sich ein besonders hochfester Verbund des Aramid-Hochleistungsfaser-freien Oberflächenabschnitts mit dem Kern des Formteils erreichen, insbesondere, wenn der Aramid-Hochleistungsfaser-freie Oberflächenabschnitt auf den Kern aufgebracht wird, bevor das Bindemittelharz des Aramid-Hochleistungsfaser-verstärkten Kunststoffs ausgehärtet ist.

Während eine Alternative der vorliegenden Erfindung darin besteht, eben das obenerwähnte Harz des Aramid-Hochleistungsfaser-verstärkten Kunststoffkerns selbst in Form eines Aramid-Hochleistungsfaser-freien Oberflächenabschnitts auf den Kern aufzutragen, ist es gemäß einer weiteren Alternative der vorliegenden Erfindung möglich, diese Beschichtung aus einem Kornpound aus Kunststoffmaterial, das heißt einem Harz und anderen anorganischen oder organischen Materialien, insbesondere anorganischen synthetischen Fasern aufzubringen. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung enthält daher der Aramid-Hochleistungsfaser-freie Oberflächenabschnitt anorganische synthetische Verstärkungsfasern und/oder organische Chemiefasern. Innerhalb der Gruppe der anorganischen synthetischen Verstärkungsfasern und/oder organischen Chemiefasern, ausgenommen Aramid-Hoch­ leistungsfasern, sind erfindungsgemäß Verstärkungsfasern aus Glas, Kohle, Bor, Keramik, Phosphat, Calcium und/oder ultrahochmolekularem Polyethylen oder Polyester besonders bevorzugt.

Die Wahl der Fasern im Aramid-Hochleistungsfaser-freien Oberflächenabschnitt richtet sich nach den Beanspruchungen des Formteils und des ausgewählten Harzes. Vorzugsweise wird für das Kompound mit der Aramid-Hochleistungsfaser und der anschließenden Aufdickung mit einer für die Spangebung besser geeigneten Faser das gleiche Harz verwendet.

So wird lediglich ab einem bestimmten. Fertigungsschritt eine andere vorbereitete Faser über dasselbe Bad zugeführt und die Formteile können nach der Aushärtung mit handelsüblichen Werkzeugen problemlos bearbeitet und auf die geforderten Abmessungen und Oberflächengüte eingestellt werden.

Bei der Auswahl der Faser sollte das Dehnungsverhalten der Faser dem Einsatzfall und der Belastung sowie dem E-Modul angepaßt und dem der darunterliegenden Aramid-Hochleistungsfaser angeglichen sein, sich vorzugsweise mit dem gleichen Harz verarbeiten lassen und mit handelsüblichen Schneid-Werkzeugen auf wirt­ schaftliche Weise zu bearbeiten sein.

So kann die Herstellung derartiger Formteile ohne größere Fertigungsunterbrechung erfolgen, in dem beispielsweise in einem Wickelverfahren die Zufuhr der Aramid-Hochleistungsfaser vor dem Erreichen der Abschnitte, die später spangebend nachgearbeitet werden sollen, angehalten und entsprechend ausgewählte und bearbeitete Fasern durch dasselbe Harzbad zur Aufdickung der zu bearbeitenden Oberflächenabschnitte zugeführt werden.

Eine Aufdickung, die allein aus dem Harz ohne Zuführung einer weiteren Faser oder eines Verstärkungsmaterials erfolgt, ist jedoch nur dann zu empfehlen, wenn es sich um dünne Schichten, beispielsweise von weniger als 1 mm handelt, die nach Aushärtung spangebend nachgearbeitet werden sollen.

Damit das Harz während des Härtungsprozesses nicht verläuft, wird diese erfindungs­ gemäße Schicht vorzugsweise mit einer Folie, einem Klebeband, einem Schrumpf­ schlauch oder Papier abgedeckt. Bei einer anschließenden spangebenden Be­ arbeitung wird diese Schicht mit entfernt.

Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke der Aramid-Hochleistungsfaser-freien Oberflächenabschnitte wenigstens 1 mm, insbesondere wenigstens 0,5 mm vor der spangebenden Bearbeitung, um einen möglichst geringen Einfluß auf die Belastungs­ eigenschaften der Formteile auszuüben.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die Aramid-Hochleistungsfaser-freien Oberflächenabschnitte ausgewählte Teile oder die gesamte Oberfläche des Formteils. Somit ist es möglich, beispielsweise Formteile für den Werkzeug-, Maschinen- und Gerätebau herzustellen, mit denen enge Einbautoleranzen oder exakte Nahtstellen zu anderen Bauteilen gefordert werden.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung sind somit leichte und hochbeanspruchbare oder schnell-laufende Teile wie Walzen, Räder, Rollen oder Schleifmittelträger mit hoher Rundlaufgeschwindigkeit herstellbar. Weitere Anwendungsbeispiele für die erfindungs­ gemäßen Formteile sind mechanisch hochbelastbare Bauteile, wie Bolzen, Buchsen, Ringe oder Rohre, die mit definiertem Paßsitz eingebaut oder eingesetzt werden.

In einem besonderen Fall war ein Schleifmittelträger als Rohrabschnitt im Wickel­ verfahren herzustellen, der einen definierten Außendurchmesser bei genau abge­ stimmter Wanddicke haben mußte. Dieser Rohrabschnitt wurde auf einem Wickeldorn als überlanges Rohr gewickelt und mußte anschließend auf Länge und Außendurch­ messer spangebend fertig bearbeitet werden.

Eine besondere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht in einem Verfahren zur Herstellung der oben definierten Formteile, insbesondere nach an sich bekannten Wickel- und Laminierverfahren. Erfindungsgemäß wird besonders ab einem gewünschten Fertigungsschritt dem nicht gehärteten Formling in wenigstens einem Oberflächenabschnitt ein Aramid-Hochleistungsfaser-freies Kunststoffmaterial zugeführt, das Formteil ausgehärtet und anschließend der Aramid-Hochleistungs­ faser-freie Oberflächenabschnitt maß- und konturgenau bearbeitet. Besonders bevorzugte Bearbeitungsverfahren umfassen insbesondere das Bohren, Sägen, Fräsen, Drehen, Senken und/oder Schleifen der Aramid-Hochleistungsfaser-freien Oberflächen­ abschnitte, die somit maß- und konturgenau hergestellt werden können.

Claims (10)

1. Formteile aus Aramid-Hochleistungsfaser-verstärktem Kunststoff mit hoher Maß- und/oder Konturgenauigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens einen Aramid-Hochleistungsfaser-freien Oberflächenabschnitt aufweisen.

2. Formteile nach Anspruch 1, umfassend mit Aramid-Hochleistungsfaser-ver­ stärktem Kunststoff verstärkte oder beschichtete Werkstoffe aus metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffen.

3. Formteile nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aramid- Hochleistungsfaser-freie Oberflächenabschnitt aus einem Kunststoffmaterial besteht.

4. Formteile nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aramid- Hochleistungsfaser-freie Oberflächenabschnitt aus dem gleichen Kunststoff­ material des Aramid-Hochleistungsfaser-verstärkten Kunststoffs aufgebaut ist.

5. Formteile nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Aramid-Hochleistungsfaser-freie Oberflächenabschnitt Verstärkungsfasern aus Glas, Kohle, Bor, Keramik, Phosphat, Calcium und/oder ultrahochmolekularem Polyethylen oder Polyester enthält.

6. Formteile nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schichtdicken des Aramid-Hochleistungsfaser-freien Ober­ flächenabschnitts wenigstens 1 mm, insbesondere 0,5 mm betragen.

7. Formteile nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Aramid-Hochleistungsfaser-freie Oberflächenabschnitt die gesamte Oberfläche der Formteile umfaßt.

8. Formteile nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, umfassend Bolzen, Buchsen, Ringe oder Rohre.

9. Verfahren zur Herstellung von Formteilen, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, insbesondere nach an sich bekannten Wickel- oder Laminier­ verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß man ab einem gewünschten Ferti­ gungsabschnitt den nicht gehärteten Formlingen in wenigstens einem Ober­ flächenabschnitt ein Aramid-Hochleistungsfaser-freies Material, insbesondere Kunststoffmaterial zuführt, die Formteile aushärtet und den Aramid-Hoch­ leistungsfaser-freien Oberflächenabschnitt maß- und konturgenau be­ arbeitet.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung, Bohren, Sägen, Fräsen, Drehen, Senken und/oder Schleifen, insbesondere die spanabhebende Bearbeitung umfaßt.