JPH10511320A - 繊維で強化した熱可塑性物質から構造部材を製造する方法およびこの方法で造った構造部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 繊維で強化された熱可塑性物質から押出成形方法により造られた構造部材が、適当な繊維含有量を有するねじ（１）である。このねじ（１）の頭部（２）の領域内におよび直接これに連なっているシヤフト（５）のねじ山を経て無端の繊維の形の炭素繊維が少なくともほぼねじ（１）の中心軸線に対して平行に指向しており、これに対して残りのねじ山部分内における繊維が表面の近傍において構造部材の軸方向でねじ山輪郭に従っている。ねじ端部に面している部分の中心領域内において、自由端部方向で増大するように分散している繊維配向が存在している。

Description

【発明の詳細な説明】 繊維で強化した熱可塑性物質から構造部材を製造する方法および この方法で造った構造部材 本発明は、先ず短繊維、長繊維および／または無端の繊維と熱可塑性物質から 素材を予備成形し、この素材を熱間成形方法により雌型内で加圧下に構造部材の 最終形状に成形して行う様式の、繊維で強化した熱可塑性物質から構造部材を製 造する方法、先ず５０重量％より多量の繊維割合を有し、少なくとも主として無 端の繊維と熱可塑性物質とを使用して形成された素材を仕上成形し、この素材を 熱間成形方法により雌型内で加圧下に構造部材の最終形状に成形して行う様式の 、引張応力、曲げ応力および／または捻じれ応力を受ける構造部材を繊維で強化 した熱可塑性物質から製造する方法、並びに上記の方法のうちの一つの方法で製 造した繊維で強化した熱可塑性物質から成る構造部材に関する。 繊維で強化した熱可塑性物質から成る構造部材は大抵結合部材とし使用される 。例えば金属ねじがこの構造部材により代用される。医療技術の分野における使 用、即ち例えば骨ねじとしての使用の際、繊維で強化した熱可塑性物質から成る ねじは極めて良好な適正さを有している。何故なら、この熱可塑性物質は骨に対 して構造適合性を有しており、腐食の問題も生じることなく、金属ねじに比して 重量も低減され、一般に医学上の診断方法が金属の使用に対比して阻害されるこ とがない。 繊維で強化した熱可塑性の合成物質から成るねじ或いはゲビンデシュタープは 既に知られており、これらにあってはねじ素材は共押出し或いは多成分−射出成 形方法で製造される。この公知の実施形（ドイツ連邦共和国公開特許第４０ １ ６ ４２７号公報）にあっては、出発物質として共押出成形により造られた環状 の内実棒体が使用されている。中核領域として、押出成形機内において熱可塑性 顆粒が５−１０ｍｍの長繊維が混入され、外側の領域としては第二押出成形機内 で熱可塑性顆粒は短繊維が混入される。従って、出発物質としては、内部に長繊 維を、そして外部に短繊維を同軸配設で有する物質が使用される。内部の中核領 域内の長繊維は押出成形工程により主として軸方向に整向され、外方の領域内の 短繊維はねじ山のピッチ内で剪断力を伝達する。ねじ山は成形工程に引続いて冷 間成形、例えばねじ転造ヘッド或いはねじ転造機により造られる。このような冷 間成形は短繊維の使用により可能である。しかし、ねじ領域内でのこのような短 繊維の配設では得られる強度値は低い。 ドイツ連邦共和国特許出願第Ｔ２−６８９１９４６６号による方法にあっては 、素材が分割可能な型内に挿入され、この型内で成形される。この素材は冷間に 型キャビテイ内に挿入され、拡大され、加熱され、冷却される。従って、限られ た範囲での型替えが可能であるに過ぎず、その際、更に繊維の配向を調節するこ とは実際に不可能であるか、或いは少なくとも所定通りに行うことは不可能であ る。 本発明の根底をなす課題は、構造部材の使用目的に対して最適な適合が可能と なる、熱可塑性物質から構造部材を造るための方法を提供することである。 更に、本発明の根底をなす課題は、特別な方法により力の導入および力の分配 もしくは剛性が構造部材との協働する物体の特性に適合することが可能な上記の 方法で造られた構造部材を提供することである。 本発明による方法により、素材が先ず加熱工程にあって成形温度に加熱され、 適切に配向され、分散される。この方法により造られた構造部材の繊維の配向と 繊維の分散およびこれらに伴う機械的な特性は、このようにして特別特徴づけら れ、製造方法の工程パラメータに関連づけられる。押出しにより付加的に繊維の 配向が制御され、従って或る構造部材の長さに関しても色々な強度値が達せられ る。 ５０容量％よりも多くの無端繊維を使用してこの方法を実施した場合にあって も、素材は先ず加熱工程にあって成形温度に加熱され、次いで押出しにより雌型 内に圧入される。無端繊維を大きな密度で使用した際、得られる構造部材の剛性 と強度とを全く適切に調節可能である。特に、複雑な形状の構造部材の場合、一 定領域内における最適な繊維流れと最適な繊維密度とを正確に予測することがで き有利である。 更に、素材を棒材に予備成形し、熱成形方法を適用する以前に最終的な構造部 材に必要な長さに裁断することを提案する。最終的な構造部材に必要な材料片は 予備製造された棒材から切断され、引続き熱成形方法を施される。即ち、金属材 料における押出成形方法と類似した工程が行なわれる。 無端の繊維を使用して場合は、或る長さを備えたこのような繊維が使用され、 この長さは少なくとも最終の構造部材のための素材の長さに相当する。この方法 により更に改善された剛性と強度とが得られる。 素材をその長手方向に指向していてかつ異なる繊維配向を有する層から成形に より成形することも可能である。即ち、本発明による方法により無数の新しい使 用分野が獲得できる。何故なら、構造部材を製造する際、常に特別な使用に相応 して処理が行なわれ、正確に予測可能な強度と剛性を得ることができるからであ る。 このことと関連して、素材を、例えば異なるマトリックス工作材料と繊維の異 なる配列でおよび／または異なる容量％割合でおよび／または異なる繊維材料を および／または長さとを備えている多数の層を有する一つ以上の重合体複合物か ら成形により成形することも可能である。このようなやり方によっても製造され るべき構造部材の最終要件に正確に適合させることが可能である。 verfahren)により最終構造部材に成形可能である。棒材料から切断された素材は 適当な押出成形型内で成形され、その際いわゆるＤＩＮ８５８３による加圧成形 た際、素材は多数回の往復運動により雌型内で最終構造部材に成形され。条片状 或いは板状の構造部材を製造する場合、この方法は特に有効である。 この場合、金属材料の押出成形或いはプッシュ−プル押出成形に比して、本質 的に相違する特徴としてあげられることは、押出成形或いはプッシュプル押出成 形にあっては、素材が加熱工程において例えば３５０℃から４５０℃の成形温度 に加熱され、次いで雌型内に圧入され、再加圧の間例えば１４３℃の熱可塑性材 料のガラス転移温度以下の冷却が行なわれることである。繊維で強化した熱可塑 性物質の処理のためには、金属材料にあって公知の押出成形方法は、素材を室温 にあって成形するのではなく、マトリックス材料の溶融温度或いは軟化温度以上 で成形するように変更されている。 熱成形方法にあって分離材として炭素或いはグラフアイトを使用するのが有利 である。このような分離材は熱可塑性物質の成形の際従来は明らかに使用される ことがなかった。この使用により、例えばグラフアイトは合成物質に使用される 通常の積層材或いは分離材と異なって生体適合性を有しており、従って構造部材 は医療の分野における使用に適していると言う付加的に特別な利点が得られる。 更に、本発明による方法により、素材は炭素で強化されたＰＡＥＫ（ポリ−アリ ール−エーテル−ケトン）で処理される。このような材料を使用することにより 、このようにして造った構造部材り引張強度が、この材料に比される鋼構造部材 の引張強度の平均して約３０％以下であることがわかった。しかし、このような ことは、繊維で強化した熱可塑性物質から成るこのような構造部材の使用分野に とっては、十分過ぎる強度である。何故なら、どのような材料とこのような構造 部材が協働するのかを常に考慮しなければならないからである。医療技術の分野 における使用にあっては、即ち例えば骨ねじとしての使用にあって、或いは板状 構造部材或いはレール状構造部材としての使用にあって、高い破壊力で十分であ る。何故なら、このような構造部材は骨に対して及ぼされる破断力の殆ど三倍の 力を有しているからである。 本発明による方法にあっては更に、繊維が少なくともある割合で含有されてい る際、繊維は素材内において軸線平行に指向するように配列される。しかし、繊 維が少なくともある割合で含有されている際は、この繊維が０から９０°で整向 されていることも可能である。これにより、特に、例えばねじの形状で或いは条 片状の組立材料の形状の長尺の構造部材を造る際、必要とする強度領域への特別 な適合可能性が得られる。軸線平行に整向されている繊維を有する素材から造ら れたねじの弾性モジュールは高い。即ち、このようなねじは剛性となる傾向を有 している。押出成形方法を使用することにより、繊維指向の素材内での繊維配向 に対して変更することが可能であり、従って素材内の特別な繊維配向により付加 的な適応パラメータを得ることができることが分かった。 本発明による方法により、３ｍｍ以上の長さの繊維が使用される。相応する構 造部材を造るための繊維で強化した公知の全ての熱可塑性物質にあっては、一般 に短繊維或いは長繊維が使用される。５０容量％以上の高い繊維割合での無端の 繊維を使用することは、熱間成形方法との関連において、造られる構造部材のど の位置にあっても強度特性を適当に調節でき、従って局所的に合目的に調整され た剛性を達することが可能である。 方法の他の特徴は、繊維を押出成形の際マトリックス材料により表面が覆われ るように囲繞することである。これにより、熱間成形方法により最終的に製造さ れた構造部材にあっても、全表面が事実上既に封隙されるので、どんな後処理も もはや必要でなくなる。 本発明の枠内において、構造部材に熱間成形の際に付加的に表面封隙を施すこ とも可能である。成形工具内での熱の作用により、或いは例えば積層或いは分離 材のような付加的な手段により、製造された構造部材の付加的な表面封隙を達す ることが可能である。 熱間成形方法により製造工程を制御するための色々な可能性を達することがで きる。従って、本発明による方法で製造される構造部材の特徴は、局所的に予め 定まった剛性と強度を有する領域を得るための、構造部材の形状および使用に適 応した繊維の予め定まった配向にある。最大の引張強度は、例えば高い成形速度 と高い素材温度にあって製造された構造部材において達せられる。 これに対して捻じれ強度を考慮した際、比較的低い成形温度と低い成形速度を 適用することにより最大値が得られる。即ち、繊維で強化した熱可塑性物質から 構造部材を製造する方法にあって、本発明による方法により、構造部材を特別な 使用目的に適合させることの可能性が得られれ、しかもまたその際、一つの作業 工程を成形速度の異なる二つの或いは二つよりも多数の工程段から構成すること も可能である。 構造部材の形状および使用に適合させることにより、構造部材内の繊維の予め 決定可能な配向を、構造部材の長手方向、直径、厚み、形状、或いは構造部材に 関連して、或いは破断、へこみ、陥没等にあって繊維配向の異なる領域或いは繊 維流れの異なる領域が成形される。このような構造部材は特別な方法により特別 な使用目的に適合させることが可能である。即ち、このような構造部材にあって は、この構造部材と協働する物体の特性に、力の導入と力の分散とを良好に適合 させることが可能である。これは特別な方法により、医療技術において、例えば 骨ねじにあって、或いは医療分野における組立部材および固定条片等にあって、 しかもまた機械建造のような他の分野にあって、電子技術或いは建築技術にあっ ても言えることである。 従って、この構造部材を工具のための作用端部を有する結合要素としておよび ねじシャフトとして構成すること、結合要素の剛性を繊維配向を異ならせること により作用端部から自由端へと変えることも有利な実施の形態である。骨領域の ために使用可能な構造部材にあっては、骨の生来の構造に対する適合が可能であ り、従って軽量な、非磁気的な、レントゲン光線透過性のおよび生体適合性の結 合要素を造ることが可能である。おお方の一般的に使用されている金属ねじと異 なり、繊維構造および繊維配向を適合させることにより有効な構造部材を造るこ とが可能である。 更に、本発明にあっては、繊維は作用端部から直接これに連なっているねじ山 谷を経て構造部材の中心軸線に対してほぼ平行に指向しており、これに対して残 りのねじ部分内の繊維は表面近傍において構造部材軸方向でねじ輪郭に従ってい る。しかし、この部分の中核領域にあっては自由端の方向でますます分散してい る繊維配向が行われていることを提案する。従って、ねじとして形成されている 構造部材の作用領域内と、これに連なっているねじ山部分内にあって大きな強度 が得られ、これに対して骨内部領域に係合するねじ山部分は僅かな引張強度を有 している。何故なら、この領域内では引張力が吸収されないからである。 従って、このような本発明による構造部材にあっては、この構造部材の強度が 繊維配向が異なることによって、作用端部から見て、自由端へと段階的に或いは 連続的に低減されると言う利点を有している。従って、本発明による製造方法に よりおよびもちろん成形速度によって達せられる繊維の配向により、構造部材の 使用領域への正確な適合が達せられる。 更に、例えば回転工具としての使用のために、或いは固定手段を通すために、 構造部材内に、少なくとも一つの袋孔或いは貫通開口を設けることを提案する。 このような配設により、このようなねじ形状の構造部材をねじ込む際の、特に場 合によっては必要なねじり出しの際の相応する捻じれ力を得ることが可能である 。 貫通開口等の場合、構造部材が平坦であっても、有利な構成が達せられる。何故 なら、この開口を囲繞する領域が特別な繊維配向により強化されるからである。 このことと関連して、袋孔或いは貫通開口を構造部材の製造の際に成形仕込むの が有利である。この際、熱成形方法の場合、一つの成形方法で回転工具としての 使用のための等しい袋孔或いは貫通開口を設けることのための特に付加的な可能 性が得られる。 本発明による構造部材の特別な使用領域は、構造部材を医療領域において使用 するための生体適合性の皮質性ねじ或いは海綿質ねじとして形成した際に得られ る。 構造部材のための他の実施の形態は、この構造部材を一つ或いは多数の貫通開 口を備えたおよび／または縦境界部或いは側面境界部を越えた部分を備えた条片 状の或いは板状の組立部材として形成し、この場合剛性および強度がこの構造部 材の全長および／または幅および／または直径にわたって予め決定されているこ とである。即ち、本発明による方法を介して、特別な形態を有するどの様な様式 の構造部材でも製造が可能であり、その際或る定まった部分の必要とする強度と 剛性への適合が可能である。何故なら、繊維配向と繊維密度とを予め決定するこ とが可能であるからである。 このことと関連して、組立材料として形成された構造部材は貫通開口の領域お よび／または突出している部分の領域内での繊維の密接な配設によりこれらの一 般的に弱化して形成されることとなる帯域内で、構造部材の他の領域内と同様な 強度と剛性が得られる。即ち、構造部材の各々は、この構造部材がもはや弱化に 形成された帯域を備えておらず、従って特別な使用目的にあって、全ての部分に 必要な強度と剛性を得ることが可能である。 従って、このような適合可能な強度と剛性にとって、構造部材を例えば皮質性 のねじ或いは海綿質ねじを備えた使用のための軟骨移植板体として形成した場合 最適である。 他の本発明の特徴、特に利点を以下に図面に図示した実施例をもとにして詳細 に説明する。 第１図は、棒状の素材を、封入された無端の繊維の０°の配向を示すために一 部切断して示した図。 第２図は、ねじの形状の構造部材の、ねじ内の繊維配向分布を概略して示した 図、 第３図は、結合要素としての構造部材の長さに対する剛性の状態を対比したダ イヤグラム、 第４図は、構造部材を製造するための温度帯域を備えた使用される溶融押出成 形工具の原理図、 第５図は、押出成形工具の概略図、 第６図は、プッシュ−プル押出成形方法で構造部材を製造するための原理図。 第７図は、プッシュ−プル押出成形方法で造った、特に軟骨移植板体として使 用可能な構造部材の平面図。 本発明による方法並びにこの方法によって造った構造部材の以下の説明にあっ ては、構造部材（第１図から第５図参照）が結合要素、特にねじであり、これが 特に医療技術において、即ち例えば皮質性ねじ或いは海綿質ねじとして使用され ねじであると言うことを、或いはこの構造部材（第６図と第７図参照）が組立部 材、特に上記の結合要素と協働するための軟骨移植板体であると言うことを基礎 としている。本発明の枠内にあって、もちろん繊維で強化した熱可塑性物質から 成りかつ本発明による方法で造った他の構造部材をも包含する。その際、このよ うな構造部材の使用は医療技術のみに限られない。このような構造部材を他の使 用領域、例えば機械の製造、電子技術、宇宙飛行技術、地上構築物および地下構 築物の分野においても使用することも可能である。これらの構造部材は必ずしも 絶対に結合要素（ねじ）の形態で造らなければならないと言うことはなく、例え ばレール或いは板のような他の立体的な形状を有する構造部材としても使用する ことが可能である。即ち、例えば繊維で強化した熱可塑性物質から成る一般にセ ルフドリリングねじとし形成されていないねじに相当する場合によっては同様に 生体適合性の材料から造られているか或いは穿孔工程が終了した後取り外すこと が可能な穿孔部分を挿着することも可能である。事情によっては、このような取 り外しは色々な使用分野にあっては全く必要ではない。この例は、５０％以上の 容量割合を有する無端の繊維で造った、繊維で強化した熱可塑性物質によっても 明らかである。しかし、本発明による方法により、短繊維或いは長繊維のみから 或いは短繊維、長繊維および／または無端の繊維成分の組合せを含有している、 繊維で補強し熱可塑性物質を極めて有利に処理することが可能である。本発明に よる方法は素材内の繊維の割合が５０容量％以下の場合にも適用した際良い結果 が得られる。 ねじ１の形態の図面に図示した結合要素は、本質的に頭部２、回転工具の力導 入のための作用部３およびねじ山４を備えたシャフト５とから成る。第２図から 認められるように、ねじ２にあっては特に無端の繊維６の配向が重要である。繊 維を構造体内部において適切に局所的に整向することにより、ねじ２は局所的に 適切に調節された剛性を得る。これにより、このねじを皮質性ねじとして使用し た際、骨の生来の構造にこの剛性が適応される。熱可塑性物質と炭素繊維との組 合せを選択することにより、レントゲン光線透過性でかつ生体適合性の軽量な複 合材料が得られる。このようなねじの特別な利点は、剛性と剛性傾向とが従来の 金属製のねじにおけるよりもより良好に骨の生来の構造に適合されることである 。繊維構造は良好な力の分布を保証する。即ち、もはや最初の三つのねじ山のみ が担持作用を行うのではない。更に、この結合要素は一般的な医学診断方法を阻 害しない。何故なら、この結合要素が非磁性であり、レントゲン光線透過性であ るからである。この医学診断方法の阻害は従来の金属板−これにはこの結合要素 も入る−の特別な欠点である。これらの金属板は、例えばコンピュータグラフイ ック或いは核共鳴グラフイックのような現代的な診断方法の診断結果を無価値な ものにする。 結合要素の再調節により、長時間後に始めて弛緩の発生が予測される。皮質性 ねじとして結合要素を形成した際、このねじは過度締付けの後でも残余の強度で 再びねじり出すことが可能である。 既に述べたように、この結合要素は一般的な機械製造にあって腐食性の雰囲気 内で、特に高い強度、即ち僅かな重量にあっての合目的な強度が要求される分野 において使用することができる。この場合もまた、三つのねじ山以上にわたる力 導入が決定的な役割を果たす。 第２図に示した皮質性ねじの頭部２により、他の色々な部材、例えば軟骨移植 板体を固定することが可能である。作用部３は、例えば内六角ボルトとして形成 されていてもよい。しかし、他の作用部形状もしくは係合部形状、例えば四角形 口、内部星形口或いは十字スリットを選択することも可能である。 この押出方法を（例えば３ｍｍの中心直径を有する）皮質性ねじを炭素繊維で強 化したＰＡＥＫ（ポリ−アリール−エーテル−ケトン）から造るのに適用するこ とが可能である。特別に成形した実施例は、炭素繊維で強化したＰＡＥＫ（ポリ −アリール−エーテル−ケトン）を使用することである。ネジの繊維配向分布と 機械的な特性は特徴があり、製造方法のプロセスパラメータとされる。 押出成形方法で造ったねじの破壊荷重は３０００〜４０００Ｎの範囲であり、 最高捻じれモーメントは１〜１．５Ｎｍであり、この際最大ねじれ角度はＩＳＯ −規格６４７５により３７０°である。ねじは頭部から先端方向に逓減している Ｅ−モジュール（弾性モジュール）を有しており、骨に対して均質弾性的である ことが特徴である。 本質的なことはそれらの構造において非常にしばしば繊維強化の原理が適用さ れることである。従って、構造生体適合の理由から、医学的な移植体を同様に繊 維複合材料から形成するのに特に有利である。特に軟骨移植技術の領域にあって 、従来の鋼軟骨移植板を繊維複合工作材料から成る僅かに硬質の移植体で置換え るために開発が必要である。軟骨移植板との関連において、本発明による方法は 有利に働く。このような軟骨移植組織は従来の鋼移植体に比して多くの利点を有 している。一方において骨に対して均質な弾性が与えられ、従って骨への適合し た荷重導入が可能となり、他方にあっては、レントゲン光線透過性と核共鳴断層 撮影が可能である。更に、本発明による構成により熱間成形方法による製造を適 切な費用で行うことが可能である。付加的にあげられることは、このように形成 された構造部材がニッケルアレルギーにあっても問題なく使用し得ると言う事実 である。 この分野における研究活動によって、先ず炭素繊維で強化した熱可塑性物質か ら成る骨ねじの使用によって、またこのことと関連して本発明による製造方法に より最適な、変えられた実施形態を創造することが可能であることがわかった。 この際開発された押出成形方法を基礎として、骨ねじを炭素繊維で強化したＰＡ ＥＫから造り、特性を付与した。 金属材料の押出成形の際、工作材料は一般に室温でラムにより型内で圧入され kverfahren)に属する。繊維で強化した熱可塑性物質の処理のためにはこの方法 は、素材を室温においてではなく、マトリックス工作材料の溶融温度より以上の 温度で成形するように変更された。 ねじ製造のための素材としては、炭素繊維で強化したＰＡＥＫ−丸棒７（図１ 参照）が使用され、この炭素繊維で強化したＰＡＥＫ−丸棒は５０容量％以上の 、特に６０容量％の繊維含有量を有しており、その際繊維配向に関して二つの異 なった素材タイプ、特に一方では純粋に軸線平行な繊維配向を有する素材、他方 では０〜±９０°の繊維配向を有する素材が使用された。 ３５０〜４５０℃）に加熱され（加熱段）、その際加熱を相前後する加熱段９〜 １０（図４参照）で行うことも可能である。即ち、素材７は第一の加熱段９に移 送され、そこで適当に加熱され、加熱段１０において更に加熱され、次いで加熱 段１１の領域内で雌型内において成形が行なわれる。ラム１２により、素材７は 雌型（成形型）１３内に圧入され、そこで最終的な形が与えられる。その際押出 速度は２〜８０mm／ｓの範囲内にある。押出圧力は１２０ＭＰａでの色々な試験 において測定した。この押出工程に続く再加圧（押出圧力は約９０ＭＰａである 。）の間、工具は圧縮空気によりＰＡＥＫ（１３０℃）のガラス転移温度以下に 冷却される。押出成形工具を開いた後、仕上げられた皮質性−ねじを取出した。 このようにして製造されたねじを引続いて分析した際、それぞれ最適な値が得ら れたことが確認された。このことは、高い繊維含有量、無端の繊維の使用および ねじ製造のための特別な熱間成形方法により達せられたことである。図２から明 瞭であるように、繊維はねじ１の頭部２の領域内において主としてねじ軸線の方 向に整向されている。繊維はねじの先端領域にあっては、縁部領域内でねじの輪 郭（即ちねじ山の形態）に従っており、中心帯域にあっては分散した繊維配向が 見られる。 機械的な特性な関連して、皮質性−ねじの引張強度の平均値は約４６０Ｎ／ｍ ｍ２であることが確認された。最大の引張強度は、高い成形速度（約８０mm／ｓ ）と高い素材温度（約４００℃）の下で造られたねじによって達せられる。軸線 平行な繊維配向を有する素材から造られたねじの捻じれ強度は、０〜±４５°の 繊維配向を有する素材から造られたねじよりも平均して１８％高い。最高値は、 比較的低い温度（３８０℃）と比較的遅い速度（２mm／ｓ）の下で造られたねじ において測定された。ねじ長手方向での弾性モジュールは一定ではなく、むしろ 先端部に向かうに従って著しく逓減している。この弾性モジュールは５〜２３Ｇ Ｐａ間で変動し、その際０°の繊維配向を有する素材から造られたねじは傾向と して比較的剛性である。このことは図３による概略示したダイヤグラムから明瞭 に推察することが可能である。このダイヤグラムの線で示されている剛性はねじ 頭部方向で増大しており、ねじ山を備えたシャフト部分５の長手方向で見て、一 定の領域内では、このダイヤグラムの線内でカーブで示されている。この領域内 で−図２からも認められるように−中心領域内に存在している軸線平行な繊維配 向が終わっている。 皮質性ねじを例にとり、熱間成形方法により長繊維で強化した熱可塑性物質を 押出成形することにより、複雑な幾何学形状を有する構造部材も造ることが可能 である。機械的な特性のための決定的な要素としての繊維配向分は素材内の繊維 配向を適当に選択することにより或る程度調整することができる。他の研究され たプロセスパラメータ（成形速度と成形温度）は押出成形の結果に僅かに影響を 与えるに過ぎない。 ＰＡＥＫ−繊維で強化した押出成形されたねじの引張強度は、これに比される 鋼製のねじに対して平均約３０％以下である。３２００Ｎの平均破壊力は軟骨移 植体として使用するのに十分である。何故なら、相当するねじが８００〜１３０ ０Ｎの引張力で既に骨から引出されるからである。 ＩＳＯ−規格６４７５は、比され得るような寸法を有する鋼製ねじに関して、 ４．４ｎｍの最低破壊モーメントと最低１８０°の捻じれ角を規定している。こ のような規定は繊維で強化した熱可塑性物質から成るねじでは充足されない（最 高１．３Ｎｍ）。もちろん、試験の結果、骨内のねじが約０．８Ｎｍの回転モー メントで既に破壊されるから骨内へのねじり込みの際のねじの過度のねじりと、 これに伴う破壊は避けられたことが分かった。。第一の不機能状態後の残余強度 のゆっくりとした低減は、破壊後でもなお損傷したねじの骨からの旋回抜取りを 可能にする。 押出成形された皮質性ねじは、５〜２３ＧＰａの弾性モジュールを備えている 場合、その弾性挙動は骨に類似している。長手方向での剛性は先端に行くにつれ て著しく逓減する（剛性低下勾配）。従って、ねじ込まれた状態にあっては、ね じの剛性を有する部分（頭部領域）は皮質の近くに存在し、従って処置された骨 の最も剛性な位置の傍らに存在している。このような剛性の分布により、骨の構 造に十分に適合した力導入が達せられる。 本発明により、例えば、ねじ山、頭部、形状等に特別な構成を有する繊維で強 化した熱可塑性物質から成る構造部材を熱間成形方法により造ること、および材 料特性、特に繊維の正確な整向により使用分野に適合した構造が達せられること が、可能となった。 上記の記述にあっては、実際に一方向でのみ有効な押出成形方法を基礎として いる。その際、素材は適当な温度（ねり粉状もしくは蜂蜜状に流動性の状態）に もたらされ、次いで雌型に圧入される。本発明の枠内にあって、条片状の、レー ル状の或いは板状の部分の製造にあって、しかしまたねじ状の或いは他の形状の 結合部材の製造にあっても、そして或る部材の特別な形状にあっても、ボルト等 の特定な構造にあっても、プッシュ−プル押出成形方法を適用することも可能で ある。事情によっては多重の往復動プレス、即ちプレス方向の一重の或いは多重 の運動方向の反転により、所望の繊維配向と繊維分布とが達せられる。これに関 しては第６図と第７図とに関連して詳細に説明する。このプッシュ−プル押出成 形方法は、適当な部分内に例えば袋ねじ、貫通口、凹部或いは特別な形状付与を 行うような場合に特別重要である。その際、繊維の特別な流れが行なわれ、従っ て製造される構造部材は特別な強化が必要などの領域にあっても特別に強化が行 なわれる。 本発明による方法の適用にあたって積層部として、炭素或いはグラフアイトか 使用される。この積層部もしくは分離材は、従来実地にあっては金属領域にあっ てのみ使用され、合成物質には使用されることがなかった。この場合付加的な利 点が得られる。何故なら、グラフアイトは、合成物質に対する通常の分離材と異 なり生体適合性を有しているからである。 第２図には、作用部３のための、軸方向で見て短い開口が示されている。本発 明の枠内にあって、この位置に或る回転工具を挿入するために、工具に相応する 深い袋孔或いは軸方向で貫通している開口を形成することも可能である。これに より、捻じれ強度における既に備わっている価値に加えて比較的高いねじ込みモ ーメントを克服することが可能である。何故なら、工具を長い挿入路内に挿入す ることができるからである。このようなねじの製造が、本発明による押出成形方 法により行なわれるので、この付加的な賦形は問題なく行われることが可能であ る。 レール材も板材の場合も、繊維によって特別に囲繞されている同様に貫通開口 、凹部、袋孔等を形成することが可能である。 第２図によるねじ１内の繊維配向もしくは他の使用分野のための相応する他の 構造部材における繊維配向は根本的に異なっている。本発明による処理或いは本 発明による方法により、どんな特殊な使用目的にあっても、仕上げられた構造部 材における最適な繊維配向が可能である。特に、５０容量％以上の高い繊維含有 量および無端の繊維を使用した場合、多くの技術分野において、特に結合部材の 分野および医療の分野において特に有効な適用が見いだされる。 第６図には、プッシュプル押出成形方法を概略図示した。この図から相前後し て行なわれる方法工程ＩからＩＶが認められる。方法工程Ｉにおいては、素材７ は加熱工程（工程９，１０）に挿入され、そこで成形温度に加熱される。方法工 程ＩＩにおいては、素材は矢印１６の方向で雌型１３に圧入される。方法工程Ｉ ＩＩにおいては、既に一度成形された素材７は再び反対方向（矢印１７の方向） で逆プレスされる。次いで方法工程ＩＶにあっては、二回或いは多数回成形され た素材は最終圧縮、冷却、次いで脱型されて仕上がり構造部材に成形される。 雌型１３に挿入されるか、或いはこれを貫通するボルト１５により、貫通開口 １４を備えた構造部材が形成され、この場合プッシュ−プル押出成形方法によっ ては素材は多数回このボルト１５の傍らを移動されて加圧される。即ち、この場 合繊維６の特別な整向が行なわれる。これは第７図から認められる。同じような 或いは類似の作用は、組立部材１８として形成した構造部材の長手方向境界およ び／または側方境界に突出している部分が存在している場合も得られる。通常の 方法により弱化した帯域Ａにおいては繊維の密な配向が得られる。従ってこれら の帯域においては、このような構造部材の他の領域Ｂにおけると同様な強度と剛 性が得られる。 構造部材のこのような構成は、例えば本発明による方法により作られたねじと の協働により使用される軟骨移植板体のための優れた方法により適切に適用でき る。生体適合性が得られると言う同様な利点はこの板材にももちろん妥当し、更 に強度と剛性も不錆鋼から成る従来主として使用されている板体に比して決して 劣らない。 プッシュプル押出成形方法にあっては、付加的な色々なパラメータが可能であ り、これらのパラメータにより繊維配向の予決定性と、これに伴う構造部材の形 状に対する強度と剛性への適合が更に改善される。即ち、周期もしくはプッシュ プルの数、周期の長さ、周期の速度、圧力および背圧を調節することができる。 方法工程ＩＩと方法工程ＩＩＩは任意に繰返してもよく、その際各の周期もしく は各々のプッシュプル毎にその都度にあって周期の長さをあらためて選択される 。方法工程ＩＶにおける構造部材の調心は必ず行わなければならないと言うもの ではない。すべてのパラメータは方法工程ＩＩ〜方法工程ＩＶにあって任意に変 えることが可能である。 無端の繊維はこのような方法にあっては過度に応力が加えられず、従って無端 の繊維は多数回折れることがない。著しく整向された繊維を有する位置と均質な 繊維分布を有する位置の移行部は連続している。この方法により、公知の積層技 術と異なり、非金属板状の構造部材を造ることも可能である。常に射出成形方法 でのみ得られる幾何学的な形状の形成も可能である。その際、本発明により著し く高い強度が達せられる。これに伴い、孔、アンダーカット部等を備えた構造部 材を造ることも可能である。繊維配向の能力が、例えば機械的な特性に関して、 完全に利用されるように繊維の配向を行うことが可能である。この方法は無端の 繊維での強化に適している組成物の処理を可能にする。この構造部材中には等方 性の特性と異方性の特性が混在しており、しかも境界面は存在していない。境界 面もしくは近傍位置が弱化位置でもあるので、本発明により特に構造部材の疲労 易成性が低減される。 本発明によるプッシュプル押出成形方法にあっては、より以上の成形が可能で ある。即ち、周期工程が一方向で行い得るばかりでなく、二つの或いは三つの主 軸を使用しても行うことが可能である。更に、第６図に図示したピンを、素材の 均質化の後に、即ち方法工程ＩＩ或いはＩＩＩを一回或いは多数回行った後に挿 入することも可能である。既に均質化された素材、即ち既に予備ステーションに おいて既に一回或いは多数回成形されている均質の素材の使用も可能である。 本発明の枠内において、異なる繊維配向を持つ長手方向で指向している層から 成る素材の使用も可能である。一種以上のポリマー複合材料から成る素材（任意 の断面の差し当たり棒状の材料の製造の下でも）を使用することも可能である。 このような場合、素材は繊維の異なるマトリックス材料と異なる配向および／ま たは異なる容量％−含有量および／または異なる繊維材料および／または異なる 長さから成っていてもよい。無端の繊維を使用した際、この無端の繊維は、一般 に、−製造される構造部材に合わせて構造部材から切断される−少なくとも素材 ７の長さに相当する長さを有している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，Ｕ Ｇ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＫ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ヴェーゲナー・トーマス スイス国、ツェーハー−9402 シュパイヒ ェル、オーベレ・ヒンターヴィース、２ (72)発明者 ヴィンターマンテル・エーリッヒ スイス国、ツェーハー−5422 フィスリス バッハ、ガスエッケルストラーセ、16

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．先ず短繊維、長繊維および／または無端の繊維（６）と熱可塑性物質から素 材（７）を成形し、この素材（７）を熱間成形方法により雌型内で加圧下に構造 部材の最終形状に成形して行う様式の、繊維で強化した熱可塑性物質から構造部 材を製造する方法において、素材（７）を先ず加熱段で成形温度に加熱し、次い で押出成形により雌型（１３）内に圧入することを特徴とする方法。 ２．先ず５０重量％より多量の繊維割合を有し、少なくとも主として無端の繊維 と熱可塑性物質とを使用して形成された素材（７）を仕上成形し、この素材を熱 間成形方法により雌型内で加圧下に構造部材の最終形状に成形して行う様式の、 引張応力、曲げ応力および／または捻じれ応力を受ける構造部材を繊維で強化し た熱可塑性物質から製造する方法において、素材（７）を先ず加熱段で成形温度 に加熱し、次いで押出成形により雌型（１３）内に圧入することを特徴とする方 法。 ３．素材（７）を予め棒材として形成し、熱間成形方法を適用する以前に最終構 造部材に必要な長さに裁断することを特徴とする請求の範囲第１項或いは第２項 に記載の方法。 ４．無端の繊維（６）を、少なくとも最終の構造部材のための素材長さに相当す る長さで使用することを特徴とする請求の範囲第１項或いは第２項に記載の方法 。 ５．素材（７）をその長手方向で走る繊維配向の異なる層から成形することを特 徴とする請求の範囲第１項から第４項までのいずれか一つに記載の方法。 ６．素材（７）を例えば繊維の異なるマトリックス材料と異なる配列および／ま たは異なる容量％−含有量および／または異なる繊維材料および／または異なる 長さを有する多数の層との一種以上のポリマー複合材料から成る成形する、こと を特徴とする請求の範囲第１項から第４項までのいずれか一つに記載の方法。 ７．素材（７）をプッシュプル押出成形方法により最終構造部材に成形すること を特徴とする請求の範囲第１項から第６項までのいずれか一つに記載の方法。 ８．押出成形方法或いはプッシュプル押出成形方法の場合、素材（７）を加熱段 において、例えば３５０〜４５０℃の成形温度に加熱し、次いで雌型（１３）内 に圧入し、再加圧工程の間熱可塑性物質のガラス転移温度、例えば１４３℃に冷 却することを特徴とする請求の範囲第１項から第７項までのいずれか一つに記載 の方法。 ９．熱間成形方法の場合分離材として炭素或いはグラフアイトを使用することを 特徴とする請求の範囲第１項から第８項までのいずれか一つに記載の方法。 １０．素材（７）を炭素繊維（６）で強化したＰＡＥＫ（ポリ−アリール−エー テル−ケトン）で処理することを特徴とする請求の範囲第１項から第９項までの いずれか一つに記載の方法。 １１．無端の繊維（６）の少なくとも一つの割合にあって、この無端の繊維を素 材（７）内で軸線平行に指向させることを特徴とする請求の範囲第１項から第１ ０項までのいずれか一つに記載の方法。 １２．無端の繊維（６）の少なくとも一つの割合にあって、この無端の繊維が素 材（７）内で０〜９０°の整向を有していることを特徴とする請求の範囲第１項 から第１１項までのいずれか一つに記載の方法。 １３．無端の繊維（６）が３ｍｍ以上の長さを有していることを特徴とする請求 の範囲第１項から第１２項までのいずれか一つに記載の方法。 １４．繊維を押出成形の際マトリックスにより表面が覆われるように囲繞するこ とを特徴とする請求の範囲第１項から第１３項までのいずれか一つに記載の方法 。 １５．押出速度を仕上がり構造部材内の繊維の位置および整向を変えるための変 更要素として調節することを特徴とする請求の範囲第１項から第１４項までのい ずれか一つに記載の方法。 １６．構造部材に熱間成形の際付加的な表面封隙が行われることを特徴とする請 求の範囲第１項から第１５項までのいずれか一つに記載の方法。 １７．局所的な予め決定された剛性と強度を備えている領域を得るために、繊維 が構造部材の形状と使用へ予め適合された流れを有していることを特徴とする請 求の範囲第１項から第１６項までのいずれか一つに記載の方法で造った繊維で強 化した熱可塑性物質から成る構造部材。 １８．工具のための作用端部とねじシャフト（５）とを備えた結合部材として構 成されていること、およびこの結合部材の剛性が作用端部から自由端部へと繊維 配向が異なっていることにより変わっていることを特徴とする請求の範囲第１６ 項に記載の構造部材。 １９．繊維（６）が作用部からこれに直接連なっているねじ山（４）を経て少な くともほぼ構造部材の中央軸線に対して平行に経過しており、これに対して残り のねじ山部分内の繊維（６）が表面近傍で 構造部材の軸線方向でねじ山輪郭に 従っており、しかしこの部分の中心領域内において自由端部方向へと増大して分 散されている繊維配向を有することを特徴とする請求の範囲第１７項或いは第１ ８項に記載の構造部材。 ２０．構造部材の剛性が、作用部から見て自由端部方向で見て、異なる繊維配向 により段階的に或いは連続的に逓減していることを特徴とする請求の範囲第１７ 項或いは第１８項に記載の構造部材。 ２１．構造部材内に、例えば回転工具を挿入するために、或いは固定手段を貫通 案内するために、少なくとも一つの袋孔或いは貫通口が設けられていることを特 徴とする請求の範囲第１６項から第２０項までのいずれか一つに記載の構造部材 。 ２２．袋孔或いは貫通口が構造部材の製造の際に圧成されていることを特徴とす る請求の範囲第２１項に記載の構造部材。 ２３．構造部材が医療分野での使用のために組織に適合性の皮質性のねじ或いは 海綿状のねじとして形成されていることを特徴とする請求の範囲第１７項から第 ２２項までのいずれか一つに記載の構造部材。 ２４．構造部材が一つ或いは多数の貫通口（１４）および／または長手方向境界 もしくは側方境界から突出している部分を備えた条片状の或いは板状の組立部分 （１８）として形成されており、剛性と強度がその全長にわたっておよび／また は幅および／または直径にわたって予め決定されていることを特徴とする請求の 範囲第１７項に記載の構造部材。 ２５．組立部分（１８）として形成された構造部材が繊維（６）の貫通口（１４ ）および／または突出しているの部分の領域内での密な配列によりこれら の通常のように弱化された帯域において、構造部材の他の領域内におけると同様 な強度と剛性とを備えていることを特徴とする請求の範囲第１７項から第２４項 までのいずれか一つに記載の構造部材。 ２６．構造部材が、例えば皮質性のねじ或いは海綿質のねじでの使用のための軟 骨移植板体として形成されていることを特徴とする請求の範囲第１７項、第２４ 項或いは第２５項に記載の構造部材。