DE10007373C1 - Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen

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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit offenzelligen Kernwerkstoffen mittels Injektion eines mit einem Härter versetzten Harzes in eine Vorrichtung, in die ein beidseitig mit wenigstens je einer Decklage aus einem Verstärkungsgewebe belegter Schaumstoff- oder Wabenzellkern eingebracht ist, besteht aus den folgenden Schritten: das Harz-/Härtegemisch wird vorgewärmt und anschließend zügig in die ebenfalls vorgeheizte Vorrichtung auf beide Außenflächen der Decklagen der Verstärkungsgewebes injiziert, durch langsames Schließen der Vorrichtung wird das Harz in Kontakt mit der beheizten Vorrichtung gebracht und angeliert, durch anschließendes vollständiges Verschließen der Vorrichtung wird das Harz in die Decklagen des Verstärkungsgewebes gepreßt, die Vorrichtung wird auf die Härtungstemperatur des Harzes aufgeheizt und das Harz wird ausgehärtet, das ausgehärtete Bauteil wird aus der Vorrichtung entnommen und das Bauteil wird gegebenenfalls abschließend nachgehärtet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Sandwichbauteilen mit offenzelligen Kernwerkstoffen mittels Injektion eines mit einem Härter versetzten Harzes in eine Vorrichtung, in die ein beidseitig mit wenigstens je einer Decklage aus einem Verstärkungsgewebe belegter Kern eingebracht ist, bei dem das Harz/Härtergemisch vorgewärmt in einer vorgeheizten Form in das Verstärkungsgewebe injiziert wird, die Vorrichtung auf Härtungstemperatur aufgeheizt und das Harz ausgehärtet und anschließend das ausgehärtete Bauteil aus der Form entnommen wird.
Um die Kosten für die Fertigung faserverstärkter Leichtbauteile in Sandwichbauweise nachhaltig zu senken, bedarf es einer Reduzierung der notwendigen Verfahrensschritte. Dies gilt für die Rohstoffgewinnung, die Entwicklung neuer Werkstoffe und die Halbzeugherstellung ebenso wie für die eigentliche Bauteilfertigung. Bei letzterer werden üblicherweise mit einem Harz vorimprägnierte Verstärkungsfasergelege, sogenannte Prepregs, eingesetzt, deren Herstellung einen vergleichsweise kostenintensiven und umweltbelastenden Imprägnierprozeß erfordert.
Daher kommen in neuerer Zeit verstärkt sogenannte Harzinjektions- oder Harzinfusionsverfahren zum Einsatz, bei denen ein Harz-/Härtergemisch erst während der Bauteilfertigung mittels Druck und/oder eines Vakuums in eine mit harzfreiem Fasergelege bestückte Vorrichtung eingebracht wird und damit die Imprägnierung des Verstärkungsgewebes erst unmittelbar während des Fertigungsprozesses erfolgt. Der kostenintensive Herstellungsprozeß von Prepregs wird dadurch vermieden und die Bauteilkosten können auf diese Weise erheblich gesenkt werden. Solche Fertigungsverfahren sind beispielsweise unter der Bezeichnung Resin Transfer Moulding (RTM) oder Resin Infusion (RI) bekannt geworden. Die derzeitigen Anwendungen dieser Harzinjektionsverfahren für die Herstellung von Sandwichbauteile beschränken sich jedoch überwiegend auf den Einsatz bei geschlossenen Kernwerkstoffen, wie zum Beispiel Balsaholz oder geschlossenzelligen Schaumstoff, die das Eindringen des Harzes in den Sandwichkern verhindern. Dadurch eignen sich solche Herstellungsverfahren in erster Linie für relativ massive monolithische Bauteile, wie sie bei der Herstellung von Flugzeugstrukturen vornehmlich Verwendung finden.
Demgegenüber besteht die Innenausstattung moderner Verkehrsflugzeuge, wie beispielsweise die Seiten- und Deckenverkleidungen der Kabine und die Fußbodenplatten, aber auch die gesamte Verkleidung des Frachtraums, vornehmlich aus großflächigen Sandwichbauteilen. Aufgrund des sehr günstigen Verhältnisses von Gewicht zu Steifigkeit wird hier der Einsatz von großzelligen und damit oft auch offenzelligen Kernwerkstoffen, vorzugweise Wabenstrukturen, angewandt. Die bekannten Harzeinbringverfahren sind jedoch in Verbindung mit derartigen offenzelligen Wabenstrukturen, die auch unter der Bezeichnung Nomexwabe bekannt sind, nur bedingt geeignet, da sich bei diesen Verfahren die Zellen der Nomexwaben mit dem Harz füllen können. Deshalb sind bereits aus der US 5 567 499, der EP 0 415 869 A2 sowie der EP 0 722 826 A2 Verfahren der eingangs genannten Art bekannt geworden, bei denen die Waben vor dem Harzeinbringen entweder ausgeschäumt werden oder aber durch einen Klebefilm oder durch Prepregs verschlossen werden. Hierdurch aber ist die angestrebte Wirtschaftlichkeit dieses Herstellungspfades wieder in Frage gestellt.
Aus der EP 0 770 472 A1 ist bereits bekannt, zum Herstellen von Sandwichbauteilen mit offenzelligen Kernwerkstoffen das Injizieren, Erwärmen und Härten eines Harzgemisches vorzunehmen und dieses in einer Form durchzuführen sowie anschließend zu entnehmen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das sich insbesondere für die Verarbeitung offenzelliger Schaumstoffe und Wabenkerne eignet und das dabei eine gute Gewebeimprägnierung der dünnen Decklagen und eine gute Anbindung der Decklagen an den Kern sicherstellt. Insbesondere soll es das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren ermöglichen, daß vorgefertigte unimprägnierte Faserhalbzeuge, sogenannte Preforms, in Verbindung mit offenzelligen Schaumstoffen und Wabenzellkernen zum Einsatz kommen können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, die insbesondere eine weitere Optimierung des Verfahrens nach der Erfindung betreffen, sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Viskositätsverlauf der eingebrachten reaktiven Harze durch die Prozeßführung dahingehend gesteuert, daß die die Decklagen bildenden Fasergelege mit Harz imprägniert werden, ohne daß gleichzeitig Harz in die offene Zellstruktur eindringt. Unterstützt wird dieser Effekt durch eine dem erfindungsgemäßen Prozeß angepaßte Harz- und Fasergelegeauswahl. Die Erfindung sieht dabei vor, daß die Prozeßparameter, die Temperaturführung und die Druckführung auf die Ausgangsviskosität und die Reaktivität der Harzsysteme sowie auf die Permeabilität und das Benetzungsverhalten des Fasergeleges abgestimmt werden.
Die Erfindung ermöglicht damit die Herstellung von Sandwichverbunden aus offenzelligen Kernwerkstoffen durch den Einsatz eines Harzeinbringverfahrens, das gegenüber der ansonsten bei diesen Werkstoffen überwiegend angewandten Prepregtechnologie wesentliche ökonomische und ökologische Vorteile bietet. Im Gegensatz zu den bereits als Alternative zu dieser Prepregtechnologie bekannten Harzeinbringverfahren gemäß dem Oberbegriff muß bei dem Verfahren nach der Erfindung der offenporige Kernwerkstoff, bei dem es sich vorzugsweise um die sogenannte Nomexwabe handelt, vor der Injektion nicht abgedeckt werden.
Die Erfindung sieht vor, daß die Viskosität des Injektionsharzes vergleichsweise niedrig gewählt ist, um die Decklagen leicht und vollständig zu imprägnieren. Dieses wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, daß das Harz vor dem Einbringen temperiert wird, indem es beispielsweise im Durchlauferhitzer einer Injektionsanlage auf eine Temperatur von etwa 40°C gebracht wird. Die bei dem Verfahren nach der Erfindung eingesetzten Harze sind vorzugsweise mehrkomponentig und werden kurz vor der Injektion gemischt. Die Reaktivität des Harzgemisches hängt dabei vom Härteranteil und von der Temperatur des Gemisches ab. Aufgrund der anfänglichen Temperaturerhöhung sinkt zunächst die Viskosität des Harzes, steigt dann aber während der sogenannten Topfzeit, d. h. dem Anfang der chemischen Reaktion und damit der Molekülkettenbildung und Vernetzung mit behinderter Beweglichkeit, wieder an.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht einen Viskositätsverlauf des Harz-/Härtergemisches über die Zeit vor, bei dem das Harz so lange niedrigviskos ist, bis die Decklagen durchimprägniert sind, anschließend spontan geliert und so zwar den Wabenanschluß bewirkt, nicht jedoch von der oberen Decklage nach unten in die Waben läuft.
Nachfolgend soll das Verfahren nach der Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 bis 4 schematische Darstellungen eines Werkzeuges zur Herstellung von Sandwichbauteilen mittels Harzinjektion während einzelner Verfahrensschritte und
Fig. 5 eine Darstellung des Viskositätsverlaufes des bei dem in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Verfahren eingesetzten Harz-/Härtergemisches.
Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Vorrichtung 1 zur Herstellung von mit einem Wabenzellkern 2 versehenen Sandwichbauteilen besteht im einzelnen aus einer feststehenden Unterschale 3 sowie einem dieser Unterschale 3 angepaßten beweglichen Oberteil 4 mit einem Stempel 5, in dessen Zentrum über einen ersten Kupplungsstutzen 6 ein erster Gußkanal 7 mit Harz beaufschlagbar ist. Ein zweiter Gußkanal 8 mit einem zweiten Kupplungsstutzen 9 ist im Zentrum der Unterschale 3 angeordnet. Zwischen der Unterschale 3 und dem beweglichen Oberteil 4 ist schließlich eine umlaufende Dichtung 10 angeordnet.
Zur Herstellung eines Sandwichbauteiles wird in die zunächst noch vollständig geöffnete Vorrichtung 1 ein mit jeweils einer oberen und einer unteren Decklage 11 und 12 versehener Wabenzellkern 2 eingelegt. Nachdem die Vorrichtung 1 nahezu geschlossen wurde, wird diese vorgeheizt und es wird über die Kupplungsstutzen 6 und 9 sowie die Gußkanäle 7, 8 jeweils eine exakt bemessene Menge 13, 14 eines auf eine Temperatur von etwa 40°C aufgeheizten, bereits mit Härter versetzten Harzes auf die beiden äußeren Oberflächen der Decklagen 11 und 12 aufgebracht und die Vorrichtung 1 wird vollständig verschlossen. Wichtig dabei ist, daß das vorgewärmte Harz, das eine niedrigere Viskosität als bei Raumtemperatur aufweist, schnell injiziert wird, da ansonsten bereits die Härtereaktion einsetzt und die Viskosität wieder ansteigt. Das Harz verteilt sich auf den Oberflächen der beiden Decklagen 11 und 12, wobei ein zunächst langsames Schließen der vorgeheizten Vorrichtung die Harzverteilung unterstützt. Durch den Kontakt zur beheizten Vorrichtung wird das Harz zugleich angeliert, d. h. seine Viskosität steigt wieder an. Ein sich daran anschließendes vollständiges Verschließen der Vorrichtung 1 preßt das Harz in die Decklagen 11 und 12. Schnelles Aufheizen der Vorrichtung 1 auf die Härtungstemperatur des Harzes bewirkt dann ein Gelieren des Harzes, so daß es nicht in die Waben eindringen kann. Abschließend erfolgt das Aushärten des Harzes, und das fertige Bauteil kann der Form entnommen werden bzw. es wird einem nochmaligen Nachhärten unterzogen.
Voraussetzung für eine erfolgreiche Durchführung des erfindungsgemäßen Injektionsverfahrens in Verbindung mit offenzelligen, sogenannten Nomexwabenkernen ist eine zunächst ausreichend gute Verteilung des Harzes auf der Gewebeoberfläche, ohne daß es in diesem Verfahrensschritt bereits zu einer Gewebeimprägnierung kommt. Diese Imprägnierung soll vielmehr erst nach der erfolgten Harzverteilung durch die dann vorgenommene Druckbeaufschlagung und Temperaturerhöhung initiiert werden. Die abschließende Härtung des Harzes erfolgt analog zum Vorgehen beim Einsatz von Prepregs mittels Druck und Temperatur. Die Harzverteilung kann dabei durch den Einsatz eines dünnen Vlieswerkstoffes unterstützt werden.
Entscheidend für die erfolgreiche Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist die Veränderung der Harzviskosität während der einzelnen Verfahrensschritte, wie sie in Form des zeitlichen Verlaufes in Fig. 5 angedeutet ist. Die Ausgangsviskosität in der Injektionsphase muß ausreichend hoch sein, um ein Eindringen des Harzes in das Gewebe in dieser Prozeßstufe weitestgehend zu unterbinden. Andererseits muß sich das Harz, dem Druck der sich schließenden Vorrichtung ausweichend, auf der Gewebeoberfläche zu einer dünnen Schicht verteilen. Bevor sich die Vorrichtung vollständig schließt wird dann die Viskosität des Harz-/Härtergemisches durch Wärmeübertragung der Vorrichtung derart herabgesetzt, daß eine vollständige und gleichmäßige Imprägnierung des Gewebes sowie dessen vollständige Anbindung an den Wabenzellkern, d. h. die Einstellung des sogenannten Meniskus, sichergestellt ist.
Neben der Vortemperierung des Harzes ist die Temperatur der Vorrichtung 1 entscheidend; da sich die Viskosität des Harzes nach der Verteilung auf der Gewebeoberfläche verringern muß, wird mit einer vorgeheizten Vorrichtung gearbeitet. Auf diese Weise läßt sich der in Fig. 5 anhand einer Viskositätskurve dargestellte Viskositätsverlauf in Abhängigkeit von der Temperatur und der Zeit erzielen.
Sowohl bei bereits vorgemischten, sogenannten Einkomponentenharzen als auch bei Harzsystemen, deren Einzelkomponenten erst kurz vor der Verarbeitung gemischt werden, haben Art und Menge der eingesetzten Härterkomponenten entscheidenden Einfluß auf die Reaktivität des Harzsystems. Die Reaktivität beschreibt die Geschwindigkeit der chemischen Vernetzung der Komponenten und, damit verbunden, die Änderung der Viskosität des Harzes. Die Verarbeitungs- und Härtungszeit sowie die Temperaturerhöhung durch exotherme Wärmefreisetzung resultieren aus der Reaktivität des verwendeten Harzsystemes. Die Reaktivität ebenso wie die Ausgangsviskosität sind stark von der herrschenden Temperatur abhängig.
Während die Ausgangsviskosität des Harzsystems bei Temperaturerhöhung entsprechend der punktierten Linie in Fig. 5 sinkt, bewirkt die einsetzende Vernetzung eine Viskositätserhöhung entsprechend der gestrichelten Linie in Fig. 5. Durch Überlagerung beider Kurven ergibt sich die charakteristische, in Fig. 5 durchgezogen dargestellte Viskositätskurve des bei dem hier beschriebenen Verfahrens verwendeten Harzsystems.
Die Harzverteilung auf der Gewebeoberfläche wird im wesentlichen durch die Druckbeaufschlagung der sich schließenden Vorrichtung 1 bewirkt. Die Schließgeschwindigkeit vom ersten Harzkontakt der Stempelfläche bis zur vollständigen Imprägnierung des Gewebes beeinflußt die Zeit, die dem Harz zum Fließen zur Verfügung steht, und damit den Erwärmungszeitraum des Harzes. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt die Schließgeschwindigkeit der eingesetzten Vorrichtung konstruktionsbedingt etwa 0,08 m/min. Ausgehend von einer verbleibenden Harzschicht von weniger als 1 mm bleibt dem Harz von der ersten Berührung mit der Vorrichtung bis zum Erreichen des maximalen Preßdrucks etwa eine Sekunde für die Erwärmung und Verteilung. Eine geringere Schließgeschwindigkeit ist dabei insofern von Vorteil, als nach dem Erreichen des vollständigen Preßdrucks nicht mehr mit einem Fließen des Harzes in Faserorientierungsrichtung zu rechnen ist.
Sowohl die Verteilung des Harzes auf der Gewebeoberfläche als auch das Halten des Harzes in der oberen Gewebelage bzw. den oberen Gewebelagen nach erfolgter Imprägnierung können, sofern erforderlich, durch eine Verwendung geeigneter Vliese aus Glasfaser- oder Kunststoffmaterial zusätzlich unterstützt werden.
Abschließend sollen für ein spezielles Ausführungsbeispiel die Prozeßdaten in tabellarischer Form angegeben werden.
Harz: Phenol-Formaldehyd-Harz, Zweikomponentensystem Vorwärmtemperatur der Vorrichtung: 41 Grad C.
Kernwerkstoff: Nomexwabe (A4)
Decklagen: Glasgewebe (2 Lagen/Seite), 296 g/cm2
Injektionszeit: 13 Sekunden
Schließzeit: 29 Sekunden (Verteilzeit)
Härtetemperatur: 80 Grad C.
Härtezeit: 60 Minuten
Entformtemperatur: 80 Grad C.
Harzgehalt: 60 Prozent

Claims (3)

1. Verfahren zum Herstellen von Sandwichbauteilen mit offenzelligen Kernwerkstoffen mittels Injektion eines mit einem Härter versetzten Harzes in eine Vorrichtung, in die ein beidseitig mit wenigstens je einer Decklage aus einem Verstärkungsgewebe belegter Kern eingebracht ist, bei dem das Harz/Härtergemisch vorgewärmt in einer vorgeheizten Form in das Verstärkungsgewebe injiziert wird, die Vorrichtung auf Härtungstemperatur aufgeheizt und das Harz ausgehärtet und anschließend das ausgehärtete Bauteil aus der Form entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz auf die Außenfläche der Decklage des Verstärkungsgewebes bei noch nicht vollständig geschlossener Form injiziert wird, das Harz durch langsames Schließen der Vorrichtung in Kontakt mit der beheizten Vorrichtung gebracht und angeliert wird, durch anschließendes vollständiges Verschließen der Vorrichtung das Harz in die Decklagen des Verstärkungsgewebes gepreßt wird.
2. Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil abschließend nachgehärtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz-/Härtergemisch auf eine Temperatur von etwa 40°C vorgeheizt wird.
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