HU221524B

HU221524B - Eljárás szerkezeti elem előállítására szálerősítésű, hőre lágyuló műanyagból

Info

Publication number: HU221524B
Application number: HU9702139A
Authority: HU
Inventors: Urs Loher; Jörg Mayer; Peter Tognini; Thomas Wegener; Erich Wintermantel
Original assignee: Sepitec Foundation
Priority date: 1994-12-19
Filing date: 1995-12-18
Publication date: 2002-11-28
Also published as: AU700281B2; CN1078128C; FI972608A0; PL179087B1; CA2207985C; PL321002A1; ATE204230T1; FI114976B; BR9510097A; NO972815L; NO311014B1; CN1170380A; AU4345596A; HUT77071A; EP0799124A1; CA2207985A1; JPH10511320A; KR100414961B1; NO972815D0; FI972608A

Abstract

A találmány eljárás szerkezeti elem előállítására hőre lágyulóműanyagból, ahol először rövid, hosszú és/vagy végtelen szén, üveg,kerámia, fém, aramid, vagy ezek keverékéből álló szálakból és egy hőrelágyuló műanyagból nyersdarabot előre gyártanak és ezt a nyersdarabot(7) nyomás alatti melegformázással negatív formában a szerkezeti elemvégleges alakjára hozzák. A találmány lényege, hogy a nyersdarabot (7)először egy melegítési lépcsőben átformázási hőmérsékletre hozzák,ezután a szálakat fröccssajtolással tengelyirányban a negatív formába(13) préselik és az anyag áramlása közben a fröccssajtolással aszálakat irányítják, rendezik, a nyersdarabot pedig tömörítik. ŕ

Description

A találmány eljárás szerkezeti elem előállítására szálerősítésű, hőre lágyuló műanyagból, ahol először rövid, hosszú és/vagy végtelen szálakból és egy hőre lágyuló műanyagból nyersdarabot előgyártunk és ezt a nyersdarabot nyomás alatti melegformázással negatív formában 5 a szerkezeti elem végleges alakjára hozzuk. A találmány továbbá eljárás húzásra, hajlitásra és/vagy csavarásra igénybevett szerkezeti elemek szálerősítésű műanyagból történő előállítására, ahol több mint 50%, túlnyomórészt végtelen szálakból álló szálasanyag-mennyiségből 10 és hőre lágyuló műanyagból nyersdarabot előgyártunk és ezt a nyersdarabot melegformázással, nyomás alatt negatív formában a szerkezeti elem végleges alakjára hozzuk. A találmány továbbá szerkezeti elem, amely a találmány szerinti eljárással szálerősítésű, hőre lágyuló mű- 15 anyagból készül.

Szálerősítésű, hőre lágyuló műanyagból készített szerkezeti elemek legtöbbször mint kapcsolóelemek kerülnek alkalmazásra. Ezen szerkezeti elemek révén például fémcsavarokat kívánnak helyettesítem. Különösen 20 a gyógyászati technikánál történő alkalmazásnál, például csontcsavarok esetén készülnek ezek szálerősítésű, hőre lágyuló műanyagból, amely lényegesen alkalmasabb a feladat ellátására, mint az eddigi fémek, ugyanis az ilyen műanyag csavarok szerkezete kompati- 25 bilisebb a csonttal szemben. A csavar súlya is kisebb a fémcsavarénál és a vizsgálatokat sem befolyásolják a műanyag szerkezeti elemek, ellentétben a fémcsavarokkal, amelyek mindenképpen a vizsgálat szempontjából zavaróan hatnak. 30

A leírásban az 1 mm hosszúságig rövid szálakról, míg 1-12 mm-es hossz esetén hosszú szálakról és legalább a szerkezeti rész hosszát elérő szálakról mint végtelenített szálakról beszélünk.

Ismeretesek csavarok, menetes rudak, amelyek szál- 35 erősítésű, hőre lágyuló műanyagból készülnek, ahol azonban a csavar nyersdarabok vagy koextrúzióval, vagy akár többkomponensű fröccsöntő eljárással készülnek. Ezeknél az ismert kiviteleknél (DE-A-4016 427) kiindulóanyagként kör keresztmetszetű rudakat alkal- 40 maznak, amelyek koextrúzióval készülnek. A magtartományban az extruderbe hőre lágyuló granulátumát vezetik, amelynek 5-10 mm-es szemcsenagysága van, és hossz-szálakkal van keverve, míg a külső tartomány számára egy második extruderben hőre lágyuló granulátu- 45 mot dolgoznak fel rövid szálakkal. így adva van a kiinduló anyag, ahol koaxiális elrendezésben belül hosszszálak és kívül rövidebb szálak varrnak. A hossz-szálak belül a magtartományban extrúziós folyatóeljárással tengelyirányban vannak beállítva, mig a rövid szálak a kül- 50 ső tartományban nyíróerőket adnak át a menetekben.

A menetek hideg formázással, például menethengerlő fejjel, vagy gépi úton készülnek. Ilyen hideg formázás a rövid szálak alkalmazásával válik lehetségessé, azonban éppen ilyen rövid szálak elrendezése a menettarto- 55 mányban csökkentett szilárdsági értékeket biztosít.

A DE-T2-68919466 számú leírás szerinti eljárásnál egy nyersdarabot egy osztható formában helyeznek, és abban formázzák. A nyersdarabot hidegen helyezik a formába, felmelegítik, felbővitik, majd lehűtik. Az át- 60 formázás így csak korlátozott mértékben végezhető és a szálak irányításának befolyásolása gyakorlatilag lehetetlen, vagy legalábbis előre nem határozható meg.

Az US-A 3 859 409 számú eljárásból ismert megoldásnál a nyersdarabot bár egy előkamrából a tulajdonképpeni forma üregbe préselik, amelynek azonban nagyobb az átmérője, mint a nyersdaraboknak. Ezért a nyersdarab csak a széltartományában a végtartományaiban kerül formázásra, ezért a célzatos szálrendezés csak helyileg korlátozottan történik.

Az EP-A-0 376 472 számú leírásból egy hőre lágyuló összetett lapanyag ismerhető meg, amely izotrop módon van kialakítva és nagyon könnyen egy formába préselhető egy bonyolult formájú termék, mint például golfütőfej előállítása céljából. A szálak irányítása, azaz rendezése ezen megoldásnál szóba sem kerül, de nem is lehetséges.

A találmány feladata egy eljárás kidolgozása szerkezeti elemek gyártására szálerősítésű, hőre lágyuló műanyagból, amely eljárás során a találmány tárgya optimálisan hozzáigazítható a felhasználási célhoz. Feladata továbbá a találmánynak az eljárással előállított szerkezeti elem létesítése, amely segítségével az erőbevezetés és erőelosztás, illetve a szerkezeti elem merevsége a szerkezeti elemmel együtt működd rész anyagának tulajdonságaihoz igazítható.

A találmány lényege, hogy a nyersdarabot először átformázási hőmérsékletre melegítjük és azután fröccssajtolással negatív formába préseljük. A szálak, amelyek a nyersdarab egész keresztmetszetén elosztottan vannak elrendezve, az ezt követő fröccsöntési eljárással pontosan szabályozottan rendezzük el, illetve osztjuk el. A szálak beállítása és elosztása így a találmány révén előállitott szerkezeti elem tulajdonságaihoz van igazítva és így speciális paraméterek, szálelrendezés állítható be. A fröccsöntéssel a szálelrendezés járulékosan is szabályozható és igy egy megfelelő szerkezeti elem hossza mentén különböző szilárdsági értékek érhetők el.

Egy olyan eljárásnál, ahol több mint 50 térfogat% végtelenített szálat alkalmazunk, a nyersdarabot először egy melegítési lépcsőben a formázási hőmérsékletre melegítjük és azután fröccsöntéssel negatív formába préseljük és az anyag áramlása közben a fröccssajtolással a szálakat irányítjuk, rendezzük, a nyersdarabokat pedig tömörítjük. Éppen a nagy sűrűségű szálak alkalmazása esetén az előállítandó szerkezeti elem merevsége és szilárdsága pontosan szabályozható. Különösen komplikált fonnázású szerkezeti elemeknél számítható ki pontosan előre az optimális szálelrendezés és szálsűrűség az egyes tartományokban.

A továbbiakban javasoljuk, hogy a nyersdarabot mint rúdanyagot gyártsuk előre és a melegformázási eljárás előtt a végleges szerkezeti elemhez szükséges hosszra daraboljuk. Az így előállitott anyagdarabokat azután leválasztjuk és a melegformázási eljáráshoz vezetjük. így egy fröccsöntési eljárást a fémekhez hasonló módon végezzük.

Különösen végtelenített szálak alkalmazása esetén az ilyeneket olyan hosszban alkalmazzuk, amely hossz

HU 221 524 BI lényegében a nyersdarab hosszának felel meg. Ezáltal jobb merevség és szilárdság érhető el.

Lehetséges a nyersdarabot különböző szálelrendezésű rétegekből kialakítani. Éppen a találmány szerinti eljárás révén lehet új felhasználási területeket bekapcsol- 5 ni és mindig egész speciális felhasználási célnak megfelelően kialakított szerkezeti elemeket gyártani, pontosan, előre meghatározott szilárdsággal és merevséggel, akár változó elrendezésben.

Lehetséges, hogy a nyersdarabot többféle polimer 10 vegyületből állítjuk elő több rétegben, különböző mátrixanyagból és különböző elrendezésű és/vagy térfogatszázalékú és/vagy anyagú, és/vagy hosszúságú szálasanyagból. Ezen intézkedések révén is lehetséges a szerkezeti elemnek a felhasználási területhez történő 15 pontos hozzáigazítása.

Célszerű lehet, ha a nyersdarabot ellenütemű folyató préseléssel formázzuk a végleges alakra. A rúdanyagból leválasztott nyersdarab megfelelő fröccsöntési formában kerül formázásra, míg az úgynevezett átnyomá- 20 sós eljárást alkalmazzuk. Az ellenütemű folyatásos préseljárásnál a nyersdarabot többször ide-oda mozgatjuk a negatív formában és így hozzuk végleges alakra. Éppen lécek, vagy lap alakú szerkezeti elemek előállításánál igen előnyös ez az eljárási mód. 25

Fémeknek folyatásos préselésével, vagy ellenütemű folyatásos préselésével szemben jelentős különbség, hogy a nyersdarab a találmány szerinti előmelegítési lépcsőben mintegy 350-450 °C-os formázási hőmérsékletre kerül melegítésre, és azután történik a negatív 30 formában történő beptéselés, míg az utánpréselési fázisban egy lehűtés következik be, mintegy 143 °C-ra.

A szálerősítésű, hőre lágyuló műanyag megmunkálásánál a fémrészeknél ismert folyatásos préselési eljárás annyiban kerül megváltoztatásra, hogy a nyersdarab 35 nem szobahőmérsékleten, hanem olvadási pontja fölötti hőmérsékleten, vagy legalábbis lágyulási hőmérsékletén kerül formázásra.

Továbbá előnyös, ha hőfonnázásnál elválasztórétegként szenet, vagy grafitot alkalmazunk. Ilyen elválasztó- 40 anyagot, hőre lágyuló anyagok formázásánál még nem alkalmaztak. Itt még egy különös előny adódik, mégpedig, hogy a grafit a szokásos bevonóanyagokkal szemben biokompatibilis anyagként jelentkezik és igy éppen gyógyászati tartományban lehet ezt előnyösen alkal- 45 mazni. A találmány szerint célszerű lehet a nyersdarabot szénszál-erősítésű PAEK (poli-aril-ether-keton) anyagból készíteni. Megmutatkozott, hogy éppen egy ilyen anyag alkalmazása esetén a húzószilárdság mintegy 30%-kal kisebb, mint az acél szerkezeti elemeké, 50 azonban ez még mindig bőven elégséges a gyógyászati célra, mert például csontcsavarként, vagy lapokként, sínekként még mindig nagyobb törési erőt tud elviselni, mint a csont, sőt annak mintegy háromszorosa az ilyen szerkezeti elem szilárdsága. 55

A találmány szerint célszerű továbbá, hogy a szálak legalább egy része a nyersdarabban tengelypárhuzamosan fut. Célszerű lehet azonban az is, hogy a szálak egy részét a tengelyhez képes 0-90°-ban elrendezni. Különösen hosszú szerkezeti elemek, mint például csavarok, 60 vagy csíkszerű szerelési részek gyártása esetén adódik ezáltal jó hozzáigazítást lehetőség a szükséges szilárdsági elrendezéshez. A csavarok rugalmassági tényezője ilyen módon nagyobb lesz és így ezek a csavarok merevebbek is. Megmutatkozott, hogy a folyatásos préselési eljárással a szálanyag-elrendezés megváltoztatása lehetséges és ezáltal is tovább lehet növelni a szerkezeti elemnek a feladathoz történő hozzáigazíthatóságát.

A találmány szerinti eljárás esetén előnyösen olyan szálak alkalmazhatók, amelyeknek a hossza több, mint három mm. Minden ismert szálerősítésű hőre lágyuló műanyagnál, amelyek szerkezeti részek előállítására szolgálnak, általában rövid szálakat, vagy hosszú szálakat alkalmaznak. A találmány szerinti végtelenített szálak alkalmazása és több mint 50%-os térfogatmennyiségű szál felhasználása a hőformázás esetén optimális lehetőséget biztosít, hogy bármely tetszőleges helyen úgy állítsuk be a szerkezeti elem szilárdságát és melegségét, ahogy az ott az optimális.

Egy további előnyös eljárási lépés abban van, hogy a szálakat fröccssajtolásnál mindig megfelelően anyaggal vesszük körül és ezáltal az elkészült szerkezeti elem utánmegmunkálásra már nincs szükség, mert a teljes felület gyakorlatilag megfelelő műanyag borítású.

A találmány értelmében lehetséges, hogy a szerkeze- } ti elemek a melegformázásnál még egy járulékos védő- j felületet kapnak. A bő hatására a formázószerszámban f vagy megfelelő járulékos eszközzel például bevonatok, | elválasztóanyagok vihetők fel a már kiformázott szerke- | zeti elemre. }

A melegformázási eljárásnál különböző lehetőségek adódnak az előállítás szabályozására. Egy, a találmány szerinti eljárással előállított szerkezeti elem azzal jellemezhető, hogy az dákjához és a felhasználásához szükséges helyi szilárdsági és merevségi értékek érhetők el anélkül, hogy az egész szerkezeti elemet ilyen módon túl kéne méretezni. A legnagyobb húzószilárdsági értéket például olyan építőelemeknél, szerkezeti elemeknél kell biztosítani, amelyek nagy formázási sebességgel és magas nyersdarab-hőmérsékleten kerültek előállítására. A torziós szilárdság figyelembevételénél akkor lehet maximális értékeket elérni, ha összehasonlítva alacsonyabb formázási hőmérsékletet és alacsonyabb formázási sebességet alkalmazunk. A találmány szerinti eljárással szálerősítésű műanyagból történő szerkezeti elemek előállítására lehetséges az elemet a speciális felhasználási célhoz igazítani, mégpedig úgy, hogy például a formázási sebességet két, vagy akár több lépcsőben változtatjuk, illetve ilyen sebességlép- l csőkből állítjuk össze.

Ugyanilyen cél érhető el a szerkezeti elem kialakításánál, ha a szálak elhelyezkedését, sűrűségét hosszirányban megfelelően állítjuk be a szerkezeti elem átmérőjéhez, vastagságához és formájához viszonyítva. Ugyanígy figyelembe lehet venni a szerkezeti elem áttöréseit, süllyesztőkéit, öblösödéseit és hasonló formációit. így ;

tehát a legkülönbözőbb szálelrendezéssel, szálsűrűség- g gél lehet a mindenkori helyi követelményeket kielégíteni és megfelelő helyi szilárdságot, merevséget elérni. í” így például ilyen építőelemnél, szerkezeti elemnél kivá3

HU 221 524 Β1 lóan lehet biztosítani a megfelelő erőbevezetést, erőelosztást és így az elem nagyon jól hozzáigazítható a vele együtt működő testhez. Ez különösen vonatkozik a gyógyászati technika területére, például csontcsavaroknál, vagy gyógyászati szerkezeti elemeknél, rőgzitőcsikok- 5 nál, síneknél stb., de alkalmazható más területen is, így a gép, a villamos és az elektronikai ipar területén szerkezeti eleinek előállítására.

Előnyös szerkezeti elem, ha az egy megfogóvéggel rendelkezik egy szerszám számára, valamint egy mene- 10 tes szárral és itt a kapcsolóelemként kialakított szerkezeti elem a különböző módon elrendezett szálakkal a megfogó végétől kezdődően változó, azaz variálható szilárdságú. Éppen a csontoknál történő felhasználásnál előnyös, hogy a szerkezeti elemet a csont termesze- 15 tes struktúrájához lehet igazítani, és hogy egy könnyű, nem mágneses röntgen szempontból a csonttal azonosan viselkedő és biológiailag kompatibilis kapcsolóelemet lehet létesíteni.

A találmány szerint célszerű a szálakat a megfogó- 20 végtől kezdődően az ahhoz csatlakozó menetek mentén legalább megközelítően a tengellyel párhuzamosan vezetni, míg a hátralévő menetes szakaszban a szálakat a menetkontúmak megfelelően vezetni és ezen szakasz magtartományában a szabad vég felé egy véletlenszerű 25 szálelrendezést létrehozni. Ezáltal éppen a megfogóvég tartományában az éppen csavarként kialakított szerkezeti elemnél és az azt követő menetes szakaszban biztosítható a legnagyobb szilárdság, míg a csont belső tartományába benyúló menetes szakasz kisebb húzószilárd- 30 ságú, mert éppen ebben a tartományban nem kell húzóerőket felvenni.

Egy ilyen találmány szerinti szerkezeti elemnél előnyös, hogy a szerkezeti elem merevsége, szilárdsága a különböző szálelrendezés révén a megfogóvégtől a sza- 35 bad végig lépcsőzetesen, vagy folyamatosan csökkenthető. így tehát éppen a szálelrendezés révén, amelyet a találmány szerinti eljárással hozunk létre, és természetesen a formázási sebességgel, a szerkezeti elem pontosan hozzáigazítható a felhasználási tartományhoz. 40

Célszerű továbbá a szerkezeti elemet legalább egy zsáklyukkal, vagy egy átmenőnyílással ellátni, például egy forgatószerszám mint csavarhúzó számára, vagy rögzítőelem átvezetésére. Ilyen elrendezés révén lehetséges megfelelő torziós erőt egy ilyen csavar alakú szer- 45 kezeti elem felé továbbítani, akár annak behajtásához, vagy szükséges kicsavarásához. Az átmenőnyílások, vagy hasonlók esetén még lapos szerkezeti elemeknél is előnyös kialakítás érhető el, mivel a nyílást körülvevő tartomány a különleges szálelrendezéssel erősíthető 50 meg. Ebben az összefüggésben előnyös lehet, ha a zsáklyuk, vagy átmenőnyílás a szerkezeti elem előállításakor kerül kiformázásra. Különösen melegformázásnál létesülnek különleges lehetőségek megfelelő zsáklyukak, vagy átmenőnyílások létesítésére a forgatószerszá- 55 mok számára.

A találmány szerinti szerkezeti elem egy további kiviteli példája egy esik, vagy lap alakú szerkezeti elem egy, vagy több átmenönyilással, és/vagy a hosszán elrendezett kiálló szakaszokkal, ahol az elem szilárdsága 60 és merevsége az egész hosszon és/vagy szélességen és/vagy átmérőn előre meg van határozva. A találmány szerinti eljárással bármilyen szerkezeti elem a legkülönbözőbb kialakításban gyárható, míg a szükséges szilárdság és merevség az egész felületen hozzáigazítható a követelményekhez.

A szálak megfelelő elrendezésével biztosítható, hogy például a nyílások, lyukak, vagy kiálló részek tartományában, amelyek alapjában gyengitett részek, azonos szilárdság érhető el, mint a szerkezeti elem többi részén. így bármilyen szerkezeti elem előállítható úgy, hogy már gyengitett zónával nem rendelkezik és így egész speciális felhasználási területeken is minden szakaszban azonos szilárdság és merevség élhető el.

Ilyen igazítható szilárdság és merevség különösen optimális, ha a szerkezeti elem, mint oszteoszintézis lap, például corticalis, vagy spongiosa csavarként kerül felhasználásra.

A találmány további jellemzőit és előnyeit a leírásból ismerhetjük meg, a találmányt részletesen pedig kiviteli példák kapcsán, a rajzok alapján ismertetjük, ahol az

1. ábra egy rúd alakú nyersdarab szakasza részben metszve, végtelenített, zárt szálakkal, a

2. ábra egy csavar alakú szerkezeti elem, ahol a szálelrendezést a csavarban sematikusan ábrázoltuk, a

3. ábra az összekötő elemként kialakított szerkezeti j elem hossza mentén vett merevségének lefü- j tását szemléltető diagram, a I

4. ábra egy lehetséges fröccsöntő présszerszám váz- t látót szemlélteti különböző hőmérsékleti zó- í nákkal egy szerkezeti elem előállítására, az |

5. ábra egy további szerszám sematikus képe, a ΐ

6. ábra egy ellenütemű szerszámban történő szerke- | zeti elem előállításának elvi vázlata, a |

7. ábra egy ellenütemű fröccsöntő szerszámban elő- f állított szerkezeti elem felülnézete, amely ” különösen oszteoszintézis lapként alkalmazható.

A találmány szerinti eljárás most következő részletes ismertetésénél abból indulunk ki, hogy az előállított szerkezeti elem (1-5. ábrák) egy összekötő elem, különösen csavar, amely speciálisan gyógyászati célra, például corticalis, vagy spongiosa csavarként kerül alkalmazásra, vagy a szerkezeti elem a 6. és 7. ábrák szerint egy szerelési rész, különösen oszteoszintézis lap, amely együtt működik a fent ismertetett összekötő elemmel. A találmány keretén belül azonban más szerkezeti elemek is készíthetők, amelyek szálerősítésű, bőre lágyuló műanyag- ;

ból vannak és a találmány szerinti eljárással készülnek.

Ilyen szerkezeti részek azonban nincsenek a gyógyászat területére korlátozva. Lehetséges ilyen elemeket más célra is alkalmazni, például a gépiparban, az elektrotechnikában és a magas- és mélyépítésben stb. A szerkezeti részeket nem kell mindig összekötő elemek, csavarok formájában előállítani, azok lehetnek egész más konstruk- j ciós kialakítású szerkezeti részek, mint például sínek, i~ vagy lapok. így például lehetséges olyan csavarokat előállítani szálerősítésű, hőre lágyuló műanyagból, amelyek Γ megfelelő fúrórésszel vannak ellátva, és amelyek ugyan4

HU 221 524 Β1 csak egy biokompatibilis anyagból készülnek, vagy, amelyek a fúrási folyamat után könnyen eltávolítbatók. Bizonyos körülmények között ilyen eltávolításra egyáltalán nincs is szükség. A kiviteli példában egy szálerősítésű, hőre lágyuló műanyag szerkezeti elemet mutatunk be, amely végtelenített szálakból készül, amely szálaknak a térfogattartalma több mint 50%. A találmány szerinti eljárással azonban ugyanúgy más összetételű szálerősítésű, hőre lágyuló műanyagok dolgozhatók fel, például amelyek csak rövid szálakat, vagy hosszú szálakat, de akár ezek kombinációját tartalmazzák, esetleg végtelenített szálakkal együtt. A találmány szerinti eljárás olyan esetben is alkalmazható, ahol a szál anyagtérfogat-aránya 50% alatt van.

Az ábrán bemutatott kapcsolóelem 1 csavar formájában van kialakítva, amely 2 fejből, 3 nyílásból áll és a nyílás az erőbevezetés célját szolgálja, például egy szerszám, mint csavarhúzó csatlakoztatására, valamint egy 4 menettel ellátott 5 szárból. Mint ahogy éppen a 2. ábrából látható, a 2 csavarnál különösen végtelenített 6 szálak vannak. Éppen a helyileg irányított szálak révén rendelkezik a 2 csavar a helyi betervezett merevséggel, szilárdsággal. Ezáltal éppen corticalis csavarként történő alkalmazásnál a merevség, illetve szilárdság a csont természetes struktúrájához van hozzáigazítva. Szénszál erősítésű hőre lágyuló műanyagból könnyű röntgensugár-áteresztő és biokompatibilis elem készíthető. Ilyen csavarnak különleges előnye abban van, hogy merevsége és merevségi foka jobban igazodik a természetes csontstruktúrához, mint minden eddigi fémcsavar. A szálkonstrukció révén jobb erőelosztás érhető el és nem csak az első három menet vesz részt az erőátadásban. Azonkívül ez az anyagösszetétel nem befolyásolja a szokásos gyógyászati vizsgálati módszereket, mert nem mágneses és röntgenáteresztő. Ez különösen jelentős hátrány a hagyományos fémbe ültetett elemek esetén, ami alatt természetesen a kapcsoló összekötő elemeket is értjük. Ezek ugyanis a modem diagnosztikai módszereket, mint például a komputertomográfiát, a magspintomografiát értéktelenné teszik.

Az ilyen összetételű elemeknek az utánállító képessége következtében a lazulásuk is csak hosszabb idő után várható. Amennyiben az ilyen anyagból készült csavart mint corticalis csavart alkalmazzuk, akkor az még egy idő után bekövetkező szilárdságvesztés esetén is a maradék szilárdsága révén újra kicsavarható.

Mint ahogy már említettük, a találmány szerinti kapcsolóelem általában a gépiparban korróziós környezetben alkalmazható és különösen ott, ahol nagy szilárdság és célzatos szilárdság érhető el, kisebb súly mellett. Itt is az erőelosztás több mint három meneten át mérvadó.

A 2. ábrán bemutatott corticalis csavar 2 fejével különböző további elemek rögzíthetők, például egy oszteoszintézis lap. A 3 nyílás például mint belső hátlap alakítható ki. Azonban lehetséges a nyílás formáját úgy megválasztani, hogy az egy négyszög alakú nyílás, vagy egy kereszthasíték.

A találmány szerinti eljárás egy változata, mint amint az a fémmegmunkálásból ismeretes, alkalmazásra kerülhet, például így lehet corticalis csavart, például mm-es magátmérővel szénszál-erősítésű PAEK (poliaril-ether-ketonból) előállítani. Egy speciális változat szerint szénszál-erősítésű PEEK (poli-ether-etherketon) alkalmazható. A szálirányítottság és -elosztás és a csavar mechanikus tulajdonságai az előállítási eljárás során pontosan meghatározhatók.

A fröccsöntési eljárással előállított csavar törési terhelése a 3000 és a 4000 N közötti tartományban fekszik, míg a maximális torziós nyomaték 1 és 1,5 Nm között, míg a maximális elcsavarási szög a 6475 számú ISO norma szerint mintegy 370°-ot tesz ki. A csavarok a fejtől a csúcsig csökkenő E-modullal rendelkeznek és a csontokhoz homoelasztikus anyagként jellemezhetők.

A természet maga is nagyon gyakran alkalmazza a szálerősítésű anyagot mint elvet Ezért a struktúra kompatibilitás szempontjából nagyon előnyös, ha gyógyászati implantumokként ugyancsak szálerősítésű megoldást alkalmazunk. Különösen az oszteoszintézis technika tartományában szükségesek fejlesztések, hogy a hagyományos acél oszteoszintézis lapok helyett kevésbé merev rigid implantátumokat fejlesszünk ki szálerősítésű anyagokból. Éppen összhangban az oszteoszintézis lapokkal, hat a találmány szerinti kialakítás előnyösen. Egy ilyen oszteoszintézis rendszer a hagyományos acélimplantátumokkal szemben számos előnnyel rendelkezik. Először is például a homoelaszticitás következtében a csontokhoz illő teherbevezetés érhető el, másrészt ez az anyag röntgenátlátszó és magspintomográfia lehetséges. Továbbá a találmány szerinti intézkedések révén egy viszonylag olcsó gyártás biztosítható, mégpedig melegformázási eljárással. Ami még ehhez hozzájárul, az a tény, hogy az ilyen módon kialakított szerkezeti elemek nem okoznak problémát még nikkellel szemben allergiás személyek esetén sem.

Az ezen a területen végzett kutatások során megállapítást nyert, hogy a csontcsavarok esetén, amelyek szénszál-erősítésű, hőre lágyuló műanyagból készülnek és a találmány szerinti eljárással, optimális variációk valósíthatók meg. A kifejlesztett fröccsöntési eljárással szénszál-erősítésű PAEK anyagból kiváló csontcsavarok állíthatók elő.

Fémrészek fröccssajtolása esetén szobahőmérsékleten a fémet egy bélyeggel egy formába préselik. Ehhez tartozik az úgynevezett átnyomási eljárás, amely a DIN 8583 szabványból ismeretes. A szálerősítésű, hőre lágyuló műanyag feldolgozására az eljárás módosításra kerül azáltal, hogy a nyersdarab nem szobahőmérsékleten, hanem az olvadási hőmérséklet fölött keiül átformázásra.

A csavargyártásra szolgáló nyersdarabként szénszálerősítésű PAEK 7 rudak szolgálnak (1. ábra), amelyek szálanyagtérfogatuk több mint 50%, előnyösen 60%, míg a szálelrendezés tekintetében két különböző nyersdarab típus kerül alkalmazásra, mégpedig egyrészt nyersdarabok tisztán tengelypárhuzamos szálelrendezéssel, másrészt nyersdarabok 0 és ±90° közötti szálelrendezéssel.

Egy nyersdarab egy fütött 8 fröccssajtoló szerszámba kerül az átalakítási hőmérsékletre, például 350-450 °Cra melegítésre, ahol a melegítés egymást követő 9,10 melegítési lépcsőben történik (4. ábra). A 7 nyersdarab az

HU 221 524 Bl első 9 melegítési lépcsőbe kerül bevezetésre és ott megfelelő előmelegítésre, a 10 lépcsőben további melegítésre és azután all lépcső tartományában a negatív formában kiformázásra kerül. A 12 bélyeg segítségével kerül tulajdonképpen a 7 nyersdarab a 13 negatív formába bepréselésre, és ott elnyeri végleges alakját. A préselési sebesség a 2-80 mm/s tartományban lehet. A préselési nyomás a különböző kísérletek szerint 120 Mpa értéken a legkedvezőbb. Míg egy ezt követő utánpréselési fázisban (a nyomás megközelítően 90 Mpa) a szerszámot nyomólevegővel az üvegedési átmeneti hőmérsékletre (mintegy 143 °C-ra) hűtjük. A fröccssajtoló szerszám nyitása után a kész corticalis csavar a formából kivehető.

Az ily módon elkészített csavar vizsgálata után megmutatkozott, hogy minden esetben az optimális értékek érhetők el. Ez egyrészt adódik a nagy szálasanyag-tartalomból, a végtelenített szálak alkalmazásából és az egész speciális hőátalakítási eljárásból. Mint ahogy a 2. ábrából látható, a szálak az 1 csavar 2 feje tartományában túlnyomórészt a csavar tengelyirányában helyezkednek el. A csavarcsúcs tartományában a szálak a széltartományban követik a csavar kontúiját, azaz például a menetek futását, míg a magzónában egy véletlenszerű szálelrendeződés jön létre.

A mechanikus tulajdonságok vonatkozásában megállapítható, hogy a corticalis csavar húzószilárdságának közepes értéke mintegy 460 N/mm². A legnagyobb húzószilárdság olyan csavarral érhető el, amely nagy formázási sebességgel (körülbelül 80 mm/s) és magas nyersanyag-hőmérsékleten (körülbelül 400 °C) állíthatók elő. Csavarok torziós szilárdsága, amelyek tengelypárhuzamos szálerősítésű nyersdarabból készülnek, átlagban 18%-kal nagyobb, mint a 0°-45°-os szögben elrendezett szálakkal rendelkező nyersdarab esetén. Maximálértékeket olyan csavaroknál sikerült mérni, amelyek összehasonlítva alacsony hőmérsékleten (380 °C) és kis formázási sebességgel (2 mm/s) kerültek előállításra. A csavar hosszában a rugalmassági tényező nem állandó, hanem a csúcs felé erősen csökken. Az E-modulok 5 és 23 GPa között váltakoznak, míg a csavar 0 szögű szálrendezés esetén kerülnek előállításra, merevebbek. Ez egyértelműen látható a 3. ábra szerinti sematikus diagramból. A diagram görbéjéből láthatóan a merevség a csavarfej felé nő, míg éppen a csavar hossza mentén egy meghatározott tartományban, amely az 5 szár menetekkel ellátott részén van, egy törés következik be és éppen ebben a tartományban, mint ahogy az a 2. ábrából is látható, végződik a magtartományban lévő tengelypárhuzamos szálelrendezés.

Egy corticalis csavar példája esetén látható, hogy a fröccssajtolással hosszúszál-erősítésű, hőre lágyuló műanyagból egy melegformázási eljárással komplex geometriájú szerkezeti részek állíthatók elő. A szálelrendezés és -elosztás a mechanikus tulajdonságok szempontjából bizonyos határok között szabályozható. Egyébként a vizsgálatok megmutatták, hogy a formázási sebesség és a formázási hőmérséklet csak kismértékben befolyásolja a fröccssajtolási eredményt.

A fröccssajtolással előállított PAEK. szálerősítésű csavarok húzószilárdsága mintegy 30%-kal fekszik az összehasonlítható acélcsavarok húzószilárdsága alatt.

Egy átlagos törőerő mintegy 3200 N elegendő az oszteoszintézis alkalmazási területhez, mivel megfelelő csavar már 800-1300 N húzóerővel már a csontból kihúzható.

Az ISO 6475 számú szabvány azt acélcsavaroktól összehasonlítható méretek esetén minimális törési nyomatékként 4,4 Nm értéket és torziós szögként legalább 180°-ot követel meg. Ilyen értékek szálerősítésű hőre lágyuló műanyagból készített csavarokkal nem érhetők el (maximálisan 1,3 Nm). Azonban kísérletek megmutatták, hogy ilyen csavarok túlcsavarása és ezáltal a csont sérülése ki van zárva, mivel a menetek a csontban már egy 0,8 Nm értékű forgatónyomaték esetén tönkremennek. A maradék szilárdság lassú csökkenése még a kicsavarásnál bekövetkező törés után is lehetővé teszi a sérült csavarnak a csontból való kicsavarását.

A fröccssajtolással előállított corticalis csavar rugalmassági foka azonos, vagy legalábbis hasonló a csont rugalmasságával. A merevség, illetve szilárdság a csavarban a csúcs felé jelentősen csökken. Becsavart állapotban ezáltal a csavar merev része (fejtartománya) a csontnak is a legszilárdabb részénél helyezkedik el. Ilyen szilárdságelosztással a csavart messzemenően a csont struktúrájához lehet hozzáigazítani.

A találmány révén sikerült először lehetőséget teremteni arra, hogy szálerősítésű, hőre lágyuló műanyagból lehessen melegformázással a felhasználási tartománnyal kompatibilis szerkezetű elemet létrehozni.

A leírásban egy fröccssajtolásos eljárásból indultunk ki, amely gyakorlatilag csak egy irányban hatásos. A nyersdarabot megfelelő hőmérsékletre hozzuk, mégpedig egy olyan hőmérsékletre, ahol az mintegy mézszerűen folyékony állapotba kerül és azután negatív formába préseljük. A találmány keretén belül lehetséges éppen csíkok, lapok, vagy lapszerű részek előállításánál, azonban csavarok előállításánál is, vagy egyéb kapcsolóelemek előállításánál, különleges formák esetén is, vagy például különleges alakú csapok gyártása esetén is, úgynevezett ellenütemű fröccspréselést alkalmazni. Itt bizonyos körülmények között többszörös ide-oda préselést végzünk a préselési irány többszörös megváltoztatásával és így kívánt szálelrendezést, szálelosztást lehet elérni. Részleteket ilyen vonatkozásban a 6. és 7. ábrák szemléltetnek, illetve nyújtanak magyarázatot. Az ellenütemű préselésnél éppen az bírhat jelentőséggel, ha a megfelelő szerkezeti elemben, például zsáklyukat kell készíteni, átmenőnyílások, beöblösödések, vagy különleges formázás is ilyen módon állítható elő. Ily módon lehet a szálak speciális elrendezését, futását biztosítani és lehet az előállítandó szerkezeti elemet bizonyos helyeken nagyobb szilárdsággal ellátni, mégpedig éppen ott, ahol arra a felhasználási okokból szükség van.

A találmány szerinti eljárás alkalmazásánál bevonásképpen szenet, vagy grafitot alkalmazhatunk. Ezek a bevonatok, vagy elválasztórétegek gyakorlatilag csak fémnél nyertek alkalmazást, műanyagnál még nem. így járulékos előnyök adódnak, mivel a grafit szemben a szokásos elválasztóanyagokkal, a műanyaggal biokompatibilis.

HU 221 524 Bl

A 2. ábrán tengelyirányból nézve egy rövid 3 nyílás látható. A találmány értelmében lehetséges itt egy mélyebb zsáklyukat alkalmazni, vagy akár egy tengelyirányban átmenönyilást, hogy ezekbe egy megfelelő forgatószerszámot lehessen behelyezni. Ezáltal egy na- 5 gyobb torziós merevség biztosítása révén nagyobb behajtási ellenállást lehet legyőzni, mivel a szerszám megfelelő hosszba kerülhet a behajtandó szerkezeti elembe. Mivel egy ilyen csavar előállítása a találmány szerinti fröccspréselési eljárással történik, annak járulékos fór- 10 mázása minden probléma nélkül lehetséges.

Síneknél, lapoknál ugyancsak lehetséges átmenőnyílásokat, beöblösödéseket, zsáklyukakat stb. készíteni, amelyek azután a szálakkal speciálisan körül vannak véve. 15

A 2. ábra szerinti 1 csavar szálelrendezése a találmány szerinti intézkedésekkel és eljárással mindig a speciális felhasználási cél figyelembevételével optimálisan alakítható. Különösen azoknál a szerkezeti elemeknél, ahol a szál térfogataránya több mint 50 térfogatszázalék 20 és a szálak végtelenített szálak, lehetséges a legszélesebb technikai területen a felhasználás, különösen a kapcsolóelemek kerületén és a gyógyászat területén.

A 6. ábrán sematikusan egy ellenütemű fröccspréselési eljárás kerül bemutatásra, ahol az egymást követő 25 eljárási lépések I-IV vannak jelölve. A I lépcsőben a 7 nyersdarabot a 9 és 10 melegítési lépcsőnek megfelelően melegítjük, mégpedig a formázási hőmérsékletre.

AII lépcsőben a nyersdarabot 16 nyíl irányában a 13 negatív formába bepréseljük. A III lépcsőben az egyszer 30 már átformázott 7 nyersdarabot újra ellentétes irányban, azaz a 17 nyíl irányában visszapréseljük. AIV lépcsőben a kétszer, vagy többször átformált nyersdarabot a kész szerkezeti elem alakjára tömörítjük, lehűtjük, és a formából eltávolítjuk. 35

A13 negatív formába behelyezett, vagy azon áthatoló 15 csappal a szerkezeti elemeket 14 átmenőnyílással láthatjuk el és éppen az ellenütemű fröccspréselési eljárással lehet a nyersdarabot erre a 15 csapra rápréselni.

Itt a 6 szálak egy speciális elrendeződése következik 40 be, mint ahogy az a 7. ábrán látható. Ugyanez, vagy hasonló hatás adódik, ha 18 szerelőrésként kialakuló szerkezeti elem hossz- és/vagy oldalhatároló falai kiálló szakaszokkal rendelkeznek. Az egyébként ily módon gyengített A zónák a találmányunk esetén sűrűbb 6 szálelren- 45 dezéssel rendelkeznek és így ezen a zónák szilárdsága és merevsége megfelel a szerkezeti elem egyéb B tartományának szilárdságával.

A szerkezeti elemek ilyen kialakítása azokat kiválóan alkalmassá teszi oszteoszintézis lapként való alkal- 50 mazásra, amelyek azután a találmány szerinti eljárással előállított csavarral történő együttműködésre kiválóan felhasználhatók. Ugyancsak előnyt jelent az ilyen részeknek a biokompatibilitása és ugyanakkor ezen elemek szilárdsága tökéletesen megfelel, összehasonlítva 55 az eddigi rozsdamentes acélból készült elemekével.

Az ellenütemű fröccspréselésnél különböző járulékos paraméter biztosítása lehetséges, amelyek révén előre meghatározott szálelrendeződés hozható létre és így a szerkezeti elem szilárdsága, merevsége és kialaki- 60 tása még jobban hozzáigazítható a felhasználási területhez. így például az ütemek, illetve ellenütemek száma, az ütemek sebessége, a nyomás, az ellennyomás különkülön beállítható, ugyancsak az elérni kívánt eredmény függvényében. A II és III lépcső tetszés szerint megismételhető, miközben mindegyik ütem, illetve ellenütem hossza külön-külön megválasztható. A szerkezeti elem központosítása a IV lépcsőben nem feltétlenül szükséges. A Π-IV lépcsőkben a paraméterek tetszés szerint variálhatók.

A találmány szerinti ellenütemű fröccspréselési eljárással még további változatok lehetségesek. Az ütem nemcsak egy irányban végezhető, hanem két, vagy több főtengely irányában. Továbbá lehetséges a 6. ábrán szemléltetett csapot először a nyersdarab homogenizálása után, azaz egy vagy több II és III lépcső után letolni. Lehetséges egy, már homogenizált nyersdarabot, azaz egy előállomáson már keresztülvezetett nyersdarabot egy vagy többször formázni.

Az ilyen eljárásnál a végtelen szálak nincsenek túlzottan igénybe véve. Az irányított szálak és az egy elrendezésű szálak közötti átmenet folyamatos. A találmány lehetővé teszi nem lemezszerű elemek gyártását is. Előállithatók olyan alakzatok is, amelyek eddig csak fröccsöntéssel voltak gyárthatók és még nagyobb szilárdságot is elérhetők. Lehetséges elemeket lyukakkal, áttörésekkel előállítani.

A találmány esetén lehetséges olyan nyersdarabokat tovább feldolgozni, ahol hosszirányban futó különböző szálelrendeződésű rétegekből áll. Lehetséges továbbá egy nyersdarabot több, különböző polimer vegyületből összeállítani. Ilyen esetben a nyersdarab több rétegből, amelyeknek különböző mátrixanyaguk van és különböző elrendezésű és/vagy térfogatszázalékú és/vagy anyagú és/vagy hosszúságú szálasanyag-tartalma van. Amennyiben végtelenített szálakat alkalmazunk, akkor ezek általában hosszirányban helyezkednek el, amelyek hossza legalább a 7 nyersdarab hosszának felel meg.

Claims

SZABADALMI IGÉNYPONTOK

1. Eljárás szerkezeti elem előállítására hőre lágyuló műanyagból, ahol először rövid, hosszú és/vagy végtelen szén, üveg, kerámia, fém, aramid, vagy ezek keverékéből álló szálakból és egy hőre lágyuló műanyagból nyersdarabot előre gyártunk és ezt a nyersdarabot nyomás alatti melegformázással negatív formában a szerkezeti elem végleges alakjára hozzuk, azzal jellemezve, hogy a nyersdarabot (7) először egy melegítési lépcsőben átformázási hőmérsékletre hozzuk, ezután a szálakat fröccssajtolással tengelyirányban a negatív formába (13) préseljük és az anyag áramlása közben a fröccssajtolással a szálakat irányítjuk, rendezzük, a nyersdarabot pedig tömörítjük.
2. Eljárás húzásra, hajlításra és/vagy csavarásra igénybe vett szerkezeti elem szálerősítésű, hőre lágyuló műanyagból történő előállítására, ahol először legalább túlnyomórészt végtelenített szálakból több mint 50%-ot

HU 221 524 BI tartalmazó hőre lágyuló műanyagból nyersdarabot gyártunk előre és ezt a nyersdarabot melegformázási eljárással nyomás alatt negatív formában végleges alakjára hozzuk, azzal jellemezve, hogy a nyersdarabot (7) egy melegítési lépcsőben átformázási hőmérsékletre mele- 5 gítjük és azután fröccssajtolással a negatív formába (13) préseljük és az anyag áramlása közben a fröccssajtolással a szálakat irányítjuk, rendezzük a nyersdarabokat pedig tömőrítjük.
3. Az 1. vagy 2. igénypontok szerinti eljárás, azzal 10 jellemezve, hogy a nyersdarabot (7) mint rúdanyagot gyártjuk elő és a melegformázás előtt a végdarabhoz szükséges hosszra vágjuk.
4. Az 1. vagy 2. igénypontok szerinti eljárás a végtelen szálakat (6) olyan hosszban rakjuk, amely a végle- 15 ges szerkezeti elemnek megfelelő nyersdarab hosszával azonos.
5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a nyersdarabot (7) több, annak hosszirányában futó rétegekből formázzuk, amelyek- 20 nek különböző szálelrendezésük van.
6. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a nyersdarabot (7) több mint egy polimeikötésből, például több réteg különböző mátrixanyagból és különböző elrendezéssel és/vagy különbö- 25 ző térfogatszázalék és/vagy különböző szálasanyagrészt kitevő és hosszúságú szálakkal formáljuk.
7. Az 1-6. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a nyersdarabot (7) ellenütemű fröccssajtolással a végleges formára hozzuk. 30
8. Az 1-8. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a nyersdarabot (7) melegítési lépcsőben 350-450 °C hőfokra melegítjük, azután a negatív formába préseljük, míg egy utópréselési fázisban egy, a hőre lágyuló műanyag üvegátmeneti hőmérséklete alá, például 143 °C-ra hűtjük.
9. Az 1-8. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a melegformázási eljárásnál elválasztóanyagként szenet, vagy grafitot alkalmazunk.
10. Az 1-9. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a nyersdarabot (7) szénszállal (6) erősített PAEK-ból (poli-aril-ether-keton) alakítjuk ki.
11. Az 1-10. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a végtelen szálak (6) legalább egy részét a nyersdarabban (7) tengelypárhuzamosan fútóan rendezzük el.
12. Az 1-11. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a szálak (6) legalább egy részét a nyersdarabban 0-90°-ban irányítva rendezzük el.
13. Az 1-12. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a szálakat (6) több mint 3 mm-es hosszban alkalmazzuk.
14. Az 1-13. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a szálakat (6) fröccssajtoláskor mátrixanyaggal beborítjuk.
15. Az 1-14. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a kész szerkezeti elemben a szálak helyzetének és irányának változtatásához a sajtolási hőmérsékletet és sebességet variáljuk.
16. Az 1-15. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a szerkezeti elemeket a melegformázásnál védőbevonattal látjuk el.