DE69008777T2

DE69008777T2 - Hochfeste Befestigungsmittel aus faserverstärkten Polymeren mit Gewinden, zum Beispiel Schraubenmutter und -bolzen.

Info

Publication number: DE69008777T2
Application number: DE69008777T
Authority: DE
Inventors: Michael Geoffrey Clements; Peter John Hastwell; Stan Pomorski; Edward Philip Thicthener
Original assignee: Applied Research of Australia Pty Ltd
Current assignee: Applied Research of Australia Pty Ltd
Priority date: 1989-06-14
Filing date: 1990-06-13
Publication date: 1994-12-08
Anticipated expiration: 2010-06-14
Also published as: US5152945A; EP0403940B1; CA2018966A1; DE69008777D1; AU631881B2; CA2018966C; EP0403940A1; AU5699090A

Description

GRUNDLAGEN DER ERFINDUNG

Es gibt viele Anwendungsbeispiele, wo ein Bedarf an polymeren Befestigungselementen besteht, insbesondere im Bergbau, in Betriebsanlagen der chemischen Industrie und im Schiffsbau. Im Bergbau wird durch Verwendung von Polymeren das zeitaufwendige Entfernen von Gesteinsbolzen überflüssig, da Bolzen aus Polymeren von einer Bergwerksmaschine zusammen mit dem Gestein abgebaut werden können. In der chemischen Industrie, der Luft- und Raumfahrt und dem Schiffsbau finden polymere Befestigungselemente wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit Verwendung, da rostfreier Stahl häufig nur bedingt geeignet ist, weil er unter bestimmten Bedingungen korrodiert und unter manchen Bedingungen einer Spannungskorrosion ausgesetzt ist, so daß rostfreier Stahl für diese Anwendungen kein zuverlässiges Material ist. Ein alternatives Metall ist Titan, das aufgrund seiner ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit in vielen Fällen verwendet werden kann, jedoch sehr teuer ist. Ein weiterer Vorzug ist das geringe Gewicht, das insbesondere für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt von Bedeutung ist, bei denen z. B. Eefestigungsbolzen aus Stahl für eine bequeme Handhabung oft zu schwer sind.
Es ist vielfach versucht worden, polymere Befestigungselemente einzusetzen, wobei die gängigste Konstruktion aus einein Bolzen besteht, der mehrere längsgerichtete Verstärkungsfasern aufweist, und dessen Gewinde mit einem Diamantschneider geschnitten wird, der die Gewinde zwar ohne übermäßigen Materialabtrag formt, dabei jedoch manche Fasern durchtrennt, so daß dadurch die Kontinuität der Zugbewehrungen an den Gewinden, d. h. dort, wo sie am meisten benötigt werden, unterbrochen ist. Es ist bereits bekannt, daß unter normalen Einsatzbedingungen für Befestigungselemente, bei denen linear elastische Metalle mit isotropen Eigenschaften, wie z. B. Weichstahl, verwendet werden, und bei denen die Steigung der Außen- und Innengewinde gleich ist, bei Anlegen einer Zugspannung an die Mutter zwischen 30 und 60 % der Spannung von dem ersten Gewindegang aufgenommen werden. Es wird verschiedentlich versucht, die Belastung dadurch zu verteilen, daß z. B. die Steigung der Innengewinde etwas größer ausgelegt wird als die des Außengewindes, aber trotz dieser Maßnahmen kommt es immer noch zu einer übermäßigen Druckbelastung des ersten inneren Gewindeganges und einer Dehnung des ersten äußeren Gewindeganges, so daß bei polymeren Bolzen nach dem Stand der Technik mit einem Ausreißen des Gewindes nach Domino-Manier gerechnet werden muß. Es ist darauf hinzuweisen, daß ein mit einer gerichteten Endlosfaser verstärkter Kunststoff im allgemeinen eine geradlinige Kraft-Längenänderungs-Kurve bis zum Reißen zeigt und nicht den Vorteil der meisten Metalle bietet, die sich bei Erreichen der Streckgrenze geringfügig verformen. Nach Kenntnis der Anmelderin hat z. B. die beste auf dem Markt befindliche Mutter-Schrauben-Verbindung aus Kunststoff, die dem Stand der Technik entspricht, eine Reißfestigkeit von nur 100 kN. Bei Stabstahl gleichen Durchmessers aus gewöhnlichem Weichstahl liegt die S-Lreckgrenze bei etwa 95 kN und die Bruchfestigkeit bei etwa 140 kN.

STAND DER TECHNIK

Die Druckschrift AU-B-586930/AU-A-76314/87 (DUPONT) beschreibt einen polymeren Stehbolzen, auf den eine Mutter mit einem Brechbund auf zuschrauben ist, der beim Anziehen der Mutter bricht und damit den ordnungsgemäßen Sitz des Stehbolzens anzeigt. Der Bolzen hat zur Verankerung in einer Felsbohrung an seinem Schaft ein Profil, wie es üblicherweise bei Gesteinsbolzen aus Stahl verwendet wird, und ebenso wie bei Stahl-Gesteinsbolzen wird beim Drehen des Bolzens ein Bindemittel aus Kunstharz in die Felsbohrung eingebracht, um eine Bindung zwischen dem Schaft und der Oberfläche der Felsbohrung herzustellen.
Die Druckschriften AU-B-579703/AU-A-52431/86 (Isler et al.) sowie US-A-4,523,880 beschreiben einen Anker zum Einsetzen in eine Felsbohrung, der mehrere Spreizbolzen mit Keilflächen aufweist, die in die Oberfläche einer Felsbohrung eingreifen. An einem Ende des Ankers ist eine mit einem Gewinde versehene Hülse angeklebt.
Weiterer Stand der Technik ist in der US-A-3,837,258 (Williams) beschrieben.
Die Druckschrift GB-A-2108900 (Conley) offenbart ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Sie zeigt und beschreibt eine faserverstärkte Bohrstange aus Kunststoff sowie ein Verfahren zum Herstellen der Bohrstange, bei dem Verstärkungsfasern derart verformt werden, daß sie sich in Gewindekonturen einer Gießform einschmiegen, die in einer Längsmittelebene der Stange geteilt ist, wobei der untere und obere Teil der Gießform gleich ausgebildet sind. Das Verformen der Fasern erfolgt durch Einschrauben eines Aufweitewerkzeuges mit Außengewinde in die offenen Enden der geschlossenen Gießform, um die Fasern derart aufzuspreizen, daß sie nahe der mit Gewinde versehenen Oberfläche des Hohlraumes positioniert sind; nach dem Aushärten wird das Werkzeug entfernt und die durch das Aufweitewerkzeug entstandene Höhlung verschlossen oder mit Gießharz verfüllt. Bei dieser Verwendung der Gießform kann es dazu kommen, daß benetzte Fasern in den Spalt zwischen den Gießformflächen in der Teilungsebene der Gießform hineingedrückt werden.
Werden benetzte Glasfasern oder sonstige verstärkte Kunststoffe während des Aushärtens mit Druck beaufschlagt, um eine Lunkerbildung zu verhindern und überschüssiges Harz zu entfernen, so erhöht sich ihre Zugfestigkeit beträchtlich. Weist ein Schaft jedoch irgendwelche herausstehende Vorsprünge wie z. B. Gewinde oder Rippen auf, so muß die Gießform eingezogene Flächen aufweisen, es sei denn, die Teilungsebene der Gießform liegt quer zu der Mittelachse des Befestigungselementes. Ein ernstes Problem besteht jedoch darin, daß bei der oben beschriebenen regulären Anordnung der Gießform ein Beaufschlagen des benetzten Faserstranges mit Druck zur Folge hat, daß benetzte Fasern aus dem Innenraum der Gießform herausgedrückt werden und zwischen die Flächen in der Teilungsebene der Gießform geraten.
Der Erfindung liegt vor allem die Aufgabe zugrunde, diese beiden Schwierigkeiten zu beseitigen, die bei Verwendung der bisherigen Verfahren auftreten.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Herstellungsverfahren vorzusehen, bei dem ein mit einem Gewinde versehenes Schaftende hergestellt werden kann, das einen größeren Durchmesser aufweist als der restliche Schaft.
Gemäß Anspruch 1 der Erfindung wird ein Hineindrücken von benetzten Fasern in den Spalt zwischen den Flächen der Gießform im wesentlichen dadurch verhindert, daß eine Gießform-Konfiguration verwendet wird, bei der ein Aufnahme-Gießformteil eine ein Gewinde bildende Ausnehmung aufweist, die von auf Abstand liegenden, parallelen Seiten überragt wird, zwischen denen ein Gießformteil-Einsatz gleitet.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der Erfindung werden Verstärkungsfasern in einem Bad mit wärmehärtbarem Harz benetzt und zu einem benetzten Strang zusammengeführt, der in eine parallele innere Seitenwände aufweisende Ausnehmung mit U-Profil eines ersten Gießformteiles eingelegt wird, wobei ein zweiter Teil der Gießform mit Seitenwänden und einer konkaven Gießformfläche die Ausnehmung dadurch verschließt, daß er zwischen die parallelen inneren Seitenwände gleitet, und wobei der benetzte Strang mit Druck beaufschlagt wird, ohne daß benetzte Fasern herausgedrückt werden. Beide Teile der Gießform haben Gießformflächen, die Konturen von Befestigungsflächen aufweisen, welche herausstehende Gewinde oder Vorsprünge sein können, die in Form von ringförmigen Profilen an dem Schaft angeordnet sind.
Bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen, bei denen die Befestigungsflächen durch an einem Ende des Schaftes vorgesehene Gewinde gebildet sind, kann das Befestigungselement durch einen positiven Einsatz geweitet werden, der mittig in die benetzten Fasern eingesetzt wird und einige der Fasern derart in das Innengewinde drückt, daß sich zumindest einige Fasern den Gewindekonturen teilweise anpassen. Der Einsatz wird in die Gießform eingedrückt, während sie geschlossen und mit Druck beaufschlagt ist. Durch das Eindrücken der Verstärkungsfasern in die Gewinde derart, daß sie sich den Konturen des Gewindes anpassen, wird die Festigkeit des Gewindes beträchtlich erhöht. Der positive Einsatz kann aus einem härtbaren polymeren Stoff bestehen oder durch einen mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildeten Keil gebildet sein, der vor dem Aushärten des Harzes in das Strangende eingedrückt wird, wobei der Keil seinerseits Gewindekonturen mit derselben Steigung wie das Innengewinde, jedoch einem geringeren Durchmesser aufweisen kann und einzuschrauben ist. Während des Aushärtens des Harzes kann der Einsatz in dem Strang verbleiben. Wird das Befestigungselement an einem Ende durch einen Einsatz aufgeweitet, so kann die herkömmliche Anordnung der Gießform verwendet werden, bei der die Teile der Gießform in einer senkrecht zu dem Schaft verlaufenden Teilungsebene voneinander zu trennen sind, so daß keine Paßflächen erforderlich sind.
Insbesondere weist das Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten polymeren Befestigungselementes mit einem Außengewinde die folgenden Verfahrensschritte auf:
(a) Benetzen mehrerer Verstärkungsfasern mit wärmehärtbarem polymerem Harz,
(b) Zusammenfügen der benetzten Fasern zur Bildung eines benetzten kohärenten Stranges,
(c) zumindest teilweises Einlegen des benetzten kohärenten Stranges in eine Ausnehmung eines ersten Teiles einer Gießform mit U-Profil; die Ausnehmung hat parallele innere Seitenwände und eine erste konkave Gießformfläche, die in einem Basisteil angeordnet ist und in die inneren Seitenwände übergeht, wobei der Basisteil nahe einem Ende der Ausnehmung passende Konturen der Befestigungsflächen aufweist,
(d) Verschließen des ersten Teiles durch einen zweiten beweglichen Teil der Gießform, der äußere Seitenwände aufweist, die zwischen die parallelen inneren Seitenwände der Ausnehmung gleiten, sowie eine zweite konkave Gießformfläche, die in die parallelen äußeren Seitenwände übergeht, wobei die zweite Gießformf läche an dem einen Ende ebenfalls passende Konturen der Befestigungsflächen aufweist, und Beaufschlagen der Gießformteile mit Druck zwecks Verformung der benetzten Fasern, so daß sich das Harz den passenden Konturen anpaßt und sich die Fasern zumindest teilweise in diese Konturen einschmiegen, und
(e) zumindest teilweises Aushärtenlassen des Harzes, öffnen der Gießform und Entfernen des Befestigungselementes aus der Form.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein Ende des benetzten kohärenten Stranges in geschlossenem Zustand der Gießform durch einen positiven Einsatz aufgeweitet.
Ist der positive Einsatz durch einen konischen Keil gebildet, so wird er durch Hineindrücken in ein Ende der Gießform eingesetzt.
Weist der Keil die zuvor beschriebenen Gewindekonturen auf, so wird er durch Einschrauben in die benetzten Fasern an dem Ende der Gießform eingesetzt.
Besteht der positive Einsatz aus einem härtbaren polymeren Stoff, so wird er durch Einspritzen in das Ende der Gießform eingesetzt. Die Spritzdüse muß zwar vor dem Aushärten des Harzes eingesetzt werden, damit einige der Verstärkungsfasern in die Konturen der Befestigungsflächen der Gießform hineingedrückt werden, doch ist es nicht immer erforderlich, die Düse herauszuziehen und den polymeren Stoff einzuspritzen, bevor das Harz ausgehärtet ist.
Gemäß der Erfindung sind die Verfahrensschritte nicht notwendig in der Reihenfolge durchzuführen, wie sie in den Ansprüchen angegeben ist.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung, mittels der die Festigkeit der Gewindegänge einer Mutter beträchtlich erhöht werden kann, und bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die Mutter dadurch hergestellt, daß zunächst Fasern auf das Gewindeprofil eines Dornes aufgelegt werden, um die Festigkeit sowohl in Längsrichtung als auch in Richtung des Umfanges zu erhöhen (um den Zug- bzw. Umfangsspannungen in der Mutter zu widerstehen); danach wird der Dorn in eine mit härtbarem Harz gefüllte Gießform eingesetzt und diese geschlossen, so daß die Gießform das Außenprofil der Mutter bildet, worauf die Gießform geöffnet wird und der Dorn und die Mutter herausgenommen werden. Um dem Innengewinde der Mutter die erforderliche Festigkeit zu verleihen, wird zweckmäßig ein Gewebe oder ein Geflecht verwendet, wobei die Umwickelungslitze zur Erhöhung der Umfangsfestigkeit beitragen kann. Wird das Harz mit Druck oder mit Hitze und Druck beaufschlagt, so ist es nicht immer erforderlich, die Gewindeprofil-Fasern vorher zu benetzen. Die Mutter kann aus einer teigigen (breiförmigen) oder einer blattförmigen Premix-Preßmasse geformt werden. Beide Preßmassen können Vinylester oder Polyesterharz und einen Katalysator mit jeweils bis zu 20 Gewichtsprozent Glag oder 70 Gewichtsprozent Glasfaserverstärkung enthalten.
Wie oben ausgeführt, ist es insbesondere bei faserverstärkten Kunststoffen erforderlich, die Belastung des Gewindes auf viele Gewindegänge zu verteilen. Die Erfindung sieht auch eine Kombination gemäß Anspruch 15 vor. Der mit einem Gewinde versehene Strang (positive Teil) des Befestigungselementes wird aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt, der einen höheren Elastizitätsmodul hat als die Mutter, und in diesem Fall ist die teigige oder blattförmige Premix-Preßmasse für die Festigkeit der Mutter ausreichend.
Bei Anwendungen im Bergbau wird häufig der Schaft eines Bolzens mittels eines Zweikomponenten-Zementgemisches oder eines katalysierten Harzes mit Füllstoff mit den Wänden eines vorgebohrten Loches vergossen, das in der Wand eines Schachtes ausgebildet ist. Zum Mischen des Zementes bzw. der Vergußmasse (die extrem schnell aushärtet) weisen die Schäfte oft vorstehende Rippen auf und werden gedreht. Bisweilen mißlingt der Verguß, und es hat sich herausgestellt, daß dies auf unzureichendes Mischen zurückzuführen ist. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Schaft von unterbrochenen und versetzt angeordneten Ripper umschlossen, womit eine wesentlich bessere Durchmischung erzielt wird. Die Rippen können im wesentlichen durch abwechselnd links- und rechtsgängige Wendeln gebildet sein. Ist ein kurzer Abschnitt nahe dem Ende des Befestigungselementes in nur einer Richtung gewendelt, beispielsweise nach links, so bewirkt die Drehung des Schaftes in einem Bohrloch, daß der Zement oder Harzfüllstoff nach innen befördert wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Im folgenden sind Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Darstellungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung den Verfahrensschritt (a), d. h. das Benetzen mehrerer Verstärkungsfasern zur Bildung eines benetzten kohärenten "Stranges",
Fig. 2 einen Längsschnitt der offenen Gießform vor Einsetzen eines Einsatzes,
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2, wobei die Gießform eine zweiteilige Form ist,
Fig. 4 einen Schnitt durch eine dreiteilige Gießform,
Fig. 5 einen Längsschnitt durch das Befestigungselement,
Fig. 6 einen teilweisen Längsschnitt, der einen Teil des verdickten, mit einem Gewinde versehenen Endes des Befestigungselementes in einem größeren Maßstab als in Fig. 5 zeigt,
Fig. 7 einen Querschnitt durch einen hohlen Spritzkopf, der zum Einspritzen eines härtbaren polymeren Einsatzes in das Strangende benutzt werden kann,
Fig. 8 eine Produktionsanlage in schematischer Darstellung,
Fig. 9 einen Längsschnitt zur Erläuterung eines ersten Verfahrensschrittes zur Herstellung einer faserverstärkten polymeren Mutter,
Fig. 10 einen Längsschnitt zur Erläuterung eines weiteren Verfahrensschrittes zur Herstellung der Mutter,
Fig. 11 eine bevorzugte Gewindeform gemäß der Erfindung,
Fig. 12 eine perspektivische Ansicht einer ersten Rippen-Konfiguration, die einen Teil eines Stabes umschließt, der kein Gewinde aufweist,
Fig. 13 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Rippen- Konfiguration,
Fig. 14 eine Relation zwischen der Anzahl von Faserbündeln und der Zugfestigkeit eines Stabes,
Fig. 15 eine Kraft-Längenänderungs-Kurve eines Stabes gemäß dieser Ausführungsform im Vergleich zu einem Weichstahl- Stab gleichen Querschnitts, und
Fig. 16 in schematischer Darstellung das Aufweiten eines Strangendes auf einem mit Gewinde versehenen Einsatz.
In Fig. 1 sind mehrere Glasfaserbündel 20 gezeigt, die von ihren zylindrischen Spulen 21 abgewickelt und durch ein Bad 22 mit katalysiertem Harz geführt werden. Es handelt sich dabei um die Stufe (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierfür geeignete Harze sind Vinylester und Polyester-, Epoxy- oder Phenolharze, die Pigmente oder Zusätze enthalten können, durch die bei Bedarf weitere Eigenschaften wie z. B. elektrische Leitfähigkeit, Feuerfestigkeit oder geringere Dichte zu erzielen sind. Die benetzten Faserbündel werden aus dem Bad herausgezogen und bilden einen kohärenten benetzten Strang 23.
Im nächsten Verfahrensschritt wird der Strang 23 in eine offene Gießform 24 eingelegt, die im Inneren ein U-Profil aufweist, das innere parallele Seitenwände 25 hat, in die ein konkaver Boden 26 übergeht, sowie Ausnehmungen 27 zur Bildung von Vorsprüngen 28, wie sie in den Fig. 12 und 13 gezeigt sind, wobei die Gießform mindestens einen bewegbaren Teil 29 mit parallelen Seitenwänden 30 aufweist, der zwischen die inneren Seitenwände 25 gleitet. Jeder Teil der Gießform weist die Form eines Gewindes 31 auf, dessen Kontur im wesentlichen sinusförmig ist, wie Fig. 11 zeigt.
Nach Schließen der Gießform wird in ein Ende des benetzten Stranges 23 ein positiver Einsatz 32 eingesetzt. In den Fig. 2, 5 und 6 handelt es sich dabei um einen zylindrischkonischen Einsatz. Dies hat zur Folge, daß die zuvor geraden Glasfaserbündel 20 in das Innengewinde gedrückt werden und sich dessen Konturen teilweise anschmiegen. Danach kann der Einsatz herausgenommen und durch härtbares Harz ersetzt werden, verbleibt vorzugsweise aber nach dem Gießen in dem Strang, und die Querschnittsfläche des Einsatzes ist vorteilhaft, jedoch nicht notwendig so gewählt, daß der Querschnitt des faserverstärkten Kunststoffes in dem den Einsatz umgebenden Ring gleich der Querschnittsfläche des Schaftes des Befestigungselementes ist.
Das Harz kann unter Druck aushärten. Die Fig. 5 und 6 zeigen das mit einem Gewinde versehene verdickte Ende 3 des Befestigungselementes, wobei das Gewinde in einem kurzen parallelen Abschnitt 34 des Befestigungselementes endet, der seinerseits in einen verjüngten Abschnitt 35 und schließlich in einen Abschnitt 36 mit parallelen Mantellinien übergeht, aus dem die Vorsprünge 28 herausstehen. Versuche haben ergeben, daß durch diese Anordnung das Auftreten von Bruch infolge von Spannungskonzentration in dem Befestigungselement reduziert wird, da die unterschiedlichen Ausrichtungen der Glasfaserbündel 20 sanft ineinander übergehen.
Sind die effektiven Gießformflächen nur "halbrund" ausgebildet, so können bei den Gießformen nach dem Stand der Technik beim Schließen der Form in der Teilungsebene Fasern herausgedrückt werden (ausgenommen an dem noch aufzuweitenden Ende). Durch die in Fig. 3 gezeigte Anordnung kann dies jedoch vermieden werden; es sind zwei in Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 37 bezeichnete flache Bereiche gebildet, die es ermöglichen, nach dem Öffnen der Gießform 24 das Befestigungselement aus dieser zu entfernen. Die flachen Teile erleichtern auch das Vergießen des Schaftes in einem Bohrloch, weil härtbares Harz oder Vergußmasse in axialer Richtung über die flachen Bereiche fließen kann. Es gibt jedoch noch einen weiteren Vorteil. An dem Ende des Stranges, an dem das Gewinde 31 ausgebildet ist, passen sich die Verstärkungsfasern 20 teilweise den Gewindekonturen an (Fig. 6). Wird ein durchgängiges Gewinde 31 benötigt, das nicht durch die flachen Bereiche 37 unterbrochen ist, so kann eine dreiteilige Gießform verwendet werden, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist. Die offene Gießform 24 hat zwei Teile 24a und 24b, die zur Freigabe der Gewinde 31 und der Vorsprünge 28 in seitlicher Richtung voneinander zu trennen sind. Bezüglich der Schaftlänge kann die Gießform alternativ wie in Fig. 3 ausgebildet sein, jedoch an dem mit einem Gewinde versehenen Ende, an dem der Durchmesser des Stranges vergrößert wird, einen herkömmlichen Gießformteii aufweisen, da dieses Ende erst nach Schließen der Gießform mit Druck beaufschlagt wird.
In Fig. 6 ist die Form des Gewindes 31 stark vergrößert dargestellt, wobei die benetzten Fasern 20 eine Form angenommen haben, die etwa der Außenfläche des Gewindes entspricht.
Fig. 7 zeigt einen Spritzkopf 38, der in ein Ende des Stranges 23 in derselben Weise wie der Keil 32 einzusetzen ist. Nachdem durch den Kopf 38 ein härtbarer polymerer Stoff eingespritzt und der Kopf herausgezogen wurde, verbleibt der härtbare Stoff als positiver Einsatz in dem durch den Kopf 38 entstandenen Raum. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß der härtbare Stoff unter hohem Druck eingespritzt werden kann und zusätzlich dazu beiträgt, daß sich die Fasern 20 unter Flüssigkeitsdruck in die Hohlräume des Innengewindes 31 einlegen, wobei die Fasern nicht beschädigt werden.
Fig. 8 zeigt in schematischer Darstellung eine Produktionsanlage, in der nach dem Gießen und Aushärten eines Befestigungselementes in einer dreiteiligen Gießform 24, wie sie oben beschrieben und in Fig. 4 dargestellt ist, die drei Teile 24a, 24b und 29 getrennt werden, das ausgehärtete Befestigungselement mittels einer Winde 39 aus der Gießform 24 herausgezogen und ein weiterer Teil des benetzten Stranges 23 (in zwei Teilsträngen) in die Gießform 24 eingezogen wird, worauf diese wieder geschlossen wird. Nach dem Schließen der Gießform 24 und vor dem Aushärten des Harzes wird der Spritzkopf 38 in das Eintrittsende der Gießform 24 eingesetzt und ein Ventil 40 eines Druckbehälters 41 (oder dergleichen, z. B. eines Druckspeichers) geöffnet, um durch den Kopf 38 eine härtbare teigige Premix-Preßmasse einzuspritzen. Nach dem Härten und der Entnahme aus der Gießform 24 härtet das Harz weiter aus, bis es ausreichend hart ist, um durch eine Säge 42 abgesägt zu werden.
In den Fig. 9 und 10 ist die Herstellung einer Mutter 44 gezeigt (die auch in Fig. 5 dargestellt ist). Fig. 9 zeigt einen Dorn 45 mit einem Gewinde 46, das dem Gewinde 31 entspricht, jedoch eine etwas größere Steigung hat. Der Dorn 45 ist mit einer Lage eines Verstärkungsgewebes 47 überzogen, dessen Kettfäden in Längsrichtung und dessen Schußfäden in Richtung des Umfanges verlaufen. Die Kettfäden sollten genügend stabil sein, um das Schraubengewinde in Längsrichtung zu verstärken. Da die Mutter natürlich auch einer beträchtlichen Umfangsspannung ausgesetzt ist, ist zur Verstärkung der Mutter gegen die Umfangsspannung eine Litze 48 wendelförmig um das Verstärkungsgewebe 47 gewickelt.
Die äußere Form der Mutter wird in einer Druckgießform 49 hergestellt, die mit einer mit Zusätzen versehenen teigigen Premix-Preßmasse, einer blattförmigen Premix-Preßmasse oder einem katalysierten Harz 46 gefüllt ist, die auf das verstärkte Gewinde aufgebracht werden, worauf der Dorn 45 entfernt wird (nachdem zumindest eine teilweise Vernetzung des Harzes stattgefunden hat). Die verstärkte Mutter ist derart ausgebildet, daß ihr Elastizitätsmodul etwas geringer ist als der des verstärkten Stranges, so daß die Belastung gleichmäßiger auf die Länge der Mutter verteilt wird. Alternativ kann die Mutter etwas länger ausgebildet und aus einer teigigen oder blattförmigen Premix-Preßmasse hergestellt sein.
Die Fig. 12 und 13 zeigen alternative Formen und Konfigurationen der Rippen 26, die an einem Schaft eines langgestreckten Befestigungselementes ausgebildet sind, das im Bergbau einzusetzen ist. Die Rippen 26 sind als unterbrochene und gestaffelte Teilwendeln ausgeführt, die abwechselnd rechts- und linksgängig sein können. Werden daher die Bestandteile eines Zweikomponenten-Zementgemisches, bisweilen in Form einer "Wurst", in ein Loch eingebracht, das z. B. in einer Wand eines Bergwerksschachtes ausgebildet ist, und der Schaft eingesetzt und gedreht, so wird die fließfähige Masse in viele Teilmengen zerlegt und danach wieder zusammengeführt, was zu einer besseren Durchmischung führt, so daß ein Brechen des Zementes sehr unwahrscheinlich ist. In Fig. 13 sind gleichsinnige Wendeln gezeigt, und die Vorsprünge 28 "pumpen" die flüssige oder halbflüssige Masse des Zementes (Vergußmasse) in das Loch und reduzieren die Gefahr des Auslaufens. Die gleichsinnigen Wendeln erstrecken sich nur über ein kurzes Stück des Schaftes.
Aus Fig. 14 ist zu ersehen, daß es von Vorteil ist, eine große Zahl von Fasern zu verwenden, und bei einer Glasfaser-Polyester-Kombination sollte der Glasfaseranteil des Stranges 23 zweckmäßig nicht weniger als 10, jedoch nicht mehr als 80 Gewichtsprozent betragen.
Aus Fig. 15 wird deutlich, daß die Schäfte von mit Gewinde versehenen erfindungsgemäßen Stäben Festigkeiten aufweisen können, die zumindest vergleichbar sind mit Muttern und Bolzen aus Weichstahl.
Bei der in Fig. 16 gezeigten Anordnung hat ein positiver Einsatz 50 ein verjüngtes vorderes Ende 51 (wie es auch bei dem Keil 31 der Fall ist), und die Außenfläche 52 des Einsatzes 50 weist ein Gewinde auf, das dieselbe Steigung, jedoch einen geringeren Durchmesser hat als das zu bildende Außengewinde 53.
Der Strang wird in die Gießform 24 eingelegt und diese geschlossen, und der Einsatz 50, dessen Außengewinde 53 zusätzlich mit Litzen umwickelt sein kann, wird in das Strangende eingeschraubt, so daß der Strang in die Konturen der Gießform 24 gedrückt wird und sich die Verstärkungsfasern zumindest teilweise der Form des Gewindes anpassen. Auch durch dieses Verfahren wird die Querschnittsfläche der faserverstärkten Kunststoffe konstant gehalten. Es kommt bei diesem Verfahren zu einem besonders verformungsbeständigen Einlagern der Fasern in das Gewinde, und die Harz-Faser-Matrix bleibt im wesentlichen lunkerfrei.
Die oben beschriebene Ausführungsform betrifft insbesondere ein Produkt, das als Gesteinsbolzen zu verwenden ist, doch kann die Erfindung offensichtlich auch zur Herstellung von mit Gewinden versehenen Befestigungselementen für andere Zwecke verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten polymeren Befestigungsmittels, das an einem Ende Befestigungsflächen aufweist, mit den Verfahrensschritten:

(a) Benetzen mehrerer Verstärkungsfasern (20) mit wärmehärtbarem polymerem Harz (22),

(b) Zusammenfügen der benetzten Fasern zur Bildung eines benetzten kohärenten Stranges (23), gekennzeichnet durch:

(c) zumindest teilweises Einlegen des benetzten kohärenten Stranges (23) in eine Ausnehmung eines ersten Teiles einer Gußform mit U-Profil (24); die Ausnehmung hat parallele innere Seitenwände (25) und eine erste konkave Gußformfläche, die in einem Basisteil (26) angeordnet ist und in die inneren Seitenwände übergeht, wobei der Basisteil (26) nahe einem Ende der Ausnehmung passende Konturen (31) der Befestigungsflächen aufweist,

(d) Verschließen des ersten Teiles durch einen zweiten beweglichen Teil (29) der Gußform, der äußere Seitenwände (30) aufweist, die zwischen die parallelen inneren Seitenwänden (25) der Ausnehmung gleiten, sowie eine zweite konkave Gußformfläche, die in die parallelen äußeren Seitenwände übergeht, wobei die zweite Gußformfläche an dem einen Ende ebenfalls passende Konturen (31) der Befestigungsflächen aufweist, und Beaufschlagen der Gußformteile mit Druck zwecks Verformung der benetzten Fasern (20), so daß sich das Harz den passenden Konturen anpaßt und sich die Fasern (20) zumindest teilweise in diese Konturen einschmiegen, und

(e) zumindest teilweises Aushärtenlassen des Harzes, Offnen der Gußform (24) und Entfernen des Befestigungsmittels aus der Form.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (24) eine zweiteilige Form ist und Querschnitte der passenden Konturen den Abstand zwischen den inneren Seitenwänden (25) nicht übersteigen, wobei nach dem Verfahren das Befestigungsmittel derart geformt wird, daß es zwei an den inneren Seitenwänden (25) anliegende ebene Flächen (37) aufweist, und wobei das Befestigungsmittel aus dem Raum zwischen den inneren Seitenwänden (25) in zu diesen Seitenwänden paralleler Richtung aus der Form (24) entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil der Gußform (24) seinerseits aus zwei Teilen (24a, 24b) besteht, die in einer Ebene voneinander zu trennen sind, die sich mittig zwischen und parallel zu den inneren Seitenwänden (25) erstreckt, und daß die lichte Weite der passenden Konturen (31) den Abstand zwischen den inneren Seitenwänden (25) übersteigen, wobei nach dem Verfahren das Befestigungsmittel derart geformt wird, daß es Befestigungsflächen (31) aufweist, von denen es völlig umschlossen ist, und wobei das Befestigungsmittel durch Trennen der Gußformteile (24, 29) und Trennen der Teile (24a, 24b) des ersten Guß formteiles (24) aus der Form entfernt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Entfernen des Befestigungsmittel aus der Form durch Anlegen von Zugspannung an das Befestigungsmittel, wodurch auch der benetzte kohärente Strang (23) weiter in den Raum zwischen den Gußformteilen (24, 29) hineingezogen wird, Wiederholen des Formverfahrens und Entfernen eines weiteren Befestigungsmittels sowie anschließendes Abschneiden des ersten geformten Befestigungsmittels von dem weiteren Befestigungsmittel.

5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einsetzen eines positiven Einsatzes (32) in ein Ende des benetzten kohärenten Stranges (23), während sich dieser in der Gußform befindet und die Gußformteile (24, 29) geschlossen werden, um den Durchmesser dieses Endes zu vergrößern und zu bewirken, daß sich einige Fasern des Strangendes in die passenden Konturen (31) hineinschmiegen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Konturen Gewindekonturen (31) sind, und daß der positive Einsatz (32) ein Außengewinde aufweist, das dieselbe Steigung wie die Konturen (31) hat, dessen Durchmesser jedoch geringer ist, und daß der positive Einsatz (32) in das Ende des benetzten kohärenten Stranges (23) eingeschraubt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der positive Einsatz (32) ein Keil ist, und daß der Keil in axialer Richtung in das Strangende hineingedrückt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der positive Einsatz (50) ein Außengewinde (52) aufweist1 und daß der Einsatz (50) in das Strangende eingeschraubt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Einsetzen eines Spritzkopfes (38) in das Strangende, Einspritzen eines härtbaren polymeren Stoffes durch den Spritzkopf (38) in das Strangende und Herausziehen des Spritzkopfes.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gußformfläche ebenfalls passende Konturen (27) mit spiralförmigen Vorsprüngen (28) aufweist, und daß das Befestigungsmittel derart geformt wird, daß es einen Schaft mit mehreren spiralförmigen Vorsprüngen aufweist, die den Schaft jeweils zumindest teilweise umschließen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd vorspringende Konturen (27) zumindest einiger Konturen gegensinnig gewendelt sind.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige nebeneinanderliegende vorspringende Konturen (27) gleichsinnig gewendelt sind.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige passende Konturen Gewindekonturen (31) sind.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil der Gewindekonturen (31) im wesentlichen sinusförmig ist.

15. Kombination aus einem faserverstärkten polymeren Befestigungsmittel, das nach dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt wird und einen Schaft relativ geringen Durchmessers hat, der an einem Ende ein Gewinde (31) relativ großen Durchmessers aufweist, wobei sich Fasern (20) in die Konturen des Gewindes einlegen,

und einer faserverstärkten polymeren Mutter (44), die einen niedrigeren Elastizitätsmodul als das Befestigungsmittel hat und auf das Gewinde (31) des Befestigungsmittels aufgeschraubt ist.

16. Kombination nach Anspruch 15, bei der der Schaft herausstehende Vorsprünge (28) aufweist, wobei abwechselnde Vorsprünge zumindest einiger Vorsprünge gegensinnig gewendelt sind.

17. Kombination nach Anspruch 15, bei der der Schaft herausstehende Vorsprünge (28) aufweist, wobei abwechselnde Vorsprünge zumindest einiger Vorsprünge gleichsinnig gewendelt sind.