DE102006031432A1

DE102006031432A1 - Faserverbundprofil

Info

Publication number: DE102006031432A1
Application number: DE102006031432A
Authority: DE
Inventors: Udo Dr. Ing. Berthold
Original assignee: IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH
Current assignee: IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH
Priority date: 2006-07-05
Filing date: 2006-07-05
Publication date: 2008-01-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Faserverbundprofil (1), welches ein Trägermaterial (3) sowie einen von dem Trägermaterial (3) eingeschlossenen und in Richtung der Längsachse (2) des Faserverbundprofils (1) sich erstreckenden Kernbereich (5) umfasst. Kennzeichnend für die Erfindung ist, dass das Trägermaterial (3) aus einem duroplastischen Faserverbundlaminat (4) besteht und im Kernbereich (5) des Faserverbundprofils (1) ein thermoplastisches Füllmaterial (6) platziert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Faserverbundprofil, welches ein Trägermaterial sowie einen von dem Trägermaterial eingeschlossenen und in Richtung der Längsachse des Faserverbundprofils sich erstreckenden Kernbereich umfasst.
Unter Anwendung der Prepregtechnologie oder der Harzinjektionstechnologie können mechanisch und thermisch belastbare Faserverbundprofile hergestellt werden, die als Strukturbauteile unter anderem im Bauwesen, im Fahrzeug- und Schiffbau sowie in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden.
Aus dem Stand der Technik sind Laminatprofile vorbekannt, bei denen als Trägermaterial üblicherweise ein duroplastischer Kunststoff eingesetzt wird. Die von diesem duroplastischen Kunststoff herstellungsbedingt eingeschlossenen Hohlräume werden hierbei entweder mit einem weiteren Werkstoff gefüllt oder ungefüllt belassen.
Bei ungefüllten Hohlräumen tritt der Nachteil auf, dass während des Prozesses der Laminatherstellung der Hohlraum mit dem duroplastischen Matrixharz teilweise geflutet wird. Dabei kommt es zur Ausbildung von schlecht reproduzierbaren Werkstoffeigenschaften im Bereich des vormaligen Hohlraums.
Hingegen werden zur Füllung der Hohlräume des Laminats im Stand der Technik beispielsweise vorgeformte, teigartige duroplastische Harzstränge eingesetzt. Diese Stränge erweichen zunächst bei der Warmhärtung des Laminats, härten anschließend aus und gehen mit der Harzmatrix des Laminats einen Klebeverbund ein.
Des Weiteren können Faser- oder Prepregstränge von schmalem Zuschnitt zur Füllung der Hohlräume eingesetzt werden, bei denen die Härtung des eingelegten Strangs gemeinsam mit dem Grundlaminat erfolgt.
Vorbekannte Laminatprofile, bei denen die eingelegten Stränge erst gemeinsam mit dem Grundlaminat gehärtet werden, weisen den Nachteil auf, dass in den angrenzenden Bereichen des Laminats eine undefinierte Druckverteilung im Faserverbundlaminat während der Härtung zu verzeichnen ist, was zu Qualitätsmängeln führen kann.
Zur Vermeidung dieser Mängel werden vorgehärtete, duroplastische Harzstränge in den Hohlraum des Laminats eingelegt, welche beim Härten mit dem Matrixharz verkleben. Jedoch tritt hierbei der nicht unempfindliche Nachteil auf, dass für die Herstellung von dünnen duroplastischen Strängen ohne Verstärkungsfasern keine geeigneten kostengünstigen Technologien zur Verfügung stehen.
Alle vorgenannten Maßnahmen haben jedoch gemeinsam, dass als Kernmaterial ein Duroplast eingesetzt wird, welcher im Vergleich zu Thermoplaste eine erheblich geringere Dehnungsfähigkeit, typischerweise mit einem Faktor größer 1:10, aufweist. Eine hohe mechanische Beanspruchung von mit duroplastischen Kernmaterialien gefüllten Faserverbundbauteilen kann daher zur unerwünschten Bildung von Mikrorissen führen.
Außerdem kann die Festigkeit von Faserverbundbauteilen verändert werden, indem in die herstellungsbedingten Hohlräume der Faserverbundbauteile Schaumstoffstränge eingelegt werden. Geeigneten Schaumstoffen haftet jedoch der besondere Nachteil an, dass diese nur als kurze Blockware herstellbar sind, wobei ein gewünschter Profilquerschnitt nur durch eine nachträgliche und kostenintensive spanende Bearbeitung erzielbar ist. Des Weiteren tritt beim Einsatz von Schäumen – im Gegensatz zu massiven Materialien – der Nachteil auf, dass es im Aushärtungsprozess unter Druck zu einer Kompression der Schäume kommt. Dies führt zum Einbringen von Eigenspannungen in die Struktur. Außerdem begrenzt die Druckfestigkeit des Schaumstoffs den zulässigen Autoklav-, Press- oder Injektionsdruck.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, ein Faserverbundprofil vorzuschlagen, welches verbesserte mechanische Eigenschaften, insbesondere bei Beanspruchungen quer zur Profillängsachse, aufweist und kostengünstiger zu fertigen ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Faserverbundprofil gelöst, welches aus einem Trägermaterial sowie einem von dem Trägermaterial eingeschlossenen Kernbereich, der sich in Richtung der Längsachse des Faserverbundprofils erstreckt, besteht. Das hierzu verwendete Trägermaterial besteht aus einem duroplastischen Faserverbundlaminat. Erfindungsgemäß ist in dem vom Trägermaterial umhüllten bzw. eingeschlossenen Kernbereich des Faserverbundprofils ein thermoplastisches Füllmaterial platziert.
Durch die Kombination und durch das Zusammenwirken von faserverstärktem duroplastischem Faserverbundlaminat mit einem thermoplastischen Kernmaterial verändern sich die strukturabhängigen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Faserverbundprofils, wodurch das Faserverbundprofil unter Beibehaltung seiner guten thermischen Eigenschaften mechanisch höher belastet werden kann. Darüber hinaus neigt das erfindungsgemäße Faserverbundprofil nur noch in erheblich vermindertem Maße zur Ausbildung von unerwünschten Mikrorissen.
Erfindungsgemäß kann das Faserverbundlaminat als Prepreglaminat oder als Injektionslaminat ausgebildet sein. Unter Prepreglaminat wird im Folgenden ein Laminat verstanden, das auf der Basis von vorimprägnierten Halbzeugen durch Autoklav-, Press- oder Vakuumpressverfahren hergestellt wird. Ein Injektionslaminat ist ein Laminat, das durch Infiltration von Harz in ein ungetränktes Fasergebilde (Preform) entsteht.
Unter dem im Nachfolgenden verwendeten Begriff Härtung ist im Sinne der Erfindung der Prozess der chemischen Vernetzung der Harzmoleküle und Härtemoleküle zu verstehen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das thermoplastische Füllmaterial strangförmig ausgebildet und wird vor dem Beginn der Laminathärtung in das duroplastische Faserverbundlaminat eingelegt. Das thermoplastische Füllmaterial kann hierbei nur partiell im Kernbereich platziert sein oder aber als strangförmiger Körper ausgebildet sein.
Gemäß dem Anwendungsgebiet der Erfindung wird das erfindungsgemäße Faserverbundprofil als Strukturbauteil bzw. als statischer Träger unter anderem für die Luft- und Raumfahrt sowie im Fahrzeugbau eingesetzt. Die statische, dynamische und thermische Belastbarkeit derartiger Strukturbauteile ist üblicherweise nicht nur von der Materialbeschaffenheit, sondern auch von deren Querschnitten abhängig. In der Praxis werden deshalb T- oder Doppel-T-Profile für das Faserverbundprofil bzw. das duroplastische Faserverbundlaminat gewählt. Im Zwickel bzw. an der Schnittlinie der Schenkel des T- oder Doppel-T-Profils ist das thermoplastische Füllmaterial dann im Querschnitt dreieckig ausgebildet. Das sich dabei ausbildende Dreieck weist zumindest teilweise gekrümmte Kanten auf, die dem Verlauf der parallelen Laminatschichten entsprechen.
Vorzugsweise ist das thermoplastische Füllmaterial jedoch als vorgefertigter strangförmiger Hohlkörper, beispielsweise als regelmäßig oder unregelmäßig stranggeformter Hohlstab, ausgebildet. Gegenüber dem Stand der Technik kann bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Faserverbundprofils unter Verwendung eines derartigen als Hohlstab ausgebildeten thermoplastischen Füllmaterials während des Aushärtungsprozesses eine Verbindung zwischen dem Autoklaven oder einer äußeren Druckquelle und dem Inneren des Hohlprofils erzielt werden. Dabei kommt es zum Druckausgleich zwischen dem außen anliegenden Druck und dem Innendruck des Hohlprofils, so dass eine Kompression desselben verhindert wird. Für den Fall der Herstellung des Faserverbundprofils mittels eines Druckinjektionsverfahrens (RTM) kann die Kompression in analoger Weise verhindert werden.
Als bevorzugte Werkstoffkombination des erfindungsgemäßen Faserverbundprofils hat sich erwiesen, wenn als duroplastisches Faserverbundlaminat ein kohlenstofffaserverstärktes heißhärtendes Epoxidharz und als thermoplastisches Füllmaterial ein Polyetherimid miteinander gepaart werden. Während und nach dem Prozess des Härtens des Laminats liegt die Verbindung zwischen dem kohlenstofffaserverstärkten heißhärtenden Epoxidharz und dem darin eingeschlossenen Polyetherimid als Klebeverbindung vor.
Thermoplastische Profilstränge, und hierbei insbesondere Polyetherimidstränge, lassen sich kostengünstig und zuverlässig durch ein Profilextrusionsverfahren herstellen, wodurch die Herstellungskosten des Faserverbundprofils deutlich gesenkt werden können.
Das thermoplastische Füllmaterial kann erfindungsgemäß ebenso aus PVC, PMMA, PC oder PET bestehen.
Die signifikanten Vorteile und Merkmale der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind im Wesentlichen:

• bessere Reproduzierbarkeit der Laminateigenschaften in der Umgebung ihrer Kernbereiche,
• geringere Rissanfälligkeit bei hoher mechanischer Belastung und
• verringerte Herstellungskosten des Kernprofils durch Zugang zu sehr günstigen Herstellungsverfahren.

Die Ziele und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, von denen zeigen:
1: schematische Darstellung eines als Doppel-T-Profil ausgebildeten Faserverbundprofils und
2: schematische Darstellung eines als T-Profil ausgebildeten Faserverbundprofils.
Die 1 illustriert eine schematische Darstellung eines als Doppel-T-Profil ausgebildeten Faserverbundprofils 1. Das erfindungsgemäße Faserverbundprofil 1 besteht aus einem mehrere Laminatschichten 8 umfassendes Trägermaterial 3 sowie zwei von dem Trägermaterial 3 technologisch bedingt eingeschlossenen Kernbereichen 5, welche gegenüberliegend platziert sind. Die beiden vorgefertigten strangförmig ausgebildeten Kernbereiche 5 erstrecken sich dabei jeweils in Richtung der Längsachse 2 des Faserverbundprofils 1. Als Trägermaterial 3 wurde ein duroplastisches Faserverbundlaminat 4, insbesondere ein kohlenstofffaserverstärktes heißhärtendes Epoxidharz, und für den Kernbereich 5 des Faserverbundprofils 1 ein thermoplastisches Füllmaterial 6, insbesondere ein Polyetherimid, gewählt. Wie ersichtlich, sind in den beiden Zwickeln 9 bzw. an der Schnittlinie der Schenkel des T-Profils das thermoplastische Füllmaterial 6 im Querschnitt dreieckig ausgebildet. Die nur andeutungsweise dargestellten Kanten 7 des im Querschnitt dreieckigen thermoplastischen Füllmaterials 6 sind teilweise gekrümmt ausgebildet und verlaufen parallel zu den Laminatschichten 8, nämlich in Richtung der distalen Enden des Faserverbundprofils 1. Das gut klebefähige temperaturbeständige Polyetherimid wird zur Herstellung des erfindungsgemäßen Faserverbundprofils 1 in das kohlenstofffaserverstärkte heißhärtende Epoxidharz eingelegt und geht mit dem Epoxidharz im Prozess der Laminathärtung eine Klebeverbindung ein.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines als T-Profil ausgebildeten Faserverbundprofils 1. Der Aufbau des Faserverbundprofils 1 entspricht grundsätzlich dem der 1. Im Unterschied dazu weist das erfindungsgemäße Faserverbundprofil 1 nach 2 nur einen Zwickel 9 auf, in welchem das temperaturbeständige Polyetherimid eingebracht ist. Das als Polyetherimid ausgebildete Thermoplast 6 ist analog zur 1 als strangförmiger Vollkörper vorgefertigt und wird zur Herstellung des erfindungsgemäßen Faserverbundprofils 1 in das als kohlenstofffaserverstärkte heißhärtende Epoxidharz vorliegende duroplastische Faserverbundlaminat 4 eingelegt.

1: Faserverbundprofil
2: Längsachse des Faserverbundprofils 1
3: Trägermaterial
4: duroplastisches Faserverbundlaminat
5: Kernbereich
6: thermoplastisches Füllmaterial (Thermoplast)
7: Kanten
8: Laminatschichten
9: Zwickel

Claims

Faserverbundprofil (1), bestehend aus einem Trägermaterial (3) sowie einem von dem Trägermaterial (3) eingeschlossenen Kernbereich (5), der sich in Richtung der Längsachse (2) des Faserverbundprofils (1) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (3) aus einem duroplastischen Faserverbundlaminat (4) besteht und im Kernbereich (5) des Faserverbundprofils (1) ein thermoplastisches Füllmaterial (6) platziert ist.
Faserverbundprofil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Füllmaterial (6) strangförmig ausgebildet ist.
Faserverbundprofil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Füllmaterial (6) als vorgefertigter strangförmiger Körper ausgebildet ist.
Faserverbundprofil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das duroplastische Faserverbundlaminat (4) im Querschnitt als T- oder Doppel-T-Profil ausgebildet ist, wobei im Zwickel (9) bzw. an der Schnittlinie der Schenkel des T- oder Doppel-T-Profils das thermoplastische Füllmaterial (6) im Querschnitt dreieckig mit dem Verlauf der Laminatschichten (8) entsprechenden teilweise gekrümmten Kanten (7) ausgebildet ist.
Faserverbundprofil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Füllmaterial (6) als vorgefertigter strangförmiger Hohlkörper ausgebildet ist.
Faserverbundprofil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das duroplastische Faserverbundlaminat (4) als Prepreglaminat oder als Injektionslaminat ausgebildet ist.
Faserverbundprofil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als duroplastisches Faserverbundlaminat (4) ein kohlenstofffaserverstärktes heißhärtendes Epoxidharz und als thermoplastisches Füllmaterial (6) ein Polyetherimid vorgesehen sind.
Faserverbundprofil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Prozess der Laminathärtung die Verbindung zwischen dem duroplastischen Faserverbundlaminat (4) und dem darin eingeschlossenen thermoplastischen Füllmaterial (6) als Klebeverbindung ausgebildet ist.