Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer Achse, das aus mindestens zwei Schichten besteht. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils.

In vielen Bereichen werden Bauteile benötigt, die eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht aufweisen sollen. Unter dem Gesichtspunkt eines geringen Gewichts kommt als Material für das Bauteil Kunststoff in Frage. Dieses hat zumeist nicht die benötigte Festigkeit. Daher ist es bekannt, in das Kunststoffmaterial Verstärkungsfasern einzulagern, um die Materialfestigkeit zu erhöhen. Bekannt ist die Verwendung insbesondere von Glasfasern und Kohlenstofffasern. Es ist auch eine Technologie bekannt geworden, nach der lange Verstärkungsfasern um einen Bauteilgrundkörper bei Rotation des Grundkörpers gewickelt werden. Damit können Bauteile hoher Festigkeit hergestellt werden.

Nachteilig ist indes, dass auch steife und feste Bauteile der genannten Art häufig nicht die Festigkeit an ihrer Oberfläche aufweisen, um über lange Betriebszeiten hohen Beanspruchungen zerstörungsfrei ausgesetzt werden zu können. Diverse Verbundbauteile und Verfahren zu deren Herstellung sind im Stand der Technik beschrieben. Die DE 10 2008 013 203 Al offenbart einen Ausleger, der ein metallisches Hohlprofil aufweist, das mit einer Verstärkungslage aus einem Faser-Kunststoff- Verbund versehen ist. Die DE 94 21 315 Ul zeigt einen Schichtverbundkörper. In der DE 37 15 894 Al wird ein kunstharzbeschichtetes Fasergelege auf einen Dorn gewickelt und der Wickelkörper samt Dorn in ein dünnwandiges Metallrohr eingelegt. Ein Umwickeln eines Walzenkörpers mit Kohlenstoffgarn ist in der DE 35 27 912 Al vorgesehen, wobei auf die Mantelfläche des Walzenkörpers eine Schicht durch Plasmaspritzen aufgetragen wird. Ähnliche sowie weitere Lösungen werden in der DE 84 06 019 Ul, in der DE 195 08 193 Al, in der DE 195 09 585 Al, in der CH 688 943 A5, in der DE 42 26 789 Al, in der DE 600 14 787 T2 und in der US 5 334 124 beschrieben.

Der Erfindung liegt daher die A u f g a b e zugrunde, ein Bauteil der genannten Art so fortzubilden und für dessen Herstellung ein wirtschaftliches Verfahren vorzuschlagen, so dass es möglich ist, das Bauteil unter hoher Belastung einzusetzen und dennoch ein geringes spezifisches Gewicht des Bauteils sicherzustellen.

Die L ö s u n g dieser Aufgabe durch Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Bauteil eine Achse aufweist und aus mindestens einer ersten Schicht in Form eines röhrenförmigen Körpers und mindestens einer zweiten Schicht besteht, die außerhalb und/oder innerhalb des röhrenförmigen Körpers angeordnet und fest mit der ersten Schicht verbunden ist, wobei die erste Schicht aus einem Verbundmaterial besteht, wobei die zweite Schicht aus einem Hartmaterial besteht, wobei die erste Schicht aus Verbundmaterial einen Kunststoff in Form eines Duroplasts als Grundmaterial aufweist, in den mindestens ein Verstärkungselement eingelagert ist, wobei das mindestens eine Verstärkungselement als lange Glasfaser, Kohlenstofffaser oder Aramidfaser vorliegt, mit dem ein Kunststoffgrundkörper umwickelt ist, und wobei die zweite Schicht aus einem Hartmaterial in Form von Keramik oder aus einem Hartmaterial in Form eines Duroplast-Hartsystems, bei dem in eine Duroplast-Matrix Metallpulver und/oder Keramikpulver eingelagert ist, oder aus einem Hartmaterial in Form von Metall besteht.

Das Bauteil hat vorzugsweise eine hohlzylindrische Form.

Die zweite Schicht kann dabei auf die erste Schicht mittels eines Plasmabeschichtungsprozesses aufgebracht sein. Sie kann auch als separat gefertigtes Element auf die erste Schicht aufgebracht sein. In diesem Falle sieht eine bevorzugte Lösung vor, dass die zweite Schicht aus einem Band gefertigt ist, das gebogen ist und auf die erste Schicht aufgebracht ist.

Eine Variante sieht vor, dass die erste Schicht und/oder die zweite Schicht aus geschäumtem Material besteht oder dieses zumindest teilweise aufweist.

Die bevorzugte Ausgestaltung des Bauteils sieht vor, dass die erste Schicht radial innen und die zweite Schicht radial außen angeordnet ist. Bei dem Bauteil handelt es sich gemäß einer bevorzugten Verwendung um einen Wälzkörper oder einen Lagerring eines Wälzlagers.

Eine besondere Ausfuhrungsform der Erfindung sieht vor, dass in die erste Schicht ein Zusatzbauteil integriert ist. Bei dem Zusatzteil kann es sich beispielsweise um ein Sensorelement (mit aktiver oder passiver Funktion) oder um einen Dehnmessstreifen handeln. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit einer Achse, bestehend aus mindestens einer ersten Schicht in Form eines röhrenförmigen Körpers und mindestens einer zweiten Schicht, die außerhalb und/oder innerhalb des röhrenförmigen Körpers angeordnet und fest mit der ersten Schicht verbunden ist, sieht die Verfahrensschritte - vorzugsweise in dieser Reihenfolge - vor:

a) Herstellung des röhrenförmigen Körpers aus einem Duroplast- Grundmaterial, wobei auf das Basismaterial mindestens eine lange Glasfaser, Kohlenstofffaser oder Aramidfaser bei Rotation des

Körpers um die Achse aufgewickelt wird;

b) Aufbringen der zweiten Schicht aus einem Hartmaterial auf die innere und/oder äußere Oberfläche des röhrenförmigen Körpers der ersten Schicht, wobei das Hartmaterial Keramikmaterial oder ein

Duroplast-Hartsystem, bei dem in eine Duroplast-Matrix Metallpulver und/oder Keramikpulver eingelagert ist, oder Metall ist.

Eine bevorzugte Aufbringung der zweiten Schicht erfolgt durch einen Plasmabeschichtungsprozesses.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens stellt darauf ab, dass die zweite Schicht einem Pyrolysevorgang unterzogen wird, um sie einer Umwandlung zu unterziehen und so ihre Temperaturstabilität zu erhöhen. Durch einen nachträglichen pyrolytischen Umwandlungsprozess ist es insbesondere möglich, einem Faserverbundwerkstoff physikalische Eigenschaften zu verleihen, die es ermöglichen, eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit im Hybridwerkstoff zu erzielen. Wie erwähnt, ist ein bevorzugter Anwendungsfall des vorgeschlagenen Bauteils der Wälzlagerbau und hier insbesondere die Verwendung als Wälzkörper, beispielsweise als Zylinder- oder Kegelrolle, oder als Lagerinnen- oder Außenring (sowohl für Gleit- als auch für Wälzlager). Die Oberfläche des Bauteils ist durch den Einsatz des Hartstoffes verschleißresistent, das Gewicht und insbesondere das spezifische Gewicht des Bauteils ist relativ gering.

Wird das Bauteil als Lagerring eingesetzt, sind die (Gewichts) Vorteile besonderes groß, wenn es sich um ein Großlager handelt.

Das vorgeschlagene Faserverbundteil (erste Schicht) ist also mit einem Verschleißschutz in Form der zweiten Schicht aus Hartstoff versehen. Statt der Dichte von Stahl (7,28 kg/dm ³ ) kann ein Wert für die Dichte zwischen 1,3 bis 2,1 kg/dm ³ bei durchaus vergleichbarer Festigkeit erreicht werden. Damit wird nicht nur das Gewicht des Bauteils entsprechend gering, auch die Massenträgheitsmomente fallen entsprechend klein aus. Es ist also eine Gewichtsersparnis von bis zu 80 % des Gewichts eines klassisch gefertigten Bauteils möglich.

Der Wirkungsgrad einer technischen Anlage kann auf diese Weise gegebenenfalls verbessert werden. Auch kann bei der Herstellung gemäß dem erfindungsgemäßen Vorschlag im Verhältnis zu vorbekannten Fertigungsverfahren Energie eingespart werden.

Vorteilhaft ist ferner, dass beim Aufbringen der zweiten Schicht aus Hartstoff beispielswiese durch thermisches Plasmaspritzen Formgenauigkeiten erreicht werden können, die im Bereich von Schleifgenauigkeiten liegen können. Mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag kann in sehr wirtschaftlicher Weise das Bauteil hergestellt werden, insbesondere im Falle eines Wälzkörpers in einem Wälzlager oder eines Lagerinnen- oder -außenrings, aber auch im Falle eines Wälzlagerkäfigs. Die Wirtschaftlichkeit des Erfindungsvorschlags ist dabei besonders bei großen Lagern hoch.

Das Bauteil ist korrosionsbeständig und beständig gegen chemische Einflüsse (Säure). In Abhängigkeit der verwendeten Materialien für die erste und/oder zweite Schicht kann das Bauteil entweder elektrisch isolierend oder elektrisch leitend gemacht werden, je nachdem, welche Funktionalität diesbezüglich angestrebt wird.

Die Auswahl der Materialien für die beiden Schichten bestimmt auch weitere physikalische Eigenschaften des Bauteils, wie beispielsweise die Wärmeausdehnung. Ebenfalls kann das Wärmeleitverhalten entsprechend beeinflusst werden. Gerade in der Anwendung im Lagerbau kann dies zur Optimierung der Lebensdauer genutzt werden. Hier können insbesondere Notlaufeigenschaften, beispielsweise bei Lagerdefekten, verbessert werden.

Vorteilhaft ist der hybride Aufbau des Bauteils durch die Verbindung der beiden Schichten, die jeweils unterschiedliche physikalische Eigenschaften haben können. Dies gilt beispielsweise auch für das Dämpfungsverhalten des Bauteils. Bei entsprechender Auswahl der Schichten kann ein hohes Dämpfungsvermögen erreicht werden.

Vorteilhaft ist auch, dass die aufhehmbare Flächenpressung ein Niveau erreicht, das demjenigen konventioneller Werkstoffe (Leichtmetalle, NE- Metalle oder Stahllegierungen) entspricht. Der erfindungsgemäße Vorschlag stellt also auf die Herstellung von Faserverbundteilen mit Blick darauf ab, dass mittels der vorgeschlagenen Maßnahmen die Oberflächeneigenschaften verbessert werden (insbesondere Druckfestigkeiten, Verschleißfestigkeiten, tribologische Eigenschaften). Damit können die Vorzüge aus konventionellen Werkstoffen mit Vorzügen neuer Werkstoffe vereint werden, die leichter sind und anisotrope Eigenschaften haben können.

Es können insbesondere Stützringe, Außenringe und Innenringe von Wälz- und Gleitlagern, Käfige von Wälzlager, Hohlwellen (Rohre, Walzen usw.) wirtschaftlich und konstruktiv individuell hergestellt werden.

In der Zeichnung ist ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen röhrenförmigen Körper bei seiner Herstellung,

Fig. 2 schematisch die Aufbringung einer Hartstoffschicht auf den röhrenförmigen Körper und

Fig. 3 in Achsrichtung betrachtet das hergestellte Bauteil bestehend aus einer ersten und einer zweiten Schicht.

In Fig. 1 ist dargestellt, wie ein röhrenförmiger Körper - hier in Form eines Hohlzy linders - hergestellt wird, der die erste Schicht 2 eines zu fertigenden Bauteils 1 (s. Fig. 3) bildet. Der röhrenförmige Körper besitzt eine Kunststoffmatrix aus einem Thermoplast oder Duroplast, in die ein Verstärkungselement in Form einer Verstärkungsfaser 4 aus Glas oder Kohlenstoff eingelagert wird. Hierzu ist eine Spule 5 vorgesehen, auf der die lange Verstärkungsfaser 4 aufgewickelt ist. Der röhrenförmige Körper rotiert um seine Achse A. Während der Rotation wird die Verstärkungsfaser 4 auf den Umfang des röhrenförmigen Körpers aufgewickelt, was durch den Doppelpfeil in Fig. 1 angedeutet ist.

Der röhrenförmige Körper, d. h. die erste Schicht erhält damit anisotrope Eigenschaften, d. h. die Festigkeit in Umfangsrichtung des Körpers ist höher als in Längsrichtung. Gerade in Umfangsrichtung müssen jedoch zumeist höhere Kräfte aufgenommen werden, wenn das Bauteil rotierend verwendet wird.

Ist die erste Schicht 2 fertig gestellt, erfolgt gemäß Fig. 2 die Aufbringung einer zweiten Schicht 3 in Form eines Hartstoffes. Angedeutet ist in Fig. 2, dass der Hartstoff auf den vorgefertigten röhrenförmigen Körper durch Plasmaspritzen aufgebracht wird, wozu exemplarisch eine Spritzdüse 6 skizziert ist.

Als Hartstoffe kommen alle Materialien in Frage, die eine hohe Oberflächenhärte und Verschleißresistenz aufweisen.

Zur Verbesserung der Haftung der zweiten Schicht 3 auf der ersten Schicht 2 kann ein geeigneter Haftvermittler eingesetzt werden, was als solches bekannt ist.

Das fertige Bauteil 1 ist in Fig. 3 illustriert. Die beiden Schichten 2 und 3 sind koaxial zueinander angeordnet. Das Bauteil 1 weist im Inneren einen Hohlraum 7 auf, was es entsprechend leicht macht. Durch die umwickelten Verstärkungsfasern, die in das Kunststoffmaterial der Basis vollständig eingehüllt angeordnet sein können, hat das Bauteil 1 dennoch eine sehr hohe Festigkeit, die äußere Schicht 3 macht es verschleißstabil und damit lange haltbar.

Bei der Fertigung insbesondere der ersten Schicht 2 können gegebenenfalls Zusatzteile in die Schicht integriert werden, die für den späteren Betrieb des Bauteils benötigt werden. Dies ist allerdings nicht illustriert.

Hinsichtlich der zum Einsatz kommenden Fasern sei noch erwähnt, dass neben den genannten Arten von Fasern auch solche aus Metall, insbesondere aus Stahl, oder Langfaserwerkstoffe zum Einsatz kommen können.

Bezugszeichenliste:

1 Bauteil

2 erste Schicht

3 zweite Schicht

4 Verstärkungsfaser

5 Spule

6 Sprühkopf

7 Hohlraum

A Achse