Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Imprägnierung von im wesentlichen unidirektionalen Faserbündeln mit einer flüssigen Matrix, beispielsweise einem Harzmaterial.
Grosse Forschungsanstrengungen sind schon auf dem Gebiete der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffgegenständen gemacht worden. Die Herstellung umfasst üblicherweise die Imprägnierung von mehreren Verstärkungsschichten mit einem flüssigen Harz und das Aushärten des Harzes. Die Verstärkungsschichten können eine nach der andern ausgelegt beziehungsweise angeordnet und imprägniert werden, oder eine vorfabrizierte Mehrschichtstruktur kann mit dem flüssigen Harz imprägniert werden. Die Verstärkungsschichten sind üblicherweise aus einem Gewebe hergestellt. Die Schichtstruktur wird oft in einer geschlossenen Form imprägniert und mit Hitze und Druck ausgehärtet. Unglücklicherweise sind Gewebe teuer, die aus einem Verstärkungsmaterial, wie Glasfasern hergestellt sind.
Vor allem aufgrund dieser hohen Kosten ist die Verwendung von faserverstärkten Kunststoffgegenständen als Bauteile in Flugzeugen, Schiffen, Booten und Automobilen immer noch begrenzt, obwohl ihre Vorteile, wie hohe Festigkeit bei einem niedrigen Gewicht, allgemein bekannt sind.
Dementsprechend ist es erwünscht, die Kosten der faserverstärkten Kunststoffgegenstände zu senken, indem man die teuren Gewebe durch ein billigeres Verstärkungsmaterial ersetzt, wenn die Verwendung der faserverstärkten Kunststoffgegenstände einen solchen Ersatz erlaubt. Eine Möglichkeit, die Kosten des Verstärkungsmaterials zu verringern, ist der Ersatz der teuren Gewebe durch unidirektionale Faserbündel, wie Filamente, Garne oder Rovings. Die unidirektionalen Faserbündel sind wesentlich billiger als die Gewebe. Unglücklicherweise ist die Imprägnierung der unidirektionalen Faserbündel mit einem flüssigen Harzmaterial entweder zeitraubend und dementsprechend teuer oder mangelhaft. Gemäss einem bekannten Verfahren werden die Faserbündel imprägniert, bevor sie in eine Form gelegt werden. Dieses Verfahren ist unangenehm für die Arbeiter, die die Faserbündel anordnen müssen.
Gemäss einem andern Verfahren werden die trockenen Faserbündel in eine offene oder geschlossene Form gelegt und dort imprägniert, beispielsweise indem ein flüssiges Harz in die Form gespritzt wird. Dieses Verfahren wird allgemein "RTM"-Prozess (Harztransferformverfahren) genannt. Wenn das Harz jedoch in die Form gespritzt wird, werden diejenigen Fasern zuerst imprägniert, die am nächsten bei den Wänden der Form liegen. Es dauert unerwünscht lange, diejenigen Fasern zu imprägnieren, die den Kern des Verstärkungsmaterials bilden. Wenn eine schnelle Imprägnation in industriellen Verfahren erforderlich ist, wird in vielen Fällen nur die äussere Hülle des Verstärkungsmaterials mit dem flüssigen Harz imprägniert, und der Kern des Verstärkungsmaterials bleibt trocken.
In industriellen Verfahren wird oft Druck zum Einspritzen des Harzes und zum Imprägnieren der Fasern angewandt, was häufig eine Kompression der Fasern verursacht. Daher fliesst das flüssige Harz oft um das Verstärkungsmaterial herum und bildet eine äussere Oberfläche, die nur aus ausgehärtetem Harzmaterial besteht. Solche Inhomogenitäten in faserverstärkten Kunststoffgegenständen sind sehr unerwünscht.
Dementsprechend wäre es sehr erwünscht, ein Verfahren zur Imprägnation einer Vielzahl von im wesentlichen unidirektionalen Faserbündeln mit einem Harzmaterial oder einer andern flüssigen Matrix bereitzustellen, in dem die Fasern gleichmässig imprägniert werden und welches eine Vorimprägnation der Fasern überflüssig macht.
Zusammenfassung der Erfindung
Überraschend wurde gefunden, dass im wesentlichen unidirektionale Faserbündel gleichmässig mit einer flüssigen Matrix, wie zum Beispiel einem Harzmaterial, imprägniert werden können, wenn ein oder mehrere Stifte in einer im wesentlichen senkrechten Richtung zur Hauptorientierung der Faserbündel zwischen die Faserbündel gebracht werden, bevor die Faserbündel mit der flüssigen Matrix imprägniert werden.
Faserverstärkte Kunststoffgegenstände, die im wesentlichen unidirektionale Faserbündel enthalten, welche nach dem erfindungsgemässen Verfahren imprägniert worden sind, sind für viele Anwendungen geeignet, beispielsweise als energieabsorbierende Balken, wie zum Beispiel Blattfedern oder Stossstangen.
Zusammenfassung der Zeichnungen
Fig. 1 illustriert eine perspektivische Ansicht auf einen Stift, der in einer im wesentlichen senkrechten Richtung zur Hauptorientierung der Faserbündel zwischen die Faserbündel gebracht worden ist.
Die Fig. 2 und 3 illustrieren Ansichten von oben auf eine Vielzahl von Faserbündeln, zwischen die Stifte in einer senkrechten Richtung zur Hauptorientierung der Faserbündel gebracht worden sind.
Die Fig. 4a bis 4c illustrieren verschiedene Modelle von Stiften, die im erfindungsgemässen Verfahren geeignet sind.
Fig.
5 illustriert eine perspektivische Ansicht auf Nähfilamente, die in die Faserbündel genäht worden sind und die die Funktion von Stiften haben.
Fig. 6a und 6b illustrieren Querschnittsansichten auf faserverstärkte Kunststoffgegenstände, die unter Verwendung eines bekannten Imprägnierverfahrens hergestellt worden sind.
Fig. 6c illustriert eine Querschnittsansicht eines faserverstärkten Kunststoffgegenstandes, der unter Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens hergestellt worden ist.
Die Bezugnahme auf die Zeichnungen in den Ansprüchen ist nicht dahin auszulegen, dass der Anspruchsbereich auf den Bereich der Zeichnungen eingeschränkt ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die im erfindungsgemässen Verfahren verwendeten Fasern sind vorzugsweise aus Glas hergestellt, sie können jedoch auch aus verschiedenen natürlichen und synthetischen Materialien bestehen, beispielsweise aus Baumwolle, Polyethylenglykolterephthalat, Polyacrylnitril, Polyamid, Kohlenstoff und keramischen Materialien, Bor, Silikonkarbid oder aromatischen Polyamiden (üblicherweise Aramide genannt), vorzugsweise Poly-p-phenylenterephthalamid, bekannt unter der Bezeichnung Kevlar, oder aus deren Mischungen.
Die Faserbündel können in Form von Filamenten, Garnen oder Rovings verwendet werden. Rovings oder Garne können aus den Filamenten gemäss bekannten Verfahren hergestellt werden, beispielsweise wie es im US Patent 4 414 049 beschrieben ist. Andererseits können die Filamente nach Techniken, die in der Textilindustrie bekannt sind, in Form eines Bandes fixiert werden. Um die Drehsteifigkeit des resultierenden faserverstärkten Kunststoffgegenstandes zu erhöhen, kann die Ansammlung der im wesentlichen unidirektionalen Faserbündel auch Faserbündel enthalten, die sich quer oder diagonal zur Richtung des Hauptanteils der Faserbündel erstrecken. Vorzugsweise werden mehr als 80 Prozent, besonders bevorzugt mehr als 90 Prozent und insbesondere mehr als 95 Prozent der Faserbündel unidirektional angeordnet.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist hauptsächlich für dichte Faserbündel geeignet, das heisst für diejenigen, die Faservolumenanteile von 30 bis 75 Volumenprozent, vorzugsweise von 35 bis 65 Volumenprozent und insbesondere von 40 bis 60 Volumenprozent aufweisen.
Bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung werden die im wesentlichen unidirektionalen Faserbündel in eine Form gelegt. Für einige Anwendungen kann es geeignet sein, ein kontinuierliches Band von nebeneinanderliegenden Filamentsträngen zu wickeln. Für andere Anwendungen kann es geeignet sein, ein solches kontinuierliches Band oder andere Arten Fasermaterial in eine Vielzahl von Hüllen zu wickeln. Ein solches Wickelverfahren ist im US Patent 4 414 049 und in der Europäischen Patentanmeldung 0 200 076 beschrieben. Nachdem die Faserbündel in die Form gelegt worden sind, werden Stifte in einer im wesentlichen senkrechten Richtung zur Hauptorientierung der Fasern gebracht.
Üblicherweise sind die Stifte aus einem Metall- oder Kunststoffmaterial hergestellt, vorzugsweise aus einem faserverstärkten Harz. Im allgemeinen sollten die Stiften ein verjüngtes Ende aufweisen. Die geeignete Länge und der geeignete Durchmesser der Stifte hängt von der Dicke und der Dichte der Faserbündel ab. Die erforderliche Dicke der Stifte hängt auch von der Länge und vom Material ab, aus dem sie hergestellt sind. Je dichter die Faserbündel sind, desto dicker müssen im allgemeinen die Stifte sein und um so mehr Stifte müssen zwischen die Faserbündel pro Fläche gebracht werden, um einen guten Fluss der flüssigen Matrix zu erhalten. Es liegt im Wissensbereich eines Fachmanns, die Länge und den Durchmesser der Stifte zu bestimmen. Der Ausdruck "Stift" ist nicht auf einen Gegenstand beschränkt, der einen zylindrischen, länglichen Schaft aufweist.
Der Stift kann eine konische Form haben, kann flach sein oder kann irgendeine andere geeignete Form aufweisen. Um eine gleichmässige Verteilung der flüssigen Matrix in den Faserbündeln weiter zu erleichtern, können die Stifte hohl sein, und die Wände der Stifte können mit einer oder mehreren \ffnungen versehen sein, zum Beispiel mit einem oder mehreren Schlitzen oder mit im wesentlichen kreisförmigen Löchern, welche als Ausgangsöffnungen für die flüssige Matrix dienen. Bevorzugte Modelle solcher Stifte werden in den Fig. 4a bis 4c illustriert. Vorzugsweise wird die Grösse der Ausgangsöffnungen in Richtung des verjüngten Endes des Stiftes grösser.
Beim Imprägnieren der Faserbündel gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren kann die flüssige Matrix in die Stifte gegossen oder eingespritzt werden, und zwar durch eine Eingangsöffnung, welche sich an dem Ende des Stiftes befindet, welches dem verjüngten Ende gegenüberliegt.
Als Alternative können die Stifte zufällig verteilte Ausgangsöffnungen aufweisen, beispielsweise wenn die Stifte aus einem gesinterten oder faserartigen Material hergestellt sind.
Gemäss der hier verwendeten Definition müssen die Stifte nicht notwendigerweise aus einem steifen Material hergestellt sein. Die Stifte können aus einem flexiblen Material hergestellt sein und können mit einem steifen Hilfsmittel zwischen die Faserbündel gebracht werden, welches entfernt wird, nachdem die Stifte an Ort und Stelle gebracht worden sind. Beispielsweise können die Stifte aus einem Nähfilament, -garn oder -roving hergestellt sein, das eine geeignete Dicke aufweist und das aus einem geeigneten Material hergestellt ist, beispielsweise aus Glasfasern. Das Nähfilament kann gemäss einem bekannten Nähverfahren zwischen die Faserbündel gebracht werden. Derjenige Teil des Nähfilamentes, der sich im wesentlichen senkrecht zur Hauptorientierung der Faserbündel erstreckt, dient als Stifte.
Derjenige Teil des Nähfilamentes, welcher sich im wesentlichen parallel zur Hauptorientierung der Faserbündel erstreckt und der Unterfaden, welcher im Nähverfahren verwendet wird, können als zusätzliche Verstärkung dienen. Mindestens eine, aber üblicherweise mehrere Reihen Filamente werden in die Faserbündel genäht. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen den Filamentreihen kleiner als die Stichlänge in einer einzelnen Reihe.
Garne oder Rovings können anstelle von Filamenten verwendet werden.
Wenn Glasrovings als Faserverstärkung verwendet werden, werden üblicherweise 100 bis 40 000 Stifte, vorzugsweise 1000 bis 10 000 Stifte, pro m<2> Oberfläche der Faserbündelansammlung verwendet, um einen guten Fluss der flüssigen Matrix zu erreichen.
Die Stifte können gleichmässig über die gesamte Fläche der Faserbündel verteilt sein. Gemäss einer anderen, aber weniger bevorzugten Methode wird ein einzelner Stift zwischen die Faserbündel gebracht. Diese Methode kann geeignet sein, wenn längliche faserverstärkte Gegenstände hergestellt werden, welche mindestens zweimal so lang wie breit sind. Ein einzelner Stift wird so zwischen die Faserbündel gebracht, dass sein Abstand von beiden entfernten Enden des länglichen Gegenstandes etwa der gleiche ist.
Andererseits können die Stifte in mehreren Reihen angeordnet werden, welche im wesentlichen senkrecht zur Hauptorientierung der Faserbündel angeordnet sind. Vorzugsweise ist der Abstand der Stifte innerhalb einer Reihe kleiner als der Abstand zwischen einem Stift in einer Reihe und dem nächstliegenden Stift in einer benachbarten Reihe. Vorzugsweise ist der Abstand der benachbarten Stifte innerhalb einer Reihe ein Zehntel bis drei Viertel, besonders bevorzugt ein Viertel bis zwei Drittel, des Abstandes zwischen einem Stift in einer Reihe und dem am nächsten liegenden Stift einer benachbarten Reihe.
Die Stifte können einer nach dem andern zwischen die Faserbündel gebracht werden. Vorzugsweise werden mehrere Stifte kammartig oder bürstenartig oder in der Art einer Vielzahl von Nägeln, die an einem Brett befestigt sind, miteinander verbunden. Ein solches Brett kann aus Holz, Metall oder einem Kunststoffmaterial hergestellt sein.
Durch das Einfügen von Stiften zwischen die Faserbündel an ausgewählten Punkten, kann der Fluss der flüssigen Matrix selektiv beeinflusst werden, wenn die Fasern imprägniert werden. Wenn keine Stifte zwischen die Faserbündel gebracht werden, fliesst die flüssige Matrix, beispielsweise ein flüssiges Harz, hauptsächlich in die Richtung der Faserbündel, was eine ungleichmässige Imprägnierung verursacht. Durch das Einfügen von Stiften zwischen die Faserbündel wird der Harzfluss senkrecht zur Hauptorientierung der Faserbündel erhöht. Die durch die Stifte verursachte seitliche Verschiebung der Fasern ergibt Lücken oder \ffnungen in den Faserbündeln entlang der Stifte. Diese \ffnungen sind im wesentlichen dreieckig (siehe die Fig. 1, 2 und 3).
Vorzugsweise werden die Stifte aus den Faserbündeln entfernt, bevor die Fasern mit einer flüssigen Matrix imprägniert werden. Als Alternative können die Stifte während und nach der Imprägnation zwischen den Faserbündeln verbleiben und einen Teil des faserverstärkten Kunststoffgegenstandes bilden. Im letzteren Fall sind Stifte bevorzugt, die aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial hergestellt sind, um den faserverstärkten Gegenstand mit einer Querverstärkung zu versehen. Gemäss einer dritten Alternative können die Stifte während der Imprägnation mit der flüssigen Matrix verschoben werden. Beispielsweise werden zwei Reihen Stifte zwischen die Faserbündel gebracht. Die Stifte in jeder Reihe sind mit dem (den) benachbarten Stift(en) kammartig verbunden.
Jede Reihe Stifte ist senkrecht zur Hauptorientierung der Faserbündel angeordnet und jeder Stift dehnt sich im wesentlichen in senkrechter Richtung zur Hauptorientierung der Faserbündel aus. Während des Imprägnationsschrittes werden die Reihen der Stifte parallel zur Hauptorientierung der Faserbündel bewegt. Beispielsweise können zwei Reihen Stifte, die sich in der Mitte der Faserbündel befinden, entlang der Fasern bewegt werden, jede in entgegengesetzter Richtung, gegen die Enden der Faserbündel oder gegen die Endschlaufen der Faserbündel, wenn das Fasermaterial kontinuierlich ist.
Vorzugsweise werden die Faserbündel in einer geschlossenen Form imprägniert, besonders bevorzugt gemäss einem Harztransferformverfahren ("RTM"-Verfahren), worin die flüssige Matrix ein Harzmaterial ist und durch einen oder mehrere Einlässe in die geschlossene Form gespritzt wird. Besonders bevorzugt befindet sich der Einlass für das Harz im Zentrum der Formoberfläche. Verfahren zum Einspritzen der flüssigen Matrix sind bekannt. Geeignete flüssige Matrixen sind beispielsweise flüssiger Teer, geschmolzene Metalle und vorzugsweise flüssige Harze. Die Matrix muss bei ihrer Verarbeitungstemperatur flüssig sein. Die zur Imprägnation der Faserbündel geeigneten Harztypen sind bekannt. Bevorzugte Harze sind Acrylamate, Polyesterharze, Vinylesterharze, phenolische Harze, Epoxyharze oder deren Mischungen.
Die imprägnierten Faserbündel werden dann ausgehärtet und gemäss einem bekannten Verfahren aus der Form entfernt. Das Aushärten wird im allgemeinen durch Katalyse bei Raumtemperatur durchgeführt oder bei erhöhten Temperaturen, beispielsweise mittels Wärmelampen, Warmluftöfen oder Bestrahlung durch irgendeine andere Energiequelle.
Nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine perspektivische Ansicht auf eine Vielzahl von im wesentlichen unidirektionalen Faserbündeln 1. Ein einzelner Stift 3 befindet sich zwischen den Faserbündeln 1 in einer solchen Weise, dass der Stift sich im wesentlichen in senkrechter Richtung zur Hauptorientierung der Faserbündel 1 ausdehnt. Die Länge des Stiftes ist üblicherweise mindestens etwa drei Viertel, vorzugsweise nahezu oder genau die gleiche wie die Breite d des herzustellenden faserverstärkten Kunststoffgegenstandes.
Fig. 2 zeigt eine Obenansicht auf eine Vielzahl von im wesentlichen unidirektionalen Faserbündeln 11, zwischen die Stifte 13a, 13b und 13c gebracht worden sind.
Fig. 3 zeigt einen Obenansicht auf eine Vielzahl von im wesentlichen unidirektionalen Faserbündeln, zwischen die Stifte gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens gebracht worden sind. Die Stifte sind in mehreren Reihen 23, 25, 27 und 29 angeordnet. Diese Reihen sind vorzugsweise in einer im wesentlichen senkrechten Richtung zur Hauptorientierung der Faserbündel 21 angeordnet. Der Abstand n zwischen den benachbarten Stiften innerhalb einer Reihe 23a, 23b, 23c, 23d ist vorzugsweise kleiner als der Abstand m zwischen einem Stift 23a in der einen Reihe und dem am nächstliegenden Stift 25a einer benachbarten Reihe. Vorzugsweise ist der Abstand n ein Zehntel bis drei Viertel, besonders bevorzugt ein Viertel bis zwei Drittel des Abstandes m.
Es ist vorteilhaft, die Stifte einer Reihe versetzt in bezug auf die Stifte der benachbarten Reihe(n) anzuordnen, wie es in Fig. 3 durch die Reihen 23, 25, 27 und 29 dargestellt ist.
Die Fig. 4a, 4b und 4c zeigt mehrere Modelle von hohlen Stiften 33a, 33b, 33c. Der Stift 33a hat eine Eingangsöffnung 32a für die flüssige Matrix, eine Ausgangsöffnung 34 und ein verjüngtes Ende 40a. Die Ausgangsöffnung 34 für die flüssige Matrix hat die Form eines Schlitzes, dessen Breite nahe bei der Eingangsöffnung 32a am kleinsten und nahe beim verjüngten Ende 40a am grössten ist.
Der Stift 33b hat eine Eingangsöffnung 32b, im wesentlichen kreisförmige Ausgangsöffnungen 36a, 36b, 36c und ein verjüngtes Ende 40b. Der Durchmesser der Ausgangsöffnungen wird grösser mit grösser werdendem Abstand von der Eingangsöffnung 32b.
Der Stift 33c hat eine Eingangsöffnung 32c, zwei Ausgangsöffnungen 38a, 38b in Form eines Schlitzes und ein verjüngtes Ende 40c. Wie in Fig. 4c gezeigt ist, braucht der Querschnitt der Schäfte nicht kreisförmig zu sein, sondern kann einen elliptischen oder irgendeinen anderen geeigneten Querschnitt aufweisen.
Die Pfeile in den Fig. 4a, 4b und 4c illustrieren den Fluss der flüssigen Matrix beim Imprägnieren der Faserbündel.
Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vielzahl von im wesentlichen unidirektionalen Faserbündeln 51, zwischen die mehrere Reihen eines Nähfilamentes, -garnes oder -rovings 52 gebracht worden liegen. Diejenigen Anteile des Nähfilamentes 52, welche im wesentlichen senkrecht zu der Hauptorientierung der Faserbündel 52 sind, dienen als Stifte 53a, 55a, 57a; 53b; 53c. Der Fluss der flüssigen Matrix kann beeinflusst werden, indem man den Abstand der Reihen des Nähfilamentes, das heisst der Abstand zwischen den Stiften 53a, 53b und 53c, variiert und indem man die Länge der Stiche 56 innerhalb einer Reihe des Nähfilamentes, das heisst der Abstand zwischen den Stiften 53a, 55a und 57a variiert. Jede Reihe Nähfilament wird mittels eines Unterfadens 58 an Ort und Stelle gehalten.
Die Fig. 6a und 6b zeigen zum Vergleich Querschnittsansichten von faserverstärkten Kunststoffgegenständen, welche durch Imprägnierung einer Vielzahl von im wesentlichen unidirektionalen Faserbündeln mit einem Epoxyharz in einer geschlossenen Form gemäss einem bekannten Einspritzformverfahren hergestellt worden sind. Die verwendete Form ist 9 cm x 5 cm x 120 cm gross. Der Einlass für das Harz befindet sich in der Mitte der Formoberfläche. Es werden keine Stifte zwischen die Faserbündel gebracht. Die Überprüfung von zwei hergestellten faserverstärkten Gegenständen zeigt die in den Fig. 6a und 6b dargestellten Querschnitte. Beide Gegenstände enthalten einen Teil, der aus trockenen, unimprägnierten Faserbündeln 61 besteht, einen Teil, der aus imprägnierten Faserbündeln 62 besteht und einen Teil, der nur aus Harzmaterial 63 besteht.
Fig. 6c zeigt eine Querschnittsansicht auf einen faserverstärkten Kunststoffgegenstand, welcher auf die gleiche Weise hergestellt worden ist, wie diejenigen, die in den Fig. 6a und 6b gezeigt sind, jedoch sind Stifte aus einem steifen Material zwischen die Faserbündel in einer im wesentlichen senkrechten Richtung zu der Hauptorientierung der Faserbündel gebracht worden, bevor die Imprägnierung mit dem Epoxyharz durchgeführt wird. Nach der Imprägnierung werden die Stifte entfernt, bevor das Harz ausgehärtet wird. Alle andern Verfahrensparameter bleiben die gleichen wie bei der Herstellung der in den Figuren 6a und 6b gezeigten Gegenstände. Ein einheitlicher, durchsichtiger Gegenstand wird hergestellt, der aus imprägnierten Faserbündeln 62 besteht.
Nach dem Aushärten des Harzes sind noch kleine Hohlkanäle 64a, 64b, 64c etc. zu sehen, wo sich die Stifte befunden haben, jedoch beeinflussen diese Kanäle die Eigenschaften des faserverstärkten Gegenstandes nicht wesentlich.
The present invention relates to a method for impregnating essentially unidirectional fiber bundles with a liquid matrix, for example a resin material.
Great research efforts have already been made in the field of the manufacture of fiber-reinforced plastic objects. Manufacturing typically involves impregnating multiple reinforcement layers with a liquid resin and curing the resin. The reinforcing layers can be laid out or arranged and impregnated one after the other, or a prefabricated multilayer structure can be impregnated with the liquid resin. The reinforcement layers are usually made from a fabric. The layer structure is often impregnated in a closed form and cured with heat and pressure. Unfortunately, fabrics made from a reinforcing material such as glass fiber are expensive.
It is primarily because of this high cost that the use of fiber reinforced plastic articles as components in aircraft, ships, boats and automobiles is still limited, although their advantages, such as high strength and low weight, are well known.
Accordingly, it is desirable to reduce the cost of the fiber reinforced plastic articles by replacing the expensive fabrics with a cheaper reinforcing material if the use of the fiber reinforced plastic articles permits such replacement. One way to reduce the cost of the reinforcement material is to replace the expensive fabrics with unidirectional fiber bundles, such as filaments, yarns or rovings. The unidirectional fiber bundles are much cheaper than the fabrics. Unfortunately, impregnating the unidirectional fiber bundles with a liquid resin material is either time consuming and, accordingly, expensive or inadequate. According to a known method, the fiber bundles are impregnated before they are placed in a mold. This procedure is uncomfortable for the workers who have to arrange the fiber bundles.
According to another method, the dry fiber bundles are placed in an open or closed mold and impregnated there, for example by injecting a liquid resin into the mold. This process is commonly called the "RTM" process (resin transfer molding process). However, when the resin is injected into the mold, the fibers closest to the walls of the mold are first impregnated. It takes an undesirably long time to impregnate the fibers that form the core of the reinforcing material. In many cases, when rapid impregnation is required in industrial processes, only the outer shell of the reinforcement material is impregnated with the liquid resin and the core of the reinforcement material remains dry.
Industrial processes often use pressure to inject the resin and impregnate the fibers, which often causes the fibers to compress. Therefore, the liquid resin often flows around the reinforcing material and forms an outer surface that consists only of hardened resin material. Such inhomogeneities in fiber-reinforced plastic objects are very undesirable.
Accordingly, it would be very desirable to provide a method of impregnating a plurality of substantially unidirectional fiber bundles with a resin material or other liquid matrix in which the fibers are uniformly impregnated and which eliminates the need for pre-impregnation of the fibers.
Summary of the invention
Surprisingly, it has been found that substantially unidirectional fiber bundles can be uniformly impregnated with a liquid matrix, such as a resin material, if one or more pins are brought between the fiber bundles in a substantially perpendicular direction to the main orientation of the fiber bundles before the fiber bundles are included be impregnated with the liquid matrix.
Fiber-reinforced plastic objects which essentially contain unidirectional fiber bundles which have been impregnated by the process according to the invention are suitable for many applications, for example as energy-absorbing beams, such as, for example, leaf springs or bumpers.
Summary of the drawings
Figure 1 illustrates a perspective view of a pin that has been brought between the fiber bundles in a substantially perpendicular direction to the main orientation of the fiber bundles.
Figures 2 and 3 illustrate top views of a plurality of fiber bundles between which pins have been placed in a vertical direction to the main orientation of the fiber bundles.
4a to 4c illustrate different models of pins that are suitable in the method according to the invention.
Fig.
Figure 5 illustrates a perspective view of sewing filaments that have been sewn into the fiber bundles and that function as pins.
Figures 6a and 6b illustrate cross-sectional views of fiber reinforced plastic articles made using a known impregnation process.
6c illustrates a cross-sectional view of a fiber-reinforced plastic object that has been produced using the method according to the invention.
Reference to the drawings in the claims is not to be interpreted as limiting the scope of the claims to the scope of the drawings.
Detailed description of the invention
The fibers used in the process according to the invention are preferably made of glass, but they can also consist of various natural and synthetic materials, for example cotton, polyethylene glycol terephthalate, polyacrylonitrile, polyamide, carbon and ceramic materials, boron, silicone carbide or aromatic polyamides (usually called aramids). , preferably poly-p-phenylene terephthalamide, known under the name Kevlar, or from mixtures thereof.
The fiber bundles can be used in the form of filaments, yarns or rovings. Rovings or yarns can be made from the filaments according to known methods, for example as described in US Patent 4,414,049. On the other hand, the filaments can be fixed in the form of a tape using techniques known in the textile industry. In order to increase the torsional rigidity of the resulting fiber-reinforced plastic article, the collection of the substantially unidirectional fiber bundles can also contain fiber bundles that extend transversely or diagonally to the direction of the main portion of the fiber bundles. Preferably more than 80 percent, particularly preferably more than 90 percent and in particular more than 95 percent of the fiber bundles are arranged unidirectionally.
The method according to the invention is mainly suitable for dense fiber bundles, that is to say for those with fiber volume fractions of 30 to 75 percent by volume, preferably 35 to 65 percent by volume and in particular 40 to 60 percent by volume.
In practicing the present invention, the substantially unidirectional fiber bundles are placed in a mold. For some applications, it may be appropriate to wind a continuous band of adjacent filament strands. For other applications, it may be appropriate to wrap such a continuous tape or other type of fiber material in a variety of wrappers. Such a winding process is described in US Pat. No. 4,414,049 and in European Patent Application 0 200 076. After the fiber bundles are placed in the mold, pins are brought in a substantially perpendicular direction to the main orientation of the fibers.
The pins are usually made of a metal or plastic material, preferably of a fiber-reinforced resin. In general, the pins should have a tapered end. The appropriate length and diameter of the pins depends on the thickness and density of the fiber bundles. The required thickness of the pins also depends on the length and the material from which they are made. In general, the denser the fiber bundles, the thicker the pins have to be and the more pins have to be placed between the fiber bundles per area in order to obtain a good flow of the liquid matrix. It is within the skill of a person skilled in the art to determine the length and diameter of the pins. The term "pen" is not limited to an article having a cylindrical, elongated shaft.
The pin may have a conical shape, may be flat, or may have any other suitable shape. In order to further facilitate an even distribution of the liquid matrix in the fiber bundles, the pins can be hollow and the walls of the pins can be provided with one or more openings, for example with one or more slots or with essentially circular holes which serve as exit openings for the liquid matrix. Preferred models of such pens are illustrated in Figures 4a to 4c. The size of the exit openings preferably increases in the direction of the tapered end of the pin.
When the fiber bundles are impregnated according to the method according to the invention, the liquid matrix can be poured or injected into the pins, namely through an inlet opening which is located at the end of the pin which is opposite the tapered end.
As an alternative, the pins can have randomly distributed exit openings, for example if the pins are made of a sintered or fibrous material.
According to the definition used here, the pins do not necessarily have to be made of a rigid material. The pins can be made of a flexible material and can be placed between the fiber bundles with a rigid tool which is removed after the pins have been placed in place. For example, the pins can be made from a sewing filament, thread or roving that has a suitable thickness and that is made from a suitable material, for example from glass fibers. The sewing filament can be placed between the fiber bundles according to a known sewing method. The part of the sewing filament that extends essentially perpendicular to the main orientation of the fiber bundle serves as pins.
The part of the sewing filament which extends essentially parallel to the main orientation of the fiber bundle and the lower thread which is used in the sewing process can serve as additional reinforcement. At least one, but usually several rows of filaments are sewn into the fiber bundle. The distance between the rows of filaments is preferably smaller than the stitch length in a single row.
Yarns or rovings can be used instead of filaments.
When glass rovings are used as fiber reinforcement, 100 to 40,000 pins, preferably 1000 to 10,000 pins, are usually used per m 2 of surface of the fiber bundle accumulation in order to achieve a good flow of the liquid matrix.
The pins can be evenly distributed over the entire surface of the fiber bundle. According to another, but less preferred method, a single pin is placed between the fiber bundles. This method can be useful when making elongated fiber reinforced articles that are at least twice as long as they are wide. A single pin is placed between the fiber bundles so that its distance from both distal ends of the elongated object is approximately the same.
On the other hand, the pins can be arranged in several rows, which are arranged essentially perpendicular to the main orientation of the fiber bundles. The distance between the pins within a row is preferably smaller than the distance between a pin in one row and the closest pin in an adjacent row. The distance between the adjacent pins within a row is preferably one tenth to three quarters, particularly preferably one fourth to two thirds, of the distance between a pin in a row and the closest pin of an adjacent row.
The pins can be placed between the fiber bundles one by one. A plurality of pins are preferably connected to one another in a comb-like or brush-like manner or in the manner of a plurality of nails which are attached to a board. Such a board can be made of wood, metal or a plastic material.
By inserting pins between the fiber bundles at selected points, the flow of the liquid matrix can be selectively influenced when the fibers are impregnated. If no pins are placed between the fiber bundles, the liquid matrix, for example a liquid resin, mainly flows in the direction of the fiber bundles, which causes an uneven impregnation. Inserting pins between the fiber bundles increases the resin flow perpendicular to the main orientation of the fiber bundles. The lateral displacement of the fibers caused by the pins results in gaps or openings in the fiber bundles along the pins. These openings are essentially triangular (see Figures 1, 2 and 3).
The pins are preferably removed from the fiber bundles before the fibers are impregnated with a liquid matrix. As an alternative, the pins can remain between the fiber bundles during and after the impregnation and form part of the fiber-reinforced plastic article. In the latter case, pins are preferred which are made of a fiber-reinforced plastic material in order to provide the fiber-reinforced article with a transverse reinforcement. According to a third alternative, the pins can be moved during the impregnation with the liquid matrix. For example, two rows of pins are placed between the fiber bundles. The pins in each row are comb-like connected to the adjacent pin (s).
Each row of pins is perpendicular to the main orientation of the fiber bundles and each pin extends substantially perpendicular to the main orientation of the fiber bundles. During the impregnation step, the rows of pins are moved parallel to the main orientation of the fiber bundles. For example, two rows of pins located in the center of the fiber bundles can be moved along the fibers, each in the opposite direction, against the ends of the fiber bundles or against the end loops of the fiber bundles if the fiber material is continuous.
The fiber bundles are preferably impregnated in a closed mold, particularly preferably according to a resin transfer molding process ("RTM" process), in which the liquid matrix is a resin material and is injected into the closed mold through one or more inlets. The inlet for the resin is particularly preferably located in the center of the mold surface. Methods for injecting the liquid matrix are known. Suitable liquid matrixes are, for example, liquid tar, molten metals and preferably liquid resins. The matrix must be liquid at its processing temperature. The resin types suitable for impregnating the fiber bundles are known. Preferred resins are acrylamates, polyester resins, vinyl ester resins, phenolic resins, epoxy resins or mixtures thereof.
The impregnated fiber bundles are then cured and removed from the mold according to a known method. Curing is generally carried out by catalysis at room temperature or at elevated temperatures, for example by means of heat lamps, warm air ovens or radiation from some other energy source.
Referring now to the drawings, Figure 1 shows a perspective view of a plurality of substantially unidirectional fiber bundles 1. A single pin 3 is located between the fiber bundles 1 in such a manner that the pin is substantially perpendicular to the main orientation of the Fiber bundle 1 expands. The length of the pin is usually at least about three quarters, preferably almost or exactly the same as the width d of the fiber-reinforced plastic article to be produced.
Figure 2 shows a top view of a plurality of substantially unidirectional fiber bundles 11 between which pins 13a, 13b and 13c have been placed.
3 shows a top view of a large number of essentially unidirectional fiber bundles, between which pins have been placed in accordance with a preferred embodiment of the method according to the invention. The pins are arranged in several rows 23, 25, 27 and 29. These rows are preferably arranged in a substantially perpendicular direction to the main orientation of the fiber bundles 21. The distance n between the adjacent pins within a row 23a, 23b, 23c, 23d is preferably smaller than the distance m between a pin 23a in one row and the closest pin 25a of an adjacent row. The distance n is preferably one tenth to three quarters, particularly preferably one fourth to two thirds of the distance m.
It is advantageous to arrange the pins of one row offset with respect to the pins of the adjacent row (s), as shown by rows 23, 25, 27 and 29 in FIG. 3.
Figures 4a, 4b and 4c show several models of hollow pins 33a, 33b, 33c. The pin 33a has an inlet opening 32a for the liquid matrix, an outlet opening 34 and a tapered end 40a. The liquid matrix exit port 34 is in the form of a slot, the width of which is smallest near the entry port 32a and greatest near the tapered end 40a.
The pin 33b has an entry opening 32b, substantially circular exit openings 36a, 36b, 36c and a tapered end 40b. The diameter of the outlet openings becomes larger as the distance from the inlet opening 32b increases.
The pin 33c has an inlet opening 32c, two outlet openings 38a, 38b in the form of a slot and a tapered end 40c. As shown in Fig. 4c, the cross-section of the shafts need not be circular, but can have an elliptical or any other suitable cross-section.
The arrows in FIGS. 4a, 4b and 4c illustrate the flow of the liquid matrix when the fiber bundles are impregnated.
FIG. 5 shows a perspective view of a multiplicity of essentially unidirectional fiber bundles 51, between which several rows of sewing filament, yarn or rovings 52 have been placed. Those portions of the sewing filament 52 which are substantially perpendicular to the main orientation of the fiber bundles 52 serve as pins 53a, 55a, 57a; 53b; 53c. The flow of the liquid matrix can be influenced by varying the spacing of the rows of sewing filament, i.e. the distance between pins 53a, 53b and 53c, and by changing the length of stitches 56 within a row of sewing filament, i.e. the spacing varies between pins 53a, 55a and 57a. Each row of sewing filament is held in place by a lower thread 58.
6a and 6b show cross-sectional views of fiber-reinforced plastic articles which have been produced by impregnating a multiplicity of essentially unidirectional fiber bundles with an epoxy resin in a closed mold in accordance with a known injection molding process. The shape used is 9 cm x 5 cm x 120 cm. The inlet for the resin is in the middle of the mold surface. No pins are placed between the fiber bundles. The examination of two fiber-reinforced articles produced shows the cross sections shown in FIGS. 6a and 6b. Both objects contain a part consisting of dry, unimpregnated fiber bundles 61, a part consisting of impregnated fiber bundles 62 and a part consisting only of resin material 63.
Figure 6c shows a cross-sectional view of a fiber reinforced plastic article made in the same manner as those shown in Figures 6a and 6b, but pins of a rigid material between the fiber bundles are in a substantially vertical direction to the main orientation of the fiber bundles before impregnation with the epoxy resin. After impregnation, the pins are removed before the resin is cured. All other process parameters remain the same as in the production of the objects shown in FIGS. 6a and 6b. A unitary, see-through article is made that consists of impregnated fiber bundles 62.
After the resin has hardened, small hollow channels 64a, 64b, 64c etc. can still be seen where the pins were located, but these channels do not significantly affect the properties of the fiber-reinforced article.