DE69023302T2

DE69023302T2 - Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten thermoplastischen Hohlkörpern.

Info

Publication number: DE69023302T2
Application number: DE1990623302
Authority: DE
Inventors: Hajime Satoh
Original assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Current assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Priority date: 1989-08-29
Filing date: 1990-08-17
Publication date: 1996-03-28
Anticipated expiration: 2010-08-18
Also published as: DE69023302D1; EP0415207B1; EP0415207A3; EP0415207A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus faserverstärktem thermoplastischem Harz (z. B. eines runden, eines elliptischen oder eines Vierkant-Rohres), bei dem Prepregs verwendet werden, die ein thermoplastisches Harz als Matrix haben.
Ein Verbundmaterial aus thermoplastischem Harz, das mit fortlaufenden Fasern (Endlosfasern) verstärkt ist, hat eine hohe spezifische Festigkeit, spezifische Härte und Zähigkeit, so daß seine Verwendung hauptsächlich auf dem Gebiet der Luft- und Raumfahrt derzeit auf dem Vormarsch ist. Ein Hohlkörper aus faserverstärktem thermoplastischem Harz kann zur Herstellung eines Schalenbauteils verwendet werden, z. B. dem Körper eines Flugobjekts, einer Drehkraftröhre, einem Druckbehälter, einem Rohr oder einem Fachwerk.
Ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus mit Endlosfaser-verstärktes Harz ist ein Wickelverfahren, das ein Wickeln eines Prepregs in Form eines Bandes, das aus Endlosfasern, die mit einer Harzmatrix imprägniert sind, besteht, beispielsweise um einen Metalldorn umfaßt. Bei der Herstellung eines Hohlkörpers mit diesem Wickelverfahren unter Verwendung eines Prepregs, das ein thermoplastisches Harz als Matrix aufweist, hat das Prepreg selbst bei Raumtemperatur Klebrigkeit und selbstklebende Eigenschaften und ist ein Kunststoff, so daß es eng um einen Dorn gewickelt werden kann, ohne daß Hohlräume gebildet werden; demnach gibt es kein ernstes Produktivitätsproblem.
Allerdings mangelt es einem Prepreg, das ein thermoplastisches Harz als Matrix (im folgenden als Prepreg aus thermoplastischem Harz bezeichnet) nicht nur an Klebrigkeit und Plastizität, sondern es weist selbst in Form einer dünnen Folie eine hohe Härte auf, da es nichts anderes als eine harte faserverstärkte Platte ist. Daher kann das Prepreg aus thermoplastischem Harz nicht vorübergehend an einen Dorn befestigt werden, indem es nur um den Dorn gewickelt wird. Das Prepreg aus thermoplastischem Harz muß mit einem lokalen Heizmittel lokal erhitzt werden, bevor es um den Dorn gewickelt wird. Das Aufwickeln wird nämlich unter Erwärmen eines lokalen Punkts, der als der Punkt definiert ist, an dem das Winkeln beginnt, mit einem lokalen Heizmittel durchgeführt. Mit anderen Worten, es ist notwendig gewesen, das Prepreg aus thermoplastischem Harz um einen Dorn zu wickeln, während das Prepreg an diesem Punkt weichgemacht wird, um ihm Klebrigkeit zu verleihen, und die zwischen den Wickelschichten gebildeten Hohlräume entfernt werden. Da der Heizpunkt entsprechend der Verschiebung der Wickelposition verschoben werden muß, kann das lokale Heizmittel nicht verhindern, daß es kompliziert und teuer wird.
Da der Heizpunkt für eine beachtlich lange Widerstandszeit gegenüber Hitze im Inneren des Heizpunktes erhitzt werden sollte, um das thermoplastische Harz des Prepregs aus thermoplastischem Harz auf seine Plastifiziertemperatur zu erhitzen, erfordert das Aufwickeln des Prepregs aus thermoplastischem Harz um den Dorn eine sehr lange Zeit, demnach wird die Produktivität bei der Herstellung des Hohlkörpers unvermeidlich vermindert.
Die Herstellung eines Hohlkörpers unter Verwendung des Prepregs aus thermoplastischem Harz hat wesentliche Nachteile, wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist: eine enge Bindung zwischen einzelnen Schichten ist schwierig, was zu einem Anstieg der Hohlräume zwischen einzelnen Schichten führt; die Produktivität ist gering, wenn eine vorhandene Apparatur verwendet wird. Da es schwierig ist, die Verstärkungsfasern des Prepregs auf thermoplastischem Harz nach dem Plastifizieren ohne eine Lockerung auszurichten, selbst wenn das Prepreg aus thermoplastischem Harz unter angelegter Spannung um einen Dorn gewickelt wurde, besteht das Problem, daß der erhaltene Hohlkörper dazu neigt, so zu sein, daß die Festigkeit des Prepregs aus thermoplastischem Harz nicht ausreichend reflektiert werden kann, und daß er ein schlechtes Aussehen hat.
GB-A-2173144 bezieht sich auf das Formen von Prepregs, die mit einem wärmehärtbaren Harz imprägniert sind, umfassend Anordnen eines Prepregs, das ein Harz wie z. B. Polyimid enthält, welche seine Verstärkungsfaser darin aufweist, zwischen einem thermisch ausdehnbaren Kern aus Polytetrafluorethylen und einer äußeren Form außerhalb dieses Kerns; Anwenden von Druck auf dieses Prepreg, indem das Prepreg und der Kern erhitzt werden, um eine Ausdehnung des Kerns zu bewirken, und Abkühlen des Kerns und des Prepregs.
EP-A-0291639 bezieht sich auf die Bildung eines Rohres aus thermoplastischem Verbundstoff durch Wickeln.
Die vorliegende Erfindung ist auf die Ausräumung der obengenannten Nachteile, die mit der Herstellung eines Hohlkörpers aus Prepregs aus thermoplastischem Harz verbunden sind, gerichtet. Demnach besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Hohlkörpers aus faserverstärktem thermoplastischem Harz, durch das ein Hohlkörper, der große Freiheit in der Gestalt und hohe Qualität aufweist, in dem die Faseranordnung im Prepreg und die Laminatstruktur des Prepregs aus thermoplastischem Harz wie geplant realisiert werden können, mit guter Produktivität hergestellt werden kann. Diese Erfindung ist besonders vorteilhaft, wenn ein Prepreg aus einem hochschmelzenden thermoplastischem Harz als Matrix eingesetzt wird.
Diese Aufgabe kann durch das Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus faserverstärktem thermoplastischem Harz gemäß Anspruch 1 gelöst werden. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 und 9.
Fig. 1 (A) ist eine schematische Darstellung eines massiven Dorns, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 1 (B) ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für ein Prepreg aus thermoplastischem Harz, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Falls, wo das Prepreg aus thermoplastischem Harz um einen massiven Dorn gewickelt wird.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Wicklung, die nach dem Wickeln erhalten wurde.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Falls, in der eine Wicklung und ein massiver Dorn in einen Vakuumbeutel gezwängt sind.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer Apparatur für ein Warn-Formungsverfahren im Schnitt.
Fig. 6 ist eine perspektivische Darstellung eines Produktes, das durch Wickeln einer Prepregfolie aus thermoplastischem Harz um einen massiven Dorn und Überziehen der Wicklung mit einem metallischen Rohr hergestellt wurde.
Fig. 7 ist eine perspektivische Darstellung eines Produktes, das durch Erhitzen des in Fig. 6 gezeigten Produktes auf eine Temperatur, die gleich oder höher als die Plastifizierungstemperatur des thermoplastischen Matrixharzes ist, und Abkühlen desselben auf eine Temperatur, die niedriger als jene ist, hergestellt wurde.
Fig. 8 ist eine perspektivische Darstellung eines Produktes, das durch Auswechseln des massiven Dorns von Fig. 7 durch einen dickeren, erneutes Erhitzen der Matrix aus thermoplastischem Harz und des neuen massiven Dorns auf eine Temperatur, die gleich der oder höher als die Plastifizierungstemperatur der Matrix aus thermoplastischem Harz ist, und Kühlen des Harzes auf eine Temperatur, die unter jener liegt, hergestellt wurde.
Fig. 9 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Beispiels für ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers unter Verwendung eines hohlen Dorns.
Fig. 10 bis 12 sind schematische perspektivische Darstellungen hohler Dorne, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Fig. 13 und 14 stellen jeweils eine schematische Darstellung eines Beispiels für Heizmittel zum Erhitzen eines hohlen Dorns dar.
Fig. 15 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Falles, in dem eine hohle Wicklung gebildet wird, indem das Prepreg aus thermoplastischem Harz durch Wickeln entlang der inneren Oberfläche der Höhlung einer äußeren Form gebildet wird.
Fig. 16 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Falles, in dem ein Kern, der einen Kernkörper und thermisch ausdehnbare Elemente umfaßt, in den hohlen Teil einer hohlen Wicklung eingesetzt ist.
Fig. 17 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Falles, in dem die thermisch ausdehnbaren Elemente thermisch ausgedehnt werden, wenn die hohle Wicklung erhitzt wird.
Fig. 18 ist eine perspektivische Darstellung eines Beispiels für das Produkt der vorliegenden Erfindung.
Fig. 19 (A) und 19 (B) sind jeweils eine perspektivische Darstellung eines Beispiels für einen Kern, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Fig. 20 ist eine perspektivische Darstellung eines Beispiels für das Produkt der vorliegenden Erfindung.
Fig. 21 ist eine schematische Seitenansicht eines Beispiels für Kernkörper, die einen Kern bilden.
Fig. 22 ist eine schematische Seitenansicht eines Beispiels für thermisch ausdehnbare Elemente, die einen Kern bilden.
Fig. 23 ist eine schematische Seitenansicht eines Beispiels für äußere Formen.
Fig. 24 ist eine perspektivische Darstellung eines Beispiels für die erfindungsgemäßen Produkte.
Fig. 25 (A) ist eine schematische Seitenansicht eines Beispiels für Kernkörper, die einen Kern bilden.
Fig. 25 (B) ist eine schematische Darstellung von Fig. 25 (A) im Aufriß.
Fig. 26 (A) ist eine schematische Seitenansicht eines Beispiels für thermisch ausdehnbare Elemente, die einen Kern bilden.
Fig. 26 (B) ist eine schematische Darstellung von Fig. 26 (A) im Aufriß.
Fig. 27 (A) ist eine Seitenansicht eines Beispiels für das erfindungsgemäße Produkt.
Fig. 27 (B) zeigt Fig. 27 (A) im Aufriß.
Fig. 28 (A) ist eine schematische Seitenansicht eines Beispiels für Kernkörper, die einen Kern bilden.
Fig. 28 (B) ist ein schematischer Aufriß von Fig. 28 (A).
Fig. 29 (A) ist eine schematische Seitenansicht eines Beispiels für thermisch ausdehnbare Elemente, die einen Kern bilden.
Fig. 29 (B) ist ein schematischer Aufriß von Fig. 29 (A).
Fig. 30 (A) ist eine perspektivische Darstellung eines Beispiels für die erfindungsgemäßen Produkte.
Fig. 30 (B) zeigt Fig. 30 (A) im Aufriß.
Fig. 31 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Beispiels für Kernkörper, die einen Kern bilden.
Fig. 32 (A) ist eine schematische Seitenansicht eines Beispiels für thermisch ausdehnbare Elemente, die einen Kern bilden.
Fig. 32 (B) zeigt Fig. 32 (A) im Aufriß.
Fig. 33 ist eine schematische Seitenansicht eines Beispiels für Kerne.
Fig. 34 ist eine perspektivische Darstellung eines Beispiels für die erfindungsgemäßen Produkte.
Fig. 35 ist eine schematische Seitenansicht eines Beispiels für Kernkörper, die einen Kern bilden.
Fig. 36 ist eine schematische Seitenansicht eines Beispiels für thermisch ausdehnbare Elemente, die einen Kern bilden.
Fig. 37 ist eine perspektivische Darstellung eines Beispiels für die erfindungsgemäßen Produkte.
Fig. 38 ist eine schematische Seitenansicht eines Beispiels für Kernkörper, die einen Kern bilden.
Fig. 39 (A) ist eine schematische Draufsicht eines Beispiels für thermisch ausdehnbare Elemente, die einen Kern bilden.
Fig. 39 (B) ist eine schematische Draufsicht eines Systems thermisch ausdehnbarer Elemente.
Fig. 40 ist eine schematische Schnittansicht des elementaren Teils eines Beispiels für Kerne.
Fig. 41 ist eine schematische Schnittansicht eines Falles, bei dem metallische Glieder in eine Formmasse eingefügt sind.
Fig. 42 ist eine schematische Schnittansicht eines Beispiels für Produkte, die teilweise mit einem metallischen Glied versehen sind.
Fig. 43 ist eine perspektivische Darstellung eines Beispiels für Produkte der vorliegenden Erfindung (ein schlankes kegeliges Rohr).
Fig. 44 ist eine schematische Seitenansicht eines Beispiels für äußere Formen.
Fig. 45 ist eine schematische Seitenansicht eines Beispiels für Kerne.
Fig. 46 ist eine perspektivische Darstellung einer Vorform und eines Kerns.
Fig. 47 ist eine schematische Darstellung eines Temperaturprofils im Schritt des Erhitzens eines Formmaterials.
Fig. 48 ist eine schematische Darstellung eines Temperaturprofils in dem Fall, wo das Formmaterial im Schritt des Formens des Materials von einem Ende zu dem anderen ausgewaschen wird.
Fig. 49 ist eine schematische Darstellung eines Kühlmusters im Schritt des Abkühlens des Produktes mit Verfahrenstemperatur.
Fig. 50 (A), 50 (B) und 50 (C) sind schematische Darstellungen von Fällen, in denen Formen im Schritt des Kühlens eingeklemmt sind.
Beispiele für das Prepreg aus thermoplastischem Harz, das in der Erfindung zu verwenden ist, beinhalten ein durch Imprägnieren hergestelltes Faserbündel, allgemein Kabel genannt; eines, das durch unidirektionales Doublieren einer Vielzahl von Endlosfasern in Bandform mit einem thermoplastischen Harz als Matrix (unidirektional doubliertes Prepreg, UD-Prepreg) hergestellt wird; sowie einen gewebten Stoff, unidirektional doublierten Stoff oder geflochtenes Gewebe aus Garnen vor Imprägnierung und/oder Grenzflächenbildung, repräsentiert durch ein Commingled-Garn. Obgleich die Verstärkungsfasern, die für die Faserbündel, die das Prepreg aus thermoplastischern Harz bilden, verwendet werden, nicht besonders limitiert sind, umfassen bevorzugte Beispiele dafür Endlosfasern, die Hitzebeständigkeit und hohe Festigkeit aufweisen, wie z. B. jene aus Kohlenstoff, Glas, Aramid (aromatisches Polyamid), Siliziumcarbid, Bor und Aluminiumoxid.
Obgleich die thermoplastischen Harze als Matrizes nicht besonders limitiert sind, beinhalten bevorzugte Beispiele dafür thermoplastische Harze mit hohem Schmelzpunkt oder hohem Erweichungspunkt wie z. B. Polyetheretherketon (PEEK) mit einem Schmelzpunkt von 343ºC, Polyphenylensulfid (PPS) mit einem Schmelzpunkt von 282 bis 288ºC, Polyetherimid (PEI) mit einem Erweichungspunkt von 219ºC, Polyethersulfon (PES), Polyarylenketon, Polyarylensulfid, Polyalkylimid, Polyamidimid, Polyimid, Polyimidsulfon, Polysulfon, Polyarylsulfon und Polyester.
Es ist wünschenswert, daß der Volumenanteil (Vf = volume fraction) der Fasern in diesem Prepreg aus thermoplastischem Harz etwa 0,4 bis 0,7 beträgt, was höher ist als der Volumenanteil (Vf = 0,1 bis 0,3) bei einem allgemeinen faserverstärkten thermoplastischen Harz.
Es ist notwendig, daß der thermisch ausdehnbare Kern (innere Form), der in dieser Erfindung verwendet wird, aus einem Harz hergestellt ist, das eine niedrigere Wärmebeständigkeit hat als das thermoplastische Harz, das die Matrix des Prepregs aus thermoplastischem Harz stellt, hat. Es ist nämlich notwendig, daß dieser Kern eine Wärmebeständigkeit aufweist, die einen Schmelzfluß bei der Temperatur bewirkt, bei der das thermoplastische Harz des Prepregs aus thermoplastischem Harz plastifiziert wird. Es ist außerdem notwendig, daß dieser Kern ein derartiges thermisches Ausdehnungsvermögen aufweist, daß er eine thermische Ausdehnung in einem Grad durchmacht, daß die Prepregs aus thermoplastischem Harz, die in Schichten zwischen dem Kern und einer äußeren Form angeordnet sind, von der Innenseite gegen die Außenseite gedrückt werden, wobei die Schichten des Prepregs aus thermoplastischem Harz fest aneinander gebunden werden, um so zwischen den Schichten gebildete Hohlräume zu entfernen und um die Verstärkungsfasern des Prepregs aus thermoplastischem Harz auszurichten.
Dieser Kern hat insbesondere die Form eines massiven Dorns, eines hohlen Dorns, eines Verbundstoffs, der durch Anordnen einer Vielzahl thermisch ausdehnbarer Elemente an der Oberfläche eines Kernkörpers hergestellt wurde, oder ist ein System, das ausschließlich aus einer Vielzahl thermisch ausdehnbarer Elemente besteht. Der Kernkörper kann ein aus Metall wie z. B. Eisen oder Aluminiumlegierung hergestellter sein.
Beispiele für wünschenswerte Harze, die diesen massiven Dorn, hohlen Dorn und das thermisch ausdehnbare Element bilden, umfassen Fluorcarbonharze und Silikonharze. Beispiele für die Fluorcarbonharze beinhalten Harze, die ein großes thermisches Ausdehnungsvermögen und hohe Wärmebeständigkeit aufweisen wie z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE, Handelsname: Teflon), Polyfluoralkoxyethylenharz (PFA) und fluoriertes Ethylen/Propylenethercopolymer-Harz (FEP). Beispiele für die Silikonharze umfassen eins, das mit verstärkendem Material großer Wärmebeständigkeit verstärkt ist, da die Harze selbst weich sind. Diese Harze können mit einem Verstärkungsmaterial wie z. B. einer anorganischen Faser verstärkt sein.
Es ist besonders wünschenswert, von diesen Harzen PTFE zu verwenden. Obgleich angenommen wird, daß PTFE eine Verwendungsgrenze bei etwa 260ºC und einen Schmelzpunkt von etwa 335ºC hat, schmilzt es wegen seines sehr großen Molekulargewichts nicht oberhalb von 335ºC und kann seine Gestalt bewahren. Darüber hinaus hat es eine große Volumenausdehnung und kann sich um etwa 60 Volumenprozent ausdehnen, wenn es von Raumtemperatur auf 400ºC erhitzt wird. Seine Zersetzungstemperatur ist etwa 420ºC.
In der vorliegenden Erfindung wird zunächst eine äußere Form an der Außenseite des thermisch ausdehnbaren Kerns angeordnet. Ein Prepreg aus thermoplastischem Harz ist zwischen dem Kern und der äußeren Form angeordnet; das Prepreg aus thermoplastischem Harz und der Kern werden auf eine Temperatur erhitzt, die gleich der Plastifizierungstemperatur des thermoplastischen Harzes oder höher ist, um den Kern auszudehnen.
Das Erhitzen wird in diesem Fall in Luft, einem Inertgas oder einem Vakuum durchgeführt. Die notwendige Heizatmosphäre kann entsprechend dem verwendeten Matrixharz ausgewählt werden. Unter den Gesichtspunkten der Verhinderung einer Verschlechterung des Matrixharzes und der Zeitersparnis ist das kürzest mögliche Erhitzen im allgemeinen bevorzugt. Hinsichtlich des Schritts des Erhitzens des thermisch ausdehnbaren Elements beispielsweise ist es wünschenswert, daß alle thermisch ausdehnbaren Elemente eines Kerns gleichzeitig erhitzt werden, oder daß sie von einem Ende zum anderen erhitzt werden, oder daß die Elemente in der Mitte des Kerns zuerst erhitzt werden, während die Elemente an jedem Ende des Kerns etwas später erhitzt werden. Der Grund dafür ist folgender: Wenn beispielsweise im Fall der Herstellung eines Rohres sich die Mitte des Rohres zuerst ausdehnt, und diese Ausdehnung in Richtung der Enden des Rohres fortschreitet, werden die Falten und Auflockerung der Fasern, die das Rohr bilden, veranlaßt, in Richtung der Enden zu wandern. Wenn das Rohr gleichmäßig als ganzes erwärmt wird, treten kaum Falten oder Lockerungen der Fasern auf, wohingegen, wenn das Rohr von beiden Enden her erwärmt wird, die Falten oder die Auflockerung der Fasern sich leicht in der Mitte konzentrieren.
In Anbetracht des oben diskutierten können Mittel zur Zufuhr der Heizenergie entsprechend der tatsächlichen Gestalt des Produktes ausgewählt werden. Es ist beispielsweise möglich, atmosphärisches Heizen, Heizen mit einem Heizer, der in einer inneren oder äußeren Form bereitgestellt ist, Induktionsheizen und eine geeignete Kombination der genannten einzusetzen.
Erfindungsgemäß werden, nachdem das thermoplastische Harz auf diese Weise durch Erwärmen geschmolzen ist und die Formen eingespannt sind, die äußere Form zusammen mit dem Kern und das Prepreg aus thermoplastischem Harz gekühlt.
Dieses Kühlen beeinflußt die Kontrolle der Kristallinität und der Restspannung des thermoplastischen Harzes als Matrix sowie die Remanenz des Spanndruckes (zumindest eines Spanndruckes bis zur Verfestigung des Harzes) stark.
Was die Kontrolle der Kristallinität und der Restspannung angeht, ist sie in einigen Fällen schwierig und in anderen Fällen weniger schwierig, was von der Art des als Matrix verwendeten thermoplastischen Harzes abhängt. Die Retention des Spanndruckes ist ein Problem, das allen Matrizen eigen ist. Dieses Problem kann in erster Linie durch Planung der Struktur des Kerns gelöst werden. Der Spanndruck kann nämlich beibehalten werden, bis das Matrixharz fest geworden ist, selbst wenn die thermisch ausdehnbaren Elemente leicht schrumpfen, entweder wenn der Kern schwer kühlbar ist (obgleich der Kern selbst schwieriger kühlbar ist als das Formmaterial, da er im Inneren des Formmaterials liegt; der Kern ist thermisch isoliert, wodurch er schwieriger kühlbar ist), um die Kühlgeschwindigkeit des Formmaterials (Prepreg aus thermoplastischem Harz) von jener der thermisch ausdehnbaren Elemente des Kerns verschieden zu machen, oder durch die Wirkung des toten Volumens oder der Volumenelastizität der thermisch ausdehnbaren Elemente des Kerns. Obgleich dieses Problem oft ohne besondere Absicht spontan gelöst wird, ist es manchmal ein beachtlich schwieriges Problem, das von der Gestalt des Produktes abhängt.
Hinsichtlich der Kontrolle der Kristallinität und der Restspannung ist es vorteilhaft, ein geeignetes Kühlmittel auszuwählen, wenn es notwendig ist, diese genau zu steuern. Zur Durchführung einer raschen Kühlung ist es geeignet, das Ganze einschließlich des Kerns, des Formmaterials und der äußeren Form mit Wasser zu besprühen oder in Wasser einzutauchen. Um eine langsame Kühlung zu bewirken, ist es geeignet, eine für die erforderliche Kühlgeschwindigkeit geeignete Wärmeisolierung bereitzustellen.
Das Produkt kann leicht von dem Kern abgelöst werden, da der Dorn oder die thermisch ausdehnbaren Elemente, nachdem sie abgekühlt wurden, im Vergleich zu dem Zustand während der Formung, schrumpfen werden. Wenn ein Ablösen des Produktes von der Form wegen der Gestalt des Formteils (Produkt) unmöglich ist, wird es ausreichen, wenn der Kern in geeigneter Weise auseinandergebaut wird, um ihn aus dem Formteil zu entfernen. Zu diesem Zweck ist es angemessen, einen Kern herzustellen, der leicht zusammen- und auseinandergebaut werden kann. Um das Ablösen des Produktes von der äußeren Form zu erleichtern, ist es wünschenswert, vorher einige Maßnahmen zur Formablösung zu treffen. Es wird ausreichen, wenn die innere Oberfläche der äußeren Form beispielsweise mit einem Trennfilm, einer Trennfolie oder einem Trennmittel überzogen ist. Wenn allerdings beispielsweise ein Kupferrohr als äußere Form verwendet wird, wird eine Maßnahme zur Formablösung unnötig. Denn in diesem Fall ist es möglich, die äußere Form selbst chemisch durch Ätzen aufzulösen. Die Verwendung eines Kupferrohrs als äußere Form ist günstig, wenn eine kleine Anzahl der Produkte zu produzieren sind; da es in diesem Fall nicht notwendig ist, eine äußere Form separat herzustellen. Da das Kupferrohr eine innere Oberfläche mit hervoragender Oberflächengenauigkeit aufweist, ist es möglich, die Genauigkeit der äußeren Oberfläche des erhaltenen Produktes zu erhöhen.
Im folgenden wird nun ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus thermoplastischem Harz unter Verwendung eines Kerns, der einen massiven Dorn, einen hohlen Dorn, einen Verbundstoff, der durch Anordnen einer Vielzahl thermisch ausdehnbarer Elemente an der Oberfläche eines Kerns hergestellt wird, ein System, das ausschließlich aus einer Vielzahl thermisch ausdehnbarer Elemente besteht, umfaßt, anhand von Ausführungsformen beschrieben.

(1) Der Fall, in dem ein massiver Dorn verwendet wird:

In der vorliegenden Erfindung wird das oben erwähnte Prepreg aus thermoplastischem Harz um diesen massiven Dorn gewickelt. Diese Wicklung wird in geeigneter Weise durch das gängige Wickelverfahren oder Rollverfahren durchgeführt. Beim Wickelverfahren wird vorzugsweise ein Prepreg aus thermoplastischem Harz mit einer Breite von 3 bis 6 mm verwendet und insbesondere ein thermoplastisches Harz mit einer Breite von 70 bis 600 mm. Beispiele für die in diesem Fall verwendete Apparatur umfassen Wickelmaschinen, die im Fadenwickelverfahren und im Bandwickelverfahren eingesetzt werden, sowie Rundbiegemaschinen, die im Rollverfahren eingesetzt werden.
Das Prepreg aus thermoplastischem Harz wird um den massiven Dorn gewickelt, um unter angelegter Spannung mittels einer derartigen Maschine oder dgl. einen rohrartigen Gegenstand zu bilden. Um zu verhindern, daß die Aufwicklung des Prepregs aus thermoplastischem Harz gelockert wird, und um Zwischenräume zwischen Schichten der Wicklung während des Wicklungsvorgangs zu vermindern, ist es vorteilhaft, das Prepreg so fest wie möglich zu wickeln, indem zeitweilig im Wickelschritt Schichten an geeigneten Punkten durch Erhitzen des Prepregs aus thermoplastischem Harz mit einem Lötkolben oder dgl. gebunden werden. Nachdem das Prepreg aus thermoplastischem Harz unter Bildung einer Wicklung vollständig um den massiven Dorn gewickelt wurde, wird diese Wicklung einem Warmformen unterworfen.
In der vorliegenden Erfindung ist es notwendig, daß die äußere Form dieser Wicklung, wenn sie einem Warmformen unterworfen wird, durch die äußere Form (Formwerkzeug) bestimmt (eingezwängt) wird. Ihre Aufgabe ist es, die folgenden Risiken auszuschließen: Wenn die Wicklung, deren äußere Gestalt zeitweise unverändert gehalten werden kann, da die Schichten der Wicklung zeitweise verbunden werden, wie dies oben beschrieben ist, einem Warmformen unterzogen wird, besteht die Gefahr, daß die äußere Form der Wicklung manchmal deformiert wird und daß die Richtungen der ausgerichteten Fasern in der Wicklung gestört werden oder sich die Fasern während der Ausdehnung des massiven Dorns verschieben. Was allerdings noch wichtiger ist, ist die Tatsache, daß diese Beschränkung der äußeren Form der Wicklung es zum ersten Mal möglich macht, den Druck, der aus der thermischen Ausdehnung des massiven Dorns resultiert, gleichmäßig auf die Schichten der Wicklung, die in rohrartiger Form von der Innenseite zur Außenseite der Wicklung gewickelt sind, auszuüben, um dadurch die Schichten festzubinden und Hohlräume, die sich zwischen den Schichten gebildet haben, zu entfernen und um die Verstärkungsfasern des Prepregs aus thermoplastischem Harz, das die Wicklung bildet, auszurichten.
Beispiele für Mittel zur Durchführung der obengenannten Beschränkung für die äußere Gestalt umfassen ein Mittel, das ein Einsetzen der Wicklung zusammen mit dem massiven Dorn in einen Vakuumbeutel und Anwenden von atmosphärischem Druck oder dgl. auf die Oberfläche umfaßt; ein Mittel, das ein Überziehen der Oberfläche der Wicklung mit einem Band oder dgl. wie z. B. einer wärmebeständigen Folie oder einer Metallfolie und dabei Ausnützen der Spannung beim Umwickeln umfaßt; sowie ein Mittel, das ein Überziehen der Oberfläche der Wicklung mit einem dünnwandigen metallischen Rohr umfaßt, und ein Mittel, das die Verwendung einer Form (eines Formwerkzeuges) umfaßt. Diese Mittel werden geeigneterweise entsprechend der Spezifikation des Hohlkörpers, der geformt werden soll, ausgewählt. Ferner ist es möglich, vor der Beschränkung für die äußere Gestalt ein Formentrennmittel oder eine Trennfolie zwischen der Wicklung und der äußeren Form anzuordnen, um dadurch ein Haften zwischen der äußeren Form zur Beschränkung der äußeren Gestalt der Wicklung und dem thermoplastischen Harz der Wicklung zu verhindern.
Die Formungstemperatur im Schritt des Warmformens ist gleich der oder höher als die Plastifizierungstemperatur des thermoplastischen Harzes des Prepregs aus thermoplastischem Harz, das die Wicklung bildet. Insbesondere, wenn das verwendete thermoplastische Harz ein kristallines ist, ist es passend, daß die Formungstemperatur höher als sein Schmelzpunkt ist, wünschenswerterweise eine Temperatur ist, die 10 bis 20ºC über dem Schmelzpunkt liegt oder noch höher ist. Wenn das thermoplastische Harz ein amorphes ist, liegt die Formungstemperatur geeigneterweise über dem Schmelzpunkt, ist wünschenswerterweise eine Temperatur, die 100ºC über dem Erweichungspunkt liegt oder noch höher ist.
Obgleich die Mittel zum Erhitzen im Schritt des Warmformens nicht besonders limitiert sind, ist das einfachste, das genannt werden kann, ein elektrischer Ofen. Die Erhitzungszeit wird nach der Größe der Wicklung bestimmt, so daß die Mitte des massiven Dorns auf die vorbestimmte Formtemperatur erhitzt werden kann. Es ist normalerweise vorteilhaft, die Wicklung für einige Zeit bei der vorherbestimmten Formungstemperatur zu halten, beispielsweise für 30 bis 60 Minuten, nachdem die Wicklung vermutlich die vorbestimmte Formungstemperatur erreicht hat. Wenn der massive Dorn sich durch dieses Erhitzen ausreichend ausgedehnt hat, ist die Bindung zwischen den Schichten der Wicklung beendet.
Nachdem die Wicklung und der massive Dorn, die auf diese Weise erhitzt worden waren, abgekühlt worden sind, wird der massive Dorn aus der Wicklung herausgezogen. Auf diese Weise werden sowohl das Produkt wie auch der massive Dorn wiedergewonnen. Das Kühlen kann durch eine Luftkühlung erfolgen oder kann durch andere kühlende Mittel in kräftiger Weise durchgeführt werden.
Nachfolgend werden Beispiele für das Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

BEISPIEL 1

Fig. 1 (A) und Fig. 2 (A) zeigen den ersten Schritt der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 (A) bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen massiven Dorn, der aus PTFE hergestellt ist, und in Fig. 1 (B) bezeichnet das Bezugszeichen 2 ein Prepreg aus thermoplastischem Harz, das Verstärkungsfasern 3 aufweist, die in Richtung einer gestrichelten Linie angeordnet sind. Das Prepreg 2 wurde gebildet, indem zwei Folien, in denen jeweils die Verstärkungsfasern 3 in diagonaler Richtung geschnitten waren, aufeinandergelegt wurden. Das verwendete Prepreg aus thermoplastischem Harz 2 war APC-2/AS-4, ein Produkt von ICI-Fiberite, hergestellt unter Verwendung von PEEK als Matrix und Kohlenstoffaser- Filamenten mit einem Durchmesser von etwa 7 um als Verstärkungsfaser, mit einem Faservolumenanteil Vf von 0,61, einer Folienbreite von 305 mm und einer Dicke von 0,125 mm.
Im Anschluß an die Herstellung gemäß Fig. 1 (A) und Fig. 1 (B) wurde das Prepreg 2 nach und nach mit einer Wickelmaschine um den Dorn 1 gewickelt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Das Prepreg wurde zur Verhinderung einer Lockerung unter angewandter Spannung, in Rohrform gewickelt; dabei wurde es im Schritt des Wickelns zeitweise an verschiedenen Punkten mit einem Lötkolben verbunden.
Fig. 3 zeigt die Wicklung 11, die durch Beendigung des obigen Wickelns gebildet wurde. In diesem Zustand war der Durchmesser des Dorns 30 mm, die Anzahl der Schichten der Prepregs 2 aus thermoplastischem Harz 30, und die Wanddicke der geschichteten Schichten war etwa 4,8 mm. In diesem Zustand war der Gesamtgehalt an laminaren Hohlräumen 1,2 mm, was etwa einem Viertel der Wanddicke entsprach.
Die Wicklung 11 wurde, wie in Fig. 3 zeigt ist, zusammen mit dem Dorn 1 in einem Vakuumbeutel 6 angeordnet, dieser hermetisch verschlossen, dann wurde die Luft im Vakuumbeutel 6 durch Absaugen durch einen Vakuumschlauch 7, der mit einer Vakuumpumpe verbunden war, entfernt. Der Vakuumbeutel 6 war aus einer Polyimidfolie hergestellt (Kapton 100H, ein Produkt von du Pont).
Es ist wünschenswert, daß verhindert wird, daß die Polyimidfolie des Vakuumbeutels 6 an den Oberflächen der Wicklung und des Dorn 1 nach dem Vakuumverpacken gefaltet ist. Bei Durchführung einer Vakuumverpackung mit dem Vakuumbeutel 6 kann der atmosphärische Druck von 1 kg/cm von der äußeren Umgebung der Wicklung gleichmäßig auf den laminierten Teil der Wicklung wirken, um so seine äußere Form (Gestalt) ohne Fehler zu beschränken.
Die Wicklung 11, deren äußere Gestalt auf diese Weise beschränkt worden war und der Dorn 1 wurden in einen elektrischen Ofen gestellt und warmgeformt, was in Fig. 5 dargestellt ist. Dieser elektrische Ofen war so ausgelegt, daß das Innere bei 400ºC gehalten werden konnte, indem Heizblöcke 8 und 9 oben und am Boden angeordnet waren und der Raum mit wärmeisolierenden Blöcken 10 verschlossen war. 30 Minuten nach Beginn des Erhitzens wurden die Wicklung 11 und der Dorn 1 aus dem elektrischen Ofen genommen und durch Stehenlassen abgekühlt. Dann wurde der Dorn 1 aus der Wicklung 11 gezogen, wobei ein Rohr als Formteil erhalten wurde.
Das erhaltene Rohr war von hoher Qualität, hatte einen inneren Durchmesser von 36 mm und eine Wanddicke von 3,7 mm, enthielt Verstärkungsfasern, die in einem Winkel von ± 45º ausgerichtet waren und frei von Störungen waren; ferner war das Rohr völlig frei von Hohlräumen, wenn es durch ein Mikroskop betrachtet wurde.

BEISPIEL 2

Unter beinahe denselben Bedingungen wie in Beispiel 1, außer daß die Laminierung so durchgeführt wurde, daß die Faserorientierung in dem Prepreg aus thermoplastischem Harz 0º und 90º betragen sollte, wurde ein Rohr hergestellt.
Das erhaltene Rohr war ebenso wie das von Beispiel 1 von hoher Qualität, frei von Faserfehlern oder Hohlräumen; die Verstärkungsfasern waren in Winkeln von 0º und 90º ausgerichtet.

BEISPIEL 3

In derselben Weise wie in Beispiel 1, außer daß AC-40-60, ein Produkt von Phillips Petroleum, das einen Faser-Volumenanteil von 0,5 aufwies und PPS als Matrix enthielt, als das Prepreg aus thermoplastischem Harz verwendet wurde und daß ein massiver runder PFA-Stab als Dorn verwendet wurde, wurde ein Rohr hergestellt. Das Mittel zum Beschränken der äußeren Form der Wicklung umfaßte ein Umwickeln mit einer 50-um-dicken Polyimidfolie (Kapton-200-H-Band, ein Produkt von du Pont) derart, daß sie sich mit einem Abstand von einem Drittel seiner Breite überlappte; die Temperatur betrug 310ºC.
Das erhaltene Rohr war von hoher Qualität, hatte einen inneren Durchmesser von 34 mm und eine Wanddicke von 3,9 mm; es enthielt Verstärkungsfasern, die in Winkeln von ± 45ºC ausgerichtet waren und frei von Fehlern waren, ferner war das Rohr völlig frei von Hohlräumen, wenn es durch ein Mikroskop betrachtet wurde.
(2) Da das obengenannte Verfahren, das die Verwendung des massiven Dorns umfaßt, auf der thermischen Ausdehnung des festen Dorns und dem Einspannen in der Form beruht, geschieht es allerdings manchmal, daß kein Hohlkörper erhalten werden kann, der frei von Hohlräumen ist und der sowohl ausgezeichnete Qualität wie auch ein hervorragendes Aussehen aufweist. Dies geschieht in dem Fall, wo die thermische Ausdehnung für ein Einspannen nicht ausreicht, z. B. in dem Fall, wo die Wanddicke des Hohlkörpers, der herzustellen ist, relativ dick ist und daher eine einzige thermische Ausdehnung des massiven Dorns nicht ausreicht; in dem Fall, wo der Schmelzpunkt oder der Erweichungspunkt der thermoplastischen Harzes als Matrix relativ niedrig ist und daher die Temperaturdifferenz zwischen dem festen Dorn und dem thermoplastischen Harz nicht groß sein kann, so daß die einfache thermische Ausdehnung nicht ausreicht.
Daher stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit, das einen Hohlkörper bereitstellen kann, der ein kleines Verhältnis äußerer Durchmesser zu Dicke aufweist, in dem die Grenze bei der Herstellung eines dickwandigen Hohlkörpers durchbrochen wird, die sich bei der Herstellung eines Hohlkörpers aus faserverstärktem thermoplastischem Harz unter Verwendung eines massiven Dorns entgegenstellt. Der nach diesem Verfahren erhaltene Hohlkörper kann insbesondere als druckbeständige Teile, die Festigkeit verlangen, und als Krafttransmissionsteile, die Biegefestigkeit und Torsionsfestigkeit erfordern, eingesetzt werden. Ferner kann dieses Verfahren auch für die Herstellung eines Rohrs aus Endlos-Verstärkungsfasern, die einen technischen Kunststoff mit relativ niedrigem Schmelzpunkt als Matrix haben, angewendet werden.
Dieses Verfahren umfaßt Wickeln eines Prepregs, das ein thermoplastisches Harz als Matrix enthält, um einen festen Dorn, welcher ein Harz enthält, das ein großes thermisches Ausdehnungsvermögen hat und eine höhere Wärmebeständigkeit als das thermoplastische Harz aufweist; Erhitzen der Wicklung zusammen mit dem Dorn auf eine Temperatur, die gleich der Plastifizierungstemperatur des thermoplastischen Harzes oder höher ist, während die äußere Form (Gestalt) der erhaltenen Wicklung mit einer äußeren Form (Formwerkzeug) beschränkt wird, um dadurch den massiven Dorn auszudehnen und innere Hohlräume in der Wicklung zu vermindern; Abkühlen der Wicklung und des massiven Dorns; herausziehen des massiven Dorns aus der Wicklung, um so einen Hohlkörper zu erhalten; Einsetzen eines festen Dorns, der aus demselben Material hergestellt ist wie der obige Dorn und der einen etwas größeren Durchmesser als der obengenannte Dorn hat, in den Hohlkörper; thermisches Ausdehnen des festen Dorns, wobei der äußere Durchmesser dieses Hohlkörpers wiederum beschränkt ist; und Wiederholen dieses Vorgangs unter schrittweiser Erhöhung des äußeren Durchmessers des massiven Dorns, der in die Wicklung einzusetzen ist, bis Hohlräume zwischen den Schichten des Hohlkörpers im wesentlichen vollständig entfernt sind.
Dieses Verfahren umfaßt nämlich zunächst eine Verwendung eines dünnen massiven Dorns, thermisches Ausdehnen dieses Dorns von innen nach außen, um dadurch den inneren Durchmesser des erhaltenen Hohlkörpers auszudehnen; Einfügen eines massiven Dorns, der etwas dicker ist als der anfänglich verwendete, thermisches Ausdehnen dieses Dorns im Inneren des Hohlkörpers, um dadurch den inneren Durchmesser des Hohlkörpers auszudehnen; und Wiederholen des Vorgangs, der eine stufenweise Erhöhung des Durchmessers des festen Dorns und Erhitzung der Wicklung und des Dorns umfaßt, bis die Hohlräume zwischen den Schichten des Hohlkörpers im wesentlichen vollständig entfernt sind.
Wenn die thermische Ausdehnung des massiven Dorns nur einmal durchgeführt wird, kommt es manchmal vor, daß es möglich ist, nur einen Hohlkörper zu erhalten, der restliche interlaminale Hohlräume aufweist, da der innere Durchmesser des Hohlkörpers nicht ausreichend ausgedehnt werden kann, wenn der Dorn bei der Herstellung eines dickwandigen Hohlkörpers, die eine größere Ausdehnung des massiven Dorns erfordert, ausgedehnt wird. Allerdings ist es möglich, in den Hohlkörper einen massiven Dorn einzusetzen, der etwas dicker ist als der anfänglich verwendete, da das Innere des Hohlkörpers in diesen Zustand auf einen Wert vergrößert ist, der über dem des äußeren Durchmessers des anfänglich verwendeten Dorns liegt.
Demnach wird der innere Durchmesser des fertigen Hohlkörpers zunächst durch Verwendung eines dünneren massiven Dorns und thermisches Expandieren desselben gegen das Innere des Hohlkörpers; Einsetzen eines festen Dorns, der etwas dicker ist als der anfänglich verwendete in den Hohlkörper und thermisches Expandieren dieses erneut gegen die Innenseite des Hohlkörpers, gedehnt. In diesem Fall ist es leicht, den etwas dickeren Dorn in den Hohlkörper einzufügen, der noch interlaminare Hohlräume aufweist. Während der eingesetzte massive Dorn noch in einem unerhitzten Zustand ist, kann der Hohlkörper in erhitztem oder unerhitztem Zustand sein. Wenn der massive Dorn und der Hohlkörper auf die Verfahrenstemperatur (über der Plastifizierungstemperatur) gebracht werden, dehnt sich der innere Durchmesser des Hohlkörpers im Vergleich zu dem im Anfangsstadium aus, und die interlaminaren Hohlräume nehmen ab.
Der Vorgang, der ein stufenweises Vergrößern des äußeren Durchmessers des eingesetzten massiven Dorns und Erhitzen desselben umfaßt, wird wiederholt, bis die interlaminaren Hohlräume des Hohlkörpers im wesentlichen vollständig entfernt sind. Obgleich diese Hohlräume in den meisten Fällen auf einmal entfernt werden können, wird andernfalls ein dickerer Dorn verwendet. In diesem Fall können die Hohlräume leicht und vollständig entfernt werden. Der Grund dafür liegt in der Tatsache, daß das Matrixharz ein thermoplastisches ist und mehrmals reversibel plastifiziert und verfestigt werden kann, indem die Temperatur durch Erhitzen und Abkühlen gesteuert wird.
Nachfolgend werden Beispiele für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers für diesen Fall beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.

BEISPIEL 4

Fig. 6, 7 und 8 zeigen einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Beispiels. In Fig. 6 und 7 bezeichnet Bezugszeichen 21 einen massiven PTFE-Dorn, das Bezugszeichen 22 bezeichnet eine Wicklung, die durch möglichst festes Wickeln einer Prepregfolie (APC-2/AS4), welche unter Verwendung von PEEK als Matrix gebildet wurde und mit einer Kohlenstoffaser verstärkt ist, um einen Dorn 21 hergestellt wurde, und deren äußere Gestalt mit einem Kupferrohr 23 beschränkt wird.
Die Situation von Fig. 6 ist ein Fall, der durch Anordnung eines Prepregmaterials, das zu einem Rohrprodukt geformt werden soll, in den Raum zwischen einem thermisch ausdehnbaren Dorn 21 und einem Kupferrohr 23, das die äußere Gestalt beschränkt, realisiert wird. In diesem Beispiel war der Durchmesser des Dorns 21 20 mm; der innere Durchmesser des Kupferrohrs 23 betrug 32 mm.
Im Fall von Fig. 6 wurde das Material auf 400ºC erhitzt, und nachdem der Dorn 21, die Prepregfolie und das Kupferrohr 23 auf 400ºC erhitzt waren, wurden sie auf Raumtemperatur abgekühlt, wobei ein Material in der Situation von Fig. 7 erhalten wurde. Da der Durchmesser des Dorns 21 bei 400ºC auf 23 mm vergrößert wurde, wurde die Prepregfolie unter Schmelzen von PEEK zwischen dem Kupferrohr 23 und dem Dorn 21 gleichmäßig komprimiert, wobei ein Rohr 25 mit einem inneren Durchmesser von 23 mm gebildet wurde.
Allerdings wies das Rohr interlaminare Hohlräume auf, da es noch nicht ausreichend zusammengedrückt worden war. Zwischen dem Rohr 25 und dem Dorn 21 wurde bei Abkühlung des Dorns 21 ein Zwischenraum 27 gebildet. Dieser Zwischenraum 27 gestattet es, daß leicht dickerer Dorn 21a (mit einem Durchmesser von 22 mm) in den Hohlkörper eingesetzt werden kann.
Der dünnere Dorn 21 wurde auf diese Weise durch den dickeren Dorn 21a ausgetauscht, das Material wurde in derselben Weise wie oben auf 400ºC erhitzt und in derselben Weise wie oben abgekühlt, wobei ein in Fig. 8 dargestelltes Rohr 26 erhalten wurde.
Der innere Durchmesser des Rohrs 25, das die interlaminaren Hohlräume enthielt, war nach diesem Schritt 25,3 mm, wobei ein Rohr 26 erhalten wurde, welches gutes Aussehen und gute Qualität aufwies und vollkommen frei von Hohlräumen war. Gemäß Fig. 8 wurde durch Abkühlen des Dorns ein Zwischenraum 28 gebildet, so daß der Dorn 21a leicht aus dem Rohr 26 herausgezogen werden konnte.
Auf diese Weise war es möglich, ein gutes dickwandiges Rohr zu erhalten, das eine Faserorientierung von ± 450, eine Wanddicke von 3,35 mm und einen äußeren Durchmesser von 32 mm (mit einem Verhältnis äußerer Durchmesser zu Wanddicke von 9,6) aufwies und das frei von interlaminalen Hohlräumen war (die Grenze bei der Wanddicke eines Rohrs, das durch einmalige Ausdehnung des Dorns hergestellt werden kann, beträgt 13,17, ausgedrückt als Verhältnis äußerer Durchmesser zu Wanddicke).

BEISPIEL 5

Im wesentlichen nach demselben Verfahren wie in Beispiel 4, außer daß ein Prepregmaterial, das PPS als Matrix enthielt und mit einer Glasfaser verstärkt war, verwendet wurde, wurde ein Rohr hergestellt.
Unter den folgenden Bedingungen wurde ein Produkt gemäß Fig. 7 erhalten: Durchmesser des Dorns 20 mm, innerer Durchmesser des Kupferrohrs 32 mm und Erhitzungstemperatur 330ºC. Der Durchmesser des Dorns wurde bei 330ºC auf 22,6 mm ausgedehnt, wobei ein Rohr 25 mit einem inneren Durchmesser von 22,6 mm gebildet wurde.
Ein dickerer Dorn (mit einem Durchmesser von 22 mm) wurde in das Rohr 25 eingesetzt und erneut auf 330ºC erhitzt, wobei ein Rohr mit einem inneren Durchmesser von 24,9 mm erhalten wurde. Da dieses Rohr noch einige interlaminale Hohlräume enthielt und nicht gut war, wurde der Dorn erneut durch einen etwas dickeren (mit einem Durchmesser von 23 mm) ersetzt, wieder auf 330ºC erhitzt und dann abgekühlt, wobei ein Produkt gemäß Fig. 8 erhalten wurde (wobei der Dorn um 1 mm dicker war als 21a). Das auf diese Weise erhaltene Rohr war gut, hatte einen inneren Durchmesser von 25,6 mm, eine Wanddicke von 3,2 mm und einen äußeren Durchmesser von 32 mm (mit einem Verhältnis größerer Durchmesser zu Wanddicke von 10,0) außerdem war es frei von interlaminaren Hohlräumen. Obgleich in diesem Fall der Durchmesser (23 mm) des Dorns auf 25,99 mm ausgedehnt wurde (thermische Ausdehnung von 13 %), wurde die Ausdehnung in radialer Richtung durch das Prepregmaterial eingeschränkt (nachdem die Hohlräume entfernt waren, wandelte sich die zusätzliche Ausdehnung in eine Ausdehnung in axialer Richtung), so daß das Prepreg, das geformt werden sollte, von einer zusätzlichen Ausdehnung bewahrt werden konnte.
Im folgenden wird die Wanddicke, die bei den Beispielen 4 und 5 und den entsprechenden Vergleichsbeispielen auftritt, diskutiert. Für den Fall, daß die Laminierung so durchgeführt wurde, daß keine Hohlräume enthalten sein können (da das Harz praktisch nicht wie ein Prepreg aus wärmehärtendem Harz fließen kann), kann die Wanddicke durch diese selbst bestimmt werden, wenn die Abmessungen einschließlich des äußeren Durchmessers des Rohrs und die Menge des Prepregs, das gewickelt wird, nämlich die Länge des Prepregs in der Wickelrichtung gegeben sind. Wenn der Durchmesser des Dorns in einem thermisch ausgedehnten Zustand gleich oder größer als der zum Schluß erwartete innere Durchmesser war, konnten Hohlraum-freie Rohre, wie die in den Beispielen 4 und 5 dargestellten, erhalten werden, während, wenn der Durchmesser kleiner als jener war, ein Hohlraum-haltiges schlechtes Rohr erhalten wurde.

VERGLEICHSBEISPIEL 1

Das Rohr wurde nach dem Verfahren, das fast das gleich wie jenes von Beispiel 4 bis zu dessen Mitte war, erhalten, wobei nur einmal erhitzt wurde. Das Rohr hatte eine Wanddicke von 4,5 mm (die Dicke in Hohlraum-freiem Zustand betrug 3,3 mm) und ein tolerierbares Aussehen, enthielt aber etwa 25 % interlaminare Hohlräume (ein Rohr, das einen derart hohen Hohlraumgehalt hatte, war hinsichtlich der Festigkeit schlecht).
(3) Wenn ein hohler Dorn verwendet wird, wird, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist, ein Prepreg aus thermoplastischem Harz 32 zwischen dem äußeren Umfang eines thermisch dehnbaren, hohlen zylindrischen Dorns 31 und dem inneren Umfang einer hohlen, zylindrischen äußeren Form 32, die einen inneren Durchmesser hat, der größer ist als der äußere Durchmesser des Dorns 31, angeordnet. Ein hohler Dorn hat im Vergleich zu einem massiven Dorn eine gute thermische Leitfähigkeit.
Das Formungsmaterial (ein Prepreg aus thermoplastischem Harz 32) kann zwischen dem äußeren Umfang des hohlen zylindrischen Dorns 31 und dem inneren Umfang der hohlen zylindrischen äußeren Form 33 in der gleichen Weise angeordnet werden, wie in dem oben beschriebenen Fall, in dem ein massiver Dorn verwendet wird. Es kann ein Hohlkörper aus faserverstärktem thermoplastischem Harz erhalten werden, indem in der gleichen Weise wie in dem Fall, wo ein massiver Dorn verwendet wird, erhitzt und abgekühlt wird.
Ferner kann, wie in Fig. 10 dargestellt ist, ein massiver oder hohler metallischer oder keramischer Kern 34 in den Dorn 31 eingesetzt werden.
Der Dorn 31 kann auf diese Weise gestützt werden, so daß selbst wenn er ein dünnwandiger ist, das Formungsmaterial gleichmäßig gegen ihn gedrückt werden kann, ohne daß die Verformung des Dorns bewirkt wird. Wenn ein hohler metallischer Kern verwendet wird, kann speziell die Wärme schnell und gleichmäßig übertragen werden, was zur Verbesserung der Produktionseffizienz und der Qualität des Produktes sehr wirksam ist.
Darüber hinaus kann der Dorn mit Fasern 35 parallel (0º) zur Achse verstärkt sein, wie dies z. B. in Fig. 11 gezeigt ist. Damit ist es möglich, die thermische Ausdehnung in axialer Richtung einzuschränken und in radialer Richtung zu verstärken.
Wie in Fig. 12 gezeigt ist, kann der Dorn 31 mit Fasern 35, die zur Achse parallel sind (0º) und Fasern 36, die senkrecht zur Achse sind (90º) verstärkt sein. In diesem Fall kann der Dorn 31 gleichmäßiger in radialer Richtung ausgedehnt werden.
Wenn der Kern 34 ein hohler Kern ist, ist es wünschenswert den Kern 34 entweder mit einem elektrischen Heizmittel 37 in seinem Inneren, wie dies in Fig. 13 gezeigt ist, oder mit einem Zylinder, der ein ausgebautes Zuführrohr 42 für ein Heizmedium enthält, wie dies in Fig. 14 dargestellt ist, auszustatten. Da das Verfahren durch dieses Heizen schneller und gleichmäßiger durchgeführt werden kann als bei atmosphärischem Heizen, ist es zur Verkürzung der Produktionszeit und Verbesserung der Qualität des Produktes wirkungsvoll. Diese Wirkung ist besonders bei einem langen Rohr (einem langen Formteil) markant, welches bei atmosphärischem Heizen eine lange Zeit erfordert, bis das ganze die Temperatur der Atmosphäre erreicht hat. In Fig. 13 bezeichnet das Bezugszeichen 40 eine Stromzuführung. In Fig. 14 bezeichnet das Bezugszeichen 42 die Wandoberfläche eines Heizofens, die Nummer 44 kennzeichnet einen Einlaß für ein Heizmedium und die Nummer 45 kennzeichnet einen Auslaß für das Heizmedium.
Nachfolgend werden Beispiele für ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers in diesem Fall beschrieben.

BEISPIEL 6

Ein hohler PTFE-Dorn 31, der in Fig. 9 dargestellt ist, wurde verwendet, um eine Wicklung aus PEEK UD-Prepreg (APC-2/A34, ein Produkt von ICI-Fiberite) zwischen den Dorn 31 und die äußere Form 33 zu bringen. Dann wurde der resultierende Aufbau für 30 Minuten in einem Heizofen bei 400ºC gehalten und durch Eintauchen in ein Wasserbad, das mit kaltem Wasser (etwa 20ºC) gefüllt war, abgeschreckt.
Der erhaltene Hohlkörper, der mit Endlos-Kohlenstoffasern verstärkt war und PEEK als Matrix enthielt, war ein sehr homogenes gutes Formteil, das frei von Faserstörungen und interlaminaren Hohlräumen war.

VERGLEICHSBEISPIEL 2

Unter Verwendung desselben Aufbaus wie in Beispiel 6, außer daß ein massiver PTFE-Dorn verwendet wurde, wurde ein mit Endlos-Kohlenstoffaser verstärkter Hohlkörper, der PEEK als Matrix enthielt, hergestellt. Obgleich auch in diesem Fall der resultierende Aufbau für 30 Minuten in einem Heizofen gehalten wurde, konnte der mittlere Teil des Dorns nicht ausreichend erhitzt werden und enthielt unvorteilhafterweise restliche interlaminare Hohlräume.

BEISPIEL 7

Praktisch in der gleichen Weise wie in Beispiel 6, außer daß ein Dorn, der in Fig. 10 dargestellt ist, verwendet wurde, wurde ein Hohlkörper hergestellt. Der hier verwendete Dorn war einer, der durch Montieren eines Hohlkörpers, der aus reinem PTFE bestand und dieselbe Abmessung der von Beispiel 6 hatte, um ein Metallrohr hergestellt worden war. In diesem Fall konnte die Wärme durch die Wirkung des Metallrohres gleichmäßig und schnell übertragen werden, und durch 20- minütiges Erhitzen konnte ein Produkt ähnlich dem von Beispiel 6 mit ausgezeichneter Qualität erhalten werden.

BEISPIEL 8

Es wurde ein Produkt hergestellt, indem dieselbe Zusammensetzung wie bei dem von Beispiel 6 verwendet wurde, außer daß ein Dorn, der in Fig. 11 gezeigt ist, verwendet wurde. Der Dorn war derselbe wie jener von Beispiel 7, außer daß er mit Glasfasern in axialer Richtung verstärkt war und die Wanddicke aus PTFE halb so groß war wie die von Beispiel 7, während die anderen Bedingungen einschließlich des äußeren Durchmessers des Dorns dieselben waren wie jene in Beispiel 7 (der äußere Durchmesser des metallischen Rohrs war vergrößert, was durch die Verminderung der Dicke des PTFE ausgeglichen wurde). Obgleich die Wanddicke von PTFE in diesem Fall kleiner war, war die thermische Ausdehnung in axialer Richtung durch die Glasfaser eingeschränkt, so daß die thermische Ausdehnung in radialer Richtung ausreichend erfolgen konnte.
Da die PTFE-Schicht in diesem Fall dünn war, konnte ein gutes Produkt erhalten werden, indem nur für 10 Minuten erhitzt wurde. Außerdem unterlag der Dorn nur einer geringen Verformung, so daß er als solcher wieder verwendet werden konnte. Obwohl dieser Dorn aufgrund seiner deutlich komplizierten Struktur teuer war, war seine Wirkung zur Reduzierung der Gesamtproduktionskosten im Hinblick darauf, daß die Erhitzungszeit nur 10 Minuten kurz war und daß die Wiederherstellung der Form für eine wiederholte Verwendung unnötig war, bedeutend.

BEISPIEL 9

In der gleichen Weise wie in den anderen Beispielen, außer daß ein Stabheizmittel (Patronenheizkörper), das in Fig. 13 dargestellt ist, in ein in Fig. 10 dargestelltes Metallrohr eingesetzt wurde, wurde ein Produkt hergestellt. Sobald der Heizer in Betrieb gesetzt war, wurde innerhalb von 3 Minuten ein gleichmäßiges Erhitzen des Gesamten erreicht und es konnte ein gutes Produkt erhalten werden.

BEISPIEL 10

Ein Heizmittel, das in Fig. 13 dargestellt ist, wurde in einen Dorn, der in Fig. 10 dargestellt ist, eingesetzt, um einen mit Heizmitteln ausgestatteten Dorn herzustellen. Um den Dorn wurde ein Prepregband, das PEEK als Matrix (APC- 2/A54) enthielt, gewickelt, wobei eine Laminatstruktur mit ± 45º gebildet wurde, dann wurde darum eine äußere Form angepaßt.
Das resultierende System wurde in einen Heizofen mit 400ºC gestellt, gleichzeitig wurde das Heizmittel in Betrieb gesetzt, um dadurch ein schnelles und gleichmäßiges Erwärmen in axialer Richtung sowohl durch atmosphärisches Heizen wie durch Heizen mit einem Heizmittel zu erreichen, wobei das Prepreg, der Dorn und die äußere Form innerhalb von 3 Minuten auf 400ºC erhitzt wurden.
Nachdem das Heizmittel herausgezogen war, wurde das System durch Eintauchen in kaltes Wasser abgeschreckt.
Der auf diese Weise hergestellte Hohlkörper war gut, frei von Faserfehlern und Hohlräumen.
(4) Nachfolgend wird der Fall beschrieben, bei dem ein Verbundstoff, der durch Anordnung einer Vielzahl thermisch ausdehnbarer Elemente an der Oberfläche eines Kernkörpers hergestellt wird, und ein System, das ausschließlich aus einer Vielzahl thermisch ausdehnbarer Elemente besteht, als Kern verwendet wird.
Die Funktion dieses Kernkörpers ist es, die Spannkraft zu tragen, die aus der thermischen Ausdehnung des Kerns beim Einspannen resultiert, und die einzelnen thermisch ausdehnbaren Elemente unterzubringen. Dafür sollte der Kernkörper ausreichende mechanische Eigenschaften wie Festigkeit und Härte bei der Temperatur des Gebrauchs sowie Zwischenwände, Unregelmäßigkeiten oder andere geeignete Mittel zur Einschränkung der thermisch ausdehnbaren Elemente aufweisen (es gibt einen Fall, wo derartige Mittel entsprechend der Gestalt des verwendeten thermisch ausdehnbaren Elements unnötig sind). Es ist wünschenswert, daß der Kernkörper außerdem mit einem geeigneten Mittel zur Beschleunigung des Erhitzens oder zur Steuerung der Kühlung ausgestattet ist. Der Kernkörper kann hohl oder massiv sein. Es ist bevorzugt, daß der Kernkörper so aufgebaut ist, daß er, wenn nötig, auseinandergenommen werden kann.
Eine Ausnahme unter den strukturellen Elementen des Kerns ist die, daß der Kern ausschließlich aus einer Vielzahl thermisch ausdehnbarer Elemente besteht. Da das Problem, daß die Qualität des Produktes aufgrund der thermischen Leitfähigkeit ungleichmäßig ist, vernachlässigbar ist, wenn das Produkt relativ klein oder dünn ist, kann selbst bei Verwendung eines Kerns, der ausschließlich aus thermisch ausdehnbaren Elementen besteht, ein gutes Produkt erhalten werden. Daher ist es in diesem Fall unnötig, absichtlich einen Kern zu verwenden, der einen Kernkörper hat.
Obgleich der Kern, der einen Kernkörper aufweist, hinsichtlich der Zahl und der Gestalt thermisch ausdehnbarer Elemente nicht besonders limitiert ist, umfassen Beispiele dafür Kerne, die durch Anordnung eines oder verschiedener ringförmiger Elemente an einem Kernkörper hergestellt sind, wie dies in den Fig. 19 (A) und 19 (B) gezeigt ist. Fig. 19 (A) zeigt den Fall, wo drei ringförmige, thermisch ausdehnbare Elemente 71 an einem Kernkörper 70 angebracht sind. Fig. 19 (B) zeigt den Fall, wo ein ringförmiges, thermisch ausdehnbares Element 71 an einem Kernkörper 70 angebracht ist. Der Kern, der ein thermisch ausdehnbares Element 71 aufweist, entspricht dem Fall eines massiven oder hohlen Dorns.
Der Durchmesser und die Größe des ringförmigen, thermisch ausdehnbaren Elements können entsprechend der Gestalt des Produktes variieren. Die Mittel zum Verbinden des thermisch ausdehnbaren Elements mit dem Kernkörper können, wenn das thermisch ausdehnbare Element ein Ring ist, beispielsweise vorstehende Teile, an dem fern angebrachte Zwischenwände, An der Oberfläche des Kernkörpers angebrachte Unregelmäßigkeiten, ein Mechanismus als Teil der äußeren Form oder ein Mechanismus unabhängig vom Kernkörper oder der äußeren Form sein.
Wenn das thermisch ausdehnbare Element, das zu verwenden ist, ein anderes als das ringförmige ist, z. B. eines in Form einer Platte, eines Stabs oder eine Fliese, ist es vorteilhaft, verbindende Mittel zu verwenden, durch die das Verbinden sicherer durchgeführt werden kann als für die ringförmigen. Obgleich das Verbinden in diesem Fall nicht fest sein muß, so muß es doch fest genug sein, um ein Ablösen zu verhindern.
Obgleich die thermisch ausdehnbaren Elemente nicht notwendigerweise fest miteinander verbunden werden, müssen sie so entworfen sein, daß sie durch Ausdehnung eng an die Oberfläche des Kerns gebunden werden können, bevor die Matrix des Formungsmaterials zu fließen beginnt. Die thermisch ausdehnbaren Elemente können auch vorher ähnlich einem Jigsaw-Puzzle aneinander angepaßt sein.
Die thermisch ausdehnbaren Elemente werden im allgemeinen einzeln in die Richtungen X, Y und Z thermisch gedehnt, wenn sie allerdings einer hohen Druckspannung ähnlich der in dieser Erfindung aufgesetzt werden, können sie sich ausdehnen, um so durch geeignete elastische oder plastische Verformung die Zwischenräume auszufüllen. Daher ist es nicht immer notwendig, die thermisch ausdehnbaren Elemente auf der Basis der Gestalt der thermisch ausdehnbaren Elemente, die durch Erhitzen durch isotrope thermische Ausdehnung deformiert sind, zu entwerfen.
Es ist auch möglich, daß nur die Ausdehnung in der wirksamen Richtung ausgenützt wird (in dem Fall, wo die Richtung X mit der Normalen des Produktes zusammenfällt), indem die thermisch ausdehnbaren Elemente vorher mit einer Faser verstärkt werden, um sie dadurch hoch anisotrop zu machen (in einem Extremfall ist es möglich, das thermisch ausdehnbare Element sich nur in der X-Richtung ausdehnen zu lassen, und seine Ausdehnung in der Y- und Z-Richtung zu verhindern). Es ist auch möglich, thermisch ausdehnbare Elemente zu verwenden, die einen Füllstoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit enthalten, um so die thermische Leitfähigkeit zu verbessern.
Wenn ein Verbundstoff, der durch Anordnen einer Vielzahl thermischer ausdehnbarer Elemente an der Oberfläche eines Kernkörpers hergestellt wird, als Kern verwendet wird, wird, wie in Fig. 15 dargestellt ist, ein Prepreg aus thermoplastischem Harz entlang der inneren Oberfläche eines Hohlraums 62 mit einem runden oder elliptischen Querschnitt einer äußeren Form 61 in die Form einer gewünschten Schichtstruktur gewickelt, um so eine hohle Wicklung 63 mit einem runden oder einem elliptischen Querschnitt zu bilden.
Obgleich die äußere Form 61 hinsichtlich ihres Materials nicht besonders limitiert ist, muß sie bei der Verfahrenstemperatur frei von einer Verformung oder einer Verschlechterung sein und den Druck, der aus der Ausdehnung der thermisch ausdehnbaren Elemente resultiert, aushalten, daher ist sie bevorzugt aus einem Metall wie z. B. Eisen oder einer Aluminiumlegierung gemacht. Obgleich die Form 61 aus einem Stück gemacht sein kann, ist eine mehrteilige Form, die in eine obere und eine Bodenhälfte geteilt werden kann, welche dann mit Bolzen, usw. zusammengehalten werden können, wünschenswert, weil daraus das Produkt einfach herausgenommen werden kann.
Erfindungsgemäß wird das Prepreg aus thermoplastischem Harz entlang der inneren Oberfläche der Formhöhlung 62 der äußeren Form 61 in die Form einer gewünschten Schichtstruktur gewickelt. Da das Prepreg aus thermoplastischem Harz in diesem Fall in Form z. B. einer gehärteten Folie vorliegt, wird es genügen, wenn es in die Spiralform gewickelt wird und in die Formhöhlung 62 gelegt wird. Darüber hinaus kann das Prepreg zeitweilig beim Wickeln durch Punktschweißen mit einem Lötkolben verbunden werden. Wenn notwendig, kann die innere Oberfläche der Formhöhlung 62 vorher mit einem Formen- Trennmittel oder dgl. beschichtet werden.
Wie in Fig. 16 dargestellt ist, ist ein Kern mit elliptischem Querschnitt 66, der einen Kernkörper 64 und eine Vielzahl thermisch ausdehnbarer Elemente 65, die um den Kernkörper 64 herum angeordnet sind, umfaßt, in den Hohlraum einer hohlen Wicklung 63 eingesetzt.
Der Kernkörper 64 muß ähnlich wie die äußere Form 61 bei der Verfahrenstemperatur frei von einer Verformung oder Verschlechterung sein und den Druck, der aus der Ausdehnung der thermisch ausdehnbare Elemente resultiert, aushalten, so daß es wünschenswert ist, daß er aus einem Metall hergestellt ist, obgleich sein Material nicht besonders limitiert ist. Der Kernkörper kann ein hohler oder ausgehöhlter anstelle eines massiven sein. Es ist wünschenswert, daß der Kernkörper 64 hohl oder ausgehöhlt ist, da dadurch der Kernkörper 64 selbst ein reduziertes Gewicht und eine gute Wärmeleitfähigkeit haben wird.
Das thermisch ausdehnbare Element 65 weist eine isotrope thermische Expansion auf (obgleich es manchmal vorkommt, daß es entsprechend den Formungsbedingungen, usw. mehr oder weniger Isotropie aufweist, kann es makroskopisch als Isotrop angesehen werden). Daher werden die thermisch ausdehnbaren Elemente 65 so angeordnet, daß zwischen ihnen Zwischenräume gebildet werden können, wie dies in Fig. 16 dargestellt ist. Es ist auch möglich, wenn nötig, daß die thermisch ausdehnbaren Elemente 65 daran gehindert werden, miteinander zu verschmelzen, indem eine Metallfolie oder dgl. zwischen die Elemente eingesetzt wird.
Die hohle Wicklung 63, in die der Kern 66 auf diesem Weg eingesetzt wird, wird erhitzt.
Geeigneterweise wird das Erhitzen so durchgeführt, daß sie zusammen mit der äußeren Form 66 in einen Heizofen (bevorzugt ein Heißluftofen oder ein Entfettungsofen) gestellt wird. Wünschenswerterweise ist eine Erhitzungstemperatur, die um 30 bis 100ºC höher als der Schmelzpunkt des Matrixharzes des Prepregs ist. Es wird ausreichend sein, wenn die Erhitzungszeit eine Zeit ist, die notwendig ist, damit das gesamte die atmosphärische Temperatur erreicht. Die thermisch ausdehnbaren Elemente 65 werden durch dieses Erhitzen in die Richtungen X, Y und Z ausgedehnt, wobei bewirkt wird, daß sie fest aneinander gebunden werden, wie dies in Fig. 17 dargestellt ist, und daß die hohle Wicklung 63 von der Innenseite gegen die äußere Form 61 gedrückt wird, um dadurch die Wicklung 63 gleichmäßig über den gesamten Umfang einzuklemmen (einzuspannen).
Wenn das Ganze dann gekühlt wird, stellen die thermisch ausdehnbaren Elemente 65 ihre anfänglichen Abmessungen wieder her (siehe Fig. 16). Daher kann durch ein Herausziehen der hohlen Wicklung 63 aus der äußeren Form 61 nach dem Kühlen ein Produkt (elliptische Feder) 67 erhalten werden, wie es in Fig. 18 dargestellt ist, das ein Aussehen aufweist, welches frei von Faserfehlern, Ungleichmäßigkeit der Dicke ist und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften aufweist.
Nachfolgend werden Beispiele für diesen Fall des Verfahrens zur Herstellung eines Hohlkörpers beschrieben.

BEISPIEL 11

Eine UD-Prepregfolie, die PEEK als Matrix (APC-2/AS4, ein Produkt von ICI-Fiberite) hatte, wurde in die Formhöhlung 62 einer äußeren Eisenform 61, wie dies in Fig. 16 dargestellt ist, gebracht, so daß die gebildete Wicklung eine Laminatstruktur mit ± 45º und eine Dicke von genau 3,0 mm und eine Gesamtanzahl von Schichten von 24 (jeweils 12) haben konnte; dann wurden thermisch ausdehnbare PTFE-Elemente 65 montiert und in das Innere der Wicklung gestellt, dann wurde ein Aluminiumkernkörper 64 im Inneren der Elemente 65 plaziert.
Die resultierende Anordnung (das resultierende System) wurde 60 Minuten lang in einem Heißluftofen bei 400ºC gehalten. Nachdem bestätigt war, daß die thermisch dehnbaren Elemente 65 - wie in Fig. 17 dargestellt - aneinander gebunden waren und die Zwischenräume zwischen Schichten der hohlen Wicklung 63 verschwunden waren, wurde die Anordnung aus dem Ofen genommen und gekühlt, wobei eine elliptische Feder - wie in Fig. 18 dargestellt - erhalten wurde, die frei von Hohlräumen und Faserstörungen war und ausgezeichnetes Aussehen und ausgezeichnete Eigenschaften aufwies. Diese elliptische Feder hatte eine Rindbreite von 50 mm, einen kleineren Durchmesser von 77 mm, einen größeren Durchmesser von 154 mm, eine Wanddicke von 3 mm und einen Vf von 0,61.

BEISPIEL 12

In der gleichen Weise wie in Beispiel 11, außer daß die Laminatstruktur eine gekreuzte Laminierung von 0º und 90º hinsichtlich der Umfangsrichtung (die äußerste Schicht: 0º), wurde ein Hohlkörper hergestellt. Das Produkt war eine elliptische Feder ähnlich der von Beispiel 11.
Beim Formen eines Verbundstoffs, der ein thermoplastisches Harz als Matrix hat und mit einer Endlosfaser verstärkt ist, ist es wichtig zu wissen (1) ob die Faserorientierung wie geplant ohne Störung realisiert werden kann oder nicht, (2) ob interlaminare Hohlräume verschwinden oder nicht und (3) ob die Faserdispersion ungleichmäßig ist, was zu einem Anstieg der Falten des Harzes an manchen Stellen führt, oder nicht. Aus diesem Grund ist das Produkt frei von Faserfehlern, interlaminaren Hohlräumen und einer Trennung zwischen der Faser und dem Harz, was seine hohe Leistung garantiert. Wenn das Produkt einen Schwachpunkt hat, der einer dieser Anforderungen nicht genügt, geht der Bruch des Produktes von diesem Punkt aus, wobei ein fehlerhaftes Produkt erhalten wird. So wurden die in den Beispielen 11 und 12 erhaltenen Produkte zerschnitten, um eine Anzahl von Teststücken herzustellen, die einem Biegeversuch unterzogen wurden, um derartige Punkte zu suchen, woraufhin gezeigt wurde, daß die Produkte ausreichende mechanische Festigkeit, ausgezeichnete und homogene Qualitäten einer sehr geringen Dispersion aufwiesen und den obigen Anforderungen genügten.

BEISPIEL 13

In der gleichen Weise wie in Beispiel 11, außer daß eine UD- Prepregfolie, die PPS als Matrix (Ryton, ein Produkt von Phillips Petroleum) aufwies, verwendet wurde, daß die Verfahrenstemperatur bei 330ºC gehalten wurde und daß eine 1,0-mm-dicke Aluminiumplatte zwischen den Kernkörper 64 und die thermisch ausdehnbaren Elemente 65 eingelegt wurde, wurde ein Hohlkörper hergestellt. Es wurde eine elliptische Feder, die ebenfalls ausgezeichnetes Aussehen und ausgezeichnete Gebrauchsleistung aufwies, erhalten.
Die Aluminiumplatte wurde verwendet, um die geringe thermische Ausdehnung zu kompensieren, da die thermische Ausdehnung der thermisch ausdehnbaren Elemente 65, die für 400ºC ausgelegt war, unzureichend war.

VERGLEICHSBEISPIEL 3

Es wurde ein elliptisches Rohr hergestellt, indem eine Prepregfolie aus PPS/Kohlenstoffaser um einen Eisendorn, der auf 310ºC erhitzt war, gewickelt wurde, wobei sich der Dorn drehte und die Wicklung durch Pressen der Wicklung mit zwei Walzenpaaren entlüftet wurde.
In diesem Fall konnte kein Produkt mit stabiler Qualität erhalten werden, da es schwierig war, die Prepregfolie in einem exakten Faserwinkel um den auf 310ºC erhitzten Eisendorn zu wickeln.

BEISPIEL 14

VENTURI-ROHR (Laminatstruktur mit ± 45º in Bezug auf die Rotationsachse)
Ein in Fig. 20 dargestelltes Produkt 72 (ein Venturi-Rohr mit einem Durchmesser von 10 cm) wurde hergestellt, indem eine äußere Form 73 (eine einmal geteilte Form, deren innere Oberfläche mit Teflon als Trennmittel beschichtet war), die in Fig. 23 dargestellt ist, und ein Kern 83, der einen in Fig. 21 dargestellten Kernkörper und ein in Fig. 22 dargestelltes thermisch ausdehnbares PTFE-Element 81 umfaßte, verwendet wurden (dieser Kern hatte einen Aufbau, der geeignet war, auseinandergebaut zu werden und er konnte nach der Herstellung des Produktes durch Auseinanderbauen aus dem Kern 82 herausgenommen werden).
Ein Kabel aus einem Prepreg, das PEEK als Matrix (Breite etwa 3 mm und Dicke etwa 0,13 in, APC-2/AS4, ein Produkt von ICI) hat, wurde mit einer Flechtmaschine gestrickt, um insgesamt 16 Vorformlinge mit einem Flechtwinkel von ± 45º zu bilden. Dieser Vorformling des Venturi-Rohres hat eine Wanddicke von etwa 5 mm, was etwa 2,5mal so groß ist wie die (2 mm) des Endproduktes. Der Vorformling wurde an notwendigen Punkten punktgeklebt, um ein Zerfallen zu verhindern.
Ein in Fig. 21 dargestellter Kernkörper 80 wurde durch partielles Auseinanderbauen in diesen Vorformling eingesetzt, dann wurden thermisch ausdehnbare Elemente 81 an diesem Kernkörper 80 unter Bildung eines Kerns angeordnet. Obgleich in diesem Fall zwischen den thermisch ausdehnbaren Elementen 81 kleine Zwischenräume blieben, waren diese so eingepaßt worden, daß diese Zwischenräume verschwinden konnten, wenn sie auf die Verfahrenstemperatur erhitzt wurden; daher könnten die thermisch ausdehnbaren Elemente 81 den Vorformling gegen die äußere Form 73 drücken, um so ein Einspannen zu bewirken.
Dieser Vorformling und der ganze Kern wurden in die äußere Form 73 - dargestellt in Fig. 23 - gegeben, und nachdem die äußere Form 73 daran gehindert worden war, sich zu öffnen, wurde das resultierende System dem folgenden Schritt zugeführt. Die äußere Form 73 war wegen der Notwendigkeit des Herausziehens des Produktes eine geteilte Form und war mit Teflon als Trennmittel beschichtet.
Im folgenden Schritt wurde ein wärmeisolierendes Material um die äußere Oberfläche des dickeren Teil der äußeren Form 73 gewickelt, um so zuzulassen, daß der dünnere Teil der äußeren Form 73 zuerst erhitzt wurde, dann wurde das System in einen Heizofen mit einer Temperatur von 400ºC gestellt. Nachdem das System auf etwa 400ºC erhitzt war, wurde das herumgewickelte isolierende Material entfernt und das System durch Eintauchen in ein Wasserbad abgekühlt. Damit wurde ein für APC-2 empfohlener Abschreckprozeß realisiert.
Die Wirkung eines Flansches 83 - dargestellt in Fig. 21 - wird nun beschrieben. Dieser Flansch 83 wird durch eine Mutter 85 daran gehindert, sich in Richtung der Achse des Kernkörpers 80 nach außen zu bewegen, so daß er die thermisch ausdehnbaren Elemente 81 daran hindern kann, sich in der Achsenrichtung des Kernkörpers 80 auszudehnen und damit wirksam die thermische Ausdehnung des Kernkörpers 80 in radialer Richtung verursachen kann. Ferner kann dieser Flansch 83 verhindern, daß die thermisch ausdehnbaren Elemente 81 bei Kontakt mit Wasser beim Kühlen abgeschreckt werden, und so verhindern, daß die thermisch ausdehnbaren Elemente 81 übermäßig schrumpfen und von dem Produkt abgelöst werden, bevor die Matrix des Produktes koaguliert ist, oder er kann verhindern, daß interlaminare Hohlräume durch unzureichendes Einklemmen (Einspannen) gebildet werden. Das Bezugszeichen Nr. 84 bezeichnet eine sich verjüngende Muffe.
Der Kern und die äußere Form wurden auseinandergebaut, um das Produkt aus der Form zu lösen. Der Kern konnte durch Entfernen der Mutter 85 auseinandergebaut werden. Das erhaltene Produkt hatte ein in hohem Maße ausgeglichenes Aussehen, war frei von Fehlern des Flechtwinkels, frei von Falten, Hohlräumen, Unregelmäßigen an der inneren und äußeren Oberfläche und zeigte eine sehr gute dimensionale Genauigkeit. Ein Teil des Produktes wurde als Teststück bemustert, um einem statischen mechanischen Test unterzogen zu werden. Dieser Test zeigte, daß das Produkt die erwartete Festigkeit und Härte sowie ausreichende mechanische Eigenschaften hatte und in vollem Umfang die Leistungsfähigkeit der thermoplastischen Harzmatrix aufwies.

BEISPIEL 15

VIERKANTROHR (dargestellt in Fig. 24, eine Laminatstruktur mit 0º und ± 45º hinsichtlich der Achse, ein Querschnitt von etwa 4 cm x 6 cm, Radius der Eckenrundung 10 mm und Dicke 3 mm)
Ein unidirektional gedoubeltes Prepregband, das PEEK als Matrix hatte (eine Breite von etwa 30 cm und eine Dicke von etwa 0,13 mm, APC-2/AS4, ein Produkt von ICI), wurde so geschnitten, daß eine gewünschte Laminatstruktur gebildet werden konnte; die erhaltene Struktur wurde einem Stumpfverstärken unter Bildung eines Bandes unterzogen. Dieses Band wurde zu einem Zylinder mit demselben Umfang wie der des Rechteckrohres gewickelt und an einigen notwendigen Punkten zur Verhinderung eines Lockerwerdens geklebt.
Der auf diese Weise erhaltene Vorformling wurde in eine äußere Form gestellt, die einer Form-Trennbehandlung ähnlich der von Beispiel 14 unterzogen worden war, wobei er verformt wurde. Nachdem die äußere Form an einem Aufgehen gehindert worden war, wurde ein Kern in der Vorform zusammengebaut.
Der Kernkörper 91 - dargestellt in den Fig. 25 (A) und 25 (B) - bestand aus metallischen Rechteckrohren 92 und Flanschen 94 (die verhindern, daß sich die thermisch ausdehnbaren Elemente in axialer Richtung des Kernkörpers 91 bewegen). Die Oberfläche, die mit den thermisch ausdehnbaren PTFE-Elementen in Kontakt kam, war mit Rillen 93 versehen. Die Rillen 93 sind Mittel, die verhindern, daß sich die thermisch ausdehnbaren Elemente 95 - dargestellt in den Fig. 26 (A) und 26 (B) - übermäßig in axialer Richtung des Kernkörpers 91 ausdehnen.
Das resultierende System wurde in einen Heizofen mit 400ºC gestellt. Im Beispiel 15 wurde im Unterschied zu Beispiel 14 kein wärmeisolierendes Material um die äußeren Oberflächen an den Enden der äußeren Form gewickelt, da der Kernkörper 91 in Beispiel 15 ein hohles Rechteckrohr war und daher auch der zentrale Teil des Produktes 90 schnell und ausreichend erhitzt werden konnte, ohne daß wesentliche Nachteile bewirkt wurden. Wenn das Produkt allerdings ein größeres ist, ist es vorzuziehen, das wärmeisolierende Material wie im Fall des Beispiels 14 herumzuwickeln, selbst wenn ein Kern mit derselben Struktur verwendet wird.
Nachdem das System auf etwa 400ºC erhitzt worden war, wurde es durch Eintauchen in ein Wasserbad abgekühlt. Damit wurde ein für APC-2 empfohlener Abschreckprozeß durchgeführt.
Der Kern und die äußere Form wurden auseinandergebaut, um das Produkt aus der Form zu lösen. Das erhaltene Produkt war eins gleich jenem von Beispiel 14, das ein in hohem Maße ausgeglichenes Aussehen hatte, frei von Fehlern eines Aufbauwinkels, frei von Falten, Hohlräumen und Unregelmäßigkeiten an der inneren und äußeren Oberfläche war. Ein Teil des Produktes wurde als Teststück bemustert, um einem statischen mechanischen Test unterzogen zu werden. Dieser Test zeigte, daß dieses Produkt ebenso wie das von Beispiel 14 die erwartete Festigkeit und Härte aufwies und ausreichende mechanische Eigenschaften hatte; es konnte in ausreichendem Maße die Leistungsfähigkeit der thermoplastischen Harzmatrix zeigen.

BEISPIEL 16

ELLIPTISCHES ROHR [± 45º, größerer Durchmesser 10 cm, kleinerer Durchmesser 6 cm, Wanddicke 1 mm, dargestellt in Fig. 27 (A) und 27 (B)]
Ein unidirektional gedoubeltes Prepregband, das PEEK als Matrix hatte (Breite 10 cm, Dicke etwa 0,13 mm, Ryton, ein Produkt von Phillips Petroleum) wurde so geschnitten, daß die geplante Laminatstruktur gebildet werden konnte; dann wurde es außerdem einer Stumpfverstärkung unter Bildung eines Bandes unterzogen. Dieses Band wurde um einen Zylinder mit dem gleichen Umfang wie der des elliptischen Rohres gewickelt und an verschiedenen notwendigen Punkten punktgeklebt, um so seine Lockerung zu verhindern.
Der auf diese Weise erhaltene Vorformling wurde in eine äußere Form, welche derselben Form-Trennbehandlung unterzogen worden war wie die von Beispiel 14, gegeben, wobei er verformt wurde. Nachdem die äußere Form verschlossen worden war, wurde ein Kern in dem Vorformling zusammengebaut.
Der Kernkörper 101 war aus Aluminium hergestellt und bestand - wie in Fig. 28 (A) und 28 (B) dargestellt - aus einer Metallplatte 102 und Flanschen 103 (die verhindern, daß die thermisch ausdehnbaren Elemente sich in der Richtung des Kernkörpers 101 nach außen bewegen); und seine Oberfläche, die mit den thermisch ausdehnbaren PTFE-Elementen in Berührung stand, war mit Rillen 104 versehen. Die Rillen 104 stellten Mittel dar, die verhinderten, daß die thermisch ausdehnbaren Elemente 105 - in Fig. 29 (A) und 29 (B) dargestellt - sich übermäßig in axialer Richtung des Kernkörpers 101 ausdehnten. Da der Kontaktbereich zwischen jedem thermisch ausdehnbaren Element 105 und dem Kernkörper 101 relativ klein war, war die Oberfläche mit vielen Rillen 104 versehen. Die thermisch ausdehnbaren Elemente 105 bestanden aus Silikonharz, das in axialer Richtung (Längsrichtung) mit Fasern verstärkt war.
Nachdem ein wärmeisolierendes Material an jedem Ende (etwa ein Viertel der Gesamtlänge) um die äußere Oberfläche der äußeren Form gewickelt worden war, um so zu bewirken, daß der Mittelteil des Produktes zuerst erhitzt wurde, wurde das System in einen Heizofen mit 310ºC gestellt.
Nachdem das System auf etwa 310ºC erhitzt worden war, wurde das herumgewickelte wärmeisolierende Material entfernt und das System durch Eintauchen in ein Wasserbad abgekühlt. Auf diese Weise wurde ein Abschreckverfahren, das für Ryton empfohlen war, realisiert.
Das Produkt wurde freigesetzt, indem der Kern und die äußere Form auseinandergebaut wurden. Das erhaltene Produkt 100 war ein Produkt, das wie das Produkt von Beispiel 14 ein in hohem Maße ausgeglichenes Aussehen hatte, frei von Fehlern des Aufbauwinkels, frei von Falten, Hohlräumen und Unregelmäßigkeiten an der inneren und der äußeren Oberfläche war und das eine sehr gute dimensionale Genauigkeit aufwies. Ein Teil des Produktes 100 wurde als Teststück bemustert, um dann einem statischen mechanischen Test unterzogen zu werden. Dieser Test zeigte, daß das Produkt 100 ebenso wie das des Beispiels 14 die erwartete Festigkeit und Härte hatte, ausreichende mechanische Eigenschaften aufwies und in ausreichender Weise die Eigenschaften der Matrix aus thermoplastischem Harz aufwies.

BEISPIEL 17

RUNDES GERIPPTES ROHR [± 450, das 3 cm lange radiale Rippen 111 - dargestellt in den Fig. 30 (A) und 30 (B) - in einem Rohr mit einem Durchmesser von 10 cm und einer Wanddicke von 3 mm hat]
Vorher geformte Rippen wurde in zwei Rillen 113 in einem Kern 112 von Fig. 33 angebracht. Eine vorherbestimmte Menge eines Produktes, das durch Schneiden eines Leinengewebes aus einem Commingled-Garn, das PEEK-Garn und Kohlenstoffaser enthielt, hergestellt worden war, wobei schräg in einem Winkel von 45 geschnitten wurde, wurde um den Kern 112 gewickelt. Ferner wurde eine Umdrehung mit einer Kupferfolie einer Dicke von 35 um als Formen-Trennfolie um das Ganze gewickelt. Das System wurde in eine äußere Form (einer einstückige, keine teilbare) eingesetzt, und die beiden Enden der äußeren Form wurden mit den Flanschen 114 des Kerns 112 blockiert. Das Innere der äußeren Form wurde mit Stickstoffgas (N&sub2;) gespült, dann wurden die Muttern 115 an beiden Enden des Kerns 112 angezogen, so daß keine Zwischenräume blieben.
Der Kern 112 wurde so hergestellt, daß thermisch ausdehnbare PTFE-Elemente 117 - dargestellt in den Fig. 32 (A) und 32 (B) - an dem Kernkörper 116 - dargestellt in Fig. 31 - angeordnet wurden. Der Kernkörper 116 bestand aus Eisenteilen und konnte durch Lösen der Muttern 115 an den Enden auseinandergebaut werden.
Die Oberflächen an beiden Enden der äußeren Form wurden mit einem wärmeisolierenden Material umwickelt, um so zu erlauben, daß der zentrale Teil des Formungsmaterials zuerst erhitzt wurde; dann wurde das System in einen Heizofen in eine N&sub2;-Atmosphäre bei 400ºC gestellt. Nachdem das System auf etwa 400ºC erhitzt worden war, wurde es für etwa 20 Minuten in diesem Zustand gehalten. Als das herumgewickelte wärmeisolierende Material entfernt worden war, wurde das System gekühlt, indem es in ein Wasserbad getaucht wurde.
Damit war ein für PEEK/Kohlenstoffaser empfohlenes Abschreckungsverfahren realisiert worden.
Der Grund für das Umwickeln der äußeren Oberflächen an beiden Enden der äußeren Form wärmeisolierendem Material war derselbe wie der in Beispiel 14 oder dgl. Der Zweck des Erhitzens des Formungsmaterials in einer N&sub2;-Atmosphäre war der, ein Problem zu verhindern, das in der Bildung einer Grenzfläche zwischen der Kohlenstoffaser und dem PEEK durch Einfluß wie z. B. Oxidation an der Oberfläche der Kohlenstoffaser auftritt. Dies ist ein gängiges Mittel, das angewendet wird, wenn ein Prepreg, in welchem keine Grenzfläche gebildet wird, eingesetzt wird. Das Ziel beim Halten des Systems 20 Minuten lang, nachdem es erhitzt worden war, bei etwa 400ºC besteht darin, die vollständige Imprägnierung der Kohlenstoffaser mit dem Harz und die Dispersion des Harzes in der Kohlenstoffaser zu erreichen. Dies ist ebenfalls ein übliches Mittel, das eingesetzt wird, wenn ein Formungsmaterial verwendet wird, dessen Imprägnierung während des Formens erfolgt.
Als nächstes wurde der Kern 112 auseinandergebaut, und ein Produkt 110, an dem die Kupferfolie klebte, aus der äußeren Form herausgenommen. Obgleich die Kupferfolie leicht von dem Produkt abgezogen werden konnte, war es auch möglich, ein alternatives Mittel zur Entfernung der Kupferfolie anzuwenden, nämlich ein Eintauchen des Produktes 110 zusammen mit der anhaftenden Kupferfolie in eine chemische Lösung (z. B. eine Eisen-II-chloridlösung), welche Kupfer auflösen kann.
Das erhaltene Produkt 110 war ein Produkt, das ein in einem hohen Maße ausgeglichenes Aussehen hatte, frei von Fehlern eines Aufbauwinkels war, frei von Falten, Hohlräumen und Unregelmäßigkeiten an der inneren und äußeren Oberfläche war das eine sehr gute dimensionale Genauigkeit aufwies; außerdem konnten die Bereiche der inneren Oberflächen, an denen die Rippen 111 fixiert waren, glatt und vollständig geschweißt werden. Ein Teil dieses Produktes wurde als Teststück bemustert, um einem statischen mechanischen Test unterworfen zu werden. Dieser Test zeigte, daß das Produkt 110 ebenso wie die der anderen Beispiele die erwartete Festigkeit und Härte hatte, ausreichende mechanische Eigenschaften aufwies und in ausreichendem Maße die Eigenschaften der Matrix aus thermoplastischem Harz zeigen konnte.

BEISPIEL 18

LANGES ROHR (dargestellt in Fig. 34, Laminatstruktur mit 0º, 90º, ± 450, Durchmesser 5 cm, Länge 2 m und Wanddicke 2,5 mm)
Ein Vorformling, der einen derartigen äußeren Durchmesser hatte, daß er genau in die äußere Form eingesetzt werden konnte, wurde in der gleichen Weise wie der von Beispiel 15 geformt, wobei ein Prepregband, das PEEK als Matrix hatte und dasselbe war wie das von Beispiel 15, verwendet wurde. Der Vorformling wurde in die äußere Form eines nahtlosen Stahlrohres mit einer Wanddicke von 1,0 mm eingesetzt. Es wurde ein Kern hergestellt, indem eine erforderliche Anzahl thermisch ausdehnbarer Elemente 124, die aus PTFE-Rohr gemacht waren - dargestellt in Fig. 36 - an einem Kernkörper 123, der einen Gewindestab 121 und Muttern 122 - dargestellt in Fig. 35 - umfaßte, angeordnet wurden, und dann in den Vorformling eingesetzt. Die Teile der thermisch ausdehnbaren Elemente 124, die sich an den beiden Enden des Kerns befanden, wurden abgeschrägt.
Es wurden fünf Röhrenöfen, die in Serie miteinander verbunden waren, vorbereitet und ihre Temperatur wurde nach dem in Fig. 47 dargestellten Temperaturprofil gesteuert.
Fig. 47 zeigt das Temperaturprofil im Schritt des Erhitzens des Formungsmaterials. Bei diesem Erhitzen wurde der Kern im Inneren des Formungsmaterials 129 so erhitzt, daß die thermisch ausdehnbaren Elemente nach und nach von ihrem mittleren Teil aus in Richtung der Enden thermisch ausgedehnt wurden, wobei das Formungsmaterial in Richtung eines Pfeiles 128 ausgewaschen werden konnte, um es vor Faltenbildung und Lockerung sowie von restlichen Hohlräumen zu bewahren.
Die Temperatur des Kerns wurde so kontrolliert, daß sie Raumtemperatur war und bei der Anfangstemperatur (t&sub0;) durch den Kern hindurch gleichmäßig war; der zentrale Teil des Kerns konnte erhitzt werden, bevor es die Enden im Verlauf der Zeit wurden, dabei gab es Temperaturveränderungen von t&sub1;, t&sub2;, t&sub3; und t&sub4;; das System konnte gleichmäßig durch den Kern durch bei der Endtemperatur (t∞) auf die Verfahrenstemperatur gebracht werden.
Nachdem das System auf etwa 400ºC erhitzt worden war, wurde die Oberfläche der äußeren Form abgekühlt, indem sie mit Wasser so besprüht wurde, daß kein nicht in das Innere der äußeren Form eindringen konnte. Auf diesem Weg wurde ein für APC-2 empfohlenes Abschreckverfahren realisiert.
Nachdem der Kern herausgezogen worden war, wurde die äußere Form mit einer chemischen Lösung, die Kupfer auflösen kann (obgleich eine wäßrige Schwefelsäure/Wasserstoffperoxidlösung verwendet wurde, könnte ebenso eine Eisen-III-chloridlösung oder dgl. verwendet werden), wobei ein Produkt 120 erhalten wurde.
Beim Kernkörper 123 hat das Gewinde des Stabs 121 eine Funktion zum Befestigen der Muttern 122 (an beiden Enden) und eine Funktion als Unregelmäßigkeiten, die verhindern, daß sich die thermisch ausdehnbaren Elemente 124 übermäßig in axialer Richtung des Kernkörpers 123 bewegen. Daher kann ein fertiger Gewindestab als Stab 121 verwendet werden, was wirtschaftlich ist. Jede Mutter 122 verhindert, daß sich die thermisch ausdehnbaren Elemente 124 übermäßig in axialer Richtung nach außen bewegen. Außerdem kann jede Mutter 122 zulassen, daß die thermische Ausdehnung des Kernkörpers in radialer Richtung an den Enden des Produktes in ausreichendem Maß abläuft, um ein völliges Einklemmen (Einspannen) zu erreichen. Außerdem kann ein Einspannen im Kühlungsschritt - ähnlich dem in Fig. 50 dargestellten - auch im Schritt des Kühlens durch die Wirkung des toten Volumens in der Nähe der Enden der thermisch ausdehnbaren Elemente 124, die durch die Muttern 122 blockiert sind, realisiert werden. Die Ecken am linken Ende des Rohrs von Fig. 36 können als totes Volumen fungieren.
Die Fig. 50 (A), 50 (B) und 50 (C) erläutern die Wirkung des toten Volumens, das ein Einspannen (Einklemmen) im Schritt des Kühlens gewährleistet. Entsprechend dem in Fig. 49 [Fig. 50 (A)] dargestellten Kühlungsmuster erreicht das thermisch ausdehnbare Element 130 bei der Zeit a&sub0; eine ausreichende Einspannung, eine etwas übermäßige Ausdehnung des thermisch ausdehnbaren Elements 130 bildet eine Kurve 132 und Vorwölbungen, um so das tote Volumen zu vermindern. Bei der Zeit a&sub1; bewirkt das thermisch ausdehnbare Element 130 einen schwachen Temperaturrückgang, so daß seine Wölbung in das tote Volumen verschwindet und die Kurve 132 sich zu dem Winkel 133 wandelt, wobei das Einspannen aufrechterhalten wird [Fig. 50(B)]. Bei der Zeit a&sub2;, bei der das Kühlen weiter fortgeschritten ist, ist der Kern teilweise von der Form abgelöst [Fig. 50 (C)].
Fig. 49 zeigt ein Kühlungsmuster im Schritt der Kühlung des Produktes mit Verfahrenstemperatur. Wenn das Produkt bei der Verfahrenstemperatur nach und nach gekühlt wird, erreicht es zur Zeit a&sub1; den Schmelzpunkt der Matrix. Das thermisch ausdehnbare Element wird dann gehalten, so daß sein Temperaturrückgang klein sein kann. Auf diese Weise erfolgt weder eine Bildung von Hohlräumen aufgrund eines kurzen Einklemmens noch ein Ablösen des Kerns von der Form vor der Verfestigung des Produktes.
Obgleich die thermisch ausdehnbaren Elemente 124 aus einer Reihe von kurzen Elementen zusammengesetzt sind, weil fertige Röhren verwendet wurden, können natürlich auch längere Elemente verwendet werden. Die Gesamtlänge dieser kombinierten thermisch ausdehnbaren Elemente sollte 85 % des Abstandes zwischen den Muttern des Kernkörpers betragen.
Die äußere Form ist anders als die der anderen Beispiele ein nahtloses Kupferrohr, das wiederverwendet werden kann. In diesem Fall bestehen die Vorteile (1), daß die Anfangskosten niedrig sind, da die äußere Form nicht getrennt hergestellt werden muß, (2) daß die Wärmeübertragung schnell ist, da die äußere Form eine dünne Wand hat und (3) daß das Aussehen des Produktes besonders hervorragend ist, da die äußere Form ein nahtloses Rohr ist, dessen innere Oberfläche glatt ist. Andererseits bestehen die Nachteile, daß die Formkosten hoch sind, da das nahtlose Kupferrohr hergestellt werden muß, wenn es nicht unter fertigen Rohren ausgewählt werden kann, und daß eine Apparatur zur Herstellung des nahtlosen Kupferrohrs notwendig ist. Allerdings besteht eine Optimierungsbeziehung zwischen diesen Vor- und Nachteilen, so daß die Herstellung von Rohren ziemlich effektiv durchgeführt werden kann, indem das Verfahren entsprechend den beabsichtigten Gebrauch in geeigneter Weise ausgewählt wird.
Das erhaltene Produkt 120 war eins, das die schönste äußere Oberfläche aller Produkte der anderen Beispiele hatte, da es keine Gradlinie eines mehrteiligen Werkzeugs oder einer Überlappungslinie der Trennungsfolie aufwies, frei von Fehlern eines Konstitutionswinkels, frei von Falten, Hohlräumen, Unregelmäßigkeiten an der inneren und äußeren Oberfläche war und sehr gute dimensionale Genauigkeit hatte. Ein Teil des Produktes 120 wurde als Teststück bemustert, um dann einen statischen mechanischen Test unterzogen zu werden. Dieser Test zeigte, daß das Produkt wie jene der anderen Beispiele die erwartete Festigkeit und Härte hatte und mechanische Eigenschaften aufwies, in denen sich die Eigenschaften der Matrix aus thermoplastischem Harz ausreichend wiederspiegeln konnten.

BEISPIEL 19

ROHR MIT GROSSEM PROFIL (äußerer Durchmesser etwa 30 cm, Länge etwa 1 m - dargestellt in Fig. 37)
Es wurde ein Kern hergestellt, in dem thermisch ausdehnbare PTFE-Elemente 142a und 142b (jeweils etwa 2 cm in der Dicke) - dargestellt in Fig. 39 (A) - an einem teilbaren Kernkörper 141, der an seiner Oberfläche Zwischenwände aufwies, wie dies in Fig. 38 dargestellt ist, angeordnet wurden, so daß sie in einem Zustand angeordnet sein konnten, wo sie miteinander verbunden waren, wie in Fig. 139 (B) dargestellt ist. Unter Verwendung desselben Materials wie das von Beispiele 14 wurde an diesem Kern mit einer Flechtmaschine ein Vorformling hergestellt. Fig. 38 zeigt einen Kernkörper, der aus trennbaren hohlen Eisenteilen besteht. Zwischenwände 142 zur Einschränkung der Bewegung der thermisch ausdehnbaren Elemente wurden an der Oberfläche des Kernkörpers 141 montiert.
Diese Glieder wurden in eine äußere Form (mehrteiliges Mundstück) dessen innere Oberfläche mit einem Formen-Trennmittel überzogen war, gestellt, und das System wurde in einen Heizofen mit 300ºC gestellt. In den zentralen Teil des Kerns wurde ein Blasrohr für Heißluft eingesetzt, um auf 400ºC erhitzte Luft einzublasen. Nachdem der Kern so eingepaßt war, daß sein zentraler Teil auf diese Weise zuerst beheizt werden konnte und das System auf etwa 400ºC erhitzt worden war, wurde die äußere Form von außen mit Wasser besprüht. Auf diese Weise war ein Abschreckverfahren für APC- 2 realisiert worden.
Der Kern und die äußere Form wurden auseinandergebaut und entfernt, wobei ein Produkt 140 erhalten wurde. Obgleich die äußere Oberfläche des Produktes 140 teilweise durch die Ablösung der Form verfärbt war, war das Aussehen bis auf diese Verfärbung in hohem Maße ausgeblichen. Das Produkt 140 war frei von Fehlern des Strukturwinkels, frei von Falten, Hohlräumen, Unregelmäßigkeiten an der inneren und der äußeren Oberfläche und hatte eine sehr gute dimensionale Genauigkeit. Ein Teil des Produktes 140 wurde als Teststück bemustert, um einem statischen mechanischen Test unterzogen zu werden. Dieser Test zeigte, daß das Produkt wie jene der anderen Beispiele hervorragend war.
Fig. 40 zeigt einen Schnitt des Kerns, in dem die thermisch ausdehnbaren Elemente 142 durch die Zwischenwände 143 des Kernkörpers 141 getrennt waren. Sobald dieser Kern auf die Verfahrenstemperatur erhitzt worden war, dehnten sich die einzelnen thermisch ausdehnbaren Elemente 142 auf eine Größe aus, die durch die gestrichelten Linien dargestellt ist, um vergrößerte Elemente 144 zu bilden, welche unter Bildung der Oberfläche des Kerns zusammengefügt wurden.

BEISPIEL 20

EINFÜGEN EINES METALLISCHEN GLIEDES IN EINEN HOHLKÖRPER

Fig. 41 zeigt einen Teil, wo ein metallisches Glied in einen Hohlkörper eingefügt ist.
Der Zwischenraum zwischen einer äußeren Form 151 und thermisch ausdehnbaren Elementen 152 eines Kerns wurde mit einem Formungsmaterial 153, einem metallischen Teil 154 und einem vorgeformten Verstärkungsring 155 (pseudoisotropes Laminat) gefüllt, dann wurde das System demselben Verfahren wie das der anderen Beispiele unterworfen, wobei ein Produkt 156 erhalten wurde.
Der Teil mit der Einfügung des metallischen Gliedes im Produkt 156 ist in Fig. 42 dargestellt und es wurde eine Struktur realisiert, welche die gewünschte Leistungsfähigkeit liefern könnte.

BEISPIEL 21

DUNNES, SPITZ ZULAUFENDES ROHR (FIG. 43)

Ein Kabel aus einem Prepreg, der PEEK als Matrix hat, wurde mit einer Flechtmaschine gestrickt, um einen Vorformling auf einen spitz zulaufenden Kern 160 - dargestellt in Fig. 45 - zu bilden. Dieser Vorformling und der Kern wurden in eine äußere Form 162 gebracht, nachdem eine Windung aus Polyimidfolie (Kapton 100 H, ein Produkt von du Pont) um die innere Oberfläche der äußeren Form 161 gewickelt worden war. Der Deckel 162 der äußeren Form 162 wurde fest an dem zylindrischen Teil 163 fixiert, um zu verhindern, daß der Kern 160 während der thermischen Ausdehnung losgelöst wird; dann wurde das System in einen Ofen gestellt, der aus drei röhrenförmigen Ofen, die in Serie miteinander verbunden waren, bestand.
Das Formungsmaterial 129 wurde entsprechend dem in Fig. 48 dargestellten Erhitzungsprofil von seinem dickeren Ende aus schrittweise erhitzt. Nachdem das ganze auf etwa 400ºC erhitzt worden war, wurde es gekühlt, indem es in der gleichen Weise wie jenes von Beispiel 18 besprüht wurde; und dann wurde das Produkt durch Herausnehmen aus der Form erhalten. Fig. 48 zeigt ein Temperaturprofil für den Fall, daß ein Auswaschen an einem Ende begonnen wird und zu dem anderen Ende des Kerns fortgesetzt wird. Obgleich die Polyimidfolie an dem Produkt haftete, konnte sie leicht durch Eintauchen in eine alkalische Lösung entfernt werden.
Das erhaltene Produkt 164 war wie jene der anderen Beispiele ein Produkt mit ausreichendem Aussehen und ausreichenden mechanischen Eigenschaften. Der hier verwendete Kern war einer, der ausschließlich aus den thermisch ausdehnbaren Elementen ohne irgendeinen Kernkörper bestand. Ein Kern wie dieser Kern wird benutzt, um ein relativ dünnes oder kleines Produkt zu erhalten und kann einer ohne Kern sein, da weder die Hitzeübertragung eine übermäßig lange Zeit erfordert noch eine große Anzahl teurer thermisch ausdehnbare Elemente verwendet werden; und auch die Eigenschaften des Produktes sind problemlos.

BEISPIEL 22

ROHR MIT EINEM DURCHMESSER VON 4 cm

Ein UD-Prepregband, das PEEK als Matrix hat (APC-2/AS4), ein Produkt von ICI) wurde in der gleichen Weise wie das von Beispiel 15 gestrickt, um einen Vorformling 171 um einen Kern 170 zu bilden, welcher einen runden Stab aus thermisch ausdehnbaren Elementen - dargestellt in Fig. 46 - umfaßte.
Dieser Vorformling und der Kern wurden unter Verwendung von zwei Polyimidfolien als die äußere Form vakuumverpackt. Das System wurde in einen Ofen mit 400ºC gelegt, und nachdem es auf etwa 400ºC erhitzt worden war, wurde es durch Eintauchen in ein Wasserbad abgekühlt.
Das erhaltene Produkt hatte ein im wesentlichen gleichmäßiges Aussehen, außer daß es Falten der Vakuumverpackung hatte, es war frei von Hohlräumen und Fehlern des Strukturwinkels.
Ein Teil des Produktes wurde als Teststück bemustert, um dann einem statischen mechanischen Test unterzogen zu werden. Dieser Test zeigte, daß das Produkt wie die der anderen Beispiele zufriedenstellend war.
Wie oben beschrieben wurde, kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Hohlkörper aus faserverstärktem thermoplastichen Harz effizient hergestellt werden. Der Hohlkörper der vorliegenden Erfindung kann nicht nur wegen der Eigenschaften der Matrix aus thermoplastischem Harz als leichtgewichtiges Teil mit hoher Festigkeit unter schweren Gebrauchsbedingungen eingesetzt werden, sondern kann auch für Schalenstrukturen beispielsweise von Körpern von Flugobjekten, für Drehkraftröhren, Druckbehälter und Raumfachwerk in Luft- und Raumfahrzeugen verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus faserverstärktem thermoplastischem Harz umfassend

- Anordnen eines Prepregs (2), das ein thermoplastisches Harz wie z. B. Polyimid enthält und eine Verstärkungsfaser (3) darin enthält, zwischen einem thermisch ausdehnbaren Kern (1) aus Polytetrafluorethylen und einer äußeren Form (23) außerhalb dieses Kerns;

- Anwenden von Druck auf dieses Prepreg durch Erhitzen des Prepregs und des Kerns, um eine Ausdehnung des Kerns zu bewirken; und

- Kühlen des Kerns und des Prepregs,

dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Harz als Matrix aus der aus Polyetherketon, Polyetherimid und Polyethersulfon bestehenden Gruppe ausgewählt wird, und daß das Prepreg und der Kern, nachdem das Prepreg und die Verstärkungsfaser zwischen dem Kern und der äußeren Form, die ein metallisches Rohr ist, plaziert worden sind, auf eine Temperatur erhitzt werden, die gleich der oder höher als die Schmelztemperatur des thermoplastischen Harzes ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus faserverstärktem thermoplastischein Harz nach Anspruch 1, wobei die Verstärkungsfaser, die das Prepreg bildet, eine Faser aus Kohlenstoff, Glas, aromatischem Polyamid, siliziumcarbid, Bor oder Aluminiumoxid ist.

3. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus faserverstärktem, thermoplastischem Harz nach Anspruch 1 oder 2, wobei der thermisch dehnbare Kern ein massiver Dorn, ein hohler Dorn, ein Verbundstoff, der durch Anordnen einer Vielzahl thermisch ausdehnbarer Elemente an der Oberfläche eines Kernkörpers hergestellt wurde, oder ein System, das ausschließlich aus einer Vielzahl thermisch ausdehnbarer Elemente besteht, ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus faserverstärktem thermoplastischem Harz nach einem der vorangehenden Ansprüche, in dem der thermisch ausdehnbare Kern auseinandergebaut und zusammengebaut werden kann.

5. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus faserverstärktem thermoplastischem Harz nach einem der vorangehenden Ansprüche, in dem das Prepreg und der Kern in einer Weise erhitzt werden, daß ein Teil vor dem anderen Teil erhitzt wird.

6. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus faserverstärktem, thermoplastischem Harz nach einem der vorangehenden Ansprüche, in dem das Prepreg und der Kern in einer Weise abgekühlt werden, daß das Prepreg vor dem Kern abgekühlt wird.

7. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus faserverstärktem thermoplastischem Harz nach einem der vorangehenden Ansprüche, in dem das Einspannen (Einklemmen) im Kühlschritt durch Ausnutzen des toten Volumens des Kerns erfolgt.

8. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus faserverstärktem thermoplastischem Harz nach einem der vorangehenden Ansprüche, in dem der erhaltene Hohlkörper Rauhigkeitsspitzen, Zwischenwände oder metallische Elemente als Teil desselben aufweist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus faserverstärktem thermoplastischem Harz nach einem der Ansprüche 1 bis 8, in dem das metallische Rohr ein Kupferrohr, ein Eisenrohr oder ein Rohr aus Aluminiumlegierung ist.