-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, das das Einführen eines
metallischen Rings in ein Verbundmaterialteil mit organischer Matrix
entweder nach der Herstellung dieses Teils oder während dieser
Herstellung ermöglicht.
-
Der
Ausdruck "metallischer
Ring" bezeichnet
hier jedes Metallelement oder Metalllegierungselement von im wesentlichen
ringartiger Form, wie z.B. ein Kugellager- oder Rollenlagerring,
eine Lagerbuchse, etc. ... Ein solcher metallischer Ring kann insbesondere
zum Lagern einer sich drehenden Welle oder einer Stange verwendet
werden, die in einem Verbundmaterialteil gleitet, das beispielsweise
ein Motorgehäuse
oder das Gehäuse
eines Mechanismus bildet.
-
Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Verbundmaterialteil mit organischer
Matrix, in das eine oder mehrere metallische Ringe integriert sind,
die in das Teil durch das Einführverfahren
eingesetzt sind.
-
Stand der Technik
-
Die
Verbundmaterialteile mit organischer Matrix haben insbesondere die
Eigenschaft, besonders geringe Dehnungskoeffizienten aufzuweisen.
-
Wenn
metallische Elemente wie z.B. Ringe in ein solches Teil eingesetzt
werden müssen,
stellt der Unterschied zwischen den Dehnungskoeffizienten des Metalls
und des Verbundmaterials Probleme, die bisher nicht auf zufriedenstellende
Weise gelöst
worden sind.
-
So
endet die Herstellung eines Verbundmaterialteils mit organischer
Matrix immer in einem Polymerisierungszyklus. Meistens erfolgt bei
diesem Polymerisierungszyklus eine Temperatursteigerung des Teils über 100°C, gefolgt
von einer progressiven Abkühlung.
Der Polymerisierungsschritt existiert sowohl wenn das Teil auf herkömmliche
Weise hergestellt wird, und zwar durch Drapieren von vorgetränkten Harzfasermatten, als auch
wenn das Teil gemäß der Formgebungstechnik
durch Harzübertragung
oder "RTM" (Resin Transfer
Molding) hergestellt wird, gemäß der eine
Vorform aus trockenen Fasern in eine Form eingegeben wird, die evakuiert
wird, bevor unter geringem Druck ein Harz geringer Viskosität eingespritzt
wird. Wenn das Verbundmaterialteil mit organischer Matrix, das hergestellt
werden soll, einen oder mehrere metallische Ringe aufweisen soll,
verbietet die Notwendigkeit, das Harz am Ende der Herstellung des
Teils zu polymerisieren, praktisch die Einführung bzw. das Einsetzen solcher
metallischer Elemente, bevor das Teil fertiggestellt ist. Im gegenteiligen Fall
nämlich
hätte(n)
das/die in das in der Herstellung befindliche Teil eingesetzte(n)
metallische(n) Element(e) die Auswirkung, dieses zu verformen oder
ein Spiel um das metallische Element unter der Einwirkung der unterschiedlichen
Dehnung bei der Polymerisierung zu erzeugen.
-
Wenn
ein oder mehrere metallische Ring (e) in ein Verbundmaterialteil
mit organischer Matrix eingesetzt werden sollen, erfolgt aus diesem
Grund das Einführen
bzw. Einsetzen allgemein in das fertiggestellte Teil. Zu diesem
Zweck wird in das Teil ein Sitz eingebracht, der den Ring, der eingesetzt
werden soll, aufnehmen kann, oder es wird eine Wand einer zu diesem
Zweck vorgesehenen Ausnehmung bei der Herstellung des Teils eingearbeitet.
-
In
allen Fällen
ist eine mechanische Bearbeitung des Teils notwendig. Diese mechanische
Bearbeitung führt
allgemein zur Durchtrennung bestimmter Fasern, die das Teil bilden.
Dies ist nicht ohne Konsequenz für
das mechanische Verhalten derselben in der betreffenden Zone.
-
Wenn
die metallischen Elemente in fertiggestellte Teile aus Verbundmaterial
mit organischer Matrix eingeführt
werden, kann übrigens
der Unterschied zwischen den Dehnungskoeffizienten des Metalls und
des Verbundmaterials noch bestimmte Probleme stellen. Dies ist besonders
dann der Fall, wenn das Teil in einer Umgebung eingesetzt werden
soll, bei der es zumindest einmal ein Temperaturschwankung von etwa
100° oder
darüber
erfährt.
Tatsächlich
sind die Risiken, dass sich das Teil verformt oder unter der Wirkung
der stärkeren
Dehnung der metallischen Ringe ein Spiel aufweist, hierbei größer.
-
Abriss der Erfindung
-
Aufgabe
der Erfindung ist ein Verfahren, das das Einführen eines metallischen Rings
in ein Verbundmaterialteil mit organischer Matrix entweder während der
Herstellung des Teils oder nach dieser ermöglicht, ohne dass der Unterschied
zwischen den Dehnungskoeffizienten des Metalls und des Verbundmaterials
Verformungen oder das Entstehen eines Spiels des Teils nach sich
zieht.
-
Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe mittels eines Verfahrens zum Einführen eines
metallischen Rings in ein Verbundmaterial mit organischer Matrix
erfüllt,
wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es die folgenden
Schritte umfasst:
- – getrennte Herstellung eines
Bundrings bzw. einer Umwickelung mit mindestens einer gewickelten
Faser, die einen Innendurchmesser aufweist, der gleich dem oder
kleiner als der Außendurchmesser
des metallischen Rings ist,
- – Montage
des metallischen Rings in den Bundring durch Abkühlen des Rings derart, dass
ein Verbundring gebildet wird, der einen Dehnungskoeffizienten aufweist,
welcher im wesentlichen gleich demjenigen des Verbundmaterialteils
ist.
-
Da
der metallische Ring von einem Bundring bzw. einer Umwickelung umgeben
ist, bildet er einen Verbundring, dessen Dehnungskoeffizient praktisch
der gleiche wie der des Verbundmaterialteils ist. Infolgedessen
kann dieser Verbundring in das Teil bei dessen Herstellung eingesetzt
werden, ohne dass Temperaturschwankungen, die von der Polymerisierung
des Harzes herrühren,
Konsequenzen für
die Integrität
des Teils hätten.
Außerdem
wird ungeachtet dessen, in welchem Augenblick der Verbundring in
das Teil (während
oder nach seiner Herstellung) eingesetzt wird, jedes Risiko einer
Verformung oder des Entstehens eines Spiels des Teils praktisch
ausgeschaltet, selbst wenn dessen Anwendung eine oder mehrere starke
Temperaturschwankungen impliziert.
-
Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung geht die Montage des metallischen Rings in den Bundring
einem Einführschritt
des Verbundrings in das fertiggestellte Teil oder bei der Herstellung
voraus.
-
Demgegenüber wird
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung der Bundring in das Teil während der Herstellung eingeführt, und
die Montage des metallischen Rings in dem Bundring wird später nach
einer Polymerisierungsphase der organischen Masse in dem Teil durchgeführt.
-
Auf
allgemeine Weise kann der Bundring hergestellt werden, indem entweder
eine trockene Faser oder eine mit Harz vorgetränkte Faser auf einen Dorn gewickelt
wird. Im ersten Fall wird die Faser mit Harz getränkt und
dann polymerisiert, bevor der Dorn von dem auf diese Weise geformten
Bundring getrennt wird. Im zweiten Fall wird das Harz, mit dem die
Faser getränkt
ist, direkt polymerisiert, bevor der Dorn vom Bundring getrennt
wird.
-
Vorteilhafterweise
wird ein rohrförmiger
Bundring hergestellt, welcher auf die Länge des metallischen Rings
abgelängt
wird, bevor er auf diesem angebracht wird.
-
In
allen Fällen
werden vorzugsweise Kohlenstofffasern zur Herstellung des Bundrings
verwendet.
-
Bei
der ersten Ausführungsform
der Erfindung kann man den Verbundring in einen zu diesem Zweck in
dem fertiggestellten Teil vorgesehenen Sitz einsetzen.
-
Bei
beiden Ausführungsformen
der Erfindung ist es auch möglich,
den Bundring oder Verbundring gleichzeitig mit einer Vorform trockener
Fasern in eine Gießform
einzusetzen, welche die Form des herzustellenden Teils hat. In letzterem
Fall wird anschließend
Harz in die Gießform
eingespritzt, dieses Harz polymerisiert, die Gießform abgekühlt, geöffnet, und das gemäß der RTM-Technik
fertiggestellte Teil daraus entnommen.
-
Aufgabe
der Erfindung ist auch, ein Verbundmaterialteil mit organischer
Matrix bereitzustellen, das mindestens einen in das Material eingesetzten
metallischen Ring aufweist, wobei das Teil dadurch gekennzeichnet
ist, dass der metallische Ring von einer Umwicklung bzw. einem Bundring
umgeben ist, der mindestens eine um den metallischen Ring gewickelte
Faser aufweist, die in einer polymerisierten Harzmatrix getränkt ist,
wobei der metallische Ring und der Bundring bzw. die Umwicklung,
die ihn umgibt, einen Verbundring bilden, der einen Dehnungskoeffizienten
aufweist, welcher im wesentlichen gleich demjenigen des Teils ist.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Im
folgenden werden anhand eines nicht einschränkenden Beispiels bevorzugte
Ausführungsformen der
Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
in denen zeigen:
-
1 eine
perspektivische Schnittansicht zur Darstellung eines Verbundrings,
der in ein Verbundmaterialteil mit organischer Matrix eingesetzt
werden kann, gemäß der Erfindung;
-
2 eine
Darstellung eines möglichen
Herstellungsbeispiels des Verbundrings der 1, und
-
3 eine
schematische Schnittansicht, die einen Abschnitt eines Teil gemäß der Erfindung
darstellt.
-
Detaillierte Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung
-
Gemäß der Erfindung,
und wie es insbesondere in 1 dargestellt
ist, wird, wenn ein metallischer Ring 10 in ein Verbundmaterialteil
mit organischer Matrix eingesetzt werden soll, ein Bundring bzw.
eine Umwicklung 12 um diesen metallischen Ring 10 herum
angeordnet.
-
Genauer
gesagt umfasst der Bundring bzw. die Umwicklung 12 mindestens
eine Faser 14, die um den metallischen Ring 10 herum
gewickelt ist, und die in einer polymerisierten Harzmatrix 16 getränkt ist.
Vorteilhafterweise ist/sind die Faser(n) 14, die um den
metallischen Ring 10 gewickelt wird/werden, Kohlenstofffasern.
-
Die
von dem metallischen Ring 10 und von dem sie umgebenden
Bundring 12 geformte Einheit bildet einen Verbundring 18 im
Innern des Verbundmaterialteils mit organischer Matrix.
-
Gemäß der Erfindung
werden die Eigenschaften des Bundrings bzw. der Umwicklung 12 und
insbesondere seine/ihre Dicke als Funktion des Dehnungskoeffizienten
des den Ring 10 bildenden Metalls und dessen Dicke bestimmt,
damit der so erhaltene Verbundring 18 einen Dehnungskoeffizienten
aufweist, der im wesentlichen gleich demjenigen des Teils ist, in
den der Verbundring eingesetzt werden soll.
-
Auf
allgemeine Weise wird gezeigt, dass der Dehnungskoeffizient αäqui des
Verbundrings 18 durch die folgende Beziehung gegeben ist:
-
-
- wobei
- αc = Dehnungskoeffizient des Bundrings 12,
- ec = Dicke des Bundrings 12,
- Ec = Elastizitätsmodul des Bundrings 12
- αm = Dehnungskoeffizient des metallischen
Rings 10,
- em = Dicke des metallischen Rings 10,
- Em = Elastizitätsmodul des metallischen Rings 10.
-
Wenn
ein Bundring
12 mit einer Kohlenstofffaser verwendet wird,
die in einer Richtung um den metallischen Ring
10 herum
gewickelt ist, ist der Dehnungskoeffizient α
c des
Bundrings
12 praktisch Null, und sein Elastizitätsmodul
E
c ist mindestens gleich demjenigen E
m des Rings
10. Der Dehnungskoeffizient α
äqui des
Verbundrings
18 genügt
dabei der Gleichung:
-
Die
Dicke ec des Bundrings kann also so gewählt werden,
dass der Dehnungskoeffizient αäqui des
Verbundrings nicht über
dem des Verbundmaterialteils mit organischer Matrix liegt, das hergestellt
werden soll.
-
Übrigens
ist der Innendurchmesser des Bundrings 12 kleiner oder
gleich dem Außendurchmesser
des metallischen Rings 10, der in das Teil eingesetzt werden
soll.
-
Um
ein Teil herzustellen, in das der Verbundring 18 der Figur
eingegliedert ist, sind zwei Ausführungsformen möglich. Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung wird der Verbundring 18 zuerst hergestellt
und dann in das Teil eingesetzt. Mit anderen Worten wird der metallische
Ring 10 in dem Bundring 12 vor dem Einsetzen in
das Teil angebracht. In diesem Fall kann der Verbundring 18 entweder
in das fertiggestellte Teil oder in das Teil im Verlauf der Herstellung
eingesetzt werden.
-
Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung wird der Bundring bzw. die Umwickelung 12 zunächst in
das Teil bei dessen Herstellung eingesetzt. Erst wenn die organische
Matrix des Teils polymerisiert ist bzw. wird, wird der metallische
Ring 10 in dem Bundring 12 angebracht.
-
In
allen Fällen
wird der Bundring 12 getrennt von dem metallischen Ring 10 hergestellt.
Das Anbringen des metallischen Rings 10 im Bundring 12 erfolgt,
nachdem der metallische Ring genügend
abgekühlt
ist, um provisorisch dessen Außendurchmesser
zu verkleinern.
-
Um
den Bundring bzw. die Umwickelung 12 herzustellen, wird/werden
die Faser(n) 14 auf einen Dorn gewickelt, welcher den gleichen
Außendurchmesser
aufweist wie der metallische Ring 10. Je nach Fall kann/können die
auf den Dorn aufgewickelte(n) Faser(n) 14 mit Harz vorgetränkt sein
oder trocken sein.
-
Wenn
die Faser(n) 14 mit Harz getränkt ist/sind, wird der am Dorn
angebrachte Bundringrohling polymerisiert. Anschließend wird
der Dorn unter Anwendung herkömmlicher
Verfahren von dem so erhaltenen Bundring 12 getrennt. Unter
diesen Verfahren ist die Abkühlung
des Aufbaus zu nennen, die zu einer Kontraktion des Dorns führt, welche
genügt,
um den Bundring abzunehmen, oder die Zerstörung des Dorns oder die Verwendung
eines demontierbaren Dorns.
-
Wenn
die Faser(n) 14, die auf den Dorn aufgewickelt wird/werden,
(eine) trockene Faser(n) ist/sind, werden anschließend diese
Faser(n) mit Harz getränkt,
beispielsweise mittels des RTM-Verfahrens. Das nachfolgende Verfahren
ist identisch mit dem vorhergehenden Fall, das heißt, dass
der an dem Dorn angebrachte Bundringrohling polymerisiert wird,
wonach der erhaltene Bundring vom Dorn getrennt wird.
-
Es
ist so möglich,
entweder direkt einen Bundring 12 herzustellen, der die
Länge des
Bundrings aufweist, der hergestellt werden soll, oder auf dem Dorn 20 (2)
einen rohrförmigen
Bundring 12' größerer Länge herzustellen,
der anschließend
auf die Länge
des metallischen Rings, der in dem Bundring anzubringen ist, abgelängt wird
(Pfeil 21).
-
Bei
der ersten Ausführungsform
der Erfindung wird der erhaltene Bundring 12 anschließend auf
dem metallischen Ring 10, der in das Verbundmaterialteil
mit organischer Matrix eingesetzt werden soll, aufgebracht. Zu diesem
Zweck wird eine Abkühlung
des metallischen Rings 10 vorgenommen, die ausreicht, damit der
Außendurchmesser
dieses Rings kleiner wird als der Innendurchmesser des Bundrings 12.
Diese Abkühlung
kann insbesondere durch Eintauchen des metallischen Rings 10 in
flüssigen
Stickstoff erzielt werden. Das Aufsetzen des Bundrings 12 auf
den metallischen Ring 10 kann hierbei einfach vorgenommen
werden. Wenn die Einheit wieder die Umgebungstemperatur annimmt,
ist der metallische Ring 10 dauerhaft im Innern des Bundrings 12 verblockt.
-
Der
durch das soeben beschriebene Herstellungsverfahren angefertigte
Verbundring 18 wird anschließend in das Verbundmaterialteil
mit organischer Matrix entweder vorzugsweise bei der Herstellung
dieses Teils oder am Ende dieser Herstellung eingesetzt.
-
Wenn
das Verbundmaterialteil mit organischer Matrix gemäß der herkömmlichen
Technik des Drapierens hergestellt wird, können die mit Harz vorgetränkten Fasermatten,
welche das Teil bilden, direkt um den oder die Verbundring (e) 18 herum
drapiert werden, welche in dieses Teil eingesetzt werden sollen.
Auf diese Weise wird die Kontinuität der Fasern, die in die Zusammensetzung
des Verbundmaterialteils eintreten, gewährleistet. Außerdem ist
die spätere
Polymerisierung des Harzes ohne Konsequenz für das mechanische Verhalten
des Teils. In der Tat gleicht die Präsenz des Bundrings 12 um
jeden der metallischen Ringe 10 die Dehnung derselben aus,
die sich bei dem Polymerisierungszyklus ergibt. Mit anderen Worten
dehnt sich wegen der Präsenz
des Bundrings 12 der metallische Ring 10 nicht,
sondern wird elastisch komprimiert. Infolgedessen dehnt sich der
aus dem Zusammenbau des metallischen Rings 10 und des Bundrings 12 gebildete
Verbundring 18 praktisch nicht mehr als das Verbundmaterial,
das ihn umgibt, wenn das in diesem Material enthaltene Harz polymerisiert.
-
Wenn
das Verbundmaterialteil mit organischer Matrix gemäß der RTM-Technik
hergestellt wird, wird/werden der/die Verbundring (e) 18 mit
einer Vorform trockener Fasern in den Hohlraum einer Gießform eingebracht,
die der Form des herzustellenden Teils angepasst ist. Die Gießform wird
anschließend
evakuiert und ein Harz geringer Viskosität wird unter niedrigem Druck
in die Gießform
eingespritzt. Anschließend
wird das Harz im Innern der Gießform
einem Polymerisierungszyklus unterzogen. Letztere wird anschließend abgekühlt und
dann geöffnet,
um aus ihr das erhaltene Teil zu entnehmen. Die vorher im Fall eines
durch das herkömmliche
Verfahren des Drapierens erhaltenen Teils erzielten Vorteile finden
sich auch in diesem Fall wieder. Außerdem ist der Vorteil, der
sich aus der Nicht-Dehnung des metallischen Rings 10 während des
Polymerisierungszyklus ergibt, noch besser ausgeprägt wegen
der Tatsache, dass die Polymerisierungstemperatur der in dem RTM-Verfahren
verwendeten Harze höher
ist als bei Anwendung der herkömmlichen
Drapiertechniken. Außerdem
ist anzumerken, dass die Teile, die durch die RTM-Technik erhalten
werden können,
häufig Teile
einer komplexen Geometrie sind, wie z.B. Motorgehäuse und
Gehäuse,
in die häufig
metallische Elemente, wie Ringe, eingesetzt werden.
-
In 3 ist
ein Beispiel eines Teils dargestellt, das gemäß der RTM-Technik erhalten
wurde und das einen metallischen Ring 10 darstellt, der
im Verlauf der Herstellung auf die soeben beschriebene Weise eingesetzt
wurde. In diesem Beispiel umfasst der Verbundring 18 einen
Bundring 12, der einen metallischen Ring 10 umgibt,
welcher von dem Außenring
eines Kugellagers 22 gebildet wird. Der Bundring 12 des
Verbundrings 18 ist in eine Nabe 24 eines Verbundmaterialteils
mit organischer Matrix beim Gießverfahren
dieses Teils im Rahmen der RTM-Technik integriert worden.
-
Es
ist anzumerken, dass ein so erhaltenes Teil auch starke Temperaturschwankungen
bei seiner Verwendung ohne Schäden
ertragen kann. Der Bundring 12 verhindert nämlich die
Dehnung des metallischen Rings 10, die normalerweise bei
diesen Temperaturschwankungen erfolgen würde. Demzufolge sind die Dehnungen
des Verbundmaterialteils und des Verbundrings 18 im wesentlichen
die gleichen. Es besteht also praktisch kein Risiko der Verformung
des Verbundmaterialteils mit organischer Matrix durch den metallischen
Ring.
-
Wie
vorstehend beschrieben wurde, wird der Verbundring 18 vorzugsweise
während
der Herstellung des Teils in dieses integriert. Als Variante ist
es jedoch auch möglich,
diese Integrierung nach der Herstellung des Teils bei der ersten
Ausführungsform
der Erfindung vorzunehmen.
-
In
diesem Fall weist das hergestellte Teil vorteilhafterweise eine
Ausnehmung im wesentlichen von der Größe des Verbundrings auf. Eine
oberflächliche
mechanische Bearbeitung der Wand dieser Ausnehmung gestattet es,
den Verbundring ohne größeren Schaden
für die
in die Zusammensetzung des Verbundmaterialteils mit organischer
Matrix eintretenden Faser einzuführen.
-
Diese
Lösung
kann bei all denjenigen Fällen
eingesetzt werden, bei denen das Teil starken Temperaturschwankungen
(mindestens 100°C)
bei seiner Verwendung ausgesetzt ist. Die vorher beschriebene Lösung, gemäß der der
Verbundring in das Teil während
seiner Herstellung eingesetzt wird, wird jedoch bevorzugt.
-
Bei
der zweiten Ausführungsform
der Erfindung wird der Bundring 12 in das Teil während dessen
Herstellung eingesetzt. Dies kann unter Anwendung der herkömmlichen
Drapiertechnik vorgenommen werden oder unter Anwendung der RTM-Technik.
Im letzteren Fall wird der Bundring bzw. die Umwicklung 12 in
die Gießform
mit der Vorform aus trockener Faser gegeben. Unabhängig von
der verwendeten Technik wird der metallische Ring 10 erst
dann in dem Bundring 12 zur Bildung des Verbundrings 18 angebracht,
wenn das die Verbundmatrix des Teils bildende Harz polymerisiert
ist.
-
Das
durch diese zweite Ausführungsform
der Erfindung erhaltene Teil weist die gleichen Eigenschaften und
Vorteile auf wie bei Anwendung der ersten Ausführungsform.