DE2505454A1

DE2505454A1 - Verbundbauteil mit hohem festigkeits- und gewichtsverhaeltnis und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2505454A1
Application number: DE19752505454
Authority: DE
Inventors: Andrew M Cecka; Pol Dano
Original assignee: Fansteel Inc
Current assignee: Fansteel Inc
Priority date: 1974-02-13
Filing date: 1975-02-10
Publication date: 1975-08-14
Also published as: JPS50117531A; GB1469039A; FR2260362A1; FR2260362B1

Description

Z/II

10. Februar 1975

Fansteel Inc.
North Chicago, Xllinois/U.S.A.

Verbandbauteil ait hohem Festigkeits- und GewichtsverhMltnis und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf ein leichtes, hochfestes und steifes Verbundbauteil, das überragende Eigenschaften für ein weites Anwendungefeld bietet, insbesondere bei Sportgeräten, wie z.B. Tennisschlägerrahmen, Ski und Hockeyschläger und bei Körperschutzvorrichtungen, wie z.B. Fußballhelme, Motorradhelme, Schienbeinschützer und Schulterpolster. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundbauteils.

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Die überragenden Eigenschaften und Vorteile, die das erfindungsgemäße Verbundbauteil gegenüber de« Stand der Technik bietet sind in dieser Beschreibung anhand eines Tennisschlägers beispielsweise erläutert. Für den Fach» sann ist jedoch ohne weiteres erkennbar, daß das erfindungsgemäße Erzeugnis und das Verfahren zu dessen Herstellung überragende Eigenschaften für viele Anwendungemöglichkeiten bietet, wo ein Material erwünscht ist, das bei geringe« Gewicht eine hohe Festigkeit, Steifigkeit, Torsionswiderstandsfähigkeit, ausgezeichnete Stabilität und eine große Lebensdauer besitzt.

Bei den ersten Tennisschlägern wurden Rahmen aus massivem Holz verwendet, diese Rahmen wurden jedoch durch verleimte Holzkonstruktionen übertroffen, wie z.B. ausgewählte Escheni Ahorn-und Birkenlaminate, in die zuweilen stahlartige Drähte eingebettet waren. Wenngleich diese verleimte Holzkonstruktion gegenüber dem massiven Holz gewisse Vorteile erbringt, so ist sie insofern nachteil-b haf t, als sie eine verhältnismäßig geringe Zug- und Druckfestigkeit, eine geringe Lebensdauer und keime Gleichförmigkeit besitzt. Außerdem neigt diese Konstruktion zum Verziehen und zur Abnützung, sie verliert gern die Farbe und die Steifigkeit und Festigkeit, sie besitzt eine verhältnismäßig kurze Ermüdungsdauer, sie verursacht einen großen Windwider stand, da der Querschnitt verhältnismässig groß sein muß, um die erforderliche Festigkeit zu bieten, und sie ist schwierig herzustellen, damit ein einheitliches Gewicht, fleichgewicht, Dichte und mechanische Eigenschaften erzielt werden.

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Tennisschläger ait Metallrahmen, wie z.B. rohrförmige, kanalföraige, I-förmige Profile, wurden aus Stahllegierungen, Magnesium und insbesondere aus Aluminium hergestellt. Bei diesen Metallrahmen besteht ein Mindestgewicht, um die erforderliche Leistungsfähigkeit zu erreichen, und an den Spieler werden Schläge und Vibrationen übertragen, insbesondere bei ungenau getroffenen Bällen, was zur Ermüdung des Spielers beiträgt und zu der für Tennisspieler typischen Ellbegenerkrankung führt. line unerwünschte glockenartige Geräuschentwicklung ist ein weiterer Nachteil dieser Metallrahmen. Die Metallrahmen verursachen auch einen Trampolineffekt. Außerdem neigen die zur Führung der Bespannung dienenden Augen bzw. Löcher zu einer frühzeitigen Zerstörung.

Mit Glasfaseina verstärkte verleimte Kunststoffschläger wurden mit normalen Gießverfahren, Spritzgußverfahren oder Druckgußverfahren hergestellt. In der US-PS 3.483.055 (Eshbaugh) ist eine Glasfaserkonstruktion für Tennisschlägerrahmen beschrieben, bei der die Rahmen aus wechselweise angeordneten Lagen von mit Kunstharz imprägnierten Glasfasern und saugfähigem Papier hergestellt sind. Derartige Glasfasertennisschläger werden im allgemeinen als zu biegsam angesehen, und die erwünschte Steifigkeit kann nicht erhalten werden.

Bs ist technisch möglich, eine ähnliche Verbundkonstruktion herzustellen, bei der anstelle der Glasfasern mit Kunstharz getränkte Karbonfasern verwendet werden, eine solche Konstruktion hätte aber immer noch nicht die gewünschten Verformungseigenschaften.

Eine Sandwichkonstruktion für Tennisschläger, bei der

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auf beiden Seiten eines hölzernen Tennisschlägerrahmen Schichten aus Glasfasern aufgeklebt sind, führt zwar zu einer größeren Lebensdauer, insbesondere hinsichtlich der Ermüdungserscheinungen, die Seiten neigen jedoch dazu, ihre Spannung zu verlieren, die dynamischen Bigenschaften gehen verloren, und es besteht eine Grenze hinsichtlich der Gewichtsverringerung .

Es kann eine verbesserte Sandwichkonstruktion erhalten werden, indem Karbonfaserschichten mit einem Holzrahmen verklebt werden, eine solche Konstruktion hat aber immer noch die vorstehend erwähnten Beschränkungen eines Holzkerns.

Ss wurden auch Sandwichkonstruktionen entwickelt oder vorgeschlagen, deren Kerne aus einem anderen Material als Holz bestehen. Diese Konstruktionen umfassen einen geschäumten Kunststoffkern mit einer Aluminiumhaut und vorgeformte starre Kunststoffkerne geringer Dichte mit einer Außenhaut aus Aluminium, Glas- oder Karbonfasern. Diese Konstruktionen leiden jedoch unter einer Anzahl von Nachteilen, zu denen die Kriechneigung und das Nachlassen der Spannung der Seiten gehört. Bei einer metallischen Außenhaut fährt der unterschiedliche Temperaturausdehnungekoeffizient der Außenhaut und des Kerns wegen der verbleibenden Spannungen zu Schwierigkeiten bei der Herstellung und im Gebrauch.

In der US-PS 3.640.533 (Davis) ist noch eine andere Sandwichkonstruktion beschrieben. Diese Konstruktion umfaßt ein Verstärkungsgitter aus Metall, das auf gegenüberliegenden Seiten mit einem durch Glasfasern verstärkten Kunstharz beschichtet ist, und das an dem Holzkern des Tennisschlägers befestigt wird. Das Metallgitter hat jedoch eine Ver-

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Minderung des Verbund« zur Folg· wegen der unterschiedlichen elastischen Eigenschaften von Metall und Holz« und dieses Bauteil kann auch nicht so leicht ausgeführt werden wie das erfinduagsgemäße Verbundbauteil» wenn die gleiche Steifigkeit und Iraiidungswideretandefähigkeit ersielt werden soll.

Koch eine andere Verbundbauweise, die für Ski geeignet ist, ist in der US-PS 3.493.240 (Jenks) beschrieben. Diese Bauweise sieht eine obere und untere Beplankung aus mit Kunstharz imprägnierten Glasfasermatten vor« die auf längliche kanalartige Bauteile aufgeklebt werden« welche hohle Kerne bilden. Diese Bauweise ist schwierig auszuführen« und sie führt bei der Herstellung zu einer großen Anzahl von veränderlichen Größen. Außerdem können Undichtigkeiten in den Luftsäcken (hohle Kerne) erst entdeckt werden« wenn das Bauteil fertiggestellt ist. Darüberhinaus erbringt die Glasfaserbeplankung auch kein so hohes Festigkeit«- und Gewichteverhältnis wie das erfindungsgemäße Bauteil.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die vorstehend genannten sachteile der Bauteile für Tennisschläger und andere Anwendungszwecke überwunden« indem ein einteilig verklebtes« leichtes, festes und stabiles Verbundbauteil mit hoher Qualität und gmten Spieleigenschaften geschaffen wird, insbesondere ein Verbundbauteil« das aus einem expandierten Kern besteht, der in einem einstufigen Gießverfahren mit einer Außenhaut einteilig verklebt ist, die aus mit Kunstharz imprägnierten hochfesten Karbonfasern besteht. Das erfiaduagsgemäße Bauteil ermöglicht eine große Vielfalt in der Ausführung, um einem weiten Bereich von Biege- und Torsionseigenschaften gerecht zu werden, und um besonderen Anforderungen gerecht zu werden« was mit keiner der herkömmli-

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chen Konstruktionen Möglich war.

Da· erfindungsgemäße Verbundbauteil ist gekennzeichnet durch einen Kern au· eine« geschäumten porösen Kunststoffmaterial, der mit einer Außenhaut zu eine« Ganzen verklebt ist, die aus mindestens einer Lage von gleichförmig orientierten und mit Kunstharz beschichteten Karbonfasern besteht, wobei die Außenhaut den Kern in jeder Schnittebene quer zur Längsachse des Bauteils vollständig umhüllt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundbauteils ist vorgesehen, daß die Außenhaut aus mehreren Lagen von gleichförmig orientierten und mit Kunstharz beschichteten Karbonfaser» besteht, wobei die Fasern von mindestens einer Lage in einer anderen Richtung orientiert sind als die Fasern von mindestens einer der anderen Lagen.

Der geschäumte Kunststoffkern ist verhältnismäßig leicht, und er besitzt eine Dichte von ungefähr 320 bis 960 kg/m³ und ungefähr 25 bis 80 % Poren.

Das erfindungsgemäße Verbundbauteil wird in der Weise hergestellt, daß in einem Formhohlraum eine Außenhaut, die aus mindestens einer Lage von gleichförmig orientierten und mit Kunstharz beschichteten Karbonfasern besteht, und ein Kern aus einer schäumfähigen Kunstharzmischung angeordnet wird, woraufhin der Formhohlraum geschlossen und die schäumfähige Kunstharzmischung aktiviert wird, um eine Expansion derselben und in dem Formhohlraum einen Druck zu verursachen, um dadurch eine innige Verklebung des Kerns mit der Außenhaut zu bewirken.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der

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Zeichnung dargestellten Ausftihrungsbeispiels näher erläutert. Bs zeigt:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Tennisschläger« bei des das erfindungsgemäße Verbundbauteil verwendet ist, wobei der Griff im Schnitt dargestellt ist;

Fig. 2 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Tennisschlägers, wobei der Griff ebenfalls im Schnitt dargestellt ist;

Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht eines Bereichs des mit Kunstharz beschichteten Gefüges aus orientierten Karbonfasern« das für die Außenhaut des erfindungsgemäßen Verbundbauteils verwendet wird« wobei die aufeinanderfolgenden Lagen Stufenweise freigelegt sind;

Fig. 4 einen vergrößerten perspektivischen Querschnitt« der das zu einem Ganzen verleimte Verbundbauteil gemäß der Erfindung veranschaulicht« wobei die aufeinanderfolgenden Lagen stufenweise freigelegt sind; und

Fig. 5 einen vergrößerten perspektivischen Querschnitt, der die Einzelheiten der ausgesparten Nut und der Löcher für die Bespannung im Rahmen eines Tennisschlägers veranschaulicht« der in der erfindungsgemäßen Bauweise hergestellt ist.

Bei dem gezeigten Ausführungebeispiel der Erfindung umfaßt der Rahmen 10 des Tennisschlägers einen Kopfabschnitt 11 und einen Griffabschnitt 12« wobei ein Hand-

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griff 13 am unteren Bereich des Griffabschnitte befestigt ist. In de« Griffabschnitt 12 tmfaßt der Rahmen 10 zwei im Abstand voneinander angeordnete Teile, die durch Querstege 14 miteinander verbunden sind. Die beiden Teile des Griffabschnitte 12 divergieren in dem Bereich, wo der Griffabschnitt 12 auf den Kopfabschnitt 11 trifft, sodaß der ellipsenförmige Hauptbereich des Kopfabschnitts in die beiden Teile des Griffabschnitte stufenlos übergeht. Ein kurzes Segment 18 vervollständigt die Ellipsenform des Kopfabschnitts .

Wie aus den Fig. 2 und 5 ersichtlich ist, besitzt der Kopfabschnitt 11 eine ausgesparte Umfangsnut 15 und eine Vielzahl von Löchern 23, durch welche die Seiten 24 hindurchgeführt sind.

Wie aus den Fig. 4 und 5 hervorgeht, umfaßt das Verbundbauteil des Rahmens einen geschäumten Kunststoffkern 22, der von einer Außenhaut 17 umgeben ist, die mehrere Lagen 21 umfaßt, die jeweils aus einer Schicht von gleichförmig ausgerichteten und mit Kunstharz beschichteten Karbonfasern bestehen. Wie dies in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, sind die Karbonfasern einer jeden Schicht unter einem Winkel von 45° zu der Längsachse des Bauteile angeordnet, wobei die Orientierung der Schichten zwischen +45° und -45° wechselt, sodaß die Schichten im »echten Winkel zueinander angeordnet sind. Die einander gegenüberliegenden Oberseiten des Bauteils, die den gegenüberliegenden Oberseiten des Tennisschlägers entsprechen, sind mit einer endgültigen Außenlage 16 aus einer Karbonfaserschicht bedeckt, deren Fasern 19 in Längsrichtung des Bauteils angeordnet sind, wobei die mit Kunstharz ausgefüllten Zwischenräume

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zwischen den Fasern mit 20 bezeichnet sind.

Das erfindungsgemäße Verbundbauteil wird in einem selbstklebenden einstufigen Gießvorgang innerhalb einer starren Form hergestellt, die den inneren Kräften standhalten kann« welche durch den Druck verursacht werden« der im Verlauf des Aushärtvorgangs auftritt. Die Gießform ist vorzugsweise aus Werkzeugstahl hergestellt, wobei ihre Innenflächen mit einer Chromschicht versehen sind. Für kleine Stückzahlen kann die Form auch aus Aluminium hergestellt sein« wobei ihre Innenflächen anodisiert sind.

Die bei der Erfindung verwendeten Karbonfaserachichten werden dadurch hergestellt« indem ein Kunstharzbindemittel auf eine Schicht von gleichförmig ausgerichteten Karbonfasern aufgebracht wird. Das Kunstharzbindemittel wird in flüssigem Zustand auf die Karbonfasern aufgebracht und füllt die Zwischenräume zwischen den Fasern aus« bevor es durch Abkühlen oder Aushärten in festen Zustand übergeht. Das Kunstharzbindemittel kann ein thermoplastisches Material sein« das den anzuwendenden Behandlungstemperaturen standhalten kann« vorzugsweise handelt es sich jedoch um ein in der Hitze aushärtendes Material. Geeignete thermoplastische Materialien umfassen Nylon« Polyäthylen« Polypropylen« lineare Polyester, Polykarbonate und Azetolharze. Geeignete warmhärtende Materialien umfassen Phenolharze« vernetzte Polyester und Epoxyharze« und ein besonderes Beispiel ist ringförmig polymerieiertes Epoxynovolac (cyclized epoxy novolac).

Die Karbonfasern besitzen vorzugsweise einen mittleren Modul in dem Bereich von ungefähr 2,1 bis ungefähr 2,8 mal 10⁶ kg/cm². Wenn eine ungewöhnlich hohe Festigkeit und Stei-

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figkeit erwünscht ist, so können Karbonfasern mit einem hohen Modul in dem Bereich von ungefähr 3,5 bis 4,2 mal 10 kg/cm verwendet werden. Die einzelnen Karbonfäden haben im allgemeinen einen ungewöhnlich kleinen Durchmesser in der Größenordnung von ungefähr 0,0076 mm, und die Karbonfasern, die zur Herstellung der Karbonschichten verwendet werden, umfassen üblicherweise Garne, die hunderte oder tausende einzelner Fäden enthalten, wie dies in der Technik bekannt ist.

Die Kernmischung ist geeigneter Weise eine extrudierbare Mischung, die ungefähr die Konsistenz einer festen Füllmasse oder von Formlehm besitzt. Es kann irgendeine derjenigen Mischungen verwendet werden, die im Handel als schäumfähige Kunstharzmischungen verkauft werden. Derartige Mischungen werden in der Industrie zum Verstärken und Ausfüllen von wabenförmigen Kernen verwendet, die in Sandwichbauteilen benutzt werden. Diese Mischungen bestehen üblicherweise aus einem ungehärteten Kunstharz, einem Härtemittel, einem Schäummittel und üblicherweise aus einem Material zum Überwachen der Fließfähigkeit, das auch Füllmaterial von geringem Gewicht hinzufügt.

Das Kunstharz ist typischer Weise ein Epoxyharz oder ein Phenolharz. Das Schäummittel ist typischer Weise entweder eine Mischung, wie z.B. eine Azo, N-Nitroso, Karbonat, oder SulfonylhydraziÄ-Mischung, die sich bei Erwärmung zersetzt, um Stickstoff und Kohlendioxid freizugeben, oder ein leicht flüchtiges normalerweise flüssiges Material, wie z.B. Pentan, Wasser oder ein flüssiger Fluorkohlenstoff. Bevorzugte Materialien zur Steuerung der Fließfähigkeit umfassen hohle Mikrokugeln aus Glas, Silika, Kohlenstoff oder Graphit und fein verteilten expandierten Vermiculit. Es können auch Glas- oder Asbestfasern oder Glimmerflocken verwen-

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det werden. XM die Festigkeit und die Füllung zu erhöhen, können vorteilhafterweise Graphit-Einkristalle (whiskers) hinzugefügt werden. Geeignete schäumfähige Kunstharzmischungen sind allgemein bekannt und ira Handel erhältlich, und die Zusammensetzung derartiger Mischungen stellt für sich keinen Teil der vorliegenden Erfindung dar.

Schäumfähige Kunstharzmischungen können für irgendein gewünschtes Expansionsverhältnis angesetzt werden, das von der Menge des zugefügten Schäummittels abhängt. Im allgemeinen ist ein Expansionsverhältnis von 1,5 bis ungefähr 5,0 geeignet, wobei das bevorzugte Verhältnis ungefähr 1,5 bis ungefähr 3,0 beträgt.

Bei der Vorbereitung des erfindungsgeraäßen Bauteils wird die Schaummischung zu einem Kern expandiert, dessen Querschnittefläche kleiner ist als diejenige des endgültigen expandierten Kerns. Der Kern wird sodann mit mehreren Lagen aus Kunstharz-imprägnierten, einseitig orientierten Karbonfaserschichten umwickelt, wobei die Schichten kreuzweise übereinander angeordnet werden. Das Omwikkeln kann manuell oder mittels einer Wickelmaschine durchgeführt werden, wie sie beispielsweise in der US-PS 3.479.402 (Goldsworthy) beschrieben ist. Die Schichten werde* vorzugsweise abwechselnd unter einem Winkel von +45° und -45° zu der Längsachse des Kerns herumgewickelt, und üblicherweise werden ungefähr vier Lagen verwendet.

Eine zusätzliche Lage aus einem Karbonfaserstreifen wird in den Boden der Form eingelegt, wobei dessen Karbonfasern in der Längsrichtung der Form angeordnet sind. Der umwickelte Kern wird der Gestalt der Gießform angepaßt, die an dem Ende des einen Griffabschnitte beginnend an

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diesem Griffabschnitt nach oben und tun den Rahmen herum und an dem anderen Griffabschnitt nach unten bis zu dessen Ende geführt ist. Ein zweiter kurzer Abschnitt eines umwickelten Kerns wird sodann in die Form eingesetzt und eingespleißt, um eine Fortsetzung des Verbundbauteile zu erhalten, um die geschlossene Ellipsenform des Kopfabschnitte des Rahmens an der Stelle zu vervollständigen, wo die Teile des Griffabschnitts divergieren und in den Kopfabschnitt übergehen.

Eine weitere Lage eines Karbonfaserbandes, dessen Fasern in Längsrichtung der Form angeordnet sind, wird dann auf den umwickelten Kern in der Form aufgelegt, und die Form wird dann geschlossen und verspannt und sodann erhitzt, um die Kernmischung zu härten und aufzublähen. Das Verspannen der Form kann mit einer hydraulischen Presse, mit Zugstangen oder mit hochfesten Spannschrauben od. dgl. bewirkt werden, und die Form kann durch die heißen Platten an einer hydraulischen Presse oder durch Einsetzen in einen Ofen erhitzt werden. Die Aushärttemperatur liegt in geeigneter Weise in dem Bereich von ungefähr 65° bis ungefähr 175°C, und die Heizdauer beträgt in geeigneter Weise ungefähr eine halbe bis eine Stunde, was von der Zusammensetzung der Kunstharzmischung und des Aushärtmittels abhängt.

Die Erwärmung während des Aushärtvorgangs aktiviert das Schäummittel in dem Kern und verursacht eine Expansion des Schaume. Wenn der Schaum expandiert, so erzeugt er in dem geschlossenen Formhohlraum einen Druck, der eine innige Verklebung des Kerns mit der Außenhaut aus kunstharzim prägnierten Karbonfasern bewirkt. Es ist verständlich* daß

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die Querschnitteflache des Formhohlraums kleiner ist als die Querschnittefläche des gekrümmten Kemmaterials, wenn eich dieses frei ausdehnen könnte.

Die auf diese Weise durch den inneren Druck bewirkte Verklebung führt zu einem Verbundbauteil mit einem ungewöhnlich einheitlichen Gefüge, das keine Leerstellen oder weiche Bereiche aufweist. Die Umwicklung des Kerns mit den Karbonfaserbändern führt zu einem Bauteil, bei dem die Außenhaut den Kern in jedem Querschnittsbereich vollständig umschließt und einen Kastenträger schafft, der für sein Gewicht eine ungewöhnliche Festigkeit und Steifigkeit besitzt. Während der Expansion des Kernmaterials haben die Karbonfaserbänder, die nur eine begrenzte Dehnbarkeit besitzen, das Bestreben, sich in einem gewissen Ausmaß von dem Kern abzuwickeln, nichtsdestoweniger hüllen sie ihn jedoch vollständig ein.

Nach Vervollständigung des Aushärtvorgange wird die Form abgekühlt und sodann geöffnet, woraufhin der geformte Rahmen entnommen wird.

Die Löcher für die Saiten können in den Kopfabschnitt gebohrt werden, vorzugsweise werden aber abnehmbare Stifte in den Kopfabschnitt des umwickelten Kerns eingesetzt, bevor dieser in der Form ausgehärtet wird.

Sodann wird das Gleichgewicht des Rahmens überprüft und, falls erforderlich, durch Entfernen von Material oder durch Hinzufügen von Gewichten eingestellt. Der Rahmen wird sodann mit einer schlag- und abriebfesten Farbe oder einem Film gestrichen bzw. beschichtet, was durch Aufsprühen, Eintauchen oder Aufkleben bewirkt werden kann,

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woran sich ein Trocknungsvorgang anschließt. Der gewünschte Handgriff wird sodann mit einem Klebstoff oder einem mechanischen Haltemittel befestigt. Nach dem Aufziehen der Saiten können erwünschtenfalls Gewichte hinzugefügt werden, um das gewünschte Gleichgewicht und das Gesamtgewicht des Tennisschlägers zu erzielen.

Die einzigartigen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Bauteils beruhen auf den Eigenschaften des Kerns, der Außenhaut und insbesondere auf den Eigenschaften, die durch das Zusammenwirken des Kerns mit der Außenhaut erzielt werden.

Der Kern bewirkt die Formhaltigkeit des Bauteils, indem er die Außenhaut stabil abstützt. Der Kern bewirkt ferner eine starke Dämpfungscharakteristik, wodurch Vibrationen und Schläge, die Gefahr eines Ermüdungsbruchs, Zugspannungen, Ausknickspannungen und die Gefahr eines Ausknickbruches wesentlich verringert werden. Diese vorteilhaften Eigenschaften werden mit einem geringen zusätzlichen Gewicht gegenüber dem Gewicht eines Bauteils mit höh-*· ler Außenhaut erzielt.

Das Gefüge aus ausgerichteten Karbonfasern in der Aussenhaut besitzt ein hohes Festigkeits- und Gewichtsverhältnis sowie ein hohes Steifigkeits- und Gewichteverhältnis. Die Verwendung verschiedener Mengen und Arten von Karbonfasern in der Außenhaut und die verschiedene Ausrichtung der Fasern in der Außenhaut gibt die Möglichkeit, die Eigenschaften des Verbundbauteils so anzupassen, daß die gewünschte Biege- und Torsionssteifigkeit und das Gleichgewicht erzielt werden. Die Außenhaut aus Karbonfasern besitzt auch eine ungewöhnliche Widerstandsfähigkeit gegen ein Aufquellen und sie bewirkt eine hohe Lebensdauer.

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Das Verbundbauteil, das durch die Zusammenwirkung der Außenhaut aus orientierten Karbonfasern und dem Leichtgewichtekern erhalten wird, ist für seine Festigkeit und Steifigkeit sehr leicht, und es ermöglicht eine bessere Gewichtsverteilung in einem speziellen Erzeugnis, wie z.B. einem Tennisschläger, da an den bevorzugten Flächen des Bauteils zusätzliche Gewichte angebracht werden können. Bei einem Tennisschläger verbessert dieses Merkmal des neuartigen Verbundbauteils die Spieleigenschaften und die Kontrollierbarkeit ganz wesentlich.

Das Verbundbauteil zeigt auch nur minimale Längenänderungen bei Temperaturschwankungen, was sich in einer auegezeichneten Stabilität und einer gleichbleibenden Spannung der Saiten äußert, wodurch in einem weiten Bereich von Umgebungebedingungen gleichförmige Spieleigenschaften gewährleistet sind.

Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundbauteils erlaubt eine große Vielseitigkeit bei der Konstruktion spezieller Produkte, um einem weiten Bereich von Biege- und Torsionseigenschaften gerecht zu werden.

Bei einem Tennisschläger erbringt das erfindungsgemässe Verbandbauteil Eigenschaften, die dazu führen, daß der Schläger einen großen "sweet spot" besitzt, was selbst dann eine ausgezeichnete Ballführung ermöglicht, wenn der Tennisball nicht mit dem genauen Zentrum des Schlägers getroffen wird. Die vergrößerte Fläche des "sweet spot" bei Tennisschlägerrahmen, bei denen das erfindungsgemäße Verbundbauteil verwendet wird, führt im Vergleich zu irgendwelchen herkömmlichen Bauformen insgesamt zu überragenden Spieleigenschaften·

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Tennisschlägerrahmen werden objektiv auf verschiedene Weise geprUft, einschließlich statischer zerstörungsfreier Versuche und statischer Zerstörungsversuche durch überbelastung und dynamischer Versuche« und sie werden auch subjektiv von Spieler bewertet. Statische Versuche umfassen die Bewertung der Verformungen unter statischen Belastungen« um die Biegesteifigkeit des Rahmens, die Verwindung und die Verformung des Kopfabschnitte zu bestimmen. Bei der dynamischen Prüfung wird der Tennisschläger einer Reihe von Stoßbelastungen ausgesetzt, um taueende von Aufschlägen auf einen Tennisball zu simulieren.

Bei all den vorstehend beschriebenen Versuchen erreicht das erfindungsgemäße Bauteil den gewünschten Leistungsgrad bei einem geringeren Gewicht als es bei herkömmlichen Bauteilen erzielt wird. So erbringt beispielsweise ein erfindungsgemäß ausgebildeter Tennisschläger, der einschließlich Griff und Bespannung zwischen 326 und 354 g wiegt_; gleiche oder bessere Versucheergebnisse als sie mit einem herkömmlichen Holz- oder Metallschläger erzielt werden, der zwischen 380 und 400 g wiegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde anhand eines bevorzugten Beispiels erläutert. Ss ist jedoch erkennbar, daß Abwandlungen benutzt werden können. Die Karbonfaserlagen können beispielsweise vollständig oder teilweise an der Innenfläche der Gießform angeordnet werden, anstatt sie um den Kern herum zu wickeln.

Wenn die Karbonfaserlagen, mit denen die Oberfläche des Formhohlraums ausgekleidet ist, in geeigneter Weise abgedichtet sind, so kann die schäumfähige Kunstharz»!- schung in flüssigem Zustand und nicht als vorgeformtee

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Bauteil in den Formhohlraum eingebracht werden. Eine geeignete Mischung dieser Art ist eine frisch vermengte selbstechäumende Mischung, wie z.B. eine frisch angesetzte Mischung aus Polyol und Polyisocyanat-Bestandteilen eines starren Polyurethanschaume. In diesem Fall wird der Druck auf die Innenseite der Form zumindest teilweise durch die normale Schäumwirkung der selbstschäumenden Mischung erzeugt.

Bine andere geeignete Mischung ist eine Mischung» die ein thermoplastisches Kunstharz und ein Blähmittel enthält« die unter Druck in die Form eingespritzt wird. Geeignete Mischungen dieser Art sind in den US-PS*en 3.436.446 (Angell) und 3.268.636 (Angell) beschrieben. In diesem Fall ist zumindest ein Teil des Drucks auf der Innenseite der Form der Binspritzdruck, mit dem die Mischung in die Form und in deren Verlängerungen eingepreßt wird.

Das erfindungsgemäße Erzeugnis wurde unter besonderer Bezugnahme auf einem Tennisschläger erläutert, für den Fachmann ist aber erkennbar, daß der Grundgedanke der Erfindung auch auf andere Erzeugnisse anwendbar ist, bei denen eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei einem geringen Gewicht erwünscht ist. Solche Erzeugnisse umfassen Ski, Hockeyschläger, Bogen und Kopf-und Körperschutzeinrichtungen, wie z.B. Helme und Schulter-und Skibeinschützer. Das erfindungsgemässe Bauteil ist auch nützlich für Golfschläger als Ersatz für die derzeit benutzten hohlen Karbonfaserschäfte, für solche Golfspieler, die eine zusätzliche Steifigkeit des Schlägerschaftes bevorzugen.

weitere Anwendungsbeispiele bramchen nicht genannt zu werden, da dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen geläufig sind.

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Claims

Patentansprüche

Γ 1. /Verbundbauteil alt hohem Festigkeits- und Gewichteverhältnis, gekennzeichnet durch einen Kern (22) aus eines geschäumten porösen Kunstharzmaterial« der mit einer Außenhaut (17) zu einem Ganzen verklebt ist, die aus mindestens einer Lage (21) von gleichförmig orientierten und mit Kunstharz beschichteten Karbonfasern besteht, wobei die Außenhaut (17) den Kern (22) in jeder Schnittebene quer zur Längsachse des Bauteils (10) vollständig umhüllt.
2. Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhaut (17) aus mehreren Lagen (21) von gleichförmig orientierten und mit Kunstharz beschichteten Karbonfasern besteht, wobei die Fasern von mindestens einer Lage in einer anderen Richtung orientiert sind als die Fasern von mindestens einer anderen dieser Lagen.
3. Verbundbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet» daß die Orientierung der Fasern in den Lagen (21) von einem Winkel von ungefähr +45° nach einem Winkel von ungefähr -45° gegenüber der Längsachse des Bauteils (10) wechselt.
4. Verbundbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffkern (22) eine Dichte von ungefähr 320 bis 960 kg/m³ und ungefähr 25 bis 80 % Poren aufweist.

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5. Verbundbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es in Fora eines Tennisschlägerrahmens (10) ausgebildet ist, der einen Schaftabschnitt (12) und einen ellipsenförmigen Kopfabschnitt (11) besitzt» der an einem Ende des Schaftabschnitts (12) angeordnet ist, wobei an dem Schaftabschnitt (12) an seinem dem Kopfabschnitt (11) gegenüberliegenden Ende ein Griffende (13) angeordnet ist« daß jedes Ende des Verbundbauteils am Griffende (13) des Schaftabschnitts (12) des Rahmens (10) angeordnet ist, daß sich das Verbundbauteil von einem seiner Enden am Griffende (13) des Schaftabschnitts (12) an einer Seite des Schaftabschnitts (12) nach oben, um einen Hauptbereich des Kopfabschnitts (11) des Rahmens (10) herum und an der anderen Seite des Schaftabschnitts (12) nach unten zu dem gegenüberliegenden Ende des Verbundbauteils am Griffende (13) des Schaftabschnitts (12) erstreckt, und daß das Verbundbauteil mit einem zweiten kurzen Verbundbauteil (18) zusammengefügt ist, das die Ellipsenform des Kopfabschnitte (11) vervollständigt und schließt.
6. Tennisschlägerrahmen mit einem Schaftabschnitt und einem ellipsenförmigen Kopfabschnitt, der an einem Ende des Schaftabschnitte angeordnet ist, und mit einem Handgriff, der an dem anderen Ende des Schaftabschnitts angeordnet ist, wobei der Rahmen aus einem Verbundbauteil mit hohem Festigkeits- und Gewichtsverhältnis besteht, gekennzeichnet durch einen Kern (22) aus einem geschäumten porösen Kunstharzmaterial, der mit einer Außenhaut (17) zu einem Ganzen verklebt ist, die aus mindestens einer Lage von gleichförmig orientierten und mit Kunstharz beschichteten Karbonfasern besteht, wobei die Außenhaut (17) den Kern (22) in jeder Schnittebene quer zur Längsachse des Bauteils (10) vollständig umhüllt.

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7. Tennisschlägerrahmen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhaut (17) aus mehreren Lagen (21) von gleichförmig orientierten und mit Kunstharz beschichteten Karbonfasern besteht« wobei die Fasern von mindestens einer Lage in einer anderen Richtung orientiert sind als die Fasern von mindestens einer anderen dieser Lagen.
8. Tennisechlägerrahmen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung der Fasern in den Lagen (21) von einem Winkel von ungefähr +45° nach einem Winkel von ungefähr -45° gegenüber der Längsachse des Bauteils (10) wechselt.
9. Tennisechlägerrahmen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffkern (22) eine Dichte von ungefähr .

aufweist.

ungefähr 320 bis 960 kg/m und ungefähr 25 bis 80 % Poren
10. Tennisechlägerrahmen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ende des Verbundbauteile am Griffende des Schaftabschnitts (12) angeordnet ist, daß sich das Verbundbauteil von einem seiner Enden am Griffende (13) des Schaftabschnitts (12) an einer Seite des Schaftabschnitts (12) nach oben, um einen Hauptbereich des Kopfabschnitte (11) dee Rahmens (10) herum und an der anderen Seite dee Schaftabschnitte (12) nach unten zu dem gegenüberliegenden Ende des Verbundbauteils am Griffende (13) des Schaftabschnitts (12) erstreckt.
11. Tennisschlägerrahmen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundbauteil mit einem ähnlichen, aber kürzeren Verbundbauteil (18) zusammengefügt ist, das

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die Ellipsenform des Kopfabschnitte (11) vervollständigt.
12. Tennisschlägerrahmen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhaut (17) auf jeder der gegenüberliegenden Selten des Rahmens (10) an Ihrer Außenfläche mindestens eine Lage (16) aus gleichförmig orientierten und mit Kunstharz beschichteten Fasern (19) besitzt.
13. Tennisschlägerrahmen mit einem Schaftabschnitt und einem ellipsenförraigen Kopfabschnitt, der an einem Ende des Schaftabschnitts angeordnet ist, und mit einem Handgriff, der an dem anderen Ende des Schaftabschnitts angeordnet ist, wobei der Rahmen aus einem Verbundbauteil mit hohem Festigkeits- und Gewichtsverhältnis besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundbauteil einen Kern (22) aus einem geschäumten porösen Kunstharzmaterial besitzt, das eine Dichte von ungefähr 320 bis 960 kg/m und ungefähr 25 bis 80 % Poren aufweist, daß der Kern (22) mit einer Außenhaut (17) zu einem Ganzen verklebt ist, die aus mehreren Lagen (21) von gleichförmig orientierten und mit Kunstharz beschichteten Karbonfasern besteht, wobei die Fasern von mindestens einer Lage in einer anderen Richtung orientiert sind als die Fasern von mindestens einer anderen dieser Lagen, daß jedes Ende des Verbundbauteile am Griffende des Schaftabschnitts (12) angeordnet ist, daß sich das Verbundbauteil von einem seiner Enden am Griffende (13) des Schaftabschnitts (12) an einer Seite des Schaftabschnitts (12) nach oben, um einen Hauptbereich des Kopfabschnitte (11) des Rahmens (10) herum und an der anderen Seite des Schaftabschnitts (12) nach unten zu dem gegenüberliegenden Ende des Verbundbauteils am Griffende (13) des Schaftabschnitts (12) erstreckt.
14. Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils

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mit hohem Feetigkeits- und Gewichteverhältnis, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Formhohlraum eine Außenhaut, die aus raeindeetene einer Lage von gleichförmig orientierten und mit Kunstharz beschichteten Karbonfasern in Bandform besteht, und ein Kern aus einer schäumfähigen Kunstharzmiechung angeordnet wird, wobei die Außenhaut den Kern ummantelt, daß der Foxmhohlraum geschlossen wird, daß die schäumfähige Kunstharzmischung aktiviert wird, um eine Expansion derselben und in dem Formhohlraum einen Druck zu verursachen, der den Kern gegen die Außenhaut preßt und dadurch eine innige Verklebung des Kerns mit der Außenhaut bewirkt, und daß der Kern und die Außenhaut sodann als einteiliges Verbundbauteil aus dem Formhohlraum entnommen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Lagen aus gleichförmig orientierten und mit Kunstharz beschichteten Karbonfasern in dem Formhohlraum und um den Kern herum angeordnet werden, wobei die Fasern von mindestens einer Lage in einer anderen Richtung orientiert sind als die Fasern von mindestens einer der anderen Lagen.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung der Fasern in den Lagen von +45° nach -45° zu der Längsachse des Verbundbauteils wechselt.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Lagen aus Karbonfasern um den Kern herumgewickelt wird, bevor dieser in den Formhohlraum eingelegt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich-

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net, daß zumindest ein Teil der Lagen aus Karbonfaeern auf die Innenfläche des Formhohlraums aufgelegt wird« bevor der Kern in den Forahohlraum eingebracht wird.
19. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die schäumfähige Kunstharzuischung ein Expansionsverhältnis von ungefähr 1,5 bis 5,0 besitzt und daß die Querschnittefläche des Formhohlraums kleiner ist als diejenige des Kerns, wenn dieser frei expandieren würde.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die schäumfähige Kunstharzmischung ein Expansionsverhältnis von ungefähr 1,5 bis 3,0 besitzt.
21. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Formhohlraum in der Form eines Tennisschlägerrahmens ausgebildet ist, der einen Schaft aufweist, an dessen einem Ende ein Handgriff und an dessen anderem Ende ein ellipsenförmiger Kopfabschnitt angeordnet ist.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Vielzahl von Lagen aus Karbonfasern um den Kern herumgewickelt wird, bevor dieser in die Form eingelegt wird, daß der Schaftbereich der Form zwei im wesentlichen parallele Höhlraumabschnitte besitzt, die zwei Seiten des Schaftes entsprechen, daß der umwickelte Kern in die Form eingelegt wird, wobei seine beiden Enden am Griffende der Form angeordnet werden, daß sich der umwickelte Kern von einem seiner Enden am Griffende der Form an einem der beiden im wesentlichen parallelen Hohlraumabschnitte im Schaftbereich der Form nach oben, um einen Hauptbereich des Kopf abschnitte der Form herum und an dem anderen im wesentlichen parallelen Hohlraumabschnitt

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im Schaftbereich der Form nach unten erstreckt, um am Griffende der Form zu enden, und daß ein zweiter umwickelter Kern an den ersten umwickelten Kern in der Form angefügt wird, um die Ellipsenform des Kopfabschnitts zu vervollständigen und zu schließen.
23. Verfahren zur Herstellung eines Tennisschlägerrahmens mit einem hohen Festigkeits- und Gewichtsverhältnis, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formhohlraum in der Form eines Tennisschlägerrahmens geschaffen wird, der einen Schaft besitzt, an dessen einem Ende ein Handgriff und an dessen anderem Ende ein ellipsenförmiger Kopfabschnitt angeordnet ist, wobei der Schaftbereich des Formhohlraums zwei im wesentlichen parallele Hohlraumabschnitte aufweist, die zwei Seiten des Schaftes entsprechen, daß eine schäumfähige Kunstharzmischung extrudiert wird, um einen länglichen Kern mit gleichförmigem Querschnitt zu schaffen, daß dieser Kern mit mehreren Lagen aus gleichförmig orientierten und mit Kunstharz beschichteten Karbonfasern umwickelt wird, wobei die Fasern von mindestens einer Lage in einer anderen Richtung orientiert sind als die Fasern von mindestens einer der anderen Lagen, daß der umwickelte Kern in den Formhohlraum eingelegt wird, wobei seine beiden Enden am Griffende des Formhohlraums angeordnet werden, daß sich der umwickelte Kern von einem seiner Enden am Griffende des Formhohlraums an einer der beiden im wesentlichen parallelen Hohlraumabschnitte im Schaftbereich des Formhohlraums nach oben, um einen Hauptbereich des Kopfabschnitte des Formhohlraums herum und an dem anderen Im wesentlichen parallelen Hohlraumabschnitt im Schaftbereich des Formhohlraums nach unten erstreckt, um an dem Griffende des Formhohlraums zu enden, daß der Formhohlraum sodann geschlossen und die schäumfähige Kunstharzmischung erhitzt wird,

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um eine Expansion derselben und einen Druck in dem Formhohlraum xu verursachen« der den Kern gegen die Lagen aus Karbonfasern preßt und dadurch eine innige Verklebung des Kerns mit den Lagen bewirkt, und daß anschließend der expandierte umwickelte Kern als einteiliger zusammengesetzter Tennisschlägerrahmen aus der Form entnommen wird.
24. Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils mit hohem Festigkeite- und Gewichtsverhältnis, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Formhohlraum eine Außenhaut, die aus mindestens einer Lage von gleichförmig orientierten und mit Kunstharz beschichteten Karbonfasern in Bandform besteht, und ein Kern aus einer schäumfähigen Kunstharzmischung angeordnet wird, wobei die Außenhaut den Kern ummantelt, daß der Formhohlraum geschlossen wird, daß in dem Formhohlraum ein Druck erzeugt wird, um den Kern gegen die Außenhaut zu pressen und dadurch eine innige Verbindung des Kerns mit der Außenhaut zu bewirken, und daß der Kern und die Außenhaut sodann als einteiliges Verbundbauteil aus dem Formhohlraum entnommen wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhaut auf die Oberfläche des Formhohlraums aufgelegt wird und daß der Formhohlraum geschlossen wird, bevor die schäumfähige Kunstharzmischung in flüssigem Zustand in den Formhohlraum eingespritzt wird.
26. Verfahren'nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die schäumfähige Kunstharzmischung ein thermoplastisches Kunstharz enthält und daß zumindest ein Teil des in dem Formhohlraum erzeugten Druckes von dem Einspritzdruck herrührt, mit dem die Mischung in den Formhohlraum und in dessen Verlängerungen befördert wird.

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27. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die schäumfähige Kunstharzmischung eine frisch zubereitete selbstschäumende Mischung enthält und daß zumindest ein Teil des in dem Formhohlraum erzeugten Drukkes von dem Druck herrührt, der durch das Aufschäumen der selbstschäumenden Mischung verursacht wird.
28. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet« daß die Außenhaut auf die Außenfläche eines vorgeformten Kerns aufgebracht wird« um ein Verbundbauteil zu bilden, und daß dieses Verbundbauteil in den Formhohlraum eingelegt wird, bevor dieser geschlossen wird.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern einen gleichförmigen Querschnitt aufweist und durch Strangpressen gebildet wird.

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