DE3407230A1

DE3407230A1 - Mit einem aussengewinde versehenes, faserverstaerktes kunststoffelement und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3407230A1
Application number: DE19843407230
Authority: DE
Inventors: Kenji Kikuzawa; Yukio Moriyama Shiga Otaki
Original assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd; Asahi Kasei Kogyo KK
Current assignee: Asahi Kasei Corp; Asahi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1983-02-28
Filing date: 1984-02-28
Publication date: 1984-09-20
Also published as: FR2541621B1; FR2541621A1; DE3407230C2; US4623290A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein mit einem Aussengewinde versehenes, faserverstärktes Kunststoffelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein mit einem Aussengewinde versehenes, faserverstärktes Kunststoffelement, das einen Schaft und ein an der Aussenflache des Schafts angeformtes Gewinde aufweist. ._c Die innere Struktur dieses Elements zeichnet sich dadurch aus, dass die meisten der kunstharzimprägnierten Faserfäden, die innerhalb des Gewindes vorliegen und sich im wesentlichen in einer einen Querschnitt des mit einem Gewinde versehenen Elements einschliessenden Ebene erstrecken, so angeordnet sind, dass sie kontinuierlich vom und in seitlicher Richtung zum Schaft in das Gewinde verlaufen.

Metalle oder Metallegierungen, wie Eisen und rostfreier Stahl, werden im grossen Umfang als Ausgangsmaterialien _nc zur Herstellung von mit Gewinden versehenen Elementen, wie Bolzen und Muttern, verwendet. Metallbolzen und -muttern werden als Befestigungsmittel für verschiedenste Anwendungszwecke, angefangen von der Herstellung von Spielzeug bis zum Zusammenbau von grosstechnischen Anlagen, verwendet. Jedoch lassen sich bei der Verwendung von Metallbolzen und -muttern bestimmte ernste Probleme nicht vermeiden. Ein derartiges Problem liegt in der Korrosion. Metallbolzen und -muttern werden häufig in korrodierender Umgebung verwendet. Die Verwendung von Metallbolzen und -muttern in chemischen Anlagen, Anlagen zur Behandlung von Wasser oder Abwasser und dergleichen bringt oft ernste Gefahren mit sich. Ferner ist darauf hinzuweisen, dass Metallbolzen und -muttern zur Verwendung für mit Meerwasser in Berührung

-δι kommende Bauten, z.B. beim Schiffsbau, beim Bau νου künrtlichen Reefs und dergleichen, ungeeignet sind, da die Schrauben aufgrund des ständigen Kontakts mit dem Meerwasser zerstört werden. Eine weitere Hauptschwierigkeit liegt in der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit von Metallbolzen und -muttern. Es gibt eine Reihe von Anwendungsgebieten, bei denen man Bolzen und Muttern braucht, die thermisch und elektrisch nicht leitfähig sind. Spezielle Beispiele für derartige Anwendungsgebiete sind die Herstellung von schweren elektrischen Vorrichtungen oder Ausrüstungen und der Bau von elektrisch betriebenen Transportvorrichtungen, wie elektrische Lokomotiven, Zugwägen für Straßenbahnen und dergleichen. Für derartige Anwendungszwecke müssen Metallbolzen und -muttern mit einem isolierenden Material beschichtet werden. Jedoch haben sich die z.Zt. verwendeten isolierten Metallbolzen und -muttern in verschiedenen Belangen als unzureichend erwiesen.

Was die Verwendung von korrosionsbeständigen Metallen, die sich als Ausgangsmaterial für Bolzen und Muttern eignen, betrifft, ist es bekannt, dass Titan ein Metall darstellt, das eine relativ hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist. Aufgrund seines geringen spezifischen Gewichts gilt Titan als geeigneter Werkstoff zur Herstellung von Bolzen und Muttern. Jedoch ist Titan nicht nur teuer, sondern auch schlecht zu bearbeiten. Aus diesem Grund ist der Einsatz von Bolzen und Muttern aus Titan auf spezielle Anwendungsgebiete, beispielsweise auf die Luftfahrtindustrie, beschränkt. Was nicht-leitfähige Bolzen und Muttern betrifft, wurden im Zuge des raschen Fortschritts der keramischen Industrie in letzter Zeit Bolzen und Muttern aus keramischen Werkstoffen vorgeschlagen. Jedoch können bisher keine zufriedenstellenden Bolzen und Muttern aus keramischem Material hergestellt werden.

Um die Schwierigkeit mit der Korrosion zu überwinden, wurde die Herstellung von Bolzen und Muttern aus Kunstharzen vorgeschlagen. Derartige Kunstharzbolzen und -muttern weisen jedoch im

Vergleich zu entsprechenden Metallelementen eine geringe mechanische Festigkeit auf, so dass sie keinen echten Ersatz für Metallbolzen und -muttern auf den Anwendungsgebieten, bei denen es auf eine hohe mechanische Festigkeit ankommt, darstellen. Daher ist die Verwendung von Kunstharzbolzen und -muttern auf Gebiete beschränkt, bei denen die Korrosionsbeständigkeit eine starke Rolle spielt, aber die mechanische Festigkeit nicht wichtig ist.

Bei der Herstellung von schweren elektrischen Vorrichtungen oder Ausrüstungen, bei denen Bolzen mit hoher mechanischer Festigkeit und guten Isolierungseigenschaften erforderlich sind, wurden Bolzen aus faserverstärkten Kunststoffen (nachstehend auch als "FRP" abgekürzt) vorgeschlagen. Z.B.

wurde vorgeschlagen, einen FRP-Bolzen herzustellen, indem man eine Mehrzahl von Rovings von etwa 2000 bis etwa 10 Tex mit einem hitzehärtbaren Kunstharz imprägniert, die so erhaltenen kunstharzimprägnierten Rovings in eine Form einzieht, die kunstharzimprägnierten Rovings in der Form unter Bildung eines starren Stabs härtet und die Aussenfläche des starren Stabs mit einem Gewinde versieht. Derartige Bolzen lassen sich nicht mit Erfolg einsetzen. Dies ist auf den Nachteil zurückzuführen, dass das Gewinde durch Ausschneiden der äusseren Fläche des Stabs, der die kunstharzimprägnierten Rovings nur in Längsrichtung der Stabachse enthält, hergestellt wird. Dabei handelt es sich bei den Rovings, die innerhalb des Gewindes verbleiben um Faserfäden, die auf äusserst kurze Längen zugeschnitten worden sind und keine Verbindung mit den Rovings innerhalb des Schafts haben. Daher zeigt das Gewinde eine geringe mechanische Festigkeit und ist gegenüber Scherkräften, denen es ausgesetzt wird, nicht beständig.

Um die mechanische Festigkeit des Gewindes eines Bolzens 3E oder dergleichen auf ein gewünschtes Mass zu verbessern, wurde vorgeschlagen, mit einem Aussengewinde versehene FRP-Elemente herzustellen, indem man ein aus verstärkenden

-ΙΟΙ Fäden hergestelltes Garngewebe mit einem hitzehärt.baren Harz, z.B. einem Epoxyharz, imprägniert, das auf diese Weise imprägnierte Garngewebe in einer Form unter Bildung eines Stabs einer Hitzehärtung unterzieht und die Oberfläche des Stabs mit einem Gewinde versieht. Benötigt man beispielsweise ein mit einem Aussengewinde versehenes FRP-Element mit einem Durchmesser von mehr als etwa 20 bis 25 mm, so lässt sich ein derartiges Element herstellen, indem man ein Garngewebe mit einer Lösung eines hitzehärtbaren Kunstharzes in einem hierfür geeigneten Lösungsmittel imprägniert, das kunstharzimprägnierte Gewebe zur Entfernung des Lösungsmittels erwärmt, wodurch man eine halbgehärtete, im wesentlichen nicht-klebrige Folie (nachstehend als "Prepreg" bezeichnet) erhält, das Prepreg walzt, das gewalzte Prepreg in einer Form erwärmt und presst, wodurch man einen steifen Stab mit kreisförmigem Querschnitt erhält, und die Oberfläche des steifen Stabs mit einem Gewinde versieht. Die Herstellung eines mit einem Aussengewinde versehenen FRP-Elements mit einem Durchmesser von weniger als etwa 20 bis 25 mm kann folgendermassen erfolgen: Gemäss dem sog. Prepreg-Pressverfahren wird eine vorbestimmte Anzahl der vorstehend erwähnten Prepregs 1 auf die in Fig. 1 (A) (auf die nachstehend näher eingegangen wird) gezeigte Art gestapelt. Die gestapelten Prepregs werden durch Erwärmen erweicht und mit Hilfe einer mehrteiligen Form 2, wie in der nachstehend näher erläuterten Fig. 1 (B) gezeigt, unter Bildung eines Stabs 3 gepresst. Der auf diese Weise hergestellte Stab wird an seiner Aussenfläche mit einem Gewinde versehen, wodurch man ein mit einem Gewinde versehenes FRP-Element erhält. Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, dass die beiden erwähnten, mit einem Gewinde versehenen Elemente jeweils aus einem hitzegehärteten Kunstharz und einem Garngewebe bestehen, wobei das Garngewebe eine Mehrzahl von ersten Strängen von Faserfäden, die im wesentlichen parallel angeordnet sind und sich längs der Schaftachse erstrecken, und eine Mehrzahl von zweiten Strängen von Faserfäden, die im wesentlichen

parallel angeordnet sind und im wesentlichen senkrecht zu den ersten Strängen stehen, aufweist. Jedoch erstreckt sich bei Betrachtung eines Querschnitts senkrecht zur Schaftachre bei dem aus einem gewalzten Prepreg hergestellten Element mit Aussengewinde nur ein erster Strang von der Mitte des Schafts bis zum Gewinde, so dass im Gewindebereich die Verstärkungswirkung der Faserfäden des Stranges nicht erreicht werden kann. Andererseits liegen bei dem nach dem sogenannten Prepreg-Pressverfahren hergestellten Element mit Aussengewinde im wesentlichen nur in den beiden diametral gegenüberliegenden Bereichen des Elements mit Aussengewinde, die den Randbereichen der Formhälften der zweiteiligen Form entsprechen (vgl. Fig. 1 (B)) in konzentrierter Form zweite Stränge vor, die kontinuierlich vom und seitlich zum Schaft in das Gewinde verlaufen. Die faserverstärkende Wirkung der Faserfäden der Stränge im Gewindebereich ist somit im Vergleich zum erstgenannten Gewindeelement aus dem gewalzten Prepreg in gewissem Umfang verbessert. Jedoch erfordert bei der Herstellung der vorerwähnten Gewindeelemente die Bildung der Prepregs und die Verformung der Prepregs aufwendige Arbeitsgänge. Daher kostet die Herstellung derartiger Gewindeelemente im Vergleich zu herkömmlichen FRP-Gewindeelementen das 3- bis M-fache. Andererseits wurde vor kurzem die Herstellung eines Bolzens vorgeschlagen, zu dessen Herstellung ein Gewinde auf der Oberfläche eines Stabs mit Doppelstruktur hergestellt wird. Der Stab mit Doppelstruktur wird erhalten, indem man eine Mehrzahl von Glasfaserrovings von etwa 8000 Tex imprägniert, diese Mehrzahl von Glasfaserrovings durch eine geheizte Form zieht (pultruding) wodurch man einen Kernstab erhält, um den Kernstab eine Matte aus gehackten Strängen aus Glasfasern von 2,5 bis 5,1 cm (1-2 in) Länge wickelt und den erhaltenen, mit dem Faservlies umwickelten Kernstab der Pultrusion unterwirft oder verpresst, wodurch man einen Stab mit Doppelstruktur erhält. Daraus hergestellte Bolzen haben jedoch den Nachteil, dass zu ihrer Herstellung komplizierte Verfahren er-

forderlich sind und dass die auf diese Weise hergestellt';. Bolzen an der Verbindungsstelle zwischen dem Faservlies und dem Kernstab leicht auseinandergehen.

Daher besteht ein Bedarf an der Entwicklung von FRP-Elementen mit Aussengewinde, die eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit besitzen und leicht und billig herstellbar sind. Die Aufgabe der Erfindung ist demnach die Bereitstellung von derartigen mit einem Aussengewinde versehenen Elementen.

Erfindungsgemäss wurde festgestellt, dass FRP-Elemente mit Aussengewinde, deren mechanische Festigkeit gleich gross oder höher ist als bei nach dem vorerwähnten Prepreg-Pressverfahren hergestellten Elementen, auf einfache und billige Weise erhältlich sind, indem man eine Mehrzahl von kunstharzimprägnierten Garnbändern oder durch Zerschneiden von Garngewebe erhaltenen Bändern verwendet. Aus dem Stand der Technik ergeben sich keine Anhaltspunkte zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffstäben, indem man eine Mehrzahl von kunstharzimprägnierten, breiten Bändern in eine Form einzieht. Erfindungsgemäss gelang es überraschenderweise, eine Mehrzahl von kunstharzimprägnierten, breiten Bändern mit spezieller·Breite in eine Form einzuziehen und so einen faserverstärkten Kunststoffstab herzustellen. Aus diesem Stab lässt sich ein faserverstärktes Kunststoffelement mit Aussengewinde herstellen, das einen Schaft und ein an der Schaftoberfläche angeformtes Gewinde aufweist. Ein derartiges Element mit Aussengewinde weist insofern eine besondere Innenstruktur auf, als der Grossteil der kunstharzimprägnierten Faserfäden, die innerhalb des Gewindes vorliegen und sich im wesentlichen in einer einen Querschnitt des Gewindeelements einschliessenden Ebene erstrecken, kontinuierlich vom und seitlich zum Schaft in das Gewinde verläuft.

Die auf diese Weise hergestellten faserverstärkten Kunststoffelemente mit Aussengewinde erweisen sich in bezug auf

mechanische Festigkeit, elektrische Nichtleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit als ausgezeichnet. Diese Elemente sind leicht und billig herstellbar, so dass die entsprechenden Verfahren eine hohe Produktivität gewährleisten.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Εε zeigen:

Fig. 1 (A) einen schematischen senkrechten Querschnitt einer zweiteiligen Form mit einer Mehrzahl von darin befindlichen Prepregs, wobei die beiden Formhälften voneinander getrennt sind;

Fig. 1 (B) einen schematischen senkrechten Querschnitt, der den Zustand zeigt, wenn die Prepregs von Fig. 1 (A) zu einer Mehrzahl von Stäben verformt sind, wobei diese Figur in Kombination mit Fig. 1 (A) das herkömmliche Prepreg-Pressverfahren erläutert;

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemässen Elements mit Aussengewinde;

Fig. 3 einen teilweisen Querschnitt längs der Linie I-I von Fig. 2, wobei der obere und untere Teil weggelassen sind;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffstabs, der zu einem erfindungsgemässen Element mit Aussengewinde verarbeitet werden kann; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung der Zugfestigkeit eines Elements mit Aussengewinde.

Gegenstand der Erfindung ist ein mit einem Aussengewinde versehenes, faserverstärktes Kunststoffelement mit einem Schaft und einem an der Aussenseite des Schafts angeformten Gewinde, das dadurch gekennzeichnet ist,

- dass der Schaft und das Gewinde jeweils eine Mehrzahl von kunstharzimprägnierten Garnbändern oder kunstharzimprägnierten, durch Zerschneiden von Garngewebe erhaltenen Bändern aufweist, die sich längs der Schaftachse erstrecken, wobei mindestens einige der Bänder jeweils in den Bereichen, die den durch die Gewinderippen gebildeten Zwischenräumen entsprechen, herausgeschnitten sind,

- dass die kunstharzimprägnierten Garnbänder oder durch Zerschneiden von Garngewebe erhaltenen Bänder jeweils aus einem hitzegehärteten Kunstharz' und einem länglichen Gewebe bestehen, wobei das Gewebe eine Mehrzahl von ersten Strängen, die im wesentlichen parallel angeordnet sind und sich längs der Schaftachse erstrecken, und eine Mehrzahl von zweiten Strängen, die im wesentlichen parallel angeordnet sind und im wesentlichen in senkrechter Richtung zu den ersten Strängen stehen, aufweist, wobei die ersten und zweiten Stränge die Kettfäden bzw. Schussfäden des Gewebes darstellen und jeder Strang eine Mehrzahl von Faserf.äden aufweist,

- dass das längliche Gewebe eine Breite, gemessen zwischen den beiden aussen an den Längsseiten des Gewebes liegenden Kettfäden, von etwa dem 0,2- bis etwa 3-fachen des maximalen Durchmessers des mit einem Gewinde versehenen Elements aufweist und

- dass das Gewinde Bereiche mit den zweiten Strängen auf-

weist, von denen es sich bei den meisten um solche Strangbereiche handelt, die sich kontinuierlich vom Schaft in das Gewinde erstrecken und die innerhalb des Gewindes enden.

Der Ausdruck "Garnband" bezieht sich auf ein Garngewebe, das in Form eines Ha η df. gewebt ist. Der Ausdruck "durch Zerschneiden von Garnpewebe erhaltenes Band" bezieht sich auf ein Band, das durch Zerschneiden eines in Tuchform gewebten Gewebes zu einer Mehrzahl von Bändern erhalten worden ist. Beide Arten von Bändern werden nachstehend auch als "längliche Gewebe" bezeichnet.

Wie bereits erwähnt, zeigen die Figuren 2 und 3 einen schematischen Querschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemässen Elements mit Aussengewinde bzw. einen partiellen Querschnitt entlang der Linie I-I von Fig. 2, wobei der obere und untere Teil weggelassen sind. Die Bezugszeichen U und 5 bezeichnen ein längliches Gewebe bzw. ein hitzegehärtetes Kunstharz. Zumindest ein Teil des länglichen Gewebes ist jeweils in den Bereichen, die den zwischen den Gewinderippen gebildeten Zwischenräumen entsprechen, herausgeschnitten, wie in Fig. 3 dargestellt ist.

Die Bezugszeichen 6 und 7 bezeichnen erste bzw. zweite Stränge. Die ersten und zweiten Stränge stellen die Kettfäden bzw. Schussfäden des länglichen-Gewebes dar. Wie in Fig. 3 gezeigt, sind die ersten Stränge im wesentlichen parallel angeordnet und erstrecken sich längs der Achse des Schafts (b). Die zweiten Stränge sind im wesentlichen parallel angeordnet und stehen in im wesentlichen senkrechter Richtung zu den ersten Strängen. Ein Gewindebereich (a) umfasst Teile der zweiten Stränge. Wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt, handelt es sich bei den meisten Bereichen der zweiten Stränge um solche Strangbereiche, die kontinuierlich vom und seitlich zum Schaft in das Gewinde verlaufen und im Gewinde enden. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen, mit einem Aussengewinde versehenen, faserverstärkten Kunststoffelements liegen die vorerwähnten Strangbereiche, die kontinuierlich vom Schaft in das Gewinde verlaufen und im Gewinde enden, kontinuierlich oder diskontinuierlich innerhalb des Gewindes entlang des Gewindeumfangs in den jeweils

einer Gewindeteilung entsprechenden Bereichen vor, mit der Massgabe, dass es innerhalb des Gewindes keinen Bereich gibt, In dem kontinuierlich über eine Länge von 20 Prozent oder mehr, bezogen auf die Umfanglänge des Gewindes in dem jeweiligen, einer Gewindeteilung entsprechenden Bereich, keine derartigen Strangbereiche vorliegen. Ob es innerhalb des Gewindes einen Bereich gibt, in dem kontinuierlich über eine Länge von 20 Prozent oder mehr, bezogen auf die Umfanglänge des Gewindes an dem jeweiligen, einer Gewindeteilung entsprechenden Bereich, keine derartigen Strangbereiche vorliegen, kann folgendermassen bestimmt werden. Das mit einem Aussengewinde versehene Element wird in Querrichtung längs der Umfanglinie, die den Scheitelbereich einer bestimmten Gewindeteilung einschliesst, so aufgeschnitten, dass die Schnittfläche sichtbar wird. Diese Schnittfläche wird mittels eines Mikroskops betrachtet, wobei sich die Art der Anordnung der zweiten Stränge (Schussfäden) feststellen lässt. Im Querschnitt kreuzen die Bereiche der zweiten Stränge innerhalb des Gewindebereichs, die sich kontinuierlich vom Schaftbereich in den Gewindebereich erstrecken und innerhalb des Gewindebereichs enden, den inlaginären Grenzkreis-zwischen dem Gewindebereich und dem Schaftbereich. Man findet 2 benachbarte zweite Stränge, die zumeist voneinander getrennt sind. Die beiden benachharten zweiten Stränge kreuzen den vorerwähnten imaginären ,Grenzkreis an den Punkten (oC) bzw. (ß). Der Abstand auf dem imaginären Grenzkreis zwischen den Punkten (oC ) und (&) wird als Winkel (θ°) gemessen. Dieser Winkel ist definiert durch die Verbindungsgerade zwischen dem Punkt (oC) und dem Mittelpunkt (c) des Schaftbereichs und die Verbindungsgerade zwischen dem Punkt (ß) und dem Mittelpunkt (c). Unter Anwendung der Formel θ°/360° χ 100 lässt sich feststellen, ob der Abstand auf dem imaginären Grenzfcreis zwischen den Punkten (Od) und (ß) 20 Prozent oder mehr, bezogen auf den Umfang des imaginären Grenzkreises, beträgt oder nicht. Auf diese Weise wird ermittelt, ob es innerhalb des Gewindes einen Bereich gibt oder nicht,

-πι in dem kontinuierlich über eine Länge von 20 Prozent oder mehr, bezogen auf die Umfanglänge des Gewindes im jeweiligen, einer Gewindeteilung entsprechenden Bereich, keine derartigen Strangbereiche vorliegen. 5

Die Breite der länglichen Gewebe liegt jeweils im Bereich von etwa dem 0,2- bis etwa 3-fachen und vorzugsweise dem 0,2- bis 2-fachen des maximalen Durchmessers des Elements mit Aussengewinde. Der Ausdruck "Breite" des länglichen Gewebes bedeutet die zwischen den beiden aussen an den Längsseiten des Gewebes liegenden Kettfaden gemessene Breite. Liegt die Breite des länglichen Gewebes ausserhalb des vor- ■ erwähnten Bereichs, so erhält man Produkte, deren physikalische Eigenschaften, wie Zugfestigkeit und dergleichen, einer unerwünscht breiten Verteilung unterliegen. Handelt es sich beim länglichen Gewebe um ein durch Zerschneiden eines Garngewebes erhaltenes Band mit einer Breite von weniger als 0,5 cm, so kommt es zu einer Lockerung der Schussfäden ,'.so dass diese ihre Funktion als Schussfäden nicht mehr erfüllen. Daher beträgt aus praktischen Gesichtspunkten die Breite von länglichen Geweben, die durch Zerschneiden von Garngeweben erhalten worden sind, 0,5 cm oder mehr.

Wie vorstehend erläutert, bestehen die kusntharzimprägnierten Garnbänder oder kunstharzimprägnierten, durch Zerschneiden von Garngewebe erhaltenen Bänder, die das Element mit Aussengewebe darstellen, jeweils aus einem hitzegehärteten Kunstharz und einem länglichen Gewebe. Die einzelnen Stränge des länglichen Gewebes weisen eine Mehrzahl von Faserfäden auf. Die Art der Faserfäden ist nicht kritisch, jedoch werden im Hinblick auf die mechanische Festigkeit vorzugsweise solche Faserfäden verwendet, die eine Zugfestigkeit

von 100 bis 550 kg/mm und einen Spannungsmodul von 6000 bis ρ

""2O 000 kg/mm aufweisen. Beispiele für derartige Faserfäden sind Glasfaserfäden, Kohlenstoffaserfäden, Araraidfaserfäden, Borfaserfäden und Siliciumcarbidfaserfäden.

Beispielsweise weisen Glasfaserfäden einen Spannungsmodul von

ρ
etwa 7000 bis etwa 7500 kg/mm und eine Zugfestigkeit von

ρ
etwa 200 bis 350 kg/mm auf. Kohlenstoffaserfäden weisen einen

Spannungsnodul von etwa 20 000 bis 120 000 kg/mm und

2 eine Zugfestigkeit von etwa 200 bis 550 kg/mm auf.

Der Durchmesser der jeweiligen Faserfäden, die die ersten und zweiten Stränge bilden, sowie die Feinheit der ersten und zweiten Stränge, die das längliche Gewebe bilden, kann je nach der für die Elemente mit Aussengewinde erforderlichen mechanischen Festigkeit variieren. Wird ein längliches Gewebe aus Glasfaserfäden verwendet, kann der Durchmesser der einzelnen Glasfaserfäden im Bereich von etwa 3 bis 15 ym und vorzugsweise 6 bis 13 ^m liegen und die Feinheit der ersten und zweiten Stränge jeweils 2 bis 150 Tex und vorzugsweise 5 bis 13,5 Tex betragen. Wird ein längliches Gewebe, aus Kohlenstoffaserfäden verwendet, kann der Durchmesser der einzelnen Kohlenstoffaserfäden von etwa 5 bis 15 pm variieren und die Feinheit der ersten und zweiten Stränge kann im Bereich von jeweils 20 bis 200 Tex liegen¹.

Die Dichte des länglichen Gewebes kann ebenfalls je nach der für das Element mit Aussengewinde erforderlichen mechanischen Festigkeit variieren. Bei Verwendung eines Ge-

ρ webes aus Glasfaserfäden beträgt die in g/m ausgedrückte Dichte des .länglichen Gewebes vorzugsweise 20 bis 500 g/m

2
und insbesondere 100 bis 300 g/m .

Erfindungsgemäss ist es wünschenswert, dass die Schussfäden des länglichen Gewebes zumindest auf einer Seitenkante desselben seitlich in einer Länge von etwa 1 bis etwa 10 mm und vorzugsweise von etwa Π bis etwa 5 mm gegenüber dem äussersten Kettfaden vorstehen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die vorerwähnten hervorstehenden Bereiche der Schussfäden der Gewebebänder eine Verfilzung in dem Element mit Aussengewinde hervorrufen, wodurch die mechanische

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Festigkeit des Gewindes erhöht wird. Beträgt die Länge der hervorstehenden Bereiche der Schussfäden mehr als 10 ram, so werden diese hervorstehenden Bereiche leicht in Längsrichtung des Gewindeelements gebogen. Die in Längsrichtung des Gewindeelements gebogenen, hervorstehenden Bereiche der Schussfäden wirken nicht mehr als Verstärkungsfäden und tragen nicht zu einer Verfilzung unter Verstärkung des Gewindebereichs bei.

Als hitzegehärtete Kunstharze können erfindungsgemäss z.B. Epoxyharze, ungesättigte Polyesterharze, wie Vinylesterharze, Epoxyacrylatharze, Phenolharze und dergleichen verwendet werden. Epoxyharze werden im Hinblick auf verschiedene erwünschte Eigenschaften, wie Klebefestigkeit, Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, elektrische Isolationseigenschaften und schrumpfungsfreies Härten, bevorzugt. Das Harz kann Additive, wie Härter, Härtungsbeschleuniger und dergleichen, enthalten. Beispiele für Härter sind Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid, Hexahydrophthalsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid, Tetrahydrophthalsäureanhydrid, Methoxyhexahydrophthalsäureanhydrid und dergleichen. Bei der Verwendung von Epoxyharzen können als Härter auch aliphatische Polyamine, wie Tetraäthylenpentamin und Tetraäthylentetramin, aromatische Polyamine und dergleichen verwendet werden.

Beispiele für Härtungsbeschleuniger sind Imidazolverbindungen, wie 1-Benzyl-2-methylimidazol und 2-Äthyl-4-methylimidazol. Als Härtungsbeschleuniger können auch 2,4,6-Tris-(dimethylaminomethyl)-phenol, Tetradecyldimethylbenzylammoniumchlorid und dergleichen verwendet werden.

Das Gewebe und das hitzegehärtete Harz sind im kunstharzimprägnierten Garnband oder kunstharzimprägnierten, durch Zerschneiden eines Garngewebes erhaltenen Band in einem Volumenverhältnis von 30/70 bis 6 5/35 und vorzugsweise von 45/55 bis 65/35 enthalten. Beträgt das Volumenverhältnis weniger als 30/70, so entsteht im Element mit Aussengewinde

ein harzreicher Bereich, go dass es leicht· ?.u Rj ssen im Element mit Aussengewinde kommt. Beträgt das Volumenverhältnis mehr als 65/35, ist es schwierig, kunstharzimprägnierte Garnbänder oder kunstharzimprägnierte, durch Zerschneiden von Garngewebe erhaltene Bänder in eine Form einzuführen.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Elements mit Aussengewinde, das einen Schaft und ein an der Aussenfläche des Schafts angeformtes Gewinde aufweist, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man

- eine Mehrzahl von Garnbändern oder durch Zerschneiden von Garngewebe erhaltenen Bändern, die jeweils aus einem länglichen Gewebe hergestellt sind, mit einem hitzehärtbaren Kunstharz imprägniert,

- wobei das längliche Gewebe eine Mehrzahl von ersten Strängen, die im wesentlichen parallel angeordnet sind und eine Mehrzahl von zweiten Strängen, die im wesentlichen parallel angeordnet sind und im wesentlichen senkrecht zu den ersten Strängen stehen, aufweist, wobei die ersten und zweiten Stränge die Kettfäden bzw. Schussfäden des Gewebes darstellen und jeder Strang eine Mehrzahl von Faserfäden aufweist,

- wobei das längliche Gewebe eine Breite, gemessen zwischen den beiden aussen an der Längsseite des Gewebes liegenden Schussfäden, von etwa dem 0,2- bis etwa 3-fachen des maximalen Durchmessers des mit einem Gewinde versehenen Elements aufweist, wodurch man kunstharzimprägnierte Garnbänder oder kunstharzimprägnierte, durch Zerschneiden von Garngewebe erhaltene Bänder erhält,

- die kunctharzimprägnierten Garnbänder oder kunstharzimprägnierten, durch Zerschneiden von Garngewebe erhaltenen Bänder in Längsrichtung in den hohlen Bereich einer länglichen Hohlform, die an einem Ende einen Einlass und am anderen Ende einen Auslass aufweist, einzieht, wobei sich dieser hohle Bereich entlang der gesamten Länge der Form vom Einlass bis zum Auslass erstreckt und einen kreisförmigen oder polygonalen Querschnitt aufweist, wobei man die Form erwärmt, wodurch der hohle Bereich der Form mit den kunstharzimprägnierten Bändern gefüllt wird,

- das Harz der kunstharzimprägnierten Bänder im hohlen Bereich der Form härtet, wodurch ein Stab aus den Bändern und dem hitzegehärteten Harz entsteht, dessen Querschnitt dem Querschnitt des hohlen Bereichs entspricht,

- den Stab aus der Form entfernt und - die Umfangsfläche des Stabs mit einem Gewinde versieht.

Wie bereits erwähnt, ist Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Stabs, der zu einem erfindungsgemässen Element mit Aussengewinde verarbeitet werden kann. Eine Mehrzahl von Garnbändern oder durch Zerschneiden von Garngewebe erhaltenen Bändern 8, die sich in aufgespulter Form auf einem Spulengestell befinden, wird abgewickelt und über eine kammartige Führung 10 in ein Kunstharzbad 12 eingeführt. Die Bänder werden in ein flüssiges, hitzehärtbares Harz 11 im Kunstharzbad 12 getaucht, wodurch man kunstharzimprägnierte Garnbänder oder kunstharzimprägnierte, durch Zerschneiden von Garngewebe erhaltene Bänder (beide Arten von Bändern werden nachstehend häufig einfach als "kunstharzimprägnierte Bänder" bezeichnet) erhält. Bei Verwendung von durch Zerschneiden von Garngewebe erhaltenen Bändern wird das Garngewebe mittels einer Längsschneidemaschine,

die mit einem scheibenförmigen Carbidschneider ausgerüstet ist, oder mit einer Laserstrahl-Längsschneidemaschine zerschnitten. Die Viskosität des Kunstharzes kann 0,1 bis Poise und vorzugsweise 1 bis 5 I'oise betragen. Die auf diese Weise erhaltenen kunstharzimpräfnierten Bänder werden über eine weitere kammartige Führung 13 in den hohlen Bereich einer länglichen Hohlform 14 gezogen, wobei die Form erwärmt wird. Die längliche Hohlform weist an einem Ende einen Einlass und am anderen Ende einen Auslass auf. Der hohle Bereich erstreckt sich über die gesamte Länge der Form vom Einlass bis zum Auslass und weist einen kreisförmigen oder polygonalen Querschnitt auf. Somit wird der hohle Bereich der Form mit den kunstharzimprägnierten Bändern gefüllt.

Wie bereits erwähnt, kann der Querschnitt des hohlen Bereichs der Form kreisförmig oder polygonal sein. Im Fall eines polygonalen Querschnitts werden viereckige, fünfeckige, sechseckige oder höhere polygonale Querschnitte bevorzugt.

Die Anordnung der kunstharzimprägnierten Bänder vor dem Einziehen in die Form ist nicht kritisch, vorausgesetzt, dass sie in Längsrichtung in die Form gezogen werden. Die gebräuchlichste Anordnung besteht darin, dass man eine Mehrzahl der kunstharzimprägnierten Bänder aufeinander legt. Vorzugsweise können die kunstharzimprägnierten Bänder so angeordnet werden, dass sie in 4 Gruppen jeweils gleicher Menge unterteilt und die 4 Bändergruppen so angeordnet werden, dass 2 Paare dieser Gruppen jeweils gegenüberliegen, so dass sich ein Viereck bildet. Werden die kunstharzimprägnierten Bänder in einer solchen Anordnung in die Form gezogen, so lässt sich daraus ein Element mit Aussengewinde herstellen, das in bezug auf Oberflächenbeschaffenheit und Verdrehungsfestigkeit verbessert ist.

Wie vorstehend erwähnt, liegen das Gewebe und das hitzegehärtete Harz in den das Gewindeelement bildenden kunstharz-

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imprägnierten Bändern ir. einem Volumenverhältnis von 30/70 bis 65/35 vor. Um ein derartiges Volumenverhältnis von Gewebe zu hitzegehärtetrn Harz im Element mit Aussengewinde zu erreichen, kann man -in Verfahren anwenden, bei dem das Gewichtsverhältnis der zu verwendenden unimprägnierten Bänder zu einem gewünschten Stab mit vorbestimmtem Durchmesser und vorbestimmter Länge so eingestellt werden, dass das Gewindeelement das vorerwähnte Volumenverhältnis aufweist. Die Beziehungen zwischen dem Gewichtsverhältnis und dem Volumenverhältnis werden nachstehend angegeben.

Die Anzahl der zur Herstellung eines Stabs verwendeten kunstharzimprägnierten Bänder ist nicht kritisch und kann je nach Breite und Dichte des Gewebes und dem Durchmesser des gewünschten Stabs variieren. Im allgemeinen kann die Anzahl der kunstharzimprägnierten Bänder etwa 20 bis etwa 200 betragen.

Wie vorstehend erwähnt, haben die unimprägnierten Bänder jeweils eine Breite (gemessen zwischen den beiden aussen an den Längsseiten des länglichen Gewebes liegenden Kettfäden) von etwa dem 0,2- bis etwa 3-fachen des maximalen Durchmessers des gewünschten Gewindeelements. Die Dichte des länglichen Gewebes im unimprägnierten Band kann etwa 20 bis etwa 800 g/m betragen. Die Feinheit der das längliche Gewebe bildenden Stränge kann etwa 2 bis etwa 4000 Tex betragen.

Nachstehend wird wieder auf Fig. 4 Bezug genommen. Die überschüssige Menge an Kunstharz in den kunstharzimprägnierten Bändern wird vor dem Einziehen der kunstharzimprägnierten Bänder in den hohlen Bereich der Form ausgepresst. Der Auspressvorgang kann am Einlass 18 oder in einem beliebigen Bereich zwischen dem Harzbad und der Form durchgeführt werden. Wird der Auspressvorgang am Einlass der Form vorgenommen, weist der Einlass 18 der Form vorzugsweise eine konisch zulaufende Innenwand auf, wie in Fig.

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gezeigt, so dass die überschüssige Menge an Kunstharz leicht ausgepresst wird. Gleichzeitig mit dem Auspressen der überschüssigen Kunstharzmenge werden die in den kunstharzimprägnierten Bändern enthaltenen Blasen entfernt. 5

Die Härtung des Harzes in den kunstharzimprägnierten Bändern wird im Formhohlraum durchgeführt, indem man die Form etwa 5 Minuten oder mehr und vorzugsweise 10 bis 12 Minuten auf etwa 100 bis 18O⁰C und vorzugsweise auf etwa 110 bis 130⁰C erwärmt. Die Form kann von aussen oder von innen erwärmt werden. Nach dem Härten des Kunstharzes entsteht ein aus den Bändern und dem hitzegehärteten Kunstharz bestehender Stab, dessen Querschnitt dem Querschnitt des Formhohlraums entspricht.

Der Stab wird aus der Form entnommen und anschliessend an seiner Umfangsfläche mittels eines Schneideisens oder einer Drehbank mit einem Gewinde versehen.

Gemäss einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens kann der Stab absatzweise hergestellt werden, wobei die vorerwähnten Verfahren jeweils wiederholt werden.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemassen Verfahrens erfolgt die Härtung des Kunstharzes in den kunstharzimprägnierten Bändern während der Zeit, in dem die kunstharzimprägnierten Bänder den Formhohlraum durchlaufen, wodurch es möglich ist, den Stab kontinuierlich herzustellen. In diesem Fall wird das Einziehen der kunstharzimprägnierten Bänder in den Formhohlraum kontinuierlich durchgeführt, indem man den Stab aus dem Auslass des Formhohlraums in einer Geschwindigkeit von 8 bis 25 cm/min und vorzugsweise von 10 bis 12 cm/min mittels einer Zugvorrichtung 17, die mit Quetschwalzen 16 aus Kautschuk ausgerüstet ist, herauszieht, wie in Fig. H gezeigt. Beispiele für Zugvorrichtungen, die anstelle der vorerwähnten Vorrichtung verwendet werden können, sind Raupenzugvorrichtungen, die

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mit einem Paar an gleiskettenartigen Vorrichtungen, zwischen denen der Stab gehalten werden kann, versehen sind, sandwichartige Zugvorrichtungen, die mit einem Paar Quetschwalzen, zwischen denen der Stab gehalten werden kann, versehen sind, und Zugvorrichtungen, die mit einem Spannfutter, in dem der Stab festgehalten werden kann, versehen sind. Wie in Fig. 4 gezeigt, kann sich die Zugvorrichtung 17 in einer bestimmten Entfernung von der Form 14 befinden, wodurch eine dazwischenliegende Kühlzone 15 entsteht.

Der kontinuierlich erhaltene Stab wird auf vorbestimmte Längen zugeschnitten. Dieser kontinuierlich erhaltene starre Stab kann vor oder nach dem Zerschneiden einer Nachhärtung unterzogen werden. Temperatur- und Zeitbedingungen der Nachhärtung variieren je nach Art des hitzehärtbaren Kunstharzes, des Härtungsmittels und des Härtungsbeschleunigers.

Der auf diese Weise erhaltene starre Stab wird an seiner Umfangfläche mit einem Gewinde versehen.

Das vorerwähnte Verfahren zur kontinuierlichen Bildung eines länglichen Stabs wird als Pultrusionsverfahren bezeichnet. Beim Pultrusionsverfahren variiert die Länge der Form in Abhängigkeit von der Dauer der Hitzehärtung des Harzes und der Zuggeschwindigkeit. Aus praktischen Erwägungen beträgt die Länge der Form etwa 1 bis 2 m und vorzugsweise 1,2 bis 1,8 m. Beim vorerwähnten absatzweisen Verfahren variiert die Länge der Form in Abhängigkeit von der Länge des gewünschten Elements mit Aussengewinde. Bei beiden Verfahren kann es sich um eine Form mit einstückiger Struktur oder um eine mehrteilige Form, die aus einzelnen Formteilen, vorzugsweise Formhälften, besteht, handeln.

Wie sich aus den vorstehenden Ausführungen ergibt, ist das erfindungsgemässe, mit einem Aussengewinde versehene, faserverstärkte Kunststoffelement mit einer Mehrzahl von ersten Strängen, die im wesentlichen parallel zueinander angeord-

net sind und sich längs der Schaftachse des Elements mit Aussengewinde erstrecken, und einer Mehrzahl von zweiten Strängen, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind und im wesentlichen in senkrechter Richtung zu den ersten Strängen stehen, verstärkt. Das Gewinde weist Bereiche von zweiten Strängen auf, von denen es sich bei den meisten um solche Strangbereiche handelt, die kontinuierlich vom und seitlich zum Schaft in das Gewinde, verlaufen und innerhalb des Gewindes enden. Daher ist die Verstärkungswirkung der zweiten Stränge im Gewindebereich beträchtlich, was dem Gewindebereich des Elements mit Aussen gewinde eine hohe Scherfestigkeit verleiht.

Das mit einem Aussengewinde versehene, faserverstärkte Kunststoffelement der Erfindung kann leicht hergestellt werden, indem man einen Stab, der aus einer Mehrzahl von kunstharzimprägnierten Bändern hergestellt ist, mit einem Gewinde versieht. Der Stab aus den kunstharzimprägnierten Bändern lässt sich leicht erhalten, indem man die kunstharzimprägnierten Bänder in einer Form ohne Vorbehandlungsschritte, wie Vorhärtung, Stapeln und dergleichen, einer Hitzehärtung unterzieht, was nicht nur zu einer starken Verringerung der Herstellungskosten sondern auch zu einer erheblichen Produktivitätssteigerung führt. Spezielle Beispiele für Elemente mit Aussengewinde sind Bolzen, Schrauben und dergleichen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Beispiele näher erläutert.

Das Gewichtsverhältnis von Gewebe zu hitzegehärtetem Harz lässt sich in einem Element mit Aussengewinde nach folgendem Verfahren messen. Ein Element mit Aussengewinde wird einer Hitzebehandlung unterzogen, um das hitzegehärtete Harz abzubrennen. Die Hitzebehandlung wird unter solchen Temperaturbedingungen durchgeführt, dass zwar das hitzegehärtete Harz abbrennt, jedoch das Gewebe unverändert ver-

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bleibt. Nach dem Abbrennen de:; hitzegehärteten Harzes wird das Gewebe gewogen. Der prozentuale Anteil des Gewebes im Element mit Aussengewinde lässt sich nach folgender Gleichung berechnen:

G = ■ χ 100 (%)■
G : Anteil des Gewebes in Gewichtsprozent

Wj: Gewicht des Elements mit Aussengewinde w : Gewicht des Gewebes.

Der prozentuale Anteil des hitzegehärteten Harzes im Element mit Aussengewinde lässt sich nach folgender Gleichung berechnen:

ww

R ₌ I g x 100 (%)

^WI
R : Anteil des hitzegehärteten Harzes in Gewichtsprozent

W_x, W : vgl. vorstehende Definition. ^X ^g

Wie bereits erwähnt, sind das Gewebe und das hitzegehärtete Harz im Element mit Aussengewinde in einem Volumenverhältnis von 30/70 bis 6 5/35 vorhanden. Die Umwandlung von Gewichtsprozent in Volumenprozent kann nach folgender Gleichung durchgeführt werden:

_{G =} TOP .? _r-0w

G : Anteil des Gewebes in Volumenprozent

ο : spezifisches Gewicht des Gewebes

η : spezifisches Gewicht des hitzegehärteten Harzes

- 28 Beispiel und Vergleichsbeispiel

Glasfaser-Garngewebe (Handelsprodukt der Asahi-Schwebel Co., Ltd., Japan) wird mittels einer NS-Längsschneidemaschine (Handelsbezeichnung einer mit einem Carbidschneider ausge-

rüsteten Längsschneidemaschine der Nishimura Seisakusho, Japan) zu 50 Bändern mit einer Breite von 1,0 cm und einer

ρ Länge von 200 m zerschnitten. Die Dichte beträgt 210 g/cm .

Diese Bänder werden aufgespult und in einem Spulenhalter untergebracht. Diese Bänder werden sodann nach Durchlaufen einer kammartigen Führung in ein Kunstharzbad gezogen und in die in dem Kunstharzbad befindliche Kunstharzmasse getaucht. Die Kunstharzmasse besteht aus 50 Gewichtsteilen AER 331 (Handelsbezeichnung für ein Epoxyharz der Asahi Kasei Kogyo K.K.), 50 Gewichtsteilen D.E.R. 438 (Handels-

bezeichnung eines Epoxyharzes der Dow Chemical Company, V.St.A.), 75 Gewichtsteilen Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid als Härter und 5 Gewichtsteilen 2-Ä'thyl-4-methylimidazol als Härtungsbeschleuniger. Die Imprägnierung der durch Zerschneiden des Garngewebes erhaltenen Bänder mit

der Kunstharzmasse im Harzbad wird 3 Minuten lang durchgeführt, wodurch man kunstharzimprägnierte Gewebebänder erhält. Diese werden aus dem Kunstharzbad entnommen, in 10 Gruppen von jeweils 5 kunstharzimprägnierten Gewebebändern

eingeteilt und gleichzeitig gruppenweise durch entsprechende 26

Ausnehmungen einer weiteren kammartigen Führung geführt.

Nach Durchlaufen dieser Ausnehmungen verfestigen sich die in 10 Gruppen eingeteilten, kusntharzimprägnierten Gewebebänder. Sie werden so angeordnet, dass sie aufeinander liegen. Die so angeordneten kunstharzimprägnierten Gewebe-

° bänder werden in den Hohlraum (mit kreisförmigem Querschnitt) einer Hohlform eingezogen. Die Hohlform wird durch 2 elektrische Heizplatten zwischen denen die Form gehalten wird, auf 130 C erwärmt. Bevor die auf diese Weise angeordneten, kunstharzimprägnierten Gewebebänder in die Form gelangen,

wird die überschüssige Kunstharzmenge von den Gewebebändern am Einlass der Form ausgepresst. Bei der Form handelt es sich um eine zweiteilige Form mit 2 Formhälften. Der Durch-

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messer des hohlen Bereichs beträgt 1?,f.. mm und dessen Länge 1 m. Die Härtung der kunstharzimpragnierten Bänder in der Form wird in der Zeit durchgeführt, in derr: sie den Formhohlraum durchwandern. Auf diese Weise erhält man kontinuierlich einen länglich geformten Stab. Dieser Stab wird am Auslass der Form mit einer Geschwindigkeit von 12 cm/min herausgezogen. Das Einziehen der kunstharzimprägnierten Bänder in die Form und das Herausziehen des Stabes aus der Form erfolgt mittels einer Zugvorrichtung, die mit Quetschwalzen aus Gummi, zwischen denen der Stab festgehalten wird, ausgerüstet ist. Die Zugvorrichtung befindet sich in einem Abstand von 2 m von der Form, wodurch eine Abkühlzone entsteht. Der erhaltene längliche Stab wird in kurze Stabstücke mit einer Länge von jeweils 15 cm zerschnitten. Die zerschnittenen Stabstücke werden 3 Stunden bei 120⁰C und anschliessend 5 Stunden bei 150⁰C nachgehärtet. Man erhält starke Stabstücke, die nachstehend als "Stab A" bezeichnet werden.

Die auf diese Weise erhaltenen starren Stabstücke werden auf ihren Umfangflächen mittels eines Gewindeschneideisens (M12 (standardisierte Grosse gemäss japanischer Industrienorm B 0205), Teilung 1,75 mm) für einen Eisenbolzen mit einem Gewinde versehen, wodurch man einen M12-Bolzen erhält. An einem derartigen Bolzen wird auf die vorstehend beschriebene Weise der Anteil an Gewebe und hitzegehärtetem Harz ermittelt. Bezogen auf das Gesamtgewicht des Bolzens ergibt sich ein Anteil von 65 Gewichtsprozent Gewebe und 35 Gewichtsprozent hitzegehärtetem Harz.

Zu Vergleichszwecken werden M12-Bolzen (Teilung 1,75 mm) mit einer Länge von 15 cm aus einem Rundstab hergestellt, der gemäss dem Prepreg-Pressverfahren (Handelsprodukt der Shinmei Raito Kogyo K.K., Japan) (nachstehend als "Stab B" bezeichnet) unter Verwendung des vorerwähnten Gewindeschneideisens erhalten wird.

An jeweils 5 Bolzen wird die Zugfestigkeit unter Verwendung der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung auf folgende Weise bestimmt. Eine Messdose (nicht abgebildet) wird oberhalb der oberen Spannvorrichtung 19 angeordnet. Die obere Spannvorrichtung 19 und die untere Spannvorrichtung 19' werden in entgegengesetzter Richtung gezogen, so dass eine Zugkraft an den Bolzen 20 und die Muttern 21 und 21' (gleiche Muttern) über Beilagscheiben 22 und 22' angelegt wird. Die Zugkraft wird so lange gesteigert, bis es zu einem Abscheren des Gewindes des Bolzens kommt oder der Bolzenschaft bricht. Die Belastung, bei der es zum Bruch des Gewindes oder des Bolzenschafts kommt wird mittels der Messdose gemessen.

Die zur Bestimmung der Zugfestigkeit der Bolzen verwendeten Muttern werden folgendermassen hergestellt.

24 Glasfaserstränge mit einer Feinheit von 2009 Tex (Nr. 1062-15, Handelsprodukt der PPG Industries, Inc., V.St.A.) werden in ein Kunstharzbad mit einem Gehalt an 100 Gewichtsteilen AER 354 (Handelsbezeichnung für ein Epoxyharz der Asahi Kasei Kogyo K.K. Japan), 75 Gewichtsteilen HN 2200 (Handelsbezeichnung für Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid der Hitachai Chemical Co., Ltd., Japan) als Härtungsmittel und 2 Gewichtsteilen ATC-3 (Handelsbezeichnung für N-(4'-Methoxybenzyliden)-4-alkylanilin mit 4 bis 7 Kohlenstoffatomen im Alkylrest, Handelsprodukt der ICI Japan Ltd., Japan) als Härtungsbeschleuniger gezogen, wobei die Stränge mit dem Kunstharz imprägniert werden. Die einzelnen Stränge werden aus dem Bad entnommen und durch eine Carbid düse mit einem Durchmesser von 1,26 mm geleitet, wodurch die Menge des vom Strang transportierten Kunstharzes auf 23 + 1 Prozent, bezogen auf das Gesamtgewicht aus Kunstharz und Strang, eingestellt wird. Anschliessend werden die Stränge einer kammartigen Führung und einer auf einem Querschütten angeordneten halbkreisförmigen Führung zu einem Band von 6,4 cm Breite vereinigt. Das Band wird gleichmassig in zwei unterschiedlichen Richtungen auf einen ro-

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tierenden, zylindrischen Dorn mit einem Durcrrr<c-..i:rer von 92 cm und einer Länge von 18O cm in einem 3tt,irunr?winkel von 85° aufgespult, wodurch auf der Dornoberfläche eine Schicht aus kunstharzimprägnierten Strängen entsteht. Die Strangschicht wird sodann entlang der Längsachse des Dorns geschnitten, so dass man eine faserverstärkte Kunstharzplatte, die aus 2 sich voneinander in der Aufspulrichtung unterscheidenden Strangarten besteht, erhalten wird. Diese Platte lässt man 8 Stunden bei ¹IO⁰C stehen, so dass der Zustand des Harzes in der Platte in den B-Zustand übergeführt wird. Die Platte wird sodann in mehrere Stücke der Abmessungen 30 χ 30 cm aufgeschnitten. 3 Stücke werden in einer auf 125°C aufgeheizten Form mit einem Formhohlraum von 30 cm Länge, 30 cm Breite und 5 cm Tiefe so gestapelt, dass die beiden, sich in der Aufspulrichtung unterscheidenden Strangarten des in der Mitte angeordneten Plattenstücks so orientiert sind, dass sie zu den entsprechenden Strängen der beiden anderen Stücke in senkrechter Richtung stehen. Anschliessend wird 1 Stunde bei einem Druck von 2
kg/cm gepresst. Man erhält eine Verbundplatte. Die Dicke dieser Platte beträgt 16,0 mm. 2 quadratische Stücke (22 χ 22 mm) werden aus dieser Verbundplatte herausgeschnitten. Die beiden Stücke werden mittels eines Bohrers mit einer Bohrung versehen, wodurch eine zentrale Bohrung, die sich in Axialrichtung erstreckt, entsteht. Die Innenfläche der Bohrung wird jeweils mittels einer Gewindebohrvorrichtung mit einem Gewinde versehen, so dass ein Gewinde entsteht, das zur Aufnahme eines M12-Bolzens (Teilung 1,75 mm) geeignet ist. Auf diese Weise erhält man 2 Muttern.

Bezüglich der Herstellung der Muttern wird auf die am gleichen Tag eingereichte Patentanmeldung mit dem Titel "Mit einem Innengewinde versehenes, faserverstärktes Kunststoffelement und Verfahren zu dessen Herstellung" verwiesen.

Die Untersuchungsergebnisse sind in nachstehender Tabelle zusammengestellt.

	Bolzen aus Stab A	TfA'	Zugfestigkeit (Tonnen)	Bruchbereich
		Probe Nr.	1,98 1,98 2,25 2,00	Gewinde des Bolzen? I! ti Il
ndung		1 2 3 H	2,15 2,07	Il
Erfi	Bolzen aus	5 Mittelwert	2,17	Bolzenschaft
	Stab B	1	2,22 2,19	Il Gewinde des Bolzens
χ; ο		2 3	2,19	Bolzenschaft
■Η Q)		4	2,10	Il
faO U.	5	2,17	—
Q) >	Mittelwert

Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, dass ein Element mit Aussengewinde mit einer für praktische Anwendungszwecke ausreichenden physikalischen Festigkeit leicht hergestellt werden kann, indem man einen Stab, der aus einer Mehrzahl von kunstharzimprägnierten Bändern erhalten worden ist, mit einem Gewinde versieht. Das erfindungsgemässe Element mit Aussengewinde kann im Vergleich zum herkömmlichen Prepreg-Verfahren, bei dem nicht nur eine Verfahrensstufe zur Herstellung der Prepreg-Folien, sondern auch eine Verfahrensstufe zum Stapeln einer Mehrzahl von Prepreg-Folien erforderlich sind, unter wesentlich geringerem Kostenaufwand hergestellt werden.

' 33- - Leerseite -

Claims

Ι'ΛΊΙ-N'J ANWALT i:

STREIIL SCH ÜBEL HOPF SCHULZ

WIDENMAYKKSTHASvSE 17. D-8000 MÜNCHEN 22

DIPL. ING. PETER STREIlL DIPL.-CHEM. DR. URSULA SCHUBEL HOPF O D1PL.-PHYS. DR. RÜTGER SCHULZ

AUCH RECHTSANWALT HEl DEN LANDGERICHTEN MÜNCHEN I UND I!

ALSO EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

TELEFON (089) 223911 TELEX 5214036 SSSM D TELECOPIER (089) 223915

DEA-13 889

Mit einem Aussengewinde versehenes, faserverstärktes Kunststoffelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Patentansprüche

P^v \

V1. Mit einem Aussengewinde versehenes, faserverstärktes Kunststoffelement mit einem Schaft und einem an der Aussenflache des Schafts angeformten Gewinde, dadurch gekennzeichnet,

- dass der Schaft und das Gewinde jeweils eine Mehrzahl von kunstharzimprägnierten Garnbändern oder kunstharzimpragnierten, durch Zerschneiden von Garngewebe erhaltenen Bändern aufweist, die sich längs der Schaftachse erstrecken, wobei mindestens einige der Bänder jeweils in den Bereichen, die den durch die Gewinderippen gebildeten Zwischenräumen entsprechen, herausgeschnitten sind,

- dass die kunstharzimpragnierten Garnbänder oder kunstharzimprägnierten, durch Zerschneiden von Garngewebe erhaltenen Bänder jeweils aus einem hitzegehärteten

3b Harz und einem länglichen Gewebe bestehen, wobei das Gewebe eine Mehrzahl von ersten Strängen, die im wesentlichen parallel angeordnet sind und sich längs der

Schaftachse erstrecken, unc eine M<hrzshl von zweiten Strängen, die im wesentlichen parallel angeordnet sind und im wesentlichen senkrecht zu den ersten Strängen stehen, aufweist, wobei die ersten und zweiten Stränge die Kettfaden bzw. Schussfäden des Gewebes darstellen und jeder Strang eine Mehrzahl von Faserfäden aufweist,

- dass das längliche Gewebe eine Preite, gemessen zwischen den beiden aussen an den Längsseiten des Gewebes liegenden Kettfaden, von etwa dem 0,2- bis etwa 3-fachen des maximalen Durchmessers des mit einem Gewinde versehenen Elements aufweist und

- dass das Gewinde Bereiche mit den zweiten Strängen aufweist, von denen es sich bei den meisten um solche Strangbereiche handelt, die sich kontinuierlich vom Schaft in das Gewinde erstrecken und die innerhalb des Gewindes enden.

2. Mit einem Aussengewinde versehenes, faserverstärktes Kunststoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strangbereiche, die sich kontinuierlich vom Schaft in das Gewinde erstrecken und innerhalb des Gewindes enden, kontinuierlich oder diskontinuierlich innerhalb des Gewindes entlang der Peripherie des Gewindes in den Bereichen, die jeweils einer Gewindeteilung entsprechen, vorliegen, mit der Massgabe, dass im Gewinde kein Bereich vorhanden ist, in dem kontinuierlich über eine Länge von 20 Prozent oder mehr, bezogen auf die Umfangslänge des Gewindes in dem jeweils einer Gewindeteilung entsprechenden Bereich, keine derartigen Strangbereiche vorliegen.

3. Mit einem Aussengewinde versehenes, faserverstärktes Kunststoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe und das hitzegehärtete Harz im kunstharzimprägnierten Garnband oder kunstharzimprägnier-

ten, durch Zerschneiden von Garngewebe erhaltenen Band jeweils in einem Volumenverhältnis von 30/70 bis 65/35 vorhanden ist.

^. Mit einem Aussengewinde versehenes, faserverstärktes Kunststoffelement, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunstharz aus der Gruppe Epoxyharze, ungesättigte Polyesterharze, Epoxyacrylatharze und Phenolharze ausgewählt ist.
10

5. Mit einem Aussengewinde versehenes, faserverstärktes Kunststoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserfäden jeweils eine Zugfestigkeit von

100 bis 550 kg/mm² und einen Spannungsmodul von 6000 bis

120 000 kg/mm aufweisen.

6. Mit einem Aussengewinde versehenes, faserverstärktes Kunststoffelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserfäden aus der Gruppe Glasfaserfäden, Aramidfaserfäden, Kohlenstoffaserfäden, Borfaserfäden und Siliciumcarbidfaserfäden ausgewählt sind.

7. Mit einem Aussengewinde versehenes, faserverstärktes Kunststoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schussfäden des länglichen Gewebes mindestens an einer Seitenkante des Gewebes in bezug zum äussersten Kettfaden in einer Länge von etwa 1 bis etwa 10 mm seitlich vorstehen.

8- Verfahren zur Herstellung eines mit einem Aussengewinde versehenen, faserverstärkten Kunststoffelements, dadurch gekennzeichnet, dass man

- eine Mehrzahl von Garnbändern oder durch Zerschneiden von Garngewebe erhaltenen Bändern, die jeweils aus einem länglichen Gewebe hergestellt sind, mit einem hitzehärtbaren Kunstharz imprägniert,

- wobei das längliche Gewebe eine Mehrzahl von ersten Strängen, die im wesentlichen parallel angeordnet sind, und eine Mehrzahl von zweiten Strängen, die im wesentlichen parallel angeordnet sind und im wesentlichen senkrecht zu den ersten Strängen stehen, aufweist, wobei die ersten und zweiten Stränge die Kettfaden bzw. Schussfäden des Gewebes darstellen und jeder Strang eine Mehrzahl von Faserfäden aufweist,

- wobei das längliche Gewebe eine Breite, gemessen zwischen den beiden aussen an der Längsseite des Gewebes liegenden Schussfäden, von etwa dem 0,2- bis etwa 3-fachen des maximalen Durchmessers des mit einem Gewinde versehenen Elements aufweist, wodurch man kunstharzimprägnierte Garnbänder oder kunstharzimprägnierte, durch Zerschneiden von Garngewebe erhaltene Bänder erhält,

- die kunstharzimprägnierten Garnbänder oder kunstharzimprägnierten, durch Zerschneiden von Garngewebe erhaltenen Bänder in Längsrichtung in den hohlen Bereich einer länglichen Hohlform, die an einem Ende einen Einlass und am anderen Ende einen Auslass aufweist, einzieht, wobei sich dieser hohle Bereich entlang der gesamten Länge der Form vom Einlass bis zum Auslass erstreckt und einen kreisförmigen oder polygonalen Querschnitt aufweist, wobei man die Form erwärmt, wodurch der hohle Bereich der Form mit den kunstharzimprägnierten Bändern gefüllt wird,

- das Harz der kunstharzimprägnierten Bänder im hohlen Bereich der Form härtet, wodurch ein Stab aus den Bändern und dem hitzegehärteten Harz entsteht, dessen Querschnitt dem Querschnitt des hohlen Bereichs entspricht,

- den Stab aus der Form entfernt und

- die Umfangsfläche des Stabs mit einem Gewinde versieht.
5

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Härtung des Kunstharzes der kunstharzimprägnierten Bänder durchgeführt wird, während die kunstharzimprägnierten Bänder durch den hohlen Bereich der Form wandern, wodurch der Stab kontinuierlich gebildet werden kann.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Einziehen der kunstharzimprägnierten Bänder in den hohlen Bereich der Form kontinuierlich durchgeführt wird, indem man den länglichen starren Stab aus dem Auslass des hohlen Bereichs in einer Geschwindigkeit von 8 bis 25 cm/min herauszieht.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass man den kontinuierlich erhaltenen länglichen Stab auf vorbestimmte Längen abschneidet, bevor der starre Stab an den Umfangsflächen mit einem Gewinde versehen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass man den Stab nach dem Entfernen aus der Form einer Nachhärtung unterzieht.

13. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man das hitzehärtbare Kunstharz aus der Gruppe Epoxyharze, ungesättigte Polyesterharze, Epoxyacrylatharze und Phenolharze auswählt.

I¹I- Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserfäden eine Zugfestigkeit von 100 bis

ρ
550. kg /mm und einen Spannungsmodul von 6000 bis ,120

ρ
kg/mm aufweisen.

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15. Verfahren nach Anspruch 1*1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Faserfäden aus der Gruppe· Gl arfar.crfäden, Araraidfaserf a'den , Kohlenstoffaserfäden, Borf anerfäden und Siliciumcarbidfaserfäden auswählt.

16. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schussfäden des länglichen Gewebes zumindest an einer Gewebekante seitlich in bezug auf den äussersten Kettfaden in einer Länge von etwa 1 bis etwa mm vorstehen.

17. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Form um eine mehrteilige Form mit Formhälften handelt.