DE2328774B2

DE2328774B2 - Verfahren zur herstellung von drahtverstaerkten oder faserverstaerkten bauteilen

Info

Publication number: DE2328774B2
Application number: DE19732328774
Authority: DE
Original assignee: Feiten & Guilleaume Kabelwerke AG, 5000Köln
Priority date: 1973-06-06
Filing date: 1973-06-06
Publication date: 1976-02-19
Also published as: BE812287A; FR2232385A1; NL7401813A; DK300274A; IT1003730B; FR2232385B1; LU70202A1; DE2328774A1; GB1431025A

Description

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 Ve-burid mittels Druckanwendung hergestellt wird. Es eignet sich vorzugsweise zur Herstellung von Profilen aus Aluminium, durch Stahl oder Kohlenstoffäden verstärkt.

Peksnnt 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 Drähten, Fäden, Fasern, Bändern oder Folie bekannt, wobei die mit Metall beschichteten Verstärkungsmaterialien auf einen Formteil angeordnet werden und das Metall nach Art des Widerstandsschweißens durch direkten Stromdurchgang kurzzeitig bis zum Aufschmelzen an den gegenseitigen Berührungsctellen erhitzt wird. Hierbei können die zu verbindenden Materialien während des Rrhitzens einem verdichteten Druck ausgesetzt werden. Für die Herstellung des Verbundes ist auch das Strangpressen bekannt (DT-OS 21 47 735). 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 mii Matrix-Werkstoffen aufwendige und somit teure 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 vorstehenden Patentanspruches 1, durch erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens gemäß den Kennzeichen der vorstehenden Patentansprüche 2 bis 8 und die erfindungsgemäße Anwendung des Verfahrens gemäß den Kennzeichen der Patentansprüche 9 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 Verstärkungsund Matrix-Werkstoff en ist so intensiv, daß auf die aufwendigen und entwicklungsintenswen Technologien für die Beschichtung 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 verhalten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt, das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Presse mit zum Verdichten eingelegtem Preßblock,

F i g. 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 dei Spulenflansehen 4 und 5 bewickelte Wickelkörper 3 wird 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 Inhomogenitälen 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 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 Verformung des Preßblocks 7 erfolgt. Nach dem Einbringen des verdichteten Preßblocks 7 in eine Sirangpresse 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 Kohlenstoffäden 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 oder -Fäden zu ersetzen. Soll das fertige Profil 11, was insbesondere für Hohlprofile gewünscht werden kann, aus wechselweise aufeinanderfolgenden 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 aufzuwickeln, in dieücir. Fs!! kanr. eine Schicht aus Matrix-Drähten 2 vorteiihaiierweise durch einen urn 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 zwischen den Matrix-Scheiben nacheinander oder auch gleichzeitig mit Verstärkungs-Drähten oder -Fäden vollgewickelt werden. Werden besonders hohe Anteile von Verstärkungs-Werkstoff im fertigen Bauteil gewünscht, so können an Stelle von Drähten oder Blechstreifen aus Metrix-Werkstoff solche aus bereits faserverstärktem Matrix-Werkstoff 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 Lufteinschlüssen 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-Werkstoff einen unrunden Querschnitt besitzen, wenn ihr Querschnitt also beispielsweise quadratisch, rechteckig oder sechseckig ist. Eine weitere Verminderung von Lufteinschlüssen ergibt sich, wenn die Verstärkungs-Drähte oder -Fäden vor dem Aufwickeln auf den Wickelkörper mit Drähten aus Matrix-Werkstoff verseilt werden, insbesondere, wenn das so entstandene Seil vor dem Aufwickeln in einer F'reßmatrize verdichtet wird und hierin zu einem unnjnüen, beispielsweise quadratischen, rechteckigen oder sechseckigen Querschnitt verformt wird.

Eine besonders vorteilhafte Anordnung der Verstärkungs-Drähte oder -Fäden im fertigen Profil ergibt sich, insbesondere bei Hohiprcfüer., wenn das Aufwikkeln der Verstärkungsdrähte und/oder -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 ineinanderliegende 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 lordieren.

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 Lufteinschlüsse 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

:inen gesteuerten Abkühlungsprozeß zu unterwarfen. Dadurch werden sowohl die Fesiigkeiiseigcnschafien dieser Werkstoffe im fertigen Profil wie auch das Fließverhalten des Rohlings während des Strangpreß-Vorganges verbessert. Ferner kann durch dieses Abkühlen die Bildung von Reaktionsschichten 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 da? Verhältnis vom Querschnitt Q des Rezipienten 12 der Strangpresse 13 zum Querschnitt q des fertigen Profils 11 gesteuert werden. Liegt das Verhältnis Q: q nur wenig über 1:1, werden die Verstärkungs-Dräiue ouer -Fäden fast senkrecht zur Längsachse des ausgeprißten 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. während die Verstärkungs-Drähte und -Fäden etwa parallel zur Längsachse des ausgepreßten Profils liegen, wenn das Verhältnis Q: q größer als 5 : ! gewählt wird.

Wird ein besonders hoher Gehalt ar. Vers'.ärkung«- Drähten oder -Fäden besonders im Innern 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 s Matrix-Werkstoff nicht erreichen lassen, so kann erfindungsgemäß der den Wickelkörper 3 umhüllende Topf 6 aus einem anderen Werkstoff bestehen als der Wikkelkörper 3 und die aufgewickelten Matrix-Drähte 2. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, kupferplattierte draht- oder faserverstärkte Aluminium-Profile oder Rohre z-j erzeugen. Sollen mit dem erfindnngsgemäßen Verfahren Hohlprofile. wie z. B. Rohre erzeugt werden, erfolgt das Aufwickeln der Verstärkungs-Drähte oder -Fäden und Drähte aus Μανίκι 5 Werkstoff auf einen hohlen Wickelkörper, dessen Hohlraum nach dem Verdichten auf einem in die Strangpresse eingeseuten. entsprechend dem gewünschten Profil geformten Dorn paßt. Bei dieser Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens 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 aufgewikkelten Drähte aus Matrix-Werkstoff. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, innen und außen kupfer plattierte, draht- oder faserverstärkte Aluminium-Roh re zu erzeugen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von dram- oiler 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 Wickelkörper in einen Topf aus Matrix-Werkstoff (6) eingelegt wird, der so erhaltene Preßblock (1 bis 6, 7) in einem Induktionsofen aufgeheizt und in einer Presse (8, 9, 10) verdichtet wird und daß der verdichtete Preßblock (1 bis 6, 7) in einer Strangpresse (13) zu dem gewünschten Profil (11) gepreßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungs-Drähte oder -Fäden und die Drähte aus Matrix-Werkstoff jeweils in getrennten Lagen gewickelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte aus Matrix-Werkstoff zur Erzielung gewebeähnlicher Draht- oder Fadenanordnungen im fertigen Profil vor dem Aufwickeln ihrerseits mit Verstärkungs-Drähten oder -Fäden bewickelt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsdrähie oder -Fäden (1) vor dem Aufwickeln auf den Wikkelkörper (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.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, 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.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der bewickelte WIkkelkörper (Preßblock 7) vor dem Einbringen in den Induktionsofen kalt verdichtet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der warm verdichtete Wickelkörper (Preßblock 7) vor dem Strangpressen einem gesteuerten Abkühlungsprozeß unterworfen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Verstärkungs-Drähte oder -Fäden im Strangpreßprofil durch das Verpressungsverhältnis gesteuert wird.

9. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auf Aluminium als Matrix-Werkstoff und hochfeste Stahldrähte als Verstärkungs-Drähte (2) oder endlose Kohlenstoff-Fäden als Verstärkungs-Fäden (2).

10. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auf Drähte mit unrundem Querschnitt, insbesondere Flachdrähte, aus Matrix-Werkstoff.

11. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auf bereits mit Matrix-Werkstoff beschichtete Verstärkungs-Drähte oder -Fäden.

12. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis

11 auf Wickelkörper (3) aus draht- oder faserverstärktem Matrix-Werkstoff.

13. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis

12 auf einen den Wickelkörper (3) umhüllenden Topf (6) aus einem anderen Werkstoff ais derjenige des Wickelkörpers (3) und der aufgewickelien Drähte (2) aus Matrix-Werkstoff.

14. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis

13 auf einen hohlen Wickelkörper mit entsprechendem Hohlprofil.

15. Anwendung nach Anspruch 14 auf einen hohlen Wickelkörper aus einem anderen Werkstoff als derjenige der aufgewickelten Drähte aus Matrix-Werkstoff.