DE1943820A1 - Verbundkoerper - Google Patents

Verbundkoerper

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DE1943820A1
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Karl Moetz
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    • B29C63/00—Lining or sheathing, i.e. applying preformed layers or sheathings of plastics; Apparatus therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Description

MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG
Akteingesellsohaft
Zweigniederlassung München
München, den 25. August I969
y_e_r_b_u ndkörger
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern hoher Festigkeit und Biegesteifigkeit und niederem Gewicht, bestehend aus einem außenliegenden Kunststoffkörper aus warmaushärtbaren vernetzten Polymeren, insbesondere Epoxydharzen, die mittels hochfesten Fasern verstärkt sind, welche sich bei Erwärmung in ihrer Längsrichtung nicht wesentlich dehnen, und einem koaxial und konzentrisch innenliegenden Metallkörper, der eine hohe Elastizität und ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu spezifischem Gewicht be sitzt, wobei beide Körper kraft- und formschlüssig miteinander zu verbinden sind.
Verbundkörper dieser Art finden in den Bereiohen der Technik Anwendung, in denen hochfeste Bauteile bei mögl^ohst geringem Baugewicht gefordert werden. Die Forderungen werden in besonderem Maße an schnell rotierende Zentrifugenrotoren gestellt.
Be wurde versucht, die bei Zentrifugen zur Verwendung kommen-7.1208 _ 2 _
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den Rotoren aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff herzustellen und auf das biegesteife, konzentrisch innenliegende Metallrohr zu verzichten. Hierbei wurde der glasfaserverstärkte Kunststoffverband in axialer und Umfangsrichtung auf einen Dorn gewickelt. Bei den nach dieser Methode hergestellten Rotoren stellte sich jedoch heraus, daß der glasfaserverstärkte Kunststoff nicht die bei den hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten (>45O m/s) geforderte Biegefestigkeit und Festigkeit aufzuweisen vermag.
Weiterhin sind im Zentrifugenbau Rotoren bekannt« welche als Verbundkörper ausgeführt sind, bei denen der innere Körper aus einem Metallrohr hoher Steifigkeit konzentrisch von einem faserverstärkten Kunststoffrohr umschlossen ist.
In neuester Zeit wird der aus warmaushärtbaren Duroplasten, z.B. Epoxydharzen, bestehende Kunststoff mit einer Kohlenstofffaser verstärkt, welche neben sehr hohen Festigkeitswerten und niedrigem spezifischen Gewicht die Eigenschaft mit sich bringt, sich bei Erwärmung in Faserquerrichtung stark auszudehnen und in Faserlängsrichtung sogar geringfügig zu verkürzen.
Die Herstellung der bekannten Verbundrotoren wird nach der bisher üblichen Methode folgendernaßen durohgeführt; über ein Metallrohr, das an der Süßeren Mantelfläche mit einer Kupplungsschicht (Klebemittel) versehen ist, wird bei Raumtemperatur der kohlenstoffaserverstärkte Kunststoff-(CFK)-
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Verband gewickelt und anschließend bei erhöhter Temperatur auf dem Metallrohr1 ausgehärtet.
Infolge der verschieden hohen AusdehnungsVcoeffizienten der verwendeten Komponenten, die beim Metall in der Größenordnung von 11 - 25 * 1O~6 [0G""1] bei der Kohlenstoffaser in Längsrichtung bei -1 - 1O"6 [0C'1] in Querrichtung bei 25 . 10"6 [0C'1] und beim Kunstharz (Matrix) bis 60 · 1CT6 [0C'1] liegen, stellen sich erhebliche Schwierigkeiten in den Längendehnverhältnissen ein.
Bei der für die Mafcrixaushärtung erforderlichen Temperaturerhöhung dehnen sich alle beteiligten Komponenten gemäß ihrer Ausdehnungskoeffizienten, wobei das Harz bei dieser Behandlungsstufe bereits aushärtetι aber noch so viskos ist, daß die Längenausdehnungen ohne den Aufbau eines Eigenspannungszustandes möglich sind.
Als Besonderheit ist zu beachten, daß die radiale Aufweitung des inneren Metallrohres durch die Faserumwicklung nur teilweise behindert wird, da die Fasern im Harzverband in ihrer Lage noch nicht genau fixiert sind. Das Metallrohr dehnt sich in radialerund axialer Richtung, während die Faserbewicklung in radialer Richtung stehen-' bleibt und sich nur axial dehnt.
Beim Abkühlen wan der Aushärtetemperatur wird sich nun das innere Metallrohr radial wieder zusammenziehen, während der Faserverband stehen bleibt, und dadurch die Klebeschicht zwischen Metall und Faserverbund auf Zug beansprucht, was zu
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25.8.69 10So; i/177?
- 4 örtlichen oder totalen Ablösungen führt.
In axialer Richtung üfegen die Verhältnisse umgekehrt, da hier die Wäremdehnzahlen des Faserverbundes höher liegen als die des Metalles; d.h. beim Abkühlen zieht sich der Faserbund stärker zusammen und beansprucht die Klebeschicht zusätzlich auf Schub.
Diese Dehnungsverhältnisse führen dazu, daß für den Fall, daß die Kupplungsschicht hält, sich ein Eigenspannungszustand ausbildet, der unter anderem aus axialen Zugvorspannungen im Faserverbund besteht, die entweder direkt oder mit übergelagerten Biegebeanspruchungen im Betrieb zu Rissen im Harz führen. Der zweite Fall führt bei Überschreitung der zulässigen radialen Zugspannung zwischen Metallrohr und Faserverbund zu örtlichem oder totalem Ablösen beider Teile. Beide Erscheinungen sind Nachteile, welche bei Verbundkörpern, die als schnell umlaufende Rotoren im Zentrifugenbau Verwendung finden, aus Sicherheitsgründen auf keinen Fall in Kauf genommen werden können.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, hochfeste und biegesteife Verbundkörper aus Metall und faserverstärkten warmaushärtbaren Kunststoffen zu schaffen, welche sich auch für hohe Umfangsgeschwindigkeiten eignen und welche bei den im Betrieb auftretenden Temperaturen, Drehzahlen und mechanischen Spannungen einen sicheren Verbund gewährleisten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der faserverstärkte Kunststoffhohlkörper, der durch Aufwickeln auf
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einen formbeständigen Dorn entsteht, bei erhöhter Temperatur warm ausgehärtet wird und der Metallkörper nach Entfernung des Wickeldorns bei tiefer Temperatur in den Kunststoffkörper geschoben oder geaogen wird, wobei bei der anschließenden Erwär» mung auf Raum- oder Betriebstemperatur, bedingt durch die unterschiedlich hohen Ausdehnungskoeffizienten des Metalls und des kohlenstoffaserverstärkten Kunststoff-Verbandes, im Kunststoffkörper in axialer Richtung Druckspannungen und in radialer Richtung Zugspannungen geschaffen werden, mittels derer zwischen Metall- und Kunststoffkörper in jedem Betriebszustand des Verbundkörpers ein Form- und Kraftschluß erzielbar ist.
Als weiteres Merkmal der Erfindung ist anzuführen, daß der Metallkörper in einem Tauchbad mit einem bei tiefer Temperatur verflüssigten, inerten Gas (cryogenes Gas) in den Kunststoff-Zylinder geschoben oder gezogen wird.
Erfindungswesentlich ist weiterhin, daß die Kunststoffmatrix mit Kohlenstoffasern verstärkt ist, und daß der Metallkörper aus Titan, Beryllium, Aluminiumlegierungen oder aus hochfestem Stahl besteht.
Nach der Wärmeaushärtung wird der Kunststoffkörper in ein cryo*· genes Bad getaucht, wo er in seinen purchmesserwerten konstant bleibt, jedoch in.seiner Länge sich wesentlich verkürzt. Anschließend wird der Metallkörper konzentrisch in den Kunststoffzylinder eingebracht, der sich bei der tiefen Temperatur des
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kalt verflüssigten Gases radial so weit zusammenzieht, daß zwischen Metall- und Kunststoffkörper (-rohr) ein Spielsitz besteht.
Nach Verlassen des Tauchbades, also bei Erwärmung des Verbundkörpers auf Raum- oder Betriebstemperatur* werden sich bei seinen Komponenten sowohl Veränderungen in radialer als auch in axialer Richtung ergeben. Der Metallkörper weitet sich entsprechend seinem Ausdehnungskoeffizienten auf und schmiegt sich an das umgebende Kunststoffrohr an, in dem auf Grund seiner unveränderten Durchmessers radial, wirkende Zugspannungen aufgebaut werden.
Gemäß des unterschiedlich hohen Ausdehnungskoeffizienten-.des Metalls oder des Kunststoffes ergibt sich bei der Erwärmung von der Tauchbadtemperatur, daß sich der Kunst stoff teil sehr stark, der Metall teil weniger stark in der Längsrie&Ä -\ tung ausdehnt. ·.--■■*.-··■* r*
Diese Verlängerung der beiden Stoffe verlauft solange nach dem linearen Ausdehnungsgesetz, bis zwischen Metall- und dem kohlenstoffaserverstärkten Kunststoff-(CFK)-Verband kein Spiel mehr herrscht,. Wenn der äußere Durchmesser des Metallrohrs bei einer bestimmten Temperatur die innere MAn-?. telfläohe des kohltoistoffaserverstärkten Kunststoff-(CFK)-Verbandes berührt, wird ein Zustand erreicht, in dem die Reibungskraft (Haftung zwischen Metall und Kunststoffoberfläche) größer ist als die Soherkraft, welche der sich stär-
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ker verlängernde Kunststoffkörper aufbringen müßte, um sich von dem sich anpassenden Metallkörper loszureißen bzw. an ihm entlang zu gleiten.
Die Verlängerung des kohlenstoffaserverstärkten Kunststoff-(CPK)-Verbändes wird auf die axiale Verlängerung des Metallkörpers begrenzt, womit beide Körper mit zunehmender Erwärmung eine gleichmäßige Ausdehnung auf die gleichgroße Länge erfahren. Hiermit wird ein günstiger Eigenspannungszustand erreicht, in dem in axialer Richtung im außenliegenden Kunststoffrohr Druckspannungen und im konzentrisch innenliegenden Metallrohr Zugspannungen auftreten. Zusätzlich preßt sich das Metallrohr in radialer Richtung gegen das Kunststoffrohr, das bestrebt ist, seinen Durchmesser bei allen im Betrieb auftretenden Temperaturen beizubehalten.
Der mit der erfindungsgemäßen Herstellung eines Verbundkörpers erreichte Vorteil besteht darin, daß der Verbund zwischen. Metall und kohlenstoffaserverstärktem Kunststoff-(CFK)-Verband in jedem Zustand form- und kraftschlüssig ist. Infolge der im kohlenstoffaserverstärkten Kunststoff-(CPK)-Verband herrschenden axialen Druckeigenspannungen kann der Verbundkörper auch auf Zug oder Biegung beansprucht werden, ohne daß Querrisse auftreten.
Der Verbundkörper gemäß der erfinderischen Herstellung eignet sich nicht nur für hochtourig laufende, zylindrische
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Zentrifugenrotore, sondern auch für alle diejenigen Bereiche der Technik, in denen die Forderungen an Bauteile mit hoher Festigkeit und geringem Baugewicht gestellt werden; hier seien z.B. Druckbehälterbau, Kraftfahraeugbau etc. erwähnt. Da der Kunststoffwickelverband beliebig verformt werden kann, steht es dem Konstrukteur offen, welches Profil und welchen Querschnitt der TFerbundkörper einnimmt.
Das wichtigste Anwendungsgebiet der Verbundkörper nach der erfindungsgemäßen Herstellung ist jedoch im Zentrifugenbau gegeben, in dem Rotoren notwendig sind, welche auch bei höchsten Drehzahlen einen sicheren Betrieb gewährleisten.
Eine Ausführungsform, wie sie gemäß der Erfindung erzielt wird, ist beispielsweise in der Zeichnung beschrieben, in welcher ein Zylinderverbundkörper im Längsschnitt ersichtlich ist. Der rohrförmige kohlenstoffaserverstärkte Kunststoff-(CFK)-Verband 1, in den die (durch einige Punkte angedeuteten) Kohlenstofffasern 4 in Umfangsrichtung eingebaut sind, umschließt das Metallrohr konzentrisch an der Berührungsfläche 3 form- und kraftsehlüssig.
Die Pfeile geben die im Verbundkörper bei Raum- oder Betriebstemperatur aufgebauten Eigenspannungen an, die im außenliegenden kohlenstof faserverstärkten Kunststoff-(CFK)-Verband 1 als axiale Druckspannungen A und die durch B erzeugten tangentialen Zugspannungen und im innenliegenden Metallkörper 2 als axiale Zugspannungen C auftreten.
7.1208 109=-1 AV 1 770
25.8.69 !//*.

Claims (7)

  1. MASCHINENFABRIK AUGSBURG NÜRNBERG
  2. Aktiengesellschaft
    Zweigniederlassung München
  3. München, den 25.
  4. August I969
  5. Patentansprüche
  6. l.j Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern hoher Festigkeit und Biegesteifigkeit und niederem Gewicht, bestehend aus einem außenliegenden Kunststoffkörper aus warmaushärtbaren vernetzten Polymeren, insbesondere Epoxydharzen, die mittels hochfesten Pasern verstärkt sind, welche sich bei Erwärmung in ihrer Längsrichtung nicht wesentlich dehnen, und einem koaxial und konzentrisch innenliegenden Metallkörper, der eine hohe Elastizität und ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu spezifischem Gewicht besitzt, wobei beide Körper kraft- und formschlüssig miteinander zu verbinden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der faserverstärkte Kunststoff hohlkörper, der durch Aufwickeln auf einen formbeständigen Dorn entsteht, bei erhöhter Temperatur warm ausgehärtet wird und der Metallkörper nach Entfernung des Wiekeldornes bei tiefer Temperatur.in den Kunststoffkörper geschoben oder gezogen wird, wobei tiel der anschließenden Erwärmung auf Raum--«Oder Betriebstemperatur, bedingt durch die unterschied:« lieh hohen Ausdehnungskoeffiasienten des Metall- und des kohlenstoff aserver stärkten Kunststoff-Verbandes, im Kunst" '"-
  7. 7.1208
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    stoffkörper in axialer Richtung Druckspannungen und in radialer Richtung Zugspannungen geschaffen werden, mittels derer zwischen Metall- und Kunststoffkörper in jedem Betriebszustand des Verbundkörpers ein Form- und KraftSchluß erzielbar ist.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffmatrix mit Kohlenstoffasern verstärkt ist.
    P J), Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper aus Titan, Beryllium, Aluminiumlegierungen oder aus hochfestem Stahl besteht.
    4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper in einem Tauchbad mit einem bei tiefer Temperatur verflüssigten inerten Gas (cryogenes Gas) in den Kunststoff hohlzylirider geschoben oder gezogen wird.
    5· Rotor für Zentrifugen, gekennzeichnet durch seine Herstellung nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 4, d.h., daß der Rotor aus einem warm ausgehärteten, kohlenstoffaserverstärkten Kunst st off hohlkörper und einem konzentrisch innenliegenden Metallkörper besteht, wobei ein bei tiefen Temperaturen bestehendes radiales Spiel und eine Längendifferenz zwischen Metallkörper und Kunststoffkörper zugunsten einer form-und kraft schlüssigen Verbindung bei normaler Betriebstemperatur unter Ausnutzung der unterschiedlich hohen Ausdehnungskoeffizienten der Komponenten beider Körper beseitigt ist·
    7.1208 109 au/1772
    25*8,1969
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