DE3919770A1 - Lamelle fuer lichtblende - Google Patents
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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.
(A) 60°C, 90% relative Feuchtigkeit; und
(B) 100°C, 5% relative Feuchtigkeit.
Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 1 zusammengestellt.
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.
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