NO311014B1 - Fremgangsmate for fremstilling av elementer av fiberarmert termoplast, samt elementer fremstilt ved fremgangsmaten - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for fremstilling av konstruksjonsdeler av fiberarmert termoplast, hvor først et av korte, lange og/eller endeløse fibre og termoplast dannet emne blir fremstilt og dette emne blir ved en varmeomformingsprosess under trykk i en negativform brakt i konstruksjonsdelens endelige fasong, en fremgangsmåte for fremstilling av konstruksjonsdeler som utsettes for strekk, bøying og/eller vridning, av fiberarmert termoplast, hvor først en med en fiberandel på mer enn 50 volum% og under minst overveiende anvendelse av en-deløse fibre og termoplast dannet emne fremstilles, og dette emne blir ved en varmeomformingsprosess under trykk i en negativform brakt i konstruksjonsdelens endelige fasong, samt en konstruksjonsdel av fiberarmert termoplast, fremstilt ifølge en av disse fremgangsmåter.

Konstruksjonsdeler av fiberarmerte termoplaster anvendes for det meste som forbindelseselementer. For eksempel skal metallskruer erstattes av disse konstruksjonsdeler. Nettopp ved anvendelse innen medisinteknikk, altså eksempelvis ved knokkelskruer, er skruer av fiberarmerte termoplaster vesentlig bedre egnet enn metallskruer, da de er kompatible med knokkelstrukturen, oppviser ingen problemer med korrosjonsfasthet, vekten i forhold til metallskruer kan senkes, og de vanlige medisinske undersøkelsesmetoder vil ikke bli påvirket, i motsetning til ved anvendelse av metall.

Det er tidligere kjent skruer og gjengestaver av fiberarmerte termoplastma-terialer, hvor skrueemnet fremstilles enten ved samekstrudering eller ved en fler-komponent-sprøytestøpemetode. Ved denne kjente utførelse (DE-A-4016427) blir det som utgangsmateriale anvendt sirkelrunde massive stenger som fremstilles ved samekstrudering. For kjerneområdet blir termoplast-granulat med 5-10 mm lange fibre behandlet i en ekstruder. For det ytre området blir termoplastisk granulat med korte fibre behandlet i en andre ekstruder. Derved er det gitt et utgangsmateriale ved hvilket en koaksial anordning med indre langfibre og ytre kortfibre forekommer. Langfibrene i det indre kjerneområdet er gjennom et ekstruderings-flyteforløp overveiende aksialt rettet, kortfibrene i ytterområdet overfører skjærkref-ter i gjengegangene. Gjengegangene fremstilles ved tilknyttet kaldomforming, f.eks. ved hjelp av gjengerullehoder eller -maskiner. En slik kaldomforming blir muliggjort ved anvendelse av kortfibre, men anordningen av slike kortfibre i gjengeområdet gir umiddelbart lavere fasthetsverdier.

Ved en fremgangsmåte ifølge DE-T2-68919466 blir et emne innlagt i en delbar form og formet i denne. Emnet legges kaldt i et formrom, oppvarmes, utvi-des og avkjøles. Her er det bare mulig å oppnå en forming i begrenset grad, idet dessuten en påvirkning av fibrenes retning er praktisk talt umulig eller kan i det minste ikke bestemmes på forhånd.

I EP 0 373 294 A3 er det beskrevet en fremgangsmåte bl.a. til fremstilling av skrueformede, fiberarmerte (eller fiberforsterkede) festeelementer i henhold til den innledende delen av krav 1. For fremstilling av sluttproduktet legges herved et stangformig tildannet råprodukt inn i en negativform, oppvarmes der og tilpasses deretter formen av negativformen under trykk. Herved dreier det om en fremgangsmåte som er beslektet med gjengerulling eller senkesmiing, idet det bare finner sted en delvis omforming av råproduktet. Ved fiberne i råproduktet av fiberarmert (fiberforsterket) kunststoff (plast) dreier det som om filamentfibre, som bare endres i det ytre området av råproduktet langs negativformen. En aksial fi-beroppretting er ved denne fremgangsmåten bare mulig ved den ytre randen idet fibrene der legger seg mot negativformen.

Ved en fremgangsmåte ifølge US-A-3 859 409 trykkes råproduktet riktignok fra en forkammer inn i den egentlige formkaviteten, denne oppviser imidlertid en større diameter enn råproduktet. Også ved denne fremgangsmåten er råproduktet bare deformerbart i randområdene og i endeområdene.

Fra EP-A-0 376 472 er det kjent et termoplastisk komposittplatemateriale som er utformet kvasi-isotropt og som lett kan presses i en form for å fremstille en komposittgjenstand av komplisert form, som for eksempel et golfkøllehode.

Foreliggende oppfinnelse har som formål å tilveiebringe en fremgangsmåte for fremstilling av en konstruksjonsdel av fiberarmert termoplast, hvormed en optimal tilpassing til anvendelsesområdet for en konstruksjonsdel blir mulig. Videre er det et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en ifølge denne fremgangsmåte fremstilt konstruksjonsdel hvormed krafttilføringen og -fordelingen henholdsvis stivheten på spesiell måte lar seg tilpasse beskaffenheten til legemet som samvir-ker med konstruksjonsdelen.

Den første fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen går følgelig ut på at emnet først oppvarmes til omformingstemperatur i et oppvarmingstrinn og deretter ved profiltranspresstøping innpresses i negativformen. Fibrene, som er fordelt over hele tverrsnittet av emnet, blir gjennom den etterfølgende profiltranspresstøpeme-toden helt målrettet styrbart orientert og fordelt. Faseorienteringen og faseforde-lingen og derved de mekaniske egenskaper til en ifølge denne fremgangsmåte fremstilt konstruksjonsdel kan derved karakteriseres spesielt og bringes i samsvar med fremstillingsmåtens prosessparametre. Gjennom profiltranspresstøpingen kan dessuten fiberorienteringen styres slik at også lengden av en tilsvarende konstruksjonsdels forskjellige fasthetsverdier kan bestemmes. Fordelaktige utfø-relsesformer er beskrevet i de uselvstendige krav.

I en foretrukken utførelsesform blir disse kravene, under anvendelse av mer enn 50 volum% endeløse fibre, emnet først oppvarmet i et oppvarmingstrinn til formingstemperatur og deretter ved profiltranspresstøping innpresset i negativformen. Nettopp ved anvendelse av en stor tetthet av endeløse fibre, blir stivheten og fastheten til en konstruksjonsdel som skal fremstilles helt målrettet styrbar. Særlig ved komplisert utformede konstruksjonsdeler blir den eksakte forut-beregnbarhet til det optimale fiberforløp og den optimale fibertetthet i et bestemt område fordelaktig.

Videre foreslås at emnet utformet som stangmateriale og før varmforming-en oppkuttes i den for den ferdige konstruksjonsdel nødvendige lengde. Det for den ferdige konstruksjonsdel nødvendige materialstykke blir avkuttet fra det for-bearbeidede stangmateriale og tilknyttende ført til varmformingsprosessen. Det er altså tilveiebrakt en fremgangsmåte lik profiltranspresstøpemetoden ved metalldeler.

Gjennom anvendelse av endeløse fibre påses at disses lengde svarer til lengden av emnet for den ferdige konstruksjonsdel. Derved kan man oppnå enda bedre stivhet og fasthet.

Det ville også være tenkelig at et råemne blir omdannet av sjikt med forskjellig fiberorientering som løper i dets lengderetning. Det kan altså den fordelaktige utformingen i henhold til oppfinnelsen tenkes utallige nye anvendelsesområder, da det stadig kan oppnås en eksakt forutsigbar fasthet og stivhet for et ganske spesielt anvendelsesformål ved de konstruksjonsdeler som skal fremstilles.

I denne sammenheng er det også mulig at et råemne av flere enn én poly-mersammensetning, f.eks. med flere sjikt med forskjellig matriksråmateriale og forskjellig anordning og/eller forskjellig volum%-andel og/eller forskjellig fibermateriale og/eller forskjellig lengde på fibrene, blir omdannet. Også med slike forholdsregler kan det foregå en eksakt tilpassing til sluttkravene for konstruksjonsdelen som skal fremstilles.

I denne sammenheng kan det imidlertid også være til fordel at råemnet omdannes til den endelige konstruksjonsdel ved en mottakt-profiltrans-støpe-prosess. Råemnet, som er adskilt fra stangmaterialet, omformes i en tilsvarende profiltranspressform, hvorved den såkalte gjennomtrykningsprosess i henhold til DIN 8583 kan anvendes. Ved mottaktprofiltransstøpeprosessen omformes råemnet under flere frem- og tilbakebevegelser i negativformen til den endelige konstruksjonsdel. Nettopp ved fremstilling av list- eller plateformete konstruksjonsdeler viser denne prosess seg å være særlig positiv.

I forhold til profiltranspress-støpingen eller motaktprofiltranspress-støpingen av metalldeler er det da tatt sikte på, som vesentlig adskillende kjennetegn, at ved profiltranspress-støpemetoden eller mottaktprofiltranspress-støpemetoden oppvarmes råemnet i et oppvarmingstrinn til en omformingstemperatur på f.eks. 350-450°C og presses så inn i negativformen, hvorved det under en ettertrykningsfase foregår en avkjøling under glasstemperaturen for termoplasten på f.eks. 143°C. For forarbeidelse av de fiberarmerte termoplaster forandres profiltranspress-støpeprosessen som er kjent for metalldeler, da råemnet ikke omformes ved romtemperatur, men over smelte- eller mykningstemperaturen for matriksråmaterialet.

Videre er det fordelaktig at det ved varmeomformingsprosessen anvendes karbon eller grafitt som skillemiddel. Et slikt skillemiddel blir ikke anvendt ved omforming av termoplaster i henhold til teknikkens stand. Her har man den ytterligere særlige fordel at f.eks. grafitt, i motsetning til de ellers vanlige bestrykninger eller skillemidler, som anvendes for kunststoffer, er bioforlikelige, slik at det nettopp er egnet med konstruksjonsdeler for det medisinske område. Videre er det ved en fordelaktig utførelsesform av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen tatt sikte på at et råemne forarbeides av karbonfiber-forsterket PAEK (polyaryleterketon). Det har vist seg at ved anvendelse av nettopp et slikt råmateriale ligger strekkfastheten for den slags produsert konstruksjonsdel i snitt ca. 30% under strekkfastheten for sammenlignbare konstruksjonsdeler av stål. For anvendelsesområdet for slike konstruksjonsdeler av fiberarmerte termoplaster er dette imidlertid en fasthet som er mer enn tilstrekkelig, men det må jo stadig tas i betraktning med hvilke materialer en slik konstruksjonsdel skal sammenvirke. Nettopp ved anvendelse i medisinteknikken, altså f.eks. ved knokkelskruer, eller ved plate- eller skinne-konstruksjonsdeler er det tilstrekkelig med en tilsvarende høy bruddkraft, da slike konstruksjonsdeler allerede oppviser nær sagt det tredobbelte av den bruddkraft som står til forføyning hos en knokkel.

Ved en ytterligere fordelaktig fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen tas det videre sikte på at ved i det minste en andel av fibre forløper disse akseparallelt i råemnet. Det kan også tenkes at ved i det minste en andel av fibre oppviser disse en innretting på 0 og opptil 90°. Fremfor alt ved fremstilling av langstrakte konstruksjonsdeler, f.eks. i form av en skrue eller en strimmelformet montasjedel, forekommer det derved spesielle tilpassingsmuligheter til de nødvendige fast-hetsområder. Elastisitetsmodulen til skruer, som er fremstilt av råemner med akseparallelt innrettede fibre, er tilsvarende høyere, slike skruer er også tendensielt stivere. Det har vist seg at ved anvendelse av en profiltranspress-støpeprosess så er det mulig med en forandring av fiberforløpet i forhold til fiberforløpet i råemnet, slik at ved den spesielle fiberorientering i råemnet blir det mulig med ytterligere tilpassingsparametre.

I overensstemmelse med fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen kan det anvendes fibre som oppviser en lengde på mer enn 3 mm. Ved alle kjente fiberarmerte termoplaster til fremstilling av tilsvarende konstruksjonsdeler anvendes som regel korte eller lange fibre. Anvendelse av endeløse fibre med den høye fiberandel på mer enn 50 volum% gir i sammenheng med varmeomformingsprosessen en optimal mulighet til å styre fasthetsegenskapen på ethvert sted for den konstruksjonsdel som skal lages, på tilsvarende måte slik at det lokalt er mulig å oppnå målrettet innstilte stivheter.

Et ytterligere prosesskjennetegn ligger i at fibrene ved profiltranspress-støpingen overflatedekkende omsluttes av matriksmaterialet. Således er det da ikke mer nødvendig med noen etterarbeider på de konstruksjonsdeler som er fer-diglaget ved varmeomformingsprosessen, da hele overflaten praktisk talt allerede er forseglet.

Innen rammen av oppfinnelsen er det også mulig at konstruksjonsdelene ved varmeomformingen får en ytterligere overflateforsegling. Ved innflytelsen av varme i omformingsverktøyet eller tilsvarende ytterligere midler, f.eks. bestrykninger eller skillemidler, kan man oppnå en ytterligere overflateforsegling av de ferdige konstruksjonsdeler.

I overensstemmelse med fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen oppnås forskjellige muligheter til å styre framstillingsprosessen. En konstruksjonsdel som er fremstilt ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, er derfor kjenne-tegnet ved berikelse av et forhåndsbestemt forløp av fibrene til oppnåelse av områder med lokalt forhåndsbestemte stivheter og fastheter. De høyeste strekkfastheter ble f.eks. oppnådd hos konstruksjonsdeler som ble fremstilt ved høye omformingshastigheter og høye råemnetemperaturer. Ved hensyntagen til torsjons-fastheten derimot oppnås maksimalverdier når sammenligningsvis lave omfor-mingstemperaturer og lav omformingshastighet anvendes. Det blir altså nettopp ved fremstilling av konstruksjonsdeler ut fra fiberarmerte termoplaster skaffet muligheter ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen til å tilpasse en konstruksjonsdel for det spesielle anvendelsesområdet, hvorved det også absolutt ville være mulig å sette sammen en arbeidsgang, f.eks. med to eller mer enn to trinn, med forskjellige omformingshastigheter.

Ved tilpassing til formen og anvendelsen av en konstruksjonsdel kan det tas sikte på et forhåndsbestemmende forløp av fibrene regnet på lengderetningen, diameteren, tykkelsen, formen på konstruksjonsdelen eller ved gjennombrytning-er, fordypninger, innbuktninger eller lignende av områder med forskjellig fiberorientering eller forskjellige fiberforløp i konstruksjonsdelen. En slik konstruksjonsdel kan på særlig måte tilpasses et spesielt anvendelsesområde. Ved en slik konstruksjonsdel kan altså kraftinnledningen og -fordelingen bedre tilpasses til beskaffenheten av det legeme som sammenvirker med denne konstruksjonsdel. Dette gjelder på særlig måte for medisinteknikk, eksempelvis hos knokkelskruer eller ved medisinske montasjedeler og festestrimler osv., men også for andre an-vendelser i maskinteknikk, i elektroindustrien eller elektronikkindustrien eller i bygningsteknikk.

Derfor er også fortrinnsvis denne konstruksjonsdel utført som et forbin-dingselement med en gripeende for et verktøy og gjengestang, hvorved stivheten til forbindelseselementet varierer ved forskjellig fiberorientering fra gripeenden til den frie ende. Nettopp hos konstruksjonsdeler som skal anvendes for knokkelom-rådet, er det mulig med en tilpassing til den naturlige struktur for en knokkel, slik at det kan skaffes et lett, avmagnetisk, røntgentransparent og bioforlikelig forbindelseselement. I motsetning til de mest vanlige metallskruer kan en ekte virksom konstruksjonsdel tilveiebringes ved tilpassing av fiberstrukturen og fiberforløpet.

Videre foreslås det i henhold til oppfinnelsen at fibrene forløper tilnærmet parallelt med midtaksen til konstruksjonsdelen, fra gripeenden til over den umiddelbart tilknyttede gjengestang, mens fibrene i resten av gjengepartiet overflate-nært følger gjengekonturen i akseretningen til konstruksjonsdelen, men at det i kjerneområdet til dette parti er anbrakt en tilfeldig fordelt fiberorientering som tiltar mot den frie ende. Derfor er det akkurat i området for grepet av den konstruksjonsdel som er utformet som skrue, og i det tilstøtende gjengeparti den største fasthet er til stede, hvorimot de gjengeparti som griper inn i det indre område av knokkelen, oppviser en lavere strekkfasthet, da jo nettopp i dette område ingen strekkrefter kan opptas.

Ved ytterligere utførelsesformer av en slik konstruksjonsdel i henhold til oppfinnelsen er det en fordel at stivheten til konstruksjonsdelen avtar ved forskjellig fiberorientering sett fra gripeenden til den frie ende, trinnformet eller kontinuerlig. Derfor kan nettopp ved fiberforløpet, som oppnås på grunn av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen og naturligvis også på grunn av omformingshastighe-ten, oppnås en eksakt tilpassing til anvendelsesområdet for konstruksjonsdelen.

Videre foreslås det at i konstruksjonsdelen er det tatt sikte på minst ett sekkehull eller en gjennomgangsåpning, f.eks. for anvendelse av et dreieverktøy eller for gjennomføring av festemidler. Ved en slik anordning er det mulig å frembringe tilsvarende torsjonskrefter ved inndreining av en slik skrueformet konstruksjonsdel, spesielt ved eventuelt nødvendig utdreining. Ved gjennomgangsåpninger eller lignende fås det også ved flate konstruksjonsdeler en fordelaktig utførelsesform, da f.eks. det område som omslutter åpningen, kan forsterkes med særlig fiberorientering. I denne sammenheng er det fordelaktig at sekkehullet eller gjennomgangsåpningen integreres ved fremstilling av konstruksjonsdelen. Nettopp ved en varmeomformingsprosess fås her spesielle tilleggsmuligheter for nettopp i en omfor-mingsprosess å ta sikte på også på samme måte tilsvarende sekkehull eller gjennomgangsåpninger for dreieverktøy.

Et spesielt anvendelsesområde for en konstruksjonsdel i henhold til oppfinnelsen oppnås når konstruksjonsdelen er utformet for medisinsk anvendelse som strukturforlikelige Corticalis- eller Spongiosa-skruer.

Et ytterligere utførelseseksempel på en konstruksjonsdel tar sikte på at denne er utformet som strimmel- eller plateformet montasjedel med en eller flere gjennomgangsåpninger og/eller over lengde- og/eller sidebegrensningene foran-stilte parti, hvorved stivheten og fastheten over dens hele lengde og/eller bredde og/eller diameter er forutbestemt. Det er altså mulig ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen å fremstille konstruksjonsdeler av enhver type av spesiell utforming, hvorved en tilpassing til den nødvendige fasthet og stivhet er mulig også for ganske bestemte parti, da nettopp fiberorienteringen og -tettheten kan bestemmes på forhånd.

I denne sammenheng tas det sikte på at konstruksjonsdelen som er utformet som montasjedel, ved tettere anordning av fibre i området med gjennomgangsåpninger og/eller foranstående parti, oppviser den samme fasthet og stivhet i disse vanligvis svekkede soner som i andre områder av konstruksjonsdelen. Hver konstruksjonsdel kan også være lagt ut slik at den ikke lenger oppviser noen svekkede soner, slik at det også for ganske spesielle anvendelsesformål er mulig å oppnå den nødvendige fasthet og stivhet i alle parti.

For en således tilpasningsmulighet fasthet og stivhet er det derfor rett og slett optimalt når konstruksjonsdelen er utformet som osteosynteseplate, f.eks. for anvendelse med en Corticalis- eller Spongiosa-skrue.

Utførelseseksempler i henhold til oppfinnelsen, illustreres ytterligere i den følgende beskrivelse ved hjelp av de på tegningen fremstilte utførelseseksempler.

Fig. 1 viser et parti av et stavformet råemne, delvis vist i snitt, for å fremvise en 0° orientering av innesluttede endeløse fibre;

fig. 2 viser en konstruksjonsdel i form av en skrue, hvorved det er inntegnet en skjematisk avbildning av fiberorienteringsfordelingen i skruen;

fig. 3 viser et diagram over forløpet av stivheten regnet på lengden av konstruksjonsdelen som er beregnet som forbindelseselement;

fig. 4 viser en prinsippskisse av et mulig smelte-profiltranspress-støpe-verktøy med temperatursoner til fremstilling av konstruksjonsdelen;

fig. 5 viser en skjematisk avbildning av en ytterligere utførelsesform et pro-filtranspress-støpeverktøy;

fig. 6 viser en prinsippskisse for fremstilling av en konstruksjonsdel i mottakt-profiltranspress-støpeprosessen;

fig. 7 viser et grunnriss av en konstruksjonsdel som er fremstilt i en mottakt-profiltranspress-støpeprosess, som er spesielt anvendelig som osteosynteseplate.

Ved den følgende forklaring av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen såvel som den ved fremgangsmåten fremstilte konstruksjonsdel, går man ut fra at konstruksjonsdelen (i henhold til fig. 1-5) er et forbindelseselement, spesielt en skrue, som spesielt anvendes i medisinteknikk, også eksempelvis som Corticalis-eller Spongiosa-skrue, eller at konstruksjonsdelen (i henhold til fig. 6 og 7) er en montasjedel, særlig en osteosynteseplate for samvirkning med et ovenfor nevnt forbindelseselement. Naturligvis omfatter også andre konstruksjonsdeler, som består av fiberarmerte termoplaster og blir fremstilt ved en fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen. Anvendelse av slike konstruksjonsdeler er i denne forbindel-se ikke bare begrenset til medisinteknikk. Det er absolutt tenkelig å anvende slike konstruksjonsdeler også på andre områder, f.eks. for maskinteknikk, elektrotek-nikk, romfartsteknikk, høy- eller dyp-bygningsteknikk osv. Konstruksjonsdelene må heller ikke alltid nødvendigvis fremstilles i form av forbindelseselementer (skruer), men kan også anvendes med helt andre konstruktive utforminger, f.eks. skinner eller plater. Således kunne man f.eks. tenke seg at de konstruksjonsdeler som vanligvis ikke er laget som selvborende skruer, av fiberarmerte termoplaster, å forsyne med en tilsvarende boredel som eventuelt likeledes utferdiges av bioforlikelig materiale eller i henhold til boreprosessen lett kan fjernes. Under omstendig-heter er en slik fjerning slett ikke nødvendig på forskjellige anvendelsesområder. Eksemplet forklares også ved hjelp av en fiberforsterket termoplast som er laget med endeløse fibre med en volumandel på mer enn 50%. Med fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen kan det imidlertid like godt fordelaktige forarbeides fiberarmerte termoplaster, som bare inneholder korte fibre eller lange fibre, eller endog kombinasjoner av andeler av korte, lange og/ eller endeløse fibre. Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen kan med hell anvendes også ved en fiberandel i råemnet på under 50 volum%.

Det på tegningen viste forbindelseselement i form av en skrue 1 består i det vesentlige av et hode 2, et grep 3 for kraftinnføring fra et dreieverktøy, og et skaft 5 som er forsynt med gjenger 4. Slik det nettopp fremgår av fig. 2 på tegningen, dreier det seg ved skrue 1 særlig om forløpet til de endeløse fibre 6. Ved målrettet lokalt rettede fibre innenfor strukturen forføyer skruen 1 over lokalt målrettet innstilte stivheter. Derved kan nettopp ved anvendelse som Corticalis-skrue stivheten tilpasses til den naturlige struktur for en knokkel. Ved valg av en kompound av termoplaster med karbonfibre kan det skaffes et lett, røntgentransparent og bioforlikelig forbindelseselement. Den særlige fordel ved en slik skrue ligger i at stivhe-tene og stivhetsgradientene er tilpasset bedre til den naturlige struktur hos knokkelen enn ved tradisjonelle metallskruer. Ved fiberstrukturen skaffes det en bedre kraftfordeling, dvs. at det ikke lenger er bare de første tre gjengeomganger som bærer. Videre har forbindelseselementet ikke noen innflytelse på de vanlige medisinske undersøkelsesmetoder, da det er avmagnetisk og røntgentransparent. Dette er en særlig ulempe ved tradisjonelle metallimplantater, deriblant også forbindelseselementer. De kan gjøre undersøkelsesresultatene av moderne diagnostis-ke metoder verdiløse, som f.eks. computer-tomografi eller kjernespinn-tomografi.

Ved hjelp av justeringsforholdet til forbindelseselementet kan en løsgjøring først ventes etter lengre tid. Ved utformingen av forbindelseselementet som Corticalis-skrue lar skruen seg dreie ut igjen etter en overdreining med den blivende restfasthet.

Som allerede forklart, lar forbindelseselementet seg anvende i den alminne-lige maskinteknikk i korrosive omgivelser og særlig der hvor det forlanges høye fastheter, målrettede fastheter ved lavere vekt. Også her er kraftinnledningen over mer enn tre gjengeomganger utslagsgivende.

Med hodet 2 på den i fig. 2 viste Corticalis-skrue kan forskjellige ytterligere elementer fikseres, f.eks. en osteosynteseplate. Grepet 3 kan eksempelvis være utført som innvendig sekskant. Det kan imidlertid absolutt tenkes andre gripe-eller inngrepsformer, f.eks. en firkantåpning, en innvendig stjerneåpning eller en kryss-spalte.

En variant av profiltranspress-støpeprosessen, slik den er kjent fra metall-bearbeiding, anvendes for å fremstille Corticalis-skruen (f.eks. med en kjernedia-meter på 3 mm) av karbonfiberforsterket PAET (polyaryleterketon). En spesiell variant anvender karbonfiberforsterket PEEK (polyetereterketon). Fiberorienteringsfordelingen og de mekaniske egenskaper ved skruen karakteriseres og settes i forhold til prosessparametrene i framstillingsprosessen.

Bruddbelastningen for den ved profiltranspress-støpeprosessen fremstilte skrue ligger i området mellom 3000 og 4000 N, det maksimale torsjonsmoment mellom 1 og 5 Nm, hvorved den maksimale fordreiningsvinkel i henhold til ISO-Ndrm 6475 ligger på opptil 370°. Skruene har en E-modul som avtar fra hode til spiss, og som kan betegnes homoelastisk til knokkelen.

Naturen anvender i sine strukturer svært hyppig prinsippet med fiberfor-sterkning. Det er derfor av strukturforlikelighetsgrunner fordelaktig å utforme medisinske implantater likeledes som fiber-kompounddeler særlig i området for osteosynteseteknikk er det nødvendig med utviklinger for å erstatte konvensjonel-le stål-osteosynteseplater med mindre rigide implantater av fiberkompound-råmaterialer. Nettopp i sammenheng med osteosynteseplater viser utformingen i henhold til oppfinnelsen seg fordelaktig. Et slikt osteosyntesesystem har tallrike fordeler i forhold til et konvensjonelt stålimplantat. For det første er homoelastisite-ten til knokkelen gitt, og derfor er det mulig med en tilpasset belastningsinnføring i knokkelen, for det annet er røntgentransparens og kjernespinntomografi mulig. Videre oppnås det ved hjelp av forholdsreglene som tas i henhold til oppfinnelsen, en prisgunstig utferdigelse i en varmeomformingsprosess. Noe som også teller er det faktum at på denne måte utformede konstruksjonsdeler er uproblematiske ved nikkelallergier.

Ved forskningsarbeidene på dette område ble det fastslått at først ved anvendelse av knokkelskruer av karbonfiberforsterket termoplast og i denne sammenheng ved fremstillingsmåten i henhold til oppfinnelsen, kunne det tilveiebringes en optimal variant. Basert på den derved utviklede profiltranspress-støpe-metode ble det fremstilt knokkelskruer av karbonfiberforsterket PEAK og karakterisert.

Ved profiltranspress-støping av metalldeler presses arbeidsstykket generelt ved romtemperatur ved hjelp av et stempel inn i en form. Dette tilhører derved de såkalte gjennomtrykningsprosesser i henhold til DIN 8583 for forarbeiding av de fiberarmerte termoplaster ble fremgangsmåten forandret slik at råemnelegemet omformes ikke ved romtemperatur, men over smeltetemperaturen for matriksråmaterialet.

Som råemne for skruefremstilling tjener karbonfiberarmerte PAEK-rund-staver (fig. 1) som har et fibervoluminnhold på mer enn 50%,'fordelaktig 60%, hvorved det med hensyn til fiberorientering ble anvendt to forskjellige råemnety-per, og riktignok på den ene side råemner med en ren akseparallell fiberorientering og på den annen side råemner med en fiberorientering som lå mellom 0 og ± 90°.

Et råemnelegeme oppvarmes i det oppvarmede profiltranspress-støpe-verktøy 8 (oppvarmingstrinn) til omformingstemperaturen (f.eks. 350-450°C), hvorved oppvarmingen også kan foregå i på hverandre følgende oppvarmingstrinn 9 og 10 (fig. 4). Råemnet 7 føres altså inn i det første oppvarmingstrinn 9, for-håndsoppvarmes der tilsvarende, oppvarmes videre i trinn 10 og omformes deretter i området til trinn 11 i negativformen. Ved hjelp av stempel 12 presses råemnet 7 inn i negativformen (formingsbeholder) 13 og får der den endelige form. Pressehastigheten kan ligge i området mellom 2 og 80 mm/s. Pressetrykket ble målt ved forskjellige forsøk med 120 Mpa. I en påfølgende ettertrykkfase (pressedrykk tilnærmet 120 Mpa blir verktøyet avkjølt med trykkluft under glass-temperaturen til PEAK (143°C). Etter åpning av profiltranspress-støpeverktøyet kan den ferdige Corticalis-skrue tas ut.

Ved en påfølgende analyse av en således fremstilt skrue har det vist seg at optimale verdier kan oppnås. Dette fremgår av den høye fiberandel, anvendelse av endeløse fibre og den ganske spesielle varmeomformingsprosess til fremstilling av skruen. Slik det fremgår av fig. 2, retter fibrene seg i området av hodet 2 for skruen 1 overveiende i retning av skrueaksen. I området ved skruespissen følger fibrene i randområdet skruekonturen (altså gjengeforløpet), mens det i kjerneso-nen er en tilfeldig fordelt fiberorientering som er fremherskende.

Med hensyn til de mekaniske egenskaper må det fastholdes at middelver-dien for strekkfastheten til Corticalis-skruene utgjør ca. 460 N/mm<2>. De høyeste strekkfastheter ble oppnådd med skruer som ble fremstilt ved høye omformingshastigheter (ca. 80 mm/s) og høye råemnetemperaturer (ca. 400°C). Torsjons-fastheten til skruer som ble fremstilt ut fra råemner med akseparallell fiberorientering, er i snitt 18% høyere enn hos skruer av råemner med 0°/± 45°C fiberorientering. Maksimalverdiene ble målt på skruer som ble fremstilt ved forholdsvis lave temperaturer (380°C) og lave omformingshastighetér. Elastisitetsmodulen i skrue-lengderetning er ikke konstant, men avtar sterkt mot spissen. E-modulene varierer mellom 5 og 23 Gpa, hvorved skruer som er fremstilt av råemner med en 0°-fiberorientering, er tendensielt stivere. Dette fremgår også entydig av det skjematisk diagram i fig. 3. Stivheten som er fremstilt ved diagramlinjen, tiltar i retning av skruehodet, hvorved det nettopp i et bestemt område på lengden av skaftet 5 som er forsynt med gjenger, finnes et knekk på denne linjen. Nettopp i dette område, slik det kan sees på fig. 2, ender den akseparallelle fiberorientering som finnes i kjerneområdet.

Med en Corticalis-skrue som eksempel er det vist at ved profiltranspress-støping av langfiberarmerte termoplaster i en varmeomformingsprosess kan det også fremstilles konstruksjonsdeler med kompleks geometri. Fiberorienteringsfordelingen som bestemmende størrelse for de mekaniske egenskaper lar seg styre ved egnet valg av fiberorientering i råemnet innen visse grenser. De øvrige under-søkte prosessparametre (omformingshastighet og omformingstemperatur) har mindre innflytelse på profiltranspress-støperesultatet.

Strekkfastheten til profiltranspress-støpte PAEK fiberarmerte skruer ligger i snitt ca. 30% under verdiene for sammenlignbare stålskruer. En gjennomsnittlig bruddkraft på 3200 N er tilstrekkelig for osteosynteseanvendelser, da en tilsvarende skrue trekkes ut av knokkelen allerede ved en trekkraft på 800-1300 N.

ISO-norm 6475 forlanger for stålskruer med sammenlignbare dimensjoner et minimalt brudd-dreiemoment på 4,4 Nm og en torsjonsvinkel på minst 180°. Slike spesifikasjoner kan ikke oppfylles med skruer av fiberarmerte termoplaster (høyst 1,3 Nm). Forsøk har riktignok vist at en overdreining og dermed ødeleggel-se av skruen ved inndreining i knokkelen er utelukket, da gjengene i knokkelen allerede ble ødelagt ved et dreiemoment på ca. 0,8 Nm. Det langsomme fall i restfasthet etter den første svikt ville også etter et brudd tillate en utskruing av den beskadigede skrue fra knokkelen.

Med en elastisitetsmodul mellom 5 og 23 Gpa er den profiltranspress-støpte Corticalis-skrue i sitt elastiske forhold lik knokkelen. Stivheten i lengderetning avtar tydelig mot spissen (fallende stivhetsgradient). I innskrudd tilstand ligger dermed den stive del av skruen (hodeområdet) nær Corticalis og dermed på det stiveste sted i den behandlede knokkel. Med en slik stivhetsfordeling kan en kraft-innføring oppnås som vidtgående er tilpasset knokkelstrukturen.

Med den her beskrevne utførelsesformen av oppfinnelsen er det for første gang skaffet den mulighet å oppnå konstruksjonsdeler av fiberforsterket termoplast, som f.eks. har en særlig utforming i form av en gjenge, et hode, en form osv., ved en varmeomformingsprosess, og via materialegenskapene, særlig den eksakte innretting av fibre, å oppnå en konstruksjon som er forlikelig med anvendelsesområdet: I ovenstående beskrivelse gikk man ut fra en profiltranspress-støpemetode, som praktisk talt bare er virksom i én retning. Råemnet blir da brakt til en tilsvarende temperatur (deigaktig eller honningaktig flytende tilstand) og så innpresset i negativformen 13. Det er også mulig nettopp ved fremstilling av strimmel-, skinne-eller plateformete deler, men også ved skrueformete eller andre slags forbindelseselementer og også ved spesielle former av deler eller ved bestemt utforming av bolter osv. å anvende en mottakt-profiltranspress-støpemetode. Det kan da eventuelt ved flere gangers frem- og tilbakepressing, altså ved en- eller flerbeve-gelsesvending av pressretningen, oppnås en ønsket fiberorientering og fiberfordeling. Ytterligere detaljer angående dette vises senere ved hjelp av fig. 6 og 7. Mottakt-profiltranspress-støpeprosessen kan nettopp da være av særlig betydning når eksempelvis sekkehull, gjennomgangsåpninger, innbuktninger eller spesielle formgivninger er påtenkt i den tilsvarende del. Det spesielle forløp av fibrene kan da influeres og således den konstruksjonsdel som skal fremstilles, nettopp i dette område utføres særlig forsterket, hvor den særlige forsterkning nettopp er nød-vendig.

Som bestrykning ved anvendelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen tas sikte på karbon eller grafitt. Disse bestrykninger eller skillemidler blir hittil praktisk talt bare benyttet for metallområdet og ikke for kunststoffer. Det oppnås her ytterligere fordeler, da grafitt i motsetning til vanlige skillemidler for kunststoffer er bioforlikelig.

I fig. 2 er det inntegnet en kort åpning for et grep 3, sett i aksial innretting. Det er også mulig her å ta med et tilsvarende dypere sekkehull eller også en aksialt gjennomgående åpning, for dermed å kunne anvende et tilsvarende dreieverk-tøy. Derved kunne det i tillegg til de allerede forhåndenværende verdier ved tor-sjonsfastheten overvinnes et høyere inndreiningsmoment, da et tilsvarende verk-tøy kan innsettes i tilsvarende lange innstikningskanaler. Da fremstillingen av en slik skrue foregår ved profiltranspress-støpemetoden i henhold til oppfinnelsen, er denne ekstra formgivning mulig uten problemer.

Nettopp ved skinner eller plater kan likeledes gjennomgangsåpninger, innbuktninger, sekkehull osv. tas med, som da spesielt er omgitt av fibrene.

Fiberorienteringen i skruen 1 i henhold til fig. 2 eller i en tilsvarende annen konstruksjonsdel for et annet anvendelsesområde må prinsipielt betraktes diffe-rensiert. Nettopp ved de forholdsregler og fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, er det mulig å tilveiebringe en optimal fiberorientering ved den ferdige konstruksjonsdel for ethvert spesielt anvendelsesområde. Særlig ved en høy fiberandel på mer enn 50 volum%, og ved anvendelse av endeløse fibre, oppnås i mange områder av teknikken, særlig i det område som har med forbindelseselementer og det område som har med medisinteknikk å gjøre, særlig virkningsfulle varianter.

I fig. 6 er det vist skjematisk en mottakt-profiltranspress-støpeprosess, hvorved de på hverandre følgende prosesstrinn l-IV fremgår. Ved trinn I benyttes råemnet 7 i et oppvarmingstrinn (parti 7, 10) og oppvarmes der til omformingstemperaturen. Ved trinn II blir råemnet innpresset i pilretning 16 i negativformen 13. Ved trinn III tilbakepresses det allerede en gang omdannede råemnet 7 igjen i motsatt retning (pilretning 17). Ved trinn IV blir så råemnet som er omdannet to eller flere ganger, sluttfortettet til den ferdige konstruksjonsdel, avkjølt og deretter tatt ut av formen.

Ved hjelp av bolter 15 som er innført i negativformen 13 eller som gjennom-trenger denne, kan det fremstilles konstruksjonsdeler med gjennomgangsåpninger 14, hvorved nettopp ved hjelp av mottakt-profiltranspress-støpemetoden råemnet flere ganger blir forbitrykket mot denne bolt 15. Det blir her altså et ganske spesielt forløp av fibrene 6, slik dette fremtrer fra fig. 7. Den samme eller en lignende virkning fås også når det ved lengde- og/eller sidebegrensningene til konstruksjonsdelen som er utformet som montasjedel, var til stede parti før denne. I de vanligvis svekkede soner A fås således en tettere anordning av fibrene 6, slik at i diss soner fås den samme fasthet eller stivhet som i de andre områder B hos en slik konstruksjonsdel.

En slik utførelsesform av en konstruksjonsdel egner seg på fremragende måte for osteosynteseplater, som da f.eks. kan anvendes i samvirkning med en skrue som er fremstilt i henhold til oppfinnelsesmetoden. De samme fordeler med hensyn til bioforlikelighet opptrer da naturligvis også på disse plater, hvorved dessuten fastheten og stivheten ikke på noen måte står tilbake for de hittil hoved-sakelig anvendte plater av rustfritt stål.

Ved mottakt-profiltranspress-støping er det mulig med forskjellige ytterligere parametre, ved hjelp av hvilke det er mulig ytterligere å forbedre forhåndsbestem-barheten til fiberforløpet og således tilpassing av fasthet og stivhet til utformingen av konstruksjonsdelen. Således kan antall takter eller mottakter, taktlengden, takt-hastigheten, trykket og mottrykket bli innstilt, Trinn II og lii kan gjentas etter ønske, hvorved taktveilengden kan velges på nytt ved hver takt eller mottakt. Sentrering-en av kontruksjonsdelen ved trinn IV må ikke nødvendigvis foretas. Alle parametre kan varieres vilkårlig i trinn ll-IV.

De endeløse fibre blir ikke særlig utsatt for påkjenning ved en slik prosess, og de brekker derfor ikke flere ganger. Overgangen fra steder med sterkt rettede fibre og steder med homogen fiberfordeling er kontinuerlig. Fremgangsmåten tillater i motsetning til en kjent lamineringsteknikk også fremstilling av ikke-blikkfor-mete konstruksjonsdeler. Det blir mulig med geometrier som ellers bare forekommer i sprøytestøpeprosessen. Derved oppnås det ved hjelp av oppfinnelsen sogar høyere fastheter. Det er også gjort mulig å fremstille konstruksjonsdeler med hull, bakre underskjæringer osv. Det er mulig å optimalisere fiberorienteringen slik at kapasiteten til denne, f.eks. på bakgrunn av de mekaniske egenskaper, kan utnyt-tes fullt ut. Fremgangsmåten tillater en komposittforarbeidelse, som rettferdiggjør forsterkning av endeløse fibre. I en konstruksjonsdel forekommer steder med iso-trope og anisotrope egenskaper ved siden av hverandre uten at en grenseflate er til stede. Da grenseflater eller sømsteder også er svake steder, forringes ved hjelp av oppfinnelsen blant annet også tilbøyelighet hos konstruksjonsdelen til uttretting.

Ved den her beskrevne mottakt-profiltranspress-støpemetoden kan det

også tenkes ytterligere varianter. Således kunne en taktprosess ikke bare utføres i en retning, men også under anvendelse av to eller tre hovedakser. Videre ville det være tenkelig å skyve inn de i fig. 6 viste stifter først etter homogeniseringen av råemnet, altså etter ett eller flere trinn II eller III. Det kunne også tenkes et allerede homogenisert råemne, som altså allerede er blitt omdannet en eller flere ganger i en forstasjon.

Det er også mulig å anvende råemner som i sin lengderetning består av sjikt som forløper med forskjellig fiberorientering. Det ville også kunne tenkes å anvende et råemne (også under utferdigelse av stangmateriale først av vilkårlig tverrsnitt) av mer enn én polymerkompound. I et slikt tilfelle kunne råemnet bestå av flere sjikt med forskjellig matriksråmateriale og forskjellig anordning og/eller forskjellig volum%-andel og/eller forskjellig fibermateriale og/eller forskjellig lengde på fibrene. Når det anvendes endeløse fibre, så oppviser disse som regel en lengde som i dét minste tilsvarer lengden på råemnet 7, slik den blir adskilt fra stangmaterialet ved tilpassing til den ferdige konstruksjonsdel.

Claims (25)

1. Fremstilling av konstruksjonsdeler av fiberarmerte termoplaster, hvor først et av korte, lange og/eller endeløse fibre (6) og en termoplast dannet emne (7) for-tilvirkes, og dette emne (7) bringes i en varmeomformingsprosess under trykk i en negativform i konstruksjonsdelens endelige form, karakterisert ved at emnet (7) først oppvarmes i et oppvarmingstrinn til omformingstemperatur og deretter innpresses i negativformen (13) ved profiltranspresstøping.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvorved en fiberandel på mer enn 50 volum% består i det minste overveiende av endeløse fibre og konstruksjonsdelen i strekk, bøyning og/eller torsjon

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at emnet (7) for-tilvirkes som stangmateriale og før varmeomformingsprosessen tilkuttes i nødvendige lengder for den ferdige konstruksjonsdel.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det anvendes endeløse fibre (6) i en lengde som i det minste svarer til lengden av emnet for den ferdige konstruksjonsdel.

5. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at et emne (7) omformes av i dets lengderetning forløpende sjikt med forskjellig fiberorientering.

6. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at et emne (7) omformes av mer enn en polymerforbindelse, f.eks. med flere sjikt med forskjellig matriksmatriale og forskjellig anordning og/eller forskjellig volum%-andel og/eller forskjellig fibermateriale og/eller forskjellig fiberlengde.

7. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved at emnet (7) omformes til den endelige konstruksjonsdel ved hjelp av mottakt-profil-transpresstøping.

8. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-7, karakterisert ved at emnet (7) oppvarmes i oppvarmingstrinnet til en omformingstemperatur på 350-450°C og deretter innpresses i negativformen (13), idet det under en ettertrykkfase følger en avkjøling under termoplastens glassovergangstemperatur på fig. 143°C.

9. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert v e d at det under varmeomformingsprosessen som skillemiddel anvendes karbon eller grafitt.

10. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert v e d at det bearbeides et emne (7) av PAEK (polyaryleter-keton) armert med karbonfibre (6).

11. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-10, karakterisert ved at ved minst en andel av endeløse fibre (6) forløper disse akseparallelt i emnet (7).

12. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-11, karakterisert ved at ved minst en andel av fibre (6) oppviser disse en innretting på 0 til 90°.

13. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-12, karakterisert ved at fibrene (6) oppviser en lengde på mer enn 3 mm.

14. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-13, karakterisert ved at fibrene ved profiltranspresstøpingen overflatedekkende omsluttes av matriksmaterialet.

15. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-14, karakterisert ved at pressetemperaturen og pressehastigheten innstilles som variable for forandring av fibrenes stilling og innretting i den ferdige konstruksjonsdel.

16. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-15, karakterisert ved at konstruksjonsdelen ved varmeomformingen oppnår en ytterligere overflateforsegling.

17. Konstruksjonsdel av fiberarmert termoplast, fremstilt etter en fremgangsmåte ifølge minst et av kravene 1 til 16, karakterisert ved berikelse med et forutbestemt forløp av fibrene lokal forutbestemt stivhet og fasthet, hvorved konstruksjonsdelen er utført som et forbindelseselement med en gripeende for et verktøy og et gjengeskaft (5), og hvorved forbindelseselementets stivhet gjennom forskjellig fiberorientering varierer fra gripeenden til den frie ende.

18. Konstruksjonsdel ifølge krav 17, karakterisert ved at fibrene (6), fra gripeenden til over de umiddelbart tilliggende gjengeganger (4) forløper i det minste tilnærmet parallelt med konstruksjonsdelens midtakse, hvorimot fibrene (6) i de øvrige gjengepartier følger nær gjengekonturens overflate i konstruksjonsdelens akseretning, men med en mot den frie ende stadig mer tilfeldig fordelt fiberorientering.

19. Konstruksjonsdel ifølge krav 17 og 18, karakterisert ved at konstruksjonsdelens stivhet avtar trinnvis eller kontinuerlig ved forskjellig fiberorientering sett fra gripeenden mot den frie ende.

20. Konstruksjonsdel ifølge et av kravene 17 til 19, karakterisert ved at det i konstruksjonsdelen er anordnet minst ett bunnhull eller en gjennomgangsåpning, f.eks. for anvendelse av et dreieverktøy eller for gjennomføring av festemidler.

21. Konstruksjonsdel ifølge krav 20, karakterisert'ved at bunnhullet eller gjennomgangsåpningen er tildannet ved fremstillingen av konstruksjonsdelen.

22. Konstruksjonsdel ifølge et av kravene 17 til 21, karakterisert ved at konstruksjonsdelen er utformet som strukturkompatibel Corticalis- eller Spongiosa-skrue.

23. Konstruksjonsdel ifølge krav 17, karakterisert ved at den er utformet som bånd- eller plateformet monteringsdel (18) med en eller flere gjennomgangsåpninger (14) og/eller partier som rager ut over og/eller lengde- og sidebegrensningene, idet stivheten og fastheten over hele dens lengde og/eller bredde og/eller tverrmål er forutbestemt.

24. Konstruksjonsdel ifølge krav 17 eller 23, karakterisert ved at konstruksjonsdelen er utformet som monteringsdel (18) ved hjelp av tettere anordning av fibre (6) i området ved gjennomgangsåpningen (14) og/eller utragende partier i disse forøvrig svekkede soner, oppvise den samme fasthet og stivhet som i konstruksjonsdelens andre områder.

25. Konstruksjonsdel ifølge krav 17, 23 eller 24 karakterisert ved at konstruksjonsdelen er utformet som osteosynteseplate, f.eks. for anvendelse med en Corticalis- eller Spongiosa-skrue.