DE3919770A1 - Lamelle fuer lichtblende - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lamelle zur Verwendung als Licht­ blende, von der gefordert ist, daß sie sich mit hoher Geschwin­ digkeit zu bewegen vermag. Beispiele dafür sind Verschlußlamel­ len eines Brennebenen-Verschlusses oder einer Objektivblende einer Kamera oder deren Membranblätter.

Bei derartigen lichtabschirmenden Lamellen werden nicht nur die Fähigkeit sehr schneller Bewegung, sondern auch geringe Betäti­ gungskraft und ausreichende Biegesteifigkeit gefordert.

Um diesen Erfordernissen zu genügen, muß eine lichtabschirmen­ de Lamelle geringes Gewicht, hohe Festigkeit und hohe Elastizi­ tät besitzen.

Demgemäß wurden Untersuchungen an einem Kunststoff-Flachstück vorgenommen, welches mit durchgehenden, in eine Richtung orien­ tierten Kohlefasern verstärkt ist (ein solches Plättchen soll im folgenden auch als CFRP-Lamelle oder -Plättchen [carbon fiber reinforced Plastic] bezeichnet werden), wobei erkannt wurde, daß ein durch Laminieren mehrerer solcher Blätter oder Lagen bei zueinander senkrechter Orientierung der Faserrich­ tungen erhaltenes Lamellenmaterial sich für lichtabschirmende, sehr schnell bewegbare Blätter oder Lamellen eignete im Hinblick auf Gewicht, Festigkeit und einfache Herstellung (siehe japani­ sche Patent-Offenlegungsschrift 61 827/1984).

Das Lamellenmaterial wird hergestellt durch Laminieren mehre­ rer Prepreg-Lagen (Verbundfolien), die Vorläufer von CFRP-La­ gen sind, wobei die Richtungen der Fasern zueinander senkrecht oder etwa senkrecht verlaufen, und durch anschließendes Härten des gesamten Laminats durch Erhitzen im gepreßten Zustand.

Die Prepreg-Lage wird dadurch erhalten, daß man durchgehende Kohlefasern in einer Richtung unter Bildung eines dünnen Plätt­ chens ausrichtet, die Kohlefasern mit einer bei wärmeaushärten­ den Kunstharzflüssigkeit, die ein Vorläufer eines Grundharzes ist (zum Beispiel handelt es sich um eine ungehärtete Flüssig­ keit aus Epoxyharz oder ungesättigtem Polyester) imprägniert und die Harzflüssigkeit in den sogenannten B-Zustand transfor­ miert, in welchem das Harz bereits verfestigt und nicht mehr dünnflüssig ist, jedoch abschließend durch Erwärmen ausgehär­ tet werden kann. Die Prepreg-Lage hat einen geringen Kunstharz­ anteil und das äußere Erscheinungsbild entspricht dem eines Bündels haarähnlicher Kohlefasern, die jeweils dünn mit einer klebstoffähnlichen Harzflüssigkeit überzogen sind.

Das Lamellenmaterial wird bearbeitet (zum Beispiel geschnitten und gebohrt), um eine vorbestimmte Form einer lichtabschirmen­ den Blende zu erhalten. Diese Blende benötigt nur geringe Betä­ tigungskraft, weist ausreichend Biegesteifigkeit auf und kann dennoch mit hoher Geschwindigkeit bewegt werden.

Die schnellaufende lichtabschirmende Blende oder Lamelle muß eine Dicke von nicht mehr als 0,12 mm haben und muß mit aus­ reichender Flachheit ohne Durchbiegen gefertigt werden. Zu­ sätzlich muß die Lamelle auch bei sich ändernden Umgebungsbe­ dingungen stabile Funktionsfähigkeit und Qualität aufweisen.

Allerdings wurde bei den herkömmlichen lichtabschirmenden Lamel­ len zu häufig festgestellt, daß sie sich bei ändernder Tempera­ tur und Feuchtigkeit verbiegen, auch wenn die Flachheit zu Be­ ginn zufriedenstellend erscheint.

Verwendet man derartige Lamellen in einem Verschluß einer Kamera, so kann ein Durchbiegen der Lamellen zu einem ungleichmäßigen Bewegungsablauf der Lamellen, zu Schwankungen der Verschlußge­ schwindigkeit, zu einem Abbrechen der Lamellen und zu einem Streulicht durch die Lücken zwischen den Lamellen kommen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die oben aufgezeigten Nachteile des Lamellenmaterials für lichtabschirmende Blenden aus CFRP- Material zu vermeiden und ein Lamellen- oder Plättchenmaterial bereitzustellen, welches eine ausreichende lichtabschirmende Wirkung gewährleistet, ausreichend flach ist und eine stabile Qualität auch bei Schwankungen unter verschiedenen Umgebungs­ bedingungen aufweist.

Das Formen der CFRP-Lage erfolgt im allgemeinen unter Wärme und Druck während 1-2 Stunden bei einer Temperatur von 120- 130°C in einer Warmpresse oder einem Autoklaven, jedoch zeigte ein so geformtes Lamellenmaterial beträchtliche Schwankungen in der Haltbarkeit, als ein Test mit einem Verschluß durchge­ führt wurde, der die aus solchem Lamellenmaterial hergestell­ ten lichtabschirmenden Elemente enthielt. Eine Untersuchung zeigte, daß die Ursache im Material selbst lag. Eine weitere Analyse ergab, daß die vorhandenen Schwankungen spezifisch für faserverstärkte Kunststoffplättchen sind, wobei derartige Schwankungen der Festigkeit verursacht werden durch eine Stö­ rung der Faseranordnung oder durch Schwankungen der inneren Spannungen, hervorgerufen durch Unterschiede bei der Vertei­ lung des Grundharzes.

Der Erfinder vermutete jedoch, daß gravierendere Probleme in dem Material selbst liegen und beschloß, den Härtungsvorgang des Grundharzes (matrix resin) zu messen. Der Härtungsvorgang läßt sich bewerten anhand der dielektrischen Eigenschaften, des dynamischen Fließverhaltens oder der im folgenden mit Tg abgekürzten Glasübergangstemperatur mittels thermischer Analyse, jedoch erwies sich eine direkte Auswertung des mehr als 50 Gew.-% durchgehende Fasern enthaltenden Harzmaterials als beträchtlich schwierig, und bei gewissen Auswerteverfahren waren beträcht­ liche Schwankungen im Ergebnis vorauszusehen. Die Erfinder nahmen die Tg-Messung mit Hilfe der Differential-Scan-Kalo­ rimetrie (DSC), thermomechanischer Analyse (TMA) und dynami­ scher Thermomechanometrie (DTA) vor. Dies führte zu der er­ folgreichen Ermittlung eines schwankungsfreien Tg-Werts durch strikte Steuerung und Beherrschung der Meßbedingungen. Die Glasübergangstemperatur kann man mit Hilfe von DTA oder DSC messen als Anderung der spezifischen Wärme, oder man kann die Messung mit Hilfe der TMA als Funktion des Wärmeausdehnungs­ koeffizienten oder der Erweichung vornehmen.

Der so gemessene Tg-Wert der geformten CFRP-Lagen schwankte in einem Bereich von 80-130°C. Für die Beeinflussung des Tg-Werts wurden verschiedene Faktoren in Betracht gezogen, darunter be­ stimmte Formungsbedingungen, wie zum Beispiel der Warmpress- Ablauf, bei der Formung verwendete Schablonen, der Einfluß von Hilfsmitteln, wie zum Beispiel eines Dämpfungsmittels oder eines Ablösemittels. Auch die Umgebungsbedingungen bei dem For­ men und gewisse Faktoren des Grundharzes haben Einfluß, zum Beispiel die Längenverteilung von Oligomeren in der Haupt­ komponente oder das Mischungsverhältnis verschiedener Kompo­ nenten, wie beispielsweise dem Härter.

Diese Situation änderte sich auch dann nicht, als Ruß zu dem Grundharz hinzugegeben wurde, um die Lichtabschirmfähigkeit zu verbessern. Die Ruß-Zugabe war wirksam, als die mittlere Par­ tikelgröße 0,07 µm nicht überstieg und die Menge 2-15 Gew.-% des Grundharzes betrug. Die gleiche Situation ergab sich auch bei einem Kohlefaseranteil im Bereich von 10-40 g/m² mit einem Kunstharzanteil in einem Bereich von 35-55 Gew.-%.

Auch zeigte sich, daß die Schwankungen des Tg-Werts daher stammten, daß die Dicke des Plättchens nur 60-120 µm be­ trug. Insbesondere hat es den Anschein, daß die Schwankungen aus dem speziellen Formungs-Ablauf resultieren, der darauf abzielt, eine extrem gute Flachheit für das dünne Plättchen­ oder Lamellenmaterial zu erzielen.

Weitere Untersuchungen ergaben, daß die oben erwähnten Nach­ teile in Beziehung stehen zu dem Tg-Wert des Grundharzes in dem geformten Produkt, und vermieden werden können, wenn Tg gleich oder höher als 120°C ist.

Wurde zum Beispiel als Grundharz Epoxyharz verwendet, so er­ höhte ein Tg-Wert von 100°C oder mehr die Vernetzungsdichte und verbesserte außerdem die Kratzfestigkeit und die Abrieb­ festigkeit der Verschlußlamellen, die aus einem derartigen La­ mellenmaterial hergestellt wurden.

Zur Verbindung der Verschlußlamelle oder der Lichtblende mit einem Antriebselement werden häufig Löcher in der Lamelle aus­ gebildet, um die Lamelle mit Klemmstiften zu fixieren. Dabei muß das Lamellenmaterial schlagfest und beständig gegen Loch­ erweiterung sein. Diese Eigenschaften wurden ebenfalls ver­ bessert und trugen bei zu einer Verbesserung der Lebensdauer von Verschlüssen aus solchem Material.

Die Erfindung schafft ein dünnes Plättchen oder eine Lamelle aus einem kohlefaserverstärkten Kunststofflaminat aus mehre­ ren verstärkten Kunstharzlagen, vorzugsweise 3 bis 5 Lagen, die bezüglich einer Ebene symmetrisch angeordnet sind, wobei jede der verstärkten Kunstharzlagen sich zusammensetzt aus durchgehenden Kohlefasern, die in einer Richtung orientiert sind, sowie einem Grundharz, welches die durchgehenden Fasern einhüllt. Das Grundharz hat eine Glasübergangstemperatur von mindestens 120°C, während die Lamelle eine Dicke in dem Be­ reich von 60 bis 120 µm aufweist.

Die zu laminierenden verstärkten Kunstharzlagen müssen nicht gleiche Dicke besitzen, und man kann Lagen verschiedener Dicke kombinieren, wenn man sie so anordnet, daß sie bezüglich der Mittelebene symmetrisch liegen.

Es ist ferner möglich, die Dicke der Zwischenschicht zu erhö­ hen, um die Isotropie der Festigkeit zu verbessern.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines licht­ abschirmenden Lamellenmaterials gemäß der Erfindung, wobei Teile weggeschnitten sind, und

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer zusam­ mengebauten lichtabschirmenden Einrichtung unter Verwendung der erfindungsgemäßen lichtabschirmenden Lamellen.

Zunächst wurde eine Prepreg-Lage vorbereitet, die durchgehen­ de, in eine Richtung orientierte Kohlefasern enthielt und mit einem in Wärme aushärtenden Kunstharz imprägniert wurde. Einer Harzzusammensetzung aus 70 Gewichtsteilen Phenol-Novolak- Epoxyharz, Araldite EPN1138 (von Ciba-Geigy, Japan), 20 Ge­ wichtsteilen Bisphenol-A-Epoxyharz, Epicote 1002 (von Yuka Shell Epoxy Co.), 10 Gewichtsteilen eines ähnlichen Harzes, Epicote 838 (von der gleichen Firma), 3 Gewichtsteilen, zu 100 Gewichtsteilen der Harze, Dicyandiamid als Härtungsmit­ tel und 5 Gewichtsteilen, zu 100 Gewichtsteilen der Harze, 3,4-Dichlorphenyl-1,1-Dimethylharnstoff als Härtungsbeschleu­ niger, wurde Ruß mit einer mittleren Teilchengröße von 0,01 µm in einer Menge von 10 Gew.-% zugegeben und gut gemischt. Dann wurden 150 Kohlefaserbündel, jeweils mit 3000 Fasern einer Dicke von 7 µm, angeordnet und mit der Harzzusammensetzung imprägniert, um eine Prepreg-Lage 12 (siehe Fig. 1) zu er­ halten, in der der Harzanteil 45 Gew.-% und der Faseranteil 25 g/m² ausmachte.

Drei derart vorbereitete Lagen wurden in einer zu einer Ebene symmetrischen Anordnung derart laminiert, daß die Faserrich­ tungen in jeder Lage zu der Richtung der Fasern in der benach­ barten Lage senkrecht oder etwa senkrecht war.

Drei derartig laminierte Lagen wurden unter Wärme und Druck in einer Warmpresse unter verschiedenen Bedingungen ausgehär­ tet, um drei Lamellenmaterial-Folien zu erhalten. Die Aushär­ tebedingungen waren: 110°C, 30 Minuten, 10 kg/cm²; 120°C, 30 Minuten, 10 kg/cm²; und 130°C, 6 Stunden, 10 kg/cm².

Sämtliche erhaltenen Folien 10 hatten eine Dicke von etwa 90 µm. Es wurden die Tg-Werte gemessen, indem ein Teil die­ ser Folien verwendet wurde. Die Messung erfolgte durch Diffe­ rential-Scan-Kalorimetrie in einer Anlage des Typs DSC-100 der Firma Seiko Denshi Co., Ltd.

Ferner wurden lichtabschirmende Lamellen durch Pressen und An­ streichen des Lamellenmaterials hergestellt, und die Lamellen wurden dazu verwendet, vertikal laufende Brennebenenverschlüsse für einen Dauertest herzustellen. Die Verschlüsse wurden Be­ triebsPrüfungen in folgender Umgebung unterzogen:
(A) 60°C, 90% relative Feuchtigkeit; und
(B) 100°C, 5% relative Feuchtigkeit.

Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 1 zusammengestellt.

Tabelle 1

Test-Ergebnisse

Der Begriff "Abnormalität" bedeutet ein Versagen der Verschluß­ funktion mit der Ursache bei den Lamellen, zum Beispiel Lamel­ lenbruch, ungleichmäßiger Lauf, Schwankungen in der Verschluß­ geschwindigkeit und Streulicht durch Lücken zwischen Lamellen.

Auf diese Weise zeigte sich, daß die Lamelle mit einem Tg-Wert unterhalb 120°C deutlich Abnormalitäten zeigte und zur Verwen­ dung als lichtabschirmende Lamelle oder Blende ungeeignet war.

Deshalb gestattet die Messung des Tg-Werts an einem Teil des gefertigten Lamellen- oder Folienmaterials die Beurteilung, ob das Lamellenmaterial sich für lichtabschirmende Lamellen eig­ net.

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines vertikal laufen­ den Brennebenen-Verschlusses unter Verwendung des oben be­ schriebenen Lamellenmaterials für eine erste Lamelle 31, eine zweite Lamelle 39, eine dritte Lamelle 40, eine vierte Lamel­ le 41 und eine fünfte Lamelle 42.

An Stiften 32 und 33, die an der ersten Lamelle 31 fixiert sind, sind gelenkig Arme 34 beziehungsweise 35 angebracht, die um eine Welle 37 beziehungsweise eine Welle 38, die auf einem Verschlußsubstrat 36 befestigt sind, drehbar sind. Da die Stifte 32 und 33 und die Wellen 37 und 38 so angeordnet sind, daß sie ein Parallelogramm bilden, erfährt die erste Lamelle 31 eine Parallelversetzung in vertikaler Richtung der Öffnung 46, wenn die Arme 32 und 33 verschwenkt werden. Die zweite, dritte, vierte und fünfte Lamelle 39, 40, 41 und 42 jedoch bewegen sich anders als die erste Lamelle. Ein an der ersten Lamelle 31 befestigter Stift 43 ist drehbar mit der zweiten Lamelle 39 gekoppelt, die ihrerseits an einem Ausgangsabschnitt eine Führungsnut 39 a aufweist, die in Ein­ griff steht mit einem Stift 45, der an einem drehbar von der Welle 37 getragenen Arm 44 befestigt ist. Demzufolge ist die Bewegung der zweiten Lamelle 39 bestimmt durch den Stift 43, durch die Bewegung des Stifts 45 und durch die Form der Füh­ rungsnut 39 a. Die dritte Lamelle 40 ist drehbar von der Welle 38 gehalten und ist an ihrem Ausgangsabschnitt mit einer Füh­ rungsnut 40 a ausgestattet, die mit dem Stift 45 in Eingriff steht. In ähnlicher Weise sind die vierte Lamelle 41 und die fünfte Lamelle 42 drehbar von der Welle 38 gehalten und sind jeweils mit einer Führungsnut 41 a beziehungsweise 42a ausge­ stattet, die beide mit dem Stift 45 in Eingriff stehen. Dieser Stift 45 ist außerdem schwenkbar mit dem Arm 34 verbunden, wel­ cher drehbar von der Welle 37 gelagert wird, und er dreht sich mit dem um die Welle 37 verschwenkten Arm 44. Die Führungsnute 39 a, 40 a, 41 a und 42 a der Lamellen sind derart geformt, daß sich die Lamellen so erstrecken, daß sie die Öffnung abdecken, wenn die erste Lamelle 31 sich in dem oberen Abschnitt der Öffnung 36 befindet, während sich die Lamellen jedoch gegen­ seitig überlappen, wenn die erste Lamelle 31 unter die Öffnung zurückgezogen ist. In diesem Fall drehen sich drei Lamellen von der dritten bis zur fünften Lamelle (40-42) um die Welle 38 wie bei einem sich aufspannenden Fächer. Bei einem solchen Brennebenen-Verschluß ist üblicherweise ein weiterer Satz ähnlicher Lamellen vorhanden, so daß ein Lamellensatz als Verschluß-Öffnungselement und der andere Satz als Verschluß- Schließelement arbeitet, wobei die beiden Elemente mit einer gewissen Zeitverzögerung bewegt werden.

Bei einem derartigen Brennebenen-Verschluß kann das herkömm­ liche Lamellenmaterial zu einem ungleichmäßigen Lauf, zu Schwan­ kungen der Verschlußgeschwindigkeit (= Verschlußöffnungszeit), zu einem Brechen der Lamellen oder zu Streulicht durch die Lücken zwischen verbogenen Lamellen kommen. Das erfindungs­ gemäße Lamellenmaterial gewährleistet jedoch, daß die licht­ abschirmenden Lamellen geringes Gewicht, hohe Festigkeit und hohe Elastizität aufweisen, so daß der Brennebenen-Verschluß der oben genannten Bauart ohne die dem Stand der Technik an­ haftenden Nachteile ist.

Die Verwendung von CFRP-Lagen als lichtabschirmende Lamellen oder Blenden wurde bislang als in der Praxis schwierig zu realisieren angesehen, da sämtliche Verschlüsse einer Betriebs- Prüfung wegen der unvermeidlichen Schwankungen der Material­ eigenschaften unterzogen werden mußten. Die Erfindung jedoch macht es möglich, vorab das Lamellenmaterial auszuwählen, so daß die Herstellung von Verschlüssen mit CFRP-Blättern mög­ lich ist. Auch die Auswahl des Materials, wenn dieses als laminiertes Material vorliegt, vermeidet unnötige Arbeits­ kosten, die daraus entstehen, daß defektes Plattenmaterial zunächst in weiterführenden Arbeitsschritten verarbeitet wird.

Claims (14)

1. Lamelle aus einem kohlefaserverstärktem Kunststoffla­ minat aus verstärkten Kunstharzlagen, bei der sich jede der verstärkten Kunstharzlagen zusammensetzt aus in eine Richtung orientierten durchgehenden Kohlefasern und einem diese umhül­ lenden Grundharz, wobei das Grundharz eine Glasübergangstem­ peratur von 120°C oder mehr aufweist, während die Lamelle eine Dicke von 60-120 µm hat.

2. Lamelle nach Anspruch 1, erhalten durch Laminieren mehrerer Prepregs, die aus den verstärkten Kunstharzlagen bestehen, und durch anschließendes Härten mit Erhitzung im gepreßten Zustand.

3. Lichtblende, bestehend aus einem kohlefaserverstärk­ ten Kunststofflaminat aus mehreren verstärkten Kunstharzla­ gen, bei der sich jede der verstärkten Kunstharzlagen zusam­ mensetzt aus in eine Richtung orientierten durchgehenden Koh­ lefasern und einem diese umhüllenden Grundharz, wobei das Grundharz eine Glasübergangstemperatur von 120°C oder mehr aufweist.

4. Blende nach Anspruch 3, bei der mehrere verstärkte Kunstharzlagen derart laminiert sind, daß die durchgehenden Fasern in jeder Lage zu denjenigen in der benachbarten Lage senkrecht verlaufen.

5. Blende nach Anspruch 3, bei der die verstärkten Kunst­ harzlagen bezüglich einer Ebene symmetrisch laminiert sind.

6. Blende nach Anspruch 5, bei der 3 bis 5 verstärkte Kunstharzlagen laminiert sind.

7. Blende nach einem der Ansprüche 3 bis 6, die eine Dicke von 60 bis 120 µm aufweist.

8. Blende nach Anspruch 3, gebildet durch Laminieren mehre­ rer Prepregs, die aus den verstärkten Kunstharzlagen bestehen, und durch anschließendes Härten bei Erhitzung im gepreßten Zustand.

9. Verschlußlamelle, bestehend aus einem kohlefaserver­ stärkten Kunststofflaminat aus mehreren verstärkten Kunstharz­ lagen, bei der sich jede der verstärkten Kunstharzlagen zusam­ mensetzt aus in eine Richtung orientierten durchgehenden Koh­ lefasern und einem diese umhüllenden Grundharz, wobei das Grundharz eine Glasübergangstemperatur von 120°C oder mehr aufweist.

10. Verschlußlamelle nach Anspruch 9, bei der die verstärk­ ten Kunstharzlagen derart laminiert sind, daß die durchgehen­ den Fasern in jeder Lage senkrecht zu den Fasern in der benach­ barten Lage verlaufen.

11. Verschlußlamelle nach Anspruch 9, bei der die verstärk­ ten Kunstharzlagen zu einer Ebene symmetrisch laminiert sind.

12. Verschlußlamelle nach Anspruch 11, bei der 3 bis 5 ver­ stärkte Kunstharzlagen laminiert sind.

13. Verschlußlamelle nach Anspruch 9, die eine Dicke von 60 bis 120 µm aufweist.

14. Verschlußlamelle nach Anspruch 9, hergestellt durch La­ minieren mehrerer Prepregs, die aus den verstärkten Kunstharz­ lagen bestehen und durch anschließendes Härten unter Erhitzung in gepreßtem Zustand.