DE4101226A1 - Verfahren zur herstellung von bauteilen aus faserverbundwerkstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen unregelmäßiger Kontur aus Faserverbundwerkstoff unter Anwendung von Endlosfasern.

In der Faserkunststoff-Bauweise werden die Fasern zur Erlangung einer erwünschten Steifigkeit oder Festigkeit mit vorbestimmten Orientierungen eingebaut. Dieses bereitet jedoch Schwierigkeiten bei Körpern mit unregelmäßiger Kontur, wie es beispielsweise bei Knochenersatz-Implantaten der Fall ist.

Für derartige Fälle wird im allgemeinen das Preßverfahren angewandt, bei dem die Fasern in eine Form eingelegt werden. Das Einlegen der Fasern ist aber sehr aufwendig, und außerdem können die Fasern danach beim Pressen sehr leicht verschwimmen, so daß kein reproduzierbarer Lagenaufbau gewährleistet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, mit dem Verbundkörper mit unregelmäßiger Geometrie mit möglichst genau gerichteten Fasern hergestellt werden können.

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

Es wird zunächst ein Fasergelege oder Prepreg mit entsprechend orientierten Fasern hergestellt. Aus dem, im allgemeinen rechteckigen Prepreg, wird ein Muster herausgeschnitten, dessen Formgebung aus dem herzustellenden Bauteil ermittelt wird. Der Zuschnitt ist dabei so geformt, daß er entsprechend aufgerollt, im wesentlichen die Kontur des herzustellenden Bauteils erhält. Bei dem Zuschnitt muß gleichzeitig die Orientierung der Fasern im Prepreg in Betracht gezogen werden, damit die vorgesehene Faserorientierung im aufgerollten Zustand der für das Bauteil gewünschten Orientierung entspricht. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit in fertigungstechnisch einfacher Weise eine Bindung der Fasern erreicht, wobei im Endprodukt die Fasern in reproduzierbarer Weise orientiert sind.

Bei Bauteilen mit über die Länge sich stark veränderndem Querschnitt kann das Bauteil entweder vollständig mit dem Prepregmaterial oder teilweise mit einem getrennten Kern ausgefüllt sein. Im letzten Fall wird das Prepreg um den entsprechend geformten Kern umgewickelt, wobei der Kern je nach Anwendung mehr oder weniger porös oder als Hohlkörper ausgebildet sein und aus homogenem Material oder aus Verbundwerkstoff bestehen kann. Es ist die allgemeine Verwendung von Verdrängerkörpern möglich, um stärkere Ausbuchtungen und dergleichen einbringen zu können oder unterschiedliche Durchmesser auszugleichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch für die Herstellung von Hohlkörpern mit unregelmäßiger Außengeometrie. Hier wird vorzugsweise ein rohrförmiger oder ähnlicher Hohlkörper als Kern verwendet, um den das Prepreg gewickelt wird.

Die Weiterverarbeitung des auf die Weise hergestellten Rohlings kann auf verschiedenen Wegen erfolgen. Der Bauteilrohling kann zur Erlangung einer genauen Endkontur in eine Form eingelegt und gepreßt und anschließend ausgehärtet werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Bauteilrohling vor dem Härtevorgang mit einem Schrumpfschlauch überzogen, der mittels Wärmeeinwirkung, z. B. Heißluft, geschrumpft wird. Dieser Vorgang wird ausgehend vom Mittelbereich des Bauteiles hin zu den beiden Bauteilenden hin, unter gleichzeitigem Formen durchgeführt. Mit diesem Verfahren können insbesondere Bauteile mit an der Oberfläche längsgerichteten Fasern bearbeitet werden, damit die äußeren Fasern in der gewünschten Richtung gestreckt bzw. geglättet werden.

Der Schrumpfschlauch dient ferner beim Pressen bzw. bei der Formgebung des Rohlings als Stütze für den Rohling. Vor einer Aushärtung wird der Schlauch entfernt und der Bauteilrohling endgültig ausgehärtet. Je nach Anwendung wird der Härtevorgang mit einem Preßvorgang begleitet. In manchen Fällen wird der Rohling vor dem Härtevorgang durch Pressen in die endgültige Form gebracht.

Im Prepreg sind die Fasern gewissermaßen gebunden, so daß hier im Preßvorgang die Fasern nicht verschwimmen.

Für Bauteile, die überwiegend aus längsgerichten bzw. unidirektionalen Fasern bestehen sollen, wird das aus UD-Fasern bestehende Fasergelege mit dünnen Kettfäden, Vlies oder ähnlichen Mitteln leicht gebunden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise zur Herstellung von Knochenersatz-Implantaten angewandt. Der Implantatrohling kann anstelle eines Schrumpfschlauches mit einem Flechtwerk überzogen werden, das als Anwachsstruktur auf dem Bauteil belassen wird.

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

Die Fig. 1 und 2 zeigen je ein Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 ist als einfaches Beispiel ein symmetrisches Bauteil 10 dargestellt, das an den Enden spitz zuläuft. Zur Fertigung eines derartigen Bauteiles wird ein Prepreg 11 mit entsprechend gerichteten Fasern 12, 13 hergestellt. Aus diesem Prepreg wird ein Zuschnitt 14 herausgetrennt, dessen Form so gewählt sein muß, daß beim Aufrollen des Zuschnittes 14 sich die Kontur des gewünschten Bauteiles 10 ergibt. Im Beispiel der Fig. 1 hat der Zuschnitt die Form eines gleichschenkligen Dreiecks. Rollt man dieses Dreieck von der symmetrischen Spitze 15 aus parallel zur Grundlinie 16 auf, wie die Pfeilrichtung 17 anzeigt, enthält der Mittelbereich des aufgerollten Gebildes das meiste Material, zu den Enden 18, 19 hin nimmt das Material ab. Der auf diese Weise aufgerollte Zuschnitt 14 bildet zunächst einen zylindrischen Rohling, dessen Enden hohl sind.

Der Bauteilrohling wird dann mit einem Schrumpfschlauch 20 aus einem Material überzogen, der bei Wärme schrumpft. Anschließend wird der Schrumpfvorgang mit einer Heizeinrichtung 21, z. B. einem Heißluftbläser, eingeleitet, indem die Wärme vom mittleren Dickenbereich ausgehend zu den jeweiligen Spitzen 18, 19 hin geführt wird. Durch diesen Effekt kann eine Streckung der Fasern 12, 13 in der Oberfläche des Bauteilrohlings bewirkt werden. Gleichzeitig werden die Enden des Bauteiles 10 zusammengedrückt. Damit die Fasern aufgrund der Hohlräume nicht unkontrolliert verschoben werden, können die hohlen Enden mit Hilfsstäben ausgefüllt werden, die nach Maßgabe des Schrumpfvorganges herausgezogen werden. Durch die abnehmende Materialmenge laufen die Enden schließlich konisch zu. Nach dem Erkalten wird der Schrumpfschlauch 20 wieder abgenommen und der Bauteilrohling zur Härtung des Matrixmaterials einer Wärmebehandlung unterzogen.

Wenn am Bauteilrohling eine Formkorrektur und/oder eine Verdichtung notwendig ist, wird der Bauteilrohling in bekannter Weise vor oder auch während der Aushärtung gepreßt.

Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren besteht das Bauteil 10 ausschließlich aus dem zugeschnittenen Faserverbund-Prepreg. Im allgemeinen und insbesondere bei sehr komplizierten geometrischen Formen können Hilfsmittel bzw. Verdrängerkörper 23 eingesetzt werden. In Fig. 1 ist beispielsweise ein als Kern 23 ausgebildeter Verdrängerkörper gezeigt, um den der Zuschnitt 14 gewickelt wird. In diesem Fall wird am Zuschnitt 14 die Spitze 25 weggelassen.

In Fig. 1c ist ein Querschnitt des Bauteiles 10 mit dem Kern 23 im Mittelbereich dargestellt.

Verdrängerkörper werden je nach Bauteil vollständig umwickelt, wie beim Beispiel gemäß Fig. 1 und/oder während des Wickelprozesses eingebracht, um beispielsweise Ausbuchtungen oder unterschiedliche Manteldicken am Bauteil zu erzeugen.

Fig. 2 zeigt die Herstellung eines Schaftes 30 für eine Hüftgelenkprothese, die vollständig aus in Richtung der Schaftachse gerichteten unidirektionalen Fasern 32 besteht.

Fig. 2b zeigt eine Hälfte eines Längsschnittes des Prothesenschaftes 30. Daraus ist zu ersehen, daß die Randfasern vom einem Schaftende 33 bis zum anderen Schaftende 34 reichen, während im Innenbereich die Faserlänge zur Achse hin abnimmt. Daraus ergibt sich als Zuschnitt 35 ein Fasergelege aus UD-Fasern 32, die eine Länge haben, die der Schaftlänge L mit Übermaß entspricht. Das andere Ende 36 des Zuschnittes 35, das im aufgerollten Zustand den zentrischen Bereich der Prothese 30 bildet, ist aus entsprechend kurzen Fasern gebildet.

Um die parallelen Fasern 32 zu binden, werden Hilfsmittel, wie z. B. dünne Kettenfäden 37, ein Vlies oder dergleichen verwendet. Das Gebilde mit den Hilfsmitteln 37 und den UD-Fasern 32 wird dann zur Bildung eines Prepregs 38 mit einem Matrixmaterial getränkt. Der Zuschnitt 35 wird eng gewickelt, und wie oben beschrieben, weiterbehandelt. Im Falle einer Prothese kann anstelle eines Schrumpfschlauches ein Fasergeflechtwerk 39 zum Überziehen des Rohlings verwendet werden, das schließlich als Bestandteil der Prothese 30 verbleibt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen unregelmäßiger Kontur aus Faserverbundwerkstoff unter Anwendung von Endlosfasern, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Endlosfasern (12, 13, 32) ein Prepreg (11, 38) hergestellt und derart zugeschnitten wird, daß der Zuschnitt (14, 35) in aufgerollter Form das gewünschte Bauteil (10, 30) bildet, und daß der so hergestellte Bauteilrohling gebenenfalls gepreßt und schließlich einem Härtungsprozeß unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufrollen des Zuschnitts (14) Verdrängerkörper (23) eingelegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während des Härtungsprozesses ein Preßdruck auf das Bauteil (10, 30) ausgeübt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufrollen des Zuschnitts (14) das Bauteil mit einem Schrumpfschlauch (20) überzogen wird, daß der Schrumpfschlauch unter Wärmeeinwirkung (21) geschrumpft und nach dem Abkühlen wieder entfernt wird und daß das Bauteil (10) anschließend dem Härtungsprozeß unter­ worfen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufrollen des Zuschnitts (35) das Bauteil mit einem Flechtwerk (39) überzogen, geformt, gegebenenfalls gepreßt und gehärtet wird.

6. Endoprothese, insbesondere Schaft für Gelenkprothesen, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1.