PL179087B1

PL179087B1 - wzmocnionych wlóknami oraz element konstrukcyjny z termoplastówwzmocnionych wlóknami PL PL PL PL

Info

Publication number: PL179087B1
Application number: PL95321002A
Authority: PL
Inventors: Urs Loher; Joerg Mayer; Roger Tognini; Thomas Wegener; Erich Wintermantel
Original assignee: Otg St Gallen Ag
Priority date: 1994-12-19
Filing date: 1995-12-18
Publication date: 2000-07-31
Also published as: AU700281B2; CN1078128C; FI972608A0; CA2207985C; PL321002A1; ATE204230T1; FI114976B; BR9510097A; NO972815L; NO311014B1; CN1170380A; AU4345596A; HUT77071A; EP0799124A1; CA2207985A1; JPH10511320A; KR100414961B1; HU221524B; NO972815D0; FI972608A

Abstract

1. Sposób wytwarzania elementu konstrukcyjnego z termoplastów wzmocnionych wlóknami w postaci sruby lub elementu montazowego, w którym przygotowuje sie pólfabrykat wykonany z termoplastu i krótkich, dlugich, lub ciaglych wlókien, albo pólfabrykat z termoplastu i wlókien o zawartosci powyzej 50% objetosciowych, co najmniej z przewazajaca zawartoscia wlókien ciaglych, po czym ten pólfabrykat doprowadza sie do formy, w której ksztaltuje sie go na goraco pod cisnieniem do ostatecznej postaci, znamienny tym, ze pólfabiykat (7) z tworzywa termopla- stycznego wzmocnionego wlóknami ciaglymi (6), ogrzewa sie do temperatury jego uplastycznienia w stopniu pod- grzewania formy, a nastepnie, w prasowaniu tlocznym, tloczy sie go stemplem do negatywowej formy (13), w której ukierunkowuje sie i orientuje wlókna w calej masie utworzonego elementu konstrukcyjnego. 17. Element konstrukcyjny z termoplastów wzmocnionych wlóknami otrzymany poprzez prasowanie tloczne pólfabrykatu w negatywowej formie, znamienny tym, ze ma ksztalt sruby (1), albo plytkowego lub tasmo- wego elementu montazowego (18), w których wlókna ciagle (6) sa w obszarze przypowierzchniowym rozlozone w przyblizeniu równolegle do srodkowej osi, a w oddalo- nym od obszaru przypowierzchniowego rdzenia wlókna maja powiekszajace sie ukierunkowania pod róznymi katami wzgledem osi. Fig. 5 P L 179087 B 1 PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania elementu konstrukcyjnego z termoplastów wzmocnionych włóknami oraz element konstrukcyjny z termoplastów wzmocnionych włóknami, w postaci śruby lub elementu montażowego stosowanych do różnych zamocowań jako złącza, a w szczególności w medycynie przy łączeniu kości i implantów.

Z opisu WO 91/02906 znany jest ulepszony wielowarstwowy element mocujący oraz sposób i urządzenie do jego wytwarzania. Element ten składa się z wielowarstwowego materiału i posiada główkę i cylindryczny trzpień z nagwintowanym końcem. Element ten wytwarza się metodą prasowania w cylindrycznej formie do której wkłada się okrągły półfabrykat ogrzewa się go powierzchniowo, a następnie ściska formę z jednej lub z obydwu stron, tak że następuje jego odpowiednie ukształtowanie polegające na spęcznianiu na gorąco gwintu i główki. W przypadku tego sposobu półfabrykat wkłada się w formę negatywową, a potem pod ciśnieniem kształtuje się tylko jego obszary brzegowe, główkę lub trzonek, tak że celowe orientowanie włókien jest możliwe do przeprowadzenia tylko z ograniczeniem do powierzchni brzegowych.

Znany jest również z opisu patentowego EP-A-0373294 sposób wytwarzania śrubowych wzmocnionych włóknem szklanym elementów mocujących, w którym okrągły półwyrób z tworzyw termoplastycznych wzmocnionych włóknami wkłada się do formy negatywowej, ogrzewa w niej, a następnie ściska się formę pod ciśnieniem, tak że półfabrykat dopasowuje

179 087 się do niej i zostaje uformowana główka i odpowiedni gwint. Sposób jest stosowany do otrzymywania elementów o niewielkim stopniu odkształcania, ponieważ występuje tylko częściowa zmiana kształtu półwyrobu. W wytworzonym elemencie włókna tylko w brzegowym obszarze zmieniają swój kierunek wzdłuż formy negatywowej. Nie jest możliwe wytwarzanie elementów o skomplikowanych kształtach geometrycznych mających np. krzywizny. Wpływ osiowej orientacji przy tym znanym sposobie występuje tylko przy zewnętrznej krawędzi i tylko na tyle, że włókna przylegają promieniowo do formy negatywowej. W przypadku tego znanego sposobu nie ma zatem możliwości dostosowania sztywności, wytrzymałości na skręcanie ani innych właściwości mechanicznych elementów wytworzonych tym sposobem.

Elementy konstrukcyjne z termoplastów wzmocnionych włóknami stosowane są najczęściej jako elementy złączne. Za pomocą tych elementów konstrukcyjnych mogą być zastąpione na przykład metalowe śruby. Także w technice medycznej, a więc na przykład przy łączeniu kości, śruby z termoplastów wzmocnionych włóknami nadają się znacznie lepiej, ponieważ są strukturalnie zgodne z kościami, nie występują żadne problemy z odpornością na korozję, może być zmniejszony ich ciężar w stosunku do śrub metalowych, w wyniku czego zwykłe metody badań medycznych nie wywierają ujemnego oddziaływania w przeciwieństwie do stosowania metalu.

Śruby lub nagwintowane pręty z termoplastycznych tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknami były już znane, przy czym półfabrykaty śrub są wykonywane albo przez wytłaczanie albo też metodą wieloskładnikowego wtrysku. W tym znanym wykonaniu (DE-A4016427) jako materiał wyjściowy stosowane są okrągłe, pełne pręty, wykonywane przez wytłaczanie. Dla obszaru rdzeniowego zostaje w wytłaczarce ślimakowej przygotowany termoplastyczny granulat z włókien o długości 5-10 mm, a dla obszaru zewnętrznego jest przygotowywany w drugiej wytłaczarce ślimakowej termoplastyczny granulat z włókien krótkich. Tym samym jest utworzony materiał wyjściowy, na który składa się współosiowy układ z wewnętrznymi włóknami długimi i zewnętrznymi włóknami krótkimi. Włókna długie w wewnętrznym obszarze rdzeniowym są przez proces płynnego wytłaczania skierowane przeważnie osiowo, natomiast włókna krótkie w obszarze zewnętrznym przenoszą siły tnące w zwojach gwintu. Zwoje gwintu są wykonywane przez kolejno następujące formowanie na zimno, na przykład za pomocą głowic lub maszyn do walcowania gwintów. Tego rodzaju formowanie na zimno stało się możliwe w wyniku zastosowania włókien krótkich, jednak wskutek rozmieszczenia tych krótkich włókien uzyskuje się w obszarze gwintu zmniejszone wskaźniki wytrzymałościowe.

W sposobie według opisu DE-T2-68919466 półfabrykat wkłada się do podzielnej formy i w niej kształtuje metodą prasowania. Zimny półfabrykat wkłada się do formy, po czym zostaje nagrzany, prasowany i ochłodzony. Stąd też jest tylko możliwe uformowanie elementu w ograniczonym wymiarze i jakikolwiek wpływ na ukierunkowanie jego włókien jest praktycznie niemożliwy, jak również nie jest możliwe wstępne ustalenie tego ukierunkowania.

Celem niniejszego wynalazku jest więc opracowanie sposobu wytwarzania elementu konstrukcyjnego z termoplastów wzmocnionych włóknami, przy pomocy którego to sposobu możliwe jest optymalne dopasowanie elementu konstrukcyjnego do celu zastosowania. Dalszym celem wynalazku jest wykonanie zgodnie z tym sposobem elementu konstrukcyjnego, który ma wymaganą, zadaną wytrzymałość na zginanie i rozciąganie.

Sposób wytwarzania elementów konstrukcyjnych takich jak śruba i element montażowy z termoplastów wzmocnionych włóknami, w którym przygotowuje się półfabrykat wykonany z krótkich, długich, lub ciągłych włókien i termoplastów, albo półfabrykat z zawartością włókien większą niż 50% objętościowo oraz co najmniej z przeważającą zawartością włókien ciągłych i termoplastów, po czym ten półfabrykat doprowadza się do formy, w której kształtuje się go na gorąco prasując do ostatecznej postaci, charakteryzuje się tym, że półfabrykat z tworzywa termoplastycznego wzmocnionego włóknami ciągłymi ogrzewa się do temperatury jego uplastycznienia w stopniu podgrzewania formy, a następnie, w prasowaniu tłocznym, wtłacza się go stemplem do negatywowej formy, w której ukierunkowuje się i orientuje włókna w całej masie utworzonego elementu konstrukcyjnego.

179 087

Jako półfabrykat korzystnie stosuje się materiał prętowy pocięty na odcinki o długości, koniecznej dla uformowania końcowej postaci elementu konstrukcyjnego.

Stosuje się włókna ciągłe o długości, która korzystnie odpowiada co najmniej długości półfabrykatu dla końcowej postaci elementu konstrukcyjnego.

Jako półfabrykat korzystnie stosuje się materiał mający uformowane warstwy o różnym ukierunkowaniu włókien rozłożonych w jego kierunku wzdłużnym.

Stosuje się półfabrykat korzystnie uformowany na gorąco z więcej niż jednego polimeru, korzystnie z wielu warstw z różnego tworzywa macierzystego o różnym składzie lub różnym procentowym udziale objętościowym lub różnym materiale włókien lub różnej długości włókien. Półfabrykat formuje się do końcowej postaci elementu konstrukcyjnego korzystnie w przeciwbieżnym prasowaniu tłocznym.

W procesie prasowania tłocznego lub przeciwbieżnego prasowania tłocznego, półfabrykat ogrzewa się w stopniu ogrzewania do temperatury uplastycznienia, korzystnie w granicach 350 450°C i następnie, poprzez nacisk stemplem, tłoczy się go pod ciśnieniem do negatywowej formy, przy czym podczas dociskania chłodzi się formę do temperatury poniżej temperatury zeszklenia termoplastu, korzystnie około 143°C.

W prasowaniu tłocznym lub w przeciwbieżnym prasowaniu tłocznym elementu konstrukcyjnego jako środek rozdzielający korzystnie stosuje się węgiel albo grafit.

Stosuje się półfabrykat wykonany korzystnie z PAEK - poliaryloeteroketonu wzmocnionego włóknami węglowymi, przy czym stosuje się półfabrykat mający korzystnie, co najmniej część włókien ciągłych umieszczonych równolegle, osiowo lub ukierunkowanych pod kątem od 0 do 90°.

Stosuje się włókna ciągłe korzystnie o długości większej, niż 3 mm.

Podczas prasowania tłocznego włókna korzystnie otacza się i zakrywa powierzchniowo materiałem macierzystym.

Ułożenie włókien w elemencie konstrukcyjnym ukierunkowuje się, korzystnie, zmieniając temperaturę prasowania tłocznego i szybkość prasowania tłocznego, a formę z prasowanym tłocznie elementem konstrukcyjnym chłodzi się do temperatury zeszklenia jego powierzchni. Podczas formowania śruby korzystnie kształtuje się nieprzelotowy lub przelotowy otwór dla klucza.

Element konstrukcyjny według wynalazku z termoplastów wzmocnionych włóknami otrzymany poprzez prasowanie tłoczne półfabrykatu w negatywowej formie, charakteryzuje się tym, że ma kształt śruby, albo płytkowego lub taśmowego elementu montażowego, w których włókna ciągłe są w obszarze przypowierzchniowym rozłożone w przybliżeniu równolegle do ich środkowej osi, a w oddalonym od obszaru przypowierzchniowego rdzenia włókna mają powiększające się ukierunkowania pod różnymi kątami względem osi.

Śruba począwszy od główki aż do zwojów gwintu, korzystnie ma włókna ciągłe rozłożone w obszarze przypowierzchniowym w przybliżeniu równolegle do jej środkowej osi, przy czym w obszarze gwintu śruby włókna ciągłe są rozłożone równolegle do powierzchni zwojów gwintu, a w oddalonym od obszaru przypowierzchniowego rdzenia skóry włókna mają powiększające się dowolne ukierunkowania.

Główka śruby, korzystnie, ma co najmniej jeden otwór nieprzelotowy lub otwór przelotowy mieszczący narzędzie obracające lub element mocujący. Śruba, korzystnie, ma kształt śruby Corticalis lub Spongiosa lub innego łączącego elementu medycznego.

Płytkowy lub taśmowy element montażowy, korzystnie, ma kształt płytki lub taśmy z jednym lub wieloma przelotowymi otworami lub odcinkami wystającymi ze wzdłużnych lub bocznych obrzeży, w której ciągłe włókna są bardzo gęsto rozłożone w osłabionych strefach, to jest w obszarze przelotowego otworu lub wystających odcinków, które mają taką samą wytrzymałość jak inne obszary.

Element konstrukcyjny, korzystnie, ma kształt płytki do chirurgii kostnej, na przykład do osadzenia śruby typu Corticalis lub Spongiosa.

Podczas prasowania tłocznego półfabrykatu do formy rozmieszczone w całym jego przekroju włókna zostają w formie ukierunkowane oraz zorientowane i rozdzielone. Orientacja włókien i ich rozdzielenie, a tym samym własności mechaniczne elementu konstrukcyjne

179 087 go, wykonanego tym sposobem, mogą posiadać specjalną charakterystykę, która zależy od parametrów procesu wytwarzania. Za pomocą płynnego wytłaczania może być dodatkowo sterowana orientacja włókien, tak że również wzdłuż długości odpowiedniego elementu konstrukcyjnego osiągalne są różne wskaźniki wytrzymałościowe.

W sposobie według wynalazku, w którym zastosowano materiał mający więcej, niż 50% objętościowych włókien ciągłych, półfabrykat najpierw w strefie nagrzewania ogrzewa się do temperatury uplastycznienia i następnie przez prasowanie tłoczne wypełnia się nim negatywową formę. Stwierdzono, że przy stosowaniu dużej gęstości włókien ciągłych sztywność i wytrzymałość wytworzonego elementu konstrukcyjnego daje się w pełni docelowo sterować. Zwłaszcza w przypadku skomplikowanych kształtów elementów konstrukcyjnych, ich korzystne parametry wytrzymałościowe można uzyskać poprzez odpowiednie ukierunkowanie włókien w ustalonym obszarze i optymalną gęstość tych włókien.

Według wynalazku półfabrykat może być również przygotowany w postaci prętów, które przed procesem formowania na gorąco są przycinane dla określonego elementu konstrukcyjnego na odpowiednie długości. Tego typu kawałki materiału formuje się na gorąco w podobny sposób jak w procesie prasowania tłocznego elementów metalowych.

Półfabrykat korzystnie może być uformowany z warstw o różnej orientacji włókien, które to warstwy przebiegają w jego kierunku wzdłużnym. Dzięki sposobowi według wynalazku otrzymywane elementy konstrukcyjne mają nowe zakresy zastosowania, ponieważ można wstępnie ustalać ich wytrzymałości i sztywności.

Półfabrykat może być formowany z więcej niż jednego związku polimerów, na przykład z wielu warstw różnych tworzyw z włókien dwuskładnikowych niejednorodnych i w różnym układzie lub o różnym procentowym udziale objętościowym lub z włókien o różnej długości i z różnego materiału. Może być także korzystne, jeżeli półfabrykat zostanie uformowany do ostatecznej postaci elementu konstrukcyjnego w procesie przeciwbieżnego prasowania tłocznego. Półfabrykat zostaje uformowany w odpowiedniej formie do prasowania tłocznego, przy czym stosowany jest tak zwany proces redukujący według DIN 8583. W procesie przeciwbieżnego prasowania tłocznego półfabrykat zostaje po wielu ruchach tam- i z powrotem uformowany w negatywowej formie do ostatecznej postaci elementu konstrukcyjnego. Nawet przy wytwarzaniu elementów konstrukcyjnych w postaci listew lub płytek proces ten okazuje się szczególnie korzystny.

W odróżnieniu od prasowania elementów metalowych, półfabrykat zostaje w strefie nagrzewania ogrzany do temperatury formowania przykładowo 350 - 450°C i następnie wtłoczony do negatywowej formy, przy czym podczas fazy dogniatania następuje ochłodzenie poniżej temperatury zeszklenia termoplastu, na przykład 143°C. Dla przeróbki termoplastów wzmocnionych włóknami, znany proces prasowania elementów metalowych zostaje tak dalece zmieniony, że półfabrykat nie jest kształtowany w temperaturze otoczenia, lecz powyżej temperatury topnienia lub mięknienia tworzywa macierzystego.

Korzystne w procesie formowania na gorąco jako środek oddzielający stosowany jest węgiel lub grafit, który przy kształtowaniu termoplastów nie był dotychczas stosowany. Wynika stąd dodatkowa szczególna korzyść polegająca na tym, że grafit w przeciwieństwie do zwykłych powłok lub środków oddzielających stosowanych w przetwórstwie tworzyw sztucznych, jest nieszkodliwy biologicznie, dzięki czemu te elementy konstrukcyjne nadają się do stosowania w medycynie. Według wynalazku przewidziane jest, że półfabrykat jest wytwarzany z PAEK (poliaryloeteroketon), który jest wzmocniony włóknami węglowymi. Wytrzymałość na rozciąganie wykonanego z tego materiału elementu konstrukcyjnego jest średnio tylko o 30% mniejsza, niż wytrzymałość na rozciąganie porównywalnego elementu konstrukcyjnego ze stali. Dla zakresu stosowania takich elementów konstrukcyjnych z termoplastów wzmocnionych włóknami jest to wytrzymałość aż nadto wystarczająca, ponieważ zawsze należy brać pod uwagę, z jakim materiałem taki element konstrukcyjny ma współpracować. Przy stosowaniu w technice medycznej, a więc na przykład przy łączeniu śrubami kości lub przy elementach konstrukcyjnych w postaci płytek lub szyn odpowiednio wysoka siła łamiąca jest zupełnie wystarczająca, ponieważ takie elementy konstrukcyjne posiadają już w przybliżeniu trzykrotnie większą wytrzymałość na złamanie, aniżeli kości.

179 087

W sposobie według niniejszego wynalazku jest przewidziane, że co najmniej część włókien jest usytuowana równolegle do osi prefabrykatu. Możliwe jest jednak także, że co najmniej część włókien ukierunkowana jest pod kątem 0 do 90°. Przede wszystkim przy wytwarzaniu długich elementów konstrukcyjnych, na przykład w kształcie śruby lub pasmowego elementu montażowego, uzyskuje się dzięki temu szczególne możliwości uzyskania odpowiednich obszarów wytrzymałościowych. Moduł sprężystości podłużnych śrub, które zostały wykonane z prefabrykatów z osiowo i równolegle ukierunkowanymi włóknami, jest odpowiednio wyższy i takie śruby są sztywniejsze. Okazało się, że w wyniku zastosowania procesu prasowania tłocznego możliwa jest zmiana ukierunkowania włókien w stosunku do ich ukierunkowania w półfabrykacie, tak że przez odpowiednie ukierunkowanie włókien w półfabrykacie możliwe jest uzyskanie jego odpowiednich parametrów wytrzymałościowych.

Zgodnie ze sposobem według niniejszego wynalazku mogą być zastosowane włókna, które posiadają długość większą niż 3 mm. We wszystkich znanych termoplastach wzmocnionych włóknami, przeznaczonych do wytwarzania odpowiednich elementów konstrukcyjnych są z reguły stosowane włókna krótkie lub włókna długie. Stosowanie włókien ciągłych z wysokim udziałem czyli więcej, niż 50% objętościowo, stwarza w procesie formowania na gorąco optymalną możliwość odpowiedniego sterowania właściwości wytrzymałościowych w każdym miejscu wytwarzanego elementu konstrukcyjnego tak, że uzyskuje się lokalnie zamierzone docelowo sztywności.

Podczas prasowania tłocznego włókna są pokryte powierzchniowo i otoczone materiałem macierzystym, dzięki czemu w elementach konstrukcyjnych wykonanych na gotowo w procesie formowania na gorąco, nie jest potrzebna żadna obróbka wykańczająca, ponieważ praktycznie cała powierzchnia zostaje utrwalona.

Według wynalazku jest także możliwe, że elementy konstrukcyjne podczas kształtowania na gorąco mają dodatkowo utwardzoną powierzchnię. W wyniku oddziaływania ciepła w narzędziu formującym lub odpowiednich dodatkowych środków, na przykład powłok łub środków oddzielających, może być uzyskane dodatkowe utwardzenie powierzchni gotowego elementu konstrukcyjnego.

Element konstrukcyjny wytworzony sposobem według niniejszego wynalazku zależnie od wymagań i zastosowania ma wstępnie ustalony przebieg włókien dla utworzenia obszarów z miejscowymi, uprzednio ustalonymi parametrami sztywności i wytrzymałości. Najwyższe wytrzymałości na rozciąganie zostają osiągnięte przykładowo w elementach konstrukcyjnych, które są wytwarzane z dużą prędkością formowania i przy wysokich temperaturach półfabrykatów. Najwyższe wytrzymałości na skręcanie natomiast zostają osiągnięte, jeżeli są stosowane niskie temperatury formowania i małe prędkości formowania. A więc w procesie wytwarzania elementów konstrukcyjnych z termoplastów wzmocnionych włóknami zostają stworzone możliwości dostosowania elementu konstrukcyjnego do specjalnych celów, przy czym jest możliwe, aby cykl roboczy zestawić na przykład z dwóch lub więcej niż dwóch stopni o różnej szybkości formowania.

W celu dopasowania parametrów wytrzymałościowych elementu konstrukcyjnego można wcześniej ustalić przebieg włókien w odniesieniu do kierunku wzdłużnego, średnicy i kształtu elementu konstnikcyjnego, przy czym w załamaniach, zagłębieniach, zatokach lub podobnych w elemencie konstrukcyjnym mogą być wstępnie ustalone obszary o różnym ukierunkowaniu względnie różnym przebiegu włókien. Taki element konstrukcyjny może być zastosowany do specjalnych celów. Ma to znaczenie szczególne dla techniki medycznej, na przykład przy łączeniu śrubami kości lub przy medycznych elementach montażowych i taśmach mocujących lub tym podobnych. Ma to znaczenie również w innych zastosowaniach, jak budowa maszyn, elektrotechnika względnie elektronika lub też technika budowlana.

Także w chirurgii kostnej, jest możliwe dopasowanie zastosowanego elementu konstrukcyjnego do naturalnej struktury kości, tak że może być utworzony lekki, niemagnetyczny, przezroczysty rentgenologicznie i odpowiedni biologicznie element łączący. W przeciwieństwie do większości zwykłych śrub metalowych może być wykonany, w wyniku dopasowania struktury i przebiegu włókien, prawdziwie skuteczny element konstrukcyjny.

179 087

Jak opisano powyżej, śruba według wynalazku ma włókna ukierunkowane w obszarze przypowierzchniowym od zakończenia uchwytowego do przylegających zwojów gwintu, co najmniej w przybliżeniu równolegle do środkowej osi elementu konstrukcyjnego, natomiast wzdłuż gwintowanego odcinka włókna są ułożone równolegle w pobliżu powierzchni zarysu gwintu w kierunku osi elementu konstrukcyjnego, przy czym jednak w obszarze rdzeniowym tego odcinka, włókna mają powiększające się dowolne rozdzielenie ukierunkowania. Stąd też odcinek gwintowany wykonanej śruby umieszczony w wewnętrznym obszarze kości ma większą wytrzymałość na zginanie i mniejszą wytrzymałość na rozciąganie, ponieważ w tym obszarze nie mogąbyć przejmowane żadne siły rozciągające.

Dlatego też w takim elemencie konstrukcyjnym według wynalazku jest korzystne, gdy sztywność elementu konstrukcyjnego w wyniku różnego ukierunkowania włókien zmniejsza się stopniowo lub w sposób ciągły, patrząc od zakończenia uchwytowego w kierunku swobodnego końca. Dzięki temu poprzez odpowiednie ukierunkowanie włókien, które według wynalazku mogą być różnie rozłożone zależnie od temperatury i szybkości formowania, uzyskuje się dokładne dostosowanie wytrzymałości elementu konstrukcyjnego do jego zakresu stosowania.

Element konstrukcyjny, korzystnie, ma co najmniej jeden nieprzelotowy lub przelotowy otwór do osadzenia narzędzia obracającego, dzięki czemu jest możliwe przyłożenie odpowiednich sił skręcających przy jego wkręcaniu, a zwłaszcza elementu w postaci śruby w razie ewentualnej konieczności jej wykręcenia. Szczególny zakres stosowania elementu konstrukcyjnego uzyskuje się wtedy, gdy element konstrukcyjny jest wykonany jako śruba w rodzaju Corticalis lub Spongiosa o odpowiedniej strukturze do celów medycznych.

W dalszych przykładach wykonania elementu konstrukcyjnego ma on postać płytkowego lub taśmowego elementu montażowego z jednym lub wieloma otworami przelotowymi lub odcinkami, wystającymi poza wzdłużne lub boczne obrzeża, przy czym sztywność i wytrzymałość są wyznaczone z góry. Tym samym więc przy pomocy sposobu według wynalazku można wytwarzać każdy rodzaj elementu konstrukcyjnego o specjalnym ukształtowaniu, który może mieć wyznaczoną z góry odpowiednią wytrzymałość i sztywność poprzez odpowiednie ukierunkowanie i gęstość włókien.

Element konstrukcyjny wykonany jako element montażowy w wyniku bardziej gęstego układu włókien w obszarze przelotowych otworów lub wystających odcinków posiada w tych przeważnie osłabionych strefach taką samą wytrzymałość i sztywność jak w innych obszarach elementu konstrukcyjnego. Każdy element konstrukcyjny może być więc tak wykonany, że nie posiada on żadnych osłabionych stref, tak że we wszystkich odcinkach ma jednakową wytrzymałość i sztywność.

Zmodyfikowany proces prasowania tłocznego, który jest znany z obróbki metali, może być stosowany, do wytwarzania śruby typu Corticalis (na przykład o średnicy 3 mm) z PAEK (poliaryloeteroketon), wzmocnionego włóknami węglowymi, albo z PEEK (poli-etero-eteroketon) wzmocnionego włóknami węglowymi. Rozdzielenie włókien i właściwości mechaniczne są każdorazowo określane przy parametrach procesu wytwarzania.

Obciążenie zrywające śrub wytworzonych w procesie prasowania tłocznego wynosi w zakresie pomiędzy 3000 i 4000 N, maksymalny moment skręcający pomiędzy 1 i 1,5 Nm, przy czym maksymalny kąt skręcenia według normy Międzynarodowej Organizacji Normalizacyjnej ISO 6475 wynosi 370°. Śruby posiadają moduł sprężystości wzdłużnej zmniejszający się od głowicy do ostrza i są określane jako jednorodne elastycznie w odniesieniu do kości.

Natura stosuje w swych strukturach bardzo często zasadę wzmocnienia włókien. Dlatego też z powodów strukturalnych jest korzystne ukształtowanie medycznych implantów jako włóknistych elementów, przy czym zwłaszcza w zakresie syntetycznej techniki kostnej konieczne są nowe rozwiązania, aby zastąpić konwencjonalne stalowe płytki przez mniej sztywne implanty z tworzyw włóknistych. Dlatego też w porównaniu ze znanymi płytkami techniki kostnej, płytki wykonane według wynalazku mają korzystne właściwości. Implanty według wynalazku posiadają w stosunku do konwencjonalnych implantów stalowych wiele zalet. Po pierwsze uzyskana jest jednorodna elastyczność kostna i dlatego możliwe jest przenoszenie obciążenia do kości, a po drugie możliwa przejrzystość rentgenologiczna i tomografia szpiku

179 087 rdzeniowego względnie układu kostnego. Następnie dzięki środkom według wynalazku uzyskuje się korzystne koszty wytwarzania za pomocą formowania na gorąco. Dodatkową korzyścią jest fakt, że wykonane tego rodzaju elementy konstrukcyjne nie stwarzają problemu przy alergiach niklowych.

Przy pracach badawczych w tym zakresie stwierdzono, że dopiero po zastosowaniu śrub kostnych z termoplastów wzmocnionych włóknami wytworzonymi sposobem według wynalazku może być utworzony wariant optymalny elementów łączących i implantów. Bazując na procesie prasowania tłocznego, śruby kostne zostały wykonane z PAEK (poliaryloeteroketon) wzmocnionego włóknami węglowymi i odpowiednio ocechowane.

Wynalazek obejmuje także inne elementy konstrukcyjne, które składają się z termoplastów wzmocnionych włóknami i wytworzone są sposobem według niniejszego wynalazku. Stosowanie takich elementów konstrukcyjnych nie ogranicza się tylko do techniki medycznej. Możliwe jest stosowanie tych elementów konstrukcyjnych do innych celów, na przykład w budowie maszyn, w elektrotechnice, w podróżach kosmicznych a także w budownictwie lądowym naziemnym albo podziemnym lub podobnym. Elementy konstrukcyjne nie muszą być także wytwarzane koniecznie jako elementy łączące (śruby), lecz mogą być stosowane jako elementy o zupełnie innych kształtach konstrukcyjnych, jak na przykład szyny lub płyty. Tak więc elementy konstrukcyjne z termoplastów wzmocnionych włóknami, które z reguły nie są śrubami samoczynnie nawiercającymi, można wyposażyć w odpowiedni element nawiercający, który w danym przypadku wykonany jest z materiału sprzyjającego biologicznie, przy czym jednak po zakończeniu procesu wiercenia daje się łatwo wyjmować. W pewnych warunkach takie wyjmowanie w różnych zakresach stosowania jest zupełnie niepotrzebne. Według wynalazku można przerabiać termoplasty wzmocnione włóknami, które zawierają tylko włókna krótkie i włókna długie lub kombinację włókien krótkich i długich lub włókien ciągłych. Sposób według wynalazku można korzystnie zastosować w przypadku zawartości włókien w półfabrykacie poniżej 50% objętościowo.

Poprzez dobór termoplastów wypełnionych włóknami węglowymi możliwe jest wykonanie lekkiego elementu łączącego, przejrzystego rentgenologicznie i biologicznie przyjaznego. Szczególną zaletą takiej śruby jest to, że sztywności i gradienty sztywności są lepiej dopasowane do naturalnej struktury kości, aniżeli w zwykłych śrubach metalowych. Przez odpowiednią strukturę włókien zapewniony zostaje lepszy rozdział sił, to znaczy nie tylko pierwsze trzy zwoje gwintu są zwojami nośnymi. Dalej element łączący nie utrudnia zwykłych medycznych metod badawczych, ponieważ jest on niemagnetyczny i przejrzysty dla promieni Róntgena. Jest to szczególną wadą zwykłych implantów metalowych, w tym także elementów łączących. Mogą one uczynić bezwartościowymi nowoczesne metody badań diagnostycznych, jak na przykład tomografię komputerową lub tomografię szpiku rdzeniowego względnie układu kostnego.

Dzięki własnościom elementu łączącego, rozluźnienia połączenia można oczekiwać dopiero po dłuższym czasie. Przy wykonaniu elementu łączącego jako śruby typu Corticalis, śruba ta daje się po przekręceniu znowu wykręcić z pozostałą wytrzymałością szczątkową.

Jak już wspomniano, element łączący można zastosować powszechnie w budowie maszyn w atmosferze korodującej a zwłaszcza tam, gdzie wymagane są wysokie wytrzymałości przy zmniejszonym ciężarze. Także tutaj wprowadzanie siły poprzez więcej niż trzy zwoje gwintu jest wystarczające.

Norma ISO (Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna) 6475 określa wymagania dla śrub stalowych minimalnego obrotowego momentu zrywającego 4,4 Nm i kąta skręcającego co najmniej 180°. Takich wartości nie mogą zapewnić śruby z termoplastów wzmocnionych włóknami (maksymalnie 1,3 Nm). Próby jednak wykazały, że przekręcenie a tym samym zniszczenie śruby przy wkręcaniu w kość jest wykluczone^ ponieważ gwint zostałby zniszczony w kości już przy momencie obrotowym ok. 0,8 Nm. Śruba typu Corticalis mająca moduł sprężystości podłużnej pomiędzy 5 i 23 GPa jest w swoim sprężystym zachowaniu podobna do kości. Sztywność w kierunku wzdłużnym do ostrza śruby wyraźnie się obniża (opadający gradient sztywności). W stanie wkręconym sztywna część śruby (obszar główki) leży więc blisko elementu Corticalis i tym samym w najsztywniejszym miejscu obra10

179 087 bianej kości. Przy takim rozdzieleniu sztywności może być osiągnięte daleko idące wprowadzenie względnie rozłożenie sił w obrabianej kości. Rozwiązanie według wynalazku po raz pierwszy stwarza możliwość formowania na gorąco elementów konstrukcyjnych z termoplastów wzmocnionych włóknami, które mogą mieć specjalnie wykonany gwint, główkę, uformowany odpowiedni kształt itp., a także uzyskana została możliwość dokładnego ukierunkowania włókien oraz utworzenia włókien konstrukcji zgodnej z zakresem stosowania.

Dalsze cechy wynalazku i jego szczególne zalety zostaną bliżej objaśnione w przykładzie wykonania pokazanym na rysunku na którym fig. 1 przedstawia odcinek prętowego półfabrykatu, częściowo w przekroju w którym włókna ciągłe są ukierunkowane pod kątem 0°, fig. 2 - element konstrukcyjny w postaci śruby, przy czym zaznaczony jest schematycznie obraz rozdzielenia ukierunkowania włókien w śrubie, fig. 3 - wykres przebiegu sztywności w odniesieniu do długości elementu konstrukcyjnego, przewidzianego jako element łączący, fig. 4 - szkic urządzenia do prasowania tłocznego ze strefami temperatury do podgrzewania elementu konstrukcyjnego, fig. 5 - urządzenia do prasowania tłocznego w ujęciu schematycznym, fig. 6 - szkic schematyczny wytwarzania elementu konstrukcyjnego sposobem przeciwbieżnego prasowania tłocznego, oraz fig. 7 - widok z góry, na element konstrukcyjny wytworzony sposobem przeciwbieżnego prasowania tłocznego, który jest specjalnie stosowany jako syntetyczna płytka anatomiczna.

Element konstrukcyjny (według fig. 1 do 5) jest elementem łączącym, a zwłaszcza śrubą 1, która przede wszystkim stosowana jest w technice medycznej, a więc na przykład jako śruba w rodzaju Corticalis lub Spongiosa, a element konstrukcyjny (według fig. 6 i 7) jest elementem montażowym 18, zwłaszcza syntetyczną płytką anatomiczną, przeznaczoną do współpracy z wymienionymi wyżej elementami łączącymi.

Przedstawiony na rysunku element łączący śruby 1 składa się zasadniczo z główki 2, otworu 3 stanowiącego uchwyt narzędzia obracającego, oraz trzpienia 5 zaopatrzonego w gwint 4. Jak to zostało uwidocznione na fig. 2, podstawowe znaczenie ma przede wszystkim przebieg włókien ciągłych 6 w śrubie 2. Przez celowe ukierunkowanie lokalne włókien wewnątrz struktury śruby 2, uzyskuje się miejscowe ustalone sztywności. W wyniku tego przy użyciu śruby w rodzaju Corticalis sztywność można dopasować do naturalnej struktury kości. Z główką 2 śruby typu Corticalis, pokazanej na fig. 2, mogą być zespolone różne dalsze elementy, na przykład syntetyczna płytka anatomiczna względnie syntetyczna proteza kostna. W główce śruby 1 uchwyt dla klucza jest na przykład wykonany jako wewnętrzny sześciokąt. Możliwe jest wykonanie innego kształtu uchwytu zewnętrznego lub wewnętrznego, na przykład w postaci otworu czworokątnego, wewnętrznego otworu gwiaździstego lub szczeliny krzyżowej.

Jako półfabrykat do wytwarzania śrub służą wzmocnione włóknami węglowymi okrągłe pręty PAEK (fig. 1), w których zawartość włókien wynosi więcej niż 50%, korzystnie 60%, przy czym odnośnie ukierunkowania włókien stosowane są dwa różne typy półfabrykatów, a więc półfabrykaty z ukierunkowaniem włókien tylko osiowym - równoległym oraz półfabrykaty z ukierunkowaniem włókien pomiędzy 0 a ± 90°.

Jak pokazano na fig. 4 w urządzeniu do prasowania tłocznego 8, półfabrykat 7 zostaje podgrzany do temperatury formowania (na przykład 350 - 450°C) w stopniu ogrzewania 9, przy czym podgrzewanie może być także dokonywane w kolejnym stopniu ogrzewania 10, w którym półfabrykat 7 jest ogrzany do wymaganej temperatury uplastycznienia i następnie zostaje tłocznie wprasowany do negatywowej formy 11. Jak pokazano na fig. 5 półfabrykat 7 zostaje za pomocą tłocznika 12 wprasowany do negatywowej formy 13 w której otrzymuje ostateczny kształt. Szybkość prasowania tłocznego może wynosić 2 do 80 mm/sek. Ciśnienie prasowania tłocznego mierzone przy różnych próbach wynosi 120 MPa. Podczas następującej potem fazy dogniatania ciśnienie wynosi w przybliżeniu 90 MPa. Negatywowa forma zostaje za pomocą sprężonego powietrza ochłodzona do temperatury poniżej temperatury zeszklenia PAEK (143°C). Po otworzeniu negatywowej formy wyjmuje się gotową śrubę typu Corticalis.

Wyprodukowana śruba ma optymalne własności wynikające z wysokiego udziału włókien, zastosowania włókien ciągłych i sposobu jej formowania na gorąco według wynalazku. Jak to zostało pokazane na fig. 2, włókna ukierunkowują się w obszarze główki 2 śruby 1

179 087 przeważnie w kierunku osi śruby. W obszarze powierzchni śruby, włókna są równoległe do osi śruby w strefie jej obrzeża (a więc przebiegu gwintu), podczas gdy w strefie rdzeniowej ma miejsce dowolne ukierunkowanie włókien.

Ukierunkowanie włókien w śrubie 1 według fig. 2 względnie w odpowiednio innym elemencie konstrukcyjnym, przeznaczonym do innych celów, może być odpowiednio dostosowane zależnie od wymagań wytrzymałościowych. Według wynalazku można zależnie od specjalnej dziedziny stosowania uzyskać optymalne ukierunkowanie włókien w wykonanym elemencie. Zwłaszcza przy wysokim udziale włókien, wynoszącym więcej niż 50% objętościowo i przy zastosowaniu włókien ciągłych uzyskuje się szczególnie dobre własności, zwłaszcza elementów łączących w technice medycznej.

Na figurze 2 pokazano patrząc w kierunku osiowym, pokazano tylko krótki otwór 3 dla uchwytu. Możliwe jest wykonanie odpowiednio głębszego otworu nieprzelotowego lub także osiowego otworu przelotowego w celu osadzenia odpowiedniego narzędzia obracającego. W wyniku tego można zastosować wyższy moment wkręcania, ponieważ odpowiednie narzędzie może być osadzone w odpowiednio długim kanale wtykowym. Ponieważ wytwarzanie takiej śruby następuje zgodnie z procesem prasowania tłocznego według niniejszego wynalazku, wspomniane dodatkowe ukształtowanie nie nastręcza problemów.

Średnia wytrzymałość na rozciąganie śrub typu Corticalis wynosi około 460 N/mm². Najwyższe wytrzymałości na rozciąganie uzyskuje się w śrubach, które są wytwarzane przy dużych szybkościach formowania (mniej więcej 80 mm/sek) i wysokich temperaturach półfabrykatu (ok. 400°C). Wytrzymałość na skręcanie śrub, które zostały wykonane z osiowo - równoległym ukierunkowaniem włókien, jest przeciętnie 18% wyższa, niż w śrubach z półwyrobów o ukierunkowaniu włókien 0° -/± 45°. Wartości maksymalne zostały zmierzone w śrubach, które zostały wykonane w stosunkowo niskich temperaturach (380°C) i niskich prędkościach formowania (2 mm/sek). Moduł sprężystości podłużnej w kierunku osi śruby nie jest stały, lecz zmniejsza się silnie w kierunku ostrza. Moduły sprężystości zmieniają się pomiędzy 5 i 23 GPa, przy czym śruby, które zostały wykonane z półfabrykatów o kierunkowości włókien 0°, są sztywniejsze. Jest to także jednoznacznie uwidocznione na schematycznym wykresie pokazanym na fig. 3. Przedstawiona za pomocą linii wykresu sztywność zwiększa się w kierunku główki śruby, przy czym w określonym obszarze, patrząc wzdłuż nagwintowanego odcinka 5, linia ta ma przegięcie. W tej strefie, jak to zostało przedstawione na fig. 2, kończy się osiowo - równoległe ukierunkowanie włókien, przewidziane w obszarze rdzeniowym.

W przykładzie wykonania śruby typu Corticalis pokazane zostało, że przez prasowanie tłoczne na gorąco termoplastów wzmocnionych długimi włóknami mogą być także wykonywane elementy konstrukcyjne o skomplikowanej geometrii. Rozdzielenie ukierunkowania włókien jako wielkość określająca właściwości mechaniczne można sterować w określonych granicach w półfabrykacie przez odpowiedni wybór ukierunkowania włókien. Wytrzymałość na rozciąganie prasowanych tłocznie śrub wzmocnionych włóknami PAEK wynosi przeciętnie mniej więcej około 30% poniżej takich samych porównywalnych wartości śrub stalowych. Przeciętna siła ziywająca 3200 N jest wystarczająca do stosowania syntetycznej protetyki kostnej, ponieważ odpowiednia śruba już przy użyciu siły rozciągającej 800 - 1300 N może być wyciągnięta z kości.

Na figurze 6 pokazano proces przeciwbieżnego prasowania tłocznego, który stosuje się w szczególności przy wytwarzaniu elementów płytkowych lub pasmowych, a także śrubowych lub innych elementów łączących oraz elementów o szczególnych kształtach lub też specjalnie ukształtowanych sworzni itp. W wielokrotnym prasowaniu tłocznym tam i z powrotem, a więc przez jednokrotne lub wielokrotne odwracanie kierunku prasowania tłocznego wykonanego z określoną szybkością i w odpowiedniej temperaturze uzyskuje się pożądane ukierunkowanie i rozdzielenie włókien. Proces przeciwbieżnego prasowania tłocznego może mieć szczególne znaczenie wtedy, jeżeli w danym elemencie przewidziane są otwory nieprzelotowe, otwory przelotowe, zagłębienia względnie zatoki lub szczególne ukształtowania. Wtedy może mieć wpływ specjalny przebieg włókien, a tym samym wytwarzany element konstrukcyjny może być wykonany jako specjalnie wzmocniony w tym obszarze, w którym takie specjalne wzmocnienie jest konieczne.

179 087

Jako powłoka rozdzielająca przy stosowaniu sposobu według niniejszego wynalazku stosowany jest węgiel lub grafit. Takie powłoki względnie środki oddzielające są dotychczas wykorzystywane praktycznie tylko podczas ciągnienia metali i nie są stosowane w przetwórstwie tworzyw sztucznych. Stąd też wynikają dodatkowe korzyści, ponieważ grafit w przeciwieństwie do zwykłych środków rozdzielających dla tworzyw sztucznych jest przyjazny biologicznie. W szynach lub płytach mogą również być wykonywane otwory przelotowe, wgłębienia, otwory nieprzelotowe, które wtedy w sposób specjalny otoczone są włóknami.

W pokazanym schematycznie na fig. 6 procesie przeciwbieżnego prasowania tłocznego są następujące po sobie kolejne fazy I do IV. W fazie I półfabrykat 7 zostaje umieszczony w stopniu nagrzewania (odcinek 9, 10) i tam ogrzany do temperatury formowania. W stopniu II półfabrykat zostaje zgodnie z kierunkiem strzałki 16 wtłoczony do negatywowej formy 13. W stopniu III raz już uformowany półfabrykat 7 zostaje wyciśnięty z powrotem w odwrotnym kierunku (kierunek strzałki 17). W stopniu IV- dwa- lub więcej razy formowany półfabrykat zostaje wprasowany tłocznie do postaci gotowego elementu konstrukcyjnego, ochłodzony i wyjęty z formy.

Za pomocą sworzni 15, które są osadzone w negatywowej formie 13 lub przechodzą przez nią, mogą być wytwarzane elementy konstrukcyjne z przelotowymi otworami 14, przy czym w procesie przeciwbieżnego prasowania tłocznego półfabrykat jest przetłaczany obok tych sworzni 15. Dzięki temu uzyskuje się specyficzny przebieg włókien 6, które w obszarach krawędzi otworów zostają zagęszczone, jak to zostało uwidocznione na fig. 7. Takie same lub podobne oddziaływanie powstaje także wtedy, gdy na wzdłużnych lub bocznych obrzeżach elementu konstrukcyjnego wykonanego jako element montażowy 18, osadzone są wystające odcinki. W osłabionych przeważnie strefach A ma miejsce bardziej gęsty układ włókien 6 tak, że strefy te posiadają taką samą wytrzymałość i sztywność, jak inne obszary B takiego elementu konstrukcyjnego.

Ten sposób wykonania jest w szczególności odpowiedni dla elementów konstrukcyjnych takich jak syntetyczne płytki dla chirurgii kostnej, które można użyć na przykład do współpracy ze śrubą według wynalazku. Równocześnie płytki mają zalety zgodności biologicznej, przy czym ich wytrzymałość i sztywność w żadnym wypadku nie jest gorsza od stosowanych płytek z nierdzewnej stali.

Przy przeciwbieżnym prasowaniu tłocznym jest możliwe stosowanie różnych dodatkowych parametrów, za pomocą których uzyskuje się odpowiednie rozłożenie włókien a tym samym dopasowanie wytrzymałości i sztywności do kształtu elementu konstrukcyjnego. Można nastawiać odpowiednią liczbę taktów względnie przeciwtaktów, czas trwania taktu, szybkość taktu, ciśnienie i przeciwciśnienie. Stopnie II i ΙΠ mogą być dowolnie powtórzone, przy czym przy każdym takcie względnie przeciwtakcie czas trwania tego taktu może być ustalony na nowo. Centrowanie elementu konstrukcyjnego w stopniu IV nie jest konieczne. Wszystkie parametry w stopniach Π do IV mogą być dowolnie dobierane. Włókna ciągłe w takim procesie nie są zbytnio naprężone, tak że nie łamią się one wielokrotnie. Przejście z miejsc o silnie ukierunkowanych włóknach i miejsc z jednorodnym podziałem włókien jest ciągłe.

Sposób według wynalazku pozwala, w przeciwieństwie do znanej techniki laminowania, na wytwarzanie również elementów konstrukcyjnych nie tylko z blachy. Możliwe jest wytworzenie kształtów geometrycznych, które były produkowane tylko w procesie formowania wtryskowego. Zgodnie z wynalazkiem osiągane zostają przy tym znacznie wyższe wytrzymałości wytworzonych elementów. Możliwe jest wykonywanie elementów konstrukcyjnych z otworami, podcięciami lub podobnymi. Jest także możliwe zoptymalizowanie ukierunkowania włókien w ten sposób, że ich pojemność, na przykład w odniesieniu do właściwości mechanicznych, może być w pełni wykorzystana. Sposób według wynalazku pozwala na przeróbkę warstwową, która wpływa korzystnie na wzmocnienie włókien ciągłych. W elemencie konstrukcyjnym znajdują się obok siebie miejsca o własnościach izotropowych i anizotropowych, pomiędzy którymi nie ma powierzchni granicznej. Ponieważ powierzchnie graniczne względnie miejsca szwów lub spoin są także miejscami osłabionymi, w wyniku zastosowania wynalazku zostaje zmniejszona podatność elementu konstrukcyjnego na zmęczenie. W procesie przeciwbieżnego prasowania tłocznego według niniejszego wyna

179 087 lazku możliwe są jeszcze dalsze odmiany. Tak więc przebieg taktu może być przeprowadzony nie tylko w jednym kierunku, lecz także przy zastosowaniu dwóch lub trzech osi głównych. Następnie jest możliwe, aby pokazane na fig. 6 kołki wprowadzić dopiero po homogenizacji półfabrykatu, a więc po jednym lub wielu stopniach Π lub ΠΙ. Możliwym jest także, aby homogenizowany półfabrykat był już jedno- lub wielokrotnie formowany na stanowisku wstępnym.

W ramach wynalazku można zastosować półwyroby, które składają się z warstw, przebiegających w ich kierunku wzdłużnym i posiadających różne ukierunkowanie włókien. Można również stosować półfabrykat (także z materiału prętowego o dowolnym przekroju) składający się z więcej niż jednego związku polimerów. W takim przypadku półfabrykat może składać się z wielu warstw z różnego tworzywa macierzystego o różnym układzie lub różnym procentowym udziale objętościowym lub różnym materiale włókien lub różnej długości włókien. Jeżeli zostaną zastosowane włókna ciągłe, wtedy posiadają one z reguły długość, która odpowiada co najmniej długości półfabrykatu 7, gdy zostanie on oddzielony od materiału prętowego po dopasowaniu do gotowego elementu konstrukcyjnego.

179 087

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania elementu konstrukcyjnego z termoplastów wzmocnionych włóknami w postaci śruby lub elementu montażowego, w którym przygotowuje się półfabrykat wykonany z termoplastu i krótkich, długich, lub ciągłych włókien, albo półfabrykat z termoplastu i włókien o zawartości powyżej 50% objętościowych, co najmniej z przeważającą zawartością włókien ciągłych, po czym ten półfabrykat doprowadza się do formy, w której kształtuje się go na gorąco pod ciśnieniem do ostatecznej postaci, znamienny tym, że półfabrykat (7) z tworzywa termoplastycznego wzmocnionego włóknami ciągłymi (6), ogrzewa się do temperatury jego uplastycznienia w stopniu podgrzewania formy, a następnie, w prasowaniu tłocznym, tłoczy się go stemplem do negatywowej formy (13), w której ukierunkowuje się i orientuje włókna w całej masie utworzonego elementu konstrukcyjnego.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako półfabrykat (7) stosuje się materiał prętowy pocięty na odcinki o długości odpowiedniej dla uformowania końcowej postaci elementu konstrukcyjnego.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się włókna ciągłe (6) o długości, która odpowiada co najmniej długości półfabrykatu dla końcowej postaci elementu konstrukcyjnego.
4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że jako półfabrykat (7) stosuje się materiał mający uformowane warstwy o różnym ukierunkowaniu włókien rozłożonych w jego kierunku wzdłużnym.
5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stosuje się półfabrykat (7) uformowany na gorąco z więcej niż jednego polimeru, korzystnie z wielu warstw z różnego tworzywa macierzystego o różnym składzie lub różnym procentowym udziale objętościowym lub różnym materiale włókien lub różnej długości włókien.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że półfabrykat (7) formuje się do końcowej postaci elementu konstrukcyjnego w przeciwbieżnym prasowaniu tłocznym.
7. Sposób według zastrz. 1 albo 6, znamienny tym, że w procesie prasowania tłocznego lub przeciwbieżnego prasowania tłocznego, półfabrykat (7) ogrzewa się w stopniu ogrzewania do temperatury uplastycznienia, korzystnie 350-450°C i następnie w prasowaniu tłocznym tłoczy się go do negatywowej formy (13), przy czym podczas dociskania chłodzi się wytworzony element do temperatury poniżej temperatury zeszklenia termoplastu, korzystnie około 143°C.
8. Sposób według zastrz. 1 albo 6, znamienny tym, że w prasowaniu tłocznym lub w przeciwbieżnym prasowaniu tłocznym elementu konstrukcyjnego jako środek rozdzielający stosuje się węgiel albo grafit.
9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się półfabrykat (7) wykonany z PAEK-poliaryloeteroketonu wzmocnionego włóknami węglowymi.
10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się półfabrykat (7) mający co najmniej część włókien ciągłych (6), umieszczonych równolegle, osiowo.
11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że stosuje się półfabrykat (7) mający co najmniej część włókien ciągłych (6) ukierunkowanych pod kątem od 0 do 90° w stosunku do jego osi.
12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że stosuje się włókna ciągłe (6) o długości większej niż 3 mm.
13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że podczas prasowania tłocznego włókna otacza się i zakrywa powierzchniowo materiałem macierzystym.

179 087
14. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ułożenie włókien w elemencie konstrukcyjnym ukierunkowuje się zmieniając temperaturę prasowania tłocznego i szybkość prasowania tłocznego.
15. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że formę z prasowanym tłocznie elementem konstrukcyjnym chłodzi się do temperatury zeszklenia jego powierzchni.
16. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że podczas formowania śruby z półfabrykatu (7) kształtuje się nieprzelotowy lub przelotowy otwór dla klucza.
17. Element konstrukcyjny z termoplastów wzmocnionych włóknami otrzymany poprzez prasowanie tłoczne półfabrykatu w negatywowej formie, znamienny tym, że ma kształt śruby (1), albo płytkowego lub taśmowego elementu montażowego (18), w których włókna ciągłe (6) są w obszarze przypowierzchniowym rozłożone w przybliżeniu równolegle do środkowej osi, a w oddalonym od obszaru przypowierzchniowego rdzenia włókna mają powiększające się ukierunkowania pod różnymi kątami względem osi.
18. Element konstrukcyjny według zastrz. 17, znamienny tym, że w śrubie (1), począwszy od główki (2) aż do zwojów gwintu (4) włókna ciągłe (6), są rozłożone w obszarze przypowierzchniowym przybliżeniu równolegle do środkowej osi śruby, przy czym w obszarze gwintu włókna ciągłe (6) są rozłożone równolegle do powierzchni zwojów gwintu, a w oddalonym od obszaru przypowierzchniowego rdzenia śruby włókna mają powiększające się dowolne ukierunkowania.
19. Element konstrukcyjny według zastrz. 18, znamienny tym, że główka (2) śruby (1) ma co najmniej jeden otwór (3) nieprzelotowy lub otwór przelotowy, mieszczący narzędzie obracające lub element mocujący.
20. Element konstrukcyjny według zastrz. 18, znamienny tym, że śruba (1) ma kształt śruby Corticalis lub Spongiosa lub innego łączącego elementu medycznego.
21. Element konstrukcyjny według zastrz. 17, znamienny tym, że płytkowy lub taśmowy element montażowy (18) ma kształt płytki lub taśmy z jednym lub wieloma przelotowymi otworami (14) lub odcinkami wystającymi ze wzdłużnych lub bocznych obrzeży, w którym ciągłe włókna (6) są bardzo gęsto rozłożone w osłabionych strefach, to jest w obszarze przelotowego otworu (14) lub wystających odcinków, które mają taką samą wytrzymałość jak inne obszary.
22. Element konstrukcyjny według zastrz. 21, znamienny tym, że ma kształt płytki do chirurgii kostnej, na przykład do osadzenia śruby typu Corticalis lub Spongiosa. * * *