DE60130660T2

DE60130660T2 - Rohrförmige strukturen aus hochleistungsverbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE60130660T2
Application number: DE60130660T
Authority: DE
Inventors: Howard A. Scottsdale LINDSAY
Original assignee: Vyatek Sports Inc Scottsdale; VyaTek Sports Inc
Current assignee: Vyatek Sports Inc Scottsdale; VyaTek Sports Inc
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2001-06-14
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2021-06-15
Also published as: US20020166595A1; EP1303722A2; AU6690601A; AU2001266906B2; JP2003535724A; DE60130660D1; ATE374334T1; WO2001097990A2; CA2412683C; US6820654B2; EP1303722B1; CA2412683A1; EP1303722A4; US20050196570A1; WO2001097990A3

Description

1. TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen die Konstruktion und die Herstellung rohrförmiger Strukturen aus Hochleistungsverbundwerkstoffen. Insbesondere betrifft die Erfindung rohrförmige Strukturen aus Hochleistungsverbundwerkstoffen, die ein eingebautes Muster aus verstärkenden Streben an der Fläche des Innendurchmessers („ID") oder des Außendurchmessers („AD") des Rohres verwenden.
2. ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Dünnwandige, rohrförmige Hochleistungsstrukturen haben eine breite Vielfalt praktischer Verwendungsbereiche, z. B. Graphitverbund-Golfschlägerschäfte, Pfeile, Schlaghölzer, Skistöcke, Hockeyschläger, Fahrradteile und viele andere Anwendungen. Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik werden rohrförmige Hochleistungsstrukturen nach verschiedenen Verfahren und aus verschiedenen Werkstoffen hergestellt. Konstrukteure dieser rohrförmigen Strukturen erfüllen einige Konstruktionskriterien (z. B. Festigkeit, Steifigkeit, Gewicht und Torsionsverhalten), indem sie die Werkstofftypen (Glasfaser/Harz), die Ausrichtungen der Faserrichtungen und die geometrischen Proportionen der Röhre selbst abwandeln. Eine weitere Methode für Konstrukteure zur Verbesserung von Hochleistungsrohren ist das Entwickeln neuer Herstellungstechniken.
Unter Verwendung eines Herstellungsverfahrens werden rohrförmige Strukturen hergestellt, indem ein Werkstoff, wie vorimprägnierte Platten aus Glasfaser/Harz („Prepreg"), um einen „Dorn" gerollt werden. Die gerollten Prepreg-Schichten werden anschließend gegen die Außenfläche des Dorns („ID-Steuerfläche” genannt) durch Umwickeln der Prepreg-Schichten mit Schrumpfband und Aushärten bei erhöhter Temperatur komprimiert. 1 ist ein vereinfachtes Diagramm dieses Verfahrens, das das Umwickeln von Prepreg-Schichten 108 um einen Dorn 102 und das Umwickeln einer Schicht aus Schrumpfpackungswerkstoff 104 um die Prepreg-Schichten 108 umfasst. Durch die Anwendung von Wärme zieht sich der Schrumpfpackungswerkstoff 104 zusammen, wodurch ein äußerer Verdichtungsdruck 106 bereitgestellt wird, so dass die Prepreg-Schichten 108 komprimiert und ausgehärtet werden, so dass sie eine rohrförmige Struktur bilden.
2a und 2b sind Kopien vergrößerter Querschnittsbilder von „mattengewickelten" (flag wrapped) (2a) und „filamentgewickelten" (2b) rohrförmigen Hochleistungsstrukturen, die nach dem in 1 beschriebenen Verfahren hergestellt sind. 2a und 2b weisen sichtbar Wand-Unregelmäßigkeiten 202, 204 in rohrförmigen Strukturen auf, die häufig durch herkömmliche Fertigungstechniken entstehen.
Ein solches Verfahren ist aus der Zusammenfassung der japanischen Patentschrift Vo. 0185 , Nr. 54 (M-1691) vom 21. Oktober 1994 (21.10.1994) bekannt. Um ein kostengünstiges Produkt zu erhalten, das Eigenschaften wie ein geringes Gewicht, hohe Steifigkeit und hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist, wird in die innere Umfangsfläche eines rohrförmigen Gegenstandes, der aus faserverstärktem Verbundwerkstoff hergestellt ist, ein streifenähnlicher Vorsprung, der aus faserverstärktem Verbundwerkstoff hergestellt ist, eingebaut. Der streifenähnliche Vorsprung erstreckt sich in Längsrichtung des Gegenstandes. In dem Dokument ist nicht offenbart, für welches Produkt der Gegenstand verwendet werden soll.
Für das Einbauen des streifenähnlichen Vorsprungs weist ein Dorn, wie erwähnt, eine Nut auf, die an der äußeren Umfangfläche desselben entlang der Längsrichtung des Dorns vorgesehen ist. Die Nut ist mit einem faserverstärkenden Werkstoff, z. B. einer mit einem Harz imprägnierten Kohlenstofffaser oder Aramidfaser gefüllt. Der mit Harz imprägnierte, faserverstärkende Werkstoff wird entlang des gesamten äußeren Umfangs des Dorns gewickelt. Für die Komprimierung des Werkstoffes wird ein Polyester-Schrumpfband oder eine Vakuumsverpackung verwendet. Anschließend wird der Dom zerbrochen, um den mit Harz imprägnierten, faserverstärkenden Werkstoff auszuformen, der nun mit dem gewünschten eingebauten streifenähnlichen Vorsprung an der inneren Umfangsfläche der rohrförmigen Struktur versehen ist. Das Bereitstellen des eingebauten, streifenähnlichen Vorsprungs an der inneren Umfangsfläche der rohrförmigen Struktur kann die mechanischen Eigenschaften, wie geringes Gewicht, Steifigkeit, Festigkeit und Beständigkeit gegen Beulspannungen, nicht sehr verbessern. Das Verfahren zum Bilden des streifenähnlichen Vorsprungs als Bestandteil ist relativ einfach, bringt jedoch die im Folgenden beschriebenen Nachteile mit sich:
Die standardmäßig zum Herstellen von Hochleistungsrohren eingesetzten Mattenwickel- und Filamentwickelverfahren weisen aufgrund der Tatsache, dass sich während der Komprimierung/Aushärtung der Rohrdurchmesser verringert, mehrere Nachteile auf. Dieses Verringern des Durchmessers bewirkt in der Regel, dass die endgültige AD-Fläche rauer und unregelmäßiger ist, was eine zweite Nachbehandlung durch Spitzenlos-Schleifen und Abschmirgeln erforderlich macht. Schleifen und Abschmirgeln macht die AD-Fläche gleichförmig und glatt, so dass sie einen Anstrich erhalten kann, wodurch eine kosmetisch annehmbare Oberflächenausführung erzielt wird. Der Schleif-/Abschmirgelvorgang zerschneidet in der Regel jedoch auch die äußersten Fasern einer rohrförmigen Struktur und schabt sie ab. Da diese äußersten Fasern aufgrund ihrer Lage der höchsten Belastung ausgesetzt sind (d. h., dass σ max = MC/I, wobei „C" die Entfernung zur äußersten Schicht darstellt), verringert der Schleif-/Abschmirgelvorgang in der Regel die strukturelle Unversehrtheit einer rohrförmigen Struktur.
Eine Abwandlung der Mattenwickel- und Filamentwickeltechniken zum Herstellen rohrförmiger Hochleistungsstrukturen ist es, sie von der Innenseite statt von der Außenseite aus zu komprimieren, wodurch eine „nach der Druckformpresstechnik hergestellte" Außenfläche erzielt wird. Diese Technik verwendet statt des Schleif-/Abschmirgelvorgangs eine Negativform und die daraus entstehenden äußersten Fasern sind bei der Komprimierung/Aushärtung weniger verzerrt und werden auch nicht während des Schleif-/Abschmirgelvorgangs zerschnitten oder abgeschabt. Die Druckformpresstechnik ermöglicht ebenfalls das Verwenden höherer, gleichförmiger Komprimierungsdrücke als die herkömmlichen Schrumpfpackungs-, Mattenwickel- und Filamentwickeltechniken. Höhere Komprimierungsdrücke haben unversehrtere Laminate mit weniger Hohlräumen und daher eine größere Rohrfestigkeit zur Folge.
Auch wenn die Druckformpresstechnik eine Verbesserung gegenüber den Schrumpfpackungstechniken darstellen kann, sind Verfahren nach dem Stand der Technik zum Herstellen rohrförmiger Strukturen aus Hochleistungsverbundwerkstoffen immer noch begrenzt. Ein Problem ist, abgesehen von den vorstehend behandelten Wandunregelmäßigkeiten, die Unfähigkeit rohrförmiger Strukturen nach dem Stand der Technik, eine optimale Wandstärke zu erreichen und gleichzeitig eine ausreichende Rohrfestigkeit aufrechtzuerhalten. Unabhängig von der Wahl der Herstellungstechnik ist ein Konstrukteur in der Regel bestrebt, eine rohrförmige Struktur mit einer gleichförmigen, gleichbleibenden, gut komprimierten Wandstärke mit unbeschädigten, unverzerrten Verbundwerkstofffasern herzustellen. Ein Konstrukteur versucht in der Regel ebenfalls, die Wand der rohrförmigen Struktur so dünn wie möglich herzustellen, um das Gewicht des Rohres herabzusetzen, und gleichzeitig eine ausreichende Steifigkeit und Festigkeit der Wand zu erreichen, damit die Struktur für ihren Verwendungszweck eingesetzt werden kann. Wenn die Wand einer rohrförmigen Struktur beispielsweise dünner ausgeführt wird, sinkt normalerweise ihre gesamte Steifigkeit und Festigkeit. Wenn die Wand der Struktur zu dünn ist, kann ein erheblicher Fehler, z. B. eine Verbeulung, einer rohrförmigen Struktur die Folge sein. Ein Rohr, das (in der Regel durch Druck) verbeult, kann seine maximale Festigkeit nicht erreichen. Verbeulungen führen dagegen in der Regel zu weiteren Strukturfehlern, z. B. lokaler Faserbruch und vorzeitiger, plötzlich auftretender Strukturfehler.
Strukturfehler sind insbesondere dann wahrscheinlich, wenn eine rohrförmige Struktur beim Einsatz für ihren Verwendungszweck gebogen wird. 3a und 3b zeigen beispielsweise eine rohrförmige Struktur 302 mit Pfeilen, die Spannungskräfte 304 und Dreckkräfte 306 darstellen, die beim Biegen 308 auftreten können. Die Kombination der Spannungskräfte 304 auf der einen Seite und der Druckkräfte 306 auf der andern Seite einer rohrförmigen Struktur 302 kann, wie in 3b gezeigt, die Durchbiegung 310 der Struktur verursachen. Die Steifigkeit der Wand einer rohrförmigen Struktur 302, die von Faktoren bestimmt ist, wie der zum Herstellen des Rohres verwendete Werkstoff und die Wandstärke des Rohres, bestimmt, wieviel Durchbiegung 310 auftritt, wenn die rohrförmige Struktur mit Biegekräften belastet wird. Wenn die Durchbiegung 310 einen gewissen Punkt erreicht, tritt die Situation eines exponentiellen Verfalls ein, wobei die Spannungen, die an dem Wandabschnitt vorliegen, exponentiell ansteigen, bis die Wand schließlich katastrophal ausbeult. Da ultradünne Wände von rohrförmigen Strukturen eine ihnen innewohnende Instabilität aufweisen, müssen Konstrukteure in der Regel dickere Wände als gewünscht verwenden, um eine angemessene Steifigkeit (die sich in angemessener Stabilität ausdrückt) zu erreichen. Aus diesem Grund wird beim Einsatz von Verfahren nach dem Stand der Technik zum Herstellen rohrförmiger Strukturen aus Hochleistungsverbundwerkstoffen das Ziel eines optimalen geringen Gewichtes etwas vernachlässigt, um die erforderliche Steifigkeit und Festigkeit zu erreichen. Folglich besteht seit langem ein Bedarf an einer rohrförmigen Struktur aus Hochleistungsverbundwerkstoffen und einem Verfahren zum Herstellen dieser Struktur, die optimale Wandstärke mit optimaler Beulfestigkeit und Beulspannung miteinander kombiniert.
US-Patentschrift US-A-5908 049 offenbart ein rohrförmiges Element aus Verbundwerkstoffen, das ein äußeres, im Allgemeinen zylindrisches Element aufweist, das Fasern enthält, die ausgerichtet sind, um den Innen- und Außendrücken zu widerstehen und eine geringe Biegesteifigkeit bereitzustellen. Die beiden inneren Bereiche der axialen Verstärkung befinden sich in der Nähe der neutralen Achse des rohrförmigen Elementes aus Verbundwerkstoffen, das Fasern enthält, die ausgerichtet sind, um eine hohe axiale Steifigkeit, hohe Zugfestigkeit und niedrige Biegesteifigkeit bereitzustellen. Die inneren Bereiche bestimmen ein kleineres Biegeträgheitsmoment, das sich diametral über diese inneren Bereiche erstreckt, und ein größeres Biegeträgheitsmoment, das im Allgemeinen senkrecht auf das kleinere Trägheitsmoment wirkt.
Dieses Rohr aus Verbundwerkstoffen wird in erster Linie bei Bohrlocharbeiten bereitgestellt, z. B. für den Einsatz bei Bohrlochmessungen und Aufwältigungen von Erdölbohrungen. Zu diesem Zweck ist das Rohr aus Verbundwerkstoffen als Rohrstrang ausgeführt, der unter Bohrlochbedingungen eingesetzt und aufgespult werden kann. Das Rohr muss sein eigenes Gewicht tragen können, da es in einer Bohrlochtiefe von mindestens 6000 m (ca. 20.000 Fuß) aufgehängt ist, und es muss eine hohe Zugfähigkeit aufweisen können, um Werkzeuge herauszuziehen bzw. um Haltekräfte zu überwinden, die durch das Einbrechen von Sand und Feststoffen entstehen, die das Rohr umgeben.
Die beiden inneren Bereiche sind Elemente aus Verbundwerkstoffen, die symmetrisch und diametral auf entgegengesetzten Seiten der Innenfläche des rohrförmigen Elementes aus Verbundwerkstoffen vorgesehen sind. Diese gehärteten Elemente weisen Vorsprünge in der Nähe der Innenwand des äußeren rohrförmigen Elementes in der Nähe der Achse des kleineren Trägheitsmomentes des Querschnittes des rohrförmigen Elementes auf.
Die äußere Struktur aus Verbundwerkstoffen besteht aus Schichten aus Verbundwerkstoffen, die um ein rohrförmiges Mantelelement aus Thermoplast angepresst oder filamentgewickelt sind, so dass der Mantel an der innersten Schicht bzw. am innersten Laminat des Verbundwerkstoffes vollständig fest eingebaut ist.
Die Befestigung muss vollständig in die äußere Struktur aus Verbundwerkstoffen eingebaut sein.
Bei Bohrloch-Versenkmessungen kann das rohrförmige Element aus Verbundwerkstoffen verbeulen und an den Verbeulungspunkten wirkt eine normale Kraft auf die Wände des Bohrrohres oder des offenen Bohrloches. Diese Kraft erzeugt Reibung, da das rohrförmige Element im Bohrloch nach unten bewegt wird. Um Schäden zu vermeiden, kann das Äußere des rohrförmigen Elementes aus Verbundwerkstoffen mit einer abriebfesten Schutzhülle abgedeckt werden, um dem Verschleiß und der Reibung zu widerstehen.
Die Fasern, die in dem äußeren zylindrischen Element und den inneren Kernelementen enthalten sind, werden durch ein Plastmatrix-Bindemittel, einschließlich eines Duroplasten, wie Vinylester oder Epoxid, oder eines Thermoplasten zusammengehalten. Die äußere Struktur aus Verbundwerkstoffen besteht aus Schichten aus Verbundwerkstoffen. Folglich kann die rohrförmige Struktur der rohrförmigen Struktur ähneln, die für Produkte aus Verbundwerkstoffen, wie Golfschlägerschäfte, Pfeile usw.
verwendet wird. Das rohrförmige Element aus Verbundwerkstoff jedoch, das als Nichtstahl-Rohrstrang für Bohrungen bei Bohrloch-Versenkmessungen ausgelegt ist, kann nicht für Produkte, wie Golfschlägerschäfte, Pfeile, Schlaghölzer, Skistöcke, Hockeyschläger, Fahrradteile usw., verwendet werden, bei denen es das vorrangige Ziel von Konstruktion und Entwicklung ist, ein geringeres Gewicht, eine größere Steifigkeit und eine erhöhte Festigkeit zu erreichen.
Insbesondere steht die erforderliche Eigenschaft, ein aufspulbares rohrförmiges Element darzustellen, das eine geringe Biegesteifigkeit (flexibel) aufweist, im Gegensatz zu den gewünschten Eigenschaften einer ausgezeichneten Steifigkeit und hohen Beständigkeit gegenüber Beulspannungen des Anwendungsgegenstandes. Die beiden inneren Bereiche der rohrförmigen Elemente mit diametral gegenüberliegenden Vorsprüngen stellen eine bevorzugte Biegerichtung um die Achse der Mindestbiegesteifigkeit bereit, wenn das rohrförmige Element auf- und abgespult wird. Dies steht im Gegensatz zu den Anwendungszielen. Auch die erforderliche Bedingung, dass das Rohr sein eigenes Gewicht tragen und in der Lage sein muss, große Zugkräfte aufzubringen, um Werkzeuge herauszuziehen, ist bei rohrförmigen Strukturen aus Verbundwerkstoffen für Golfschlägerschäfte, Hockeyschläger, Fahrradteile usw. bedeutungslos.
Die vorliegende Erfindung, die in den Ansprüchen 1 und 13 spezifiert ist und die für weitere, in den Unteransprüchen 2–12 und 14–21 enthaltenen Entwicklungen von Vorteil ist, erfüllt die vorstehend beschriebenen Anforderungen hinsichtlich der Bereitstellung rohrförmiger Strukturen aus Hochleistungsverbundwerkstoffen, die ein geringeres Gewicht und/oder eine höhere Beständigkeit gegenüber Beulspannungen als herkömmliche Rohre aufweisen. Im Allgemeinen werden in der vorliegenden Erfindung Merkmale zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit in die Konstruktion rohrförmiger Strukturen aufgenommen.
Beispielsweise werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung rohrförmige Strukturen durch den Einbau kleiner, stabilisierender, erhöhter Streben auf dem ID oder AD der Rohre verstärkt. Diese Streben ermöglichen Konstrukteuren, die Trägheitseigenschaften der Rohre (Flächenmassen- Trägheitsmomente) zu optimieren, um ein geringeres Gewicht, größere Steifigkeit, höhere Festigkeit oder eine Kombination aus allen drei Eigenschaften zu erreichen. Die Streben können in einer Vielfalt von Formen und Größen angeordnet sein, sie sind allerdings in der Regel schraubenförmig oder kreisförmig, parallel oder nicht parallel angeordnet und/oder können in entgegengesetzte Richtungen verlaufen und einander überkreuzen. Gemäß verschiedenen Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung können die Streben ebenfalls hohl ausgeführt sein. Hohlstreben ermöglichen wahlweise, dass die Streben bestimmte Werkstoffe umfassen, die sich von dem Rest der rohrförmigen Struktur unterscheiden. Daher ist einem Fachmann leicht ersichtlich, dass zahllose Kombinationen und Abwandlungen von Streben gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich sind. Wie die Verwendung von I-Trägern beim Bau ermöglichen die eingebauten Streben den Konstrukteuren rohrförmiger Strukturen, weniger Werkstoffmengen zu verwenden und so die Wandstärke zu optimieren, wobei gleichzeitig die Stabilität und somit auch die Festigkeit der Wand aufrechterhalten bleibt.
1 ist ein Querschnittdiagramm für das Standard-Mattenwickelverfahren und Filamentwickelverfahren zum Herstellen einer rohrförmigen Struktur aus Hochleistungsverbundwerkstoffen.
2a und 2b sind Kopien vergrößerter Querschnittsbilder von rohrförmigen Strukturen, die nach den Mattenwickel- bzw. Filamentwickelverfahren nach dem Stand der Technik hergestellt sind.
3a und 3b sind Längsansichten einer rohrförmigen Struktur mit aufgebrachten Spannungs- und Druckkräften und der daraus entstehenden Durchbiegung.
4a, 4b und 4c zeigen im Querschnitt ein Verfahren zum Herstellen eines dehnbaren elastomeren Rohres, das eine Positivform verwendet, die beim Herstellen einer rohrförmigen Struktur aus Hochleistungsverbundwerkstoffen mit eingebauten Streben verwendet werden kann.
5a, 5b und 5c zeigen im Querschnitt ein Verfahren zum Herstellen eines dehnbaren elastomeren Rohres, das eine Negativform verwendet, die beim Herstellen einer rohrförmigen Struktur aus Hochleistungsverbundwerkstoffen mit eingebauten Streben verwendet werden kann.
6a und 6b zeigen im Querschnitt ein Verfahren und ein Gerät zum Herstellen rohrförmiger Strukturen aus Hochleistungsverbundwerkstoffen mit eingebauten Streben.
7 ist eine teilweise geschnittene Längsansicht einer rohrförmigen Struktur aus Hochleistungsverbundwerkstoffen mit auf dem ID der Struktur eingebauten Streben.
8a ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils einer rohrförmigen Struktur aus Hochleistungsverbundwerkstoffen mit einer Strebe auf dem ID der Struktur, die aus einer Deckschicht und dem eingebauten Metall besteht.
8b ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils einer rohrförmigen Struktur aus Hochleistungsverbundwerkstoffen mit einer Hohlstrebe auf dem ID der Struktur.
Demnach umfasst mit Bezug auf 4a–4c und 5a–5c und gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein dehnbares elastomeres Rohr 408 mit einer Außenfläche 416 den innersten Bestandteil des Mechanismus', der zum Herstellen einer rohrförmigen Struktur verwendet wird. 4a–4c zeigen im Querschnitt eine nicht-begrenzende Struktur, die zum Herstellen eines dehnbaren elastomeren Rohres 408 mit einer Positivform 402 verwendet wird. Die Positivform 402 kann aus jedem Werkstoff bestehen, der normalerweise von Fachleuten zum Herstellen von Formen verwendet wird. Die Fläche 406 der Positivform 402 gemäß der vorliegenden beschriebenen Ausführungsform weist ein lineares Höckermuster 414 auf. In einer Ausführungsform weisen die Höcker 414 ein schraubenförmiges Muster auf.
Gemäß einer Ausführungsform wird zum Herstellen des dehnbaren elastomeren Rohres 408 die Positivform 402 mit einer dünnen elastomeren Membran 404 bedeckt. Die elastomere Membran 404 kann aus Latex oder einem anderen Stoff zusammengesetzt sein, der zum Herstellen des elastomeren Rohres 408 geeignet ist. In einer Ausführungsform kann die Positivform 402 in flüssiges Latex getaucht werden. Das flüssige Latex wird anschließend getrocknet, um die elastomere Membran 404 zu erzeugen, und die elastomere Membran 404 wird von der Positivform 402 abgezogen. Wenn die elastomere Membran 404 von der Positivform 402, wie in 4c dargestellt, von innen nach außen gestülpt wird, so erzeugt das Höckermuster 414 auf der Positivform 402 ein Nutenmuster 420 auf der Außenfläche 416 des dehnbaren elastomeren Rohres 408.
5a–5c zeigen im Querschnitt eine weitere nicht-begrenzende Struktur, die zum Herstellen eines dehnbaren elastomeren Rohres 408 mit einer Negativform 502 verwendet wird. Die Negativform 502 kann aus einem Werkstoff bestehen, der normalerweise von Fachleuten zum Herstellen von Formen verwendet wird. Die Innenfläche 506 der Negativform 502 gemäß der vorliegenden beschriebenen Ausführungsform weist ein lineares Nutenmuster 514 auf. In einer Ausführungsform weisen die Nuten 514 ein schraubenförmiges Muster auf.
Gemäß einer Ausführungsform wird zum Herstellen eines dehnbaren elastomeren Rohres 408 die Innenfläche 506 einer Negativform 502 mit einer dünnen elastomeren Membran 504 bedeckt. Die elastomere Membran 504 kann aus Latex oder einem anderen Stoff zusammengesetzt sein, der zum Herstellen des elastomeren Rohres 408 geeignet ist. In einer Ausführungsform kann die Negativform 502 in flüssiges Latex getaucht werden. Das flüssiges Latex wird anschließend getrocknet, um die elastomere Membran 504 zu erzeugen, und die elastomere Membran 504 wird aus der Positivform 502 abgezogen. Wenn die elastomere Membran 504 nicht von innen nach außen herausgestülpt wird, wie in 5c dargestellt, so erzeugt das Nutenmuster 514 auf der Negativform 502 das Nutenmuster 420 auf der Außenfläche 416 des dehnbaren elastomeren Rohres 408.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das dehnbare elastomere Rohr 408 in geeigneter Weise aus geformten Kunststoffteilen zusammengesetzt, die aus herkömmlichen, thermoplastischen Polymeren, z. B. Polyethylen oder Ähnlichem, und durch herkömmliche Kunststoffformtechniken, z. B. Blasformen, Spritzgießen, Rotationspressen, Warmformen oder Ähnliches, gebildet sind. Das dehnbare elastomere Rohr 408 kann ebenfalls aus Gummi-ähnlichen Membranen, z. B. Latex oder Silikon, zusammengesetzt sein. Vorzugsweise besitzen alle Werkstoffe, die für das elastomere Rohr 408 verwendet werden, eine ausreichende Härte, um die „Dornfunktion" während der Schichtenbildungsvorgänge auszuführen. Beispielsweise besitzt der Werkstoff vorzugsweise Eigenschaften, die es denn elastomeren Rohr 408 ermöglichen, sich während einer Aushärtung bei erhöhten Temperaturen auszudehnen (um eine Komprimierung der Teile zu ermöglichen), wobei im Wesentlichen gleichzeitig die Gesamtheit der Druckbeaufschlagung aufrechterhalten bleibt. Vom Fachman wird verstanden werden, dass andere Werkstoffe und Techniken eingesetzt werden können, um gleichermaßen wirksame elastomere Rohre 408 zu erzeugen. Beispielsweise kann eine Vakuumformtechnik eingesetzt werden, bei der eine Polystyrol-Platte um eine Positivform 402 platziert wird, das Polystyrol und die Positivform 402 in einen Vakuumsack platziert werden und Wärme und Vakuumdruck aufgebracht werden, um das Polystyrol um die Positivform 402 herum auszuhärten. Die vorangegangenen Beispiele besitzen exemplarischen und keinen ausschließlichen Charakter.
6a und 6b zeigen im Querschnitt ein Gerät zum Herstellen einer rohrförmigen Struktur 618 mit eingebauten Streben 620 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Gerät umfasst das dehnbare elastomere Rohr 408 mit der Außenfläche 416, das, wie vorstehend beschrieben und wie in den 4a–4c und 5a–5c dargestellt, hergestellt wird. Die Faserstränge 630, deren Fasern aus Glasfasern, Graphit oder einem anderen geeigneten Werkstoff bestehen, sind um das elastomere Rohr 408 gewickelt, so dass die Faserstränge 630 in den Nuten 420 der IFL 416 liegen. Prepreg-Schichten 612 sind um den Umfang des dehnbaren elastomeren Rohres 408 und den Fasersträngen 630 platziert. Das Prepreg 612 kann eine Standardmodul-Graphitfaser (33Msi) mit Epoxidharz oder aber auch ein anderer Prepreg-Werkstoff sein, der dem Fachmann zum Herstellen rohrförmiger Hochleistungsstrukturen bekannt ist oder bisher noch nicht bekannt ist, z. B. Fiberglas, Aramid, Bor oder thermoplastische oder duroplastische Harze. Mehrere Prepreg-Schichten 612 können an ihren Verbindungsstellen mit Faserausrichtungen in einem Winkel von 0 bis 90 Grad überlagert sein. Die Faserausrichtungen an den Verbindungsstellen der Schichten 612 können sich auf die Steifigkeit und Festigkeit der entstehenden rohrförmigen Struktur 618 auswirken. Überdies können verschiedene Verstärkungsfasern in verschiedenen Schichten 612 verwendet werden, um die rohrförmigen Struktur 618 herzustellen. Beispielsweise können Schichten aus Graphit, Fiberglas und Aramid verwendet werden, um einen Verbundwerkstoff zu erzeugen. Die Anzahl und die Stärke der ausgewählten Prepreg-Schichten 612 hängen von den Eigenschaften hinsichtlich Gewicht, Steifigkeit und Festigkeit ab, die der Konstrukteur zu erreichen versucht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Verbindung kann ein Dom (in 6a und 6b nicht dargestellt) in das Innere des dehnbaren elastomeren Rohres 408 platziert werden, um den Komprimierungsvorgang der Faserstränge 630 und der Prepreg-Schichten 612 zu beginnen. Der Dorn kann aus einem harten Stoff bestehen, z. B. Holz oder Metall. In der Regel wird er in das elastomere Rohr 408 eingeführt und der Dorn, das Rohr 408, die Faserstränge 630 und die Prepreg-Schichten 612 werden mit der Hand auf einer flachen Fläche hin und her gerollt, um die Komprimierung zu starten und den Umfang der Schichten 612 zu verringern.
Danach wird der Dorn entfernt und das dehnbare, elastomere Rohr 408, das von den Fasersträngen 630 und den Prepreg-Schichten 612 bedeckt ist, wird in eine externe Aushärtungsform 616 platziert. Das elastomere Rohr 408, die Faserstränge 630, die Prepreg-Schichten 612 und die Aushärtungsform 616 werden in eine Druckvorrichtung oder eine andere Vorrichtung, die für die Druckbeaufschlagung und Aushärtung durch Wärme geeignet ist, platziert. Beispielsweise können Verfahren für die Druckbeaufschlagung das Verwenden von Druckgas, Druckflüssigkeit bzw. durch Wärme aufschäumbare Schaumstoffe, Pasten oder Granulate umfassen. Der Komprimierungs- und Aushärtungsvorgang umfasst das Aufweiten des dehnbaren elastomeren Rohres 408 während der Erwärmung. In einer Ausführungsform werden das elastomere Rohr 408, die Faserstränge 630, die Prepreg-Schichten 612 und die Aushärtungsform 616 auf ca. 94°C bis 205°C (200°F bis 400°F) und vorzugsweise auf 121°C bis 177°C (250°F bis 350°F) und im bevorzugtesten Falle auf 150°C (300°F) erhitzt und mit einem Druck von ca. 344,7 bis 1034,2 kPa (50 bis 150 psi) und vorzugsweise von 517,1 bis 861,8 kPa (75 bis 125 psi) und im bevorzugtesten Falle von ca. 689,5 kPa (100 psi) beaufschlagt. Durch das Ausdehnen des elastomeren Rohres 408 wird Druck gegen die Prepreg-Schichten 612 aufgebracht (durch die Pfeile im elastomeren Rohr 408 in 6a dargestellt) und die Schichten 612 gegen die Innenfläche 640 der Aushärtungsform 616 komprimiert. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt der in 6a und 6b dargestellte Vorgang einen im Wesentlichen luftdichten Verschluss zwischen dem dehnbaren elastomeren Rohr 408, den Fasersträngen 630 und den Prepreg-Schichten 612 bereit, was in geeigneter Weise ermöglicht, dass die Prepreg-Schichten 612 gegen die Innenfläche 640 der externen Aushärtungsform 616 durch den Druck komprimiert werden, der von dem dehnbaren, elastomeren Rohr 408 aufgebracht wird.
6b zeigt das dehnbare elastomere Rohr 408 und eine vollständig komprimierte rohrförmige Struktur 618 mit eingebauten Streben 620, die die Faserstränge 630 enthalten. Während des Komprimierungs-/Aushärtungsvorgangs drückt die Außenfläche 416 des elastomeren Rohres 408 mit seinem Nutenmuster 420 ein Muster der eingebauten Streben 620 auf den ID (auch die „innere Formlinie" oder „IFL" 624 genannt) der rohrförmigen Struktur 618. Die eingebauten Streben 620 bewirken, dass die rohrförmigen Strukturen 618 steifer ausgeführt sind, und ermöglichen die Optimierung der Stabilität und der Stärke der Wand. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (in den 6a und 6b nicht dargestellt) können die eingebauten Streben 620 auf dem AD (auch die „äußere Formlinie" oder „ÄFL" 642 genannt) der rohrförmigen Struktur 40 platziert werden. Zu diesem Zweck ist ein Nutenmuster in die Innenfläche 640 der externen Aushärtungsform 616 eingebracht und die oben beschriebene Vorgehensweise zum Herstellen der rohrförmigen Struktur 618 wird ausgeführt. Zusätzlich zu den verbesserten strukturellen Eigenschaften und Leistungswerten verleiht das Platzieren der eingebauten Streben 620 auf der ÄFL 642 den rohrförmigen Strukturen 618 den weiteren Vorteil einer einzigartigen, sichtbaren, äußeren Gestalt.
Gemäß einer Ausführungsform werden die rohrförmige Struktur 618 und das elastomere Rohr 408 nach dem Aushärten aus der Aushärtungsform 616 entfernt und das elastomere Rohr 408 wird aus der rohrförmigen Struktur 618 entfernt. Das Entfernen kann durch Flüssigkeitsextraktion, manuelle Extraktion oder andere geeignete Mittel für das Entfernen des elastomeren Rohres 408 ausgeführt werden. Gemäß einer anderen Ausführungsform verbleibt das elastomere Rohr 408 im Inneren der rohrförmigen Struktur 618. Durch das Verbleiben des elastomeren Rohres 408 im Inneren der rohrförmigen Struktur 618 kann eine zweite Funktion, z. B. das Dämpfen von Vibrationen in der rohrförmigen Struktur 618, bereitgestellt werden.
In 7, einer teilweise geschnittenen Längsansicht einer rohrförmigen Struktur aus Hochleistungsverbundwerkstoffen 618, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, sind die eingebauten Streben 620 auf der IFL 624 dargestellt. In der Ausführungsform, die in 7 dargestellt ist, sind die eingebauten Streben 620 in einem Muster von zwei Sätzen schraubenförmiger Linien ausgerichtet. Ein Satz der Streben 620 ist in Linien angeordnet, die in einem Winkel von ca. 45 Grad in Bezug auf die Längsachse der rohrförmigen Struktur 618 ausgerichtet sind. Der andere Satz der Streben 620 ist in Linien angeordnet, die in einem Winkel von ca. 45 Grad in Bezug auf die Längsachse ausgerichtet sind. Daher verlaufen die beiden Sätze der eingebauten Streben 620 senkrecht zueinander. Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ermöglicht der Vorgang, die Ausrichtung der eingebauten Streben 620 abzuwandeln, um die gewünschten Wirkungen zu erreichen, z. B. das Verbessern der Steifigkeit durch das Einstellen des Ausrichtungswinkels der Streben 620 in Bezug auf die Längsachse der rohrförmigen Struktur 618. Beispielsweise können die Streben 620 in einen Winkel von +/– 45° in Bezug auf die Längsachse ausgerichtet sein, wie in 7 dargestellt. Alternativ könnten die Streben 620 in einem anderen Winkel als +/– 45° ausgerichtet oder nicht zueinander parallel verlaufen oder sie könnten so ausgerichtet sein, dass die Streben 620 einander nicht kreuzen. Natürlich besitzen die vorstehend beschriebenen Ausrichtungen nur exemplarischen Charakter und einem Fachmann ist ersichtlich, dass für die Streben 620 alle Ausrichtungswinkel und Muster verwendet werden können und dass die rohrförmigen Strukturen 618 durch verschiedene Winkel und Muster mit unterschiedlichen Eigenschaften hinsichtlich Steifigkeit und Beständigkeit gegen Belastung versehen werden.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die eingebauten Streben 620 der rohrförmigen Strukturen aus Hochleistungsverbundwerkstoffen aus mehreren unterschiedlichen Werkstoffen und auf vielfältige Weise hergestellt werden, um die gewünschten Eigenschaften besser zu erzielen. Beispielsweise kann, wie in 8a gezeigt, eine eingebaute Metallverstärkung 802 verwendet werden, um die Strebe 620 zu verstärken. Die eingebaute Metallverstärkung 802 kann in die Prepreg-Schichten eingebracht werden, die zum Herstellen der rohrförmigen Struktur 618 verwendet werden, so dass die Streben 620 gemäß dem Muster, das die IFL 416 des dehnbaren elastomeren Rohres 408 (in den 4, 5 und 6 gezeigt) vorgibt, erzeugt werden. Sobald das eingebaute Metall 802 auf diese Weise eingebracht ist, ist es von einer „Deckschicht" 806 aus Prepreg bedeckt. Die äußere Hülle 812 der rohrförmigen Struktur 618 kann sich aus einem der zahlreichen verschiedenen Werkstoffe zusammensetzen, z. B. Graphit, Stahl, Aluminium, Titan oder Metallmatrix-Verbundwerkstoffe. Die Deckschicht 806 umfasst jeden geeigneten Werkstoff, der flexible/anpassungsfähige Eigenschaften aufweist, z. B. Graphit, Fiberglas und Ähnliches. Dem Fachmann wird ersichtlich sein, dass die Deckschicht 806 und die Außenhülle 812 der rohrförmigen Struktur 618 aus jedem Werkstoff hergestellt sein kann, der zum Herstellen rohrförmiger Strukturen 618 geeignet ist. Überdies können die Deckschicht 806 und die Außenhülle 812 aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein.
Die eingebaute Metallverstärkung 802 in den Streben 620 können aus einem anderen Werkstoff bestehen als der, der für den Rest der rohrförmigen Struktur 618 verwendet wird. Beispielsweise kann die eingebaute Metallverstärkung 802 aus Graphit, Fiberglas, Spectra, Kevlar oder nicht kontinuierlichen Fasern/Schnittfasern zusammengesetzt sein. Unterschiedliche eingebaute Metalle 802 werden den rohrförmigen Strukturen 618 unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf Steifigkeit, Festigkeit, Gewicht, Vermeidung struktureller Fehler, elektrische Leitfähigkeit und dergleichen verleihen. Natürlich können andere alternative Werkstoffe, die für die eingebaute Metallverstärkung 802 verwendet werden, wie Verbundwerkstoffe (z. B. verschiedene Fasern oder Harze), Metalle (z. B. Kupfer, Aluminium, Stahl, Titan), Kunststoffe, Keramiken oder alle anderen, für eine Verstärkung geeigneten Werkstoffe verwendet werden, die dem Fachmann bekannt sind.
Wie in 8b dargestellt und gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein potenziell vorteilhafter Typ der eingebauten Strebe 620 eine Strebe mit einem Hohlraum 810. Eingebaute Streben 620 mit Hohlräumen 810 können durch das Formen auflösbarer Kerne in die Prepreg-Schichten 612 hergestellt werden, die zum Herstellen der rohrförmigen Struktur 618 verwendet werden. Dies ähnelt dem Vorgang des Einbringens des eingebauten Metalls 802 in die Prepreg-Schichten 612. Nach der Komprimierung und denn Aushärten der rohrförmigen Struktur 618 kann sich der auflösbare Kern, der die Streben bildete, auflösen und die Hohlräume 810 hinterlassen. Die Streben 620 mit den Hohlräumen 810 verleihen einer rohrförmigen Struktur 618 voraussichtlich mehr Steifigkeit für ein gegebenes Gewicht als eine rohrförmige Struktur ohne Streben. Die Hohlräume 810 können ebenfalls mit elektronischen Drähten oder Betätigungselementen gefüllt sein. Eine mögliche Abwandlung ist ein integriertes System von Sensoren und Betätigungselementen (z. B. piezoelektrische Elemente), um „intelligente" rohrförmige Strukturen 618 zu erzeugen, die sich entsprechend der vorgegebenen Werte biegen oder anderweitig reagieren.
Der mögliche Vorteil für das Herstellen rohrförmiger Strukturen aus Hochleistungsverbundwerkstoffen 618 mit eingebauten Streben 620 gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, die Trägheitseigenschaften der rohrförmigen Strukturen genauer „anzupassen", als es mit herkömmlichen Verfahren ausgeführt werden kann. Auf diese Weise können Kräfte, die auf rohrförmige Strukturen 618 platziert werden, wie Spannung 304 und Druck 306 (in den 3a und 3b gezeigt), durch das Verwenden unterschiedlicher Ausrichtungen, Muster und/oder Werkstoffe für die Streben 620 direkt berücksichtigt werden. Überdies erreichen die eingebauten Streben 620 die Ziele hinsichtlich zusätzlicher Festigkeit und Steifigkeit, ohne dass dickere, schwerere Wände der rohrförmigen Struktur 618 erforderlich sind. Dies ermöglicht Herstellern, ultraleichte rohrförmige Strukturen 618 zu konstruieren, die in Längsrichtung flexibel sind, jedoch Verbeulung und Verbeulungsspannungen widerstehen und daher eine ausgezeichnete Drehmomentsteuerung und Stabilität aufweisen. Zusätzlich zu den verbesserten strukturellen Eigenschaften und Leistungswerten verleihen eingebaute Streben 620, die auf der ÄFL 642 einer rohrförmigen Struktur 618 platziert sind, der Struktur überdies eine einzigartige, sichtbare, ästhetisches Gestalt. Diese verbesserten rohrförmigen Strukturen 618 mit eingebauten Streben 620 können zum Herstellen von Golfschlägerschäften, Pfeilen, Schlaghölzern, Skistöcken, Hockeyschlägern und anderen Fertigungsartikeln verwendet werden, die eine rohrförmige Hochleistungsstruktur 618 benötigen. Überdies können diese rohrförmigen Strukturen 618 eine Querschnittsform aufweisen, die rund, rechtwinklig, sechseckig ist oder eine andere geeignete Form besitzt, und aufgrund der Flexibilität des dehnbaren elastomeren Rohres 408 können nicht-gerade rohrförmige Strukturen 618 konstruiert und hergestellt werden.

Claims

Rohrförmige Struktur (618), umfassend Schichten aus komprimiertem Prepreg (612); eine Außenfläche (642); eine Innenfläche (624); und mindestens eine erhöhte Strebe (620), die in die Innenfläche (624) oder die Außenfläche (642) eingebaut ist, wobei die Strebe (620) von mindestens einer Prepreg-Schicht (612) und einem Faserstrang (630) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmige Struktur (618) Teil von Graphitverbund-Golfschlägerschäften, Pfeilen, Schlaghölzern, Skistöcken, Hockeyschlägern, Fahrradteilen ist und eingebaute Streben (620) aufweist, die in einem Muster von zwei Sätzen schraubenförmiger Linien ausgerichtet sind.
Rohrförmige Struktur nach Anspruch 1, wobei die rohrförmige Struktur (618) zylindrisch ist.
Rohrförmige Struktur nach Anspruch 1, wobei ein Querschnitt der rohrförmigen Struktur (618) mindestens entweder oval, dreieckig, rechtwinklig oder sechseckig ist.
Rohrförmige Struktur nach Anspruch 1, wobei die Längsachse der rohrförmigen Struktur (618) eine gerade Linie ist.
Rohrförmige Struktur nach Anspruch 1, wobei die Längsachse der rohrförmigen Struktur (618) mindestens einen gebogenen Winkel aufweist.
Rohrförmige Struktur nach Anspruch 1, wobei die erhöhten Streben (620) +/– 45° in Bezug auf eine Längsachse der rohrförmigen Struktur (618) ausgerichtet sind.
Rohrförmige Struktur nach Anspruch 1, wobei sich die Außenfläche (642), die Innenfläche (624) und die erhöhte Strebe (620) aus dem gleichen Werkstoff zusammensetzen.
Rohrförmige Struktur nach Anspruch 1, wobei die erhöhte Strebe (620) einen anderen Strebenwerkstoff als den Werkstoff der Außenfläche (642) oder der Innenfläche (624) umfasst.
Rohrförmige Struktur nach Anspruch 8, wobei der Strebenwerkstoff mindestens entweder Fiberglas, Harz, Kupfer, Aluminium, Stahl, Titan, Kunststoff oder Keramik ist.
Rohrförmige Struktur nach Anspruch 8, wobei der Strebenwerkstoff an der Außenfläche (642) oder der Innenfläche (624) durch eine Verbundwerkstoff-Deckschicht (806) aus gleichem Werkstoff angebracht ist, wie der Werkstoff, aus denn der Rest der rohrförmigen Struktur (618) besteht.
Rohrförmige Struktur nach Anspruch 1, wobei die erhöhten Streben (620) einen Hohlraum (810) bestimmen.
Rohrförmige Struktnr nach Anspruch 11, wobei der Hohlraum (810) ein Sensorbetätigungselement einschließt.
Verfahren zum Herstellen einer rohrförmigen Struktur (618) umfassend: Herstellen eines dehnbaren elastomeren Rohrs (408) mit mindestens einer verzahnten Nut (420) auf seiner Außenfläche (416); Umwickeln des elastomeren Rohrs (408) mit mindestens einem Strang einer Faser (630), so dass der mindestens eine Strang (630) innerhalb der mindestens einen verzahnten Nut (420) liegt; Umwickeln des elastomeren Rohrs (408) und des mindestens einen Strangs (630) mit Prepreg-Verbundwerkstoff (612); Platzieren des elastomeren Rohrs (408), des mindestens einen Strangs (630) und der Prepreg-Verbundwerkstoffschichten (612) in eine Form (616) zum Herstellen der rohrförmigen Struktur (618); Unterdrucksetzen des elastomeren Rohrs (408), Aufpumpen des elastomeren Rohrs (408); Erwärmen des elastomeren Rohrs (408), des mindestens einen Strangs (630) und der Prepreg-Verbundwerkstoffschichten (612); Abkühlen des elastomeren Rohrs (408), des mindestens einen Strangs (630) und der Prepreg-Verbundwerkstoffschichten (612); und Entfernen des elastomeren Rohrs (408), des mindestens einen Strangs (630) und der Prepreg-Verbundwerkstoffschichten (612) aus der Form (616).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei sich das elastomere Rohr (408) aus einem Gummi-ähnlichen Werkstoff zusammensetzt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei sich das elastomere Rohr (408) aus einem thermoplastischen Polymer zusammensetzt.
Verfahren nach Anspruch 13, überdies umfassend das Plazieren eines Dorns im Inneren des elastomeren Rohrs (408), des mindestens einen Strangs (630) und der Prepreg-Schichten (612) und Rollen des Dorns, des elastomeren Rohrs (408) des mindestens einen Strangs (630) und der Prepreg-Schichten (612) auf einer waagerechten Fläche, um die Komprimierung der Prepreg-Schichten (612) zu beginnen.
Verfahren nach Anspruch 16, überdies umfassend das Entfernen des Dorns vor dem Platzieren des elastomeren Rohrs (408), des mindestens einen Strangs (630) und der Prepreg-Schichten (612) zusammen in der Form (616).
Verfahren nach Anspruch 13, überdies umfassend das Entfernen des elastomeren Rohrs (408) von dem mindestens einen Strang (630) und der Prepreg-Schichten (612) nach dem Entfernen des elastomeren Rohrs (408), des mindestens einen Strangs (630) und der Prepreg-Schichten (612) aus der Form (616).
Verfahren nach Anspruch 13, überdies umfassend das Entfernen des mindestens einen Strangs (630) von den Prepreg-Schichten (612) nach dem Entfernen des elastomeren Rohrs (408), des mindestens einen Strangs (630) und der Prepreg-Schichten (612) aus der Form (616).
Verfahren nach Anspruch 13, überdies umfassend: Herstellen des dehnbaren, elastomeren Rohrs (408) mit einer glatten Oberfläche (416).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Form (616) mindestens eine verzahnte Nut (420) auf ihrer Innenfläche aufweist.