DE2022164B1 - Verfahren zur Erhoehung der Festigkeit von Formteilen - Google Patents

Description

• Die Verstärkungsfasern von Verbundwerkstoffen, z. B. von faserverstärkten Kunststoffen, haben mitunter die Form von endlosen Fäden, die unter Umständen zu Geweben verwoben sind; handelt es sich aber um Kurzfasern, dann sind sie entweder Stapelfasern, d. h. auf gleiche Länge geschnittene Chemiefasern, oder Whiskers, welche gleich oder auch ungleich lang sein können.
• Parallelliegende endlose Verstärkungsfasern, als Rovings verarbeitet, bringen die höchsten Festigkeitswerte, die mit faserverstärkten Verbundwerkstoffen erzielbar sind, da die Verstärkungsfasern dann in den Hauptbelastungsrichtungen verlegt werden können. Von Nachteil ist jedoch, daß bei der Verwendung endloser Verstärkungsfäden in der Regel nur aufwendige Fertigungstechniken, wie z. B.
• das Handauflege-, das Wickel- und das Profilziehverfahren anwendbar sind. Diese aber lassen keine zügige Serienproduktion zu.
• Bei der Verarbeitung von Kurzfasern dagegen kann man vielerlei Techniken wie beispielsweise Gießen, Spritzen, Extrudieren u. a. anwenden, die alle Bedingungen einer vollkommenen Formgebung auch bei ungewöhnlicher und verwickelter Gestaltung des Werkstückes erfüllen und in der Regel auch eine rationelle Serienfertigung zulassen; es muß hier allerdings als Nachteil in Kauf genommen werden, daß durch die wirre Anordnung der Kurzfasern keine optimalen belastungsgerechten Festigkeitswerte zu erzielen sind.
• Es ist zwar schon nach der deutschen Auslegeschrift 1143 629 bekannt, Zonen hoher Festigkeit in Gießharzkörpern dadurch herzustellen, daß man ferromagnetische Teilchen in diesen Zonen während des Gießvorganges mit Hilfe eines oder mehrerer magnetischer Kraftfelder anlagert. Die hierbei erzielte Festigkeitserhöhung des Werkstückes bleibt aber stets örtlich begrenzt und beschränkt sich auf die den metallischen oder anderen elektrisch leitenden Einschlüssen anliegende oder benachbarten Teilgebiete des Gießharzkörpers.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei der Verarbeitung von mit endlosen Fasern verstärkten Verbundwerkstoffen erzielbaren hohen Festigkeitswerte auch auf mit Kurzfasern verstärkte Verbundwerkstoffe auszudehnen, wobei die vorteilhaften Fertigungstechniken, die sich bei diesen Werkstoffen bewährt haben, beibehalten werden sollen.
• Gemäß der Erfindung wird eine Erhöhung der Festigkeit von Formteilen aus mit Kurzfasern (Stapelfasern oder Whiskers) verstärkten Verbundwerkstoffen, die im flüssigen Zustand verformt werden, dadurch erreicht, daß die Fasern während des Formvorganges mittels elektrischer bzw. magnetischer Felder ausgerichtet werden.
• Ein derartiges Verfahren nutzt also die Tatsache aus, daß sowohl ungeladene elektrische Leiter als auch Dielektrika im elektrischen Feld zu Dipolen werden. Im homogenen Feld erfahren die Fasern ein Drehmoment, das sie in Richtung der Feldlinien einstellt, sie also an ihnen orientiert.
• Es ist von besonderem Wert, wenn während der fortschreitenden chemischen Reaktion, also während der Erhärtung der Kunststoffmasse, eine Wärmebehandlung erfolgt, die im Hinblick auf Viskosität gesteuert werden kann. Dadurch wird die Fixierung der Kurzfasern in der gewünschten Position ermöglicht. Hierbei kann es von Vorteil sein, gleichgeformte, also auch gleich lange Fasern zu verwenden, die unter dem Einfluß der ausrichtenden Felder stehen und die dadurch also jeweils gleich hohe Bewegungsenergie aufnehmen. Sie werden sich deshalb auch alle etwa in demselben Zeitraum ausgerichtet haben.
• In anderen Fällen kann es aber auch, verursacht durch die mehr oder minder verwickelte Gestalt des zu verstärkenden Formteils, von besonderem Wert sein, wenn den Kurzfasern ein gewisser Prozentsatz weiterer, anders gearteter Fasern beigemischt wird, deren Ausrichtung unter dem Einfluß der Felder z. B. langsamer verläuft als die Ausrichtung der vorhandenen Kurzfasern. Hierdurch kann erreicht werden, daß das Formteil durch die erstgenannten Kurzfasern in Richtung der Feldlinien, durch die von der Form und Art dieser Kurzfasern abweichenden weiteren Kurzfasern aber in einer zur Hauptbeanspruchungsrichtung in wählbarem Winkel abweichenden Richtung verstärkt wird.
• Durch entsprechende Ausbildung der Felder, welche z. B. durch wählbare Positionierung und Gruppierung von Plus- und Minuspolen im Bereich des Werkstückes erfolgen kann, ist es möglich, Kurzfasern vor dem Erhärten des Kunststoffes jeweils in die den Hauptbelastungsrichtungen des Formteils entsprechenden Lagen einzustellen.
• In der Zeichnung ist das Verfahren gemäß der Erfindung an Hand von zwei nachfolgend beschriebenen Beispielen näher erläutert.
• F i g. 1 zeigt einen Stab und Fig. 2 eine Scheibe aus faserverstärktem Kunststoff; F i g. 3 ist ein Ausschnitt aus F i g. 2 in vergrößertem Maßstab.
• Auf die zeichnerische Darstellung von Formmulden, Pressen, Heiz- und Kühlaggregaten od. ä. zur Herstellung der dargestellten Gegenstände erforderlichen Hilfsmittel wurde verzichtet.
• Während der durch die Menge des beigegebenen Härters bzw. eines Beschleunigers stark beeinflußbaren Polymerisation des Kunststoffes werden die im Kunststoffstab 1 enthaltenen Ve#stärkungsfasern 2 durch das sich zwischen dem Pluspol 3 und dem Minuspol4 in Längsrichtung des Stabes einstellende elektrische Feld ausgerichtet. Die aufgebrochene Oberfläche des Stabes läßt die gleichsinnige Ausrichtung der Verstärkungsfasern erkennen.
• Durch Steuerung der Wärmezufuhr oder des Wärmeentzuges wird eine genügend zähflüssige Konsistenz des Kunststoff-Faser-Gemisches erhalten, so daß sich einerseits die Fasern nicht an einer Seite des Formkörpers infolge der Schwerkraft ansammeln bzw. absetzen können, andererseits jedoch die relativ schwachen Kräfte des elektrischen Feldes gerade noch ausreichend sind, um die Fasern in Richtung der Feldlinien auszurichten.
• Bei dem in Fig. 2 gezeigten Formkörper handelt es sich um eine gelochte Scheibe 5 aus faserverstärktem Kunststoff, die bei ihrer Fertigung von einem ringförmigen Minuspol 6 umgeben ist und in deren Zentrum ein Pluspol 7 liegt. Ein Teil der Scheibenoberfläche ist aufgebrochen dargestellt, so daß die Ausrichtung der Fasem 8 von Pol zu Pol erkeniobar ist.
• Während der Formkörper nach Fig. I mit nur gieichdimensionierten Kurzfasern verstärkt ist, sind beim Formkörper nach F i g. 3 Kurzfasern verschiedener Längserstreckung eingebaut. Durch die gesteuerte Erwärmung bzw. durch rechtzeitigen Wärmeentzug sind die Kurzfasern 8 und 9 in einem definierten Ausrichtzeitpunkt fixiert, bei dem die kürzeren Fasern 8 exakt in der Richtung von Pol zu Pol ausgerichtet sind, die längeren Fasern 9 aber unter anderem infolge der zunehmenden Zähigkeit der Formmasse lediglich mit ihren Endabschnitten zu den Polen weisen, während ihr Mittelabschnitt seine Lage unter der Wirkung der relativ schwachen Feldströme nicht verändern konnte. Es werden auf diese Weise verstärkende Einlagen geschaffen. die in verschiedenen Richtungen wirksam sind, ähnlich wie bei einer Gewebeeinlage.
• Patentansprüche: 1. Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit von Formteilen aus mit Kurzfasern (Stapelfasern oder Whiskers) verstärkten Verbundwerkstoffen, welche im flüssigen Zustand verformt werden, dadurch gekennzeichnet. daß die Fasern während des Formvorganges mittels elektrischer bzw. magnetischer Felder ausgerichtet werden.
• 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch steuerbare Wärmebehandlung des Verbundwerkstoffes.
• 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch Verwendung gleichgeformter Fasern.

Claims (1)

1. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Beimischung verschiedenartiger Fasern.