DE3935133C2

DE3935133C2 -

Info

Publication number: DE3935133C2
Application number: DE19893935133
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dipl.-Ing. 1000 Berlin De Nick
Original assignee: Hms Antriebssysteme 1000 Berlin De GmbH
Current assignee: Hms Antriebssysteme 1000 Berlin De GmbH
Priority date: 1989-10-18
Filing date: 1989-10-18
Publication date: 1993-07-01
Also published as: EP0423915A2; EP0423915A3; DE3935133A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die bekannten Verfahren zur Herstellung von faserverstärk ten Kunststoff-Formteilen beruhen überwiegend auf Aus härtung eines Faser/Kunststoffgranulat-Gemisches unter Druck- und/oder Temperatureinfluß. Nachteilig bei diesen Verfahren ist vor allem, daß nur eine begrenzte Menge kurzer Verstärkungsfasern in das Granulat eingearbeitet werden kann. Die Verarbeitung langer, tangential gerichteter Fasern ist nicht möglich. Mittels dieser Verfahren hergestellte Kunststoff-(teil-)ringe genügen nicht immer den anwendungsspezifischen Anforderungen im Hinblick auf Festigkeit und Stabilität.

Es sind jedoch auch Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von scheiben- bzw. ringförmigen, faserverstärkten Kunststoffteilen unter Verwendung längerer Faserbündel bekannt. So ist aus DE-AS 11 74 970 ein Verfahren zur Herstellung von Wälzlagerringen großen Durchmessers und für hohe Belastungen aus glasfaserverstärktem Kunststoff bekannt, bei dem ein vorher durch ein Bad von flüssigem, härtbarem Kunststoff gezogener Glasfaserstrang über einen Schlitz in eine Wickelform eingeführt und durch Drehung derselben aus dem kunststoffgetränkten Faserstrang ein Formkörper gewickelt wird.

In DE-AS 27 36 124 wird ein Verfahren und ein Wickelwerkzeug zum Herstellen eines an den Enden offenen schlaufenförmigen Kraftübertragungselements aus Faserverbundwerkstoff beschrieben, dessen im gegebenen Zusammenhang interessierender Verfahrensteil dem der vorgenannten Schrift weitgehend entspricht.

Aus DE-AS 27 31 406 ist ein Werkzeug zum Herstellen von gewickelten Bauteilen aus faserverstärkten duroplastischen Werkstoffen, die durch Wärmeeinwirkung mittels eines Heißluftstromes aushärtbar sind, bekannt. Bei diesem Werkzeug weist der Wickelkern Strömungskanäle für Heißluft auf, die zum Aushärten des Kunststoffs benutzt wird. Aus DE-OS 22 35 694 ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Mittels dieses Verfahrens werden Kunststoff-Kolbenringe hergestellt.

Für viele Anwendungszwecke ist die Festigkeit herkömmlicher glasfaserverstärkter Kunststoffringe, insbesondere in Richtungen senkrecht zur Faserrichtung, noch nicht ausreichend.

In DD-PS 28 916 wird versucht, die Stabilität von rotationssymmetrischen Bauteilen aus glasfaserverstärktem Kunststoff, die durch Aufwickeln von kunststoffgetränkten Glasfasersträngen und anschließendes Härten erzeugt werden, durch Beifügung von quer zur Wickelrichtung orientierten kurzen Faserstücken zu erhöhen. Auch die Stabilität solcher Formkörper ist noch verbesserungswürdig, da die einfache Beimengung von in Querrichtung orientierten Faserstücken nicht zu einer einem Gewebeverbund vergleichbaren Stabilität der Einlage führt.

Es besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von (teil-)ringförmigen Kunststoffelementen anzugeben, dessen Anwendung zu einer Verbesserung der Festigkeitseigenschaften der Kunststoff-(teil-)ringe führt. Außerdem ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 9 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Herstellung sehr belastungsfähiger (teil-)ringförmiger Kunststoffelemente.

Zur Strukturverstärkung werden in das Kunststoffmaterial mindestens eine unidirektional gerichtete Faser, insbesondere Kohlenstoff-Faser, und mindestens ein Gewebeschlauch bzw. Gewebestreifen eingearbeitet. Unter Gewebe werden hier flexible textile Gebilde im weitesten Sinne verstanden, insbesondere auch Rovings, Fasergarne, Gewirke, Gestricke, Geflechte und flexible Vliese aus Fasern oder Garnen. Auf diese Weise ist es erstmals möglich, Bohrungen in Ringkörper aus faserverstärktem Kunststoff einzubringen, die die unidirektionale tangentiale Faserstruktur schwächen. Durch die Armierung der Außenoberfläche wird der Festigkeitsverlust infolge der Bohrungen mehr als ausgeglichen. Beide Faserstrukturen ergänzen sich in ihren die Festigkeit der Kunststoffmatrix heraufsetzenden Eigenschaften.

Es erfolgt als erster Verfahrensschritt ein unidirektionales Wickeln einer Faser auf eine spulenartige Vorrichtung, deren Aufbau weiter unten näher beschrieben ist. Die Faser wird durch Rotation der spulenartigen Vorrichtung gegen die Faserspannung gezogen und auf die Mantelfläche des Spulenkörkers gewickelt.

Je nach späterem Verwendungszweck des Ringes wird eine vorgegebene Faserlänge, ensprechend wenigen Umdrehungen bis zu mehreren Lagen, aufgebracht.

Die Wickelbreite entspricht bei Ringen mit rechteckigem oder quadratischem Profil der späteren Dicke des Ringes. Bei derartigen Ringen kann an den Rändern der Wickelbreite eine dickere Faserschicht als im mittleren Bereich aufgespult werden. Dadurch wird erreicht, daß nicht nur die nach innen gerichtete Ringfläche, sondern auch mindestens jeweils ein Teil der beiden kreisringförmigen Stirnflächen des Ringes große Anteile der Verstärkungsfaser enthalten.

Die Führung der Faser über die Wickelbreite erfolgt entweder durch entsprechende, der Rotation überlagerte Pendelbewegungen der spulenartigen Vorrichtung oder durch seit liche Auslenkung der Faser mittels einer Faserführungsein richtung.

Der nach dem Aufwickelvorgang verbleibende Raum zwischen den Spulenrändern wird mit einer dicht schließenden Ab deckung versehen, wodurch ein ringförmiger Hohlraum ent steht, der mit aushärtbarem Kunststoff gefüllt wird. Der dünnflüssige Kunststoff dringt auch in die Faserzwi schenräume ein. Nach dem Aushärten kann dann der faserver stärkte Kunststoffring aus der Vorrichtung entfernt wer den.

Anschließend kann der Ring, vorzugsweise durch radiales Zersägen, in zwei Halbringe zerlegt werden. (Bedarfsweise kann auch eine Unterteilung in kleineren Brüchen entspre chende Teilringe vorgenommen werden.) Durch die Aufteilung wird in vorteilhafter weise ein erleichtertes Überziehen mit einem äußeren Gewebeschlauch bzw. Umwickeln mit einem Faserstreifen mittels einer maschinellen Vorrichtung er möglicht.

Nach Beendigung des Bearbeitungsprozesses der Teilringe kann je nach Anwendungszweck ein Wiederzusammenfügen der Teilringe zu einem Vollring erforderlich sein. Dazu werden die Trennstellen vorzugsweise an ihren Enden angeschrägt, verzapft oder mit einer Nut-Feder-Verbindung versehen.

Durch das Überziehen eines Gewebeschlauches über den Ring oder diagonales Umwickeln des Halbringes mit einem Gewebe streifen wird die angestrebte Erhöhung der Festigkeit er reicht. Zur Erleichterung des Überziehens bzw. Umwickelns wird bevorzugt elastisches Gewebe verarbeitet. Die Ma schenstruktur des Gewebes enthält auch Anteile, die senk recht zur Umfangsrichtung, in der die unidirektional ge richtete Faser gewickelt ist, ausgerichtet sind. Der da mit verbundene Verstärkungseffekt ergänzt somit die ver stärkende Wirkung der unidirektional gerichteten Faser nicht nur quantitativ, sondern auch im Hinblick auf die Wirkungsrichtung.

Der Teilring wird nachfolgend noch einmal in einem dünn flüssigen Kunststoffbad getränkt, bzw. mit einer Kunst stoffschicht umgeben. Dazu dient vorzugsweise eine Form, in deren Hohlraum der Teilring derart einsetzbar ist, daß die Stirnflächen des Teilringes die Auflage- bzw. Stand flächen bilden und die restlichen Flächen einen Abstand zu der Hohlraumkontur aufweisen. Dieser Zwischenraum wird mit flüssigem, aushärtendem Kunststoff aufgefüllt.

Nach dem Aushärten wird der fertige Kunststoffteilring aus der Form entfernt und steht damit einer zweckentsprechen den Weiterverarbeitung zur Verfügung.

Als Kunststoffe lassen sich jegliche aushärtenden Materia lien entsprechender Festigkeit verwenden. Bevorzugt wird jedoch Thermoplastmaterial verwendet.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat im wesentlichen den Aufbau ei ner axial drehbaren Spule, die aus zwei verbindbaren und wieder voneinander trennbaren Formkörpern besteht. Die Trennfläche zur Bildung der beiden Formkörper ist senk recht zur Drehachse ausgerichtet und verläuft entlang ei ner Schnittfläche des kleinsten Durchmessers. Durch die zweiteilige Ausführung ist der mit Hilfe dieser Vorrich tung herzustellende Kunststoff ring von der Vorrichtung abnehmbar.

Vorzugsweise besteht die Vorrichtung aus zwei gleichen kreisscheibenartigen Formkörpern, deren beide Stirnflächen jeweils einen größeren und einen kleineren Durchmesser auf weisen und die bei vollflächig aneinandergrenzenden Stirn flächen des kleineren Durchmessers miteinander verbindbar sind.

Zur Herstellung von Ringen mit rechteckigem oder quadrati schen Querschnitt ist der Formkörper in zwei kreisschei benförmige Bereiche unterschiedlicher, aber konstanter Durchmesser und Dicken gegliedert, wobei der Bereich mit dem größeren Durchmesser die kleinere Dicke aufweist. Der Aufbau zweier derartiger, zusammengesetzter Formkörper entspricht dem einer Spule mit zylinderförmiger Mantelflä che und kreisscheibenförmigen seitlichen Begrenzungen des Aufspulbereiches.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen gekennzeichnet. Nachstehend wird zu sammen mit der Beschreibung eine bevorzugte Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt

Fig. 1a ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in frontaler Ansicht,

Fig. 1b eine perspektivische Darstellung eines Aufwic kelvorganges als ersten Verfahrensschritt,

Fig. 1c die Vorrichtung gemäß Fig. 1a mit gemäß Fig. 1b aufgewickelter Faser in frontaler Ansicht,

Fig. 1d eine perspektivische Darstellung eines Einfüll vorganges als weiteren Verfahrensschritt,

Fig. 1e die mit einer Abdeckung versehene Vorrichtung gemäß den Fig. 1a und 1c mit gemäß Fig. 1d eingefüll tem Kunststoff,

Fig. 1f eine perspektivische Darstellung des aus der Vorrichtung entfernten Ringes vor dem Verfahrensschritt des Zersägens,

Fig. 1g eine perspektivische Darstellung zweier Halb ringe mit zwei Ausführungsvarianten zur Ummantelung des Ringes als weiteren Verfahrensschritt,

Fig. 1h eine Schnittdarstellung eines gemäß Fig. 1g um mantelten Halbringes in einer Gießform und

Fig. 2 einen Querschnitt eines nach einem erfindungsge mäßen Verfahren hergestellten Halbringes entlang A-A gemäß Fig. 1h.

Die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte werden nachfol gend am Beispiel der Herstellung von als Halbringe ausge bildeten Teilringen näher erläutert.

Eine in Fig. 1a dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung besteht im wesentlichen aus zwei gleichen, kreisscheiben artigen Formkörpern 1 und 2 mit zwei Bereichen unter schiedlicher Durchmesser, die mittels einer Schraubverbin dung 3 bei vollflächig aneinandergrenzenden Stirnflächen des kleineren Durchmessers zu einer Spule zusammengesetzt sind. Die als Spule ausgebildete Vorrichtung ist um die Längsachse 4 ihrer zylindrischen Teile drehbar gelagert.

Fig. 1b veranschaulicht einen ersten Verfahrensschritt zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffhalbringen, der darin besteht, daß eine unidirektional gerichtete Koh lenstoff-Faser 5 auf die Mantelfläche 6 (Fig. 1a) der Vor richtung aufgespult wird. Die Faser 5 wird dazu mittels einer Faserführungseinrichtung 7 unter Spannung gehalten und gleichzeitig über die Breite der Mantelfläche - der Wickelbreite - gelenkt, während die Spule rotiert und die Faser 5 gegen die Faserspannung zieht.

Die von der Bewegungssteuerung der Faserführungseinrich tung 7 bestimmte Wickelform ist in Fig. 1c wiedergegeben. Es ist ersichtlich, daß an den Rändern der Wickelbreite eine größere Anzahl von Faserlagen übereinander gewickelt wurden als in der Mitte. Durch kurze Bewegungspausen an den Umkehrpunkten der pendelartigen Auslenkung der Faser 5 mittels der Faserführungseinrichtung 7 ist diese Wickel struktur auf einfache Weise erzeugbar.

Im Anschluß an den Wickelvorgang wird - wie Fig. 1d zeigt - die noch offene Außenfläche des von der Mantelfläche 6 bzw. der Faser 5 und den scheibenförmigen Seitenteilen 10a und 10b der Spule begrenzten Raumes mit zwei halbringartig geformten Abdeckungen 8 und 9 dicht verschlossen. Der so entstandene Hohlraum wird über eine Gießöffnung 11 mit flüssigem Kunststoff 12 gefüllt. Die spulenartige Vorrich tung mit der Abdeckung 10a/10b und dem eingefüllten Kunst stoff 12 ist in Fig. 1e dargestellt.

Nach dem Abkühlen bzw. Aushärten des Faser/Kunststoff- Ringes 13 wird die Schraubverbindung 3 zwischen den beiden Formkörpern 1 und 2 gelöst, wodurch die beiden Formkörper 1 und 2 von dem Ring 13 abziehbar sind. Der Ring 13 liegt nunmehr in der in Fig. 1f dargestellten Konfiguration vor. Die Innenfläche 14 und jeweils mindestens eine an die Innenfläche 14 angrenzende Teilfläche der Seitenflächen 15a und 15b werden von der gewickelten unidirektional ge richteten Faser 5 begrenzt. Zur weiteren Verarbeitung wird der Ring 13 mittels einer in Fig. 1f angedeuteten Säge vorrichtung 16 radial in zwei gleichgroße in Fig. 1g dar gestellte Halbringe 17 und 18 durchtrennt.

In Fig. 1g sind außerdem zwei Varianten eines sich an schließenden Verfahrensschrittes schematisch wiedergege ben. Gemäß Fig. 1g wird der Halbring 17 mit einem elasti schen Gewebeschlauch 19 überzogen, während der Halbring 18 mit einem Gewebestreifen 20 diagonal umwickelt wird.

Zur endgültigen Formgebung und zur Fixierung des Gewebe schlauches 19 bzw. -streifens 20 wird der Halbring 17 bzw. 18 abschließend mittels einer in Fig. 1h im Schnitt dar gestellten Gießform mit einer Kunststoffschicht 21 umman telt. Die Stirnflächen 22a und 22b des Halbringes 17 bzw. 18 dienen beim Einsetzen des Halbringes 17 bzw. 18 in die Gießform als Auflage- bzw. Standflächen, während zwischen den restlichen Flächen des Halbringes 17 bzw. 18 und der Hohlraumkontur ein Zwischenraum 23 verbleibt. Dieser Zwi schenraum 23 wird über eine an der höchsten Stelle der Gießform vorgesehene Öffnung 24 mittels einer Gießvorrich tung 25 mit flüssigem Kunststoff gefüllt. Die in dem Zwi schenraum 23 befindliche Luft entweicht während des Gieß vorganges durch zwei seitliche Öffnungen 26 und 27, welche den Zwischenraum 23 an den untersten Stellen - der Stirn flächenauflage unmittelbar benachbart - luftdurchlässig, jedoch undurchlässig für den eingegossenen Kunststoff, mit dem Außenraum verbindet.

Die Zusammensetzung und die Querschnittsform des fertigen Halbringes ist in Fig. 2 anhand eines Schnittes entlang A-A gemäß Fig. 1h wiedergegeben. Ein Kunststoffkern 12 mit angenähert rechteckförmigem Querschnitt ist an der In nenfläche 14 und angrenzenden Bereichen der Seitenflächen 15a und 15b mit sich in Umfangsrichtung erstreckenden Ver stärkungsfasern 5 versehen. Eine Gewebeschicht in Form ei nes Schlauches 19 oder diagonal gewickelten Streifens 20 als zweite Verstärkungsschicht und eine äußere Kunststoff hülle 21 umschließen den Faser/Kunststoffhalbring. Durch den verfahrensgemäß schichtweisen Aufbau des Halbringes, insbesondere durch die doppelte Verstärkung mittels der unidirektional gerichteten Faser 5 und der Gewebeumhüllung 19 bzw. 20 entsteht ein sehr stabiler und widerstandsfä higer Halbring.

In diesen Halbring können - in radialer oder auch axialer Richtung bzw. beliebigen dazwischen gelegenen Richtungen auch mit tangentialer Komponente - Bohrungen eingebracht werden, welche den unidirektionalen Faserbereich durchque ren und einen Teil dieser Fasern durchtrennen. Der Durch messer dieser Bohrungen kann durchaus bis zur Hälfte des Durchmessers des Ringprofils ausmachen.

Mehrere Teilringe lassen sich auch vor dem Aufbringen der äußeren Gewebeschicht wieder zu einem Vollring bzw. einem größeren Teilring zusammenfügen. Hierzu sind bevorzugt den Verbindungsstellen Zapfen oder Nut-Feder-Verbindungen vor gesehen. Da hiermit nicht die Festigkeit der ungeschnitte nen unidirektionalen Fasern erreicht werden kann, ist die se Ausführung bevorzugt für solche Fälle vorgesehen, bei denen der zusammengesetzte Ring an den Trennstellen durch Einspannungen und dergl. unterstützt wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung (teil-) ringförmiger Elemente, enthaltend faserverstärkten Kunststoff, mit folgenden Verfahrensschritten:

a. unidirektionales mehrlagiges Wickeln einer Faser (5) auf die Mantelfläche (6) einer spulenartigen Form,
b. Ergänzen der Form durch eine Abdeckung (8, 9) derart, daß ein ringförmiger Hohlraum entsteht,
c. Füllen des Hohlraumes mit einem aushärtbaren Kunststoff (12),
d. Aushärten des Kunststoffes (12) und Entfernen des so entstandenen Vollrings (13) aus der Vorrichtung,

gekennzeichnet durch die Schritte:

f. Umgeben des Rings mit einem Gewebe sowie
h. Tränken des den (Teil-)Ring (17 bzw. 18) umgebenden Gewebes mit einem aushärtbaren Kunststoff und Aushärten desselben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die zusätzlichen Schritte:

e. Auftrennen des Rings (13) an mindestens einer Stelle oder Teilen des Ringes (13) in Teilringe (17 und 18),
g. gegebenenfalls Zusammenfügen an der oder den Trennstelle(n).

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umgeben des Rings mit einem Gewebe durch Überstreifen eines Gewebeschlauches (19) oder Umwickeln mit einem Gewebestreifen (20) in Diagonalrichtung erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstellen an ihren Enden angeschrägt, verzapft oder mit einer Nut-Feder-Verbindung versehen werden.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Tränken in einer geschlossenen Form durch Auffüllen eines darin befindlichen Hohlraums (23) mit aushärtbarem Kunststoff (21) erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der (Teil-) Ring mit Bohrungen versehen wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung von Kohlenstoff-Fasern (5).

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (13) durch Zersägen in radialer Richtung aufgetrennt wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die spulenartige Form ein axial drehbar gelagerter Rotationskörper ist, der senkrecht zur Rotationsachse entlang einer Trennfläche des kleinsten Durchmessers in zwei Formkörper (1 und 2) zerlegbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper (1, 2) zwei im wesentlichen identische scheibenartige Formkörper sind, deren eine Stirnfläche einen größeren und deren andere Stirnfläche einen kleineren Durchmesser des Rotationskörpers bestimmt, wobei die Formkörper (1 und 2) an den Stirnflächen des kleineren Durchmessers miteinander verbindbar sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines ringförmigen Raumbereiches mit der Spulenform (1, 2) ein die Spulenform dichtend umspannender Mantelkörper als Abdeckung (8/9) vorgesehen ist.