DE2328774A1

DE2328774A1 - Verfahren zur herstellung von drahtverstaerkten oder faserverstaerkten bauteilen

Info

Publication number: DE2328774A1
Application number: DE2328774A
Authority: DE
Inventors: Gottfried Barthels; Gustav Bruehn; Walther Prof Dr Dawihl; Max Kittendorf; Manfred Dipl Ing Dr Roeper; Heinz Dipl Ing Scheuten; Oswald Dipl Ing Schwerdtfeger
Original assignee: Felten and Guilleaume Kabelwerke GmbH
Current assignee: Felten and Guilleaume Kabelwerke GmbH
Priority date: 1973-06-06
Filing date: 1973-06-06
Publication date: 1975-01-09
Also published as: DK300274A; FR2232385B1; FR2232385A1; NL7401813A; IT1003730B; DE2328774B2; GB1431025A; BE812287A; LU70202A1

Description

Anmelder: Feiten & Guilleaume Kabelwerke Aktiengesellschaft 5 Köln 80 Schanzenstraße

Fl 4113 5 Köln-Mülheim, 4. Jurii 1973

Verfahren zur Herstellung von draht- oder faserverstärkten Bauteilen

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zur Herstellung von draht- oder faserverstärkten Bauteilen, "bei dem Verstärkungs-Drähte oder -Fäden mit Matrix-Werkstoff auf ein Formteil aufgewickelt werden und der Verbund mittels Druckanwendung hergestellt wird. Es eignet sich vorzugsT/eise zur Herstellung von Profilen aus Aluminium, durch Stahl oder Kohlenstoffaden verstärkt.

Bekannt sind verschiedene Verfahren zur Einbettung von Verstärkungs-Drähten oder -Fäden in einen Matrix-Werkstoff. So ist ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen und Halbzeug aus Verbundwerkstoffen mit metallischer Matrix und mit zumindest stellenweise eingelagerten Verstärkungsmaterialien in Form von

409882/0453

Fl 4113 - 2 - 4.6.73

Drähten, Fäden, Fasern, Bändern oder Folie bekannt, wobei die mit Metall beschichteten Ver stärlcungsmat eriali en auf ein Formteil angeordnet werden und das ETe tall nach Art des Widerstandsschweiß em durch direkten Str.omdurchgang kurzzeitig bis zum Aufschmelzen an den gegenseitigen Berührungsstellen erhitzt wird. Hierbei können die zu verbindenden Materialien während des Erhitzens einem verdichtenden Druck ausgesetzt werden. Für.die Herstellung des Verbundes ist auch das Strangpressen bekannt. (DT-OS 2 147 735) Wenn bei diesem Verfahren die hohe Festigkeit von Verstärkungs-Drähten oder -Fäden voll ausgenutzt werden soll, so müssen für die Beschichtung der Verstärkungs-Drähte oder -Fäden mit Ma.tr ix-Werkstoffen aufwendige und somit teuere Verfahrensschritte verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde_? ein Verfahren zur Herstellung auch größerer und komplizierter draht- oder faserverstärkter Bauteile zu schaffen, bei dem unbeschichtete Verstärkungs-Drähte oder -Fäden unter voller Ausnutzung der ursprünglichen Festigkeit verwendet werden können und bei dem die Lage und Orientierung der Verstärkungs-Drähte oder -Fäden im fertigen Bauteil in weiten Grenzen beeinflußt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß den Kennzeichen des nachfolgenden Patentanspruches 1 und durch erfindungsgemäße Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß den Kennzeichen der nachfolgenden Patentansprüche 2 bis 15 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, daß es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, unter Benutzung herkömmlicher Vorrichtungen und bei Verwendung von unbeschichteten, also preiswerten Verstärkungs-Drähten oder -Fäden hochfeste Bauteile mit fast beliebigen Matrix-Werkstoffen herzustellen. Die Verbindung zwischen Verstärkungs- und Matrix-Werkstoffen ist so

409 8-8 2/0453

Fl 4113 - 3 - 4.6.73

intensiv, daß auf die aufwendigen und entwicklungsintensiven Technologien für die Besch.ich.tung von Verstärkungs-Drähten oder -Fäden verzichtet werden kann. Auch das in der Fachwelt weit verbreitete Vorurteil, daß sich derartige Wickelkörper, insbesondere mit hochfesten Stahldrähten bewickelt, nicht in einer Strangpresse verarbeiten ließen, ist damit widerlegt. Die Erfindung zeigt, daß sich zahlreiche Matrix-Werkstoffe unter den Druck- und Temperaturbedingungen in der Strangpresse ähnlich wie Schmierstoffe beim Auspressen der Wicklungen von Verstärkungs-Drähten oder -Fäden verhalten.

Ausführungsbeispie3-e der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt, das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Presse mit zum Verdichten eingelegtem Preßblock, Fig. 2 eine Strangpresse im Betrieb.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden unbeschichtete Verstärkungs-Drähte oder -Fäden 1 zusammen mit Drähten aus Matrix-Werkstoff 2 von Vorratsspulen abgezogen, im Durchlauf durch Flüssigkeitsbäder von etwa anhaftenden Verunreinigungen befreit und durch nachgeschaltete Abstreif-Vorrichtungen und/oder eine induktive Ausheizung gereinigt und unmittelbar danach unter Vorspannung auf den spulenförmigen.Wickelkörper aus Matrix-Werkstoff 3 aufgewickelt. Der bis zur Höhe der Spulenflanschen 4 und 5 bewickelte Wickelkörper 3 v/ird sodann in einen Topf aus Matrix-Werkstoff 6, beispielsweise Aluminium, eingelegt, dessen Innendurchmesser dem Außendurchmesser der Flanschen 4 und 5 des Wickelkörpers 3 entspricht. Zur Vermeidung von Inhomogenitäten im später daraus hergestellten Bauteil wird dieser Topf 6 vorteilhaft einstückig ausgeführt, d.h. durch Tiefziehen, durch Ausdrehen von Vollmaterial oder durch einen ähnlichen Arbeitsgang hergestellt. Der aus bewickeltem Wickelkörper 3 und Topf 6 bestehende

409882/0453

Fl 4113 - 4 - 4.6.73

Preßblock 7 wird in einem Induktionsofen auf eine Temperatur aufgeheizt, die die Festigkeitseigenschaften der aufgewickelten Verstärkungs-Drähte oder -Fäden 1 noch nicht "beeinflußt, aber die Bildung von Reaktionsschichten zwischen Verstärkungs- und Matrix-Werkstoff beim anschließenden Verdichten begünstigt. Der warme Preßblock 7 wird sodann in einer Presse 8, 9, 10 unter Druck gesetzt, wobei eventuell verbliebene Lufteinschlüsse im Preßblock 7 entweichen können und eine den späteren Fließvorgang erleichternde tonnenförmige Verformung des Preßblocks 7 erfolgt. Nach dem Einbringen des verdichteten Preßblocks 7 in eine Strangpresse 13 oder nach dem Einsetzen der dem gewünschten Profil entsprechenden Preßform in die zum Verdichten benutzte Presse wird der Preßblock 7 zu dem gewünschten Profil 11 ausgepreßt.

Je nach dem Verwendungszweck der hergestellten Profile 11 werden als Verstärkungs-Drähte 1 hochfeste Stahldrähte, als Verstärkungs-Fäden 1 vorzugsweise endlose Kohlenstoffad en verwendet. Soll der Anteil an Verstärkungswerkstoff im fertigen Bauteil 11 besonders hoch sein, so ist es vorteilhaft, beim Aufwickeln die Drähte aus Matrix-Werkstoff 2 ganz oder teilweise durch mit Matrix-Werkstoff beschichtete Verstärkungs-Drähte od„er -Fäden zu ersetzen. Soll das fertige Profil 11, was insbesondere für Hohlprofile gewünscht werden kann, aus wechselweise aufeinander folgenden Schichten von reinem oder an Verstärkungs-Werkstoffen armen Matrix-Werkstoff und Schichten, die hohe Anteile an Verstärkungs-Werkstoff enthalten, bestehen, so ist es vorteilhaft, Drähte aus Matrix-Werkstoff 2 und Verstärkungs-Drähten oder -Fäden 1 schichtweise aufzu-wickeln. In diesem Fall kann eine Schicht aus Matrix-Drähten 2 vorteilhafterweise durch einen um den Wickelkörper 3 gelegten Blechstreifen aus Matrix-Werkstoff ersetzt werden. Das Blech aus Matrix-Werkstoff kann auch in Form von Scheiben vom Durchmesser der Flansche 4 und 5 mit Zwischenabständen auf den Wickelkörper 3 aufgesteckt werden, wonach die so entstandenen Zwischenräume

409882/0453

Fl 4113 - 5 - 4.6.73

zwischen den Matrix-Scheiben nacheinander oder auch gleichzeitig mit Verstärkungs-Drähten oder -Fäden voll gewickelt werden. V/erden besonders hohe Anteile von Verstärkungs-Werkstoff im fertigen Bauteil gewünscht, so können anstelle von Drähten oder Blechstreifen aus Matrix-Werkstoff solche aus bereits faserverstärktem Matrix-V/erkstoff verwendet werden.

Werden die Drähte 2 oder Blechstreifen aus Matrix-Werkstoff vor dem Aufwickeln ihrerseits mit Verstärkungs-Drähten oder -Fäden bewickelt, so ergibt sich im fertigen Profil 11 eine gewebeähnliche Draht- oder Fadenanordnung.

Wicklungen der bisher beschriebenen Art werden immer einen gewissen Anteil an Luf te ins chlüs sen enthalten, da ,sich die Verstärkungs-Drähte oder -Fäden mit ihrem runden oder doch wenigstens abgerundeten Querschnitt nicht auf ihrer ganzen Fläche an den Matrix-Werkstoff anlegen. Die Lufteinschlüsse- können zu einer gewissen Porösität im fertigen Profil führen. Eine Verminderung der Lufteinschlüsse ergibt sich bereits, wenn die Drähte aus Matrix-Yiferkstoff einen unrunden Querschnitt besitzen, wenn ihr Querschnitt also beispielsweise quadratisch, rechteckig oder sechseckig ist. Eine weitere Verminderung von Lufteinschlussen ergibt sich, wenn die Verstärkungs-Drähte oder -Fäden vor dem Aufwicklen auf den Wickelkörper mit Drähten aus Matrix-Werkstoff verseilt v/erden, insbesondere, wenn das so entstandene. Seil vor dem Aufwickeln in einer Preßmatrize verdichtet wird und hierin zu einem unrunden,, beispielsweise quadratischen, rechteckigen oder sechseckigen Querschnitt verformt wird.

Eine besonders vorteilhafte Anordnung der Verstärkungs-Drähte oder -Fäden im fertigen Profil ergibt sich, insbesondere bei Hohlprofilen, wenn das Aufwickeln der Verstärkungsdrähte und/oder

409882/0453

Pl 4113 ' - 6 - 4.6.73

-Fäden und Drähte aus Matrix-Werkstoff oder der Seile aus "beidem lagenweise mit wechselnden Schlag- und/oder Wickelrichtungen erfolgt. Hierbei ergeben sich im fertigen Profil mehrere ineinander liegende Schichten von Verstärkungs-Drähten oder -Fäden in etwa wendeiförmiger Anordnung, wobei die Wendel der einzelnen Lagen jeweils entgegengesetzte Wickelrichtungen aufweisen. Diese Anordnung des Verstärkungswerkstoffes wirkt der Neigung des fertigen Profils entgegen, bei Belastung in sich zu tordieren.

Bei einigen der vorstehend aufgeführten Wickelarten ist es vorteilhaft, den bewickelten Wickelkörper oder Preßblock vor dem nun folgenden Einbringen in den Induktionsofen in einer Presse kalt vorzuverdichten, um die Lufteinschlusse bereits vor dem Aufheizen zu entfernen oder wenigstens zu vermindern.

Bei der Verwendung bestimmter Werkstoffe, insbesondere, wenn hochfester Stahl für die Verstärkungsdrähte und Aluminium als Matrix-Werkstoff benutzt wird, ist es vorteilhaft, den warmverdichteten Preßblock 7 vor dem Auspressen in der Strangpresse 12 einem gesteuerten Abkühlungsprozeß zu unterwerfen. Dadurch werden sowohl die Festigkeitseigenschaften dieser Werkstoffe im fertigen Profil, wie auch das Fließ verhalt en des Rohlings während des Strangpreß-Vorganges verbessert. Ferner kann durch dieses Abkühlen die Bildung von Reaktionsschienten zwischen beiden Werkstoffen, die für die.Haftung der Verstärkungs-Drähte und -Fäden im Matrix-Werkstoff eine große Rolle spielen, wesentlich beeinflußt werden.

Die Lage der Verstärkungs-Drähte und -Fäden im ausgepreßten Profil kann bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowohl durch die Art der Wicklung auf dem Wickelkörper als auch durch das Verhältnis vom Querschnitt Q des Rezipienten 12 der Strangpresse 13 zum Querschnitt q des fertigen Profils 11 ge-

409882/0453

Fl 4113 - 7 - 4.6.73

steuert werden. Beträgt das Verhältnis Q:q. "ungefähr 1:1, werden die Verstärkungs-Drähte oder -Fäden etwa senkrecht zur Längsachse des ausgepreßten Profils liegen. Eine spiralförmige Lage der Verstärkungs-Drähte oder -Fäden im ausgepreßten Profil erreicht man "bei einem Verhältnis Q:q von 2:1 bis 5:1». währ end die Verstärkungs-Drähte und -Fäden etwa parallel zur Längsachse des auspreßten Profils liegen, wenn das Verhältnis Q:q größer als 5:1 gewählt wird.

Wird ein besonders hoher Gehalt an Verstärkungs-Drahten oder -Fäden besonders im Inneren des ausgepreßten Profils gewünscht, · so ist es vorteilhaft, auch den Wickelkörper 3 aus draht- oder faserverstärktem Matrix-Werkstoff herzustellen.

Soll das ausgepreßte Profil bestimmte Oberflächeneigenschaften aufweisen, die sich mit dem gewählten Matrix-Werkstoff nicht erreichen lassen, so kann erfindungsgemäß der den Wickelkörper 3 umhüllende Topf 6 aus einem anderen Werkstoff bestehen als der Wickelkörper 3 und die aufgewickelten Matrix-Drähte 2. Auf diese , Weise ist es beispielsweise möglich, kupferplattierte draht- oder faserverstärkte Aluminium-Profile oder -Rohre zu erzeugen. Sollen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Hohlprofile, wie z.B. Rohre erzeugt werden, erfolgt das Aufwicklen der Verstärkungs-Drähte oder -Fäden und Drähte aus Matrix-Werkstoff auf einen hohlen Wickelkörper, dessen Hohlraum nach dem Verdichten auf einen in die Strangpresse eingesetzten, entsprechend dem gewünschten Profil geformten Dorn paßt. Bei dieser. Anwendung des erfindungsgemäßen Verfalirens ist es auch möglich, den Hohlraum, des Wickelkörpers mit einem anderen Werkstoff als dem Matrix-Werkstoff auszukleiden oder den gesamten Wickelkörper 3 aus einem anderen Werkstoff zu fertigen als die aufgewicklten Drähte aus Matrix-Werkstoff. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, innen und außen kupferplattierte, draht- oder faserverstärkte Aluminium-Rohre zu erzeugen.

A09882/0A53

Claims

Fl 4113 -*L~ 4.6.73 i%z Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von draht- oder faserverstärkten Bauteilen, bei dem die Verstärkungs-Drähte oder -Fäden mit Matrix-Werkstoff auf ein Formteil aufgewickelt werden und der Verbund mittels Druckanwendung hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vorgereinigte unbeschichtete Verstärkungsdrähte oder -Fäden (1) zusammen mit Drähten aus Matrix-Werkstoff (2) unter Vorspannung auf einen Wickelkörper aus Matrix-Werkstoff (3) aufgewickelt werden, der in einem Topf aus Matrix-Werkstoff (6) eingelegt wird, daß der so erhaltene Preßblock (1-6, 7) in einem Induktionsofen aufgeheizt wird und in einer Presse (8, 9, 10) verdichtet wird, daß eventuell verbliebene Lufteinschlüsse beseitigt werden, daß die Bildung von Reaktionsschichten zwischen Verstärkungs- und Matrix-Werkstoff einsetzt und eine den späteren Fließvorgang erleichternde Verformung des Preßblocks (1-6, 7) erfolgt, und daß der verdichtete Preßblock (1-6, 7) in einer Strangpresse"(13) zu dem gewünschten Profil (11) ausgepreßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß als Matrix-Werkstoff Aluminium und als Verstärkungs-Drähte (2) hochfeste Stahldrähte oder als Verstärkungs-Fäden (2) endlose Kohlenstoff "-Fäden verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennz eichnet, daß die Verstärkungs-D'rähte oder -Fäden und die Drähte aus Matrix-Werkstoff jeweils in getrennten Lagen gewickelt v/erden.

409882/0453

4113 -«ft - 4.6.73

4. Verfahren nach, einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennz eichnet, daß die Drähte zur Erzielung einer dichteren Wickelpackung unrunden Querschnitt besitzen, -insbesondere daß die Drähte aus Matrix-Werkstoff Blechstreifenform besitzen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennz eichnet, daß die Drähte oder Blechstreifen aus Matrix-Werkstoff zur Erzielung gewebeähnlicher Draht- oder Fadenanordnungen im fertigen Profil vor dem Aufwicklen ihrerseits mit Verstärkungs-Drähten oder -Fäden bewickelt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da, durch gekennz eichnet, daß bereits mit Matrix-Werkstoff beschichtete Verstärkungs-Drähte, oder -Fäden aufgewickelt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennz eichnet, daß die Verstärkungsdrahte od.er -Fäden (1) vor dem Aufwickeln, auf den Wickelkörper (3) mit den Drähten aus Matrix-Werkstoff (2) verseilt werden, und daß dieses Seil in einer Preßmatrize verdichtet wird, insbesondere zu einem unrunden Querschnitt verformt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a du r c h gek.ennz e i c hn e t, daß die Verstärkungs-Drähte oder -Fäden (1) und die Drähte aus Matrix-Werkstoff (2) und/oder die Seile aus beiden lagenweise mit wechselnden Schlag- und/oder Wickelrichtungen gewickelt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennz eichnet, daß der bewickelte Wickelkörper (Preßblock (7)) vor dem Einbringen in den Induktionsofen kalt vorverdichtet wird.

409882/0453

Pl 4113 · - 3 - 4.6.73

/0

10. Verfahren nach, einem der Ansprüche 1 bis 9,- dadurch gekennz eichnet, da,ß der warm verdichtete Wickelkörper (Preßblock (7)) vor dem Auspressen einem ge-

' steuerten Abkühlungsprozeß unterworf e*n wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennz eichnet, daß die Lage der Verstärkuiigs-Drähte oder -Fäden im ausgepreßten Profil durch das Verhältnis Querschnitt Q des Rezipienten. (12) der Strangpresse zum Querschnitt des fertigen Profils q (11) gesteuert wird, daß nämlich bei einem Verhältnis Q:q von ungefähr 1:1 die Verstärkungs-Drähte oder -Fäden etwa senkrecht zur Längsachse oder bei einem Verhältnis Q:q von 2:1 bis 5:1 etwa wendelförmig* um die Längsachse oder bei einem Verhältnis Q:q größer als 5:1 etwa, parallel zur Längsachse des ausgepreßten Profils liegen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennz eichnet, daß zur gleichmäßigen Verteilung von Verstärkungs-Drähten oder -Fäden im ausgepreßten Profil auch der Wickelkörper (3) aus draht- oder.faserver-_ stärktem Matrix-Werkstoff besteht.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennz eichnet, daß für bestimmte Oberflächeneigensehaften des ausgepreßten Profils der den Wickelkörper (3) umhüllende Topf (6) aus einem anderen Werkstoff besteht als der Wickelkörper (3) und die aufgewickelten Drähte (2) aus Matrix-Werkstoff.

409882/0453

Fl 4113 - tr - 4.6.73

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennz eichnet, daß durch die Verwendung eines hohlen Wickelkörpers mit entsprechendem Hohlprofil und Einsatz eines entsprechend profilierten Dorns in der .Strangpresse draht- oder faserverstärkte Hohlprofile, wie z.B. Rohre, erzeugt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß für bestimmte Oberflächeneigenschaften an der Innenseite des ausgepreßten Hohlprofils der hohle Wickelkörper aus einem anderen Werkstoff besteht als die aufgewickelten Drähte aus Matrix-Werkstoff.

16. Draht- oder faserverstärkte Bauteile, hergestellt nach einem Verfahren entsprechend den Ansprüchen 1 bis 15.

409882/0453