DE102006044486A1

DE102006044486A1 - Füllmasse mit einem thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterial

Info

Publication number: DE102006044486A1
Application number: DE102006044486A
Authority: DE
Inventors: Berend Dipl.-Ing. Schoke
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-09-22
Also published as: DE102006044486B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Füllmasse 1 mit einer mit einem thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterial gebildeten Harzmatrix 2 und einer Vielzahl von darin eingebetteten Glashohlkugeln 3. Erfindungsgemäß weisen die Glashohlkugeln 3 eine elektrisch leitfähige Beschichtung 4 auf und die Glashohlkugeln 3 sind mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes 12 zur Aushärtung des thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterials erhitzbar. Infolge der elektrisch leitfähigen Beschichtung 4 der Glashohlkugeln 3 lassen sich diese in einem von außen angelegten elektromagnetischen Wechselfeld innerhalb kürzester Zeit zumindest auf eine Aushärtungstemperatur T<SUB>Aushärtung</SUB> des eingesetzten aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterials erhitzen. Hierdurch wird eine zumindest teilweise Aushärtung der Füllmasse 1 in einem Zeitraum von 1 bis zu 60 Sekunden möglich. Die erfindungsgemäße Füllmasse erlaubt neue Fertigungsverfahren bei zugeschnittenen Sandwichplatten für Innenbauteile von Passagierflugzeugkabinen, in dem beispielsweise das Einbringen und Glätten der Füllmasse zur Herstellung der Kantenversiegelung nahezu zeitlich mit der Aushärtung durch das elektromagnetische Wechselfeld erfolgen. Die Füllmasse ist gleichermaßen zur beschleunigten Anbindung von Bn geeignet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Füllmasse mit einer mit einem thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterial gebildeten Harzmatrix und einer Vielzahl von darin eingebetteten Glashohlkugeln.
Das Interieur von Flugzeugen wird zum überwiegenden Teil mit faserverstärkten Kunststoffmaterialien gebildet. Für Boden- und Wandverkleidungsplatten werden beispielsweise vielfach Sandwichplatten mit einer Kernstruktur und diese beidseitig bedeckende Deckschichten eingesetzt, die hohe mechanische Festigkeiten bei einem gleichzeitig geringen Gewicht aufweisen.
Die Sandwichplatten müssen in der Regel nach dem standardisierten Herstellungsprozess für den konkreten Anwendungsfall auf Maß gebracht, das heißt zugeschnitten werden. Entlang der Schnittkanten liegt die Kernstruktur, beispielsweise eine Honigwabe, jedoch frei. Aus ästhetischen und auch aus technischen Gründen, beispielsweise um das Eindringen von schädlicher Feuchtigkeit und Fremdkörpern in die Kernstruktur zu vermeiden, müssen die Schnittkanten versiegelt bzw. abgedichtet werden.
Für eine Versiegelung kommen Füllmassen mit thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterialien in Betracht, die nach dem Auftragen und Glätten ausgehärtet werden.
Für optimale mechanische Eigenschaften einer Sandwichplatte ist eine mechanisch hinreichend feste Haftung der Füllmasse an der Kernstruktur und/oder den Deckschichten erforderlich, wobei gleichzeitig eine gewisse Elastizität der Füllmasse zu fordern ist, um beispielsweise einer Rissbildung oder einer Ablösung von den Deckschichten vorzubeugen. Darüber hinaus sollen die Füllmassen eine möglichst geringe Dichte aufweisen, um das Gewicht zu reduzieren.
Auch bei der Anordnung von Befestigungselementen in Sandwichplatten kommen Füllmassen zum Einsatz, um die Verankerung und damit eine Kraftüberleitung von dem Befestigungselement in die Kernstruktur und/oder auf die Deckschichten zu ermöglichen.
Bekannte Füllmassen zur Versiegelung bzw. Randabdichtung von Sandwichplatten werden beispielsweise mit thermisch aushärtbaren Epoxydharzen auf Ein- oder Zweikomponentenbasis hergestellt, die mit Glashohlkugeln als Füllstoff versetzt sind. Die in die Epoxydharzmatrix eingebetteten Glashohlkugeln reduzieren das Raumgewicht der Füllmasse, ohne jedoch deren Druckfestigkeit zu verringern oder das Brandverhalten negativ zu beeinflussen. Die Füllmassen sollen darüber hinaus bei Raumtemperatur eine hinreichend lange Lagerfähigkeit aufweisen, gleichzeitig aber im Bedarfsfall hinreichend schnell aushärtbar sein.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Füllmasse zu schaffen, die einerseits eine hinreichend lange Lagerfähigkeit bei Raumtemperatur aufweist, die andererseits aber im Bedarfsfall eine schnelle Aushärtung erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch eine Füllmasse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass die Glashohlkugeln eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweisen und die Glashohlkugeln mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes zur Aushärtung des thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterials erhitzbar sind, kann die erfindungsgemäße Füllmasse im Bedarfsfall in sehr kurzer Zeit ausgehärtet werden, da die zur Aushärtung erforderliche Wärme nicht mehr von Außen zugeführt wird, sondern unmittelbar im Inneren der Füllmasse durch die Glashohlkugeln mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung erzeugt wird. Andererseits ist die Füllmasse bei Raumtemperatur (nahezu) unbegrenzt lagerfähig und verarbeitbar, da bei dieser niedrigen Temperatur praktisch keine Vernetzungsreaktionen erfolgen. Die Polymerisation und damit der eigentliche Aushärtungsvorgang wird erst dann gestartet, wenn die Füllmasse einem geeigneten elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird. Als elektromagnetische Wechselfelder kommen zum Beispiel niederfrequente Magnetfelder einer Spule oder auch Mikrowellen mit geeigneter Wellenlänge in Betracht. Nach dem Entfernen des elektromagnetischen Wechselfeldes erfolgt auch bei Raumtemperatur in der Regel noch eine Nachhärtung.
Infolge des von Außen zur Aushärtung an die Füllmasse angelegten elektromagnetischen Wechselfeldes werden in der leitfähigen Beschichtung der Glashohlkugeln Wirbelströme induziert, die durch den Ohmschen Widerstand der Beschichtung eine entsprechende Verlustwärme erzeugen. Die hierdurch bedingte gleichmäßige Wärmeerzeugung unmittelbar in der Füllmasse selbst erlaubt eine sehr schnelle Aushärtung der Füllmasse. Dennoch kann die Füllmasse bei Raumtemperatur nahezu beliebig lange gelagert und verarbeitet werden, da unterhalb der Aushärtungstemperatur praktisch keine Aushärtungsreaktionen erfolgen. Eine thermische Beeinflussung der nicht leitenden Deckschichten und/oder Kernstruktur der Sandwichplatte wird durch den induktiven Aushärtungsprozess nahezu vollständig vermieden. Die erfindungsgemäße Füllmasse kann hierbei mit thermisch aushärtbaren duroplastischen Harzsystemen auf einer Einkomponenten- oder einer Zweikomponentenbasis gebildet werden.
Gleichzeitig weist die Füllmasse eine geringe Dichte bei dennoch ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften auf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sind in den weiteren Patentansprüchen dargelegt.
In der Zeichnung zeigt:
1 Einen stark vergrößerten Querschnitt durch die Füllmasse mit einer Vielzahl von elektrisch leitend beschichteten Glashohlkugeln und
2 einen Querschnitt durch eine Sandwichplatte mit einer mittels der Füllmasse gebildeten Randabdichtung.
In der Zeichnung weisen gleiche konstruktive Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
Die 1 zeigt einen stark vergrößerten schematisierten Querschnitt durch die Füllmasse 1.
Eine Harzmatrix 2 ist mit einem thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterial gebildet. Die Harzmatrix 2 der Füllmasse 1 kann beispielsweise mit einem thermisch aushärtbaren Epoxydharz, Polyesterharz, Phenolharz, BMI (Bismaleimid)-Harz oder dergleichen gebildet sein. In der Matrix 2 der Füllmasse 1 sind eine Vielzahl von mikroskopisch kleinen Glashohlkugeln als Füllstoff eingelagert, von denen lediglich eine, für die übrigen Glashohlkugeln repräsentative, die Bezugsziffer 3 trägt. Die Glashohlkugeln verringern die Dichte der Füllmasse 1, ohne deren Druckfestigkeit oder Feuerfestigkeit negativ zu beeinträchtigen.
Erfindungsgemäß weist die Glashohlkugel 3 – wie die restlichen Glashohlkugeln auch – eine elektrisch leitfähige Beschichtung 4 auf. Die elektrisch leitfähige Beschichtung 4 umschließt die Glashohlkugel 3 vollständig. Die elektrisch leitfähige Beschichtung 4 ist bevorzugt mit einem Titanoxid, insbesondere mit Titan(II)-oxid (TiO), mit Titan(III)-oxid (Ti₂O₃) oder mit Titan(IV)-oxid (TiO₂), gebildet. Alternativ kann die Beschichtung 4 auch mit anderen elektrisch leitfähigen Materialien, wie zum Beispiel mit einem dünnschichtigen Metallüberzug, einer Metallbedampfung oder dergleichen, gebildet sein. Weiterhin können zur Ausbildung der leitfähigen Beschichtung auch halbleitende Materialien, wie zum Beispiel Zinkoxid, verwendet werden. Die Glashohlkugeln 3 weisen einen Durchmesser von weniger als 10 μm auf und sind in der dichtest möglichen Kugelpackung innerhalb der Matrix 2 angeordnet, um ein möglichst geringes Raumgewicht der Füllmasse 1 zu erreichen. Die Beschichtung 4 der Glashohlkugeln 3 weist eine äußerst geringe Schichtdicke auf, die in Abhängigkeit vom Durchmesser der Glashohlkugeln 3 eine Materialstärke von bis 1 μm erreichen kann. Bei einem bevorzugten Durchmesser der Glashohlkugeln 3 von 1 μm beträgt eine Stärke der Beschichtung 4 in der Regel nur wenige 1/10 μm.
Die elektrisch leitfähige Beschichtung 4 der Glashohlkugeln 3 ermöglicht deren Erhitzung in einem von außen angelegten elektromagnetischen Wechselfeld. Hierdurch wird die Füllmasse 1 von innen heraus nahezu schlagartig zumindest auf eine zur Aushärtung erforderliche Aushärtungstemperatur T_Aushärtung gebracht. Die erfindungsgemäße Füllmasse 1 lässt sich somit innerhalb eines Zeitintervalls von 1 bis 10 Sekunden zumindest soweit aushärten, um eine ausreichende An fangsfestigkeit zu erreichen. Im Allgemeinen ist es nicht erforderlich, die Füllmasse 1 zur Aushärtung einem längeren Zeitraum als 60 Sekunden dem elektromagnetischen Wechselfeld auszusetzen. Nach der induktiven Aushärtung der Füllmasse 1 schließt sich eine Abkühlphase an, in der die Füllmasse 1 wieder auf Raumtemperatur abkühlt. Gegebenenfalls laufen nach dem Abschluss der Abkühlphase auch bei Raumtemperatur noch Restaushärtungsprozesse ab, nachdem der eigentliche Aushärtungsvorgang mittels des von außen angelegten elektromagnetischen Feldes einmal initiiert wurde.
Das elektromagnetische Wechselfeld kann beispielsweise mit einer Zylinderspule erzeugt werden, die von einem Wechselstrom geeigneter Frequenz und Stromstärke durchflossen wird. Der eingesetzte Wechselstrom erreicht eine Frequenz von bis zu 10 MHz, bei einer Generatorleistung der Wechselspannungsquelle in einer Größenordnung von bis zu 10 kW, wodurch gegebenenfalls auch ein mobiler Einsatz der Spulenanordnung noch möglich ist. Im Falle eines stationären Einsatzes, beispielsweise bei einer kontinuierlichen Sandwichplattenfertigung, können auch höhere Generatorleistungen zum Einsatz kommen. Das elektromagnetische Wechselfeld kann auch mit einer Ringspule (kurze Zylinderspule) erzeugt werden.
Alternativ ist eine Aushärtung durch die Anwendung von Mikrowellenstrahlung auf die Füllmasse 1 möglich. Die räumliche Ausdehnung des elektromagnetischen Wechselfeldes muss hierbei stets etwas größer sein, als ein von der Füllmasse 1 eingenommener Bereich, um eine ausreichende Durchwärmung der auszuhärtenden Füllmasse 1 zu gewährleisten.
Die 2 zeigt einen typischen Anwendungsfall für die Füllmasse in Form der Ausbildung einer Randabdichtung eines Sandwichplattenabschnitts.
Eine Sandwichplatte 5 mit einer Kernstruktur 6 sowie beidseitig aufgebrachten Deckschichten 7, 8, beispielsweise eine Bodenplatte, eine Innenverkleidungsplatte für die Passagierkabine eines Flugzeugs oder dergleichen, weist zwei Schnittkanten 9, 10 auf, die beim Herausschneiden der Sandwichplatte 5 aus einer großflächigen, gegebenenfalls endlos gefertigten Sandwichplatte entstehen. Die vor dere und die hintere, verdeckte Schnittkante sind nicht mit einer Bezugsziffer versehen.
In den Bereich der Schnittkante 10 der Sandwichplatte 5 ist die Füllmasse 1 zur Bildung einer Randabdichtung eingebracht worden, während die Schnittkante 9 noch unversiegelt ist. Die Einbringung bzw. das Einstreichen der Füllmasse 1 in die Schnittkanten 9, 10 und die Glättung der Füllmasse 1 kann beispielsweise mittels einer an einem nicht dargestellten Handhabungsgerät angeordneten Spritzvorrichtung und einem nachgeführten Spachtel erfolgen. Für die Qualität einer mit der Füllmasse 1 gebildeten Randabdichtung bzw. Randversiegelung ist eine gute Haftung der Füllmasse 1 an den Deckschichten 7, 8 sowie der Kernstruktur 6 von entscheidender Bedeutung. Das für die Füllmasse 1 eingesetzte Harzsystem muss demzufolge mit dem für die Deckschichten 7, 8 bzw. der Kernstruktur 6 verwendeten Harzsystem abgestimmt sein.
Die Aushärtung der Füllmasse 1 erfolgt mittels der schematisch dargestellten Spulenanordnung 11, mittels derer ein auf die räumliche Erstreckung der Füllmasse 1 lokal begrenztes elektromagnetisches Wechselfeld 12 im Bereich der rechten Schnittkante 10 erzeugbar ist.
Das elektromagnetische Wechselfeld 12 induziert Wirbelströme in der leitfähigen Beschichtung 4 der Glashohlkugeln 3. Diese nicht dargestellten Wirbelströme fließen auf kreisförmigen Bahnen innerhalb der leitfähigen Beschichtung 4 und erzeugen durch deren Ohmschen Widerstand eine Verlustwärme, die die Glashohlkugeln 3 auf eine Temperatur aufheizen, die oberhalb einer minimalen Aushärtungstemperatur des für die Harzmatrix 2 verwendeten thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterials liegt. Die Harzmatrix 2 der Füllmasse 1 wird bevorzugt mit einem thermisch aushärtbaren Epoxydharz auf einer Zweikomponentenbasis gebildet, dessen Aushärtungstemperatur T_Aushärtung zwischen 60 °C und 220 °C liegt. Andere thermisch aushärtbare duroplastische Harzsysteme können gleichfalls verwendet werden.
Die Spulenanordnung 11 weist einen Spulenkern 13 mit einer in etwa u-förmigen Querschnittsgeometrie auf. Auf dem Spulenkern 13 ist eine Wicklung 14 angeordnet, in die ein Wechselstrom mit einer ausreichenden Stromstärke und geeig neter Frequenz zur Erzeugung des elektromagnetischen Wechselfeldes von einem nicht dargestellten Generator eingespeist wird.
Abweichend von der gezeigten Spulenanordnung 11, die mit relativ niederfrequenten Wechselströmen mit einer Frequenz von bis zu 10 MHz gespeist wird, kann zur lokalen Aushärtung der Füllmasse 1 beispielsweise ein höherfrequentes Mikrowellenfeld mit einer geeigneten Frequenz, beispielsweise in einer Größenordnung von bis zu 3 GHz, und Intensität zum Einsatz kommen.
Die Füllmasse 1 ist mittels der Spulenanordnung 11 so schnell aushärtbar, dass die Spulenanordnung 11 vorzugsweise unmittelbar mit an dem Handhabungsgerät angeordnet ist. In der Regel ist ein Zeitraum von 1 bis 10 Sekunden für die Aushärtung der Füllmasse 1 vollkommen ausreichend. Das Handhabungsgerät, beispielsweise in der Form bekannter Standardindustrieroboter mit einer Vielzahl von Freiheitsgraden, führt in einer bevorzugten Ausführungsform die Spritzvorrichtung, den Spachtel und die Spulenanordnung 11 um die Schnittkanten 9, 10 sowie die parallel zur Zeichenebene verlaufende vordere und hintere Schnittkante der Sandwichplatte 5 mit einer für die Aushärtung ausreichenden Geschwindigkeit entlang, so dass eine zeitsparende und vollautomatische Kantenversiegelung der Sandwichplatte 5 weitgehend unabhängig von der jeweiligen Umfangskontur mit der Füllmasse 1 möglich ist. In der Darstellung der 2 bewegt sich die Spulenanordnung 11 senkrecht in die Zeichenebene hinein.
Die induktiv schnell aushärtbare Füllmasse 1 ermöglicht somit die kontinuierliche Randabdichtung von Sandwichplatten, die zum Beispiel aus einer großflächigen Sandwichplatte bzw. aus einer kontinuierlich (endlos) gefertigten Sandwichplatte, beispielsweise zur Herstellung von großformatigen Fußbodenplatten oder Innenverkleidungsplatten für die Ausstattung von Passagierkabinen von Flugzeugen, ausgeschnitten werden. Die erfindungsgemäße Füllmasse erlaubt neue Fertigungsverfahren bei zugeschnittenen Sandwichplatten für Innenbauteile von Passagierflugzeugkabinen, in dem beispielsweise das Einbringen und Glätten der Füllmasse zur Herstellung der Kantenversiegelung nahezu zeitlich mit der Aushärtung durch das elektromagnetische Wechselfeld erfolgen. Die Füllmasse ist gleichermaßen zur beschleunigten Anbindung von Befestigungsmitteln in Bohrungen von Sandwichplatten geeignet.

1: Füllmasse
2: Harzmatrix
3: Glashohlkugel
4: leitfähige Beschichtung
5: Sandwichplatte
6: Kernstruktur
7: Deckschicht
8: Deckschicht
9: Schnittkante
10: Schnittkante
11: Spulenanordnung
12: elektromagnetisches Wechselfeld
13: Spulenkern
14: Wicklung

Claims

Füllmasse (1) mit einer mit einem thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterial gebildeten Harzmatrix (2) und einer Vielzahl von darin eingebetteten Glashohlkugeln (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Glashohlkugeln (3) eine elektrisch leitfähige Beschichtung (4) aufweisen und die Glashohlkugeln (3) mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes (12) zur Aushärtung des thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterials erhitzbar sind.
Füllmasse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glashohlkugeln (3) insbesondere mit einem Titanoxid zur Herstellung der leitfähigen Beschichtung (4) beschichtet sind.
Füllmasse (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Glashohlkugeln (3) mit einem Metall zur Herstellung der leitfähigen Beschichtung (4) beschichtet sind.
Füllmasse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Glashohlkugeln (3) mittels des elektromagnetischen Wechselfeldes (12) zumindest auf eine Aushärtungstemperatur T_Aushärtung des duroplastischen Kunststoffmaterials der Harzmatrix (2) erhitzbar sind.
Füllmasse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des angelegten elektromagnetischen Wechselfeldes (12) bis zu 5 GHz beträgt.
Füllmasse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das duroplastische Kunststoffmaterial der Harzmatrix (2) ein Epoxydharz, ein Polyesterharz, ein Phenolharz oder ein BMI-Harz ist.
Füllmasse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Glashohlkugeln (3) einen Durchmesser von weniger als 10 μm, insbesondere einen Durchmesser von 1 μm, aufweisen.