DE202011004624U1 - Lightweight hybrid construction for dimensionally stable sliding surfaces - Google Patents
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Abstract
Ein Schichtverbundwerkstoff mit geringer Haft- und Gleitreibung, dadurch gekennzeichnet, dass er aus zwei Systemen A und B schichtweise aufgebaut ist, wobei es sich beim System A um ein ultrahochmolekulares gesintertes Pulver aus Polyolefinen handelt, und beim System B um parallel liegende Polyolefinbändchen, die in einer oder mehreren Lagen übereinander gelegt und dauerhaft miteinander verbunden sind.A layer composite material with low static and sliding friction, characterized in that it is built up in layers from two systems A and B, whereby system A is an ultra-high molecular weight sintered powder made of polyolefins, and system B is parallel polyolefin tapes that are in one or more layers are placed on top of each other and permanently connected to each other
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft Gleitflächen aus Kunststoffen, die mit Hochmodul-Formkörpern zu Hybridkonstruktionen in Leichtbauweise versteift werden.The invention relates to sliding surfaces made of plastics, which are stiffened with high-modulus moldings to hybrid constructions in lightweight construction.
Stand der TechnikState of the art
In vielen technischen Anwendungen ist eine geringen Haft- und Gleitreibung erwünscht, z. B. beim Materialtransport. Auf Rutschen oder Schüttrinnen soll sich das darauf befindliche Material, z. B. Steine oder Sand, durch die Schwerkraft weiter bewegen und möglichst nicht hängenbleiben. Bei üblichen Schüttrinnen aus Metall ist dies meistens vom Gefälle abhängig: Je größer der Winkel gegen die Horizontale, desto besser rutscht das zu transportierende Material. Weitere Einflüsse, etwa der Feuchtigkeitsgehalt von Sand oder Nieten in der Rinne, beeinflussen die Gleitfähigkeit negativ.In many technical applications, a low static and sliding friction is desired, for. B. in material transport. On slides or chutes should the material thereon, z. As stones or sand, move by gravity on and not hang if possible. In the case of common metal chutes, this usually depends on the slope: the greater the angle to the horizontal, the better the material to be transported slides. Other influences, such as the moisture content of sand or rivets in the gutter, negatively affect the lubricity.
Sofern das Material nicht ungehindert abgleitet, behilft man sich in der Praxis durch mechanisches Schlagen an die Rinne. Durch die Erschütterung wird die Haftung des Materials aufgehoben und es kann erneut ins Gleiten (Gleitreibung) übergehen.If the material does not slide off unhindered, one gets in practice by mechanical hitting the gutter. Due to the vibration, the adhesion of the material is removed and it can go over again to sliding (sliding friction).
Um diesen Vorgang zu erleichtern, gibt es sogenannte Rüttelrinnen: Durch einen Motor mit entsprechender Mechanik versetzt man die Rinne in Vibration. Dadurch wird verhindert, dass das zu transportierende Material an der Rinne anhaftet. Rüttelrinnen gestatten einen Materialtransport auch bei sehr geringem Gefälle.To facilitate this process, there are so-called vibrating troughs: By means of a motor with appropriate mechanics, the trough is vibrated. This prevents the material to be transported from adhering to the gutter. Rüttelrinnen allow a material transport even at very low slopes.
Eine weitere Möglichkeit, die Haft- und Gleitreibung zu verringern, ist die Verwendung von Rinnenmaterial mit geringer Oberflächenenergie (Oberflächenspannung). Hier bieten sich vor allem Kunststoffe an, die die Haft- und Gleitreibung verringern. Hierzu sind Polyolefine (PE, PP, PTFE, etc.) geeignet, insbesondere knapp unterhalb des Schmelzpunkts gesinterte Pulver aus ultrahochmolekularem Polyethylen (UHMPE). Diese Kunststoffe finden auch im Maschinenbau und der Mikrotechnik als öl- und fettfreie Lagerwerkstoffe Verwendung.Another way to reduce static friction and sliding friction is the use of low surface energy channel material (surface tension). Here are above all plastics, which reduce the static friction and sliding friction. For this purpose, polyolefins (PE, PP, PTFE, etc.) are suitable, in particular just below the melting point sintered powder of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMPE). These plastics are also used in mechanical engineering and microtechnology as oil and grease-free bearing materials.
Auch für Kunsteisbahnen sind keine aufwendigen Kältemaschinen mehr erforderlich: Blöcke aus gesintertem UHMPE-Pulver werden über Nut und Feder zu größeren Flächen zusammengefügt. Vor Gebrauch erhalten sie nur noch mit einem dünnen Wasserfilm zur Unterstützung der Gleitwirkung.Artificial ice rinks no longer require elaborate chillers: blocks made of sintered UHMPE powder are joined together via tongue and groove to form larger surfaces. Before use, they only get with a thin film of water to support the sliding effect.
Die erwähnten Polyolefine haben alle einen gemeinsamen Nachteil: Ihre geringe Steifigkeit. Sie können nur mit Unterkonstruktionen verwendet werden, die dem Verbund die erforderliche Steifigkeit geben. Rutschen und Schüttrinnen beispielsweise lassen sich mit Polyolefinfolien beschichten, entweder durch Vernieten oder Verkleben. Auch für Kipp-Ladeflächen von Baufahrzeugen ist dies denkbar. Und bei Kunsteisbahnen aus UHMPE-Blöcken ist sowohl eine hohe Materialstärke – üblich sind ½ bis 1 Zoll (12,7–25,4 mm) – als auch ein solider fester Untergrund erforderlich.The mentioned polyolefins all have one common drawback: their low rigidity. They can only be used with substructures that give the composite the required rigidity. Slides and chutes, for example, can be coated with polyolefin films, either by riveting or gluing. This is also conceivable for tilting loading areas of construction vehicles. And for skating rinks made of UHMPE blocks, both a high material thickness - usually ½ to 1 inch (12.7-25.4 mm) - as well as a solid, solid surface are required.
Ein weiterer Nachteil von nicht orientierten Molekülketten aus Polyolefinen ist der hohe thermische Ausdehnungskoeffizient: Typisch ist ein Wert von ca. 185·10–6 K–1, etwa achtmal größer als der von Aluminium oder fünfzehnmal größer als der von Eisen.Another disadvantage of non-oriented molecular chains of polyolefins is the high thermal expansion coefficient: typically, a value of about 185 · 10 -6 K -1 , about eight times greater than that of aluminum or fifteen times greater than that of iron.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, Gleitflächen aus Polyolefinen mit formstabilem Material als Hybridkonstruktion in Leichtbauweise bereit zu stellen.Object of this invention is to provide sliding surfaces made of polyolefins with dimensionally stable material as a hybrid construction in lightweight construction.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Verbund aus dem erwähnten gesinterten UHMPE-Pulver mit Gelegen aus PE-Bändchen mit sehr hohem Elastizitätsmodul. Das Verfahren zur Herstellung und die Eigenschaften dieser Polyolefin-Bändchen sind in der Patentschrift
Verwendet werden die PE-Bändchen als sogenannte UD-Sheets, d. h. unidirektional verstreckte Bahnen oder Blätter. Hierzu werden die einzelnen Bändchen als Gruppen nebeneinander parallel gelegt und mit einer dünnen Klebefolie abgedeckt. Bevorzugt wird die Klebefolie aus dem gleichen Material wie die Bändchen gewählt, jedoch mit verringertem Schmelzpunkt. Erreicht wird dies z. B. über ein niedermolekulareres Polyolefin als das der Bändchen.The PE tapes are used as so-called UD sheets, i. H. unidirectionally stretched webs or sheets. For this purpose, the individual ribbons are laid in parallel as groups next to each other and covered with a thin adhesive film. Preferably, the adhesive sheet is selected from the same material as the tapes but with a reduced melting point. This is achieved z. B. on a low molecular weight polyolefin than that of the ribbon.
Auf die erste Klebefolie wird eine zweite Lage paralleler Bändchen in der Art aufgelegt, dass die Fugen der ersten Lage abgedeckt werden. Auch diese Lage wird abschließend wieder durch eine Klebefolie abgedeckt. Unter Druck und Temperatur wird die Klebefolie angeschmolzen, die Verarbeitungstemperatur bleibt aber unter dem Schmelzpunkt der Bändchen. Mit diesem Verfahren erhält man die UD-sheets, die als Verstärkungsmaterial weiter verwendet werden können. Diese Technologie ist Stand der Technik, patentiert von der Fa. Novameer, Kennedylaan 10a, 5466 AA Veghel, Niederlande.On the first adhesive film, a second layer of parallel ribbon is placed in such a way that the joints of the first layer are covered. This situation is finally covered by an adhesive film. Under pressure and temperature, the adhesive film is melted, but the processing temperature remains below the melting point of the ribbon. With this method, the UD sheets are obtained, which can be used as reinforcing material. This technology is state of the art, patented by Novameer, Kennedylaan 10a, 5466 AA Veghel, The Netherlands.
Mehrere UD-Sheets können unter Winkeln zueinander verklebt werden. Auf diesem Weg erhält man zweidimesional isotrope Schichtverbundwerkstoffe.Several UD sheets can be glued together at angles. In this way one obtains two-dimensionally isotropic layered composites.
Grundsätzlich eignen sich aber auch andere textile Flächen aus den hochorientierten Bändchen. Neben einfachen, miteinander verbundenen Gelegen bzw. Gelegeschichten finden Gewebe aus diesen Bändchen ebenfalls Verwendung. Auch die Gewebe werden bevorzugt mehrlagig unter unterschiedlichen Winkeln miteinander verbunden. Somit erhält man auch hiermit zweidimensional isotrope Schichtverbundwerkstoffe.In principle, however, other textile surfaces are also suitable for the highly oriented ribbons. In addition to simple, interconnected or layered layers, tissues are found this ribbon also use. The tissues are also preferably interconnected in multiple layers at different angles. Thus, one also obtains hereby two-dimensionally isotropic layered composite materials.
Bezeichnen wir mit A eine Schicht aus gesintertem UHMPE-Pulver, mit B eine mehrlagige Schicht multidirektional ausgerichteter PE-Bändchen mit sehr hohem Modul, so besteht der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff mindestens aus der Konstruktion A-B, wobei A die Gebrauchsseite mit geringer Haft- und Gleitreibung darstellt. Eine weitere, übliche Verwendungsform hat den Aufbau A-B-A. Die Verbindungen zwischen den Grenzschichten erzielt man auch hier z. B. durch thermisches Verkleben mittels einer niedermolekularer PE-Folie unter Druck, wobei die Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der niedermolekularen Folie liegt, jedoch unterhalb der Schmelztemperatur der hochmolekularen Pulver und der der Bändchen.If we denote A a layer of sintered UHMPE powder with B, a multi-layer layer of multidirectionally oriented PE ribbon with very high modulus, the composite according to the invention consists at least of construction A-B, where A represents the use side with low static and sliding friction. Another common form of use has the structure A-B-A. The connections between the boundary layers are also achieved here z. B. by thermal bonding by means of a low molecular weight PE film under pressure, wherein the temperature is above the melting point of the low molecular weight film, but below the melting temperature of the high molecular weight powder and the ribbon.
Je nach gewünschtem Eigenschaftsprofil sind auch mehrlagige Aufbauten des Typs (A-B)n oder (A-B)n-A bevorzugt, wobei n eine natürliche Zahl ist.Depending on the desired property profile, multi-layered constructions of the type (AB) n or (AB) n -A are also preferred, where n is a natural number.
Durch die multidirektionale Bändchenlage mit ihrem hohen Modul wird einerseits der thermische Ausdehnungskoeffizient signifikant reduziert, andererseits wird durch die Steifigkeit der Bändchenschicht(en) auch die Steifigkeit der Verbundkonstruktion erhöht.Due to the multidirectional ribbon layer with its high modulus, on the one hand the thermal expansion coefficient is significantly reduced, on the other hand, the rigidity of the ribbon layer (s) also increases the stiffness of the composite construction.
Im Beispiel des Kunsteises ist es auf diese Weise möglich, mit ¼'' bis ½'' Materialstärke ein ausdehnungsärmeres, steiferes Material bei rund gerechnet halbem Gewicht herzustellen.In the example of artificial ice, it is possible in this way, with ¼ '' to ½ '' material thickness to produce a low-expansion, stiffer material at about half weight calculated.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die Verstärkung der Lauffläche von Abfahrts- und Langlaufskiern. In dieser speziellen Anwendung ist B eine unidirektional ausgebildete Schicht der PE-Bändchen (z. B. ein oder mehrere UD-Sheets), da in diesem Fall eine Verstärkung nur in Laufrichtung der Ski erforderlich ist.Another application example is the reinforcement of the running surface of downhill and cross country skis. In this particular application, B is a unidirectionally-formed layer of the PE tapes (eg, one or more UD sheets), since in this case reinforcement is required only in the running direction of the skis.
Für Schütt- und Rüttelrinnen wie auch für Ladeschalen von Baufahrzeugen sind mit dem erfindungsgemäßen Material keine Beschichtungen von Metallflächen mit Polyolefinen mehr notwendig: Durch die hervorragende Steifigkeit und Festigkeit werden diese Formkörper direkt aus dem Hybridmaterial mit ihrer intrinsisch geringen Oberflächenreibung hergestellt.For bulk and vibrating troughs as well as for loading shells of construction vehicles, no coatings of metal surfaces with polyolefins are necessary with the material according to the invention: Due to the excellent rigidity and strength, these shaped bodies are produced directly from the hybrid material with its intrinsically low surface friction.
Ein weiteres Anwendungsgebiet dieses Materials sind spezielle Flächen für Verkehrsübungsplätze, bei denen im nassen Zustand der Haftkontakt zwischen Reifen und Fahrbahn abreißt, um das Fahrverhalten in Extremsituationen zu üben.Another area of application of this material is special areas for traffic training areas, in which the wet contact between the tire and the road breaks off to practice the driving behavior in extreme situations.
Die erwähnten Polyolefin-Bändchen können auch durch Multifilamente aus Polyolefinen mit gleichen textilen Eigenschaften ersetzt werden.The mentioned polyolefin tapes can also be replaced by multifilaments of polyolefins having the same textile properties.
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