DE3030871A1 - Verfahren zur erzeugung eines faserverstaerkten verbundgegenstandes - Google Patents
Verfahren zur erzeugung eines faserverstaerkten verbundgegenstandesInfo
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Description
Verfahren zur Erzeugung eines faserverstärkten Verbundgegenstandes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines faserverstärkten Verbundgegenstandes.
Die Erfinder dieser Anmeldung haben ein Verfahren zur Erzeugung einer Schubstange aus faserverstärktem Verbundmaterial
für einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren wird zur Verstärkung des Bereiches um den kritischen
Querschnitt des Stangenabschnitts der Schubstange herum mit Fasern ein geformter Körper, der aus Bündeln von einheitlich
gerichteten anorganischen Pasern besteht, mit dem Stangenabschnitt
durch einen Quetschguß einteilig zusammengefügt, und zwar gleichzeitig mit dem Gießen der Schubstange.
Diese faserverstärkte Schubstange weist eine erhöhte Knickfestigkeit
und eine erhöhte Ermüdungsfestigkeit auf. Beispielsweise hat die faserverstärkte Schubstange Knickfestigkeiten
von 5500 kg und 8217 kg in der Rotationsrichtung bzw. in einer zur Rotationsrichtung senkrechten Richtung gemäß
Messung bei einer Temperatur von 200° C. Diese Knickfestigkeiten sind beachtlich hoch im Vergleich zu denen bei einer
herkömmlichen homogenen Schubstange, die aus Aluminiumlegierung besteht, und deren Knickfestigkeit 4906 kg und 3867 kg
in den entsprechenden Richtungen beträgt.
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Die Erfinder haben eine weitere Untersuchung dieser faserverstärkten
Schubstange mit erhöhter mechanischer Festigkeit angestellt und sind zu folgenden Ergebnissen gelangt:
Hinsichtlich der Knickfestigkeit in der zur Rotationsrichtung
der Schubstange senkrechten Richtung ist die Verstärkung durch Fasern an einem Verstärkungsrippenabschnitt wirksam,
der von der Achse der Schubstange entfernt ist, und die Verstärkung durch Fasern an dem Mittelabschnitt ist nicht so
wirksam. Ferner beginnt ein Ermüdungsbruch wahrscheinlich in dem Bereich nahe der Rippe, so daß die Verstärkung durch
Fasern bei der Rippe auch zur Vermeidung der Entstehung und Ausbreitung von Ermüdungsbrüchen wirksam ist.
Um dieses Erfordernis zu erfüllen, ist es nötig, die Zahl der angewandten Fasern und folglich die Konzentration der Fasern
im Rippenbereich zu erhöhen. Dies führt aber zu einer Zunahme der Fasern in dem Bereich um die Achse der Schubstange herum
und damit zu folgenden Problemen:
1. Wenn bei dem Quetschguß der geformte Faserkörper mit einem geschmolzenen Metall unter hohem hydrostatischen Druck gefüllt
wird, wird das Füllen sowohl in Richtung der Fasern als auch in einer Richtung senkrecht zu den Fasern bewirkt. Das Füllen
in der Richtung senkrecht zu den Fasern wird äußerst erschwert, wenn die Zahl der Fasern vergrößert wird.
2. Die Vergrößerung der Anzahl Fasern bewirkt, daß die Wärmekapazität
der Fasern als ganzes zunimmt. Außerdem gibt es nur einen geringen Vorwärmeffekt. Aus diesen Gründen wird das
geschmolzene Metall rasch abgekühlt (abgeschreckt), was den Füllvorgang nachteilig beeinflußt.
3. Obwohl es zutrifft, daß die Festigkeit des Verbundmaterials durch Erhöhung der Anzahl von Verstärkungsfasern erhöht wird,
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ist es vom Standpunkt der Herstellkosten aber vorzuziehen, nur die Abschnitte des Querschnitts zu verstärken, welche die
Verstärkung zur Vermeidung des Knickens und Brechens aufgrund von Ermüdung benötigen.
Unter diesen Umständen ist ein Gegenstand der Erfindung die Vermeidung der oben beschriebenen Probleme des Standes der
Technik durch Schaffung eines Verfahrens zur Erzeugung eines faserverstärkten Verbundgegenstandes, bei welchem die Verstärkungsfasern
nur angewandt werden, wo sie benötigt werden, wobei der Füllvorgang verbessert wird.
Dieserund andere Gegenstände der Erfindung werden erfüllt
durch Schaffung eines Verfahrens zur Erzeugung eines faserverstärkten Verbundmaterials, das dadurch gekennzeichnet ist,
daß ein geformter Faserkörper vorbestimmter Gestalt aus anorganischen Fasern gebildet wird, daß ein rohrförmiges Teil in
den geformten Faserkörper eingesetzt wird, das wenigstens ein offenes Ende und eine Vielzahl von Verbindungslöchern entlang
seiner Länge aufweist, und daß eine geschmolzene Matrixlegierung sowohl von der Außenseite des geformten Körpers als
auch von der Innenseite des geformten Körpers durch das rohrförmige
Teil hindurch durch Quetschguß eingefüllt wird, um dadurch den Verbundgegenstand zu bilden.
Die anorganischen Fasern sind metallische Fasern mit hoher Elastizität und hoher Festigkeit wie zum Beispiel Fasern aus
rostfreiem Stahl, Kohlefasern oder eine Garn- oder Kristallfaseranordnung aus keramischen Fasern wie zum Beispiel aus
Siliziumkarbid. Die Fasern sind vorzugsweise in einer Richtung gebündelt durch ein geeignetes V-orformverfahren und werden
als ein geformter Faserkörper gehandhabt. Andere Verfahren wie zum Beispiel Weben, Stricken oder Wickeln können auch verwendet
werden.
Die Legierung wird in dieser Anmeldung als Matrixlegierung
bezeichnet, da die Fasern durch Quetschguß in die Legierung eingebettet werden.
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Um das Gewicht zu vermindern und Arbeit zu sparen, werden leichte Legierungen wie Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen
und dgl. vorzugsweise als Matrix legierung verwendet.
Es ist ferner vorzuziehen, das rohrförmige Teil aus einem Material herzustellen, welches in der geschmolzenen Matrixlegierung
aufgelöst und verteilt werden kann. Beispielsweise kann das rohrförmige Teil ein Aluminiumrohr sein mit einer
Vielzahl von Bohrungen, die in Längsrichtung angeordnet sind, oder einer durchgehenden Bohrung wie zum Beispiel einem
Schlitz. Es ist auch möglich, ein Rohr mit einer offenen Gitterwand zu verwenden sowie Rohre aus anderem metallischen
Material, welches eine Deckschicht des oben genannten Materials aufweist, die in der Matrixlegierung aufgelöst werden
kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
Figur 1 eine Schnittansicht längs der Linie I-I in Figur 2
einer Schubstange für einen Verbrennungsmotor, die gemäß dem Verfahren der Erfindung erzeugt worden
ist; und
Figur 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Figur 1«.
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Schubstange 1 für einen Verbrennungsmotor,
welche ein Faserbündel 2 enthält, beispielsweise aus einheitlich gerichteten Fasern aus rostfreiem
Stahl, die gebogen sind, um Beine 2a zu bilden, zwischen die ein Aluminiumrohr 3 eingelegt ist, das eine Dicke von etwa
2mm hat und eine Vielzahl von Verbindungsöffnungen 3a aufweist, die entlang seiner Länge angeordnet sind. Die Enden
des Rohres 3 sind offen. Die Anordnung des Faserbündels 2 und des Rohres 3 wird in einer (nicht gezeigten) Form angeordnet,
um die Schubstange zu bilden. Das Faserbündel 2 bildet einen kontinuierlichen geformten Faserkörper, der in Überein-
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Stimmung mit Verstärkungsrippen Ib des Stangenabschnitts la
der Schubstange 1 verläuft, und an dem entgegengesetzten Ende verläuft das Faserbündel 2 durch das kleine Ende Ic der
Schubstange.
Das Rohr 3 ist an einer axialen Stelle angeordnet, die der
Mitte des Stangenabschnitts la entspricht. Dann wird die Form mit einem Material (japanischer Industriestandard
AC 8B) als Matrixlegierung durch einen Quetschguß gefüllt, so daß die Schubstange mit Konzentrationen von Verstärkungsfasern bei der Verstärkungsrippe Ib des Stangenabschnitts la
und bei dem kleinen Ende Ic der Schubstange gebildet wird. Während des Gießens erfolgt die Beschickung der geschmolzenen
Matrixlegierung sowohl in der Längsrichtung des Faserbündels 2 als auch durch die Vielzahl von Verbindungslöchern 3a des
Rohres 3 hindurch in einer zu dem Faserbündel 2 senkrechten Richtung. Die Verstärkungsrippe Ib mit der Konzentration von
Verstärkungsfasern 2 wirkt als konzentrische Verstärkung für den Stangenabschnitt la. Die Matrixlegierung, welche die
Schubstange bildet, füllt den Raum innerhalb des Rohres, um einen neutralen Kern zu bilden, der mit den Verstärkungsfasern
einteilig zusammengefügt ist.
Die Erfindung ist auch auf die Erzeugung anderer faserverstärkter Verbunderzeugnisse als der beschriebenen Schubstange
anwendbar.
Erfindungsgemäß wird in dem geformten Faserkörper durch das rohrförmige Teil ein Raum gebildetr so daß die geschmolzene
Matrixlegierung von diesem Innenraum in den geformten Faserkörper durch die Verbindungslöcher zugeführt werden kann, die
in der Wand des rohrförmigen Teiles ausgebildet sind. Auf diese Weise ist es möglich, diejenigen Abschnitte des Querschnitts
wirksam zu verstärken, die eine Verstärkung benötigen, während das rohrförmige Teil an einer Stelle angeordnet
wird, wo die Verstärkung mit Fasern zur Erhöhung der Knick-
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festigkeit und Ermüdungsfestigkeit des Erzeugnisses nicht erforderlich ist. Ferner wird die Anordnung des geformten
Faserkörpers in der Form erleichtert durch den Verstärkungseffekt, der durch Anordnen des rohrförmigen Teiles in dem
geformten Faserkörper erzielt wird. Das rohrförmige Teil bewirkt auch die Verhinderung einer Verdrehung oder Deformation
der Fasern in ihrer Längsrichtung.
Die Erfindung ist zwar in Verbindung mit einer besonderen Ausführungsform beschrieben worden; es leuchtet dem Fachmann
aber ein, daß zahlreiche Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Rahmen und Gedanken der Erfindung abzuweichen,
die in den Ansprüchen definiert sind.
Der Patentanwalt
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Dipi.-Ing. H. MITSCHERLICH
Dipl.-lng. K. GUNSCHMANN Dr. rer. nat. W. KÖRBER
Dipl.-I η g. J. SCHMIDT-EVERS
D-8000 MÜNCHEN 22 /7 O - Steinsdorfstraße 10
<g> (089) * 29 66 84
HONDA GIKEN KOGYO KABUSHIKI KAISHA 8-go, 27-ban, Jingumae 6-chome
Shibuya-ku
Tokio / Japan
Tokio / Japan
ART KINZOKU KOGYO KABUSHIKI
KAISHA
14-5, Ginza 6-chome, Chuo-ku Tokio / Japan
Verfahren zur Erzeugung eines faserverstärkten Verbundgegenstandes
ZUSAMMENFASSUNG
Verfahren zur Erzeugung eines faserverstärkten Verbundgegenstandes
, welches darin besteht, einen geformten Faserkörper vorbestimmter Gestalt aus anorganischen Fasern zu
bilden, in den geformten Faserkörper ein rohrförmiges Teil einzusetzen, das ein geöffnetes Ende und eine Vielzahl von
Verbindungslöchern aufweist, sowie eine geschmolzene .Matrixlegierung
durch Quetschguß von der Außenseite des geformten Faserkörpers und zusätzlich von der Innenseite des geformten
Faserkörpers durch das rohrförmige Teil einzufüllen. Der Gegenstand kann eine Schubstange eines Verbrennungsmotors
sein, und der geformte Faserkörper kann an einer Stelle gelegen sein, die einer Rippe zur Verstärkung der Schubstange
entspricht.
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Claims (13)
1. Verfahren zur Erzeugung eines faserverstärkten Verbundgegenstandes,
dadurch gekennzeichnet , daß eine Anordnung eines geformten Faserkörpers vorbestimmter
Gestalt aus anorganischen Fasern mit einem rohrförmigen Teil in dem geformten Faserkörper gebildet wird, das ein offenes
Ende und eine Vielzahl von Verbindungslöchern aufweist, und daß eine geschmolzene Matrix legierung durch Quetschguß von
der Außenseite des geformten Faserkörpers und zusätzlich von der Innenseite des geformten Faserkörpers durch das rohrförmige
Teil eingefüllt wird, um den Verbundgegenstand zu erhalten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Teil aus einem Material besteht, welches in
der geschmolzenen MatrixLegierung aufgelöst und verteilt werden
kann.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Teil eine behandelte Deckschicht aus einem
Material aufweist, welches in der geschmolzenen Matrixlegierung aufgelöst und verteilt werden kann.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verbundgegenstand eine Schubstange eines Verbrennungsmotors ist, wobei das rohrförmige Teil an
einer Stelle gelegen ist, die der Mitte eines Stangenabschnitts der Schubstange entspricht, und wobei der geformte Faserkörper
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an einer Stelle gelegen ist, die einer Rippe zur Verstärkung des Stangenabschnitts entspricht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrformige Teil über seine ganze Länge mit den Verbindungslöchern
versehen ist, um die geschmolzene Matrixlegierung von dem Inneren des rohrförmigen Teils in den geformten Faserkörper
durch die Verbindungslöcher hindurch gleichmäßig zu verteilen.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geformte Faserkörper mit parallelen Beinen versehen ist,
die sich über das rohrförmige Teil spreizen.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Glied den geformten Faserkörper vor und nach
dem Gießen stützt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung dadurch erzeugt wird, daß zunächst der geformte
Faserkörper gebildet wird und dann das rohrförmige Teil in den geformten Körper eingesetzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Teil entgegengesetzte Enden aufweist, welche
beide zur Aufnahme von geschmolzener Matrixlegierung unter Druck offen sind, um die Legierung durch die Verbindungslöcher
in den geformten Faserkörper abzugeben.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Teil die geschmolzene Matrixlegierung radial
durch die Verbindungslöcher und senkrecht zu den Fasern des geformten Körpers abgibt.
11. Faserverstärkter Verbundgegenstand, gekennzeichnet durch einen-Gußkörper, der einen einteilig geformten Faserkörper
enthält und einen länglichen Mittelbereich mit einer Achse
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aufweist, welcher einen Kern aus Gußmaterial längs der Achse aufweist, wobei der geformte Faserkörper um den Kern herum
positioniert und mit diesem vereinigt ist.
12. Verbundgegenstand nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch ein rohrförmiges Teil, das in den Kern integriert ist, und
mit welchem der fasergeformte Körper in Kontakt steht.
13. Verbundgegenstand nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Teil entlang seiner Länge mit Öffnungen
versehen ist.
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