DE10140166A1

DE10140166A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen mittels eines Injektionsverfahrens

Info

Publication number: DE10140166A1
Application number: DE10140166A
Authority: DE
Inventors: Juergen Filsinger; Thomas Lippert; Franz Stadler; Stefan Utecht
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2001-08-22
Filing date: 2001-08-22
Publication date: 2003-03-13
Anticipated expiration: 2021-08-23
Also published as: US20040219244A1; EP1420940B1; DE10140166B4; CA2458169A1; BR0205887B1; DE50212027D1; EP1420940A2; ES2300472T3; WO2003018297A3; WO2003018297A2; BR0205887A

Abstract

Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen aus trockenen Faserverbund-Halbzeugen mittels eines Injektionsverfahrens zur Injektion von Matrix-Material, wobei ein Anordnen des Faserverbund-Halbzeugs (1) auf einem Werkzeug (3), die Bildung eines ersten Raums (10) mittels einer Gas-durchlässigen und Matrix-Material-undurchlässigen Membran (7), der die Halbzeuge (1) umgibt, und die Bildung eines zwischen dem ersten Raum und der Umgebung gelegenen zweiten Raums (27) mittels einer Gas- und Matrix-Material-undurchlässigen Folie (19) vorgesehen sind, wobei durch Absaugen von Luft aus dem zweiten Raum (27) Matrix-Material aus einem Vorratsbehälter in den evakuierten ersten Raum (10) gebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen aus trockenen Faserverbundhalbzeugen mittels eines Injektionsverfahrens und einer anschließenden Aushärtung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein derartiges Verfahren ist aus der Patentschrift DE 100 13 409 C1 bekannt, bei dem ein Faserverbund-Halbzeug auf einem Werkzeug aufgebracht wird und zur Bildung eines ersten Raums mittels einer gas-durchlässigen und Matrixmaterial-undurchlässigen Membran überzogen wird, wobei zwischen dem Halbzeug und der Membran eine Fließhilfe angeordnet ist. An dem ersten Raum ist ein zweiter Raum angeordnet, der von der Umgebung mittels einer gas- und Matrixmaterial-undurchlässigen, gegenüber dem Werkzeug abgedichteten Folie abgegrenzt ist. Durch Absaugen von Luft aus dem zweiten Raum wird Matrix-Material aus dem Vorratsbehälter in den evakuierten ersten Raum gesaugt und die Fließhilfe eine Verteilung des Matrixmaterials über der dieser zugewandten Oberfläche des Halbzeugs und ein Eindringen desselben senkrecht in das Halbzeug bewirkt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Verfahren derart weiterzuführen, daß die Verfahrens-Sicherheit und die Qualität des herzustellenden Bauteils erhöht wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine größere Vielfalt an technischen Eigenschaften der herzustellenden Bauteile zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der beiliegenden Figuren beschrieben, die zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung, mit der ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung, mit der ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist
Fig. 3 einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung, mit der ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist,
Fig. 4 für ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren typische Verläufe für die Temperatur und das Vakuum in einem ersten Raum um das Halbzeug herum sowie des Autoklaven- Druckes jeweils über die Zeit.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen als Ausführungsformen der Erfindung zeigen das herzustellende Bauteil oder trockene Faserverbund-Halbzeuge 1, das bzw. die auf einem Werkzeug 3 z. B. mittels eines Aufbaus 5 angeordnet ist bzw. sind. Das Bauteil oder Laminat kann dabei ein Kunststoffbauteil aus Kohlefasern (CFK), Glasfasern (GFK), Aramidfasern (AFK), Borfasern (BFK) oder Hybridwerkstoffen mit abwickelbarer, nicht abwickelbarer oder nicht vollständig abwickelbarer Geometrie sein und insbesondere zur Herstellung unversteifter und versteifter, großflächiger Beplankungsfelder, Kunststoffwerkzeugen oder Schäftungsreparaturen von geschädigten FVW-Bauteilen verwendet werden. Die Versteifung kann dabei eine sogenannte Integralversteifung (Profile aus CFK u. a., Profile als Kombination von Sandwich und CFK u. a.) oder eine typische flächenhafte Sandwichstruktur darstellen. Das Werkzeug 2 weist eine zur Aufnahme des Bauteils 1 bzw. gegebenenfalls des Aufbaus 5 geeignete Form auf und kann aus verschiedenen geeigneten Materialien, z. B. Holz, Stahl, Blech, Glas und dergleichen, gebildet sein.
Das Bauteil 1 ist mit einer semipermeablen Membran 7 überzogen, die gasdurchlässig ist, jedoch den Durchtritt von Matrix-Material verhindert. Die Membran 7 ist außerhalb der Umfangsfläche 8 aber möglichst dicht am Bauteil 1 mittels einer Dichtung 9 abgedichtet, die der Abdichtung des durch die Membran 7 und der Auflage 5 bzw. der Werkzeugoberfläche 3 gebildeten ersten Raums 10 dient. Alternativ kann die Membran 7 auch um das gesamte Bauteil herumgeführt sein. Dies kann mit der Dichtung 9 oder auch ohne einer solchen durch einteiliges Ausbilden der Membran 7 erfolgen. Zwischen dem Bauteil 1 und der Membran 7 kann über der gesamten der der Membran 7 zugewandten Oberfläche 11 des Bauteils 1 ein Abreißgewebe 13 (optional) und eine Fließhilfe 15a, 15b (Fig. 2) angeordnet sein, die die Funktion hat, die Matrix-Material zu verteilen und die Membran 7 in einem Abstand zur Oberfläche 11 des Bauteils 1 zu halten. Die Fließhilfe 15 kann eine Art Rost oder Gitter oder auch ein steifes Gewebe bzw. Gewirk oder Geflecht sein, welches sich nicht unter Vakuum stark kompaktieren läßt und z. B. aus den Werkstoffen Metall, Kunststoffen oder textilen Halbzeugen besteht.
Die Anordnung 17 aus Aufbau 5, Bauteil 1, Membran 7 mit Dichtung 9 sowie gegebenenfalls mit dem Abreißgewebe 13 und der Fließhilfe 15a, 15b ist überdeckt mit einer Folie 19, die gas-undurchlässig ist. Diese ist um den Umfang der Membran 7 herum mit einer Dichtung 21 auf dem Werkzeug 3 abgedichtet, so daß der von der Oberfläche 23 des Werkzeugs 3 und der Innenwand 25 der Folie 19 gebildete zweite Raum oder Innenraum 27 zur Umgebung dicht ist. Zwischen der Folie 19 und der Membran 7 kann ein Lüftergewebe 32 eingelegt sein, welches z. B. ein Glasgewebe ein Vlies o. a. sein kann. Dieses Lüftergewebe 32 hat gegebenenfalls die Funktion die durch die Membran aus dem Innenraum 27 abgesaugte Luft und Gase im Innenraum 25 entlang der Membranoberfläche zur Absaugung durch die Vakuumpumpe 29 zu leiten. Dieser Innenraum 27 ist mittels einer Vakuum-Pumpe 29 (nicht gezeigt) und einer entsprechenden in den Innenraum 27 hineinführenden Gasleitung 31 evakuierbar. Weiterhin verläuft in den Innenraum 27 eine zweite Leitung 33, durch die Matrix- Material und insbesondere Harz in den Innenraum 27 eingeführt werden kann.
Zur Einführung von Matrix-Material in das Bauteil 1 führen Schläuche oder Leitungen 33, die an einen Harzvorratsbehälter (nicht gezeigt) angeschlossen sind, in einen im ersten Raum 10 gelegenen Raum 25. Durch Evakuierung des zweiten Raumes 27 wird ein Unterdruck oder Vakuum im ersten Raum 10 erzeugt, wodurch die Einführung von Matrix-Material in den ersten Raum über die Leitung 33 bewirkt wird.
Das Werkzeug und der Vorratsbehälter für das Matrix-Material stehen jeweils entweder auf Heizplatten, innerhalb einer Wärmekammer, innerhalb einer heizbaren Flüssigkeit (Ölbad o. ä.) oder innerhalb eines regelbaren Ofens, sofern das gewählte Harzsystem eine thermische Behandlung während der Injektion benötigt.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Drucksteuerungs-Mittel 50 vorgesehen, das den Druck oder auch das Vakuum im Inneren der Leitung 33 oder des Vorratsbehälters für das über diese zuzuführenden Matrix-Materials zumindest zeitweise zu beeinflussen oder zu regeln vermag, um die Einführung des Matrix-Materials zu steuern. Das Drucksteuerungs-Mittel 50 steht mit der Leitung 33 in Verbindung, um den Druck in der Leitung 33 zu beeinflussen. Dabei kann die Einführung des Matrix-Materials bei Erhöhung des Druckes in der Leitung 33 insbesondere zeitweise beschleunigt werden. Durch die Herstellung von Vakuum im Vorratsbehälter des Matrix-Materials kann ein Druckausgleich in dem ersten Raum 10 erreicht werden. Die Herstellung von Vakuum im Vorratsbehälter erfolgt vorzugsweise gegen Ende der Injektionsphase oder erste nach der Injektionsphase, um dadurch einen verbesserten Abzug von Luft aus dem Matrix-Material aufgenommenen Halbzeug zu entziehen. Als Drucksteuerungs-Mittel 50 kommen eine Vakuum-, Hydraulik- oder Pneumatik-Pumpe, eine Schlauch-Pumpe, Druckluft oder ähnliche technologische Mittel in Betracht. Das Drucksteuerungs-Mittel 50 kann lediglich zur Vakuum-Erzeugung oder lediglich zur Druck-Erzeugung oder zur Erfüllung beider Funktionen vorgesehen sein. In letzterem Fall kann die Vakuum- und die Druck-Erzeugung durch ein und dasselbe Gerät oder zwei verschiedene Geräte realisiert sein.
Durch die Verwendung des Drucksteuerungs-Mittels kann die Verwendung einer Fließhilfe 15b entfallen. Auch kann durch die Steuerung oder Regelung des Vakuums und des Druckes in der Leitung oder des Vorratsbehälters die Qualität des herzustellenden Bauteils 1 beeinflußt werden. Die Erhöhung des Druckes des Matrix-Materials kann dabei aufgrund der Viskosität des Matrix-Materials, einer Temperatur und/oder des Druckes im ersten Raum 10 gesteuert werden. Als Temperatur kann die Temperatur des einfließenden Matrix-Materials oder die Temperatur im ersten Raum 10 verwendet werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Halbzeug 1 und dem Werkzeug 3 eine Schicht einer Fließhilfe 15a vorgesehen. Diese Fließhilfe kann auch ohne die Verwendung des Druckerzeugungs-Mittels 50 vorgesehen sein. Durch die Verwendung der Fließhilfe 15a zwischen dem Halbzeug 1 und dem Werkzeug 3 werden Luft-Einschlüsse auf der dem Werkzeug 3 zugewandten Seite 11a des Halbzeugs beim Einströmen des Matrix- Materials vermieden. Dies erhöht die Prozeß-Sicherheit. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann die zusätzliche Verwendung des Druckerzeugungs-Mittels 50 insbesondere zur Prozeß-Steuerung vorteilhaft sein.
Neben der Verwendung der Fließhilfe 15a zwischen dem Halbzeug 1 und dem Werkzeug 3 kann eine weitere Fließhilfe 15b auch auf der dem Werkzeug 3 abgewandten Seite 11b des Halbzeugs angeordnet sein. Die Fließhilfe 15b auf der dem Werkzeug 3 abgewandten Seite 11b des Halbzeugs nimmt eine Funktion eines Fließkanales an. Die Fließhilfe 15b weist dabei eine Mindestdicke unter dem Vakuumaufbau der Folie 19 auf, um dieses Fließen zu ermöglichen. Es ist somit ein Abstandshalter, der einen Fließkanal zwischen der Membran 7 und dem Bauteil 1 bildet.
Die Fließhilfen 15a, 15b haben die Funktion, den in den Raum 25 durch die Matrixzuleitung gelangten Matrixwerkstoff auf der Bauteiloberfläche 1 das Verteilen zu ermöglichen. Die Fließhilfe kann ein Geflecht, ein Gewebe, ein Gewirk o. ä. sein, welches durch möglichst eine grobmaschige Struktur aufweist, um einen geringen Fließwiderstand zu erzeugen. Als Werkstoff können beliebige Werkstoffe aus z. B. Metall oder Kunststoff o. a. verwendet werden, sofern die oben angeführten gemeinsamen Mindestforderungen (Temperatur und Medienbeständigkeit) erreicht werden. Die Matrix-Zuleitung 33 kann zur Unterstützung des Matrixtransportes beliebig weit in den ersten Raum 10 geführt werden. Eine Verzweigung oder mehrere Zuleitungen sind zulässig. Innerhalb des ersten Raums 10 kann diese Matrixzuleitung Öffnungen aufweisen, welche z. B. Löcher, Querschlitze, Längsschlitze o. ä. darstellen. Hierdurch wird der Harztransport in der Fließhilfe unterstützt.
An die Folie 19, an das Abreißgewebe 13, an die Membran 7, an das Lüftergewebe 32 und an die Fließhilfe 15a, 15b werden als gemeinsame Anforderung eine Beständigkeit gegen die verwendeten Matrixsysteme während der Prozeßdauer und eine Beständigkeit gegenüber während des Prozesses auftretenden Temperaturen gefordert. Entsprechend der abzubildeten Geometrie muß eine Ablage in dieser Geometrie durch Dehnung, Faltenlegung o. ä. möglich sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zumindest auf einer Oberfläche 11a, 11b des Halbzeugs 1 eine metallische oder keramische Schicht 40a, 40b aufgebracht, wobei durch das Absaugen von Luft aus dem zweiten Raum 27 eine Durchdringung des Matrix- Materials durch die Schicht 40a, 40b und ein Eindringen desselben senkrecht in das Halbzeug 1 zur Verbindung mit dem Halbzeug 1 erfolgt. Die metallische oder keramische Schicht (Mesh) 40a, 40b kann als Gewebe, Geflecht oder Gewirke gebildet sein. Als metallische Werkstoffe kommen insbesondere Kupfer, Bronze oder Edelstahl in Betracht.
Die Schicht 40a, 40b ist dazu vorgesehen, daß diese sich unter dem Einfluß des einströmenden Matrix-Materials mit dem Halbzeug verbindet, um dessen Material- Eigenschaften zu beeinflussen. Beispielsweise kann durch die Verwendung eines Kupfer- oder Bronze-Mesh kann die Blitz-ableitende Eigenschaft des herzustellenden Bauteils erreicht und beeinflußt werden. Durch die Verwendung von keramischen Schichten 40a, 40b können die Eigenschaften des herzustellenden Bauteils verbessert werden. Die Verwendung von Edelstahl-Schichten 40a, 40b ermöglicht die Verbesserung von Erosionseigenschaften des herzustellenden Bauteils. Es kann erfindungsgemäß auch eine Kombination der genannten Materialien verwendet werden. Bei Verwendung einer Schicht 40a, 40b kann zusätzlich auf zumindest einer Oberfläche 11a, 11b der Schicht, also auf der dem Werkzeug zugewandten Oberfläche oder der zu dieser entgegengesetzt liegenden Oberfläche eine Fließhilfe 15a, 15b angeordnet sein, um eine Verteilung des Matrix-Materials über diese Oberflächen 11a, 11b und ein Eindringen desselben in das Halbzeug 1 zu bewirken.
Die Folie 19 ist eine dem Stand der Technik entsprechende Vakuum-Membran, welche gas- undurchlässig ist und die oben ausgeführten Merkmale aufweist. Als Funktion hat es die Aufgabe, den zweiten Raum 27 gegenüber der Umgebung abzudichten. Als typische Materialien hierfür kommen Folien oder Gummi-Membrane in Betracht. Beispiele für eine 180°C (350°F) Anwendung wären z. B. Folien auf Basis PTFE, FEP u. a. Andere Werkstoffe kommen je nach gewählten Matrixsystem und dessen spezifischen Aushärtetemperaturen unter Beachtung der oben beschriebenen Forderung in Betracht.
Das Abreißgewebe 13, in der Literatur auch als Peel Ply bezeichnet, hat die Funktion, daß sich nach der Prozeßführung die mit Matrixmaterial gefüllte Fließhilfe 15 leichter durch abziehen (abreißen = Abreißgewebe). d. h. von dem Bauteil 1 trennen läßt, da alle aufgezeigten Hilfsstoffe nur als Hilfsmittel zur Herstellung des Bauteils 1 dienen. Das Abreißgewebe 13 ist so beschaffen, daß es keine dauerhafte Verbindung mit dem Matrixwerkstoff und der Bauteiloberfläche eingeht. Dieses wird durch die Oberflächenstruktur des Abreißgewebes und/oder durch zusätzliche Antihaftbeschichtungen (wie z. B. PTFE, Silikon o. ä.) erreicht. Als typische Materialien sind Glasgewebe, Nylongewebe u. ä. anzuführen. Das Abreißgewebe muß gasdurchlässig und ebenso durchlässig für das Matrixmaterial in beiden Richtungen sein.
Die Membran 7 ist eine semipermeable Membran aus z. B. technischem Kunststoffmaterial, welche sich hinsichtlich der temperatur- und Medienbeständigkeit an den prozeßbedingungen orientiert. Weiterhin ist diese Membran durchlässig für Gase, jedoch ist sie für Flüssigkeiten mit Viskositäten vergleichbar Wasser oder höherer Viskosität nicht durchlässig. Dieses Verhalten wird durch in der Membran befindliche gasdurchlässige Poren erreicht, welche mehr oder minder großflächig auf der Membranoberfläche verteilt sind. Die Größe der Poren ist so gewählt, daß das Matrixsystem nicht durchdringen kann. Die Dicke der Membran bewegt sich im Zehntelmillimeter Bereich. Durch die Verwendung von typischen Kunststoffmaterial ist eine ausreichende Flexibilität zum Drapieren und Formen vorhanden.
Das Lüftergewebe 32 oberhalb der Fließhilfe 15 hat die Funktion die durch die Membran abgesaugte Luft und andere flüchtige Bestandteile zur Absaugung an die Vakuumpumpe 29 zu leiten. Dieses Material kann aus einem beliebigen Werkstoff sein, sofern dieser ausreichend temperatur-, medienbeständig gegenüber den im Prozeß notwendigen Werkstoffen ist und eine Luftleitung in Längsrichtung möglich ist. Eingesetzt werden hierfür flauschige Matten, Gewebe, Gewirke, Geflechte u. a., welche aus Metall, Kunststoff u. a. Werkstoffen sein kann.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können für nahezu beliebige Formen von Bauteilen verwendet werden. Z. B. können die verwendeten Halbzeuge Hutprofile mit oder ohne Schaumkern 35 oder einen mit beliebigen anderen Werkstoffen gebildeten Kern mit geschlossener Oberfläche aufweisen. Insbesondere kommen Halbzeuge bzw. Bauteile in Sandwich- oder Wabe- oder Honey Comb-Formen in Betracht.
In der Fig. 4 sind beispielshaft typische Verläufe für das im ersten Raum 10 herrschende Vakuum 91 und Temperatur 92 dargestellt. Weiterhin zeigt die Fig. 4 beispielhaft den Verlauf des Druckes 93 für den in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verwendeten Autoklaven.
Im einzelnen gliedert sich der Temperatur- und Vakuum-Verlauf in zumindest zwei Phasen, die Injektionsphase 101 und die Härtungsphase 103. Nach diesen Phasen kann noch eine Temperphase 102 vorgesehen sein. In der Injektionsphase 101 ist die Temperatur geringer als in der Härtungsphase 103.
Der Temperaturverlauf und die Vakuumsteuerung sind derart vorgesehen, daß bei dem ausgehärteten Bauteil eine optimale Qualität, geringe bis keine Poren und ein geeigneter Faservolumenanteil erreicht wird. Die Vorgaben für die Temperatur ergeben sich aus den Material-Anforderungen des Matrixwerkstoffes. Das Vakuum kann hierbei unabhängig vom gewählten Matrixwerkstoff während des gesamten Prozesses bis zur Aushärtung, also dem Zustand in dem der Matrixwerkstoff seinen Aggregatzustand von flüssig in irreversibel fest geändert hat, auf gleichbleibendem Niveau gehalten werden. Übliche Werte und Toleranzen, die hierbei einzuhalten sind, sind z. B. 1 bis 10 mbar (Absolutdruck, nahe dem idealen Vakuum). Nach der Aushärtung 103 ist kein Vakuum mehr erforderlich. Die notwendigen Temperaturverläufe sind wie folgt charakterisiert: Während der Injektionsphase 101 bei vollem Vakuum ist eine Temperatur erforderlich, welche bestimmt wird durch die Viskositätskurve des Matrixwerkstoffes. Die Temperatur wird so gewählt, daß der Matrixwerkstoff ausreichend flüssig wird, um mittels Vakuumsaugen durch die Zuleitung 33 in den Innenraum 25 zugelangen. Dieses ist die Mindesttemperatur, welche für den Prozeß notwendig ist. Gleichzeitig darf diese Temperatur nicht so hoch gewählt werden, daß eine Aushärtung (Verlust von Viskosität, fester Zustand der Matrix) erreicht wird. Daher wird die Prozeßtemperatur so eingestellt (je nach gewählten Matrixwerkstoff), daß eine Injektion möglich ist (geringe Viskosität) und die verbleibende Zeit bis zur Aushärtung für die Injektion, also das nahezu vollständige Füllen des Innenraumes 25 mit Matrixwerkstoff ausreichend ist (Fachbegriff z. B. Gel-Time). Typische notwendige Viskositäten während der Injektionsphase sind hierbei z. B. Bereiche von 1 bis 1000 mPa.s. Typische Temperaturen bei einem 350°F( 180°C) System sind z. B. 70 bis 120°C für die Injektionsphase 101, ca. 100 bis 180°C für die Aushärtungsphase 103 und für die Temperphase 102 Werte von ca. 160 bis 210°C.
Für ausgewählte Matrixwerkstoffe z. B. RT-Matrixwerkstoffe ist die Variante Injektionstemperatur 101 identisch Härtungstemperatur 103 identisch Tempertemperatur 102 vorteilhaft.
Das Vakuum wird vor der Injektionsphase 101 (Fig. 4) oder vor derselben gebildet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird für die Injektion ein Vakuum von typischerweise 1 bis 10 mbar erzeugt, das sich bis zum Ende der Aushärtungsphase erstreckt und nicht reduziert werden sollte.
Die verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren könne noch ergänzt werden durch einen Autoklaven, mit dem während oder nach der Injektionsphase in gesteuerter oder geregelter Weise der erste Raum 10 zeitabhängig mit Vakuum, Druck und Temperatur beaufschlagt wird. Dadurch kann der Faser-Volumen-Anteil des herzustellenden Bauteils erhöht, im Halbzeug verbleibende Restluft entfernt und die Formgebung des herzustellenden Bauteils verbessert werden.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben:
In ein beliebiges Aushärtewerkzeug werden trockene Materialien (z. B. CFK Gelege, Gewebe etc.) gemäß konstruktiven Vorgaben positioniert und somit ein Laminataufbau aus den Halbzeug-Einzelschichten gebildet. Das Werkzeug ist eingetrennt, d. h. mittels Trennmittel oder Trennfolie und Abreißgewebe (Zusammen bildet es den Aufbau 5 an der Bauteilunterseite von 1.) vorbehandelt, um ein Verkleben des Matrixwerkstoffes mit dem Werkzeug zu verhindern und ein wieder entfernen des Bauteiles (Entformen) von der Werkzeugoberfläche zu ermöglichen. Das trockene Material des Bauteiles 1 ist vorzugsweise mit dem Abreißgewebe 13 versehen. Zusätzlich kann eine sogenannte Fließhilfe 15a, 15b auf der dem Werkzeug zugewandten Seite 11a oder/und der dem ersten Raum 10 zugewandten Seite 11b des Halbzeugs durch einfaches Auflegen aufgebracht werden. Auf zumindest einer Seite des Halbzeugs kann mit oder ohne Verwendung einer Fließhilfe auch eine weitere Schicht 40a, 40b zur Verbesserung der Bauteil-Eigenschaften vorgesehen sein. Auf diese Schichten 40a, 40b bzw. Fließhilfe 15a, 15b wird die nur für Luft, aber nicht für Flüssigkeiten durchlässige Membran 7 aufgelegt und mittels der Dichtung 21 abgedichtet. Anschließend wird das Lüftergewebe 32 über die Membran 7 gelegt und mittels der Folie 19 und der Dichtung 21 zur Umgebung abgedichtet. Die Matrixzuführungs-Leitung 33 und die Vakuumleitung 29 werden während dieses Vorganges mit handelsübliche Durchführungen und Dichtungen gemäß Fig. 1 eingebracht. Gegebenenfalls wird das Druckerzeugungs-Mittel 50 angeschlossen.
Nach der Aufbringung der genannten Materialien und der Folie oder Vakuumfolie 19 wird der erste Raum 10 mittels der Vakuumpumpe evakuiert. Gleichzeitig wird ein Matrixmaterial- Vorratsbehälter an das System angeschlossen, um Matrix-Material in den ersten Raum 10 einzuleiten. Durch das Vakuum entsteht ein Druckgefälle, welches das Matrix-Material aus dem Vorratsbehälter in den evakuierten ersten Raum 25 saugt. Das Matrix-Material wird nunmehr mehr oder minder ungehindert und nahezu unabhängig von seiner Viskositäts- Charakteristik gegenbenenfalls durch die Fließhilfe 15 und die Zuleitung 33 auf der Bauteiloberfläche verteilt. Gegebenenfalls wird das Einströmen des Matrix-Materials durch das Druckerzeugungs-Mittel beeinflußt. Vorhandene Luft wird hierbei durch das permanente Absaugen des Innenraumes 27 durch die Membrane 7 entsorgt. Ein Fließen des Matrix- Materials innerhalb des Laminat-Aufbaus, welcher durch einen großen Fließwiderstand gekennzeichnet ist, erfolgt hierbei nicht. Vielmehr erfolgt die Infiltration von Matrix-Material von der Bauteiloberfläche senkrecht nach unten in das Laminat. Der maximale Fließweg an jeder Stelle des Bauteiles ist somit direkt eine Funktion der Bauteildicke an diesem Punkt. Der Fließwiderstand ist somit sehr gering und folglich können auch Harzsysteme eingesetzt werden, welche auf Grund Ihrer Viskosität in der Vergangenheit nicht infiltrationsfähig waren und Bauteile mit großen Abmessungen erzeugt.
Zur Vermeidung von lokalen Luftpolstern dient die Membran 7. Erfolgt z. B. ein Schließen der sich bildenden Fließfronten und somit das Entstehen eines geschlossenen Luftposters im Bauteil 1 des Innenraumes 25 ohne Anbindung an den Vakuumabfluß der Luft, kann kein Harz in diese Luftposter einfließen. Es würde eine Fehlstelle entstehen (keine Durchtränkung). Die luftdurchlässige Membran 7 verhindert diesen Effekt, da an jeder Stelle des Bauteiles Luft immer senkrecht zur Oberfläche durch die Membran in einen belüftbaren harzfreien Raum des Vakuumaufbaues 27 gelangen kann und dort oberhalb der Membran 7 durch den Vakuumanschluß 29 mit Hilfe des Lüftergewebe 32 abgesaugt wird. Die Membran ist für das Harz nicht durchlässig. Somit ist eine Überwachung der Fließfronten nicht erforderlich, da sich der Prozeß der Durchtränkung selbst regelt. Der Grad der Durchtränkung ist eine direkte Funktion der eingebrachten Harzmenge, welche dem Prozeß zur Verfügung gestellt wird, sowie der eingebrachten Fasermenge.
Sobald die vollständige Durchtränkung abgeschlossen ist, wird unter Beibehaltung des gleichen Vakuums die Aushärtung durch eine geeignete Temperatur durchgeführt. Die hierbei durch den chemischen Prozeß entstehenden Blasen (Matrixsieden, flüchtige Bestandteile etc.) würden bei den bekannten Prozessen zur Porenbildung im fertigen Bauteil führen. Durch die Membran 7 wird dieses jetzt verhindert, da eine permante Entlüftung senkrecht zur Oberfläche des Bauteiles durch die Membran erfolgt.
Nach erfolgter Aushärtung kann das Bauteil entformt werden. Dies bedeutet, daß alle Verfahrens-Hilfsstoffe vom Bauteil 1 wieder z. B. durch abziehen von Hand entfernt werden und das Bauteil von dem Werkzeug 3 entfernt werden kann. Dieses nun entformte harte Bauteil mit aus den mit Matrix durchtränkten Halbzeugen kann je nach Anforderungsprofil einer reinen thermischen Nachbehandlung (Tempern im Schritt 102) unterzogen werden. Das Tempern kann auch vor dem Entformen erfolgen, muß aber zur Reduzierung der Werkzeug- Belegungszeiten nicht durchgeführt werden.
Die Größe der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Bauteile ist zur oberen Grenze hin nahezu unbegrenzt. Die natürliche obere Grenze ist eher in der technischen Handhabbarkeit des Bauteiles (Transport etc.) als in dem Verfahren zu suchen. Eine Mindestgröße für diese Bauteile gibt es nicht. Die maximal realisierbare Dicke richtet sich nach den verwendeten Harztypen und der zur Verfügung stehenden Injektionszeit. Diese Injektionszeit wird durch wirtschaftliche nicht durch technische Grenzen bestimmt. Andere unerwünschte Nebeneffekte wie z. B. eine exotherme Reaktion während der Aushärtung sind nur abhängig vom Harzsystem und nicht vom Verfahren.
Zusammengefaßt handelt es sich erfindungsgemäß um ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen aus trockenen Faserverbund-Halbzeugen mittels eines Injektionsverfahrens zur Injektion von Matrix-Material, bei dem ein Absaugen von Luft aus dem zweiten Raum 27 erfolgt, wodurch sich ein Druckgefälle von dem ersten Raum 10 zu dem zweiten Raum 27 ergibt und Matrix-Material aus dem Vorratsbehälter in den evakuierten ersten Raum 10 gesaugt wird, das wegen der Fließhilfe 15 über der der Membran 7 zugewandten Oberfläche 11 des Halbzeugs 1 verteilt und senkrecht in das Halbzeug 1 eindringt. Die Verknüpfung der Funktionen Verteilung des Matrixmateriales oberhalb der Bauteiloberfläche durch die Fließhilfe und der flächigen Entlüftungsmöglichkeit oberhalb des Bauteiles und der Fließhilfe durch die Membranfolie erzielt den gewünschten Qualitätserfolg bei einer überdrucklosen Aushärtung unter Vakuum.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen aus trockenen Faserverbund-Halbzeugen mittels eines Injektionsverfahrens zur Injektion von Matrix-Material mit den Schritten:

- Anordnen des Faserverbund-Halbzeugs (1) auf einem Werkzeug (3),

- Bildung eines ersten Raums (10) mittels einer gas-durchlässigen und Matrixmaterial- undurchlässigen Membran (7) zumindest einseitig um das Halbzeug (1) herum, wobei in den ersten Raum (10) Matrix-Material einführbar ist,

- Bildung eines am ersten Raum (25) anliegenden zweiten Raums (27), der von der Umgebung mittels einer gas- und Matrixmaterial-undurchlässigen, gegenüber dem Werkzeug (3) abgedichteten Folie (19) abgegrenzt ist,

- Absaugen von Luft aus dem zweiten Raum (27), wodurch Matrix-Material aus dem Vorratsbehälter in den evakuierten ersten Raum (10) gesaugt wird und die Fließhilfe (15) eine Verteilung des Matrixmaterials über der dieser zugewandten Oberfläche (11) des Halbzeugs (1) und ein Eindringen desselben senkrecht in das Halbzeug (1) bewirkt,

dadurch gekennzeichnet, daß während der Einführung des Matrix-Materials der Druck des einfließenden Matrix-Materials unter Verwendung eines Drucksteuerungs-Mittels zumindest zeitweise erhöht wird.

2. Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen aus trockenen Faserverbund-Halbzeugen mittels eines Injektionsverfahrens nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Druckes des Matrix-Materials aufgrund der Viskosität des Matrix-Materials, einer Temperatur und/oder des Druckes im ersten Raum (10) gesteuert wird.

3. Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen aus trockenen Faserverbund-Halbzeugen mittels eines Injektionsverfahrens nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur die Temperatur des einfließenden Matrix- Materials oder die Temperatur im ersten Raum (10) ist.

4. Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen aus trockenen Faserverbund-Halbzeugen mittels eines Injektionsverfahrens zur Injektion von Matrix-Material mit den Schritten:

- Anordnen des Faserverbund-Halbzeugs (1) auf einem Werkzeug (3),

dadurch gekennzeichnet, daß nach der Einführung des Matrix-Materials mittels einer Leitung (33) unter Verwendung eines Drucksteuerungs-Mittels zumindest zeitweise ein Unterdruck in der Leitung (33) eingestellt wird.

5. Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen aus trockenen Faserverbund-Halbzeugen mittels eines Injektionsverfahrens zur Injektion von Matrix-Material mit einem Werkzeug(3) zum Anordnen des Faserverbund-Halbzeugs (1), einer gasdurchlässigen und Matrixmaterial-undurchlässigen Membran (7), die zumindest einseitig um das Halbzeug (1) herum angeordnet ist und einen ersten Raum (10) bildet, in den Matrix- Material mittels einer Leitung (33) einführbar ist, einem am ersten Raum (25) anliegenden zweiten, gegenüber dem Werkzeug (3) abgedichteten Raum (27), der von der Umgebung mittels einer gas- und Matrixmaterial-undurchlässigen Folie (19) abgegrenzt ist, wobei bei Absaugen von Luft aus dem zweiten Raum (27) Matrix-Material aus dem Vorratsbehälter in den evakuierten ersten Raum (10) gesaugt und ein Eindringen desselben senkrecht in das Halbzeug (1) bewirkt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Drucksteuerungs-Mittel (50) vorgesehen ist, das mit der Leitung (33) in Verbindung steht, um den Druck in der Leitung (33) zu beeinflussen.

6. Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen aus trockenen Faserverbund-Halbzeugen mittels eines Injektionsverfahrens zur Injektion von Matrix-Material mit den Schritten:

- Anordnen des Faserverbund-Halbzeugs (1) auf einem Werkzeug (3),

- Absaugen von Luft aus dem zweiten Raum (27), wodurch Matrix-Material aus dem Vorratsbehälter in den evakuierten ersten Raum (10) gesaugt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß auf an einer ersten, der dem Werkzeug (3) zugewandten Oberfläche (11a, 11b) des Halbzeugs (1) eine Fließhilfe angeordnet ist, um eine Verteilung des Matrix-Materials über diese Oberflächen (11a) und ein Eindringen desselben in das Halbzeug (1) zu bewirken.

7. Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen aus trockenen Faserverbund-Halbzeugen nach dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fließhilfe (15b) auf einer weiteren, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche (11b) des Halbzeugs (1) angeordnet ist.

8. Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen aus trockenen Faserverbund-Halbzeugen nach dem Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführung des Matrix-Materials unter Verwendung eines Druckerzeugungs-Mittels erfolgt, mit dem der Druck des einfließenden Matrix-Materials zumindest zeitweise erhöht wird.

9. Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen aus trockenen Faserverbund-Halbzeugen mittels eines Injektionsverfahrens zur Injektion von Matrix-Material mit einem Werkzeug(3) zum Anordnen des Faserverbund-Halbzeugs (1), einer gasdurchlässigen und Matrixmaterial-undurchlässigen Membran (7), die zumindest einseitig um das Halbzeug (1) herum angeordnet ist und einen ersten Raum (10) bildet, in den Matrix- Material mittels einer Leitung (33) einführbar ist, einer an einer Oberfläche (11) des Halbzeugs (1) angeordneten Fließhilfe (15), einem am ersten Raum (25) anliegenden zweiten, gegenüber dem Werkzeug (3) abgedichteten Raum (27), der von der Umgebung mittels einer gas- und Matrixmaterial-undurchlässigen Folie (19) abgegrenzt ist, wobei bei Absaugen von Luft aus dem zweiten Raum (27), Matrix-Material aus dem Vorratsbehälter in den evakuierten ersten Raum (10) gesaugt wird und die Fließhilfe (15) eine Verteilung des Matrixmaterials über der dieser zugewandten Oberfläche (11) des Halbzeugs (1) und ein Eindringen desselben senkrecht in das Halbzeug (1) bewirkt,
dadurch gekennzeichnet, daß auf an der dem Werkzeug (3) zugewandten Oberfläche (11a, 11b) des Halbzeugs (1) eine Fließhilfe angeordnet ist, um eine Verteilung des Matrix- Materials über diese Oberflächen (11a) und ein Eindringen desselben in das Halbzeug (1) zu bewirken.

10. Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen aus trockenen Faserverbund-Halbzeugen mittels eines Injektionsverfahrens zur Injektion von Matrix-Material mit den Schritten:

- Anordnen des Faserverbund-Halbzeugs (1) auf einem Werkzeug(3),

dadurch gekennzeichnet, daß zumindest auf einer Oberfläche (11a, 11b) des Halbzeugs (1) eine metallische oder keramische Schicht (40a, 40b) aufgebracht wird und durch das Absaugen von Luft aus dem zweiten Raum (27) eine Durchdringung des Matrix-Materials durch die Schicht (40a, 40b) und ein Eindringen desselben senkrecht in das Halbzeug (1) zur Verbindung mit dem Halbzeug (1) erfolgt.

11. Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen aus trockenen Faserverbund-Halbzeugen mittels eines Injektionsverfahrens zur Injektion von Matrix-Material mit einem Werkzeug(3) zum Anordnen des Faserverbund-Halbzeugs (1), einer gasdurchlässigen und Matrixmaterial-undurchlässigen Membran (7), die zumindest einseitig um das Halbzeug (1) herum angeordnet ist und einen ersten Raum (10) bildet, in den Matrix- Material mittels einer Leitung (33) einführbar ist, einer an einer Oberfläche (11) des Halbzeugs (1) angeordneten Fließhilfe(15), einem am ersten Raum (25) anliegenden zweiten, gegenüber dem Werkzeug (3) abgedichteten Raum (27), der von der Umgebung mittels einer gas- und Matrixmaterial-undurchlässigen Folie (19) abgegrenzt ist, wobei bei Absaugen von Luft aus dem zweiten Raum (27), Matrix-Material aus dem Vorratsbehälter in den evakuierten ersten Raum (10) gesaugt wird und die Fließhilfe (15) eine Verteilung des Matrixmaterials über der dieser zugewandten Oberfläche (11) des Halbzeugs (1) und ein Eindringen desselben senkrecht in das Halbzeug (1) bewirkt,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest auf einer Oberfläche (11a, 11b) des Halbzeugs (1) eine metallische oder keramische Schicht (40a, 40b) aufgebracht wird und durch das Absaugen von Luft aus dem zweiten Raum (27) eine Durchdringung des Matrix-Materials durch die Schicht (40a, 40b) und ein Eindringen desselben senkrecht in das Halbzeug (1) zur Verbindung mit dem Halbzeug (1) erfolgt.

12. Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen aus trockenen Faserverbund-Halbzeugen nach dem Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf zumindest einer Oberfläche (11a, 11b) des Halbzeugs (1) eine Fließhilfe (15a, 15b) angeordnet ist, um eine Verteilung des Matrix-Materials über diese Oberflächen (11a, 11b) und ein Eindringen desselben in das Halbzeug (1) zu bewirken.

13. Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen aus trockenen Faserverbund-Halbzeugen mittels eines Injektionsverfahrens zur Injektion von Matrix-Material mit den Schritten:

- Anordnen des Faserverbund-Halbzeugs (1) auf einem Werkzeug(3),

- Bildung eines ersten Raums (10) mittels einer gas-durchlässigen und Matrixmaterial- undurchlässigen Membran (7) zumindest einseitig um das Halbzeug (1) herum, wobei in den ersten Raum (10) Matrix-Material einführbar ist, Bildung eines am ersten Raum (25) anliegenden zweiten Raums (27), der von der Umgebung mittels einer gas- und Matrixmaterial-undurchlässigen, gegenüber dem Werkzeug (3) abgedichteten Folie (19) abgegrenzt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug (1) anschließend in einem Autoklaven unter Beibehaltung von Vakuum und Temperatur im ersten Raum (10) und unter Beaufschlagung von auf den ersten Raum (10) ausgehärtet wird.