B E S C H R E I B U N G

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines hohlen Formkörpers gemäß Patentanspruch 1, auf einen Kernkörper zur Anwendung in diesem Verfahren gemäß Patentanspruch 16 und auf einen nach dem Verfahren herstellbaren Zweiradrahmen gemäß Patentanspruch 20.

Es ist bekannt, bei der Verarbeitung von faserverstärktem Kunststoff mit einem Kern zu arbeiten. Dieser, 2. B. aus PU-Schaum bestehende Kern wird mit Fasermaterial umwickelt, mit reaktivem Kunststoff getränkt und in einer Form unter Einwirkung von Wärme ausgehärtet. Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß der im Formkörper verbleibende Kern das Gewicht des Formkörpers zusätzlich erhöht.

Weiterhin ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein aufpumpbarer Schlauch mit imprägniertem Fasermaterial umwickelt wird. Das Aushärten des Formkörpers erfolgt in einer Form bei aufgepumpten Schlauch und unter Einwirkung von Wärme. Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß sich besonders bei komplexeren Formkörpern das Umwickeln des Schlauches mit Fasermaterial aufgrund der Nachgiebigkeit des Schlauches sehr schwierig gestaltet. Weiterhin können bei der Handhabung eines derartigen Formkörperrohlingε, z.B. beim Einlegen in die Preßform, Fehlstellen wie Knicke, Quetschungen usw. auftreten, die zu

einer Verringerung der Festigkeit des Verbundkörpers führen.

Die Anwendung derartiger Verfahren auf HI-TEC-Produkte wie beispielsweise Geländefahrradrahmen führte zu unbefriedigenden Ergebnissen, da beim erstgenannten bekannten Verfahren das Rahmengewicht gegenüber Leichtmetallrahmen zu hoch war oder bei der Anwendung des letztgenannten Verfahrens nicht die erforderliche Dauerfestigkeit der Rahmenkonstruktion erreicht wurde.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren, einen Zweiradrahmen und einen Kernkörper bereitzustellen, bei dem die Herstellung und die Handhabung eines mit Fasermaterial umwickelten Formkörperrohlings bzw. Formkörpers bei minimiertem Eigengewicht einfach und zuverlässig erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1, 16 und 20 gelöst.

Durch die Maßnahme einen mit der Gestalt der Innenoberfläche des Formkörpers versehener Kernkörper zu erstellen, der aus einem schmelzbaren Kern und aus einem den Kern umgebenden elastischen Mantel, beispielsweise in Form eines Schlauches besteht, eignet sich dieser aufgrund seiner Festigkeit und Eigensteifigkeit gut zum Umwickeln durch entweder garnartigem- oder gewebeartigem Fasermaterial. Dadurch ist es möglich das Fasergewebe unter Vermeidung von Knicken und Falten sauber und gleichmäßig um den Kernkörper zu wickeln.

Dabei kann die Faserorientierung entsprechend den Anforderungen und den Belastungen beliebig gewählt werden. Der auf diese Art erstellte Formkörperrohling ist durch den Kernkörper eigensteif und kann z. B. beim Einlegen in eine

teilbare Form gut gehandhabt werden, ohne daß dabei der

Formkörperrohling beschädigt wird.

Die Oberfläche des Mantels bietet gegenüber üblichen Lösungen einen besonders guten Haftgrund für die Fasermaterialwicklung, so daß das Erstellen des Formkörperrohlings wesentlich erleichtert ist.

Das Aushärten erfolgt bei aufgepumptem Mantel und durch Einwirken von Druck und Wärme. Durch das Aufpumpen des Mantels mittels Druckluft wird die Hülle aus Faserwerkstoff vom Kern gelöst und gegen die Wandung der Preßform gedrückt. Auf diese Weise ist eine saubere Trennung zwischen Mantel mit Faserwerkstoffhülle und Formkern gewährleistet.

Nach dem Aushärten wird der durch Wärmeeinwirkung geschmolzene Kern abgelassen und der Mantel aus dem Innenbereich des Formkörpers herausgezogen oder darin belassen. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von kernlosen Hohl-Formkörpern aus faserverstärktem Kunststoff, wobei die Ausschußquote bei der Produktion verursacht durch unsachgemäßes Wickeln des Fasermaterials oder unsachgemäßes Handhaben des Formkörperrohlings minimiert wird.

Aufgrund der kernlosen Hohlkonstruktion und der gegenüber bekannten Verfahren verminderten Fehlerhäufigkeit ist das erfindungsgemäße Verfahren ganz besonders geeignet für die Anwendung zur Herstellung eines Fahrradrahmens, der sich durch geringes Gewicht und hohe Festigkeit auszeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich jedoch nicht nur zur Anwendung auf Zweiradrahmen, sondern es eignet sich auch zum Fertigen von allen mit einem Hohlraum versehenen, hochbelasteten Bauteilen, wie z.B. Zweiradlenker, Zweiradrahmen, Tennisschläger, Schwimmbretter und ähnlichen Gegenständen.

Durch das Verwenden von Wachs als schmelzbares Material für den Kern mit einer Schmelztemperatur von vorzugsweise 80°c bis 140°C ist zum einen ein einfaches Ausschmelzen des Kerns gewährleistet und zum andern das ausgehärtete Kunststoffmaterial aufgrund der relativ niedrigen Temperatur nur geringer termischer Belastung ausgesetzt.

Durch das Vorsehen mehrfacher Wickelschichten an stärker beanspruchten Bereichen des Formkörpers wird insgesamt eine hohe Festigkeit bei minimiertem Gewicht des Formkörpers erreicht.

Durch das Befüllen des in einer Hilfsform eingelegten vorkonfektionierten Mantels mit geschmolzenem Kernmaterial gestaltet sich die Herstellung des Kernkörpers besonders einfach und genau reproduzierbar.

Da der Mantel nach dem Ausschmelzen des Kerns entfernbar ist, kann er wiederverwendet werden, so daß der Fertigungsprozess ökonomischer erfolgen kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen teilweise geschnittenen Zweiradlenker mit angeformten Lenkrohr, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist.

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht eines einstückig ausgebildeten Zweiradrahmens, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.

In Fig. 1 ist ein Zweiradlenkerrohling mit angeformten

Lenkrohr dargestellt, wie er zum Aushärten in eine Preßform eingelegt wird.

Der Innenbereich des Zweiradlenkers ist mit einem Kernkörper 1 ausgefüllt, welcher aus einem schmelzbaren Kern 2 und einem den schmelzbaren Kern 2 umgebenden Schlauch 3 besteht. Um den Kernkörper 1 herum sind Faserwerkstoffe 4, beispielsweise sog. Prepregs gewickelt, die später den Formkörper bilden.

Nachfolgend werden die Verfahrensschritte zur Herstellung eines hohlen Formkörpers am Beispiel des in Fig. 1 dargestellten Zweiradlenkers beschrieben.

Eine teilbare Hilfsform (nicht dargestellt), deren Innenoberfläche die Gestalt des Kerns 2 des Zweiradlenkers aufweist, wird mit einem schmelzbaren Kernmaterial wie z.B. Hartwachs ausgegossen. Nach Abkühlen bzw. Erstarren des Kerns 2 wird er aus dieser Hilfsform entnommen.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird der Kern 2 mit einem gasdichten Schlauch 3 überzogen. Dies erfolgt beispielsweise durch Aufbringen eines geeigneten Schlauchmaterials, wie zum Beispiel Latex oder Siliconkautschuk, auf den Kern 2. Es kann jedoch auch ein vorkonfektionierter Schlauch verwendet werden, der entweder aus einer vorhergehenden Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens stammt oder der in einem gesonderten Herstellungsprozess gewonnen wird, welcher hier nicht besprochen werden soll.

Der mit dem Schlauch 3 umgebene Kern 2 bildet den eigentlichen Kernkörper 1. Der den Kernkörper 1 umgebende Schlauch 3 ist am Lenkerrohr des Zweiradlenkers verlängert ausgebildet und weist eine durch ein Ventil (nicht gezeigt) verschließbare Öffnung 5 auf.

Der Kernkörper 1 wird anschließend mit kunstharz- i prägniertem Fasergewebe 4, -vorzugsweise Kohlefasern-, sog. Prepregs umwickelt.

Aufgrund der Eigensteifigkeit des Kernkörpers kann das Fasergewebe eng um den Kernkörper 1 herum geformt werden. Höher beanspruchte Bereiche können durch mehrfache Faserschichten verstärkt und/oder durch andere Materialien usw. stabilisiert werden. Weiterhin können Einlegeteile wie beispielsweise Befestigungselemente zur Befestigung des Lenkers miteingeformt werden. Der auf diese Weise erzeugte Formkörperrohling ist bedingt durch die Steifigkeit des Kernkörpers 1 leicht handhabbar.

Der Formkörperrohling wird nun in eine teilbare Preßform (nicht dargestellt) eingelegt, deren Innenoberfläche die Gestalt der Außenoberfläche des Formkörpers aufweist. Durch die Stabilität des Formkörperrohlings ist die Gefahr der Faltenbildung im Faserwerkstoff während des Einlegens in die Form sehr gering.

Nach dem Schließen der Preßform wird der Schlauch 3 aufgepumpt, so daß der Faserwerkstoff an die Innenoberfläche der Form gedrückt wird. Dabei lösen sich der Schlauch 3 und die Faserwicklung vom Kern 2. Die Innenflächen der Preßform sind beheizbar, so daß der faserverstärkte Kunststoff unter Wärme- und Druckeinwirkung aushärtet. Nach dem Aushärten wird der Formkörper aus der Form entnommen. Der Kern kann durch Wärmeeinwirkung während des Pressvorgangs oder in einem weiteren Verfahrensschritt aufgeschmolzen und als flüssiges Medium über die Schlauchöffnung 5 abgelassen werden. Das Ablassen des flüssigen Kernmaterials kann durch Anlegen von Unterdruck an der Schlauchöffnung 5 unterstützt werden. Der Unterdruck fördert weiterhin das Ablösen des Schlauchs 3 von der

Innenoberfläche des Formkörpers. Der Schlauch 3 ist dadurch leichter aus dem Formkörper herausziehbar.

Das Herauslösen des Schlauchs 3 aus dem Formkörper kann weiterhin erleichtert werden, indem die Außenoberfläche des Kernkörpers 1 vor dem Umwickeln mit Fasermaterial mit einem Trennmittel behandelt wird.

Der den Formkörper darstellende Zweiradlenker mit angeformten Lenkrohr ist nach dem Pressen im wesentlichen fertiggestellt, wobei während des Preßvorgangs der stabile Kern gewährleistet, daß der Hohlkörper definierte Wandstärken mit einer vorgegebenen Innenoberflächenstruktur aufweist, was im Vergleich zu bekannten Lösungen zu überlegenen Festigkeitswerten führt und eine Nachbearbeitung weitestgehend erübrigt.

Zur Herstellung des nächsten Formkörpers kann der in dem vorbeschriebenen Verfahren erhaltene Schlauch 3 wieder verwendet werden. Der Kernkörper 1 wird dabei durch Befüllen des Schlauchs 3 mit geschmolzenem Kernmaterial in einer Hilfsform erzeugt.

In Fig. 2 ist ein teilweise geschnittener Zweiradrahmen dargestellt, der aus einer einstückig ausgebildeten Hohlprofilstruktur mit Aufnahmeabschnitten für Tretlager 6, Lenkkopflager 7, Sattelstütze 8 und Hinterrad 9 aufgebaut ist. Hinsichtlich der Details des Zeiradrahmens sei auf die gleichzeitig hinterlegte Gebrauchsmusteranmeldung

DE verwiesen, deren Inhalt auch zur Offenbarung der vorliegenden Anmeldung zu zählen ist.

Nachfolgend werden die Verfahrensschritte zur Herstellung eines hohlen Formkörpers am Beispiel des in Fig. 2 dargestellten Fahrradrahmens beschrieben.

Wie aus den gestrichelten Grenzlinien hervorgeht, ist der für den Zweiradrahmen notwendige Kernkörper 1 ist aus mehreren Teilkernkörper la, lb, lc aufgebaut, die jeweils für sich einen mit einem Schlauch 3 umgebenen schmelzbaren Kern 2 aufweisen und durch aneinanderfügen den kompletten Kernkörper 1 ergeben. Die hier gewählte Aufteilung ist lediglich beispielhaft gewählt. Selbstverständlich sind auch andere Teilungen oder ein einstückiger Formkern verstellbar. Dabei liegen die Teilkernkörper la, lb, lc an ihren Stoßpunkten eng aneinander und/oder greifen überlappend ineinander. Dabei sollen möglichst Stumpfstoße vermieden werden, so daß es aus Stabilitätsgründen bevorzugt wird, die Übergangsbereiche zwischen zwei Teilkernkörper la, lb, lc winklig zu überlappen, d. h. , daß die Übergangsbereiche wie zwei in spitzem Winkel zur Längsachse abgeschnittene Rundstabenden aneinanderfügbar sind.

Der aus Teilkernkörper la, lb, lc aufgebaute Kernkörper 1 wird, wie im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, ebenfalls mit Prepregs umwickelt, wobei die verwendeten Materialien und die Schichtdicke je nach Festigkeit frei wählbar ist, so daß an stark beanspruchten Stellen die Wickelschichten mehrfach übereinander liegen können.

Die weitere Verarbeitung des Formkörperrohlings erfolgt im wesentlichen in gleicher Weise wie bereits im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Der einen relativ komplexen Formkörper darstellende Zweiradrahmen weist einen Kernkörper 1 auf, dessen Teilkernkörper la, lb, lc jeweils für sich keine geschlossene Profilstruktur des Fahrradrahmens umgreifen, so daß jeder zu einem Teilkernkörper la, lb, lc gehörende Schlauch 3 nach Ausschmelzen des jeweiligen Kerns 2 über entsprechende Rahmenöffnungen wie z.B. Tretlager-,

Lenkkopflager- oder Sattelstützenöffnung 6, 7, 8 entfernbar ist.

Bei einer anderen Variante des Verfahrens zur Herstellung eines aus einem Hohlkörperprofil aufgebauten Zweiradrahmens wird ein einstückig ausgebildeter Kernkörper 1 verwendet. Dabei wird der aus schmelzbarem Material bestehende Kern 2 - wie oben beschrieben - in einer teilbaren Hilfsform erzeugt und anschließend mit einer dünnen luftundurchlässigen elastischen Schicht überzogen. Der so entstandene Schlauch 3 weist Fortsätze 5 zum Aufpumpen an den verschiedenen Rahmenöffnungen wie Tretlager-, Sattelstützen- und Lenkkopflageröffnungen 6, 7, 8 auf. Im Anschluß an die vorbeschriebenen Verfahrensschritte, d. h. , Umwickeln mit vorimprägniertem Fasermaterial, Einlegen in die Form, und Aushärten unter Druck und Wärmeeinwirkung wird an den verschiedenen Rahmenöffnungen das durch die Wärmeeinwirkung geschmolzene Kernmaterial abgelassen.

Aufgrund der einstückigen Ausbildung des Kernkörpers 1 mit Hinterschneidungen muß der Schlauch 3 im Zweiradrahmen verbleiben. Damit der Schlauch 3 mit der Innenoberfläche des Fahrradrahmens einen Verbund eingeht, kann der Schlauch 3 auf der Außenoberfläche mit einem adhäsiven Mittel behandelt sein. Bei diesem Beispiel würde sich also ein Verbundkörper bestehend aus dem ausgehärteten Kunststoffhohlprofil und dem Schlauch ergeben.

Vorzugsweise wird bei den vorbeschriebenen Verfahren ein Kernmaterial aus Wachs oder Hartwachs oder ähnlichem schmelzbarem Material verwendet, dessen Schmelzpunkt bei einer Temperatur von 40 °C bis 200°C, vorzugsweise bei 80°C bis 140°C liegt.

Zum besseren Entfernen aus dem Innenbereich des Formkörpers nach Aushärten des Kunststoffs kann die Oberfläche des Schlauchs 3 mit einem Trennmittel behandelt sein.

Bei der Herstellung des hohlen Formkörpers können in die teilbare Form, in der die Aushärtung des Formkörperrohlings erfolgt, weitere formgebende Einlegeteile eingelegt werden. Weiterhin können Verstärkungselemente aus anderen Materialien, wie z.B. Metall entweder in die teilbare Form mit eingelegt werden, so daß sie einen Verbund mit dem reaktiven Kunststoff eingehen, oder es werden am Formkörper besonders ausgeformte Aufnahmeabschnitte ausgebildet, an denen dann später die entsprechenden Lagerbüchsen, aufnahmen usw. befestigt werden.

Das beschriebene neue Verfahren ermöglicht somit die einfache präzise Fertigung auch komplizierter Hohlkörpergeometrien, die sich durch geringes Gewicht und hervorragende Festigkeit auszeichnen.

Offenbart ist ein Verfahren zur Herstellung eines hohlen Formkörpers aus faserverstärktem reaktivem Kunststoff, bei dem ein eigensteifer Kernkörper verwendet wird, der aus einem schmelzbaren Kern und eine um den schmelzbaren Kern herum angeordnete dünne elastische gasdichte Schicht besteht. Ein Formkörperrohling wird durch Umwickeln des festen Kernkörpers mit imprägniertem Fasermaterial, bevorzugterweise mit Prepregs erstellt. Der durch den Kernkörper eigensteife Formkörperrohling ist ohne die Gefahr der Faltenbildung leicht handhabbar und in eine teilbare Preßform einlegbar. Nach dem Schließen der Preßform wird die elastische als Schlauch ausgebildete Schicht über eine Öffnung aufgepumpt, so daß das Fasermaterial gegen die Innenwand der Form gepreßt und gleichzeitig der Schlauch vom schmelzbaren Kern abgehoben wird. Über die beheizbare Innenwand der Preßform wird der Formkörperrohling erhitzt, damit der faserverstärkte Kunststoff unter Druck und Wärme aushärtet. Nach dem Aushärteprozeß wird das entweder durch die Wärme der Form oder durch separates Erwärmen geschmolzene Kernmaterial

über die Schlauchöffnung abgelassen. Im Anschluß daran kann der komplette Schlauch aus der Öffnung gezogen werden.