DE10027557C1

DE10027557C1 - Verfahren zur Herstellung gewebeverstärkter Kunststoffe

Info

Publication number: DE10027557C1
Application number: DE2000127557
Authority: DE
Inventors: Berend Schoke; Hans-Dieter Berg; Juergen Schenk
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2000-06-02
Filing date: 2000-06-02
Publication date: 2001-04-19
Anticipated expiration: 2020-06-03

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung gewebeverstärkter Kunststoffe werden wenigstens zwei Lagen eines ebenen textilen Verstärkungsgewebes in eine Bauteilform eingelegt und in einem Formgebungsprozeß in ihre Endform gebracht, wobei wenigstens eine Lage des Verstärkungsgewebes aus mehreren, lösbar miteinander verbundenen Einzelstücken zusammengesetzt ist. Die Verbindung der einzelnen Gewebeteile untereinander, die auf diese Weise ein Gewebepatchwork bilden, ist ausschließlich für die Handhabung des Halbzeugs erforderlich und der Gewebeverbund wird bei der anschließenden Formgebung des Bauteiles durch das Schmelzen der Fixierung wieder zerstört, so daß die einzelnen Gewebeteile sich entsprechend der herzustellenden dreidimensionalen Form gegeneinander verschieben können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung gewebeverstärkter Kunststoffe, bei dem wenigstens zwei Lagen eines ebenen textilen Verstärkungsgewebes in eine Bauteilform eingelegt und in einem Formgebungsprozeß in ihre Endform gebracht werden und bei dem wenigstens eine Lage des Verstärkungsgewebes aus mehreren Einzelstücken zusammengesetzt ist, die eine durch den Formgebungsprozeß lösbare Verbindung untereinander aufweisen.

Gewebeverstärkte Kunststoffe werden in vielen Anwendungsfällen eingesetzt, darunter auch bei der Herstellung dreidimensional geformter Bauteile, wie beispielsweise Innenverkleidungen von Verkehrsflugzeugen oder gekrümmte Hauben und Abdeckungen. Die dabei verwendeten textilen Verstärkungsgewebe sind in ihrem Ausgangszustand zumeist zweidimensional ausgebildet, so daß während der Formgebung bei der Herstellung solcher dreidimensionalen Bauteile häufig eine starke Verformung der eingesetzten Halbzeuge erforderlich ist. Insbesondere bei Preßprozessen, die eine Randfixierung des Gewebes erfordern, ist der Einsatz von zweidimensionalen textilen Verstärkungsgeweben nur dadurch möglich, daß zwei Einzelgewebe aufeinandergelegt werden, die sich teilweise überlappen und die während der Formgebung aufeinander abgleiten. Andere Herstellungstechniken, beispielsweise das sogenannte Twin-Sheet-Forming, lassen eine solche Gewebeüberlappung jedoch nicht zu, da bei ihnen ein Aufspannen des Verstärkungsgewebes über einer Rahmenkonstruktion notwendig ist.

Ein alternatives Herstellungsverfahren für dreidimensional ausgebildete Bauteile aus gewebeverstärkten Kunststoffen ist in dem Artikel von A. Büsgen, "Gewebeschalen in Bauteilform - Ein neues Halbzeug zur Faserverstärkung" in der Zeitschrift "Kunststoffe", 85 (1995) 10, Seiten 1679 bis 1683, beschrieben. Bei diesem bekannten Verfahren werden nahtlose dreidimensionale Gewebeschalen mittels Formwebens bereits in der erforderlichen, gegebenenfalls auch sehr komplexen Bauteilgeometrie gewebt. Auf diese vergleichsweise aufwendige und zudem bauteilspezifische Weise lassen sich ohne das ansonsten zu beobachtende Auftreten von Falten oder Rissen im Verstärkungsgewebe beispielsweise halbkugelförmige Schalen in Faserverstärkungsbauweise herstellen. Schließlich ist aus der DE 199 44 164 A1 ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt geworden, bei dem diejenigen Fasern eines Verstärkungsgewebes, die eine Verzerrung dieses Gewebes und damit eine Nachführung während des Formgebungsprozesses behindern, während dieses Prozesses mechanisch durchtrennt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein derartiges Verfahren so auszubilden, daß eine preisgünstige Herstellung beliebig geformter dreidimensionaler Bauteile aus gewebeverstärkten Kunststoffen möglich ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch das im Patentanspruch 1 beanspruchte Verfahren, bei dem die Verbindung der einzelnen Gewebeteile über eine durch Schmelzen zerstörbare Fixierung erfolgt. Diese Verbindung der einzelnen Gewebeteile untereinander, die auf diese Weise ein Gewebepatchwork bilden, ist ausschließlich für die Handhabung des Halbzeugs erforderlich. Bei der anschließenden Formgebung des Bauteiles, die mit einer Temperaturerhöhung einhergeht, wird dieser Gewebeverbund durch das Schmelzen der Fixierung wieder zerstört und die einzelnen Gewebeteile können sich entsprechend der herzustellenden dreidimensionalen Form gegeneinander verschieben. Bei diesem Preßprozeß gleiten die Einzelstücke sowohl auf der darunter befindlichen Gewebelage als auch zumindest zum Teil aufeinander ab, so daß in Abhängigkeit von der Größe der einzelnen Teile des Gewebepatches jeder Verformungsgrad realisierbar ist.

Als Matrixwerkstoffe kommen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise Thermoplaste und Duromere zum Einsatz. Die Fixierung der Einzelstücke des bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Gewebepatches kann auf unterschiedliche Weise erfolgen: So hat sich ein Vernähen oder Verketteln der Gewebepatches mit thermoplastischen Fäden, die bei der Verarbeitungstemperatur schmelzen, als besonders vorteilhaft erwiesen. Andererseits ermöglicht eine punkt- oder linienförmige Verbindung der Einzelstücke mittels eines Schmelzklebstoffs eine besonders kostengünstige Herstellungsmethode. Vorteile bietet anderseits auch die Verwendung eines grobmaschigen, thermoplastischen Trägergewebes, das bei der vorgesehenen Verarbeitungstemperatur eine Verschiebung des verwendeten Glasfasergewebes nicht behindert. Weitere vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens nach der Erfindung sehen die Verwendung eines ganzflächigen Kunststoffilms zwischen den einzelnen Patchworklagen vor, oder aber es werden harzimprägnierte Gewebepatches flächig miteinander verklebt. Durch eine bei der Verarbeitungstemperatur eintretende Viskositätsänderung im Sinne eines zumindest teilweisen Schmelzens des aus einem Thermoplast oder einem unvernetzten Duromer bestehenden Kunststoffilms ist dabei eine Relativbewegung der Patches untereinander möglich.

Das Verfahren nach der Erfindung besitzt den Vorteil, daß durch seine Anwendung textile Verstärkungsgewebe auch in Herstellungsprozessen mit hohem Verformungsgrad eingesetzt werden können, bei denen der Einsatz handelsüblicher Gewebe bisher nicht möglich war. Ferner lassen sich durch eine vereinfachte Formenbelegung erhebliche Kosteneinsparungen erreichen, da beispielsweise Überlappungsstreifen nicht mehr separat in die Form eingelegt werden müssen. Schließlich eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch außerordentlich gut für die Herstellung von Bauteilen mit strukturierten Oberflächenprägungen, die über eine gewisse Strukturtiefe verfügen sollen.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 Verfahrensschritte bei der Herstellung eines sphärisch geformten Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff,

Fig. 4 bis 9 verschiedene Fixierungstechniken bei der Herstellung eines Gewebepatchworks und

Fig. 10 bis 12 Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Bauteils mit strukturierten Oberflächenprägungen.

Eine in Fig. 1 in geschnittener Darstellung gezeigte Vorrichtung 1 zur Herstellung eines dreidimensionalen Bauteiles aus faserverstärktem Kunststoff weist eine Vertiefung oder Kavität 2 auf, die die Negativform für das zu fertigende Bauteil bildet. Die Vorrichtung 1 wird im Bereich der Vertiefung 2 mit mehreren, im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels zwei, Lagen 3, 4 eines Verstärkungsgewebes belegt. Beide Lagen 3 und 4 des Verstärkungsgewebes sind als Gewebepatchwork ausgebildet, d. h. sie bestehen aus einer Vielzahl von in diesem Fall quadratischen Einzelstücken, wobei die zu einer Gewebelage 3, 4 gehörenden Einzelstücke lösbar miteinander verbunden sind. Während des in Fig. 3 dargestellten Preßvorganges lösen sich einzelne Patchworkbereiche der oberen Lage 4 aus dem Verbund, gleiten auf der unteren Lage 3 ab und legen sich in die Kavität 2. Aufgrund der lösbaren Verbindung der einzelnen Elemente des Patchworks untereinander treten bei diesem Vorgang keinerlei mechanische Spannungen auf, so daß es auch zu keiner Faltenbildung der Gewebelagen 3, 4 kommen kann.

In den Fig. 4 bis 9 sind verschiedene Möglichkeiten zur Erzielung einer lösbaren Verbindung zwischen den einzelnen Elementen eines Gewebepatchworks dargestellt, und zwar sowohl für den Fall von Einzellagen als auch für einen mehrlagigen Aufbau. Bei den in den Fig. 4 und 5 gezeigten Anordnungen sind die einzelnen Elemente 14 bzw. 24 des jeweiligen Patchworks mittels thermoplastischer Fäden 15 bzw. 25 miteinander vernäht oder verkettelt. Die thermoplastischen Fäden 15 bzw. 25 schmelzen bei der beim Preßvorgang herrschenden Verarbeitungstemperatur, so daß sie eine für die Formgebung erforderliche Verschiebung des verwendeten Verstärkungsgewebes nicht behindern.

Die in den Fig. 6 und 7 dargestellten Anordnungen zeigen jeweils für eine Einzellage 34 bzw. für eine Mehrfachlage 44 eines Patchworkgewebes eine punkt- oder linienförmige Verbindung 35, 36 bzw. 45, 46 der Einzelstücke mittels eines Schmelzklebstoffs. Hierbei handelt es sich um eine besonders kostengünstige Herstellungsmethode eines derartigen Gewebepatchworks, wobei auch in diesem Fall durch ein Aufschmelzen der Klebeverbindungen bei der beim Preßvorgang herrschenden Verarbeitungstemperatur die für die Formgebung erforderliche Verschiebung des verwendeten Verstärkungsgewebes ermöglicht wird.

Fig. 8 zeigt die Verwendung eines grobmaschigen thermoplastischen Trägergewebes 55, das in diesem Fall die einzelnen Elemente des Gewebepatchworks 54 miteinander verbindet und das bei der vorgesehenen Verarbeitungstemperatur ebenfalls aufschmilzt. Schließlich ist in Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens angedeutet, bei dem harzimprägnierte Gewebepatches 64, 65 flächig miteinander verklebt sind. Durch eine bei der Verarbeitungstemperatur eintretende Viskositätsänderung des aus einem Thermoplast oder einem unvernetzten Duromer bestehenden Kunststoffilms ist auch in diesem Fall eine Relativbewegung der Patches 64 und 65 untereinander möglich.

Abschließend sind in den Fig. 10 bis 12 die verschiedenen Schritte der Herstellung eines Bauteils mit strukturierten Oberflächenprägungen dargestellt. Bei diesem Herstellungsvorgang wird unterhalb eines mit entsprechenden Konturierungen versehenen Prägestempels 70 ein sowohl auf seiner Unter- als auch auf seiner Oberseite mit einem Verstärkungsgewebe 71, 72 belegter Schaumstoffkern 73 angeordnet. Zumindest das auf der mit Einprägungen zu versehenden Oberseite des Schaumstoffkernes 73 aufgebrachte Verstärkungsgewebe 71 besteht aus wenigstens zwei Lagen eines Gewebepatchworks, wie es in den vorangehend beschriebenen Figuren dargestellt ist. Gemäß Fig. 11 wird beim Formgebungs- bzw. Prägeprozeß der Prägestempel 70 zunächst bis auf die Oberfläche des Gewebepatchworks 71 abgesenkt und dann, wie in Fig. 12 gezeigt, zum Einbringen der Oberflächenprägungen in den Schaumstoffkern 73 gepreßt. Die lösbar miteinander verbundenen einzelnen Bereiche des Patchworks 71 gleiten dabei ohne Widerstand auf der Oberfläche des Schaumstoffkernes 73, ohne daß es zu einem Aufreißen oder zu Faltenbildung des Gewebes kommt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung gewebeverstärkter Kunststoffe, bei dem wenigstens zwei Lagen eines ebenen textilen Verstärkungsgewebes in eine Bauteilform eingelegt und in einem Formgebungsprozeß in ihre Endform gebracht werden und bei dem wenigstens eine Lage des Verstärkungsgewebes aus mehreren Einzelstücken zusammengesetzt ist, die eine durch den Formgebungsprozeß lösbare Verbindung untereinander aufweisen indem die Verbindung der einzelnen Gewebeteile (3, 4, 14, 24, 34, 44, 54, 64, 65, 71) über eine durch Schmelzen zerstörbare Fixierung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der einzelnen Gewebeteile (14, 24) durch Vernähen mit thermoplastischen Fäden (15, 25) erzeugt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der einzelnen Gewebeteile (14, 24) durch Verketteln mit thermoplastischen Fäden (15, 25) erzeugt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Gewebeteile (34, 44) untereinander punktförmige Verbindungen (35, 45) mittels eines Schmelzklebstoffs aufweisen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Gewebeteile (34, 44) untereinander linienförmige Verbindungen (36, 46) mittels eines Schmelzklebstoffs aufweisen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Gewebeteile (54) mittels eines grobmaschigen, thermoplastischen Trägergewebes (55) untereinander verbunden sind.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die einzelnen Lagen (3, 4) des Verstärkungsgewebes ein ganzflächiger Kunststoffilm eingebracht ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Lagen (64, 65) des Verstärkungsgewebes als harzimprägnierte Gewebepatches flächig miteinander verklebt sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Matrixwerkstoff aus einem Thermoplast besteht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Matrixwerkstoff aus einem Duromer besteht.