DE2413476A1

DE2413476A1 - Einrichtung zur herstellung von laenglichen koerpern aus faserverstaerktem verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE2413476A1
Application number: DE2413476A
Authority: DE
Inventors: William Paton
Original assignee: NAT RESEARCH DEV CORP LONDON; National Research Development Corp UK
Current assignee: NAT RESEARCH DEV CORP LONDON; National Research Development Corp UK
Priority date: 1973-03-21
Filing date: 1974-03-20
Publication date: 1974-10-10
Also published as: FR2222199B1; JPS5026872A; FR2222199A1; CA1034314A; GB1463293A

Description

293,1-22.342P 20. 3.

National Research Development Corporation, LONDON (Großbrit.)

Einrichtung zur Herstellung von länglichen Körpern aus faserverstärktem Verbundwerkstoff

Die Erfindung bezieht sich auf faserverstärkte Verbundkörper und insbesondere auf die Herstellung von länglichen Körpern von sich änderndem Querschnitt, wie sich verjüngende Rohre, die z. B. als Golfschlägerstiele verwendet werden. Die Herstellung derartiger Formkörper war bisher im wesentlichen auf einen Chargenbetrieb aufgrund der konischen Form der Schäfte oder Stiele beschränkt, wie er z. B. in der GB- Pö Nr. 1327246 der National Research Development Corporation beschrieben ist.

Gemäß der Erfindung enthält eine Einrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von länglichen Körpern aus faserverstärktem Verbundwerkstoff eine Gesenkvertiefung von veränderlicher Öff-' nungsgröße und Mittel zur Steuerung dieser Öffnung in Abhängigkeit vom linearen Verschub des Verbundmaterials durch die Ge-

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ORIGINAL INSPECTED

senkvertiefung, um einen länglichen Körper von sich in vorbestimmter Weise änderndem Außenquerschnitt herzustellen.

Bei einer vorteilhaften Ausführung enthält-die erfindungsgemäße Vorrichtung zwei in Umfangsrichtung zusammenwirkende Scheiben, deren Zylinderflächen die Gesenkvertiefung von sieh zyklisch änderndem Querschnitt enthalten, wenn die beiden Rollen synchron und in entgegengesetzter Drehrichtung umlaufen.

Eine oder beide Zylinderflächen können beispielsweise eine Umfangsnut aufweisen, deren Tiefe sich über ihre Länge ändert, wobei nach einem bevorzugten Merkmal beide Rollen eine derartige Nut aufweisen und der durch die Rollen bzw. Scheiben gebildete Formraum symmetrisch zu einer imaginären Ebene ist, die die Längsachse der Gesenkvertiefung enthält und die rechtwinklig zu einer imaginären Ebene durch die Drehachsen der beiden Scheiben liegt.

Die oder jede Nut kann eine oder mehrere Stufenteile enthalten, wobei sich in diesem Falle die Tiefe der Nut(en) von einem Kleinstwert am radial äußeren Teil des Stufenteils zu einem Höchstwert am radial inneren Teil des Stufenteils vergrößert. Die Tiefe der Nuten kann zwischen diesen beiden Werten gleichmäßig ansteigen.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann einen Spindeldorn enthalten, der in der Achse der Gesenkvertiefung angeordnet ist. Der Querschnitt des Spindeldorns kann sich vorteilhaft in der gleichen Weise wie der Querschnitt der Gesenkvertiefung ändern, wodurch ein länglicher Hohlkörper mit annähernd gleichbleibender Wandstärke hergestellt wird. Darüber hinaus können auch Mittel bzw. Organe zum automatischen Hin- und Herbewegen des Spindeldorns längs der Achse der Gesenkvertiefung vorge-

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sehen sein, so daß sich der Spindeldorn synchron mit den Nutfläehen der Scheiben bis zu einem vorbestimmten Punkt bewegt und danach mit relativ hoher Geschwindigkeit in -Gegenrichtung bis zu einer Ausgangsposition zurückgeführt wird, bevor eine nachfolgende Bewegung synchron mit den Nutflächen erfolgt. Die Bewegung des Spindeldorns kann durch ein geeignetes Getriebe oder z.- B. durch eine Nocke gesteuert werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Verteilerplatte stromauf der Gesenkvertiefung zum verteilten Einleiten der Fasern in die Vertiefung vorgesehen. Die Verteilerplatte kann weiterhin Organe zum Verteilen eines die Scherfestigkeit verstärkenden Bandes aus z. B. einer Aluminiumfolie umfassen.

Die Erfindung umfaßt auch die Möglichkeit, daß ein Kunstharzbad oberhalb der Gesenkvertiefung zum Imprägnieren der Pasern und - falls vorhanden - des Verstärkungsbandes vorgesehen ist. Die imprägnierten Fasern werden - wie im folgenden beschrieben in der Gesenkvertiefung zusammengebracht, um den fertigen Körper zu bilden, wobei Mittel zur Verfestigung dieses Körpers unmittelbar an der Ablaufseite der Gesenkvertiefung mit Vorteil vorzusehen sind..

Die Erfindung umfaßt darüber hinaus auch einen länglichen Körper aus Verbundmaterial mit axial sich änderndem Außenquerschnitt, der in einer derartigen Einrichtung hergestellt ist. Ein derartiger Körper, z. B. zur Verwendung als Golfschlägerstiel, hat eine sich gleichmäßig verjüngende Form von einem Ende zum anderen. Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auch auf einen Golfschläger mit einem derartigen Stiel.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Stiel eine in Längsrichtung gleichgerichtete Lage (oder Lagen) aus einem hochfesten Faserverbund in Kombination mit anderen unter-

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schiedlichen Lagen. Diese gleichmäßig gerichtete Lage liefert eine beträchtliche Biegesteifigkeit und die anderen Lagen bewirken eine Methode der Scherübertragungs-Erhöhung für z. B. Biegung oder Torsion. Der hochfeste verbund ist vorzugsweise derart, daß haltbare, steife und leichtgewichtige Fasern (z. B. Kohlenstoffasern gemäß dem BP 1 110 791 Borfasern, Kevlar 49 (Du Pont) und andere Arten in einer kontrollierten Art mit geeigneten polymeren Systemen kombiniert sind. Ein zweckmäßiges polymeres System ermöglicht eine flüssige Imprägnation der Fasermasse und eine nachfolgende verfestigung durch thermische und chemische Vorgänge, Obwohl warmhärtbare Systeme, wie Polyester, z. B. Crystic 212 und Katalyst Paste B (Scott-Bader) und Epoxies (z. B. Shell Epicote 190/epicure DX 126, epicure Κ61Β), besonders geeignet sind, besteht auch die Möglichkeit, andere Polymere, z. B. Thermoplasten (Polyimide) für die erfindungsgemäßen Zwecke einzusetzen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. la die Einrichtung gemäß der Erfindung zur Herstellung eines Rohres mit ansteigendem Querschnitt aus einem verbundwerkstoff in schematischer Darstellung,

Fig. Ib eine Einzelheit der Einrichtung nach Fig. 1 in Draufsicht,

Fig. 2 mehrere Querschnitte durch die Einrichtung nach Fig. 1 längs der Schnittlinie A-A in verschiedenen Betriebszuständen,

Fig. 3 eine schematische Stirnansicht einer weiteren Einzelheit der Einrichtung nach Fig. 1.

In der dargestellten Einrichtung werden sich verjüngende

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Rohre hergestellt, wie sie beispielsweise als Golfschlägerstiele Verwendung finden. Bei diesem Beispiel besteht der verstärkte Körper aus Metallfolien (z. B. aus Aluminiumlegierung), die gleichzeitig durch Pasern und Kunstharz zu einem Verbundkörper geformt werden. Das Herstellungsverfahren ist in Fig. la dargestellt. Der Antrieb besteht bei dieser Ausführung aus flexiblen Walzen oder Rollen 1, die unter einem gesteuerten Druck stehen. Durchlaufende Kohlenstoffasern (z. B Courtaulds Grafil A oder Morganite Modmor Type III) werden von Spulen 2 abgezogen und durch ein mit Polyesterharz gefülltes Imprägnierungsbad 3 über eine Verteilerplatte 5 in einen Formraum 4 geführt. Gleichzeitig werden die Aluminiumlegierungs-Folien 6, die zuvor durch Ätzen in einer Säure, z. B. einer herkömmlichen Mischung aus Schwefelsäure und Chromsäure entfettet worden sind, von ihren Spulen 7 abgezogen und durch die besonderen öffnungen 10 in der Verteilerplatte in den Formraum 4 eingeführt. Die Verteilerplatte 5 ist in Fig. Ib in vergrößertem Maßstab dargestellt.

Mit einer Umfangsnut versehene Stahlscheiben 8 werden mit einer gesteuerten Geschwindigkeit durch einen synchronisierten E-Motor 90 und einen Drehzahlwandler 92 angetrieben. Bei dieser Ausführung ist unter Umständen die Umfangsgeschwindigkeit der Scheibe größer als die lineare Vorschubgeschwindigkeit des Dornes und gleich der linearen Geschwindigkeit der Faser. Während einer Umdrehung erzeugen die Scheiben die Verjüngung eines Golfschlägerstieles in ihrer Berührungsebene unter Berücksichtigung der zyklischen Diskontinuität zwischen aufeinanderfolgenden Stielen. Der Spindeldorn 9 bewegt sich in die definierte öffnung mit einer kontrollierten Geschwindigkeit, die den Innendurchmesser des Rohres bestimmt.

Diese kontrollierte Bewegung des Spindeldorns. 9 kann durch verschiedene mechanische, hydraulische oder elektromotorische

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Antriebe erreicht werden, die bei der gezeigten Ausführung eine in einer Führung 101 abgestützte Zahnstange 102 sind. Das Ritzel 103 für die Zahnstange 102 wird von der oberen Scheibe 8 über einen Kettentrieb 104 angetrieben. Bei Rotation der oberen Scheibe 8 wird das Ritzel 103 über die Kette und die Zahnradverbindung 104 angetrieben, um die Zahnstange 102 und mit ihr den Spindeldorn 9 in der Fig. la nach links zu bewegen. Der Durchmesser des Ritzels 103 ist so gewählt, daß die Axialgeschwindigkeit des Spindeldorns auf die Umlaufgeschwindigkeit der Scheiben abgestimmt ist, um die gewünschte Wandstärke des hergestellten, sich verjüngenden Körpers zu erhalten. Sobald der Spindeldorn seine linke Endstellung erreicht hat - die der Ankunft des tiefsten Teiles der Scheibennut an der Formöffnung entspricht - gelangt ein glatter Teil 106 des Ritzels zur Wirkung, der die Ritzelzähne von der Zahnstange 102 außer Eingriff bringt und eine Bewegung in Fig. 1 nach rechts unter der Einwirkung eines pneumatischen oder hydraulischen Rückholzylinders 105 zuläßt, bis das Ende der Zahnstange 102 mit einem Anschlag 107 in Eingriff gelangt. Das Ritzel nimmt seine Antriebswirkung auf die Zahnstange wieder auf, wenn die seichteren Enden der Scheibennuten der Ebene A-A erreichen und den Formraum für das schmalere Ende des nächsten Stieles bilden.

Bei der praktischen Herstellung von sich verjüngenden Stielen von ca. 100 cm Länge beträgt die Umfangsgeschwindigkeit der Scheiben ca. 25 cm/min., was einer Winkelgeschwindigkeit von % '2. Bogeneinheiten pro Minute entspricht, und die Spindeldorngeschwindigkeit beträgt 6,5 cm/min. Die sich ergebenden zyklischen Änderungen der tatsächlichen Formöffnung gehen aus Fig. 2 hervor, die in vergrößertem Maßstab einen Schnitt längs der Schnittlinie A-A in Fig. 1 in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen zeigt.

Die Scheiben 8 werden durch eingebaute Heizelemente 110 und 112 erwärmt. Darüber hinaus heizt ein Strahlungsofen 114

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den Spindeldorn auf und bildet ei-ne Vorheizzone von ca. 25 4-0 cm Länge vor dem Einlauf in den Formraum 4. Im Betrieb erwärmen die verschiedenen Heizelemente den Körper auf eine Temperatur, die entsprechend dem gewählten Kunstharzsystem und der Abzugsgeschwindigkeit ausreicht, um eine schnelle Verfestigung unmittelbar hinter dem Formraum zu bewirken. Falls erforderlich kann der"austretende Verbundkörper 11 mit einem wärmeschrumpfenden Film aus Zellophan umwickelt werden, um einen Andruck während der Nachhärtung zu erzielen. Ein Schneidgerät in Form einer Rundsäge 116 ist hinter den Antriebswalzen angeordnet und die Schäfte oder Stiele werden danach nachgehärtet.

Die lineare Abzugsgeschwindigkeit und die Aushärtzeit des Kunststoffes muß genau.abgestimmt und eingehalten werden, um eine richtige Ausbildung des Schaftes sicherzustellen. Aus diesem Grunde ist die Verwendung eines warmabbindenden Polyesterharzes mit einem Benzoylperoxid-Katalysator besonders geeignet. Bei dem beschriebenen Beispiel ist das Kunstharz Crystic 212, der Katalysator Paste B und die Temperatur der Scheiben, des Spindeldorns und der Vorwärmzone liegt bei 14-0 ⁰C. Die Harz-Abbindezeit beträgt 1 Minute und die Schaft-Herstellungsgeschwindigkeit liegt bei 25 cm/min.

Es sollte nicht vergessen werden, daß die Kunstharz-Abbindezeit eine Funktion der Temperatur ist. Mit den oben angegebenen Materialien verlängert sich die Abbindezeit auf 2 Minuten, wenn die Scheiben-, die Spindeldorn- und die Vorwärmzonen-Temperatur auf 115 °C gesenkt wird.

Es ist selbstverständlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf bestimmte Fasern oder Kunstharztypen, schub- oder scherversteifende Mittel oder Abmessungen beschränkt ist. Eine schub- oder scherversteifende Wirkung kann durch eine abgewinkelte Wickelung von den umlaufenden Spulen aus Fasermaterial

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auf den Wickeldorn 9 vor seinem Einführen in den Formraum erreicht werden. Darüber hinaus kann der hin- und hergehende Dorn 9 durch vorgeformte Kerne ersetzt werden, die in Serie miteinander verbunden sind und kontinuierlich mit einer geeigneten Geschwindigkeit in den Formraum eingeführt werden. Das lokalisierte Aufwärmen zum Aushärten kann auf andere Weise durch Kontaktleiter erreicht werden, wobei eine Mikrowellenerwärmung besonders geeignet ist.

Fig. 3 zeigt eine Stirnansicht der Scheiben 8' zur Herstellung einer sich verjüngenden Stange von dreieckigem Querschnitt, bei welcher nur eine der Scheibe 1 eine Umfangsnut aufweist. Falls gewünscht, kann auch ein dreieckiger Dorn 9¹ vorgesehen werden, wobei in diesem Fall die anderen Einzelteile der Einrichtung abgesehen von der mit der einzigen Nut zusammenwirkenden Spindel den in der Fig. la gezeigten gleich sind.

Schließlich sei darauf hingewiesen, daß zusätzlich zu der oben beschriebenen Technik zur Herstellung von langen Körpern mit veränderlichem Querschnitt die erfindungsgemäße Einrichtung auch zur Herstellung von Körpern mit gleichbleibendem Querschnitt eingesetzt werden kann, wobei ein Scheibensatz die Ausrüstung für einen weiten Bereich von Körperdimensionen liefert. Daher kann gemäß einem weiteren Merkmal eine mechanische Bremse an der oberen Scheibe 8 vorgesehen werden, die die Scheiben bei einer vorbestimmten Ausrichtung festlegt, um einen Formraum von gewünschtem Querschnitt zu bestimmen und längliche Körper aus faserverstärktem Verbundmaterial durch Ziehen durch mit dem Bindemittel imprägnierten Fasern zu bilden, wobei - falls zweckmäßig - die restlichen Teile der anhand der Zeichnung beschriebenen Einrichtung verwendet werden. Wird ein Dorn bei einem Betrieb mit "stationärer Scheibe" verwendet, dann wird er außerdem stationär zum Form-

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raum gehalten, um einen Körper mit konstanter Wandstärke herzustellen. Falls ein zugespitzter Spindeldorn eingesetzt wird - wie in der Zeichnung dargestellt - wird seine Axialposition so gewählt, daß"die erforderliche Wandstärke, des hergestellten Körpers 11 erreicht wird. zum Einstellen der Einrichtung zur Herstellung eines Körpers von unterschiedlichen äußeren Abmessungen reicht es aus, die Ausrichtung der Scheiben und damit den erforderlichen Formraum an die neue Größe des Körpers anzupassen. Wird ein Rohr hergestellt, dann kann die Bohrung des Rohres leicht auf einen neuen Wert durch Verstellen der Axialposition des zulaufenden Spindeldorns eingestellt werden.

Es ist ferner verständlich, daß der Formraum nicht unbedingt einen kreisförmigen Querschnitt sondern auch irgendwelche anderen QuerSchnittsformen (z. B. viereckig, sechseckig, oval, dreieckig etc.) haben kann. Es brauchen auch keine Kohlenstoffasern zur Längsverstärkung verwendet werden, obwohl diese häufig wegen ihres hohen Festigkeits-Gewichtsverhältnisses bevorzugt werden. Für bestimmte Anwendungen können auch andere Fasern, z. B. Glasfasern oder Polypropylenfasern anstatt der Kohlenstoffasern verwendet werden.

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Claims

- 10 Ansprüche

1. Einrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von länglichen Körpern aus einem faserverstärkten Verbundmaterial, gekennzeichnet durch eine veränderliche Form-Öffnung (4) und Mittel (8, 9) zur Steuerung dieser Öffnung in Abhängigkeit von der linearen Verschiebung des Verbundmaterials durch den Formraum zur Herstellung eines länglichen Körpers (11) von sich in vorbestimmter Weise änderndem äußeren Querschnitt.

2. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei mit ihren Umfangsflächen zusammenwirkende Scheiben (8) vorgesehen sind, deren Zylinderflächen eine Gesenkvertiefung von sich im Betrieb zyklisch änderndem Querschnitt bilden und die synchron mit entgegengesetzter Drehrichtung umlaufen.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide der Zylinderflächen eine Umfangsnut enthalten, deren Tiefe sich mit der Nutlänge ändert.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Zylinderflächen eine Umfangsnut von sich ändernder Tiefe aufweisen und daß der von den umlaufenden Scheiben gebildete Formraum (4) symmetrisch zu einer imaginären Ebene ist, die' die Längsachse der Gesenkvertiefung (4) enthält und die rechtwinklig zu einer die Drehachsen der Scheiben (8) enthaltenden Ebene steht.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Nut eine oder mehrere Stufen aufweist, wobei die Tiefe der Nut(en) von einem Kleinstwert am radialen Außenteil der Stufen zu einem Größtwert am radialen Innenteil der Stufen ansteigt.

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6. Einrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Nuten zwischen diesen beiden Endwerten gleichmäßig ansteigt.

7. Einrichtung nach-einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Spindeldorn (9), der in der Achse der Gesenkvertiefung angeordnet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Spindeldorns (9) sich in gleicher Weise ändert wie der Querschnitt der Gesenkvertiefung (4), wodurch ein langer Körper (11) mit annähernd konstanter Wandstärke hergestellt wird.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8,. dadurch gekennzeichnet, daß Organe (101 - 106) zum automatischen Hin- und Herbewegen des Spindeldorns (9) axial zur Gesenkvertiefung vorgesehen sind, so daß sich der Spindeldorn synchron mit den Nutflächen der Scheiben (8) bis zu einem bestimmten Punkt bewegt und danach relativ schnell in Gegenrichtung zu seiner Ausgangsposition zurückbewegt wird, bevor eine nachfolgende Bewegung synchron mit den Nutflächen der Scheiben erfolgt.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verteilerplatte (5) stromauf der Gesenkvertiefung zum Verteilen der Pasern vor ihrem Eintreten in den Formraum vorgesehen ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die verteilerplatte (5) Organe (10) zum Verteilen eines scherverstärkten Bandes enthält.

12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kunstharzbad (3) stromauf der

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Gesenkvertiefung (4) zum Imprägnieren der Fasern und des verstärkten Bandes vorgesehen ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Heizelemente (110, 112, 114) zur Unterstützung der Kunstharzfestigung nach der Gesenkvertiefung vorgesehen sind.

14. Einrichtung nach Anspruch I3, gekennzeichnet durch Heizelemente für die beiden Scheiben (8), den Spindeldorn (9) und eine Vorheizzone (114) stromauf der Gesenkvertiefung.

15. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Abstützen der Scheiben (8) und - falls vorhanden - des Spindeldorns (9) in einer vorbestimmten Position vorgesehen sind.

16. In einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 hergestellter länglicher Körper aus einem Verbundmaterial und mit sich axial änderndem Außenquerschnitt, gekennzeichnet durch eine in Längsrichtung gleichgerichtete Lage (oder Lagen) aus hochfestem Faserverbund in Kombination mit verschiedenen anderen Lagen.

17. Körper nach Anspruch l6, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichgerichtete Lage eine bedeutende Biegefestigkeit und Steifheit und die anderen Lagen eine Scherkraft-Übertragung von z. B. einer Biegung oder Torsion liefern.

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