DE4004473A1 - Verfahren zur herstellung von faserverbund-bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit mindestens einer Lage aus längs des Bau­ teiles gerichteten unidirektionalen Fasern, bei dem ein Stützkern hergestellt wird, der anschließend zusammen mit das Bauteil zumindest teilweise umgebenden, unter Spannung gehaltenen unidirektonalen Fasern durch eine Vorrichtung geführt wird, derart, daß die unidirektionalen Fasern auf das Bauteil aufgelegt und mittels Harz verklebt werden.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der DE 34 13 601 A1 bekannt, bei dem zur Herstellung von Verbundprofilen ein vorgefertig­ ter Stützkern zusammen mit umgebenden Verstärkungsfasern in einen Formkanal eingeführt, mit flüssigem Kunstharz getränkt und anschließend einem Aushärtungsprozeß unterworfen wird. Hierdurch können Bauteile mit längs des Bauteiles gerichte­ ten, sogenannten unidirektionalen Fasern fertigungstechnisch einfach umgeben werden. Allerdings ist das Verfahren nur bei Bauteilen geeignet, die einen konstanten Querschnitt haben.

Dieser Mangel wird gemäß einem Vorschlag nach der DE 39 19 508 dadurch behoben, daß anstelle der starren Form eine Membran verwendet wird, deren Öffnung sich automatisch an die Kontur des durchzuführenden Bauteiles anpaßt.

Bei Anwendung dieser Methode können sich jedoch noch Pro­ bleme mit gekrümmten Bauteilen ergeben. Die den Kern umgebenden, unter Spannung gehaltenen Fasern werden bei Krümmungen des Stützkernes den kürzeren Weg einnehmen wollen, wodurch ein Verrutschen der Faser zur konkaven Seite des Bauteiles sowie das Abheben der Fasern an kon­ kaven Seiten möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß damit Bauteile jeder Konfiguration unter Beibehaltung der ferti­ gungstechnischen Einfachheit mit unidirektionalen Fasern überzogen werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Fasern des Flechtwerkes winden sich automatisch um den Kern herum und drücken dabei zwischen Kern und Flechtfasern befindliche unidirektionale Fasern an den Kern. Hierbei ersetzen die Flechtfasern nicht nur die bei dem bekannten Verfahren verwendete starre Form bzw. Membran, sondern sie bilden gleichzeitig einen Torsionskasten für das Bauteil, der die bei Belastung auftretenden Radialkräfte aufnimmt.

Mit dem Verfahren wird außerdem eine Führung der unidirek­ tionalen Fasern bewirkt, indem diese oder Teile davon bei Bedarf gleichzeitig mit umflochten werden. Auf diese Weise wird gleichzeitig ein Verrutschen in Umfangsrichtung der unidirektionalen Fasern verhindert.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die unidirek­ tionalen Fasern zwischen dem Stützkern und den Flechtfasern ge­ führt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die uni­ direktionalen Fasern zur optimalen Nutzung der Faserfestig­ keit in gespannter Form in das Bauteil eingebracht werden, während sich das Flechtwerk um die unidirektionale Faser­ lage legt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, kann zumindest ein Teil der unidirektionalen Fasern in das Flechtwerk einbezogen werden, wodurch deren Führung entlang der Mantellinie des Bauteiles gegeben ist. Diese Ausgestal­ tung eignet sich insbesondere für stark gekrümmte Bauteile, bei denen eine möglichst genaue Führung der unidirektionalen Fasern entlang der Mantellinien gewünscht wird.

In diesem Fall werden die gewählten unidirektionalen Fasern mit Flechtfasern unterlegt, so daß diese Fasern in ihrer Wirkung an Festigkeit einbüßen. Ein Ausgleich kann aller­ dings durch Anhebung der Faserlagenzahl erreicht werden. Es ist aber auch möglich, durch Wahl sehr dünner Flecht­ fasern die Festigkeitseinbußen zu verringern.

Es ist selbstverständlich jede Kombination möglich, bei der mehr oder weniger unidirektionale Fasern zwischen dem Kern und den Flechtfasern bzw. innerhalb des Geflechtes geführt werden.

Die Einbringung eines Harzes erfolgt nach konventionellen Methoden, z. B. durch Tränken der Fasern vor oder nach deren Aufbringung auf den Stützkern. Das nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellte Bauteil wird an­ schließend oder während des Durchziehens durch das Fadenauge einer Wärmebehandlung unterzogen, um das Harz auszuhärten.

Die Erfindung erstreckt sich auf die Anwendung des er­ findungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Knochen­ implantaten, insbesondere zur Herstellung des Schaftes für eine Hüftgelenk-Endoprothese. Ein vorgefertigter Kern wird vorzugsweise vollständig mit straffgezogenen unidirektiona­ len Fasern umlegt, wobei die Flechtfasern die unidirektiona­ len Fasern umgeben.

Aufgrund der Krümmung, die ein Implantatschaft aufweist, können zumindest ein Teil der unidirektionalen Fasern um­ flochten werden, um diese entsprechend in der Krümmung führen zu können. Die Enden des Schaftes können ausschließ­ lich aus den unidirektionalen und den Flechtfasern bestehen, wobei der Stützkern lediglich als Verdrängerkörper zur Bildung des Bereiches mit dickerem Querschnitt verwendet wird.

Zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine im Handel erhältliche Flechtmaschine verwendet werden, die um Faserführungen für die unidirektionalen Fasern erweitert wird.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 eine Anlage zum Durchführen des Verfahrens im Schnitt bzw. in Draufsicht,

Fig. 3 den Faserverlauf an einem Bauteil und

Fig. 4 und 5 je einen Querschnitt eines fertigen Bauteiles.

In Fig. 1 ist die Herstellung eines Prothesenschaftes ge­ zeigt, der zunächst aus einem vorgefertigten Stützkern 10 besteht. Der Stützkern 10 wird durch ein Fadenauge 11 einer Flechtmaschine 12 mittels eines Greifers 13 durchgezogen. Die Flechtmaschine 12 besteht aus einem Führungsring 14, auf dem zwei sinusförmige Führungsschienen 15 bzw. 16 (Fig. 2) vorgesehen sind. In der einen Schiene 15 wird eine bestimmte Anzahl von Klöppel 17 einer ersten Gruppe in eine Rich­ tung 18 geführt, während eine zweite Gruppe Klöppel 19 auf der zweiten Schiene 16 in die Gegenrichtung 20 geführt wird.

Bei der so beschriebenen Bewegung der Klöppel 17 bzw. 19 wird jede einzelne Faser 21 einmal unter eine andere Faser und einmal über eine andere Faser gelegt. Zusätzlich zu den Flechtfasern 21, 22 der beiden Klöppelgruppen 17, 19 sind über einen inneren Ring 50 (Fig. 2) geführte uni­ direktionale Fasern 25 vorgesehen, die zwischen dem Kern 10 und den Flechtfasern 21, 22 durch das Fadenauge 11 durch­ gezogen werden. Sämtliche Faserenden werden mit dem Greifer 13 verbunden, der gleichzeitig den Stützkern 10 trägt und ihn mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit vom Fadenauge 11 wegbewegt. Für gekrümmte oder unregelmäßige Bauteile, wie es beim Prothesenschaft der Fall ist, ist der Greifer 13 mit Gelenken 30, Teleskopeinrichtung 31 oder dergleichen ausgerüstet, um zusätzlich zur Vorschubbewegung 32 auch noch Schwenkbewegungen durchführen zu können. Damit kann das Bauteil jeweils so gerichtet werden, daß die Achse des Bauteilbereiches, das gerade auf der Fadenaugenebene liegt, auf der Flechtmaschinenachse steht. Auf diese Weise werden die unter Spannung gehaltenen unidirektionalen Fasern 25 stets den Mantellinien 35 (Fig. 3) des Bauteiles folgen.

Die einzelnen Flechtfasern 21 bzw. 22 beschreiben im Verlauf des Flechtprozesses eine Schraubenlinie, wie sie in Fig. 3 mit der dickgezeichneten Faser 21 gezeigt ist. Bei diesem Verlauf drückt die Flechtfaser 21 die unidirektionalen Fasern, die der Mantellinie 35 des Stützkernes 10′ folgen, an den Stützkern 10 bzw. 10′. Die Steigung der umwickelten Flechtfasern bzw. deren Orientierung am fertigen Bauteil wird durch die geometrischen Verhältnisse der Flechtmaschine 12, dem Querschnitt des Bauteiles bzw. Stützkernes 10 und der Geschwindigkeit, mit der das Bauteil 10 bewegt wird, be­ stimmt. Durch Automatisierung und Programmierung des Greiferbewegungsmechanismus kann die Vorschubgeschwindigkeit entsprechend der Geometrie bzw. dem Querschnitt des Bau­ teiles 10 verändert werden, um die gewünschte Orientierung der Flechtfasern 21, 22 über das gesamte Bauteil zu erhal­ ten.

Sowohl die Flechtfasern 21 als auch die unidirektionalen Fasern 25 können vorab durch Tränkeinrichtungen mit einer Matrix getränkt werden. Die Aushärtung des Harzes wird mittels der über dem Fadenauge 11 vorgesehenen Heizeinrich­ tung 37 bewirkt. Die Einführung des Matrixmaterials sowie deren Härtung kann auch auf jede andere bekannte Art durch­ geführt werden.

Bei den bisher beschriebenen Schritten bilden die uni­ direktionalen Fasern 25 eine innere Faserschicht, die von dem Flechtwerk 55 umgeben ist. In einem Längsschnitt durch das fertige Bauteil 40, wie in Fig. 4 gezeigt, ist an der Oberfläche 41 des Stützkernes 10 eine Längsfaser 25 zu sehen, auf der sich die Flechtfasern 21 bzw. 22 befinden. In diesem Fall legt sich die unidirektionale Faser 25 genau parallel an die Mantellinie 35 des Stützkernes 10 an. Sie ist dabei gestreckt, wodurch das Bauteil die optimale Festigkeit für Druck/Zug-Belastungen hat.

Wenn ein Bauteil starke Krümmungen aufweist, wie es z. B. beim Prothesenschaft der Fall sein kann, wäre zusätzlich zur radialen Führung der unidirektionalen Fasern 25 eine tangentiale Führung zweckmäßig, um ein Abrutschen der unter Zugspannung stehenden Fasern 25 in den Krümmungs­ bereichen 38 des Stützkernes 10 zu vermeiden. In diesem Fall wird ein Teil der unidirektionalen Fasern 25 nicht inner­ halb des, sondern durch den Flechtring 14 geführt. Dieses ist in Fig. 2 näher gezeigt, bei dem der innere Ring 50 nicht alle, wie oben beschrieben, sondern nur einen Großteil der unidirektionalen Fasern 25 führt, während im Flechtring 14 stehende Fadenaugen 51 für unidirektionale Fasern 25, vorgesehen sind. Diese Fasern 25′ werden abwechselnd von der einen Klöppelgruppe 17 unterfahren und von der anderen Klöppelgruppe 19 überfahren, so daß diese unidirektionalen Fasern 25′ zusätzlich zur radialen Führung durch die Flechtfasern 21, 22 auch eine tangentiale Führung, wie in Fig. 3 mit den Pfeilen 52 angedeutet, erfahren. Damit wer­ den sie in ihrer Position, d. h. entlang der entsprechenden Mantellinie 35 des Stützkernes 10′ gehalten.

In diesem Fall wird, wie in Fig. 5 gezeigt, die entsprechen­ de unidirektionale Faser 25′ stellenweise durch Flecht­ fasern 21 unterlegt und dazwischen mit Flechtfasern 22 umwickelt, so daß die unidirektionale Faser 25′ ihre opti­ male gespannte Lage verliert. Mit sehr dünnen Flecht­ fasern 21 bzw. 22 kann dieser Nachteil minimiert werden, wenn es darauf ankommt. Das Verhältnis der durch den inne­ ren Ring 50 und dem Flechtring 14 geführten unidirektionalen Fasern 25 bzw. 25′ kann beliebig gewählt werden. Es wird sich in der Regel nach dem jeweiligen Anwendungsfall und dessen Anforderungen richten.

Für die Herstellung eines Schaftes für ein Hüftgelenk- Implantat mit unidirektionalen Fasern wird man das Verhält­ nis zwischen im Innenring 50 und im Flechtring 14 geführten unidirektionalen Fasern 25 bzw. 25′ möglichst groß wählen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit mindestens einer Lage aus längs des Bauteiles gerichteten uni­ direktionalen Fasern, bei dem ein vorgefertigter Stütz­ kern zusammen mit das Bauteil zumindest teilweise umgebenden, unter Spannung gehaltenen, unidirektionalen Fasern durch eine Vorrichtung geführt wird, wobei die unidirektionalen Fasern auf das Bauteil aufgelegt und mittels Harz verklebt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den unidirek­ tionalen Fasern (25) von einer Flechtmaschine (14, 17) geführte Flechtfasern (21, 22) mit dem Stützkern (10, 10′) durch ein Flechtauge (11) geführt werden, wobei zumin­ dest ein Teil der Flechtfasern ein Flechtwerk (55) bilden, das die unidirektionale Faserlage (25) umgibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unidirektionalen Fasern (25) zwischen dem Stütz­ kern (10, 10′) und den Flechtfasern (21, 22) geführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die unidirektionalen Fasern (25) zumindest teilweise auf der Ebene der Flechtfasern (21, 22) geführt werden, derart, daß sie umflochten werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sehr dünne Flechtfasern (21, 22) verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Anwendung des Verfahrens zur Herstellung von Knochenimplantaten.