CN108819293B

CN108819293B - 用于借助于真空注入法制造纤维复合材料构件的方法

Info

Publication number: CN108819293B
Application number: CN201810672787.4A
Authority: CN
Inventors: 多米尼克·迪克斯
Original assignee: Faserverbund Innovations Ug
Current assignee: Faserverbund Innovations Ug
Priority date: 2017-06-26
Filing date: 2018-06-26
Publication date: 2022-07-26
Anticipated expiration: 2038-06-26
Also published as: CN108819293A

Abstract

本发明涉及一种用于借助于真空注入法制造纤维复合材料构件的方法，其带有如下步骤：‑纤维复合材料半成品在模具上的构件腔中的布置，‑带有将抽吸腔与构件腔分开的分隔膜的用于将气体从构件腔中抽空的相邻于构件腔的抽吸腔的布置和定位，‑构件腔和抽吸腔相对模具周围环境以气密的且基体材料密封的分隔材料的密封，‑向抽吸腔处提供真空，‑向构件腔中导入基体材料，‑制成的纤维复合材料构件的硬化和脱模。为了更高效地设计用于制造纤维复合材料构件的方法作如下建议，即，抽吸腔以如下分隔材料来密封，该分隔材料以在0.4与30μm之间的气孔大小具有较强基体材料制动的效果，然而不是基体材料密封的。

Description

用于借助于真空注入法制造纤维复合材料构件的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于借助于真空注入法(Vakuum-Injektionsverfahren)制造纤维复合材料构件的方法。

背景技术

由文献EP 1 181 149 B1已知一种相应的制造方法。根据该方法，抽吸腔以如下方式构成，即，朝向构件腔面状地围绕半成品布置有透气的然而基体材料不渗透的膜片。气密的且基体材料密封的覆盖薄膜然后被摆到该膜片上。在构件腔和抽吸腔对着包围模具的周围环境的气密的密封之后，真空被提供到抽吸腔和构件腔处。其后，基体材料在如此构成的注入结构(Infusionsaufbau)的至少一个位置处以如下方式被灌注(infiltrieren)，即，在该结构的至少一个另外的位置处产生在该结构的气密密封的内腔中的负压。以该方式，构件腔填充以基体材料，且被放入在其中的纤维材料被浸以基体材料。在膜片与覆盖薄膜之间可被带入有间隔垫片，从而使得该空间可像这样地形成且可通过抽吸腔抽吸空气。由于面状地覆盖构件腔和额外地整个模具的至少一部分的膜片产生昂贵的膜片材料的非常高的消耗。

在文献DE 20 2010 001 836 U1中公开了另一种方法。被气密地向外封闭的构件腔的结构在很大程度上类似于先前所描述的结构实现。然而，抽吸腔此处以抽吸管实现，其被透气的然而基体材料不渗透的膜片包裹且其适合被围绕构件腔放置，以便于由此在管道的周围环境区域中可抽吸空气。因为抽吸管不是面状地而是作为管道被敷设，所以薄膜的消耗在该构造抽吸腔的形式的情形中明显较小。

两种先前已知的方法在纤维复合材料构件的制造上相对较贵，因为所使用的膜片材料非常贵。为了如此地设计膜片材料，即，其是透气的然而基体材料不渗透，极小的孔须被带入到膜片材料中，这相应较复杂且引起高成本。

发明内容

本发明的目的是更高效地设计一种用于制造纤维复合材料构件的方法。

该目的对于该类型的方法而言以如下方式来实现，即，构件腔以分隔材料来密封，该覆盖材料以在0.4与30μm之间的气孔大小具有较强基体材料制动的效果，然而不是基体材料密封的。

抽吸腔可面状地构造，如其在文献EP 1 181 149 B1中所描述的那样，或其以软管形式构造，如其在文献DE 20 2010 001 836 U1中所描述的那样。两种构造抽吸腔的方法同样可彼此组合，以便于按照待制造的构件充分利用两个系统的优点，从而使得构件腔的一部分被面状地覆盖以分隔材料且构件腔的另一部分经由软管形式的抽吸腔被抽空。

分隔材料可以是由面状的整体的通透的塑料材料构成的膜片，其具有相应的气孔。面状的塑料材料可在挤出机中被制成或被浇铸且其后设有气孔。作为膜片然而同样考虑压实的无纺布。除了塑料材料或无纺布之外(其可以较高的过程可靠性来制造和使用)，然而同样可考虑其它材料作为分隔材料，例如同样地带有相应气孔大小和渗透性的过滤纸(Papierfilter)。在过滤纸的情形中，特性可通过例如注入

或涂层的相应改装被有利地调整。分隔材料被如此地设计，即，其允许基体材料的穿透，一旦该基体材料到达分隔材料。基体材料于是在任何时刻都不被分隔材料停止，而是仅被制动。

基体材料渗透的分隔材料使得如下成为可能，即，将基体材料从构件腔中吸出。如下是同样可能的，即，基体材料从抽吸腔中又返回到达到构件腔中。由此纤维体积含量可被适宜地影响。由此如下是尤其可能的，即，适宜地影响在层压板中的纤维体积含量和构件厚度。根据本发明的分隔材料的使用以该方式创造了技术优点。

如下是同样可能的，即，例如在更大待制造的构件的情形中分隔材料以相应不同的气孔大小在平面上分布地布置，以便于由此以期望的方式影响基体材料到抽吸腔中的渗入。因此如下在由真空泵进一步远离的位置处可能是有意义的，即，使用随发展趋势小于在模具结构的更靠近于真空泵放置的区域中的气孔大小，以便于在更远离的区域中放慢基体材料到抽吸腔中的渗入。

当带有在0.4与30μm之间的气孔大小的分隔材料被使用时，相应膜片的制造明显更低成本。这样的膜片可例如由聚丙烯(Polypropylen)且已可通过单纯的延展或通过化学蚀刻

来制造。化学蚀刻例如以如下方式实现，即，原有的薄膜材料包含碳酸钙(Calciumcarbonat)，其紧接着可以酸从聚烯烃复合物(Polyolefin-Verbund)中蚀刻出。在碳酸钙的缺陷处于是构造成具有与本发明相符的气孔大小的气孔。以前的放射性辐射(如其例如在用于制造精细的气孔大小的基体材料密封的膜片的径迹蚀刻(Track-Etch)法的情形中必要的那样)或其它更复杂的加工方法在带有更大的气孔大小的膜片的情形中可取消。

带有大于0.4μm的气孔大小的膜片对于常见的被用于真空注入的基体材料系统而言不再具有树脂阻挡的作用，因为这样的基体材料系统可经过带有>0.4μm的气孔大小的气孔。根据本发明的理论，完全基体材料密封的膜片不可被用于将抽吸腔与构件腔分开。这不取决于是否构件腔被面状地覆盖以分隔材料或是否软管被用作以分隔材料与构件腔分开的抽吸腔而适用。分隔材料须如此长地在到抽吸腔中的路径上制动基体材料，直至构件腔完全与基体材料齐平且处在构件腔中的纤维材料完全被灌以基体材料。在该时间期间仅如此少的基体材料可到达到抽吸腔的内腔中，即，此外如下是可能的，即，将气体从尚未完全被灌满的构件腔中穿过分隔材料抽吸到抽吸腔中，以便于由此使得构件腔的完全灌满成为可能。对于该目的而言，基体材料制动的且非基体材料密封的膜片是必要的。

对于须将分隔材料施加到所放入的基体材料系统上以便于可完全填满构件腔的制动时间而言，待制造的纤维复合材料构件的尺寸和形状同样具有巨大的影响。按照构件，5min或30min的过程时间可能是必要的，以便于完全以基体材料填满构件腔。在相同基体材料系统的情形中，对于带有较低过程时间的构件而言可使用带有较大的气孔大小的分隔材料，而如下对于带有较长过程时间的构件而言是值得推荐的，即，使用带有较小气孔大小的分隔材料。

根据本发明的一种设计方案，气孔大小适应于所放入的基体材料系统的交联速率。交联速率取决于被放入的基体材料系统的反应性

所使用的基体材料系统越反应性的，在混合基体材料系统的情形中存在的分子越快地交联成更长的分子链，其直接影响基体材料的粘性和膜片的取决于气孔大小的制动效果。在相同灌注时间的情形中，对于带有更高交联速率的基体材料系统而言须使用带有大于对于带有较低交联速率的基体材料系统而言的气孔大小的分隔材料，以便于完全以基体材料填充构件腔。因为交联速率同样影响基体材料在构件腔内的流动特性和分配速度，所以在太高交联速率和太小的气孔大小的情形中存在如下风险，即，直至树脂前沿在构件腔中停止，构件腔不被完全填满。在太低交联速率和太大的气孔大小的情形中存在如下风险，即，抽吸腔太快填充以基体材料，从而如下于是不再可能，即，经由抽吸腔从构件腔的尚未完全被填充以基体材料的那些区域中抽吸气体。备选于气孔大小的改变，过程参数例如温度、流动助剂或预凝时间可被匹配，以便于以一种气孔大小覆盖尽可能多的基体材料系统。

根据本发明的一种设计方案，气孔大小适应于所放入的基体材料系统的粘性。粘性指出了所放入的基体材料系统的交联程度。在基体材料系统中的分子的交联在成分混合的情形中开始且按照所使用的基体材料系统的反应性或快或慢地前进。在每种情况中，粘性于是在所使用的基体材料系统的处理持续时间期间提高。其然而按照所使用的基体材料系统由开始起可具有显著的区别。因此环氧树脂系统可具有小于聚酯树脂的粘性。然而同样地在这样的系统类别内，通过化学成分和其装备的适宜的选择可存在在其粘性上的明显区别。在根据本发明的方法的情形中应被使用的基体材料系统的粘性可由基体材料系统的生产商使得其可供使用者使用的表格得悉。在15min的过程时间中，第一种树脂的粘性可例如由200mPas提高到350mPas且第二种树脂由100提高到10000mPas上。常见的被用于真空注入法的基体材料系统在结束混合过程之后且在构件腔的灌注开始时具有在150与300mPas的粘性。

为了确定是否气孔大小足够小地被选择，以便于避免基体材料系统到抽吸腔中的干扰构件腔的完全填满的渗透，作为重要的时间段须考虑对于混合基体材料系统必要的时间的总和和构件腔的填充持续时间。

在处理的情形中的相应的温度具有对于相应的基体材料系统的粘性的显著影响。在分隔材料中在0.4μm-1μm的气孔的孔大小的情形中在30℃的基体材料系统的温度的情形中在20min之后确定基体材料系统穿过膜片的渗透时，在45℃的相同基体材料的温度的情形中在10min之后已出现渗透。如下于是是重要的，即，鉴于所放入的基体材料系统的处理温度评估带有预先给定的气孔大小的分隔材料的可使用性。与之相反，在更高处理温度的情形中不适合于带有确定的气孔大小的分隔材料的基体材料系统被以如下方式使得不适合，即，其以更低的处理温度被处理。

根据本发明的一种设计方案，气孔大小适应于所放入的基体材料系统的粘性。驱动树脂注入的在作为第一压力区的构件腔和/或抽吸腔与作为第二压力腔(其例如可处在环境大气压力或人工产生的过压的情形下)的注入结构的包围模具结构的外腔之间的压差可在目前已知的真空注入法的情形中例如与大气压力相符地在不带有压力腔的使用的真空辅助的注入的情形中为大约最大1000mbar。按照所放入的真空泵和相应的注入结构的功率如下然而不再是可能的，完全地充分利用该理论可能性。在更低压差的情形中，对于完全以基体材料填满构件腔必要的过程时间延长。在由于更低压差的更长过程时间的情形中如下因此随发展趋势是有利的，即，使用带有较小的气孔大小的分隔材料，而在更高压差的情形中同样可使用带有较大的气孔大小的分隔材料。压差可在其中基体材料在压力下被供应的系统的情形中超过大气压力。在这样的压力情况的情形下，特别的条件适用于可放入的气孔大小。

对于所有上述方法而言确定是否由0.4μm至30μm的范围构成的确定的气孔大小适合用于确定的基体材料系统在用户制造纤维复合材料构件的确定的模具结构中的应用，达西定律可被使用，其以下面的公式来规定：

q＝流速m³/s

A＝横截面面积＝气孔+膜片面积

v_f＝过滤速度

i＝液压梯度

k_f＝渗透性系数

渗透性系数同样可根据实验被确定。

渗透性如下构成：

K＝渗透性

Q＝体积流量

n＝粘性

x＝流动长度

Δp＝压差

在使用上述公式的情形下，适合用于确定的基体材料的气孔大小可被确定，以便于获得用于分隔材料的制动持续时间的参考值。

本发明的一种设计方案，在阻止基体材料到模具中的流入之后在抽吸腔中维持负压的情形中实现在构件腔中通过基体材料穿过分隔材料的迁移的压力均衡。按照多少基体材料穿过分隔材料到达到抽吸腔的内部空间中，在构件腔中得出不同的压力情况。干的纤维在注入开始之前通过在构件腔中的真空被压实。基体材料借助于在构件腔中的周围环境压力被导入。在不带有适宜的背压的情形中，纤维完全竖起且压力情况均衡。在该情况中发生纤维的过饱和，这导致太低的纤维体积含量。进一步由导入点远离地，纤维不可完全竖起，因为由于基体材料在该结构中的摩擦形成背压，其阻碍纤维的完全竖起。由此形成带有不均匀的纤维体积含量和壁厚的层压板。

因为另外的基体材料从存储器中到构件腔中的流入然而已被阻止，所以在构件腔内的不同压力区之间的压力均衡仅可通过基体材料的材料运动实现。在此如下是根据本发明的分隔材料的特点，即，该分隔材料同样允许基体材料从抽吸腔到构件腔中的回流。因此，在分隔材料由构件腔到达到抽吸腔中的位置处的基体材料在该位置处或在另一位置处又可返回到达到构件腔中。抽吸腔以该方式充当一种用于基体材料在模具中的分配的分配腔。

在截止基体材料供应之后，层压板然而仅可受限制地平整，因为在该结构中的摩擦在该距离上太大。制动基体材料的分隔材料提供了相对基体材料的经定义的阻力。由此，在完全负压的情形中如此多的基体材料可从构件腔流出到抽吸腔中，即，在构件腔中形成均匀的层压板。按照基体材料系统的粘性或者分隔材料的阻力如下是可能的，即，纤维体积含量在完全真空的情形中于是在构件中太高。这可通过在抽吸腔中的真空的下降在注入结束之后被调节。由于较小的压差，较少的基体材料穿过分隔材料流动到抽吸腔中。

如果期望的基体材料量在抽吸腔中，其给另外的穿过分隔材料期望流动到抽吸腔中的基体材料提供阻力且穿过制动的分隔材料的基体材料流产生屈服。处在构件腔中的层压板的纤维体积含量通过在不同区域之间的压差和在模具结构内的基体材料在注入之后的由此触发的运动来均衡。优点是基体材料穿过提供一种带有定义阻力的制动膜的分隔材料的较短路径。

纤维体积含量可如此地经由在注入之后的压差被调整。按照基体材料系统如下可能是必要的或者有用的，即，在抽吸腔中使用分配介质，以便于可容纳过量的基体材料。

通过压力均衡同样可实现如下，即，从基体材料中抽出否则不再由负压被达到的气泡。通过基体材料在气体和基体材料渗透的分隔材料处沿着且穿过分隔材料的由压力均衡被感应的进一步运动，更多气泡与分隔材料达到接触。在该处气泡可以如下方式溶解，即，气体从基体材料中析出且由该处逸出到抽吸腔的真空中。以根据本发明的分隔材料制成的构件具有明显更低的由于在基体材料中的气体夹杂的故障率。

以根据本发明的分隔材料制成的构件的质量同样因此更高，因为如下经由基体材料的通过压力均衡被感应的材料运动是可能的，即，在构件腔中均匀化纤维体积含量。为了较高的构件质量如下是值得期望的，即，一方面构件的所有纤维嵌入在基体材料中，另一方面然而同样地在纤维材料的期望嵌入之外不构建仅由基体材料构成的不必要的额外的材料厚度，其不改善构件的静态负荷能力且仅是在构件中的额外的多余重量。经由纤维的竖起力和基体材料从构件腔到抽吸腔中的抽吸，过量的基体材料可从构件腔中被移除，更确切地说恰在其处被竖起的纤维的完全的背压不反作用于大气环境压力。这恰在其处基体材料构建太大的材料厚度。大气环境压力将过量的基体材料从构件腔中穿过分隔材料按压到抽吸腔中，由该处出发其可被排出到收集容器中。通过由其高度和时间出发调节负压，以根据本发明的分隔材料可在构件腔中的基体材料的填充和分配时间上精确地控制在构件腔中所制造的构件的纤维体积含量实际多大。

利用根据本发明的分隔材料同样可实现如下，即，适宜地输送大于用于在构件腔中制造完成的构件所必要的体积的基体材料穿过构件腔。经由抽吸腔被吸取穿过分隔材料的基体材料的过量用于如下目的，即，在构件腔中在带有较少比例的在完成的构件的基体材料中的气泡的尽可能高的纤维体积含量的情形中获得基体材料的均匀分布。因为分隔材料根据本发明如此地设计，即，其明显放慢然而不完全阻止带有所说明的气孔大小的基体材料的穿过，形成使得基体材料在构件腔中的期望分布和基体材料的多余的量的移除成为可能的压差。

在附图中，示意地表示了用于本发明方法应用的适当的结构。

在模具2中，形成构件腔4，其中插入有纤维复合材料半成品6.通过入口8，基体材料M可以流入构件腔4，如箭头所示。围绕构件腔4密封地布置分隔材料10。分隔材料10形成抽吸腔12与构件腔4的划分。对于模具环境以及抽吸腔12外部，以气密的并基体材料密封的覆盖材料14密封。覆盖材料14至少在边缘处与分隔材料10连接，从而在抽吸腔12被施加真空的情况下，没有气体能够从模具2和覆盖材料14外侧的模具环境以外流入抽吸腔12。

当真空施加给抽吸腔12时，基体材料M经过入口8流入构件腔4，并分布其中。由于分隔膜10以面状的整体的通透的塑料材料或压缩的无纺布来制动基体材料M，基体材料只是缓慢地进入抽吸腔12。此时，位于构件腔4中的气体经过分隔膜被吸出构件腔4。气体经过抽吸管16从抽吸腔12抽空。

Claims

1.一种通过真空注射制造纤维复合材料构件的方法，该方法包括：

- 将纤维复合材料半成品(6)布置在模具的构件腔(4)中，

- 将真空室布置成与所述构件腔(4)相邻，并且通过具有在0.4μm和30μm之间的气孔大小的分隔材料将真空室与构件腔(4)分开，配置所述气孔大小为基体材料提供基体材料的制动作用；

- 将构件腔(4)和真空室相对于模具周围环境以气密的并且基体材料密封的覆盖材料密封，

- 对真空室施加真空并通过分隔材料从构件腔(4)中抽出气体；

- 将基体材料(M)引入到构件腔(4)中，并用基体材料填充构件腔(4)，同时使基体材料通过分隔材料进入真空室，经受基体材料的制动作用；

- 基体材料制动作用使基体材料通过分隔材料的流动制动一段这样的时间，直到所述构件腔(4)完全充满并且纤维复合材料半成品完全被基体材料浸渍；

- 固化基体材料并从构件腔中取出成品纤维复合材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分隔材料的气孔大小适应于所述基体材料的交联速率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分隔材料的气孔大小适应于所述基体材料的粘度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分隔材料的气孔大小适应于所述基体材料的压差。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在阻止所述基体材料到所述模具中的入口（8）之后在所述构件腔（4）中维持负压的情形中通过所述基体材料穿过所述分隔材料（10）的迁移实现在所述构件腔中的压力均衡。