DE69200556T2 - Verfahren zum Druckgiessen von Metall auf faserverstärkten Kunststoffen. - Google Patents

Verfahren zum Druckgiessen von Metall auf faserverstärkten Kunststoffen.

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    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22D19/14Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf Gußgesenkformen im allgemeinen und insbesondere auf ein Verfahren zum Gußgesenkformen eines Metallgliedes direkt auf einem faserverstärktem Hauptkörper, wie im Oberbegriff von Anspruch 1 spezifiziert, zum Beispiel wie in der US-A-4 606 395 offenbart.
  • Faserverstärktes Kunststoffmaterial, das typischerweise als FRP bezeichnet wird, kann trotz seiner höheren Koten in der Automobilindustrie ansteigende Verwendung finden, und zwar wegen seiner hohen Stärke-zu-Gewichts- Verhältnisse. Ein Beispiel liegt in der Herstellung von Windschutzscheibenwischerarmen, welcher traditionellerweise Metallbestandteile sind. Wenn Windschutzscheiben immer weiter wegen der aerodynamischen Effizienz zurückgeneigt werden, wachsen die zugehörigen Wischerarme immer größer und schwerer an. Die Beanspruchung, die durch das Extragewicht bei der Wischerumkehr geschaffen wird, könnte schwerere und teurere Wischermotoren und Gelenke erfordern, was einen FRP-Arm mit leichterem Gewicht potentiell kosteneffektiv macht. Ein Problem des Ersetzens von Metall durch FRP in irgendeinem Automobilbestandteil liegt in der Tatsache, daß es schwierig oder unmöglich ist, es in Gestalten zu bilden, die gerollt oder diskontinuierlich sind. So kann es gut als eine Antriebswelle dienen, welche eine längliche Röhre mit konstantem Querschnitt ist, aber nicht als ein Transmissionsgehäuse mit seinen labyrinthischen internen Durchtritten.
  • Eine andere Beschränkung ist, daß viele automobile Bestandteile direkt an ein anderes Metallbestandteil an irgendeinem Punkt angebracht werden müssen, was erfordern kann, daß der FRP-Bestandteil mit einem lokalisierten Metallbefestigungsglied vorgesehen wird. Zum Beispiel muß eine FRP-Antriebswelle einen Metallverbinder an jedem Ende für die Befestigung an den Rest des Antriebszuges aufweisen. Es ist schwierig, erfolgreich und sicher FRP direkt an Metall zu verbinden, insbesondere, wenn der Anbringungspunkt schwerer Belastung und Beanspruchung unterworfen sein wird. Viele Patente sind gerade auf das Problem der Verbindung von Metallendstücken an FRP-Antriebswellen gerichtet, wobei die meisten davon verschiedene Adhäsionsmittel, Nieten, Keile oder Kombinationen davon mit einbeziehen.
  • Der Konstrukteur eines FRP-Wischerarms würde beiden der oben erwähnten Probleme gegenüberstehen. Der Hauptkörper eines Wischerarms ist grundlegend ein Stab oder Balken mit einem ziemlich konstanten Querschnitt und glatter äußerer Oberfläche, die keine speziellen Vorsprünge oder Diskontinuitäten vorweist. Dies ist eine grundlegende Gestalt, die sich gut für die FRP-Herstellung eignen würde. Eine Matrix aus verstärkten Glasfasern mit voller Länge, die mit einem herkömmlichen thermohärtenden Harz durchtränkt ist, wird in eine Form mit der gewünschten Balkengestalt gelegt und dann wärme-gehärtet. Jedoch muß jedes Ende des Balkens mit anderen Aufbauten verbunden werden, und zwar eines an ein Wischerblatt und eines an einen gerändelten Wischerantriebspfosten. Die Endverbindung an den Wischerpfosten insbesondere erfordert eine komplexe Gestalt und wird hohen Belastungen unterworfen, denen viel besser durch eine Metall-zu-Metall-Verbindung gedient ist. Das Formgießen eines Metallantriebspfostenverbinders direkt an das Ende eines FRP-Armes wäre bevorzugt im Ausdruck der Zeit, Kosten und Stärke gegenüber der Anbringung eines separaten Verbinders durch adhäsive oder mechanische Mittel. Jedoch zersetzt sich der Thermohärt-Harz, der die Fasern zusammenbindet, auf gravierende Weise bei den Schmelztemperaturen geeigneter Metalle wie Aluminiumlegierung. Tests, die FRP geschmolzenem Metall für Zeiten unterworfen haben, die den Zykluszeiten vergleichbar sind, welche in Standardformgußarbeitsgängen mit einbezogen sind, haben derartig schwere thermische Zersetzung des Harzes gefunden, um zu schließen, daß der Prozeß nicht durchführbar wäre.
  • Ein Verfahren der Herstellung eines baulichen Bestandteils mit einem faserverstärktem Hauptkörper gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch die Merkmale gekennzeichnet, die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 spezifiziert sind.
  • Die Erfindung schafft nichtdestotrotz einen arbeitsfähigen Prozeß zur Herstellung eines baulichen Teils, in welchem ein Metallglied direkt auf einen faserverstärkten synthetischen Kunststoffkörper formgegossen wird. Die thermische Zersetzung des bindenden Harzes des synthetischen Kunststoffkörpers, die resultiert, wird tatsächlich gesteuert und zum Vorteil verwendet, um die Bindung zu verbessern.
  • Zuerst wird ein FRP-Körper geschaffen, der einen relativ hohen Gehalt an verstärkenden Glasfasern mit voller Länge aufweist, welche in hohem Maß hitzeresistent sind. Wie offenbart, ist der Körper ein kurzer Balken von im wesentlichen rechteckigem und konstantem Querschnitt mit einer relativ glatten äußeren Oberfläche. Die Fasern werden mit einem thermohärtendem Harz zusammengebunden, welcher, wie oben diskutiert, nicht annähernd so hitzeresistent wie die Glasfasern ist.
  • Als nächstes wird eine Kammer geschaffen, die der gewünschten Gestalt des Metallgliedes entspricht. Die Kammer wird durch zusammenpassende Hohlräume in einem Paar von Stahlformen geschaffen, welche inhärent eine große Wärmesenkemasse schaffen und welche auch aktiv wassergekühlt sind. Das Ende des Körpers wird zentral innerhalb der Kammer mit seiner äußeren Oberfläche nahe der inneren Oberfläche der Hohlräume unterstützt. Die Gesenkoberfläche schafft dadurch eine Kammer, die die äußere Oberfläche des Körpers umgibt, die im wesentlichen symmetrisch und gleichförmig in der Dicke ist.
  • Als nächstes wird eine geschmolzene Aluminiumlegierung vorgesehen, welche eine Temperatur aufweist, die höher als jene, welcher der Harz ohne Zersetzung zu erfahren widerstehen kann, aber niedrig genug ist, damit sie die Fasern nicht beeinflussen wird. Die geschmolzene Legierung wird in die Kammer eingeführt, um sie so vollständig zu füllen. Als solche bildet die geschmolzene Legierung engen Kontakt sowohl mit dem Körper als auch mit den Gesenken, was eine innere Mantelgrenzfläche an der Körperoberfläche und eine umgebende äußere Mantelgrenzfläche an der inneren Gesenkhohlraumoberfläche schafft. Die geschmolzene Ladung wird für eine Zeit zurückgehalten, während welcher sie an der äußeren Ummantelung durch die Masse der Gesenke und durch zirkulierendes Wasser gekühlt wird. Wärme fließt radial von dem geschmolzenen Metall schnell und gleichmäßig nach außen wegen der Symmetrie der Kammer und der Tatsache, daß sie nicht behindert wird und die Wände davon relativ dünn sind. Die Kühlung dient auch dazu, das Metall zu verfestigen oder zu "frieren".
  • Während die schnelle Kühlung wichtig ist, wird sie bewußt nicht so schnell gemacht, noch wird die Retentionszeit so kurz gemacht, daß alle thermische Zersetzung des Harzes vermieden wird. Statt dessen wird eine begrenzte dünne Oberflächenschicht des Harzes zersetzt, was einen dünnen Bereich der Glasfasern freilegt. Die gleichen Faktoren, die die gleichmäßige Kühlung an dem äußeren Mantel schaffen, schaffen eine gleichmäßige gesteuerte Erwärmung an der inneren Grenzfläche. Bevor die Abkühlung und Verfestigung des geschmolzenen Metalls abgeschlossen ist, läuft einiges in und um die freigelegten Fasern, verfestigt um sie und schließt zusammen, um einen sehr sicheren Zusammenschluß zu schaffen. Schließlich wird das abgeschlossene bauliche Bestandteil aus der Form ausgeworfen. Das Metallglied kann dann an irgend einem anderen Glied in herkömmlicher Weise angebracht werden und die FRP-Metallverbindung kann erheblicher Belastung ohne Versagen widerstehen.
  • Es ist daher ein allgemeines Ziel der Erfindung, ein Verfahren des direkten Formgießens eines Metallgliedes auf einem wärmeempfindlichen faserverstärkten synthetischen Kunststoffkörper zu schaffen.
  • Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, ein derartiges Verfahren zu schaffen, in welchem die thermische Zersetzung des faserbindenden Harzes, das auftritt, wenn es geschmolzenem Metall ausgesetzt ist, zum Vorteil verwendet wird, um die Stärke der Bindung zu erhöhen.
  • Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, ein derartiges Verfahren zu schaffen, in welchem ein äußerer Kühlungsmantel, der eine Ladung aus geschmolzenem Metall umgibt, herbeigeführt wird, um das Metall in einer derartigen Weise zu kühlen und zu verfestigen, daß eine gesteuerte und begrenzte thermische Oberflächenzersetzung an der Grenzfläche des Metalls und des FRP-Körpers herbeigeführt wird, wobei einige der Fasern freigelegt werden, um welche geschmolzenes Metall fließen und zusammenschließen kann.
  • Die Erfindung und wie sie ausgeführt werden kann, werden im nachfolgenden speziell in der folgenden schriftlichen Beschreibung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer Formvorrichtung ist, die ein Paar von großen Muttergesenken umfaßt, die ein Paar von Gesenkformen kleinerer Einheiten enthalten;
  • Figur 2 eine perspektivische Ansicht einer Einschußkammer ist, die eine Ladung von geschmolzenem Metall in die Formvorrichtung von Figur 1 speist;
  • Figur 3 eine Draufsicht von einem der Einheitsgesenke ist, die einen Hohlraum zeigt, der darin gearbeitet ist;
  • Figur 4 eine Seitenansicht der zwei Einheitsgesenke ist, die die Ebene zeigt, in welcher sie auseinandergehen;
  • Figur 5 eine perspektivische Ansicht eines FRP-Körpers ist;
  • Figur 6 eine Querschnittsansicht des FRP-Körpers von Figur 5 ist, die längs der Linie 6-6 von Figur 5 genommen ist;
  • Figur 7 eine Seitenansicht der zwei Einheitsgesenke ist, die zusammengeschlossen sind, wobei der FRP-Körper zwischen ihnen unterstützt wird und sich in die verbundenen Hohlräume erstreckt;
  • Figur 8 eine Querschnittsansicht ist, die durch die Gesenke nach dem Einspritzen des Metalls um das Ende des FRP-Körpers genommen ist und schematisch den Wärmefluß davon zeigt;
  • Figur 9 eine Draufsicht des abgeschlossenen Teils ist, der einen Fluß des geschmolzenen Harzes zeigt, der aus dem FRP-Metall-Übergang herausgedrängt hat;
  • Figur 10 eine Querschnittsansicht ist, die längs der Linie 10-10 von Figur 9 genommen ist, die schematisch den Zusammenschluß des Metalls mit Fasern zeigt, die an der Oberfläche des FRP-Körpers freigelegt sind;
  • Figur 11 eine tatsächliche Mikrophotographie ist, die mit einem Rasterelektronenmikroskop bei ungefähr 250-facher Vergrößerung genommen ist, die einen vergrößerten eingekreisten Teil des Übergangs von Figur 10 zeigt.
  • Zuerst Bezug nehmend auf die Figuren 1, 2 und 4 ist die Formvorrichtung, die verwendet wird, eine horizonale Kaltkammerformgußmaschine, die im allgemeinen mit 10 bezeichnet wird. Die Maschine 10 ist der Typus, der zwei Haupthälften aufweist, die Gesenkhalter oder Muttergesenke 12 genannt werden. Die Muttergesenke 12 stellen die Basis der Vorrichtung dar, wobei sie Merkmale wie Kühlwasserleitungen 14, einen Eingußverteiler 16 und Führungsdorne 18 unterstützen. Entgegengesetzt dem Eingußverteiler 16 unterstützt gibt es eine Eingußkammer 20 und einen Plunger 22, welche verwendet werden, um eine Ladung geschmolzenen Metalls 24 in die Maschine 10 zu schicken. Nähere Details über das Metall 24 werden unten angegeben. Die Muttergesenke 12 tragen ein Paar von Gesenken kleinerer Einheiten, die im allgemeinen bei 26 und 28 angedeutet sind. Es sind die Einheitsgesenke 26 und 28, die die gewünschte geformte Gestalt tatsächlich bilden, was einer Maschine wie 10 erlaubt, verwendet zu werden, um verschiedene unterschiedliche Bestandteile herzustellen. Jedes Einheitsgesenk 26 und 28 ist ein Stahlblock, der 228,6 mm x 76,2 mm x 127 mm (neun mal drei mal fünf Inch) mißt, und daher eine signifikante Wärmesenkemasse in und an sich selbst vorsieht. Zusätzlich stellt auch jedes Einheitsgesenk 26 und 28 engen Oberflächen-zu-Oberflächen-Kontakt mit dem Inneren des Muttergesenkes 12 her, das es unterstützt, was noch größere Wärmesenkenmasse schafft. Jedes Einheitsgesenk weist einen passenden Hohlraum 30, der darin gearbeitet ist, auf, dessen grundlegende Dimensionen X&sub1; bis X&sub7; in Millimetern 31,75; 25,4; 50,8; 19,05; 107,95; 3,17 bzw. 6,35 betragen (in Inch 1,25; 1,0; 2,0; 0,75; 4,25; 0,125; bzw. 0,25 betragen). Ein vergrößertes Ende ist in jedem Hohlraum 30 gebildet. Das Einheitsgesenk 28 weist ein Paar von Lokalisiererstreben 32 in seinem Hohlraum 30 genauso wie einen Kühlwasserdurchtritt 34 auf, wobei es ansonsten dem Einheitsgesenk 26 identisch ist. Beim Gebrauch lägen die Einheitsgesenke 26 und 28 einander vertikal gegenüber, sind aber in Figur 4 zwecks Einfachheit der Veranschaulichung horizontal gezeigt. Während die Maschine 10, wie offenbart, im wesentlichen im Aufbau herkömmlich ist, sollte es verstanden werden, daß sie normalerweise einfach verwendet werden sollte, um nur einen festen Teil aus Metall zu gießen.
  • Als nächstes auf die Figuren 5 und 6 Bezug nehmend, ist einer der zwei Bestandteile der baulichen Komponente, die durch das Verfahren der Erfindung hergestellt wird, ein kompressionsgeformter FRP-Körper, der im allgemeinen mit 36 bezeichnet wird. Der Körper 36 ist im wesentlichen ein einfacher kurzer Balken von konstantem rechteckigem Querschnitt mit einer Länge von 152,4 mm, einer Breite von 25,4 mm und einer Dicke von 6,35 mm (einer Länge von sechs Inch, einer Breite von einem Inch und einer Dicke von einem Viertel Inch). Er wird hergestellt, indem zuerst eine Matrix von voll langen verstärkten Glasfasern 38 längenweise in einer Form aufgelegt wird, die dieselbe Gestalt wie der Körper 36 aufweist. Der Gehalt der Fasern 38 beträgt ungefähr 72 % an Gewicht des Körpers 36. Dann wird ein thermohärtender Harz 40, welcher in diesem Fall ein aminhärtendes Biphenol-A-Epoxydharz-System ist, um das Bündel der Fasern 38 eingespritzt. Der Kompositkörper 36 wird dann unter Druck in der Form bei 121ºC (250 Grad F) für näherungsweise zehn Minuten wärmegehärtet und außerhalb der Form bei 154ºC (310 Grad F) für ungefähr fünfzehn Minuten nachgehärtet. Schließlich wird ein Paar von Löchern 42 in den Körper 36 gebohrt, die den Lokalisierdornen 32 des Einheitsgesenks 28 entsprechen.
  • Die Temperaturempfindlichkeit und die Ansprechempfindlichkeit der Fasern 38 und des Harzes 40 verglichen zum Metall 24 sind wichtig. Das Metall 24 ist eine Standard-380-Aluminiumlegierung, welche im Druckgießen verbreitet verwendet wird, und welche einen Schmelzpunkt von 660ºC (1220 Grad F) aufweist. Während die Glasfasern 38 einer derartigen Temperatur widerstehen können, ist diese Temperatur im wesentlichen jenseits der Temperatur, von welcher erwartet werden kann, daß das Harz 40 ihr widersteht, ohne sehr signifikante Zersetzung zu erleiden, selbst zu dem Punkt des totalen baulichen Versagens des Teils. In der Tat zeigten Tests, daß ein probeähnlicher Körper 36, wenn er für eine Zeit, die einer normalen Formungszykluszeit vergleichbar war, in geschmolzenes Aluminium hineingetaucht wurde, in der Tat entkräftigende thermische Zersetzung erlitt. So wurde es erwartet, daß ein unbehandeltes ungeschütztes Teil wie Körper 36 nie überleben würde, ein Aluminiumspritzgießen damit zu durchlaufen. Nichtsdestotrotz wurde ein Verfahren, um dies durchzuführen, entwickelt, das als nächstes beschrieben wird.
  • Bezug nehmend als nächstes auf die Figuren 2 und 7 sind die grundlegenden Schritte des Druckgußformverfahrens veranschaulicht. Zuerst wird der Körper 36 in den Einheitsgesenken 26 und 28 getragen, indem die Anordnerstreben 32 durch die Löcher 42 eingeschoben werden. Dann werden die Einheitsgesenke 26 und 28 geschlossen. Während das meiste der Länge des Körpers 36 von den inneren Oberflächen der Hohlräume 30 eng berührt und davon abgequetscht wird, erstreckt sich das Ende des Körpers 36 auf freie Weise in die vergrößerten Enden des zusammengeschlossenen Hohlraums 30. Ein unbehindertes Kammervolumen wird dadurch geschaffen, das das Ende des Körpers 36 vollständig umgibt. Die inneren Oberflächen der vergrößerten Enden der verbundenen Hohlräume 30 sind der äußeren Oberfläche des Endes vom Körper 36 nahe, so daß das umgebende Kammervolumen, welches sie schaffen, symmetrisch ist, und zwar mit einer Basisdicke von 3,17 mm (einem Achtel eines Inches), wie senkrecht zu der Oberfläche des Körpers 36 gemessen. Als nächstes wird eine Ladung geschmolzenen Metalls 24 zwangsweise aus der Eingußkammer 20 durch den Plunger 22 gedrückt und füllt die Kammer um das Ende des Körpers 36 vollständig in weniger als einem Zehntel einer Sekunde. Nicht-veranschaulichte Abzüge und Schächte sind in den Einheitsgesenken vorgesehen, um sich der verdrängten Luft anzupassen, wenn das geschmolzene Metall 24 unter Druck eintritt.
  • Wie in Figur 8 gesehen wird, wird eine innere Mantelumhüllung an der Grenzfläche des Metalls 24 mit den äußeren Oberflächen des Körpers 36 herbeigeführt. Eine umgebende äußere Mantelumhüllung wird an der Grenzfläche zwischen dem Metall 24 und den inneren Oberflächen der Hohlräume 30 herbeigeführt und ein relativ schneller äußerer Wärmefluß aus dem Metall 24 zu den Einheitsgesenken 26 und 28 wird unmittelbar bei der äußeren Umhüllung herbeigeführt, welche durch die längeren Pfeile visuell dargestellt ist. Die Richtung radial nach außen des Wärmeflußes von dem Metall 24 resultiert aus der großen Wärmesenkenmasse der Einheitsgesenke 26 und 28 und der Muttergesenke 12, ein Effekt, der durch die Zirkulation des Kühlwassers durch die Wasserleitungen 14 und den Wasserdurchtritt 34 unterstützt wird. Wasser wird mit einer Flußrate von näherungsweise 76 dm³/Minute (20 Gallonen je Minute) durchgepumpt. Der Wärmefluß aus dem Metall 24 wird auch schnell und gleichmäßig durch die relative Dünnheit des gefüllten Volumens um das Ende des Körpers 36 und durch die Symmetrie des oben beschriebenen Volumens erhalten. Die Einheitsgesenke 26 und 28 werden für ungefähr zehn Sekunden geschlossen gehalten, nach welcher Zeit sich das Metall 24 zu ungefähr 260ºC (500 Grad F) abkühlt und verfestigt. Die Betriebstemperatur des stetigen Zustands der Einheitsgesenke ist gemessen worden, ungefähr 177ºC (350 Grad F) zu betragen.
  • Als nächstes Bezug nehmend auf Figur 9, ist das abschließende Ergebnis veranschaulicht. Nach zehn Sekunden werden die Einheitsgesenke 26 und 28 geöffnet und das fertiggestellte Teil, das aus dem Körper 36 und dem nun verfestigten Metallendglied 44 besteht, wird ausgeworfen und auf Raumtemperatur wassergekühlt. Nach der Entfernung wird manchmal beobachtet, daß eine schwarze Substanz an der Verbindung zwischen der Oberfläche des Körpers 36 und dem Metallglied 44 heraussickert und sich in einer kleinen scheinenden Lache verfestigt, angedeutet bei 46, was weiter unten erklärt ist. Klarerweise hat sich der Körper 36 nicht zersetzt oder ist nicht zu dem Punkt verbrannt, wo er durchgefressen oder abgefallen ist, aber sein Ansprechen auf schwere Belastung ist wichtiger, um die Produktionsdurchführbarkeit zu beweisen. In der Tat wird das fertiggestellte Teil nicht als eine tatsächliche Komponente verwendet, sondern als eine Zugtestprobe, um diese Durchführbarkeit zu testen. Es wird an den Löchern 42 in einer Testmaschine gehalten und eine Testkraft wird an das Metallglied 44 angelegt. Zugbelastungen von näherungsweise 6227,51 N (1400 Pfund) sind erreicht worden. Ein Bestandteil wie ein Wischerarm würde einen Körper aufweisen, der sehr ähnlich wie Körper 36 gestaltet ist, und ein Metallendverbindungsglied ähnlich zu Glied 44, welches später gebohrt bearbeitet, verkeilt oder auf andere Weise geformt werden könnte. Dies ist ein beeindruckendes Zeugnis des Produktionswertes. Von zwei Phänomenen wird gedacht, zum Erfolg des Verfahrens und der Stärke der Metall-zu-Körper-Bindung beizutragen. Eines ist klar die schnelle und gleichmäßige Abkühlung des geschmolzenen Metalls 24, welche den Körper 36 vor exzessiver Beschädigung schützt. Noch wichtiger ist jedoch, was an der inneren Umhüllung passiert, was als nächstes beschrieben wird.
  • Als nächstes Bezug nehmend auf die Figuren 8 bis 11 wird der Vorgang an der Grenzfläche zwischen dem geschmolzenen Metall 24 und der äußeren Oberfläche des Endes des Körpers 36 veranschaulicht. Der Wärmefluß aus dem geschmolzenen Metall 24 ist nicht so schnell, daß keine Wärme radial einwärts davon zu der Oberfläche des Körpers 36 fließt. Statt dessen wird ein radialer Einwärtswärmefluß zu der Oberfläche des Körpers 36 herbeigeführt, der durch die kürzeren Pfeile dargestellt wird. Geradeso wie mit dem Auswärts-Wärmefluß wird die Rate relativ gleichmäßig durch die Symmetrie des umgebenden Volumens gehalten. Während die Temperatur an der Metall-FRP-Oberfläche-Grenzfläche nicht direkt gemessen worden ist, ist es aus Labortests beobachtet worden, daß Harz ähnlich zu Harz 40 beginnt, sich zwischen 371ºC und 427ºC (sieben- und achthundert Grad F) zu zersetzen. Es scheint, daß die Temperatur an der Oberfläche des Körpers 36 sich dieser Temperatur nähern muß, weil es aus den zwei beobachteten Phänomenen klar ist, daß sich einiges des Harzes 40 an der oberen Oberflächenschicht des Körpers 36 in der Tat zersetzt, ein Phänomen, das durch die Phantomlinie in Figur 10 dargestellt ist. Eine Beobachtung ist der verfestigte Ausfluß 46. Dies ist in klarer Weise geschmolzenes oder auf andere Weise verflüssigtes Harz 40, zumindest zum Teil, da es kein Metall ist und die Glasfasern 38 selbst bei der Schmelztemperatur des Metalles 24 nicht schmelzen werden. Aussagekräftiger ist das, was durch Schneiden, Polieren und Beobachten der Grenzfläche unter Vergrößerung beobachtet wird, wie in den Figuren 10 und 11 gesehen. Der Harz 40 hat sich auf klare Weise über eine Schicht zersetzt, die von ungefähr 30 bis 70 Mikrometer in der Dicke variiert, wobei einiges der Fasern 38 freigelegt wird. Das Metall 24 ist auf klare Weise zwischen und um die freigelegten Fasern 38 geflossen, was so einen sicheren Zusammenschluß und eine Verbindung damit schafft.
  • Während es klar ist, daß sie in der Tat auftritt, wird der exakte Mechanismus der thermischen Zersetzung des Harzes 40 nicht exakt verstanden. Offensichtlich vergast es und kondensiert und verflüssigt zumindest in einigen Fällen wieder, vergleiche Lache 46. In klarer Weise ist der Zersetzungsprozeß in der Wirkung und Tiefe begrenzt, da er das Teil nicht strukturell bedroht. Ein wichtiger Faktor in der Steuerung und Begrenzung des Niveaus der thermischen Zersetzung ist die schnelle und gleichmäßige Kühlung des Metalls 24, so daß nicht zuviel Harz 40 verlorengeht. Einen anderen steuernden und begrenzenden Faktor können gut die freigelegten Schichten der Fasern 38 selbst bilden, die als Isolierung gegen die Wärme dienen, insbesondere, da der Fasergehalt des Körpers 36 relativ hoch ist. Andere Steuerfaktoren können der Ausschluß von Luft durch die enge Füllung des geschlossenen Metalls 24 oder der Druck, unter dem es sich befindet, sein. Es ist sehr wichtig, daß der thermische Zersetzungsprozeß begrenzt und gesteuert wird, durch welchen Mechanismus auch immer, entgegengesetzt dazu, vollständig verhindert zu werden. Eine logische Annäherung wäre, wobei man weiß, daß das geschmolzene Metall 24 viel heißer als notwendig war, um die schnelle thermische Zersetzung des Harzes 40 zu induzieren, zu versuchen, sie insgesamt am Auftreten zu hindern, oder zumindest im wesentlichen, und zwar durch schnellere Kühlung, oder durch bewußte Wärmeisolierung und Schutz der äußeren Oberfläche des Körpers 36 über dem durch das geschmolzene Metall 24 zu berührenden Teil. In der Tat wurde dies mit verschiedenen thermischen Schwellenmaterialien wie rostfreien Stahlflocken und Silica ausprobiert, welche auch mit einem Metall mit einer geringeren Schmelztemperatur testgegossen wurden. Während thermische Verluste des Harzes im wesentlichen verhindert wurden, war die Metall-zu-FRP- Oberflächen-Verbindung nicht nahezu so stark.
  • Variationen des Prozesses sollten innerhalb der grundlegenden offenbarten Umrisse möglich sein. Am breitesten erfaßt ist die Idee, geschmolzenes Metall direkt auf die Oberfläche des FRP-Teils einzuführen und dann seinen Kontakt zu kühlen und zeitlich zu begrenzen, und zwar hinreichend, um eine oberste Schicht der verstärkenden Fasern freizulegen, um welche das geschmolzene Metall fließen kann und damit zusammenschließen kann. Wie offenbart, wird das geschmolzene Metall in umgebende Beziehung zu einer externen Oberfläche eines FRP-Teils eingeführt, aber es könnte denkbarerweise direkt in eine Höhlung in dem Teil gegossen werden, ohne Form, und durch irgendein anderes Mittel gekühlt werden. Mehr könnte getan werden, um die Charakteristiken der FRP-Fasern und des Harzes an das geschmolzene Metall und umgekehrt anzupassen, um so das gewünschte Resultat zu erreichen, wie die Erhöhung des Fasergehaltes an der Oberfläche, oder das Experimentieren mit verschiedenen Metallen, Temperaturen oder selbst Oberflächenüberzügen, die einige, aber keine vollständige thermische Schwelle vorsehen. Zum Beispiel wird es gedacht, daß das Schrumpfen des kühlenden Aluminiums um das Ende des Körpers 36 im Schaffen der Bindung hilft. Andere Metalle könnten stärker auf das Abkühlen hin schrumpfen, um so eine Bindung zu erzeugen, die enger ist. Jeder Konstrukteur wird zweifelsohne mit verschiedenen Abkühlungsraten, Metalldicken und Zykluszeiten experimentieren, um so das optimale Niveau der Harzzersetzung und des Metall zusammenschlußes zu erreichen, das hier entdeckt worden ist. Während die Symmetrie der Kammer, die das Ende des Körpers 36 umgibt, in der gleichmäßigen Kühlung hilft, könnten genauso asymmetrische Formen geformt werden. Sorgfältige Plazierung der Kühlungsleitungen könnte verwendet werden, um die Kühlungsrate zu steuern. Daher wird es verstanden werden, daß es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung nur auf das offenbarte Ausführungsbeispiel, sondern nur auf den Umfang der beigefügten Ansprüche zu begrenzen.

Claims (4)

1. Ein Verfahren zur Herstellung eines baulichen Bestandteils mit einem faserverstärkten Hauptkörper (36), welches Verfahren das Formgießen eines Metalles (24) in der Position auf dem Körper (36) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der bauliche Bestandteil einen faserverstärkten Kunststoffhauptkörper (36) aufweist, wobei das gegossene Metall (24) ein Metallglied (44) auf dem Körper (36) bildet; und das Verfahren die Schritte umfaßt, daß: der Hauptkörper (36) geschaffen wird, der aus einer Matrix von im wesentlichen durchgängigen verstärkenden Fasern (38) mit einer Wärmeresistenz größer als der Schmelzpunkt des Metalles (24) besteht, wobei die Fasern (38) weiter durch ein Harz (40) zusammengebunden werden, das signifikant weniger Resistenz gegen Wärmezersetzung als die Fasern aufweist; das Metall (24) in einem geschmolzenen Zustand zu einem Oberflächenteil des Hauptkörpers (36) eingeführt wird, um so eine direkte Kontaktgrenzfläche damit herbeizuführen; und das Metall (24) zu einem hinreichenden Grad und für eine hinreichende Zeit gekühlt wird, so daß das geschmolzene Metall (24) verfestigt, um das Metallglied (44) zu bilden, während simultan nur hinreichend Harz (40) an der direkten Kontaktgrenzfläche zersetzt wird, um so eine Schicht verstärkender Fasern (38) freizulegen, um welche einiges des geschmolzenen Metalls (24) fließen kann, um mit den freigelegten Fasern (38) zusammenzuschließen und dadurch eine sichere Verbindung zwischen dem Metallglied (44) und dem Hauptkörper (36) des baulichen Bestandteils zu schaffen.
2. Ein Verfahren zur Herstellung eines baulichen Bestandteils nach Anspruch 1, in welchem der Hauptkörper (36) in einem Formhohlraum (30), der die gewünschte Gestalt des Metallgliedes (44) aufweist, mit einem Oberflächenteil des Hauptkörpers (36), der in dem Hohlraum (30) freigelegt ist, getragen wird; das geschmolzene Metall (24) in den Formhohlraum (30) bei einer Temperatur eingeführt wird, die hinreichend hoch genug ist, um das Harz (40) thermisch zu zersetzen, aber niedrig genug, um die Fasern (38) intakt zu belassen, so daß es eine Grenzfläche sowohl mit dem Formhohlraum (30) als auch dem Oberflächenteil des Hauptkörperteils (36) bildet; und der Hohlraum (30) mit einer derartigen Rate gekühlt wird, daß das geschmolzene Metall (24) an der Hohlraumgrenzfläche verfestigt, während simultan das hinreichende Harz an der Oberflächenteilgrenzfläche zersetzt wird, um so die Schicht der verstärkenden Fasern darin freizulegen.
3. Ein Verfahren nach Anspruch 1 zum Formen von Metall (24) direkt auf einem äußeren Oberflächenteil eines faserverstärkten Kunststoffkörpers (36) des Typus, der eine Matrix von wärmeresistenten verstärkenden Fasern (38), die darin durch ein weniger wärmeresistentes Harz (40) zusammengebunden sind, umfaßt, in welchem der Kunststoffkörper (36) mit im wesentlichen unbehindertem äußerem Oberflächenteil getragen wird; das äußere Oberflächenteil innerhalb einer Wärmesenkenmasse (12, 14, 26, 28) mit einer inneren Oberfläche nahe dem äußeren Oberflächenteil des Kunststoffkörpers (36), aber davon durch einen im wesentlichen konstanten Betrag (X&sub7;) beabstandet eingeschlossen wird, um so eine kontinuierliche und unbehinderte Kammer zu schaffen, die das äußere Oberflächenteil umgibt; die Kammer mit dem geschmolzenen Metall (24) gefüllt wird, und zwar bei einer Temperatur, die hinreichend hoch genug ist, um das Harz (40) thermisch zu zersetzen, aber niedrig genug, um die Fasern (38) intakt zu belassen, so daß das geschmolzene Metall (24) sowohl den äußeren Oberflächenteil des Körpers (36) als auch die innere Oberfläche der Wärmesenkenmasse (12, 14, 26, 28) vollständig berührt; und die Wärmesenkenmasse (12, 14, 26, 28) Wärme aus dem geschmolzenen Metall (24) und weg von dem äußeren Oberflächenteil des Körpers (36) bei einer im wesentlichen gleichmäßigen Rate über die Abkühlung des Metalls (24) hinweg zieht.
4. Ein Verfahren der Herstellung eines baulichen Bestandteils nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in welchem die wärmeresistenten verstärkenden Fasern (38) aus Glas gebildet sind, das Harz (40) ein thermohärtendes amingehärtes Biphenol-A-Epoxydharz ist und das Metall (24) Aluminium ist.
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