DE2705336A1 - CARBON FIBER REINFORCED SCREW - Google Patents
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Description
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SlGRI ELEKTROGRAPHIT GMBH Meitingen, den ' I S:"; :')''SlGRI ELEKTROGRAPHIT GMBH Meitingen, the ' I S: ";:') ''
Kohlenstoffaserverstärk te SchraubeCarbon fiber reinforced screw
Die Erfindung betrifft eine Schraube aus einem Kohleni'.toffasern enthaltenden Verbundwerkstoff.The invention relates to a screw made from a carbon fiber containing composite.
Zur kraftschlüssigen Verbindung von Elementen aus einem durch Kohlenstoffasern verstärkten Verbundwerkstoff und zum Verbinden dieser Elemente mit Konstruktionsteilen aus einem anderen Werkstoff sind Schrauben bekannt geworden, die aus einem durch Kohlenstoffasern verstärkten Werkstoff bestehen. Man hat derartige Schrauben bisher dadurch hergestellt, daß man zunächst Platten oder Zylinder aus einem die Kohlenstoffasern in einer im wesentlichen unidirektionaler Orientierung enthaltenden Verbundwerkstoff anfertigte und die Schrauben aus diesen Körpern herausarbeitete, wobei Λΐύ Schraubenlängsachsu mit der Richtung der Kohlenstoffasern zusammenfällt. Schrauben mit einer derartigen Faserorientierung weis(:ii beträchtliche Zug- und Biegefestigkeiten auf, da d:<_ Scherfestigkeit jedoch verhältnismäßig klein ist, bred ι '"sonders Gewinde von Schrauben mit einer Kohlenstoffmatrix bereits beim Bearbeiten an der Oberfläche aus und einzelne Gewindegänge werden unter Last leicht abgeschert.For the frictional connection of elements made of a composite material reinforced by carbon fibers and for connecting these elements to structural parts made of a different material, screws have become known which consist of a material reinforced by carbon fibers. So far, such screws have been produced by first making plates or cylinders from a composite material containing the carbon fibers in an essentially unidirectional orientation and working the screws out of these bodies, where the length of the screw coincides with the direction of the carbon fibers. Screws with such a fiber orientation have considerable tensile and flexural strengths, since d: <_ shear strength, however, is relatively small, but threads of screws with a carbon matrix already on the surface during machining and individual threads become under Load easily sheared off.
Zur Veroesserung der Scherfestigkeit von Verbundwerkstoffen ist or, bekannt, z.B. Platten oder Rohre in gleichmäßigen,To improve the shear strength of composite materials is or, known, e.g. plates or pipes in uniform,
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um einen Winkel versetzten Lagen zu wickeln. Aus diesen Körpern herausgearbeitete Schrauben können insbesondere auch im Gewindebereich eine größere Scherfestigkeit aufweisen, jedoch auf Kosten der Zug- und Biegefestigkeit, deren Minderung im allgemeinen nicht zugelassen werden kann.to wrap layers at an angle. From these Screws carved out of bodies can have a greater shear strength, especially in the thread area have, but at the expense of tensile and flexural strength, the reduction of which is generally not permitted can be.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Aufrechterhai tung der hohen Zug- und Biegefestigkeit die Scherfestigkeit von Schrauben aus einem kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoff zu verbessern.The invention is based on the object, while maintaining the high tensile and flexural strength Shear strength of screws made from a carbon fiber reinforced Improve composite material.
Die Aufgabe wird mit einer Schraube der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die in einer Matrix verteilten Kohlenstoffasern im Schraubenkern in Richtung der Schraubenlängsachse angeordnet sind und im Gewinde in einem spitzen Winkel zur Längsachse verlaufen.The object is achieved with a screw of the type mentioned in that the in a matrix distributed carbon fibers in the screw core towards are arranged on the longitudinal axis of the screw and extend in the thread at an acute angle to the longitudinal axis.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Winkel gleich dem Steigungswinkel des Gewindes. Die Matrix des Verbundwerkstoffs besteht nach der Erfindung vorzugsweise aus Kohlenstoff. Andere geeignete Matrixwerkstoffe sind beispielsweise härtbare Kunstharze, wie Epoxidharze und Phenolformaldehydharze. Unter dem Begriff Kohlenstoffasern werden nach der Erf liidung ebenfalls Graphitfasern verstanden, die aus K(jh lens tof fasern durch einen thermischen Prozeß hergestellt werden. Erfindungsgemäße Schrauben sind schließlich nicht auf besondere Gewindeformen und -Steigungen beschränkt.According to a preferred development of the invention, the angle is equal to the pitch angle of the thread. According to the invention, the matrix of the composite material preferably consists of carbon. Other suitable Matrix materials are, for example, curable synthetic resins such as epoxy resins and phenol-formaldehyde resins. According to the invention, the term carbon fibers is also understood to mean graphite fibers which consist of K (jh lens tof fibers produced by a thermal process will. Finally, screws according to the invention are not limited to special thread shapes and pitches.
in Schrauben gemäß der Erfindung sind die Vorteile eines Verbundwerkstoffs mit unidirektional angeordneten Ver-in screws according to the invention are the advantages of a composite material with unidirectional arranged
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:; l.'irkuriq:;! auorri unci eines mehrere gegeneinander vernetzte Faserlagen enthaltenden Werkstoffs vereinigt, wobei der Schraubenkern bevorzugt Zug- und Biegespannungen und die Gewindegänge Scherspannungen aufnehmen, wodurch bei ungeschmälerter Zug- und Biegefestigkeit des Schraubenkerns eine wesentlich höhere Scherfestigkeit der Gewindegänge erreicht wird.:; l.'irkuriq:;! auorri unci one of several networked against each other Combined material containing fiber layers, the screw core preferably tensile and bending stresses and the threads absorb shear stresses, which results in undiminished tensile and flexural strength of the screw core, a significantly higher shear strength of the thread turns is achieved.
Als Verstärkungsfasern für erfindungsgemäße Schrauben sind besonders Kohlenstoff- oder Graphitfasern mitAs reinforcing fibers for screws according to the invention are especially carbon or graphite fibers with
einer Reißfestigkeit y 2 kN/mm geeignet, die gegebenenfalls nach einer die interlaminare Scherfestigkeit verbessernden Oberflächenbehandlung mit einem härtbaren Kvinstharz, wie z.D. Epoxid-, Furan- oder Phenolharz imprägniert und beschichtet, in Schichten ausgelegt und anschließend nach Trocknung und partieller Härtung des Harzes zu Platten oder zylindrischen Stäben verpreßt werden. Nach vollständiger Härtung der Harzmatrix, die zweckmäßigerweise im Temperaturbereich zwischen etwa 150 und 200°C vorgenommen wird, werden aus den etwa 40 - 70 Vol.% unidirektional geordnete Kohlenstoffasern enthaltenden Rohkörpern Zylinder herausgearbeitet, deren Durchmesser gleich dem Kerndurchmesser der jeweiligen Schraube ist; in dem gleichen Arbeitsgang kann in bekannter 'Weise der Schraubenkopf hergestellt werden. Nun wird auf den Kern im Wickelverfahren aus kunstharzimprägnierten Garnen oder Rovings eine aus mohroren Lagen bestehende Schicht bis zum gewünschten Außendurchmesser der Schrauben aufgezogen. Die Kohlenstoffasern verlaufen in dieser Schicht in einem spitzen Winkel zur Längsachse des Schraubenkerns, bevorzugt ent-a tear strength y 2 kN / mm, which is optionally impregnated and coated after a surface treatment to improve the interlaminar shear strength with a curable synthetic resin such as epoxy, furan or phenolic resin, laid out in layers and then after drying and partial hardening of the resin to form panels or cylindrical rods are pressed. After complete hardening of the resin matrix, which is expediently carried out in the temperature range between about 150 and 200 ° C, cylinders are machined from the raw bodies containing about 40-70% by volume of unidirectional carbon fibers, the diameter of which is equal to the core diameter of the respective screw; The screw head can be produced in the same operation in a known manner. Now a layer consisting of morose layers is drawn onto the core in a winding process made of synthetic resin-impregnated yarns or rovings up to the desired outer diameter of the screws. In this layer, the carbon fibers run at an acute angle to the longitudinal axis of the screw core, preferably at
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spricht der Winkel dem Steigungswinkel der Schraube. Nach Härtung des Harzes wird dann in bekannter Weise das Gewinde geschnitten.the angle speaks the pitch angle of the screw. After the resin has hardened, the thread is then cut in a known manner.
Zur Herstellung von Schrauben mit einer Kohlenstoffmatrix werden Schrauben, die eine Harzmatrix enthalten, zur Carbonisierung des Harzes in einer inerten Atmosphäre auf etwa 1000°C erhitzt. Da die Harzmatrix unter diesen Bedingungen schrumpft, ist im allgemeinen zur Korrektur der Maßänderungen eine Nacharbeitung erforderlich. Nach einem anderen Verfahren werden daher als Matrixmaterial für Schrauben aus kohlenstoffaserverstärk tem Kohlenstoff Stoinkohlenteerpechkokse verwendet. Die Kohlenstoffasern werden dabei mit einem Teerpech imprägniert, in Schichten ausgelegt und zu Platten oder zylindrischen Stäben verpreßt. Auf die Rohlinge werden nun nach entsprechender Bearbeitung aus pechimprägnierten Rovings oder Garnen mehrere Lagen aufgewickelt oder die Rohlinge werden zunächst carbonisiert und daran anschließend bearbeitet und mit Wickelschichten versehen. Im zweiten Fall ist eine zweite Erhitzung auf die Carbonisierungstemperatur erforderlich. Das Gewinde wird jeweils nach der letzten Carbonisierung geschnitten.For the production of screws with a carbon matrix screws containing a resin matrix are used to carbonize the resin in an inert atmosphere heated to about 1000 ° C. As the resin matrix shrinks under these conditions, correction is generally needed the dimensional changes require reworking. According to a different method are therefore used as the matrix material Used for screws made from carbon fiber reinforced carbon, coal tar pitch coke. The carbon fibers are impregnated with a tar pitch, laid out in layers and made into plates or cylindrical rods pressed. After appropriate processing, pitch-impregnated rovings or yarns are then applied to the blanks several layers are wound up or the blanks are first carbonized and then processed and provided with wrapping layers. In the second case there is a second heating to the carbonization temperature necessary. The thread is cut after the last carbonization.
Im folgenden werden anhand von Beispielen und einer Zeichnung Herstellung und Eigenschaften erfindungsgeinäßer Schrauben beschrieben.In the following, production and properties are described according to the invention by means of examples and a drawing Screws described.
Kohlenstoffaserrovings mit 10 000 Filamenten wurden zu Bändern ausgelegt, mit dem handelsüblichen Harzsystem Epikote R DX 210 / Epikure R DX 137 imprägniert, 30 min. bei einer Temperatur von 80°C getrocknet und in einerCarbon fiber rovings with 10,000 filaments were laid out to form ribbons, impregnated with the commercially available resin system Epikote R DX 210 / Epikure R DX 137, dried for 30 minutes at a temperature of 80 ° C. and in a
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Preßform unter einem Druck von 0,7 N/mm auf 140°C erhitzt. Aus dem Rohkörper, dessen Faseranteil ca. 60 Vol.% betrug, wurden Stäbe mit dem Querschnitt 10 χ 10 mm in Richtung des Faserverlaufs geschnitten und die Stäbe auf einen Durchmesser von 9 mm abgedreht. Hochfeste Kohlenstoffasern mit 3000 Filamenten, dieThe mold is heated to 140 ° C under a pressure of 0.7 N / mm. From the raw body, the fiber content of which was approx. 60 % by volume, rods with a cross section of 10 × 10 mm were cut in the direction of the fiber flow and the rods were turned to a diameter of 9 mm. High strength carbon fibers with 3000 filaments that
mit dem handelsüblichen Harzsystem Araldit LY 556 / MY 051 imprägniert waren, wurden dann unter einer um ei. 8j gegen die Zylinderachse geneigten Richtung aufgewickelt und in die Wickellagen nach einer Härtungszoit von 15 h ein Gewinde mit einem Steigungswinkel von 5 geschnitten. Die Biegefestigkeit des Schrau-were impregnated with the commercially available resin system Araldit LY 556 / MY 051, were then under a to ei. 8j wound against the cylinder axis inclined direction and in the winding layers after a hardening process a thread with a helix angle of 5 is cut after 15 hours. The flexural strength of the screw
2 benkerns betrug 1300 bis 1500 N/mm , die Biegefestig-2 core was 1300 to 1500 N / mm, the flexural strength
2 keit des Gewindes 450 bis 500 N/mm .2 speed of the thread 450 to 500 N / mm.
Unidirektional ausgelegte Kohlenstoffaser-Gewebebänder wurden in einer Preßform mit feingemahlenem, bei einer Temperatur oberhalb 180 C erweichenden Hartpech beschichtet und die Anordnung in einem Ofen auf etwa 300 C erhitzt und anschließend unter einem Druck von 0,7 N/mm verdichtet. Die Rohkörper wurden dann unter einem Druck von 25 bar auf 55O°C erhitzt, abgekühlt und zweimal mit einem Steinkohlenteerpech mit einem Erweichungspunkt von ca. 60 C imprägniert. Nach jedem Imprägnierungsschritt wurden die Körper unter Druck auf 55O°C und nach der zweiten Imprägnierung zur vollständigen Carbonisierung der Kohlenstoffmatrix drucklos auf ca. 1000°C erhitzt. Wie in Beispiel 1 beschrieben wurden aus dom Rohkörper zylindrische Stäbe her-'jCsteLLt, deren Vers tärkungsf asern parallel zur Längs-Unidirectional carbon fiber fabric tapes were coated in a press mold with finely ground hard pitch, which softened at a temperature above 180 C. and heating the assembly in an oven to about 300 C and then under a pressure of 0.7 N / mm compressed. The raw bodies were then heated to 550 ° C. under a pressure of 25 bar and cooled and twice impregnated with a coal tar pitch with a softening point of approx. 60 ° C. After every Impregnation step, the bodies were pressurized to 550 ° C and after the second impregnation to complete Carbonization of the carbon matrix heated to approx. 1000 ° C without pressure. As described in example 1 Cylindrical rods were made from the raw body, whose reinforcement fibers parallel to the longitudinal
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ai'hse dor Zylinder angeordnet waren. Hochfeste Kohlenstoffasern mit 3 000 Filamenten wurden dann unter einem Winkel von 85 trocken auf die zylindrischen Kerne aufgewickelt und die Schichten wie oben beschrieben mit Pech imprägniert, carbonisiert und das Gewinde geschnitten. Bei einem Faseranteil von ca. 60 Vol.% wiesen die Schrauben folgende Eigenschaften auf:ai'hse dor cylinders were arranged. High strength carbon fibers 3,000 filaments were then dry wound onto the cylindrical cores at an angle of 85 ° and the layers are impregnated with pitch, carbonized and the thread cut as described above. With a fiber content of approx. 60% by volume, the screws had the following properties:
modulElasticity
module
Wie in der Zeichnung schematisch verdeutlicht, verlaufen im Schraubenkern 1 die Kohlenstoffasern 2 parallel zur Schraubenlängsachse. Im Gewinde 3 folgen die Verstärkungsfasern der Gewindesteigung. Verglichen mit bekannten Schrauben aus einem Verbundwerkstoff ist dor Schraubenkern und damit die Festigkeit der Schraube unverändert, die Abscherfestigkeit der Gewindegänge ist wio das Vergleichsbeispiel zeigt jedoch wesentlich großer.As illustrated schematically in the drawing, the carbon fibers 2 run parallel in the screw core 1 to the longitudinal axis of the screw. The reinforcing fibers follow in thread 3 the thread pitch. Compared with known screws made of a composite material dor screw core and thus the strength of the screw unchanged, the shear strength of the thread turns however, is wio the comparative example shows essential greater.
Für die Abscherung eines Gewindegangs im Durchschnitt aufzuwendende Kraft:For shearing off a thread on average force to be used:
Matrix unidirektionale gewickelteMatrix unidirectional wound
Faserorientierung GewindegängeFiber orientation threads
Kunstharz 2 800 N 4 400 NResin 2,800 N 4,400 N
Kohlenstoff 500 N 850 NCarbon 500 N 850 N
PA 7 7/2 Dr. Wo/hau - 7 -PA 7 7/2 Dr. Where / home - 7 -
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ErI i ruJufKjr.qcmäße Schrauben zeichnen sich neben der qroßen Festigkeit durch eine vorzügliche Korrosionsbeständigkeit und Schrauben mit einer Kohlenstoffmatrix zusätzlich durch eine hohe thermische Stabilität aus. Die Schrauben eignen sich entsprechend besonders als Verbindung von Elementen aus Verbundwerkstoffen, Keramik, Kohlenstoff und Graphit, die besonderen thermischen und chemischen Belastungen ausgesetzt sind.ErI i ruJufKjr.qc screws stand out next to the Great strength thanks to excellent corrosion resistance and screws with a carbon matrix, thanks to their high thermal stability the end. The screws are particularly suitable as a connection between elements made of composite materials, Ceramic, carbon and graphite, which are exposed to particular thermal and chemical loads are.
J Patentansprüche
1 FigurJ claims
1 figure
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