DE69732664T2

DE69732664T2 - Flechtstruktur mit elastischen, vorgespannten strängen

Info

Publication number: DE69732664T2
Application number: DE69732664T
Authority: DE
Inventors: A. Andrew HEAD
Original assignee: A&P Technology Inc
Current assignee: A&P Technology Inc
Priority date: 1996-12-02
Filing date: 1997-12-01
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2017-12-02
Also published as: EP1011961B1; US6250193B1; WO1998024616A1; DE69732664D1; CA2276024A1; EP1011961A1; ATE289913T1; EP1011961A4

Description

Diese Anmeldung ist eine teilweise Verlängerung (1) der US Patentanmeldung, Serien-Nr. 08/759,255, eingereicht am 02. Dezember 1996 und (2) der US Patentanmeldung, Serien-Nr. 08/759,732, eingereicht am 06. Dezember 1996. Diese Anmeldung beansprucht die Wirkung einer vorläufigen US Patentanmeldung, Serien-Nr. 60/032,230, eingereicht am 02. Dezember 1996.
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf geflochtene Strukturen und insbesondere auf geflochtene Strukturen mit elastischen Schrägsträngen oder -filamenten.
BESCHREIBUNG VERWANDTER TECHNIK
Die Verwendung geflochtener Hüllen zur Schaffung steifer röhrenförmiger Teile, wie z.B. faserverstärkter Plastikteile, ist bekannt. Geflochtene Hüllen werden üblicherweise mit einem Kunstharz imprägniert und in oder über eine Form bzw. einen Formkern gelegt und Hitze und Druck ausgesetzt, um das Kunstharz zu formen oder zu trocknen und den röhrenförmigen Teil herzustellen. Vgl. U.S. Pat. Nr. 5,409,651 und 4,774,043, deren Inhalt durch Verweis einbezogen sein soll.
Biaxial und triaxial geflochtene Hüllen sind bekannt.
In der Veröffentlichung JP-A-04327249 nach dem Stand der Technik wird ein triaxiales Gewebe zum Zwecke der Verstärkung beschrieben. Das Verstärkungsgewebe besteht aus einem runden triaxialen Geflecht, das aus Erstfasern, ausgerichtet in Längsrichtung, besteht sowie aus Zweitfasern, die in Schrägrichtung, abweichend von der Längsrichtung, besteht. Die Erstfasern und die Zweitfasern beinhalten jeweils verstärkende und elastische Fasern.
Triaxial geflochtenen Hüllen ist gegenüber biaxial geflochtenen Hüllen in vielen Situationen der Vorzug zu geben, da triaxiale Hüllen im Allgemeinen ein fertiges Teil mit besseren mechanischen Eigenschaften bewirken, in erster Linie Stärke und Steifheit.
In triaxial geflochtenen Hüllen liegt das Problem der geringen Dehnbarkeit (1) in Längsrichtung und (2) quer zur Längsachse der Hülle. Andererseits sind biaxial geflochtene Hüllen im Allgemeinen dehnbar sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung (radial). Bei Ausdehnung in Längsrichtung zieht sich ein Biaxialgewebe radial zusammen; bei radialer Ausdehnung zieht es sich in Längsrichtung zusammen. Das gestattet die Verwendung von biaxial geflochtenen Hüllen bei der Formung von röhrenartigen Teilen mit unterschiedlichem Querschnitt, d.h. abwechselnd kleineren und größeren Querschnitten oder Durchmessern.
Es besteht ein Bedarf an triaxial geflochtenen Hüllen mit der Fähigkeit, sich einer röhrenartigen Form mit wechselnden Querschnitten anzupassen. Es besteht ferner ein Bedarf an einem faserverstärkten Kunststoffteil, das aus solch einer Hülle hergestellt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wird eine triaxial geflochtene Hülle bereitgestellt, die die ersten Schrägstränge beinhaltet, die in eine erste spiralige Richtung verlaufen, zweite Schrägstränge, die in eine zweite spiralige Richtung verlaufen, die unterschiedlich von der erwähnten ersten spiraligen Richtung ist, sowie axiale Verstärkungsstränge. Hierbei sind die ersten Schrägstränge, die zweiten Schrägstränge und die axialen Verstärkungsstränge miteinander verflochten und bilden eine triaxial geflochtene Hülle, wobei alle Schrägstränge der Hülle elastische Stränge sind. Eine Methode zur Herstellung triaxial geflochtener Hüllen wird gleichfalls zur Verfügung gestellt zusammen mit faserverstärkten Kunststoffteilen, die unter Verwendung der erfundenen triaxial geflochtenen Hülle hergestellt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine schematische Sicht eines Teils einer biaxial geflochtenen Hülle nach dem Stand der Technik.
1B ist eine schematische Sicht eines Teils einer triaxial geflochtenen Hülle nach dem Stand der Technik.
1 ist eine schematische Sicht von der Seite eines Teils einer triaxial geflochtenen Hülle in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, wobei ein Segment in detaillierter wiedergegeben ist.
2 ist eine seitwärtige Draufsicht eines Formkerns in der Form eines zu bildenden Produktionsartikels, z.B. ein Zielfernrohr.
3A ist eine bruchstückartige Seitenansicht der Hülle von 1, die über den Formkern von 2 gezogen wird.
3B ist eine seitwärtige Draufsicht der Hülle von 1 gezogen über den Formkern von 2.
4 ist eine seitwärtige Draufsicht des fertigen Teils, hergestellt nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Draufsicht eines Teils einer triaxial geflochtenen Hülle nach der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine seitwärtige Draufsicht einer Mehrzweckstange.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Wie in der Beschreibung und den Patentansprüchen verwendet, umfasst der Begriff "Strang" hier eine einzelne Faser oder Filament oder Faden sowie ein Bündel von Fasern oder Filamenten oder Fäden. Jedes der folgend Aufgeführten ist ein Strang, ungeachtet dessen, ob verdrillt oder unverdrillt: eine Faser, ein Filament, ein Garn, ein Spinnkabel und ein Faden. Wie in den Patentansprüchen verwendet, bedeutet „elastisch" hier die Fähigkeit, wiederholt bei Raumtemperatur auf mindestens das 1,4-fache der Originallänge gestreckt werden zu können und, nach Fortnahme der Zugbeanspruchung, sofortige Rückkehr auf seine ungefähre ursprüngliche Länge. „Mindestens das 1,4-fache der Originallänge", sofern die Originallänge 2,54 cm (1 Zoll) beträgt, es kann auf eine Gesamtlänge von mindestens 3,556 cm (1,4 Zoll) gestreckt werden, und kehrt nach Freigabe auf ungefähr 2,54 cm (1 Zoll) zurück.
Unter Bezugnahme auf 1A ist ein Teil einer bekannten biaxial geflochtenen Hülle wiedergegeben, die röhrenförmig ist. Sie besteht aus Strängen, die miteinander verflochten sind. Wie im dem Stand der Technik bekannt, besteht eine biaxial geflochtene Hülle aus zwei Sätzen von spiraligen schrägen Strängen 14, 18. Alle aus einer Vielzahl von ersten schrägen Strängen 14 erstrecken sich in einer Richtung 13 parallel zueinander in einem Winkel alpha zur Längsachse 16 der Hülle. Der Winkel alpha ist der Flechtwinkel der schrägen Stränge 14; der Flechtwinkel ist der spitze Winkel, gemessen von der Längsachse des Geflechts zu den Schrägsträngen. Alle einer Vielzahl von zweiten schrägen Strängen 18 erstrecken sich in einer zweiten Richtung 15 parallel zueinander in einem Winkel beta zur Längsachse 16. Im Normalfall sind die Winkel alpha und beta gleich und in diesem Falle kann jeder von ihnen zur Beschreibung des Flechtwinkels verwendet werden.
Das Diamond-Geflecht (diamond braid) ist eine bekannte Flechtweise, bei der die schrägen Stränge in einer „eins oben, eins unten"-Weise geflochten sind. Bei einer Flechtmethode, die als normales Geflecht bekannt ist, werden die schrägen Stränge in einem „zwei oben, zwei unten"-Verfahren geflochten. Die normale und die Diamond-Flechtweise sind die verbreitetsten normalen Flechtweisen und gut bekannt im Stand der Technik. Weniger geläufig sind die Herkulesmethode („drei oben, drei unten") sowie verschiedene Satin-Geflechte. Alle dieser Flechtweisen können in 1A angewandt werden.
1B illustriert einen Teil einer bekannten triaxial geflochtenen Hülle. Ein triaxiales Geflecht besitzt Schrägstränge, die identisch sind mit den Schrägsträngen 14, 18 in 1A, die als Diamond-Geflecht, Normalgeflecht etc. ausgeführt sein können. Das triaxiale Geflecht hat zusätzlich eine Vielzahl von axialen Strängen 20, die sich parallel zur Längsachse der Hülle erstrecken. Axiale Stränge bezeichnet man manchmal als Ketten (warps) oder Gleichlaufende oder eingelegte Stränge oder Spinnkabel oder Garne. Die axialen Stränge sind mit den schrägen Strängen verwoben, wobei die Schrägstränge über und unter den Axialsträngen verlaufen, wie im Stand der Technik bekannt ist. Die Anzahl der axialen Stränge kann unterschiedlich sein; bevorzugt sind sie in gleichen Abständen oder regelmäßig oder gleichförmig um den Rand der Hülle angebracht, wie es in 1B dargestellt ist. Gleiche Abstände sichern eine gleichbleibende Stärke über das gesamte Flechtgewebe.
Unter Verweis auf 1 wird eine triaxial geflochtene Hülle 10 gemäß der vorliegenden Erfindung wiedergegeben. Ein Teil 12 der Hülle 10 wird detaillierter gezeigt. Die Hülle 10 hat eine Reihe von elastischen Schrägsträngen 4, die in eine spiralige Richtung verlaufen, eine zweite Reihe elastischer Schrägstränge 8, die in die andere spiralige Richtung verlaufen, sowie eine Vielzahl von axialen Strängen 22, die parallel zur Längsachse der Hülle verlaufen. 1 zeigt einige Schrägstränge 4, 8 als Doppelstränge; vorzugsweise ist jeder Schrägstrang ein einzelner Faden. In der vorliegenden Erfindung wird eine triaxial geflochtene Hülle bzw. Hüllenmaterial bereitgestellt, in der alle Schrägstränge elastisch sind und vorzugsweise alle axialen Stränge struktureller oder verstärkender Art sind, so wie Verstärkungsspinnkabel; die axialen Stränge existieren, um Stärke und Steifheit zu gewährleisten, und sie sind unelastisch oder nicht-elastisch oder im Wesentlichen unelastisch oder nicht-streckbar und lassen sich vorzugsweise nicht durch Hitzeeinwirkung schrumpfen.
In der vorliegenden Erfindung ist anzuraten, die Menge oder den Prozentsatz an Flechtmaterial oder Fasermaterial oder Strangmaterial in der Axialrichtung zu maximieren und die Menge oder den Prozentsatz von Flechtmaterial oder Strangmaterial in der Schrägrichtung zu minimieren, weil der Zweck der Schrägstränge nur darin liegt, die Axialstränge in ihrer Position zu halten oder zu fixieren und elastisch zu sein; die Schrägstränge sind nicht dazu da, eine merkliche Stärke oder Steife zu bewirken. Solange ausreichend Schrägstränge vorhanden sind, um ihre Funktion zu erfüllen, wären weitere Schrägstränge Verschwendung. Es ist daher vorzuziehen, die Anzahl von Schrägsträngen zu minimieren und das Gewicht und die Dicke jedes Schrägstrangs zu minimieren. Es ist wünschenswert, den Prozentsatz von axialem Strangmaterial zu maximieren, da es dem Geflecht Stärke und Steife verleiht.
Unter Verweis auf 5 wird ein Teil 40 einer triaxial geflochtenen Hülle der vorliegenden Erfindung wiedergegeben, die erste Schrägstränge 42 aufweist, die in einer ersten spiraligen Richtung verlaufen, zweite Schrägstränge 44, die in einer zweiten spiraligen Richtung verlaufen sowie axiale Verstärkungsstränge oder Spinnkabel 46 (wie z.B. 12K Kohlenstoff), die parallel zur Längsachse der Hülle verlaufen.
Die axialen Stränge oder Verstärkungsstränge sind vorzugsweise aus Glasfaser, Kohlenstoff oder Aramid (Kevlar), weniger empfehlenswert aus Keramik, Polyethylen von ultra-hohem Molekulargewicht (wie z.B. die Marke Spectra), anderen Kunststoffen wie Acryl, Nylon, Rayon, Polypropylen, Polyamid und Polyester, Naturfasern wie z.B. Baumwolle, PTFE, Metallen, thermoplastischem Garn und Mischungen oder Hybriden davon, wie z.B. Glasfaser/Kohlenstoff. Die Glasfaserstränge oder Spinnkabel sind vorzugsweise E-Glas (texturiert oder nicht-texturiert) oder S-Glas (wie z.B. S-2-Glas), wie im Stand der Technik bekannt ist, vorzugsweise mit 37 bis 1800 Ertrag, bevorzugter mit 450 bis 1200 Ertrag, üblicherweise mit 112, 450, 827, 1200 und 1800 Ertrag. Diese sind im Stand der Technik bekannt und von Owens Corning Fiberglass und PPG erhältlich, wie z.B. PPG's 2002-827 Hybon und die Artikel-Nr. 111A 275 von Owens Corning. Die Kohlenstoffstränge oder Spinnkabel sind vorzugsweise 3K, 6K, 12K und 48K, sowohl Handelsqualität als auch Raumfahrtqualität, zu beziehen von Hexcel, Toho, Toray, Amoco und Grafil, einschließlich AS4-Kohlenstoff und Hexcel-Artikel-Nr. IM7-GP12K. Die Aramid-Stränge oder Spinnkabel sind vorzugsweise von der Marke Kevlar von DuPont, Kevlar 29 und Kevlar 49, vorzugsweise 200 bis 1500 Denier, wie z.B. 200, 380, 1140, 1420 und 1500 Denier. Diese Stränge können Größeneinteilungen haben, wie z.B. die Nummern 964 oder 965, wie im Stand der Technik bekannt ist. Diese strukturellen oder verstärkenden Stränge haben üblicherweise 1–6% Ausfallbelastbarkeit (ASTM D2101), d.h. sie lassen sich um 1–6% dehnen und zerreißen dann; woran sich zeigt, dass sie im Wesentlichen unelastisch sind. Unter Verweis auf 5 sind die axialen Stränge 46 vorzugsweise alle gleich beschaffen, weniger empfehlenswert können sie sich unterscheiden, so kann z.B. jede fünfte oder jede zweite aus Kohlenstoff sein und der Rest aus Glasfaser, oder die Stränge auf der einen Seite der Hülle sind aus schwerer Glasfaser und die Stränge auf der anderen Seite der Hülle aus leichterer Glasfaser.
Die elastischen Schrägstränge sind vorzugsweise elastische Fäden oder elastische Garne, wie im Stand der Technik bekannt. Ein elastischer Faden hat typischerweise einen Kern aus Elastomer, wie z.B. Natur- oder synthetisches Gummi oder ähnliches Elastomer oder Spandex und kann, bzw. kann nicht, einen Überzug oder eine Umhüllung aus natürlichen oder synthetischen Fasern oder Stoffen, typischerweise Baumwolle, Nylon oder Polyester, haben. Falls der elastische Faden freigelegt wird, lässt er sich vorzugsweise um mindestens 200, 400, 500, 600 oder 700% dehnen; er sollte vorzugsweise 100 bis 800%, bevorzugter 400 bis 800%, maximale Dehnung oder Verlängerung zum Reißpunkt haben. Wenn ein Faden von 1 Zoll über 700% maximale Dehnbarkeit verfügt, d.h. er kann bei Zimmertemperatur auf 8 Zoll gedehnt werden und dann reißen oder versagen; da er elastisch ist, wird er auf ungefähr seine Länge von 1 Zoll zurückkehren, sofern er vor dem Zerreißen losgelassen wird. Wenn der Kern aus Elastomer oder Gummi oder Spandex überzogen ist, verfügt der elastische Faden über mindestens 70, 100, 200 oder 300%, oder etwa 100–150%, 100–200%, oder 100–400% maximale Dehnbarkeit oder Verlängerbarkeit bis zum Reißpunkt; wenn ein Faden von 1 Zoll Länge 130% maximale Dehnbarkeit besitzt, bedeutet dies, dass er sich bis auf maximal 5,842 cm (2,3 Zoll) dehnen lässt, bevor er versagt oder der Überzug reißt. Der Überzug dient dazu, die Dehnung zu steuern oder zu begrenzen (was das Flechten vereinfachen kann), vermittelt zusätzliche Zugfestigkeit und macht den Faden häufig schlüpfriger; mit Überzug versehener Faden ist dann vorzuziehen, wo diese Eigenschaften nützlich sind.
Der elastische Faden hat eine maximale Dehnbarkeit von mindestens 40%, bevorzugter mindestens 75%, bevorzugter mindestens 90%, bevorzugter mindestens 100%, typischerweise mindestens 100, 200 oder 300%, oder ungefähr 100–200, 100–400 oder 100–800% maximale Dehnbarkeit. Der elastische Faden hat vorzugsweise ein Gewicht von 503,76 bis 12090,18 (250 bis 6000), bevorzugter 1410,52 bis 8866,13 m/kg (700–4400 Yards/lb.). Geeignete elastische Fäden für den Gebrauch in der vorliegenden Erfindung umfassen Nr. SE144 (Gummikern mit Nylonüberzug, 1581,80 m/kg (785 Yards/lb.), mit 130% maximaler Dehnbarkeit), Spandex der Marke Lycra ohne Überzug mit 700% maximaler Dehnbarkeit, 560–650 Denier, und Nr. 135A9J (Spandexkern der Marke Lycra mit einem Polyester-Überzug, 4200 Yards/lb., mit 120% maximaler Dehnbarkeit), zu beziehen bei Supreme Corp., Hickory, N.C.
Die vorliegende Erfindung wird auf konventionellen Flechtmaschinen oder Flechtern hergestellt, die 8 bis 800 oder mehr Träger haben, typischerweise 80 bis 400 oder 500 oder 600 Träger, z.B. 144 oder 208 Träger, obwohl Flechter mit 16 bis 80 Trägern für kleinere Hüllen geeignet sind, wie z.B. für den Stiel eines Golfschlägers. Ein konventioneller Flechter mit 144 Trägern verfügt über 72 axiale Positionen. Wie im Stand der Technik bekannt, besitzt ein konventioneller Flechter eine Axialposition für jeweils zwei Träger. Bei der Herstellung des erfundenen Geflechts werden vorzugsweise alle Axialpositionen des Flechters genutzt, um den Prozentsatz des Geflechts in der axialen Position oder Richtung zu maximieren. Es ist weniger vorzuziehen, wenn weniger als alle verfügbaren axialen Positionen eingesetzt werden.
Wenn ein konventioneller Flechter mit 144 Trägern bei Einsatz aller 144 Träger und aller 72 axialen Positionen betrieben wird, lässt sich ein normales Geflecht von 72 Schrägsträngen herstellen, die in einer schrägen Richtung verlaufen, 72 Schrägsträngen, die in der anderen Schrägrichtung verlaufen sowie 72 axialen Strängen in Längsrichtung. Wenn dieser Flechter mit 144 Trägern nur unter Einsatz von 72 Trägern verwendet wird (36 in einer Schrägrichtung und 36 in der anderen Schrägrichtung), wird ein Diamond-Geflecht hergestellt. Wenn dieser Flechter mit 144 Trägern nur unter Einsatz von 36 Trägern verwendet wird (18 in einer Schrägrichtung und 18 in der anderen Schrägrichtung), entsteht ein hier als Double Diamond bezeichnetes Geflecht. Wenn dieser Flechter mit 144 Trägern nur unter Einsatz von 18 Trägern verwendet wird (9 in einer Schrägrichtung und 9 in der anderen Schrägrichtung), wird ein hier als Triple Diamond bezeichnetes Geflecht produziert. Normale, Diamond-, Double Diamond- und Triple Diamond-Geflechte können auf Flechtern hergestellt werden, die eine andere Anzahl von Trägern besitzen (z.B. 80 Träger, 208 Träger, 400 Träger), indem dieselben Zahlenverhältnisse verwendet werden. Sofern sie in der Beschreibung und den Patentansprüchen hier verwendet werden, haben Diamond, Double Diamond, und Triple Diamond die Bedeutungen, die oben beschrieben sind.
Das erfundene Geflecht wird vorzugsweise auf einem regulären Flechter hergestellt (einem Flechter, der normale Geflechte erzeugt, sofern seine vollständige Anzahl an Trägern zum Einsatz kommt), wobei ½ bis etwa 1/75, bevorzugter ½ bis etwa 1/60, bevorzugter etwa ¼ bis etwa 1/40, bevorzugter etwa 1/8 bis etwa 1/20, oder aber auch etwa 1/12 bis etwa 1/16 der vollen Zahl an Trägern, vorzugsweise nicht mehr als ½ oder ¼ oder 1/8 oder 1/12 oder 1/16 und vorzugsweise nicht weniger als 1/75 oder 1/60 oder 1/40 oder 1/20 der vollständigen Anzahl von Trägern verwendet wird, unter der Bedingung, dass die verwendeten Träger in gleichem Abstand und symmetrisch angeordnet sind, wobei eine gleich große Anzahl von Trägern in jede Richtung verlaufen. Beispielsweise könnte ein Flechter mit 600 Trägern 1/60, oder zehn Träger, verwenden, wobei jeweils fünf in jede Richtung verlaufen und symmetrisch angeordnet sind. Hinsichtlich des erfundenen Geflechts ist ein Triple Diamond-Geflecht einem Double Diamond vorzuziehen, welches wiederum einem Diamond-Geflecht vorzuziehen ist.
Soweit hier in der Beschreibung und den Patentansprüchen verwendet, bedeutet ein „Strang in Axialposition" alle Fasern oder Filamente oder Stränge oder Fäden oder Spinnkabel, die durch eine axiale Position auf einem Flechter laufen und ein „Schrägträgerstrang" alle Fasern oder Filamente oder Stränge oder Fäden oder Spinnkabel auf einem einzelnen Träger eines Flechters. In der vorliegenden Erfindung ist jeder Strang in Axialposition typischerweise ein oder zwei oder drei oder vier Spinnkabel von verstärkenden Filamenten, und jeder Schrägträgerstrang ist typischerweise ein elastischer Faden. In dem erfundenen Geflecht beträgt das Verhältnis von Strängen in Axialposition zu Schrägträgersträngen (einschließlich, gemäß Definition, diejenigen Schrägstränge, die in einer Richtung verlaufen sowie diejenigen, die in der anderen Richtung verlaufen), vorzugsweise mindestens 1:1, bevorzugter mindestens 2:1, bevorzugter mindestens 4:1, bevorzugter mindestens 6:1, oder aber mindestens 8:1 oder 10:1 oder 20:1 oder 30:1, vorzugsweise nicht mehr als 37,5:1 oder 30:1, oder aber nicht mehr als 20:1 oder 10:1 oder 8:1. Beispielsweise erzeugt ein Flechter mit 600 Trägern, der zehn Träger und 300 Axialpositionen einsetzt, ein Geflecht, mit einem Verhältnis von Strängen in Axialposition zu Schrägträgesträngen von 300:10 oder 30:1. In Fällen, in denen weniger als alle Träger oder Axialpositionen eingesetzt werden, sollten vorzugsweise die in Gebrauch befindlichen so gleichmäßig oder in gleichem Abstand oder gleichförmig um den Flechter angeordnet sein wie möglich.
Als Option kann ein Teil der Axialpositionen ein verstärkender Strang sein und der andere Teil der Axialpositionen kann ein Verstärkungsstrang von abweichendem Gewicht oder Typ sein; so mag es beispielsweise auf einem Snowboard wünschenswert sein, mehr Verstärkung auf der Unterseite als auf der Oberseite zu haben. Dies wird dadurch bewirkt, dass dickere, schwerere Glasfasern auf die Axialpositionen um die Hälfte der Flechterebene geladen werden und eine leichtere Art von Glasfasern oder Kohlenstoff etc. auf die Axialpositionen um die andere Hälfte der Flechterebene. Die entstehende Hülle würde eine untere Hälfte (für die Unterseite des Snowboards) haben, die stark mit Glasfasern verstärkt ist, und eine obere Hälfte (für die Oberseite des Snowboards) mit weniger Glasfaserverstärkung oder, als Alternative, auch eine Verstärkung aus leichterem Kohlenstoff oder Aramid. Dieselben Prinzipien können angewandt werden, um unterschiedlich oder asymmetrisch verstärkte Hüllen für andere Produkte herzustellen, wie Kurvenverläufe bei Möbeln, unterschiedliche Seiten bei Hockeyschlägern, unterschiedliche Seiten von Skis etc. Eine Seite, die mehr Belastung ausgesetzt ist, kann deutlicher verstärkt werden. Allgemeiner ausgedrückt, die geflochtene Hülle würde einen ersten Strang in Axialposition aus einem ersten Material und einen zweiten Strang in Axialposition aus einem zweiten Material haben, wobei sich das erste Material von dem zweiten Material im Typ (beispielsweise ist eines aus Glasfaser und das andere aus Kohlenstoff oder Glasfaser/Kohlenstoff) oder Gewicht (z.B. eines ist Glasfaser mit 112 Ertrag und das andere ist Glasfaser mit 827 Ertrag) unterscheidet. Vorzugsweise bestehen mindestens 10%, bevorzugter 20%, bevorzugter 30%, bevorzugter 40%, bevorzugter 45%, bevorzugter etwa 50%, der Stränge in Axialposition aus dem ersten Material, wobei die verbleibenden Stränge in Axialposition aus dem zweiten Material sind; wahlweise können einige der übrigen Stränge in Axialposition aus einem dritten oder vierten Material usw. bestehen; vorzugsweise mindestens 10%, bevorzugter 20%, bevorzugter 30%, bevorzugter 40%, bevorzugter 45%, bevorzugter etwa 50% der Stränge in Axialposition bestehen aus dem zweiten Material.
Wenn der Flechter eingerichtet wird, um das erfundene Geflecht herzustellen, werden elastische Stränge auf die verwendeten Träger geladen (vorzugsweise ein Ende oder Faden pro Träger, weniger empfehlenswert mehr als ein Ende oder Faden pro Träger) und auf leichte bis mittlere Federspannung eingestellt. Verstärkungsstränge (so z.B. E-Glas mit 112 oder 450 Ertrag oder 12K-Kohlenstoff) werden in die axialen Positionen eingebracht, typischerweise ein, zwei, drei oder vier Enden pro Position (obwohl bis zu acht Enden pro Position verwendet werden können). Die Anzahl von Verstärkungssträngen ist im Allgemeinen eine Funktion aus der Menge von Verstärkung, die im fertigen Teil benötigt wird, was im Stand der Technik generell bekannt ist. Die Verstärkungsaxialstränge laufen besser aus Herstellerverpackungen unter der Maschine als von Spulen. Die axialen Stränge werden auf Spannungen zwischen sehr leicht bis keine Spannung eingestellt. Die Maschine wird sodann eingerichtet, um einen Flechtwinkel von 35–75°, bevorzugter 45–75°, bevorzugter 40–70°, bevorzugter 45–65°, bevorzugter 50–63°, bevorzugter 55–60°, typischerweise 57° oder 60°, zu produzieren.
Es wird bevorzugt, das Gewichtsprozent des geflochtenen Gewebes, d.h. elastische Stränge, zu minimieren; vorzugsweise machen elastische Stränge 0,1–20 (oder mehr), bevorzugter 0,5–15, bevorzugter 1–10, bevorzugter 2–6, bevorzugter unter 20, bevorzugter unter 10, bevorzugter unter 7,5, bevorzugter unter 5, bevorzugter unter 3 Gewichtsprozent des geflochtenen Materials aus, wobei die Differenz Verstärkungsstränge sind. Die erfundene geflochtene Hülle misst in entspanntem Zustand vorzugsweise etwa 0,0254–60,96 (0,01–24), bevorzugter etwa 0,254–20,32 (0,1–8), bevorzugter etwa 1,27–12,7 cm (0,5–5 Zoll) im Durchmesser.
Das geflochtene Erzeugnis kann dann dazu verwendet werden, faserverstärkte Kunststoffteile herzustellen, wie im Stand der Technik bekannt ist. Die geflochtene Hülle kann mit einem Harz (wie z.B. Epoxidharz, Polyester, Vinylester, Polyurethan, Phenolharz, Nylon, Acryl und anderen Duroplasten oder Thermoplasten) imprägniert werden und in oder über eine Form oder ein Substrat oder eine Grundform oder einen Kern oder einen Formkern gezogen werden und Hitze und/oder Druck ausgesetzt werden, um das Harz zu formen oder zu trocknen und das Teil zu formen. Die anwendbaren Verfahren beinhalten das Harz-Spritzpressverfahren (resin transfer molding (RTM)) und das Formungsverfahren nach Scrimp (Scrimp brand molding), Handauflegeverfahren (hand lay-up), das Pressverfahren (compression molding), das Pultrusionsformen (pultrusion molding), „B Stage"-Formen und das Kesselpress-Verfahren (autoclave molding) – alle im Stand der Technik bekannt. Die bei der Herstellung von verstärkten Kunststoffteilen anwendbaren Harz- und Form-Techniken, bei denen die erfundene geflochtene Hülle eingesetzt wird, sind im Stand der Technik bekannt und werden z.B. in den U.S. Patenten Nummern 5,419,231; 5,409,651; 4,283,446; 5,100,713; 4,946,721; und 4,774,043 sowie in den in diesen Patenten aufgeführten U.S. Patenten beschrieben und erwähnt; der Hinweis auf sie an dieser Stelle dient nur zu Verweiszwecken.
2–4 illustrieren eine Herstellungsmethode eines Artikels unter Verwendung der Hülle aus 1. 2 illustriert einen Formkern 24, der im Allgemeinen die Form des zu formenden Artikels besitzt, z.B. ein Zielfernrohr zur Montage auf einer Schusswaffe. Der Formkern 24 besitzt zwei Endabschnitte 26, 28 von relativ großem Durchmesser sowie einen mittleren engen Abschnitt 30 mit viel kleinerem Durchmesser. In der Mitte des mittleren Abschnitts 30 befindet sich eine kranzförmige Vergrößerung mit größerem Durchmesser als der Rest des mittleren Abschnitts 30, jedoch von geringerem Durchmesser als die Endabschnitte 26, 28. Obwohl ein spezifischer Formkern mit Querschnitten von unterschiedlichen Durchmessern dargestellt ist, können viele Varianten hiervon Verwendung finden, um viele unterschiedlich geformte Teile herzustellen.
3A illustriert die Hülle von 1, während sie über den Formkern von 2 in Richtung der Pfeile 34 gestülpt wird. Aufgrund der elastischen Schrägstränge der geflochtenen Hülle 10 kann die Hülle radial über die verschiedenen Abschnitte des Formkerns ausgedehnt werden und über die gesamte Länge des Formkerns hinweg eine enge Passform beibehalten und kann die Axialstränge 22 mit gleichem Abstand oder gleich oder gleichmäßig angeordnet um den Rand der verschiedenen Querschnitte des Formkerns fixieren, wodurch das fertige Teil mehr gleichmäßige Stärke erlangt. Die erfundene axiale Hülle zur Verstärkung kann über spitz zulaufende, gekrümmte oder andere unregelmäßige Formen gedehnt werden, wobei die axialen Verstärkungen gleichmäßig um den Umfang des Teils verteilt werden. Der entspannte Durchmesser der Hülle wird so ausgewählt, dass er nicht größer als der engste Durchmesser des Formkerns ist. Wenn die Hülle über den Formkern oder den Kern oder die Form oder das Substrat gedehnt wird, ist sein gedehnter Endzustand vorzugsweise nicht mehr als 50, weniger gut 75, weniger gut 100, weniger gut 200 Prozent größer als in ihrem entspannten Zustand, denn stärkere Dehnung separiert die axialen Stränge mehr, was zu geringerer Stärke und Steife führt, obwohl die Hülle bei weniger kritischen Anmeldungen bis zu 700 oder 800 Prozent oder mehr gedehnt werden kann. Die Hülle ist besonders wirksam für Kerne oder Formkerne, deren größter Querschnittsdurchmesser (Durchmesser im Querschnitt) aus den oben dargelegten Gründen nicht mehr als 50, weniger gut: 75, weniger gut: 100, weniger gut: 200 Prozent größer als ihr geringster Querschnittsdurchmesser ist. Wie in 3B zu sehen ist, bedeckt die Hülle die gesamte Länge des Formkerns.
An irgendeinem Punkt des Verfahrens wird die Hülle vorimprägniert („prepreg"), imprägniert oder bedeckt oder überzogen mit Harz, und das Teil wird sodann getrocknet oder geformt, typischerweise durch Anwendung von Hitze und/oder Druck – alles wie entsprechend vorheriger Beschreibung im Stand der Technik bekannt ist. Das Teil wird gekühlt und üblicherweise wird der Formkern entfernt. Alternativ kann auch ein Substrat oder eine Form (wie z.B. ein Kern aus Polyurethanschaum oder ein anderer Schaumkern) verwendet werden, das/die als Formkern fungiert, aber nicht entfernt wird, sondern Teil des fertigen Artikels wird; dies ist auch im Stand der Technik für glasfaserverstärkte Kunststoffe bekannt. Der sich ergebende röhrenförmige Artikel 36 ist in 4 wiedergegeben, 6 zeigt eine, auf ähnliche Weise hergestellte, spitz zulaufende hohle Mehrzweckstange bzw. -rohr 48.
Im Stand der Technik bekannte faserverstärkte Kunststoffteile mit variierenden Querschnitten können vorteilhafterweise durch die vorliegende Erfindung hergestellt werden, einschließlich der Stiele von Golfschlägern, Lichtmasten, hohlen Mehrzweckstangen oder -rohren, Rohren mit Krümmungen und wechselnden Durchmessern, Versorgungsschächten für Flugzeuge, wie z.B. Rohre für Klimaanlagen, elektrische Hochspannungsmasten, Skistöcke, Angeln oder Angelstöcke, Flaggenstangen, Stossstöcke für Boote (an beiden Enden zulaufend), Fahrradteile, einschließlich -sitzen, Snowboards, Wakeboards, Skis, Wasserskis, Zielfernrohre für Schusswaffen (Gewehre), zulaufende Masten, zulaufende Stangen oder Stöcke, Verbindungsteile für Rohre und Teile mit komplexen Formen, wie z.B. Teile eine Stuhls oder gewerblicher Möbelstücke, wie z.B. die Ecken oder Krümmungen.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung aufgezeigt und beschrieben sind, sollte klar sein, dass verschiedene Abänderungen und Umgestaltungen der Teile vorgenommen werden können, ohne von der Reichweite der Erfindung, wie hier dargelegt und beansprucht, abzuweichen.

Claims

Dreiachsig gewebte Hülle (10), zur Herstellung eines starren, röhrenförmigen Produktionsartikels, die Hülle (10) eine Längsachse (16) hat, wobei die Hülle (10) umfasst: eine Vielzahl von ersten Filamenten (8; 42), welche sich in einer ersten Richtung erstrecken, wobei die ersten Filamente elastisch sind und wobei die erste Richtung in einem Winkel zu der Längsachse (16) verläuft, eine Vielzahl von zweiten Filamenten (4; 44), welche sich in einer zweiten Richtung erstrecken, wobei die zweiten Filamente elastisch sind und wobei die zweite Richtung in einem Winkel zu der Längsachse (16) verläuft und anders als die erste Richtung ist, die ersten und zweiten Filamente (8, 4; 42, 44) miteinander verflochten sind und eine Vielzahl von Verstärkungssträngen (22; 46) sich parallel zu der Längsachse (16) erstreckt, die Verstärkungsstränge (22; 46) mit den ersten und zweiten Filamenten (8, 4; 42, 44) verflochten sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstränge (22; 46) im Allgemeinen unelastisch sind, wenn sie im Verhältnis zu den ersten Filamenten (8; 42) und den zweiten Filamenten (4; 44) unter Spannung stehen.
Hülle nach Anspruch 1, bei welcher jeder der axialen Verstärkungsstränge (22; 46) aus einem Material besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Glasfasern, Kohlenstoff, Aramid und Mischungen oder Hybriden aus diesen besteht.
Hülle nach Anspruch 1, wobei die Hülle (10) aus nicht mehr als 7 Gewichtsprozent Filamenten (8, 4; 42, 44) besteht und die restlichen Gewichtsprozent axiale Verstärkungsstränge (22; 46) sind.
Hülle nach Anspruch 1, wobei die Hülle (10) in einer üblichen Flechtmaschine hergestellt worden ist, welche nicht mehr als 1/4 der vollen Anzahl von Trägern der üblichen Flechtmaschine verwendet.
Hülle nach Anspruch 1, wobei die Hülle (10) auf einer üblichen Flechtmaschine hergestellt worden ist, welche nicht mehr als 1/8 der vollen Anzahl von Trägern der üblichen Flechtmaschine verwendet.
Hülle nach Anspruch 1, wobei die Hülle (10) ein Verhältnis von axialen Verstärkungssträngen (22; 46) zu Filamenten (8, 4; 42, 44) von mindestens 2:1 aufweist.
Hülle nach Anspruch 1, wobei die Hülle (10) ein Verhältnis von axialen Verstärkungssträngen (22; 46) zu Filamenten (8, 4; 42, 44) von mindestens 4:1 aufweist.
Hülle nach Anspruch 1, bei welcher jeder der Filamente (8, 4; 42, 44) auf mindestens das etwa 1,9-fache seiner ursprünglichen Länge gestreckt werden kann.
Hülle nach Anspruch 1, wobei jeder der ersten Filamente (8; 42) und jeder der zweiten Filamente (4; 44) einen Flechtwinkel von 45–75° aufweist.
Hülle nach Anspruch 8, bei welcher die Filamente (8, 4; 42, 44) überdeckte Filamente (8, 4; 42, 44) sind.
Hülle nach Anspruch 1, wobei die Hülle (10) einen ersten axialen Verstärkungsstrang (22; 46) aus einem ersten Material und einen zweiten axialen Verstärkungsstrang (22; 46) aus einem zweiten Material aufweist, wobei das erste Material in der Art oder dem Gewicht anders als das zweite Material ist.
Hülle nach Anspruch 11, wobei die Hülle (10) eine Mehrzahl von axialen Verstärkungssträngen (22; 46) aufweist, wobei mindestens 10% der axialen Verstärkungsstränge (22; 46) der Hülle (10) aus dem ersten Material bestehen und mindestens 40% der axialen Verstärkungsstränge (22; 46) der Hülle (10) aus dem zweiten Material bestehen.
Hülle nach Anspruch 12, bei welcher mindestens 30% der axialen Verstärkungsstränge (22; 46) der Hülle (10) aus dem ersten Material bestehen.
Verfahren des Formens eines starren, röhrenförmigen Produktionsartikels mit verschiedenen Querschnitten, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen einer röhrenförmig gewebten Hülle (10) mit einer Längsachse (16), wobei eine Vielzahl von ersten Filamenten (8; 42) elastisch ist und sich in eine erste Richtung erstreckt, die erste Richtung zu der Längsachse (16) einen Winkel aufweist, eine Vielzahl von zweiten Filamenten (4; 44) elastisch ist und sich in eine zweite Richtung erstreckt, welche anders als die erste Richtung ist, und wobei eine Vielzahl von Verstärkungssträngen (22; 46) sich im Allgemeinen parallel zu der Längsachse (16) erstreckt, wobei die Verstärkungsstränge (22; 46) im Allgemeinen unelastisch sind, wenn sie im Verhältnis zu den ersten Filamenten (8; 42) und den zweiten Filamenten (4; 44) unter Spannung stehen, Bereitstellen eines Formkerns (24), der die gleiche Grundform aufweist, wie der Produktionsartikel; Strecken der Hülle (10) über den Formkern (24), Behandeln der Hülle (10) mit Hitze und Druck, Abkühlen lassen der Hülle (10) zu einem starren, röhrenförmigen Produktionsartikel, und Entfernen des Artikels vom Formkern (24).
Faserverstärktes Kunststoffteil mit einer dreiachsig geflochtenen Hülle (10) in einer Kunstharzmatrix, wobei die Hülle (10) erste vorgespannte Stränge (8; 42) aufweist, die sich in eine erste spiralige Richtung erstrecken, zweite vorgespannte Stränge (4; 44) aufweist, die sich in eine zweite spiralige Richtung erstrecken, welche anders als die erste spiralige Richtung ist und axiale Verstärkungsstränge (22; 46) aufweist, alle ersten und zweiten vorgespannten Stränge (8, 4; 42, 44) der Hülle (10) in ihrem natürlich Zustand elastische Filamente sind, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Verstärkungsstränge (22; 46) im Verhältnis zu den ersten und zweiten vorgespannten Strängen (8, 4; 42, 44) im Allgemeinen unelastisch sind.
Teil nach Anspruch 15, wobei das Teil ein sich verengendes Rohr ist.
Teil nach Anspruch 15, wobei das Teil eine Mehrzweckstange (48) ist.