DE9104086U1 - Mechanisches Funktionsbauteil für hohe Belastungen - Google Patents
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Description
T.821/La/Pa
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mechanisches Funktionsbauteil
für hohe Belastungen aus faserverstärktem Kunststoff. Es sind einerseits faserverstärkte Funktionsbauteile aus kurzfaserverstärktem Spritzguss bekannt, welche
allerdings nur relativ geringe mechanische Festigkeiten aufweisen können. Anderseits sind endlosfaserverstärkte
Duroplaste mit hohen Festigkeiten bekannt, welche jedoch aufwendig herzustellen sind und nur sehr beschränkte Formgebungen
erlauben. Es sind auch solche Bauteile bekannt, die aus einem Metallprofil bestehen, an welches thermoplastische
Teile angespritzt sind, z.B. für Halterungen. Infolge schlechter Haftung auf den Metallprofilen werden
dabei jedoch nur sehr geringe Festigkeiten erreicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Beschränktheit der aufgeführten bisherigen Funktionsbauteile zu überwinden
und hoch belastbare, leichte Bauteile zu schaffen, welche hohe Festigkeiten und/oder Steifigkeiten, kombiniert
mit weiteren Funktionseigenschaften im gleichen Bauteil aufweisen. Dabei sollen diese Bauteile auch einfach und
kostengünstig herstellbar sein. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss
gelöst durch mechanische Funktionsbauteile
gemäss Anspruch 1. Dabei wird die angestrebte hohe Festigkeit und/oder Steifigkeit bei geringem Gewicht durch die
tragende Seele aus technischen Endlosfasern in einer thermoplastischen Matrix erreicht. Durch den umgebenden Mantel
aus kurzfaserverstärktem Thermoplast werden die weiteren Form- und Funktionsanforderungen des Bauteils erfüllt. Die
Umschliessung der Seele durch den Mantel schafft die notwendige feste Verbindung von Mantel und Seele. Der Mantel
wird dadurch im Prinzip auf der Seele festgeklammert.
Die weiteren Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungen der Erfindung, wobei Mantel und Seele das gleiche thermoplastische
Material aufweisen und durch thermoplastische Schweissung miteinander verbunden sein können, zur weiteren
Verbesserung der gegenseitigen Haftung. Besonders kostengünstige Bauteile können aus einem pultrudierten
Profilstück als Seele hergestellt werden. Dabei kann das Profilstück dank der Thermoplastmatrix auch sehr einfach,
thermoplastisch umgeformt, abgeflacht oder gebogen sein. Solche einfache Profilstücke für die tragende Seele können
einen offenen, beispielsweise U-förmigen Querschnitt oder auch einen stab- oder rohrförmigen geschlossenen Querschnitt
aufweisen. Geeignete thermoplastische Polymere der Matrizen können sein PEEK, PPS, PES, PEI, PA, PP, PC oder PS. Als
hochfeste Verstärkung können sich Fasern aus Kohle, Aramid oder Glas eignen. Dabei kann die Seele vorzugsweise mindestens
40 Volumen-Prozent an unidirektionalen Verstärkungsfasern aufweisen. Das Bauteil kann eine einfach geformte
tragende Seele mit im wesentlichen konstanter Querschnittsform und einen Mantel mit davon verschiedener Aussenform
aufweisen, welche weitgehend frei gestaltet und optimiert werden kann, um den gewünschten Form- und Funktionsanforderungen
mit einem einzigen Bauteil zu genügen.
Damit kann z.B. auch die Querfestigkeit gegenüber reinen
UD-Bauteilen erhöht werden. Die Formgebung wird vereinfacht
und die Krafteinleitungen können verbessert werden.
Dank dem speziellen Aufbau der erfindungsgemässen Bauteile
kann nun in vielen Fällen ein einziges neues Bauteil mehrere bisherige, z.B. miteinander verschraubte Bauteile
ersetzen und deren Funktionen erfüllen. Dies ergibt Gewichts- und Kosteneinsparungen und ermöglicht in vielen
Fällen auch höhere Leistungen. Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und Figuren weiter erläutert.
Es zeigen:
Fig. la ein Beispiel eines erfindungsgemässen mechanischen Funktionsbauteils;
Fig. Ib bis Ie verschiedene Querschnittsformen der tragenden
Seele des Bauteils;
Fig. 2a bis 2c verschiedene mögliche Querschnittsformen
des Bauteils mit tragender Seele und umgebendem Mantel;
Fig. 3, 4, 5 weitere Beispiele von erfindungsgemässen
Funktionsbauteilen.
Das erfindungsgemässe Funktionsbauteil von Fig. la dient
z.B. als Fadenführungshebel 41 einer Textilmaschine. Der Hebel wird gebildet durch eine tragende Seele 2, welche
als endlosfaserverstärktes Profilstück z.B. H-förmig (22) ausgebildet ist. Andere geeignete, an sich bekannte Profilformen
für die tragende Seele 2 der Funktionsbauteile können z.B. einen U-förmigen (23), einen rohrförmigen (24),
einen quadratischen (26) oder einen T-förmigen (27) Querschnitt aufweisen wie in Fig. Ib bis Ie und 2a gezeigt.
Durch Pultrusion können so weitgehend beliebige Profilformen
auf einfache, kostengünstige Art hergestellt und auf die benötigte Stücklänge zugeschnitten werden. Die
beiden Enden des Fadenführungshebels sind thermoplastisch umgeformt. Das untere Ende 6 ist zur Bildung eines Spannrings
ringförmig umgeformt. Damit wird der Hebel auf einer Torsionswelle 11 mittels einer Spannschraube 13 fixiert.
Der umspritzte Kurzfasermantel 31 dient als Verstärkung und als Gewxndehalterung. Das obere Ende 7 der Seele 2 ist
gabelförmig umgeformt zur Aufnahme eines den Faden führenden Keramikauges 12, welches wiederum mit einem Kurzfasermantel
32 zur Fixierung des Auges 12 und zur Verstärkung umspritzt ist. Dies ergibt einen leichten, steifen und
hochfesten Funktionshebel, welcher sich besonders gut
eignet für die hohen Beschleunigungen, welche in modernen, schneilaufenden Textilmaschinen auftreten. Die Zusatzfunktionen
an beiden Enden 6 und 7 sind zudem auf einfache Art und kostengünstig in ein einziges Bauteil integriert. Die
Beispiele von Fig. 2a bis c zeigen Querschnitte durch erfindungsgemässe
Bauteile mit einer tragenden Seele 2 und dem umspritzten Mantel 3, welcher die Seele 2 mindestens
teilweise umschliesst. In Fig. 2a ist ein U-Profil 23 zu mehr als der Hälfte dieses Umfangs U vom Mantel 33 umgeben,
der somit auf dem Profil mindestens festgeklammert ist, vorzugsweise aber auch an der Grenzfläche 4 noch mit
der Seele 2 thermoplastisch verschweisst ist. Der Mantel 34 in Fig. 2b umschliesst ein rohrförmiges Langfaserprofil
24 vollständig. Fig. 2c zeigt ein flaches Profil 28 mit zwei Seitenwülsten wie dies z.B. beim Betätigungshebel von
Fig. 5 verwendet werden kann. Der Kurzfasermantel 35 weist im allgemeinen eine vom Profil der Seele 2 vollständig
verschiedene Form z.B. für Führungsfunktionen auf. Er kann aber auch als Schutzhülle der Seele, etwa gegen Schläge
und Abrasion, dienen.
Fig. 3 zeigt einen federnden Rückschieber 42 zur genau synchronisierten Verschiebung von Projektilen 14 als Funktionsbauteil
einer Projektil-Webmaschine. Eine gebogene Feder 21 ist z.B. als flaches Profil aus Endlos-Kohlefasern
mit PEEK-Thermoplast pultrudiert und umgeformt. Das umgebende Spritzteil 36 mit einer Betätigungsöffnung 16 hält
die Feder 21 und dient gleichzeitig als Führungsfläche. Dies ergibt ein leichtes, hochfestes Funktionsbauteil,
welches sich speziell auch für die sehr hohen Betätigungszahlen in Webmaschinen eignet.
Fig. 4 zeigt als weiteres Beispiel eine Federklammer 43 mit gebogenem, flachem Profilteil 29 und umspritzten gezahnten
Klammerenden 37.
Das Beispiel von Fig. 5 stellt einen Webmaschinenbetätigungshebel 44 dar mit einem gebogenen Flachprofil 29 z.B.
in der Form des Doppelwulstprofils 28 von Fig. 2c als
Seele 2, mit einer Betätigungsöffnung 17 am Hebelende, einer ersten Kurzfaserumspritzung 38, welche eine Einstellschraube
18 aufnimmt und einer zweiten Umspritzung 39, welche eine Drehachse 15 umfasst und auch eine Nockenrolle
19 hält. Der Hebel wird über die Nockenrolle 19 angetrieben und gesteuert. Auch hier sind verschiedene Funktionen
in ein einziges, leichtes erfindungsgemässes Bauteil
integriert.
Weitere Beispiele von mechanischen Funktionsbauteilen können sein: Radspeichen mit Verbindung zur Nabe oder Fachwerkelemente
mit angebauten Verbindungselementen.
Die erfindungsgemässen Bauteile können einfach hergestellt
werden. Dabei wird zuerst die Seele 2 aus endlosfaserverstärktem Thermoplast vorgefertigt, beispielsweise durch
Extrusion in Profilform. Dann können geeignete Profilstücke
zugeschnitten und allfällig umgeformt werden. Die Seele wird anschliessend in ein auf eine Temperatur Tl vorgewärmtes
und die gewünschte Endform aufweisendes Werkzeug eingelegt und mit kurzfaserverstärktem Thermoplast umspritzt.
Das Kurzfasermaterial wird beim Spritzvorgang auf einer höheren Temperatur T2 gehalten, bei welcher die
Matrix der Seele 2 durch den Kontakt mit dem Kurzfasermaterial oberflächlich erweicht und möglichst mindestens
teilweise auch mit dem umspritzten Mantel 3 verschweisst wird. Hochfeste Bauteile werden z.B. hergestellt mit PEEK
als Matrix von Seele 2 und Mantel 3, wobei die Eingangstemperatur T3 beim Spritzen vorzugsweise zwischen 380 und
450 C liegt. In einem weiteren Beispiel kann PPS als Matrix von Seele und Mantel Verwendung finden mit einer
Eingangstemperatur T3 beim Spritzen von vorzugsweise 250 bis 350 C. Im allgemeinen liegt die Vorwärmtemperatur Tl
vorzugsweise zwischen 40 und 100 C unter der Spritztemperatur T2.
Claims (12)
1. Mechanisches Funktionsbauteil für hohe Belastungen aus faserverstärktem Kunststoff, dadurch gekennzeichnet,
dass das Bauteil eine tragende Seele (2) aus technischen Endlosfasern in einer thermoplastischen Matrix
und einen die Seele (2) mindestens teilweise umgebenden Mantel (3) aus kurzfaserverstärktem Thermoplast aufweist,
wobei dieser Mantel (3) die Seele (2) über mehr als die Hälfte des ümfangs umschliesst.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoplastischen Matrizen von Seele (2) und Mantel
(3) durch thermoplastische Verschweissung miteinander verbunden sind.
3. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoplastischen Matrizen von Seele (2) und Mantel
(3) aus dem gleichen Material bestehen.
4. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seele (2) eine im wesentlichen konstante Querschnittsform
und der Mantel (3) eine davon verschiedene Aussenform aufweist.
5. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seele (2) aus einem pultrudierten Profilstück besteht.
6. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Profilstück mindestens in einem Teilbereich umgeformt,
abgeflacht oder gebogen ist.
7. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Seele (2) aus einem Profilstück mit offenem, beispielsweise
U-förmigem Querschnitt besteht.
8. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Seele (2) aus einem stab- oder rohrförmigen Profilstück
mit geschlossenem Querschnitt besteht.
9. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als thermoplastische Polymere PEEK, PPS, PES, PEI, PA,
PC oder PS vorgesehen sind.
10. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seele (2) hochfeste Verstärkungsfasern aus Kohle,
Aramid oder Glas aufweist.
11. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seele (2) mindestens 40 Volumen-Prozent an unidirektionalen
Verstärkungsfasern aufweist.
12. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Einsätze aus anderen Materialien in das
Bauteil integriert und vom Mantel (3) mindestens teilweise umschlossen sind.
Bauteil integriert und vom Mantel (3) mindestens teilweise umschlossen sind.
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