DE69218920T2

DE69218920T2 - Langfaseriger verstärkte thermoplastischer rahmen, insbesondere für einen tennisschläger

Info

Publication number: DE69218920T2
Application number: DE69218920T
Authority: DE
Inventors: Stephen Davis
Original assignee: Prince Sports LLC
Current assignee: Prince Sports LLC
Priority date: 1991-01-24
Filing date: 1992-01-21
Publication date: 1997-07-17
Anticipated expiration: 2012-01-22
Also published as: ES2102495T3; DE69218920D1; US5176868A; ZA92448B; WO1992012847A1; MX9200277A; CN1063638A; CN1036126C; EP0567583A1; AU1252392A; JPH06505208A; EP0567583B1; MY108151A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Rahmen aus faserverstärktem Harz, besonders für Tennisschläger.
Die meisten Hochleistungs-Tennisschlägerrahmen werden heute aus Harzwerkstoffen hergestellt, die mit Fasern, besonders Kohlefasern verstärkt sind, welche verwendet werden, um den sogenannten Graphit-Rahmen herzustellen.
Das Standardverfahren der Produktion von Schlägerrahmen aus Verbundmaterial findet unter Verwendung von warmhärtenden Prepregs statt. Diese gibt es in Form von unidirektionalen Flächen, gewebten Stoffen oder geflochtenen Rohren.
In einem konventionellen Verfahren werden Tennisschläger rahmen aus faserimprägniertem Harz ausgehend von Flächen eines Prepreg-Werkstoffs als Verbund von ausgerichteten Kohlefasern hergestellt, die mit ungehärtetem, warmhärtendem Harz, z. B. einem Epoxydharz im B-Zustand, imprägniert sind. Ein ungehärtetes, warmhärtendes Harz ist weder flüssig noch fest und erzeugt ein Prepreg, das sehr gut in Falten zu legen, weich und formbar ist. Es ist auch sehr klebrig, so daß Lagen aneinander kleben und aufgerollt und in die Presse gepackt werden können.
Nach diesem Verfahren werden die Flächen in bestimmten Winkeln zugeschnitten und in die Gestalt eines Rohrs gerollt. Sukzessive Schichten werden in alternierenden Winkeln orientiert, um dem fertigen Rahmen gerichtete Steifigkeit und Festigkeit zu verleihen. Das Rohr wird üblicherweise auf einem Dorn über einer aufblasbaren Blase geformt oder von Hand gerollt. Der Dorn wird dann herausgezogen und das Rohr, das noch die Blase enthält, wird in eine Form in der Gestalt eines Rahmens gepackt.. In der Form wird die Blase aufgeblasen, was das Prepreg-Rohr zwingt, sich in die Gestalt der Form einzuformen, und das Prepreg wird hitzegehärtet und härtet aus.
Das vorangegangene Verfahren hat den Vorteil, daß auf diese Weise Schlägerrahmen hoher Qualität produziert werden können, aber es hat den Nachteil, beim Formen und in die Form Packen des Prepregs sehr arbeitsintensiv zu sein. Auch müssen die Prepreg-Rohre bei Verwendung dieses Verfahrens in einer kühlen Umgebung aufbewahrt werden. Der gehärtete Rahmen benötigt darüber hinaus beträchtliches Nachbearbei ten von Hand, wenn er aus der Form entfernt worden ist.
Nach einem weiteren Verfahren werden mit Epoxyd im B-Zustand umhüllte Verstärkungsfasern zu Rohren geflochten. Eine Blase wird in das Rohr eingeführt, und die Rohre werden von innen mit Druck beaufschlagt und härten in einer Form auf eine Weise ähnlich dem oben beschriebenen Prozeß für Prepreg-Flächen. Die Epoxyd-umhüllten Fasern sind aber klebrig, und es kann deshalb schwierig sein, die geflochtenen Rohre zu formen und mit ihnen zu arbeiten. Daraus folgend kann es wünschenswert sein, die Auswahl der Werkstoffe auf ein Epoxyd zu begrenzen, das im B-Zustand nicht klebrig ist.
Es ist außerdem vorgeschlagen worden, Tennisschläger unter Verwendung eines thermoplastischen, und nicht eines warmhärtenden Harzes herzustellen. Der oben beschriebene Prozeß kann aber aus praktischen Gründen nicht mit Thermoplasten verwendet werden. Im Gegensatz zu ungehärteten Epoxyd Prepregs, die bei Raumtemperatur faltbar sind, wäre ein thermoplastisches Prepreg sehr hart. Um den obigen Prozeß anzuwenden, wäre es deshalb notwendig, das Harz zuerst auf eine sehr hohe Temperatur zu erhitzen, um das Rohr zu formen, was für den Arbeiter wiederum das Handhaben bei den Arbeitsschritten der Schlägerformung, das Rohr in die Form zu packen, schwierig macht. Auch würde ein thermoplastisches Prepreg nicht kleben, was es erschweren würde, eine rohrförmige Auflage mit mehrfachen Schichten zu bilden. Zusätzlich haben thermoplastische Werkstoffe einen verhältnismäßig kleinen Bereich nahe dem Schmelzpunkt, bevor sie zu fließen beginnen. Selbst unter der Annahme, daß das Pre- - preg bis zum Punkt des Erweichens erhitzt werden könnte, ohne das Harz zu schmelzen, wäre es schwierig, die konstante Temperatur während des Verarbeitens aufrecht zu erhalten.
Verschiedene Vorschläge sind gemacht worden und verschiedene Tennisschläger auf dem Markt eingeführt, die aus spritzgegossenen, faserverstärkten Thermoplasten hergestellt sind. Für diese wird aber nicht derselbe Prozeß angewendet, der zur Herstellung von warmhärtenden Schlägern verwendet wird, und sie haben nicht dieselbe Faserstruktur. Statt dessen werden spritzgegossene Thermoplast-Schläger unter Verwendung einer Mischung aus Harz und Kurzfasern geformt, die in eine Schlägerform eingespritzt wird. Die Fasern sind im Harz in einer zufälligen Orientierung dispergiert, um einen Werkstoff mit isotropischen Eigenschaften herzustellen. Dies hat den Vorteil, den Prozeß der Schlägerformung zu vereinfachen, indem die Anzahl der manuellen Schritte reduziert wird. Dennoch gibt es für Spritzgußverfahren die allgemeine Beschränkung, daß die Fasern nicht länger als ungefähr 12, 7 mm (1/2 inch) sein können, weil sie durch eine Einspritzdüse geführt werden. Daraus folgend sind die Verstärkungsfasern sehr viel kürzer als in einem Prozeß mit einem Prepreg aus warmhärtendem Harz und produzieren nicht dieselbe Festigkeit und Gesamtsteifigkeit des Schlägers wie im Fall der längeren Fasern, die bei einem warmgehärteten Schläger vorliegen. Darüber hinaus haben die bekannten thermoplastischen Prozesse den Nachteil, daß die Faserorientierung nicht kontrolliert werden kann.
US-A-4643857 erkennt die Einschränkung der Faserlänge bei spritzgegossenen, thermoplastischen Schlägern und schlägt vor, einen Schläger unter Anwendung eines Extrusionsprozesses herzustellen, so daß die Faserlänge vergrößert werden kann. Dennoch erreicht dies nach der US-A-4643857 Faserlängen von nur 5 oder 6 mm. Solche Fasern sind bedeutend kürzer als die im oben beschriebenen Warmhärteprozeß verwendeten Versteifungsfasern.
Es wäre wünschenswert, einen thermoplastischen Rahmen herzustellen, der Verstärkungsfasern viel größerer Länge enthält, vorzugsweise von einer Länge, die denen in bekannten Warmhärteprozessen vergleichbar ist. Es wäre auch wünschenswert, einen thermoplastischen Rahmen herzustellen, in dem die Orientierung der Fasern kontrolliert werden kann, um Steifigkeiten in vorbestimmten Winkeln zu erwirken.
Nach der vorliegenden Erfindung hat ein Verfahren zur Herstellung eines Rahmens für einen Sportschläger die Schritte, eine Vielzahl von langen Verstärkungsfasern mit einem thermoplastischen Werkstoff in einer trockenen, flexiblen Form zu kombinieren, so daß wenigstens ein flexibler Zug gebildet wird, den Zug in eine Form zu plazieren, den Zug auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Thermoplasten zu erhitzen, während der Zug mit Druck beaufschlagt wird, so daß der Thermoplast zwischen die Fasern fließt und der Thermoplast und die Fasern die Gestalt der Form annehmen, und den Thermoplast und die Fasern zu kühlen, um den thermoplastischen Werkstoff mit den darin eingebetteten Verstärkungsfasern wieder zu erhärten, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte aufweist:
den mindestens einen flexiblen Zug der kombinierten Fasern und Thermoplasten als Schlauch zu formen, wobei die Fasern in mindestens einem ausgewählten Winkel orientiert sind,
eine aufblasbare Blase durch den Schlauch einzuführen,
den Schlauch und die Blase in eine Form zu packen, die die Gestalt eines Sportschlägerrahmens hat,
den Schlauch während des Schmelz- und Druckschritts von innen mit Druck zu beaufschlagen, indem die Blase aufgeblasen wird, so daß der Thermoplast zwischen die Fasern fließt und der Schlauch die Gestalt der Form annimmt und die innere Druckbeaufschlagung während des Kühlschritts aufrechtzuerhalten, bis der thermoplasti sche Werkstoff wieder erhärtet ist.
Die vorliegende Erfindung erzeugt auf diese Weise einen thermoplastischen Rahmen, besonders für einen Tennisschläger, der mit langen Fasern verstärkt ist, die in gewünschten Winkeln orientiert innig im thermoplastischen Harz eingebettet sind, wobei der thermoplastische Rahmen die Eigenschaft dynamischer Steifigkeit aufweist, so daß er bei kraftvollen Schlägen mit der Steifigkeit eines Schlägers aus warmhärtendem Harz antwortet, aber eine weichere Antwort bei leichten Schlägen und Lobs hat.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden Züge, die aus vermischten oder zusammengewundenen thermoplastischen Filamenten und Verstärkungsfasern bestehen, geflochten, um einen flexiblen Schlauch zu bilden.
Mehrere solcher Schläuche können ineinander angeordnet werden und der vielschichtige Schlauch wird in einer Form in der Gestalt eines Schlägers zusammen mit einer Blase plaziert, die innerhalb des vielschichtigen Schlauchs angeordnet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind Verstärkungsfaserzüge mit Thermoplast in Pulverform vorimprägniert. Die Verstärkungsfasern können in ein Fließbett des thermoplastischen Pulvers getaucht werden, um mindestens einen Pulver-vorimprägnierten Faserzug zu bilden. Die Pulver-vorimprägnierten Faserzüge werden dann geflochten und auf dieselbe Weise wie oben geformt. Vorzugsweise: Der Schlauch besteht aus mindestens einem wendelförmig gewickelten Zug, und der Zug weist mindestens einen in einer Gegenrichtung zu dem mindestens einen Zug wendelförmig gewickelten Querzug auf.
In dem Fall, daß der Rahmen für einen Tennisschläger bestimmt ist, kann es wünschenswert sein, mehrere Schichten geflochtenen Schlauchs zusammenzufassen, um einen mehrlagigen Rahmen zu bilden und verschiedene Winkel der Faseronentierung in den sukzessiven Lagen zu wählen. Es ist außerdem möglich, Verstärkungsfasern zwischen den geflochtenen Schläuchen sich in Längsrichtung für zusätzliche Verstärkung erstrecken zu lassen. Vorzugsweise werden solche Fasern mit thermoplastischen Filamenten oder Pulver kombiniert, die schmelzen, um das einbettende Substrat zu bilden.
Bespannungsbohrungen können im Kopfabschnitt des Rahmens durch Heißnadel-Injektion geformt werden, die den Thermoplast erneut schmelzen läßt. Heißnadel-Injektion ist deshalb wünschenswert, weil Bohrungen gebildet werden können, ohne die Verstärkungsfasern zu zerbrechen. Alternativ können dennoch konventionelle Bohrverfahren einfach Anwendung finden.
Ein durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung gebildeter Tennisschläger hat die Festigkeit eines warmgehärteten Schlägers mit langen Fasern, und wie in Warmhärteprozessen kann der Winkel der Faserorientierung gesteuert werden. Zusätzlich hat ein Tennisschläger, der mittels des Verfahrens der vorliegenden Erfindung gebildet ist, anders als bekannte warmgehärtete Schläger die Eigenschaft dynamischer Steifigkeit. Bei einem warmgehärteten Schläger setzt Kreuzvernetzung beim Warmhärten des Harzes ein. Bei einem thermoplastischen Harz werden kreuzvernetzte Ketten nicht gebildet, so daß das Harz viskoelastische Eigenschaften aufweist. Ein viskoelastisches Polymer reagiert, anders als ein warmgehärtetes Polymer, unterschiedlich auf unterschiedliche Grade der Belastung.
Dies ist im Fall eines Tennisschlägers bedeutend, besonders bei Großkopf-Tennisschlägern mit ultrasteifen Rahmen, denn der Preis für höhere Leistung ist oft ein Mangel an Gefühl. Ein thermoplastischer Schläger hat die Möglichkeit, sich wie ein steiferer, kraftvollerer Schläger zu verhalten, wenn ein harter Schlag geschlagen wird, aber wie ein weicherer Schläger zu reagieren, wenn ein leichterer Schlag - - oder Lob geschlagen wird.
Ein Tennisschlägerrahmen, der durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung gebildet wird, hat verschiedene andere Vorteile.
Ein thermoplastischer, faserverstärkter Rahmen hat eine hervorragende Schlagfestigkeit. Thermoplastische Harze haben eine hohe Bruchdehnung, und deshalb können thermoplastische Verbundwerkstoffe größere Schlagbelastung aufnehmen, bevor sie versagen. Ein nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellter Rahmen hat außerdem erwünschte vibrationsdämpfende Eigenschaften, weil Thermoplasten die Eigenschaft innewohnt, Vibrationen zu absorbieren. Deshalb hat ein thermoplastischer Rahmen mit langen Fasern den besonderen Vorteil der Steifigkeitseigenschaften eines warmgeformten Rahmens zusammen mit den schlag- und vibrationsdämpfenden Eigenschaften eines kurzfaserverstärkten, spritzgegossenen Rahmens. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß der Rahmen so geformt werden kann, daß er dann, wenn er aus der Form genommen wird! eine glattere Außenfläche aufweist, als bei warmgehärteten Harzen, und daß der Aufwand des Flächenschleifens und Nachbearbeitens des Rahmens reduziert werden kann. Auch kann das Gewicht des Rahmens verglichen mit warmgeformten Rahmen reduziert werden, weil thermoplastische Harze generell eine geringere Dichte aufweisen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verwiesen, in denen:
Fig. 1 eine Vorderansicht eines Zugs kombinierter Fasern und Filamente ist, der verwendet wird, um den geflochtenen Schlauch in Fig. 2 herzustellen,
Fig. 2 eine Vorderansicht eines Abschnitts eines geflochtenen Schlauchs ist, der verwendet wird, um einen Rahmen nach dem Verfahren entsprechend der Erfindung herzustellen,
Fig. 3 ein Schnitt entlang Linie 3-3 in Fig. 2 des Schlauchs ist,
Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des Schlauchs ist, die ein Beispiel eines Flechtmusters zeigt,
Fig. 5 eine Vorderansicht ist, die eine Länge eines Schlauchs zeigt, der in einer Form zum Herstellen eines Tennisschlägers angeordnet ist, und
Fig. 6 eine Vorderansicht eines Tennisschlägerrahmens ist, der durch das Verfahren entsprechend der Erfindung hergestellt wird.
Fig. 1 zeigt einen Zug 10 aus mehreren Filamenten, der im Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Der Zug 10 ist aus einer Vielzahl von Filamenten aus thermoplastischem Material 12 zusammen mit einer Vielzahl Verstärkungsfasern 14, wie z. B. Kohlefasern, zusammengesetzt. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Kohlefaserzug 14 ein 12K-Zug (12.000 Fasern) von 7.200 Denier (7.200 g pro 9.000 m Länge) und der Nylonzug 12 weist ein Minimum von 136 Nylonfilamenten auf, um ein Denier von ungefähr 4.050 zu haben. Zur Verwendung in der Erfindung geeignete Kohlefaserzüge ebenso wie Nylonzüge aus mehreren Filamenten sind kommerziell erhältlich. Vorzugsweise ist der Zug 10 mit einer Thermoplast-kompatiblen Grundierung von ungefähr 0,5 bis 2,0 Gewichtsprozent beschichtet, um das Benetzen der Fasern während des folgenden Schmelzschritts zu fördern.
Die Züge 10 können durch Zusammenwinden eines Zugs aus Verstärkungsfasern 14 und eines Zugs aus thermoplastischen Filamenten 12 gebildet werden, d. h. indem, wie in Fig. 1 gezeigt, ein Faserzug Seite-an Seite mit einem Zug Filamente gebracht wird. Es ist auch möglich, die Züge aus Fasern und thermoplastischen Filamenten zu vermischen oder einen Pulver-Prepreg-Prozeß anzuwenden wie weiter unten beschrieben.
Generell jedenfalls beträgt das gewünschte Verhältnis bei jedem der Verfahren ungefähr 38 Gewichtsprozent thermoplastischen Werkstoffs (Harz) zu 62 Gewichtsprozent Verstärkungs fasern.
Mit Bezug auf Fig. 2 und 3 wird eine Vielzahl von Zügen 10 geflochten, um ein flexibles Rohr oder Schlauch 16 zu bilden. Fig. 2 und 4 zeigen ein beispielhaftes Flechtmuster, in dem die Züge 10 in ausgewählten Winkeln orientiert sind, z. B. im Bereich von ungefähr 15 bis 30º relativ zur Schlauchachse 35.
Im Beispiel der Fig. 2 ist der geflochtene Schlauch 16 aus Seite an Seite gelegenen Zügen 10a gebildet, die wendelförmig in eine Richtung gewickelt sind, sowie 16 Querzügen 10b, die wendelförmig in die entgegengesetzte Richtung gewickelt sind, um die Züge loa zu kreuzen. Wie man deutlicher im Beispiel eines geeigneten Flechtmusters, das in Fig. 4 dargestellt ist, sehen kann, führt der Zug 40 über ein Paar Querzüge 36, 37 und dann unter dem nächsten Paar Querzüge 38, 39 vorbei. Dieses Muster würde sich mit fortfolgenden Paaren von Querzügen fortsetzten (, die in Fig. 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind) Der Zug 41 führt unter dem Querzug 36, dann über dem Paar 37, 38, und dann unter und über fortfolgenden Paaren vorbei, im selben Muster wie Zug 40, aber um einen Querzug nach rechts versetzt. Ahnlich führen die Züge 42, 43 unter und über Paaren von Querzügen vorbei, jedes fortfolgende Muster um einen Querzug nach rechts versetzt.
Geflechte können eine Anzahl zusammengesetzter Züge verwenden, die in bestimmten Winkeln in bestimmten Durchmessern geflochten sind. Der Rahmen kann aus vielfachen Geflechte verschiedener Größen bestehen, z. B. 24-Träger, 28-Träger und 32-Träger um einen viellagigen Rahmen zu bilden, wobei die Träger größerer Zahl in Richtung der Außenseite angeordnet sind, wo größere Durchmesser bevorzugt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein 12K-Zug (12.000 Filamente) aus Kohlefaser mit thermoplastischen Nylonfilamenten kombiniert, um eine zu 62 Gewichtsprozent faserverstärkte Struktur zu erhalten. Das innere Geflecht ist ein 24-Träger-Geflecht, das in einem Winkel von 25º (relativ zur Schlauchachse) geflochten ist, um einen Schlauch von 1,43 cm (0,562 inch) Durchmesser zu bilden.
Ein zweites 28-Träger-Geflecht in einem Winkel von 22º und mit 1,59 cm (0,625 inch) Durchmesser ist über dem inneren Geflecht angeordnet. Bevor man das äußere Geflecht anbringt, wird das zweite Geflecht mit axial ausgerichteten Fasern verstärkt, die typischerweise in der 12 Uhr Position des Schlägerrahmens, oder was die nach außen weisenden Fläche in der Ebene der Bespannung sein wird, positioniert sind. Die axialen Verstärkungsfasern können als ein unidirektional gewobenes Band vorgesehen sein, das ungefähr 25 mm breit und 400 mm lang ist. Dieses unidirektionale Band kann am zweiten Geflecht mittels Mono-Filament-Nylon befestigt sein, das sich spiralig um das zweite Geflecht wikkelt. Ein 32-Träger-Geflecht in einem Winkel von 20º und mit 1,90 cm (0,75 inch) Durchmesser ist über den vorherigen zwei Geflechten angeordnet, um das äußere Geflecht zu bilden.
Vorzugsweise sind alle drei Geflechte über einem festen 1,43 cm (0,562 inch) Dorn angeordnet. Dies erleichtert es, die richtige Gesamtgröße vor dem Packen in die Form zu bil den. Außerdem unterstützt dies die Gewichtskontrolle.
Der Dorn wird dann entfernt und die Blase in das innere Trägergeflecht eingeführt, um die Hauptrohrgruppe zu bilden. Die Blase hat volle Länge und erstreckt sich über jedes Ende des Geflechts um 12,70 oder 15,24 cm (5 oder 6 inch) hinaus.
Das Vorangegangene ist ausschließlich illustrativ, und jedes beliebige Flechtmuster kann verwendet werden. Darüber hinaus ist es nicht notwendig, die Züge initial zu flechten. Das Flechten erzeugt aber einen flexiblen Schlauch, der in weiteren Schritten, ohne auszufasern, leicht handzuhaben und zu verwenden ist. Das Ziel ist dennoch, die Züge in einem Winkel anzuordnen, der für das Endprodukt gewünscht wird, und gleichzeitig sicherzustellen, daß die thermoplastischen Filamente 12 über den Schlauch verteilt sind und sich in relativ großer Nähe zu den Verstärkungsfasern 14 befinden, so daß beim Erhitzen der Thermoplast um die Fasern fließt.
Fig. 5 illustriert die untere Hälfte 45 einer Form, die verwendet werden kann, um einen Tennisschlägerrahmen unter Verwendung des geflochtenen Schlauchs 16 in Fig. 2 herzustellen. Die Form begrenzt einen kontinuierlichen Profilhohlraum 49, der am stumpfen Ende 47 des Schlägerrahmens beginnt, sich um die Hals- und Kopfabschnitte des Schlägers erstreckt und wieder am stumpfen Ende 47 endet. Um den Rahmen herzustellen, ist eine Länge des Schlauchs 16 vorgesehen, die sich entlang des Hohlraums erstrecken soll, wobei die entgegengesetzten Enden des Schlauchs am stumpfen Ende 47 enden. Wie oben angemerkt werden vorzugsweise zwei oder drei Schlauchelemente ineinander gepackt um eine mehrlagige Schichtung zu bilden. Die Anzahl der Lagen hängt von der gewünschten Wandstärke und dem Gewicht des resultierenden Rahmens ab.
Bevor der Schlauch 16 (oder eine mehrlagige Schichtung) in die Form 45 gepackt wird, wird die aufblasbare Blase 46 durch den Schlauch (oder durch den inneren Schlauch in einer mehrlagigen Anordnung) eingeführt, so daß die entgegengesetzten Enden 48 der Blase 47 sich aus den entgegengesetzten Enden des Schlauchs 16 heraus erstrecken. Wie in Fig. 5 dargestellt wird der flexible Schlauch 16 in der Form 45 so positioniert, daß die Enden 48 der Blase 46 aus der Form herausragen.
Eine Halsbaugruppe kann auf übliche Art in der Form positioniert werden. Das Halsstück 50 kann ein zusätzlicher Abschnitt aus geflochtenem Rohr sein, der um einen ausziehbaren Schaumkern herum angeordnet ist. Der Kern sollte aus einem Werkstoff sein, wie z. B. einem wärmedehnbaren Schaum, der die zum Schmelzen des Thermoplasten notwendige Temperatur aushalten kann. In einem illustrativen Beispiel ist ein Schaumkern vorgeschnitten und drei Geflechte sind über dem Kern positioniert, z. B. ein inneres 24-Träger- Geflecht, ein mittleres 28-Träger-Geflecht und ein äußeres 32-Träger-Geflecht. Mono-Filament-Nylon wird zum Wickeln und Aushärten der Halsbaugruppe vor dem Packen in die Form verwendet. Dies hilft, die Gesamtgröße der Halsbaugruppe zu erhalten.
Weil der Thermoplast noch nicht die Fasern umhüllt und in Filamentform vorliegt, ist das Rohgewicht der Hauptrohrbaugruppe größer als das des schließlichen Rahmenprofils. Es ist deshalb notwendig, die Form vorsichtig zu packen und zu schließen, um zu vermeiden, Material einzuklemmen. Um dies zu erleichtern, ist es vorteilhaft, die Einsatzplatten, die in Warmhärteprozessen verwendet werden, wobei eine Deckplatte, eine Grundplatte und zwei Einsetzplatten Verwendung finden, durch Seitplatten voller Länge zu ersetzen. Die Halsbaugruppe wird dann in ihrem entsprechenden Hohlraum positioniert, und die Enden des Halses werden um die Hauptrohrbaugruppe gewickelt. Darauf hin wird die Deckplatte an der Grundplatte befestigt. Vorsicht ist geboten, um sicherzustellen, daß nach dem Schließen der Deckplatte kein Material entlang der Innenflächen des Rahmens geklemmt ist.
Wenn die Deckplatte an der Grundplatte befestigt ist, werden die Seitplatten einwärts bewegt, um das Material innerhalb des Hohlraums der Form zu plazieren. Um dies zu erreichen, kann Kraft notwendig sein, und es ist wichtig, daß die Seitplatten präzise in den Raum zwischen der Deck- und Grundplatte passen.
Die Form wird dann zusammengeschraubt, was die Handhabung während der Heiz- und- Kühlzyklen erleichtert. Während des Erhitzens und Kühlens sollte die Form geschlossen gehalten bleiben, weil der thermoplastische Werkstoff weich bleibt, wenn er sich oberhalb des Punkts des Erweichens befindet, und innerer Druck sollte in der Blase während des Kühlens aufrechterhalten bleiben, bis der Thermoplast genügend gehärtet ist.
Wenn sich der geflochtene Schlauch 16 innerhalb der Form 45 befindet, wird die Form geschlossen und die Blase 46 aufgeblasen. Die Form wird auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, die thermoplastischen Filamente 12 zu schmelzen, was im Fall von Nylon typischerweise ungefähr 232 bis 260ºC (450 bis 500ºF) sind, während die Blase 46 aufgeblasen bleibt. Die Blase kann beim Herstellen eines Tennisschlägers auf einen initialen Druck im Bereich von ungefähr 6,90 bis 34,48 bar (100 bis 500 psi) aufgeblasen werden.
Die Blase sollte aus einem Werkstoff hergestellt sein, der einen Schmelzpunkt hat, welcher größer ist als der Schmelzpunkt des thermoplastischen Werkstoffs, wie z. B. Silikongummi, Polyetheretherkiton (PEEK) oder ein Nylon mit höherem Schmelzpunkt. Es ist auch möglich eine Fluoroelastomerblase zu verwenden. Zusätzlich zur Temperaturbeständigkeit sollte das Blasenmaterial auch gute Längungseigenschaften, eine gute Zähigkeit und eine gute Reißfestigkeit haben.
Sobald der thermoplastische Werkstoff schmilzt, fließt er zwischen die Kohlefasern, so daß die Kohlefasern im Thermoplast eingebettet werden. Der durch die Blase ausgeübte Druck erleichtert das Fließen des thermoplastischen Werkstoffs und stellt sicher, daß der Schlauch 16 sich in die Gestalt der Form einformt. Anschließend wird die Form gekühlt, um den thermoplastischen Werkstoff zu härten, und dann kann der Rahmen aus der Form entfernt werden.
Die Heiz- und Kühlzyklen brauchen nur lang genug zu sein, um den Thermoplasten zu schmelzen mit genügend Zeit, um den geschmolzenen Werkstoff um die Fasern herumfließen zu lassen, und ihn wieder zu erhärten. In einem beispielhaften Prozeß wird die Form einem 40-minütigen Aufheizzyklus bei 260ºC (500ºF) und einem 20-minütigen Kühlzyklus ausgesetzt. Dennoch hängen die Längen der Zyklen von der Form, den beaufschlagten Temperaturen und dem Druck ab, und es ist möglich, die Zykluszeiten wesentlich zu reduzieren.
Nach dem Entfernen aus der Schlägerform kann der Rahmen wie jeder gegossene, warmgehärtete Schläger behandelt werden. Nicht gefüllte Löcher können also gefüllt werden, der Schläger wird gebohrt und lackiert, und ein Griff wird am Schaft montiert.
Die Blase kann, braucht aber nicht im Schlägerrahmen zu verbleiben, was vom Gewicht der Blase abhängt. PEEK-Blasen mit einer Wandstärke von 0,008 cm (0,003 inch) haben ein - Gewicht von ungefähr 8 g und können im Schläger verbleiben. Silikongummiblasen wiegen ungefähr 30 g und es kann notwendig sein, sie zu entfernen.
Wie in Fig. 6 dargestellt weist der Rahmen 52, wenn er aus der Form entfernt wird, die übliche Gestalt des Tennisschlägers einschließlich eines Kopfabschnitts 54, Halsabschnitts 56 und eines Schafts 58 auf, die alle aus einer kontinuierlichen Länge geflöchtenen Schlauchs zusammen mit dem Halsstück 50 gebildet sind. Bohrungen für die Bespannung werden in den Schläger geformt, vorzugsweise mittels einer heißen Stechnadel 62. Durch das Stechen mit einer heißen Nadel kann der thermoplastische Werkstoff geschmolzen und die Bespannungsbohrungen gebildet werden, ohne die Verstärkungskohlefasern zu zerbrechen. Konventionelle Bohrverfahren können aber ebenfalls mit guten Ergebnissen angewendet werden.
Der resultierende Schlägerrahmen 52 ist aus langen Verstärkungsfasern gebildet, die in gewählten Querwinkeln orientiert und innig im thermoplastischen Harz eingebettet sind. Der hier verwendete Begriffl "lange Fasern" bedeutet eine Faser mit einer Länge, die größer ist als 2,54 cm (1 inch), d. h. größer als die Länge von Fasern, die in bekannten Spritzguß oder Extrusionsprozessen verwendet werden. Dennoch ist zu bemerken, daß unter Verwendung des bevorzugten Verfahrens der Herstellung eines Schlägerrahmens, bei dem Züge von Verstärkungsfasern und thermoplastischen Fasern oder Pulver verwendet werden, die Verstärkungsfasern Längen von mehr als 2,54 cm (1 inch) haben und sich tatsächlich in einem wendelförmigen Verlauf kontinuierlich über die gesamte Länge des Schlauchs, der zum Formen des Rahmens verwendet wurde, erstrecken.
Wie oben diskutiert können die Züge 10, die zum Formen des Rahmens verwendet werden, durch Zusammenwinden von Verstärkungsfasern und thermoplastischen Filamenten, durch Vermischen der Fasern und Filamente oder durch Pulverimprägnierung der Verstärkungsfasern gebildet werden. Bei der Methode des Zusammenwindens wird ein Zug struktureller Fasern Seite an Seite mit einem Zug thermoplastischer Filamente gewunden. Ein bedeutendes Vermischen zwischen den Fasern und Filamenten findet initial nicht statt, aber aufgrund hohen Aushärtedrucks und Hitze innerhalb der Form sowie mit genügend Benetzung fließt der Thermoplast und umgibt die Fasern, so daß ein hochfester Rahmen entsteht.
Die Methode des Vermischens zum Formen eines Rahmens ist ähnlich dem Prozeß des Zusammenwindens, außer das die Fasern und thermoplastischen Filamente vor dem Bilden des geflochtenen Schlauchs vermischt werden. Dies wird bewerkstelligt, indem eine Rolle Faserverstärkungs-Zugmaterials genommen und in einem festgesetzten Verhältnis mit thermoplastischen Filamenten kombiniert wird, um ein initiales Durchsetzen der Fasern und Filamente zu bewirken. Der kombinierte Zug kann für späteren Gebrauch auf eine Vorratsspule gewickelt werden. Wenn der vermische Zug Hitze und Aushärtedruck ausgesetzt wird, fließt der Thermoplast und umgibt die Verstärkungsfasern wie im Fall der zusammengewundenen Fasern und Filamente. Die Verwendung zusammengemischter Züge erleichtert aber ein hochgradiges Vermischen und bewirkt eine bessere Benetzung und kann deshalb in bestimmten Anwendungen bevorzugt werden.
Bei einem Verfahren mit Pulver-Vorimprägnierung wird ein Zug von Verstärkungsfasern, z. B. einem 12K-Zug aus 7.200Denier-Kohlefasern, durch ein Fließbett mit thermoplastischem Werkstoff in Form eines feinen Pulvers dirigiert. Vor dem Tauchen in das Fließbett werden die Fasern ausreichend aufgespreizt, so daß der thermoplastische Werkstoff - innig in den Faserzug eingebettet wird. Nach der Imprägnierung mit dem thermoplastischen Pulver kann der Faserzug, wenn gewünscht, in eine Hülle aus thermoplastischem Werk stoff, z. B. mit einer Dicke von ungefähr 0,002 cm (0,001 inch), eingeschlossen werden, um das Halten des im Zug gefangenen Pulvers zu unterstützen. Der Pulver-vorimprägnierte Zug wird dann geflochten und auf die oben beschriebene Weise verarbeitet. Fließbettapparate, die zur Verwendung mit thermoplastischem Pulver geeignet sind, ebenso wie Thermoplast-Ummantelungs-Hüllmateriale sind kom merziell erhältlich, und jedes geeignete System kann verwendet werden.
Vorzugsweise werden die geflochtenen Schläuche vorgeformt und können in einer Rolle gelagert werden. Anschließend wird das Schlauchmaterial zum Herstellen eines Tennisschlägers von der Rolle in Bandform genommen und kann sehr ähnlich wie ein warmhärtendes Prepreg geschnitten und in der Form plaziert werden. Die Verwendung eines Geflechts ist wünschenswert, weil die Geflechte selbsthaltend sind und die Fasern an ihrem Ort innerhalb des Geflechts bleiben. Beim Herstellen eines Tennisschlägers ist es zu bevorzugen, zwei oder drei rohrförmige Geflechte abhängig von der Dichte jedes Geflechts ineinander zu plazieren, um die gewünschte Wandstärke und das Gewicht des Rahmenteils zu produzieren. In der Form drückt auch die aufgeblasene Blase zusätzlich zum Einformen des Produkts in die Gestalt der Form die mehreren Lagen zusammen. Das erhitzte Harz beginnt oberhalb des Schmelzpunktes zu fließen und imprägniert alle Verstärkungsfasern. Der innere Druck wird aufrechterhalten und Zusammendrücken und Verfestigen des Verbundwerkstoffs resultiert daraus.
Das vorangegangene Beispiel verwendet Kohlefasern als Verstärkungsfaser. Es ist aber auch möglich, irgendeine der gegenwärtig bei warmgehärteten Schlägern verwendeten Verstärkungsfasern zu verwenden ebenso wie alle anderen geeigneten Verstärkungsfasern. Dies umfaßt Fiberglas, Kevlar, Boron und Keramik. Die verwendete Faser sollte eine thermoplastische Grundierung (Beschichtung) erhalten, die mit der Benetzung des geschmolzenen thermoplastischen Harzes kompatibel ist, um die Handhabung des zusammengewundenen oder zusammengemischten Zugs zu verbessern und Benetzung zu verstärken.
Zahlreiche thermoplastische Werkstoffe sind zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet. Nylon 6 ist wegen seines niedrigen Schmelzpunkts, guter Fließfähigkeit und guter Zähigkeit wünschenswert. Es ist auch leicht erhält lich und kann in Filament- oder Pulverform produziert werden. Dennoch können andere thermoplastische Werkstoffe, wie z. B. Nylon 6/6, Nylon 11, Nylon 12, Nylon 6/12, Polyester, Polycarbonat, Polypropylen, ABS, Polyethylen oder Polyetheretherketon (PEEK), verwendet werden.
Abwandlungen und Modifikationen der vorangegangenen Zusammensetzung und des Verfahrens sind für den Durchschnittsfachmann naheliegend. Z. B. können, während Zusammenwinden, Zusammenmischen und Pulverimprägnierung gegenwärtig als die bevorzugten Verfahren zum Vorbereiten flexibler Züge zur Kombination von Fasern und Thermoplast für die Verwendung in der Erfindung angesehen werden, auch andere geeignete Verfahren Verwendung finden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Rahmens für einen Sportschlsger mit den Schritten, eine Vielzahl von langen Verstärkungsfasern (14) mit einem thermoplastischen Werkstoff (12) in einer trockenen, flexiblen Form zu kombinieren, so daß wenigstens ein flexibler Zug (10) gebildet wird, den Zug (10) in eine Form (45) zu plazieren, den Zug (10) auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Thermoplasten zu erhitzen, während der Zug (10) mit Druck beaufschlagt wird, so daß der Thermoplast zwischen die Fasern (14) fließt und der Thermoplast und die Fasern die Gestalt der Form annehmen, und den Thermoplast und die Fasern zu kühlen, um den thermoplastischen Werkstoff (12) mit den darin eingebetteten Verstärkungsfasern (14) wieder zu erhärten, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte aufweist:

den mindestens einen flexiblen Zug (10) der kombinierten Fasern und Thermoplasten als Schlauch (16) zu formen, wobei die Fasern in mindestens einem ausgewählten Winkel orientiert sind,

eine aufblasbare Blase (46) durch den Schlauch einzuführen,

den Schlauch (16) und die Blase (46) in eine Form (45) zu packen, die die Gestalt eines Sportschlägerrahmens (52) hat,

den Schlauch (16) während des Schmelz- und Druckschritts von innen mit Druck zu beaufschlagen, indem die Blase (46) aufgeblasen wird, so daß der Thermoplast zwischen die Fasern (14) fließt und der Schlauch (16) die Gestalt der Form (45) annimmt und

die innere Druckbeaufschlagung während des Kühlschritts aufrechtzuerhalten, bis der thermoplastische Werkstoff wieder erhärtet ist.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastische Werkstoff in Form einer Vielzahl flexibler, thermoplastischer Filamente (12) vorliegt, wobei die Fasern (14) und die Filamente (12) kombiniert werden, um mindestens einen Zug (10) zu bilden, und wobei der Schlauch (16) aus dem mindestens einen Zug (10) gebildet wird.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch (16) durch Flechten des mindestens einen Zugs (10) gebildet wird.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (14) und die Filamente (12) zusammengewunden werden, um den Zug (10) zu bilden.

5. Ein Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (14) und die Filamente (12) vermischt werden, um den Zug (10) zu bilden.

6. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastische Werkstoff in Form eines Pulvers vorliegt, wöbei die Fasern (14) in einem Fließbett des thermoplastischen Pulvers getaucht werden, um mindestens einen Pulver-vorimprägnierten Faserzug zu bilden, und wobei der mindestens eine Zug Pulver-vorim prignierter Fasern zum Bilden des Schlauchs (16) ver wendet wird.

7. Ein Verfahren nach Anspruch 6, dadurch- gekennzeichnet, daß der Schlauch (16) durch Flechten des mindestens einen Zugs (10) gebildet wird.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch (16) aus mindestens einem wendelförmig gewickelten Zug (36-39) gebildet wird.

9. Ein Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch (16) mindestens einen Querzug (40-43) aufweist, der wendelförmig in einer Gegenrichtung zu dem mindestens einen Zug (36-39) gewickelt wird.

10. Ein Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Schlauch gebildet wird, der einen wendelförmig gewickelten Zug und einen Querzug auf- - -weist, wobei einer der Schläuche innerhalb des anderen angeordnet wird, bevor die Schläuche in die Form gepackt werden, so daß ein mehrlagiger Rahmen gebildet wird.

11. Ein Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die den Schlauch (16) bildenden Züge in einem Winkel gewickelt werden, der von den Zügen verschieden ist, die den zusätzlichen Schlauch bilden.

12. Ein Verfahren nach Anspruch 1=0, dadurch gekennzeich net, daß vor dem Packen der Schläuche in die Form sich längs erstreckende Verstärkungsfasern zwischen den Schläuchen positioniert werden.