WO1994020285A1 - Verfahren zur herstellung von formkörpern aus endlosfaserverstärkten thermoplasten und deren verwendung - Google Patents

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WO1994020285A1
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thermoplastic
reinforced
thermoplastic fiber
reinforced material
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Heinrich Kühn
Frank Herberg
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Hoechst Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a process for the production of moldings with narrow dimensional and position tolerances from thermoplastic continuous fiber-reinforced plastics while maintaining the fiber matrix distribution of the thermoplastic fiber-reinforced material in the molded body.
  • molded parts made of long or continuous fiber-reinforced plastics in which the fiber portion can consist of glass, carbon, aramid, metal or other high-strength fibers, are particularly special because of their low weight and high strength and rigidity technical importance.
  • parts of this type can be produced by wet winding fiber strands using duropiastic matrix systems.
  • these components require a subsequent hardening process with the addition of additional energy. This is usually done rotating in ovens or on a winding machine with heating elements. Without rotation of the component, there is a risk that wall thickness differences will occur. This problem continues despite Rotation increases with increasing wall thickness, since the wet-wound molded body has little inherent stability.
  • Another disadvantage is that bubbles can form during the hardening process, especially in the areas near the surface.
  • the post-processing is carried out by grinding, this can be done both dry and in the wet process. Dust is generated during dry grinding and turning, which must be disposed of in separate rooms with considerable effort. If processing is carried out using the wet grinding method, the grinding emulsions must be washed off the surface and the body must be subjected to a complex drying process.
  • thermoplastic tapes into tubes are described in EP-A 291, 639. However, only tubes with a matrix-rich inner surface are specified there, the outer surface has a high fiber content.
  • the object was therefore to provide a method which allows molded parts with narrow dimensional and positional tolerances to be produced without great technical outlay and with a low environmental impact at the same time.
  • the present invention solves this problem and relates to a method for the production of moldings with narrow dimensional and positional tolerances.
  • a base body is wrapped with a thermoplastic fiber-reinforced material and the plastic matrix of the thermoplastic fiber-reinforced material is melted by the action of heat, the individual layers being obtained while maintaining the fiber-matrix distribution of the thermoplastic fiber-reinforced material in the molded body while simultaneously forming a homogeneous matrix-rich Surface are welded together online: Finally, after the molded body has the desired dimensions, ie the desired number of layers have been applied, the base body is removed.
  • thermoplastic fiber-reinforced material contains carbon, glass, aramid, metal, ceramic, boron or other fibers than long fibers. Any combination of different fiber materials within a molded body is also possible.
  • the matrix system consists of a material of the type of thermoplastic, such as polypropylene (PP), polyamide (PA), polyethylene (PE), polyphenylene sulfide (PPS), polycarbonate (PC), liquid cristal polymer (LCP), polyoxymethylene (POM ), Polyether ether ketones or from thermoplastic polyesters (such as PET polyethylene terephthalate, PBT poly butylene terephthalate).
  • thermoplastic such as polypropylene (PP), polyamide (PA), polyethylene (PE), polyphenylene sulfide (PPS), polycarbonate (PC), liquid cristal polymer (LCP), polyoxymethylene (POM ), Polyether ether ketones or from thermoplastic polyesters (such as PET polyethylene terephthalate, PBT poly butylene terephthalate).
  • thermoplastic fiber-reinforced material is in the form of impregnated tapes.
  • the fiber content is 30 to 80% by weight, preferably 50 to 95% by weight.
  • These tapes are produced e.g. through melt, powder or suspension impregnation in the pultrusion process.
  • a base body which may consist of metal, for example, and consolidated online.
  • the base body is set in rotation and wrapped with the thermoplastic fiber-reinforced material, which is in the form of one or more strips.
  • cross windings are preferably carried out at an angle of ⁇ 0 to 30 °, in particular ⁇ 15 °.
  • windings are preferably carried out at an angle of ⁇ 70 to 90 °, in particular ⁇ 85 to 90 °. The angles apply relative to the longitudinal axis of the component.
  • the tape laying speed in this process is preferably 0.1 to 1.5 m / s, particularly preferably 0.3 to 0.8 m / s, with a tape tension in the range from 20 to 100 N / mm 2 , preferably 40 to 60 N. / mm 2 .
  • an adjustable brake With the help of an adjustable brake, the belt tension during winding can be increased.
  • the plastic matrix of the fiber composite tape is brought into a molten state by the action of heat, for example with the aid of a gas burner, it being possible to use different gas mixtures, preferably propane / oxygen or hydrogen / oxygen.
  • gas mixtures preferably propane / oxygen or hydrogen / oxygen.
  • a further likewise fiber-reinforced thermoplastic material with a high proportion of matrix (2nd material) can be applied.
  • the fiber content of this second material is significantly lower than that of the first material and is preferably 1 to 30% by weight, particularly preferably 5 to 15% by weight.
  • the further fiber-reinforced thermoplastic material can either be applied before or after the first fiber-reinforced thermoplastic material or the application can take place both before and after. According to the invention, a very homogeneous matrix-rich surface is achieved in this way.
  • thermoplastic film strip to the first material instead of a second low-fiber thermoplastic material and to also weld this to the fiber-rich material under the action of heat.
  • a very homogeneous, smooth, matrix-rich surface is achieved.
  • the surface is preferably smoothed with a device that has non-stick properties.
  • additional fiber composite layers can optionally be applied at an angle of ⁇ 60 to 90 ° relative to the longitudinal axis of the component.
  • Either the same thermoplastic fiber-reinforced material or a different material can be used.
  • a thermoplastic fiber-reinforced material with a fiber content of 30 to 80% by weight is preferably used here.
  • the method according to the invention allows molded articles to be manufactured with high geometric precision.
  • a 1 meter long molded body with a diameter of 100 mm and a wall thickness of 3 mm can be produced with a wall thickness tolerance of ⁇ 0.3 mm, preferably ⁇ 0.2 mm.
  • the moldings produced by the process according to the invention have a high dimensional stability and dimensional stability and a very homogeneous matrix-rich surface and do not require any additional post-processing, unless this is expressly desired for certain applications.
  • Functional or protective coatings can be applied directly with good adhesion to the matrix-rich surface. This can be done, for example, by thermal spraying.
  • the surface is coated with high-melting materials, for example oxides, such as aluminum oxide, or carbides, such as tungsten carbide, metals, alloys or oxide-metal mixtures, an intermediate layer made of a good heat-conducting material, such as copper or, is recommended for better heat dissipation Aluminum to apply.
  • high-melting materials for example oxides, such as aluminum oxide, or carbides, such as tungsten carbide, metals, alloys or oxide-metal mixtures
  • the method according to the invention is particularly suitable for the production of rotationally symmetrical shaped bodies with narrow dimensional and positional tolerances, which e.g. are used in the paper, printing, textile and film industries, as well as in general for heavy-duty parts in general mechanical engineering.
  • FIG. 1 shows schematically the production of a paper roller.
  • a metallic base body 1 preferably made of aluminum or its alloys, corresponding to the diameter and length of the paper guide roller to be manufactured, is put into a uniform rotation 2 in a winding machine.
  • On this body is first a polyamide glass fiber reinforced material 3 for introducing fit dimensions for two shaft legs with a fiber content of 65 wt .-% and a thickness of 0.5 mm in the circumferential direction, ie at an angle of almost 90 °, based on the Longitudinal axis of the rotating body, wound (90 ° positions).
  • the tape laying speed is 0.3 m / s with a tape tension of 50 N / mm 2 .
  • a defined adjustable brake 12 the tape tension during winding can be increased.
  • the plastic matrix of the fiber composite tape is put into a molten state with the aid of a gas burner 5 (gas mixture: propane / oxygen 4).
  • the melt temperature is measured with a temperature sensor 6.
  • the winding process is controlled for optimal melting and welding behavior as a function of the melt temperature of the plastic matrix, the flame temperature and the deposition speed 7, which results in a pore-free layer.
  • additional fiber layers can be applied at an angle of approximately 90 ° 13 after the homogeneous fiber composite layers have been wound.
  • a glass fiber PA tape with a fiber content of 3% by weight is applied online in two layers by a separate spool 16 with a total thickness of 1 mm.
  • the metallic base body 1 is removed after all the fiber layers have been applied, and the desired shaped body is thus obtained.
  • the paper guide roller manufactured according to Example 1 could be manufactured with a wall thickness tolerance of ⁇ 0.2 mm.
  • FIG. 2 shows schematically the production of a matrix-rich surface layer on a shaped body made of a film.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern mit engen Mass- und Lagetoleranzen, bei dem ein Grundkörper (1) mit einem thermoplastischen faserverstärkten Kunststoffmaterial umwickelt wird, die Kunststoffmatrix des thermoplastischen faserverstärkten Materials (3) durch Hitzeeinwirkung aufgeschmolzen wird, wobei die einzelnen Lagen online miteinander verschweisst werden, und abschliessend der Grundkörper entfernt wird. Die Erfindung betrifft auch so hergestellte Formkörper, die an ihrer Oberfläche eine durch thermische Spritzen erzeugte Beschichtung mit hochschmelzenden Materialien aus Oxiden, Carbiden, Metallen, Metall-Legierungen, Hartstoff-Legierungen oder deren Mischungen tragen und deren Verwendung als Führungsrollen mit Funktionsoberflächen.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus endlosfaserverstärkten Thermoplasten und deren Verwendung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern mit engen Maß- und Lagetoleranzen aus thermoplastischen endlosfaserverstärkten Kunststoffen unter Erhalt der Faser-Matrixverteilung des thermoplastischen faserverstärkten Materials im Formkörper.
Auf dem Gebiet des Maschinenbaus sind Formteile aus lang- bzw. endlosfaserverstärkten Kunststoffen, bei denen der Faseranteil aus Glas-, Kohle-, Aramid-, Metall- oder anderen hochfesten Fasern bestehen kann, wegen ihres geringen Gewichtes bei gleichzeitig hoher Festigkeit und Steifigkeit von besonderer technischer Bedeutung.
Um die Oberfläche gezielt dem bestimmungsgemäßen Einsatzzweck anzupassen, ist oftmals eine Veränderung der Werkstoffeigenschaften in bezug auf Abriebsbeständigkeit, Haftfähigkeit, Benetzbarkeit, elektrische Leitfähigkeit, dekoratives Aussehen und anderes gewünscht.
Für die Herstellung von rotationssymmetrischen Teilen, z.B. Rollen, Zylindern, Spalttöpfen u. a. aus endlosfaserverstärkten Kunststoffen sind verschiedene Verfahren bekannt.
Beispielsweise können derartige Teile durch Naßwickeln von Fasersträngen unter Einsatz duropiastischer Matrixsγsteme hergestellt werden. Diese Bauteile bedürfen jedoch eines nachgeschalteten Härtungsprozesses unter Zuführung zusätzlicher Energie. Dies geschieht in der Regel rotierend in Öfen oder auf einer Wickelmaschine mit Heizelementen. Ohne Rotation des Bauteils besteht die Gefahr, daß Wandstärkenunterschiede auftreten. Dieses Problem nimmt trotz Rotation mit steigender Wanddicke zu, da der naßgewickelte Formkörper nur geringe Eigenstabilität besitzt. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß sich während des Härteprozesses Blasen bilden können, besonders in den oberflächennahen Zonen.
Da sich der Wickel- und Härteprozeß in der Regel nicht so steuern läßt, daß die geforderten Maß- und Lagetoleranzen des fertigen Bauteils erreicht werden, ist in diesen Fällen eine mechanische Nachbearbeitung erforderlich. Die Nachbearbeitung erfolgt in der Regel durch Schleifen oder Drehen. Dabei ergeben sich gravierende Nachteile.
Wird die Nachbearbeitung durch Schleifen vorgenommen, kann dies sowohl trocken als auch im nassen Verfahren geschehen. Beim Trockenschleifen und -drehen entstehen Stäube, die in gesonderten Räumen unter erheblichem Aufwand entsorgt werden müssen. Wird die Bearbeitung im Naßschleifverfahren durchgeführt, so muß die Schleifemulsionen von der Oberfläche abgewaschen werden und der Körper muß einem aufwendigen Trocknungsprozeß unterzogen werden.
Da die Harzschicht an der Oberfläche in der Regel nur relativ gering ist, besteht die Gefahr, daß oberflächennahe Faseriagen Undefiniert durchgetrennt werden. Dies wiederum bewirkt, daß a) diese Faserlagen nicht im vollen Umfang zur Festigkeit bzw. Steifigkeit des Bauteils beitragen und die sich daraus ergebende Schwächung zum Versagen des Bauteils führen kann; b) ein Verzug (geometrische Verformung) des Bauteils auftritt; und c) die durchtrennten bzw. geschädigten Fasern sich bei einer mechanischen Belastung aus dem Faserverbund lösen können.
Letztgenanntes macht sich besonders bei nachfolgenden Beschichtungen durch schlechte Haftung negativ bemerkbar. Die Herstellung von Oberflächen bestimmter Topographien auf solchen Formkörpern ist daher stark erschwert. Ferner ist es möglich, rotationssymmetrische Formkörper durch Wickeln von imprägnierten Faserbändern mit duroplastischer Matrix herzustellen. Die Herstellung solcher vorimprägnierter Faserbänder (Prepregs) bedeutet einen zusätzlichen technischen Aufwand. Die so hergestellten Formkörper müssen einer Aushärtung in einem Autoklaven unterzogen werden. Bei großen Form¬ körpern ist dies zwangsläufig mit hohen Investitionen verbunden. Die Gefahr, daß sich beim Aushärteprozeß Blasen an und in oberflächennahen Zonen bilden, ist zwar geringer als bei dem vorher beschriebenen Verfahren, jedoch nicht völlig auszuschließen. Für die Bearbeitung zu maß- und lagetolerierten Körpern gelten in etwas verringerter Form die Kriterien des ersten Verfahrens.
Das Wickeln von thermoplastischen Bändern zu Röhren wird beschrieben in der EP-A 291 ,639. Dort werden aber nur Röhren mit einer matrixreichen Innenfläche angegeben, die äußere Oberfläche besitzt einen hohen Faseranteil.
Alle beschriebenen bekannten Verfahren sind alle mit einem zusätzlichen technischen Aufwand verbunden. Formteile mit engen Maß- und Lagetoleranzen bedürfen einer zusätzlichen mechanischen Nachbearbeitung mit all den beschriebenen technischen Nachteilen und Umweltbelastungen.
Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren bereitzustellen, welches es erlaubt, Formteile mit engen Maß- und Lagetoleranzen ohne großen technischen Aufwand und bei einer gleichzeitig geringen Umweltbelastung herzustellen.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern mit engen Maß- und Lagetoleranzen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Grundkörper mit einem thermoplastischen faserverstärkten Material umwickelt und die Kunststoffmatrix des thermoplastischen faserverstärkten Materials durch Hitzeeinwirkung aufgeschmolzen, wobei die einzelnen Lagen unter Erhalt der Faser- Matrixverteilung des thermoplastischen faserverstärkten Materials im Formkörper unter gleichzeitiger Bildung einer homogenen matrixreichen Oberfläche online miteinander verschweißt werden: Abschliessend, nachdem der Formkörper die gewünschten Maße hat, d.h. die gewünschte Anzahl an Lagen aufgebracht wurde, wird der Grundkörper entfernt.
Das thermoplastische faserverstärkte Material enthält Kohlenstoff-, Glas-, Aramid-, Metall-, Keramik-, Bor- oder auch andere Fasern als Langfasern. Eine beliebige Kombination verschiedener Fasermaterialien innerhalb eines Formkörpers ist ebenfalls möglich.
Das Matrixsystem besteht erfindungsgemäß aus einem Material der Gattung der thermoplastischen Kunststoffe, wie beispielsweise Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyethylen (PE), Polyphenylensulfid (PPS), Polycarbonat (PC), Liquid Cristal Polymere (LCP), Polyoxymethylen (POM), Polyetheretherketonen oder aus thermoplastischen Polyestern (wie z.B. PET- Polyethylenterephthalat, PBT- Poly buty lenterephthalat) .
Das thermoplastische faserverstärkte Material liegt in Form von imprägnierten Bändern vor. Der Faseranteil beträgt 30 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 50 bis 95 Gew.-%. Die Herstellung dieser Bänder (Tapes) erfolgt z.B. durch Schmelze-, Pulver- oder Suspensionsimprägnierung im Pultrusionsverfahren.
Zur Herstellung von Formkörpern nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, werden auf einen Grundkörper, welcher z.B. aus Metall bestehen kann, mehrere Lagen eines thermoplastischen faserverstärkten Materials aufgebracht und online konsolidiert. Hierzu wird der Grundkörper in Rotation versetzt und mit dem thermoplastischen faserverstärkten Material, welches in Form von einem oder mehreren Bändern vorliegt, umwickelt. Zur Erzielung einer erhöhten Biegesteifigkeit werden hierbei vorzugsweise Kreuzwicklungen in einem Winkel von ± 0 bis 30°, insbesondere ± 15°, durchgeführt. Zur Erzeugung einer erhöhten radialen Drucksteifigkeit werden vorzugsweise Wicklungen in einem Winkel von ± 70 bis 90°, insbesondere ± 85 bis 90° durchgeführt. Die Winkel gelten relativ zur Bauteilslängsachse. Die Bandablegegeschwindigkeit beträgt bei diesem Vorgang vorzugsweise 0,1 bis 1 ,5 m/s, besonders bevorzugt 0,3 bis 0,8 m/s, bei einer Bandspannung im Bereich von 20 bis 100 N/mm2, vorzugsweise 40 bis 60 N/mm2. Mit Hilfe einer einstellbaren Bremse kann die Bandspannung beim Wickeln erhöht werden.
Die Kunststoffmatrix des Faserverbundbandes wird durch Hitzeeinwirkung, beispielsweise mit Hilfe eines Gasbrenners, wobei unterschiedliche Gasgemische, bevorzugt Propan/Sauerstoff oder Wasserstoff/Sauerstoff, Verwendung finden können, in einen schmelzflüssigen Zustand versetzt. Die Schmelztemperatur wird während dieses Vorganges mit Hilfe eines Temperaturnehmers erfasst und kontrolliert.
Um die gewünschte Form- und Maßhaltigkeit zu gewährleisten, ist es vorteilhaft die noch schmelzflüssige, plastifizierbare Matrix, beispielsweise mit Hilfe von Rollen, zu glätten und anzudrücken. Durch Abstimmung der eingebrachten Wärme, Wickelgeschwindigkeit und Bandspannung kann so bereits eine beschichtungsfähige, matrixreiche, glatte Oberfläche unter Zuhilfenahme einer Andruckrolle erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann zusätzlich zu dem oben beschriebenen faserverstärkten thermoplastischen Material (1. Material) ein weiteres ebenfalls faserverstärktes thermoplastisches Material mit einem hohen Matrixanteil (2. Material) aufgebracht werden. Der Faseranteil dieses zweiten Materials ist wesentlich geringer als der des ersten Materials und beträgt vorzugsweise 1 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 bis 15 Gew.-%. Das weitere faserverstärkte thermoplastische Material kann entweder vor oder nach dem ersten faserverstärkten thermoplastischen Material aufgetragen werden oder die Auftragung kann sowohl vorher als auch nachher erfolgen. Erfindungsgemäß wird auf diese Weise eine sehr homogene matrixreiche Oberfläche erzielt. Eine nachträgliche mechanische Bearbeitung des Formkörpers wird auf diese Weise erheblich erleichtert, da aufgrund der matrixreichen Oberfläche bei einem nachträglichen Abschleifen des Formkörpers nicht die Gefahr besteht, daß oberflächennahe Faserlagen durchtrennt werden, was zu einer Schwächung und einem Verzug des Formkörpers führen würde. Die Aufbringung des 2. Materials vor dem ersten Material führt zu Formkörpern mit einer homogenen kunststoffreichen Innenschicht. Dies ist besonders vorteilhaft bei einer mechanischen Innenbearbeitung, z.B. bei Rollen zur Einbringung von Wellenschenkeln, sowie bei einem benutzungsbedingten Abrieb der inneren Schicht, da hierbei das Fasermaterial nicht beschädigt wird und auch keine Stäube entstehen, die in gesonderten Räumen entsorgt werden müssen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, anstelle eines zweiten faserarmen thermoplastischen Materials ein thermoplastisches Folienband auf das erste Material aufzubringen und dieses ebenfalls unter Hitzeeinwirkung mit dem faserreichen Material zu verschweißen. Erfindungsgemäß wird so eine sehr homogene, glatte, matrixreiche Oberfläche erzielt. Die Oberfläche wird bevorzugt mit einer Vorrichtung geglättet, die Antihafteigenschaften besitzt.
Zur Erzielung einer hohen radialen Drucksteifigkeit können gegebenenfalls weitere Faserverbundlagen in einem Winkel von ± 60 bis 90° relativ zur Bauteillängsachse aufgebracht werden. Hierbei kann entweder das gleiche thermoplastische faserverstärkte Material oder auch ein anderes Material verwendet werden. Vorzugsweise wird hierbei ein thermoplastisches faserverstärktes Material mit einem Faseranteil von 30 bis 80 Gew.-% verwendet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich den Grundkörper mit mehreren thermoplastischen Bändern gleichzeitig zu umgeben und diese gleichzeitig online miteinander zu verschweißen.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es Formkörper mit hoher geometrischer Präzision zu fertigen. So kann beispielsweise ein 1 Meter langer Formkörper mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Wandstärke von 3 mm mit einer Wandstärkentoleranz von ± 0,3 mm, vorzugsweise ± 0,2 mm, hergestellt werden. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Formkörper besitzen eine hohe Form- und Maßhaltigkeit und eine sehr homogene matrixreiche Oberfläche und bedürfen keiner zusätzlichen Nachbearbeitung, sofern dies für bestimmte Anwendungszwecke nicht ausdrücklich gewünscht ist. Funktions¬ oder Schutzüberzüge können, bei einer guten Haftung auf der matrixreichen Oberfläche, direkt aufgebracht werden. Dies kann beispielsweise durch thermisches Spritzen geschehen. Bei einer Beschichtung der Oberfläche mit hochschmelzenden Materialien, beispielsweise Oxiden, wie Aluminiumoxid, oder Carbiden, wie Wolframcarbid, Metallen, Legierungen oder Oxid-Metall-Mischun¬ gen empfiehlt es sich zur besseren Wärmeableitung eine Zwischenschicht aus einem gut wärmeleitenden Material, wie z.B. Kupfer oder Aluminium, aufzubringen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von rotationssymmetrischen Formkörpern mit engen Maß- und Lagetoleranzen, welche z.B. in der Papier-, Druck-, Textil- und Folienindustrie Verwendung finden, sowie generell für hochbelastbare Teile im allgemeinen Maschinenbau.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beispielshaft näher erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch die Herstellung einer Papierieitwalze. Ein dem Durchmesser und der Länge der zu fertigenden Papierleitwalze entsprechender metallischer Grundkörper 1 , vorzugsweise aus Aluminium oder seinen Legierungen, wird in eine gleichmäßige Rotation 2 in einer Wickelmaschine versetzt. Auf diesen Körper wird zunächst ein Polyamid- Glasfaserverstärktes Material 3 zur Einbringung von Paßmaßen für zwei Wellenschenkel mit einem Faseranteil von 65 Gew.-% und einer Dicke von 0,5 mm in Umfangsrichtung, d. h. in einem Winkel von nahezu 90°, bezogen auf die Längsachse des rotierenden Körpers, gewickelt (90°-Lagen). Die Bandablegegeschwindigkeit beträgt 0,3 m/s bei einer Bandspannung von 50 N/mm2. Mit Hilfe einer definiert einstellbaren Bremse 12 kann die Bandspannung beim Wickeln erhöht werden.
Die Kunststoffmatrix des Faserverbundbandes wird mit Hilfe eines Gasbrenners 5 (Gasgemisch: Propan/Sauerstoff 4) in einen schmelzflüssigen Zustand versetzt. Die Schmelzetemperatur wird mit einem Temperaturnehmers 6 erfaßt. Der Wickelvorgang wird für ein optimales Aufschmelz- und Verschweißverhalten als Funktion der Schmelzetemperatur der Kunststoffmatrix, der Flammentemperatur und der Ablegegeschwindigkeit 7 gesteuert, woraus eine porenfreie Schicht resultiert.
Um die gewünschte Biegesteifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht zu erreichen, werden nach den 90°-Lagen 8 Kreuzwicklungen mit einem Winkel von ± 15° aus einem Faserverbundwerkstoff für Polyamid mit 50 Gew.-%, Kohlefaseranteil 9, die sich auf einer zweiten Vorratsspule 10 befinden, aufgebracht und online konsolidiert. Um die erfindungsgemäß gewünschte Form¬ und Maßhaltigkeit zu gewährleisten, wird die noch schmelzflüssige bzw. plastifizierbare Matrix durch eine zusätzliche Andruck- und Glättungsrolle 11 geglättet. Durch Abstimmung der eingebrachten Wärme, der Wickelgeschwindigkeit und der Bandspannung wird so eine bereits beschichtungsfähige matrixreiche glatte Oberfläche 14 erreicht.
Zur Erzielung einer hohen radialen Drucksteifigkeit des Formkörpers können nach dem Wickeln der homogenen Faserverbundlagen weitere Faserlagen in einem Winkel von ca. 90° 13 aufgebracht werden.
Zum Aufbau einer größeren Schichtdicke aus matrixreichem Material empfiehlt es sich, eine zusätzliche Wickellage 15 mit hohem Matrixanteil aufzubringen. Im Beispiel wird ein Glasfaser-PA-Tape mit einem Faseranteil von 3 Gew.-% in zwei Lagen von einer gesonderten Spule 16 online in einer Gesamtdicke von 1 mm aufgebracht. Der metallische Grundkörper 1 wird nach Aufbringen sämtlicher Faserlagen entfernt und so der gewünschte Formkörper erhalten.
Die gemäß Beispiel 1 gefertigte Papierleitwalze konnte mit einer Wandstärkentoleranz von ± 0,2 mm hergestellt werden.
Figur 2 zeigt schematisch die Herstellung einer matrixreichen Oberflächenlage auf einem Formkörper aus einer Folie.
Ein PA-Folienbandfl 7)von 100 mm Breite und einer Dicke im Bereich von 50 bis 500 μm wird um die Leitwalze (l 8) gewickelt und durch einen Infrarotstrahler (l 9)so erhitzt, daß dieses sich mit der vorhandenen Matrix verschweißt. Eine Andruckrolle 2θ) trägt zur Glättung, Formhaltigkeit und porenfreien Konsolidierung bei. Bei Formkörpern kleiner Abmessung kann auch eine Schrumpffolie mit anschließender Verschweißung verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern mit engen Maß- und Lagetoleranzen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Grundkörper mit einem thermoplastischen faserverstärkten Kunststoffmaterial umwickelt wird, die Kunststoff matrix des thermoplastischen faserverstärkten Materials durch Hitzeeinwirkung aufgeschmolzen wird, wobei die einzelnen Lagen online mit¬ einander verschweißt werden, und daß abschließend der Grundkörper entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Faseranteil des thermoplastischen faserverstärkten Materials 30 bis 80 Gew.-% beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische faserverstärkte Material Kohlenstoff-, Glas-, Aramid-, Metall-, Keramik- oder Borfasern enthält, welche als Endlosfasern vorliegen.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffmatrix des thermoplastischen faserverstärkten Materials aus Polypropylen, Polyamid, Polγethyien, Liquid Cristal Polymeren (LCP), Polyphenylensulfid, Polycarbonat, Polyoxymethylen, Polyetheretherketonen und/oder aus thermoplastischen Polyestern oder Mischungen von diesen besteht.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper zur Erhöhung seiner Biegesteifigkeit aus einem thermoplastischen faserverstärkten Material, dessen Faseranteii im Bereich von 30 bis 80 Gew.-% liegt, in einem Winkel von ± 0 bis 60°, relativ zur Bauteillängsachse, gewickelt wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper zur Erhöhung seiner radialen Druckstei- figkeit aus einem thermoplastischen faserverstärkten Material, dessen Faseranteil im Bereich von 30 bis 80 Gew.-% liegt, in einem Winkel von ± 60 bis 90°, relativ zur Bauteillängsachse, gewickelt wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper mit mehreren thermoplastischen faserverstärkten Bändern gleichzeitig umgeben wird und diese gleichzeitig online miteinander verschweißt werden.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper abschliessend mit einem zweiten thermoplastischen faserverstärkten Material umwickelt und verschweißt wird, dessen Faseranteil im Bereich von 1 bis 30 Gew.-% liegt.
9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper abschliessend mit einem thermoplastischen Folienband umwickelt und verschweißt wird.
10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper abschliessend mit einer Hülse oder einer Schrumpffolie bestehend aus einem thermoplastischen Material umgeben und mit diesem verschweißt wird.
1 1. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen des thermoplastischen faser¬ verstärkten Materials mit einem Faseranteil im Bereich von 30 bis 80 Gew.-% ein thermoplastisches faserverstärktes Material mit einem Faseranteil im Bereich von 1 bis 30 Gew.-% auf den Grundkörper aufgebracht wird.
12. Formkörper hergestellt nach einem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 , der an seiner Oberfläche eine durch thermisches Spritzen erzeugte Beschichtung mit hochschmelzenden Materialien aus Oxiden, Carbiden, Metallen, Metall-Legierungen, Hartstoff-Liegerungen oder deren Mischungen trägt.
13. Formkörper nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Beschichtung mit hochschmelzenden Materialien eine Zwischenschicht aus einem gut wärmeleitenden Material aufgebracht ist.
14. Formkörper nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht Kupfer, Aluminium oder eine Legierung von diesen enthält.
15. Verwendung eines Formkörpers nach einem der Ansprüche 12 bis 14 als Führungsrolle mit Funktionsoberflächen.
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