DE4212448A1 - Hybrid yarn composed of reinforcing and thermoplastic fibres - useful for the prodn. of fibre reinforced conical tubes of uniform wall thickness and high strength for use as cardan shafts in motor vehicles. - Google Patents

Hybrid yarn composed of reinforcing and thermoplastic fibres - useful for the prodn. of fibre reinforced conical tubes of uniform wall thickness and high strength for use as cardan shafts in motor vehicles.

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Abstract

The use of a hybrid yarn (I) to produce fibre reinforced conical tubes (II), esp. Cardan shafts for motor vehicles is claimed. (I) consists of a mixt. of reinforcing and thermoplastic fibres and is wound onto a conical mandrel at a temp. 5-50 deg.C below the m.pt. of the thermoplastic. The resulting article is partially melted by heating to 20-50 deg.C the m.pt. of the thermoplastic and the mass is then consolidated by means of an outer shell that has approximately the same cone angle as the mandrel. Pref. (I) consists of 30-70% reinforcing fibres and 70-30% thermoplastic fibres. The reinforcing fibres consist of glass, C and/or heat resistant polymers. The thermplastic fibres consist of polyethylene, polypropylene, polybutyleneterephthalate, polyamide, polysulphone and/or polyetherhetone. USE/ADVANTAGE - (II) are useful as cardan shafts in motor vehicles and may be prepd. economically, simply and rapidly. Use of the conical mandrel and consolidation using the outer shell leads to a uniform wall thickness and improved mechanical strength.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Hybridgar­ nen zur Herstellung konischer Faserverbundrohre, insbeson­ dere Kardanwellen für Kraftfahrzeuge.The invention relates to the use of hybrid cooking NEN for the production of conical fiber composite pipes, in particular cardan shafts for motor vehicles.

Rohre aus faserverstärkten Kunststoffen, beispielsweise aus Reaktionsharzen wie Polyesterharze oder Epoxidharze sind be­ kannt und werden für viele Zwecke mit Erfolg eingesetzt. Be­ sonders vorteilhaft sind sie dort, wo es auf Beständigkeit gegenüber korrosiven Medien ankommt. Im allgemeinen erfolgt ihre Herstellung diskontinuierlich. Dabei werden Fäden oder faserige Flächengebilde, vornehmlich Glasfaserstränge mit Harz getränkt und unter einem Winkel auf einen rotierenden Dorn aufgewickelt, ausgehärtet und der Wickelkörper abgezo­ gen. Auf diese Weise lassen sich zwar hochfeste Präzisions­ rohre herstellen, der Arbeits- und Zeitaufwand ist jedoch erheblich. Darüber hinaus muß für jeden Rohrdurchmesser ein entsprechender Wickeldorn bereitgestellt werden.Pipes made of fiber-reinforced plastics, for example made of Reaction resins such as polyester resins or epoxy resins are knows and are used successfully for many purposes. Be They are particularly advantageous where there is resistance against corrosive media. Generally done their manufacture discontinuously. Doing threads or fibrous fabrics, primarily glass fiber strands with Resin soaked and rotating at an angle on a Mandrel wound, hardened and the winding body pulled off gen. In this way, high-strength precision Manufacture pipes, but the effort and time is considerably. In addition, a must for each pipe diameter appropriate winding mandrel are provided.

Es war daher Aufgabe der Erfindung, anzugeben, wie konische Faserverbundrohre mit geringem Aufwand einfach und schnell herstellbar sind.It was therefore an object of the invention to indicate how conical Fiber composite pipes easily and quickly with little effort are producible.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Verwendung von Hybridgar­ nen vorgeschlagen, wobei die aus einem Gemisch aus Verstär­ kungs- und Thermoplastfasern bestehenden Hybridgarne auf ei­ nen sich drehenden und auf eine Temperatur von 5 bis 50°C unterhalb der Schmelztemperatur der Thermoplastfasern er­ wärmten, konischen Dorn aufgewickelt werden und der Wickel­ körper bei Temperaturen von 20 bis 50°C oberhalb der Schmelztemperatur der Thermoplastfasern partiell aufge­ schmolzen und mittels einer Hülse mit im Verhältnis zum Dorn zumindest annähernd gleichen Konuswinkel konsolidiert wird.To solve this problem, the use of hybrid cooking NEN proposed, which consists of a mixture of reinforcement existing hybrid and thermoplastic fibers on egg NEN rotating and to a temperature of 5 to 50 ° C. below the melting temperature of the thermoplastic fibers warmed, conical mandrel and the wrap body at temperatures of 20 to 50 ° C above the Melting temperature of the thermoplastic fibers partially raised melted and by means of a sleeve in relation to the mandrel at least approximately the same cone angle is consolidated.

Hybridgarne sind an sich bekannt. In der EP-B 156 599 ist ein Verfahren zur Herstellung von Hybridgarn aus Kohlenstof­ fasern und Thermoplastfasern beschrieben, bei dem die beiden Faserarten gespreizt, durch Zusammenführen über Rollen oder Stäbe miteinander vermischt und das Mischgarn anschließend gegebenenfalls durch ein weiteres Thermoplastgarn umwickelt wird. Ein solches Umwickeln bewirkt einen guten Fadenschluß, so daß das Garn ohne zusätzliches Aufbringen einer Schlichte problemlos zu flexiblen Flächengebilden oder zylindrischen Wickelkörpern verarbeitet werden kann. Es hat sich indes ge­ zeigt, daß die für die Konsolidierung zum Verbundwerkstoff benötigte Zeit verhältnismäßig lang ist, und daß die mecha­ nische Festigkeit der so hergestellten Rohre nicht in jeder Hinsicht zufriedenstellend ist.Hybrid yarns are known per se. In EP-B 156 599 a process for producing hybrid yarn from carbon fibers and thermoplastic fibers described, in which the two Spread fiber types, by merging them over rolls or  Rods mixed together and then the blended yarn optionally wrapped with another thermoplastic yarn becomes. Such a wrapping causes a good thread closure, so that the yarn without additional sizing easily to flexible fabrics or cylindrical Windings can be processed. However, it has changed shows that for consolidation to composite required time is relatively long, and that the mecha The strength of the pipes produced in this way is not in everyone Respects is satisfactory.

Durch die Verwendung von Hybridgarnen zur Herstellung koni­ scher Faserverbundrohre lassen sich diese Nachteile vermei­ den. Insbesondere über das konzentrische Fugen von Konussen kann eine sehr hohe Preßkraft zur Konsolidierung des Lami­ nats aufgebracht werden. Mit einer entsprechenden Führung der Hybridgarne beim Aufwickeln auf den konischen Dorn und der konischen Hülse bei der Konsolidierung des Wickelkörpers ist eine besonders gleichmäßige Wanddickenverteilung über den Rohrumfang erreichbar, so daß Wuchtprobleme, z. B. bei einer Kardanwelle für Kraftfahrzeuge, praktisch nicht auf­ treten. Zudem können in Teilbereichen der Mantelfläche so­ wohl des Dorns als auch der Hülse Verzahnungen eingebracht werden, in die die Thermoplastmatrix fließt und über die in einfacher Weise Krafteinleitungselemente zu verbinden sind. Aufgrund der Thermoplastmatrix können die Krafteinleitungse­ lemente, sofern sie aus thermoplastischen Kunststoffen be­ stehen, auch an das Faserverbundrohr angeschweißt werden.Through the use of hybrid yarns for the production koni shear fiber composite pipes can avoid these disadvantages the. Especially about the concentric jointing of cones can use a very high pressing force to consolidate the lami nats are applied. With an appropriate guide the hybrid yarns when winding onto the conical mandrel and the conical sleeve during the consolidation of the winding body is a particularly even distribution of wall thickness the pipe circumference accessible, so that balancing problems, for. B. at a cardan shaft for motor vehicles, practically not to step. In addition, in some areas of the lateral surface teeth of the mandrel as well as the sleeve into which the thermoplastic matrix flows and via which in simple way to connect force introduction elements. Due to the thermoplastic matrix, the force application can elements, provided they are made of thermoplastic materials stand, are also welded to the fiber composite pipe.

Zur Herstellung eines konischen Faserverbundrohres werden auf einen sich drehenden, konischen Dorn mittels eines Ring­ fadenauges Hybridgarne nach vorausberechnetem Muster aufge­ wickelt. Der Dorn ist auf eine Temperatur von 5 bis 50°C un­ terhalb der Schmelztemperatur der Thermoplastfasern der Hy­ bridgarne erwärmt. Sein Konuswinkel kann in weiten Grenzen variieren und beträgt im allgemeinen zwischen 1 und 30°. Die Hybridgarne bestehen zweckmäßigerweise aus 30 bis 70 Vol.% Verstärkungsfasern und 70 bis 30 Vol.% Thermoplast­ fasern.To produce a conical fiber composite pipe on a rotating, conical mandrel using a ring thread-like hybrid yarns according to the pre-calculated pattern wraps. The mandrel is at a temperature of 5 to 50 ° C and below the melting temperature of the thermoplastic fibers of the Hy bridgewarn warmed. Its cone angle can vary widely vary and is generally between 1 and 30 °. The hybrid yarns advantageously consist of 30 to 70 vol.% Reinforcing fibers and 70 to 30 vol.% Thermoplastic fibers.

Bevorzugte Verstärkungsfasern sind Kohlenstoffasern und Glasfasern. Daneben sind auch Fasern aus keramischen Mate­ rialien, Siliciumcarbid und Bornitrid geeignet, sowie solche aus Polymeren mit einem Erweichungspunkt, der mehr als 70°C über dem Erweichungspunkt der Thermoplastfasern liegt, zum Beispiel aus Polyetherketon oder vollaromatischen Polyami­ den.Preferred reinforcing fibers are carbon fibers and Fiberglass. There are also fibers made from ceramic mate rialien, silicon carbide and boron nitride suitable, as well as such  from polymers with a softening point higher than 70 ° C is above the softening point of the thermoplastic fibers to Example made from polyether ketone or fully aromatic polyami the.

Als Thermoplastfasern kommen insbesondere Fasern aus Poly­ ethylen, Polypropylen, Polybutylenterephthalat, Polyamid, Polysulfon und/oder Polyetherketon in Betracht.In particular, fibers made of poly come as thermoplastic fibers ethylene, polypropylene, polybutylene terephthalate, polyamide, Polysulfone and / or polyether ketone into consideration.

Die Hybridgarne werden vorzugsweise nach EP-B 156 599 herge­ stellt, indem man die beiden Faserarten getrennt voneinander durch Anblasen mit Luft spreizt und dann durch Zusammenfüh­ ren über Rollen oder Stäbe vermischt. Das Spreizen kann grundsätzlich auch durch einen Flüssigkeitsstrahl, durch elektrostatische Aufladung oder durch Separieren der Einzel­ filamente durch Kämme erfolgen. Bei den bisher genannten Ar­ beitsweisen erhält man eine innige Vermischung der Einzelfi­ lamente, so daß im Mischgarn Thermoplast- und Verstärkungs­ fasern statistisch gleichmäßig verteilt sind. Eine solche innige Vermischung ist aber nicht für alle Anwendungszwecke notwendig; man kann auch auf das Spreizen der Ausgangsfasern verzichten und diese nach einfachen Methoden vermischen, z. B. indem man sie zusammen über Rollen oder Stäbe zieht oder gemeinsam in einem Luftstrom verwirbelt.The hybrid yarns are preferably produced in accordance with EP-B 156 599 by separating the two types of fibers by blowing with air and then by merging mixed over rollers or rods. The spreading can basically also by a liquid jet, by electrostatic charge or by separating the individual filaments made by combs. In the previously mentioned Ar In some cases you get an intimate mixture of the individual fi lamente, so that in the mixed yarn thermoplastic and reinforcement fibers are statistically evenly distributed. Such intimate mixing is not, however, for all purposes necessary; one can also spread the starting fibers do without and mix them using simple methods, e.g. B. by pulling them together over rollers or rods or swirled together in an air stream.

Die Herstellung des Hybridgarns erfolgt zweckmäßigerweise in Linie der Wickelvorrichtung.The hybrid yarn is expediently produced in Line of the winding device.

Nach Erreichen der vorgesehenen Wanddicke wird das gewickelte Laminat auf eine Temperatur von 20 bis 50°C oberhalb des Schmelzpunktes der Thermoplastfaser erhitzt. Unmittelbar danach, d. h. bevor die Thermoplastmatrix wieder abkühlt und erhärtet, wird der konische Wickeldorn mit dem aufgewickel­ ten Laminat in eine passende konische Hülse, deren Tempera­ tur knapp unterhalb der Schmelztemperatur des Thermoplastes liegt, eingeführt. Der konische Dorn mit dem darauf befind­ lichen Laminat wird soweit in die konische Hülse gepreßt, bis der Abstand zwischen den beiden auf die gewünschte Wand­ dicke des Laminates reduziert ist. Durch den Konus wird eine senkrecht zum Laminat gerichtete Anpreßkraft erzeugt, die das Laminat konsolidiert. Da sich die Hülse auf einer Tempe­ ratur unterhalb der Schmelztemperatur der Thermoplastmatrix befindet, kühlt die Schmelze rasch ab und der Dorn samt La­ minat kann aus der Hülse herausgezogen und anschließend das Faserverbundrohr vom Wickelkern abgezogen werden.After reaching the intended wall thickness, the wound is Laminate to a temperature of 20 to 50 ° C above of the melting point of the thermoplastic fiber is heated. Right away after that, d. H. before the thermoplastic matrix cools down and hardened, the conical mandrel is wound up with the laminate in a matching conical sleeve, whose tempera just below the melting temperature of the thermoplastic is introduced. The conical mandrel with the one on it laminate is pressed into the conical sleeve until the distance between the two on the desired wall thickness of the laminate is reduced. The cone turns one generated pressing force perpendicular to the laminate, the the laminate consolidated. Since the sleeve is on a tempe temperature below the melting temperature of the thermoplastic matrix the melt cools down quickly and the mandrel including La  minat can be pulled out of the sleeve and then the Fiber composite pipe are pulled off the winding core.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf die Zeich­ nung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is described below with reference to the drawing tion explained in more detail using an exemplary embodiment.

Zur Herstellung einer Kardanwelle mit den Abmessungen l = 1,5 m, di = 70 mm werden gemäß Fig. 1 mit Hilfe eines Ringfadenauges (2) zwölf Schichten Hybridgarn aus 60 Vol.% Kohlenstoffasern und 40 Vol.% Polyamidfasern auf einen koni­ schen Dorn (1) unter einem Winkel von ±15° aufgewickelt. Die Temperatur des Dorns beträgt 200°C, sein Konuswinkel 2°.To produce a cardan shaft with the dimensions l = 1.5 m, di = 70 mm, twelve layers of hybrid yarn made of 60% by volume carbon fibers and 40% by volume polyamide fibers are placed on a conical mandrel according to FIG. 1 using a ring thread eye ( 2 ) ( 1 ) wound at an angle of ± 15 °. The mandrel has a temperature of 200 ° C and a cone angle of 2 °.

In einem zweiten Arbeitsschritt (Fig. 2) wird unter langsa­ mem Rotieren des Dorns der Wickelkörper durch Infrarotstrah­ ler (5) auf eine Temperatur von etwa 250°C erwärmt und die Thermoplastfasern aufgeschmolzen.In a second step ( Fig. 2) is heated by slowly rotating the mandrel, the winding body by infrared radiator ( 5 ) to a temperature of about 250 ° C and melted the thermoplastic fibers.

Fig. 3 zeigt den Vorgang der Konsolidierung. Dazu wird der bewickelte konische Dorn in eine Hülse (6), die etwa den gleichen Konuswinkel wie der Dorn besitzt, eingesetzt und axial mit einer Preßkraft - Pfeil (7) - beaufschlagt. Die Hülse ist etwa auf die gleiche Temperatur wie der Dorn vor­ gewärmt. An ihren Enden ist sie gegenüber dem Dorn abgedich­ tet, so daß bei (8) ein Unterdruck aufgebaut werden kann. Der Unterdruck verhindert die Oxidation der Thermoplastma­ trix und bewirkt ein porenfreies Laminat. Fig. 3 shows the process of consolidation. For this purpose, the wound conical mandrel is inserted into a sleeve ( 6 ), which has approximately the same cone angle as the mandrel, and is subjected axially to a pressing force - arrow ( 7 ). The sleeve is heated to about the same temperature as the mandrel before. At its ends it is sealed against the mandrel, so that a vacuum can be built up at ( 8 ). The negative pressure prevents oxidation of the Thermoplastma trix and creates a non-porous laminate.

Die axiale Preßkraft auf dem konischen Dorn wird so stark erhöht, bis die gewünschte Wanddicke des Rohres erreicht ist. Aufgrund der niedrigeren Temperatur sowohl des Dorns als auch der Hülse wird das Laminat unterhalb der Schmelz­ temperatur der Thermoplastmatrix abgekühlt, das Laminat er­ starrt und der Dorn kann samt dem fertigen Rohr (9) aus der Hülse entnommen werden.The axial pressing force on the conical mandrel is increased until the desired wall thickness of the tube is reached. Due to the lower temperature of both the mandrel and the sleeve, the laminate is cooled below the melting temperature of the thermoplastic matrix, the laminate stares and the mandrel together with the finished tube ( 9 ) can be removed from the sleeve.

Claims (4)

1. Verwendung von Hybridgarnen zur Herstellung konischer Faserverbundrohre, insbesondere Kardanwellen für Kraft­ fahrzeuge, wobei die aus einem Gemisch aus Verstärkungs- und Thermoplastfasern bestehenden Hybridgarne auf einen sich drehenden und auf eine Temperatur von 5 bis 50°C unterhalb der Schmelztemperatur der Thermoplastfasern erwärmten, konischen Dorn aufgewickelt werden und der Wickelkörper bei Temperaturen von 20 bis 50°C oberhalb der Schmelztemperatur der Thermoplastfasern partiell aufgeschmolzen und mittels einer Hülse mit im Verhältnis zum Dorn zumindest annähernd gleichem Konuswinkel konso­ lidiert wird.1. Use of hybrid yarns for the production of conical Composite pipes, especially cardan shafts for power vehicles, which consists of a mixture of reinforcement and Thermoplastic fibers existing hybrid yarns on one rotating and to a temperature of 5 to 50 ° C below the melting temperature of the thermoplastic fibers heated, conical mandrel and the Windings at temperatures of 20 to 50 ° C above the melting temperature of the thermoplastic fibers partially melted and by means of a sleeve in proportion to the mandrel at least approximately the same cone angle is lidded. 2. Hybridgarne für die Verwendung nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch 30 bis 70 Vol.% Verstärkungsfasern und 70 bis 30% Thermoplastfasern.2. Hybrid yarns for use according to claim 1, marked characterized by 30 to 70 vol.% reinforcing fibers and 70 up to 30% thermoplastic fibers. 3. Hybridgarne für die Verwendung nach Anspruch 1 oder Hy­ bridgarne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern aus Glas, Kohlenstoff und/oder wärmebeständigen Kunststoffen bestehen.3. Hybrid yarns for use according to claim 1 or Hy bridgewarn according to claim 2, characterized in that the reinforcing fibers made of glass, carbon and / or heat-resistant plastics. 4. Hybridgarne für die Verwendung nach Anspruch 1 oder Hy­ bridgarne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoplastfasern aus Polyethylen, Polypropylen, Po­ lybutylenterephthalat, Polyamid, Polysulfon und/oder Po­ lyetherketon bestehen.4. Hybrid yarns for use according to claim 1 or Hy bridgewarn according to claim 2, characterized in that the thermoplastic fibers made of polyethylene, polypropylene, Po lybutylene terephthalate, polyamide, polysulfone and / or Po lyether ketone exist.
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