DE102008015568B4

DE102008015568B4 - Langlebiges Werkzeug zum Pressformen von Polymerverbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE102008015568B4
Application number: DE102008015568.3A
Authority: DE
Inventors: Chen-Shih Wang; Yar-Ming Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2008-03-25
Publication date: 2017-07-20
Anticipated expiration: 2028-03-26
Also published as: DE102008015568A1; US20080241296A1; US8043543B2

Abstract

Pressform zur Formgebung und thermischen Aushärtung von kohlefaserverstärkten Polymermatrix-Herstellungsgegenständen; wobei die Pressform einen einheitlichen Körper aus einer Eisen-Nickel-Legierung umfasst und der Pressformkörper eine Hohlraumfläche zur Aufnahme, Formgebung und thermischen Aushärtung von Kohlefaser- und nicht ausgehärtetem Polymer-Verbundwerkstoffmaterial aufweist, wobei die Hohlraumfläche des Pressformkörpers eine Beschichtung aus einer stromlos aufgebrachten Nickelzusammensetzung für einen Kontakt durch das Verbundwerkstoffmaterial aufweist, wobei die stromlos aufgebrachte Nickelzusammensetzung weniger als zehn Gewichtsprozent Phosphor und Rest im Wesentlichen Nickel bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft das Pressformen einer Abfolge von vielen gleichen kohlefaserverstärkten Polymerteilen wie z. B. bei der Produktion von leichtgewichtigen Kraftfahrzeug-Karosseriebauteilen. Im Spezielleren betrifft die Erfindung die Herstellung und Verwendung von langlebigen Werkzeugen für solche wiederholten Pressformvorgänge.
Hintergrund der Erfindung
Kohlefaser-Verbundwerkstoffteile umfassen ein Kohlefasergewebe, das mit einem Matrixpolymer wie z. B. einer geeigneten Epoxidharzzusammensetzung imprägniert ist. Während Epoxidharze üblicherweise verwendete Matrixpolymere sind, sind auch andere Polymere wie z. B. Polyesterharze, Vinylesterharze, Polypropylenharze oder Polyamidharze geeignet. Bei einer Kleinserienfertigung eines gegebenen Teiles wird ein duroplastischer Verbundwerkstoffgegenstand erzeugt, indem Bahnen von Kohlefasergewebe auf eine Pressformhohlraumfläche geschichtet werden, die die Form des gewünschten Produkts definiert. Die Ausrichtung und die Webart der Kohlefasern in dem Gewebe kann wichtig für die mechanische Leistung des entstehenden Produkts sein. Die geschichteten Bahnen aus Kohlefasergewebe werden mit nicht ausgehärtetem, flüssigem Polymermaterial durchtränkt und imprägniert. Das flüssige Material fließt um jede/n Faser oder Faden des Gewebes herum, um einen Faser- und Flüssigkeits-Verbundwerkstoff mit minimalen Luft- oder Gasporen zu bilden. Die Flüssigkeit ist nicht ausgehärtetes Vorläufermaterial für das duroplastische Polymermaterial, das eine feste Matrix um jede Faser des Carbongewebes oder anderen faserigen Kohlefaser-Verstärkungsmaterials bilden wird. Die Imprägnierung mit dem flüssigen Polymervorläufer kann bewerkstelligt werden, bevor oder nachdem die geschichteten Bahnen in der Pressform angeordnet sind. Dort werden die Schichten zu einer gewünschten Form verdichtet und die flüssige, polymere Vorläufermatrix wird erwärmt und zu einer festen Matrix ausgehärtet. Das ausgehärtete Polymer-Kohlefaser-Verbundwerkstoff-Produkt ist leichtgewichtig und sehr fest.
Für die Kleinserienproduktion von mit flüssigem Polymervorläufer (manchmal als „Harz” bezeichnet) imprägnierten Carbongewebeplatten (manchmal als „Prepreg” bezeichnet) kann auf ein einseitiges Werkzeug handlaminiert werden. Prepreg-Platten mit einer Dicke von etwa 0,2 mm und die z. B. 40 Gewichtsprozent flüssigen Epoxidharzvorläufer und 60 Gewichtsprozent einer einzigen Schicht von Carbongewebe umfassen, werden auf eine gewünschte Länge geschnitten und in mehreren Schichten auf eine Pressformfläche handlaminiert, um eine Teileform zu schaffen. Die Anordnung wird dann in einem Vakuum angeordnet und zusammengepresst und erwärmt, um die Harzströmung zu fördern und Poren in dem Pressformstück zu eliminieren. Das Erwärmen auf eine geeignete Temperatur härtet das Epoxidharz (oder das andere Harzmaterial) aus, um ein festes Kohlenstoff Verbundwerkstoffprodukt zu bilden, das durch verstärkende Schichten aus Kohlefasergewebe in einer Polymermatrix gekennzeichnet ist. Dieser Verbundwerkstoff ist sehr fest und seine Bestandteile besitzen eine relativ geringe Dichte. Im Vergleich mit anderen Kandidatenmaterialien für den Aufbau bieten Kohlefaser-Verbundwerkstoffe eine einzigartige Kombination aus Steifigkeit und geringem Gewicht.
Hochwertige Kohlefaser-Verbundwerkstoffteile werden z. B. bei Anwendungen in der Luftfahrt, Hochleistungssegelbooten und Fahrrädern und bei Rennfahrzeugen oder einzigartigen leichtgewichtigen Superautos verwendet. Diese „hochwertigen” Anwendungen gestatten die Verwendung von Kontaktpressverfahren mit hohen Laborkosten. Und die Kleinserienproduktionen lassen die Verwendung von Pressformwerkzeugmaterialien zu, die keine harten Oberflächen gegen den Verschleiß durch die abrasiven Verbundwerkstoffmaterialien vorsehen. Die Großserienproduktion z. B. für Kraftfahrzeug-Karosseriebauteile erfordert Pressformwerkzeuge, in denen viele identische Bauteile sukzessive mit hoher Maßgenauigkeit gebildet werden können.
Invar-Werkzeugausrüstungen wurden zum Pressformen von Präzisions-Kohlefaser-Verbundwerkstoff-Bauteilen mit einer komplexen Geometrie sowohl in der Luftfahrt- als auch in der Kraftfahrzeugindustrie verwendet. Die Legierung Invar-36 besteht aus 36 Gew.-% Nickel und 64 Gew.-% Eisen. Sie wurde zum bevorzugten Werkzeugmaterial auf Grund ihres einzigartigen Wärmeausdehnungsverhaltens: ein linearer Wärmeausdehnungskoeffizient (CLTE) von 2 × 10^–6 pro im Temperaturbereich von 25°C–150°C ist sehr nahe bei dem der Kohlefaser-Verbundwerkstoffe. Eine Pressform, welche mit einer solchen Legierung beschichtet ist, ist beispielsweise aus der US 5,817,267 A bekannt. Das Werkzeugmaterial wird als zu weich für die Produktion einer großen Anzahl von Verbundwerkstoffteilen angesehen. Die Härte von Invar-36 (80 HRB) ist deutlich kleiner als jene des P20 Werkzeugstahls (50 HRC), was den Schluss nahe legt, dass Invar-Werkzeugausrüstungen für Kraftfahrzeugstandards, selbst bei einer Kleinserienproduktion, nicht genügend verschleißfest sein könnten.
Aus der EP 0 765 734 B1 ist eine Formvorrichtung bekannt, welche ein Insert aus rostfreiem Stahl enthält, welcher mit einer 10 bis 13% Phosphor enthaltenden Nickelschicht beschichtet ist.
Es ist demgemäß wünschenswert, ein geeignetes Werkzeugmaterial zum Pressformen von mit flüssigem Polymervorläufer durchtränkten Kohlefaser-Verbundwerkstoffteilen in Großserien vorzusehen, in denen die Werkzeugoberfläche andauernd und wiederholt einem abrasiven Kontakt mit dem Verbundwerkstoffmaterial ausgesetzt ist. Ein Beispiel für solch eine Herstellungssituation ist das Pressformen von Kraftfahrzeugkarosserie-Bauteilen in Kraftfahrzeugserienproduktionen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es wurde festgestellt, dass Werkzeugausrüstungen vom Invar-36-Typ langlebiger für die Großserienproduktion von mit Kohlefaser (oder anderen Faserstrukturen) verstärkten Polymermatrixteilen gemacht werden kann, ohne ihre wünschenswerten Wärmeausdehnungseigenschaften in Bezug auf die Wärmeausdehnungseigenschaften des pressgeformten Verbundwerkstoffmaterials zu beeinträchtigen. Anders ausgedrückt behält die Erfindung die Maßgenauigkeit des Pressformmaterials vom Iinvar-36-Typ bei, während sie eine harte, verschleißfeste Oberfläche vorsieht. Kohlefaserhaltige Verbundwerkstoffteile mit einer guten Maßgenauigkeit können mithilfe der verbesserten Werkzeugausrüstung in einer Großserienproduktion wiederholt gebildet werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Pressform zur Formgebung und thermischen Aushärtung von kohlefaserverstärkten Polymermatrix-Herstellungsgegenständen, wobei die Pressform einen einheitlichen Körper aus einer Eisen-Nickel-Legierung umfasst und der Pressformkörper eine Hohlraumfläche zur Aufnahme, Formgebung und thermischen Aushärtung von Kohlefaser- und nicht ausgehärtetem Polymer-Verbundwerkstoffmaterial aufweist, wobei die Hohlraumfläche des Pressformkörpers eine Beschichtung aus einer stromlos aufgebrachten Nickelzusammensetzung für einen Kontakt durch das Verbundwerkstoffmaterial aufweist, wobei die stromlos aufgebrachte Nickelzusammensetzung weniger als zehn Gewichtsprozent Phosphor und Rest im Wesentlichen Nickel bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung umfasst.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von kohlefaserverstärkten duroplastischen Polymermatrixgegenständen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass:

– ein Verbundwerkstoffkörper mit einer Kohlefaserverstärkungsform, die mit einem flüssigen, duroplastischen Polymervorläufer durchtränkt ist, gegen eine Fläche einer zuvor beschriebenen Pressform gepresst wird, und
– der Verbundwerkstoffkörper erhitzt wird, während er gegen die Hohlraumfläche gepresst wird, um den Polymervorläufer zu einer festen polymeren Matrix für den Kohlefasergegenstand auszuhärten.

Gemäß der Erfindung wird ein einzelnes Pressformwerkzeug oder ein Satz von komplementären Pressformwerkzeugen aus Tafeln, Platten oder einer anderen Form aus der Invar-36-Nickel-Eisen-Zusammensetzung oder einer ähnlichen nickellegierten Zusammensetzung auf Eisenbasis mit allgemein gleichen Wärmeausdehnungseigenschaften zum Pressformen von Kohlefaser-Verbundwerkstoff-Gegenständen hergestellt. Die Pressformhohlraumflächen werden maschinell etwas überdimensioniert hergestellt und die den Gegenstand formenden Flächen werden dann mit einer einheitlichen Schicht aus einer stromlosen Vernickelung versehen. Die stromlos aufgebrachte Nickelbeschichtung auf der/den Werkzeugfläche/n weist maximal 10 Gewichtsprozent Phosphor auf und wird zweckmäßigerweise durch eine autokatalytische chemische Reduktion von Nickelionen in wässriger Lösung unter Verwendung eines phosphorhaltigen Katalysators, wie z. B. Hypophosphit-Ionen, auf Grund der Härte der resultierenden Nickel-Phosphor-Abscheidung gebildet. Die Dicke der Beschichtung beträgt zweckmäßigerweise z. B. etwa 60–90 Mikrometer.
Es wurde festgestellt, dass eine stromlos mit Nickel überzogene Nickel-Eisen-Legierung (z. B. Invar-36) mit einer geeigneten langlebigen Oberfläche für das wiederholte Pressformen von vielen Kohlefaser-Verbundwerkstoffteilen eine hohe Maßgenauigkeit aufweist. Überdies bewahrt die stromlos abgeschiedene Nickelschicht eine glatte Pressformoberfläche und bleibt nach hunderten von im Labor beschleunigten Temperaturwechselbeanspruchungen, denen sie bei der wiederholten Beladung mit Verbundwerkstoffmaterialien, beim Wärmehärten der Verbundwerkstoffmaterialien und beim Entnehmen des ausgehärteten Verbundwerkstoffprodukts ausgesetzt ist, an dem Eisenlegierungssubstrat haften.
Die Verwendung der stromlos mit Nickel beschichteten Nickel-Eisen-Werkzeugausrüstung der Erfindung ist auf viele verschiedene Pressformverfahren für die Bildung von Kohlefaser-Verbundwerkstoffteilen anwendbar. Die harte Oberfläche sorgt für eine Abriebfestigkeit gegen die Verbundwerkstoffmaterialien. Die haftende Beschichtung und das darunter liegende Substrat wirken zusammen, um gute Maßeigenschaften für das wiederholte Pressformen von im Wesentlichen identischen Teilen, die in der Kraftfahrzeug- und anderen Industrien benötigt werden, zu bewahren.
Die Werkzeugausrüstung ist nützlich bei der Durchführung von Liquid Molding-Verfahren für die Verbundwerkstoffteile wie z. B. Harzinjektionsformen und Reaktionsspritzgussformen, wo ein Vorformling des verstärkenden Gewebes zwischen komplementären Werkzeugen angeordnet wird. Die Werkzeuge werden geschlossen und flüssiges Harz wird in den Hohlraum gespritzt, um das verstärkende Gewebe zu durchtränken und die Werkzeuge werden erhitzt, um den mit Harz imprägnierten Kohlefaser-Verbundwerkstoff auszuhärten. Die Werkzeugausrüstung ist auch nützlich beim Formpressen von Kohlefaser-Epoxidprepregs, kohlefaserhaltigen Vinlyesterharzen und verschiedenen kohlefaserverstärkten thermoplastischen Polymeren. Und die nickelbeschichtete Werkzeugausrüstung ist nützlich in handlaminierten Kohlefaser-Verbundwerkstoff-Pressformteilen, die autoklavgehärtet sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung illustrativer bevorzugter Ausführungsformen ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Harzinjektionsformverfahrens zur Herstellung eines Carbongewebes oder von kohlefaserhaltigen Verbundwerkstoffen unter Verwendung von nickelbeschichteten Werkzeugen gemäß der Erfindung;
2 ist eine vergrößerte Darstellung eines Abschnitts des in 1 gezeigten Pressformwerkzeugs, die seine stromlos aufgebrachte Nickeldeckschicht auf einem Invar-36-Substrat zeigt.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
In Übereinstimmung mit der Erfindung wurden Invar-36-Legierungs-Probekörper mit einer dünnen Schicht aus stromlos aufgebrachtem Nickel zur Bewertung und Verwendung als Werkzeugausrüstung bei der Kraftfahrzeugherstellung überzogen. Die abgeschiedene Oberflächenschicht umfasste eine Legierung aus Nickel und Phosphor, da der Reduktionskatalysator für die Abscheidung ein Hypophosphitsalz war. Die Bewertung konzentrierte sich auf die Untersuchung der Temperaturzyklisierungsstabilität der Nickellegierungsbeschichtungen, da die Verbundwerkstoff-Pressformwerkzeuge während ihrer Lebensdauer konstant Aufheiz- und Abkühlzyklen unterworfen sind und das Missverhältnis der CLT zwischen den Nickelbeschichtungen (etwa 13 × 10^–6 pro °C) und den Invar-Substraten eine beträchtliche Spannung in den Beschichtungen verursachen könnte. Bei der Durchführung der Studie wurden die Härte, die Rauigkeit und morphologische Änderungen der Beschichtungsoberfläche und der Beschichtungs/Substrat-Grenzfläche bei verschiedenen vorbestimmten Aufheiz- und Abkühlzyklen beobachtet.
Herstellung von Proben und Testdurchführung
Vier Invar-36-Platten (152 mm × 102 mm × 9,5 mm), geliefert von Re-Steel (Eddystone, PA), wurden in dieser Studie verwendet. Vor der Metallbeschichtung wurden die Oberflächen der Platten poliert oder poliert und strukturiert: zwei Platten wurden auf ein Finish mit einer 600 Körnung poliert und dann durch Abstrahlen mit einer Mischung aus Aluminiumoxid und Glasperlen wie z. B. für eine Bauteilaußenfläche strukturiert und die anderen beiden wurden ohne eine Strukturierung für eine Bauteilinnenfläche auf eine 400 Körnung poliert.

Die polierten Platten wurden mit zwei geschützten handelsüblichen stromlos aufgebrachten Nickelbeschichtungen überzogen: TM103 und E-Krome von Techmetals, Inc. of Dayton, Ohio. Stromlose Vernickelungsverfahren verwenden im Allgemeinen Natriumhypophosphit als Reduktionsmittel; demzufolge sind die erzeugten Abscheidungen Nickel-Phosphorlegierungen und kein reines Nickel. Dies gestattet es, die Zusammensetzung zu ändern (normalerweise zwischen etwa 2 Gew.-% und etwa 13 Gew.-% Phosphor) und dadurch einen Bereich nützlicher Eigenschaften vorzusehen, unter anderem eine extreme Härte, eine gute Korrosionsbeständigkeit und ein attraktives Erscheinungsbild. Ein Vergleich der Spezifikationen des Lieferanten dieser beiden Beschichtungen ist in Tabelle I gezeigt. Die E-Krome-Beschichtung wies einen geringeren Phosphorgehalt und eine höhere Schmelztemperatur auf und war härter als die TM103-Beschichtung. Allerdings war das Salzsprühnebel-Korrosionsverhalten der E-Krome-Beschichtung nicht so gut wie bei der TM103-Beschichtung, möglicherweise auf Grund des geringeren Phosphorgehalts. Tabelle I: Vergleich der Eigenschaften zwischen TM103- und E-Krome Beschichtungen

Eigenschaften	TM103	E. Krome
Phosphorgehalt (Gew.-%)	10,5–13,0	4,0–7,0
Schmelzpunkt (°C)	880 (eutektisch)	960–1205
Härte (HRC)	45–50	60–64
Korrosionsbeständigkeit (ASTM-B 117)	1000 h	300 h

Die mit Nickellegierung überzogenen Invar-Platten wurden einer im Labor beschleunigten Temperaturzyklisierung (Temperaturwechsel) gemäß der folgenden Prozedur von Aufheizen und Abkühlen unterzogen. Die Platten wurden eine Stunde lang in einem 177°C Heißluftofen erhitzt, aus dem Ofen entfernt und eine halbe Stunde lang bei Raumtemperatur abgekühlt. Dieser Zyklus wurde 7 mal täglich wiederholt, bis eine gewünschte Anzahl von Gesamtzyklen vollständig war. Diese Labor-Temperaturzyklisierungsprozedur folgt dem Muster von Pressformzyklen, die bei der Kleinserienproduktion (nach Kraftfahrzeugindustriestandards) von Hauben aus Corvette^® Kohlefaser-Verbundwerkstoffen verwendet werden.
Die Stabilität der Nickelbeschichtungen wurde durch Beobachten der Härte, der Rauigkeit und Oberflächen- und Grenzflächenmorphologien der überzogenen Platten während des Temperaturwechselbeanspruchungstests untersucht. Die Mikrohärte wurde unter Verwendung eines Knoop Indenter Matsuzawa MXT70 gemessen. Der Wert für die Härte wurde dann für einen Vergleich mit herkömmlichen Werkzeugmaterialien gemäß ASTM E140-05 für die Rockwellskala umgewandelt. Die Oberflächenrauigkeit der Beschichtungen wurde mithilfe eines Wyko 3-D Profilometers gemessen. Die Oberflächenmorphologie der überzogenen Proben wurde mithilfe eines Zeiss Evo 50 Rasterelektronenmikroskops (SEM) untersucht. Ein an dem SEM angebrachter Elementdetektor (EDS) wurde verwendet, um die ungefähren Zusammensetzungen der Beschichtungen zu untersuchen. Um die Grenzflächenmorphologie zu beobachten, wurden die Querschnitte jeder Probe in Lucite befestigt und hochglanzpoliert.
Ergebnisse und Diskussion
Oberflächenhärte
Wie zuvor erwähnt, besitzt die Invar-36-Legierung eine HRB-Härte von 80, die deutlich weicher ist als bei herkömmlichem P20-Stahl, der oft für Kraftfahrzeug-Pressformwerkzeuge verwendet wird. Die gemessenen HRC-Härtewerte der vier stromlos mit Nickel überzogenen Invar-Platten, sowohl wie überzogen als auch temperaturzyklisiert, sind in der nachfolgenden Tabelle 2 als eine Funktion der Temperaturwechsel gezeigt. Die Körnungszahlen 400 und 600 beziehen sich auf die Politur mit der Körnung des Invar-Substrats vor der Abscheidung der stromlosen Nickellegierungen. Tabelle 2 Temperaturwechsel

0 100 200 300

TM 103, 400 40 HRC 36 HRC 36 HRC 36 HRC

TM 103, 600 35 HRC 40 HRC 40 HRC 40 HRC

E-Krome, 400 45 HRC 50 HRC 50 HRC 50 HRC

E-Krome 600 50 HRC 52 HRC 50 HRC 52 HRC
Die Daten weisen darauf hin, dass sowohl die stromlos aufgebrachte TM103 als auch E-Krome-Nickelbeschichtung die Invar-Substrate erfolgreich härteten, wenngleich die sich ergebenden Härtewerte ungefähr 15%–25% kleiner sind als die in den Beschichtungsspezifikationen angegebenen, die in Tabelle 1 gezeigt sind. Die HRC-Härtewerte der beiden E-Krome-Beschichtungen, wie überzogen, sind höher als jene der TMA103-Beschichtungen und sind mit der Härte von P20 Werkzeugstahl, 50 HRC, vergleichbar. Die TM103-Beschichtungen konnten den Zielhärtewert nicht erreichen. Demzufolge sind sie als Oberflächenmaterial für Werkzeuge für eine wesentliche Produktion von Kohlefaser-Verbundwerkstoffteilen deutlich weniger zu bevorzugen.
Tabelle 2 zeigt auch, dass die Härtewerte sowohl von TM103 als auch E-Krome-Nickelbeschichtungen durch die Aufheiz- und Kühlzyklen nicht so stark beeinträchtigt waren. Die Härte von E-Krome-400 zeigte ganz zu Beginn des Tests einen geringen Anstieg und flachte nach etwa 100 Temperaturwechseln ab. Die Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass die Härte der Beschichtungen im Betriebstemperaturbereich der Pressformwerkzeuge stabil sein werden. Außerdem zeigte das anfängliche Oberflächenfinish der Invar-Substrate, Körnung 400 und Körnung 600, keinerlei Einfluss auf die Härte der stromlos aufgebrachten Nickelbeschichtungen vor und nach der Temperaturzyklisierung.
Oberflächenrauigkeit
Die arithmetischen durchschnittlichen Rauigkeitswerte Ra der nickelbeschichteten Invar-Platten zeigen an, dass die E-Krome-Beschichtungen, wie überzogen, jeweils eine glattere Oberfläche besaßen als die TM103, wie überzogen, 0,7 μm vs. 1,3 μm. Die Oberflächenrauigkeitswerte beider Beschichtungen wurden durch die Temperaturwechseltests nicht beeinträchtigt, was den Schluss nahe legt, dass die Beschichtungen in dem Betriebstemperaturbereich der Pressformwerkzeuge stabil sein werden. Ebenso wie die Härtedaten wurde die Oberflächenrauigkeit der beschichteten Proben durch das anfängliche Oberflächenfinish der Invar-Substrate nicht sehr beeinflusst. Der Unterschied in der Rauigkeit der TM103- und E-Krome-Proben ist scheinbar ein Ergebnis der Beschichtungseigenschaften, zumindest wenn die Substrate einigermaßen so fertiggestellt werden wie die in der Studie verwendeten.
Beschichtung-Substrat-Grenzfläche
Um die Grenzfläche zwischen stromlos aufgebrachten Nickelbeschichtungen und Invar-Substraten zu untersuchen, wurden optische Mikroaufnahmen von den Querschnitten von beschichteten Proben, sowohl wie überzogen als auch temperaturzyklisiert, vorgenommen. Für alle untersuchten Proben zeigte die Mikroaufnahme keine Anzeichen einer Schichtablösung an den Beschichtung-Substrat-Grenzflächen nach 300 Zyklen beschleunigten Aufheizens und Abkühlens. Das Ergebnis deutet stark darauf hin, dass die stromlos aufgebrachten Nickelbeschichtungen im Einklang mit den vorherigen Feststellungen auf der Basis der Härte- und Rauigkeitsdaten stabil für die Verwendung als Verbundwerkstoff-Pressformwerkzeuge sind.
Des Weiteren zeigten die optischen Querschnitts-Mikroaufnahmen, dass die durchschnittliche Beschichtungsdicke sowohl für mit TM103 wie auch mit E-Krome überzogene Proben etwa 75 μm (3 mil) beträgt. Diese Beschichtungsdicke ist wirksam, um jeden Substrateinfluss auf die Beschichtungseigenschaften zu dämpfen oder zu beseitigen, wie durch die Intensität der Härte- und Oberflächenrauigkeitsdaten in Bezug auf die anfänglichen Oberflächenzustände der Substrate ersichtlich. Das Nichtvorhandensein einer Änderung der Beschichtungsdicke während des Temperaturzyklisierens ist auch in Übereinstimmung mit der Erkenntnis, dass die stromlos aufgebrachten Nickelbeschichtungen auf Inver-Substraten stabil sind.
SEM-Analyse von E-Krame-Beschichtungen
Die oben stehenden Härte- und Stabilitäts-Studien haben deutlich gemacht, dass die mit E-Krome überzogene Invar-36-Legierung ein brauchbares Werkzeugausrüstungsmaterial für Kraftfahrzeug-Verbundwerkstoffanwendungen ist. Die E-Krome-Beschichtungen, sowohl wie überzogen als auch temperaturzyklisiert, wurden daher mithilfe der SEM-Analyse weiter charakterisiert, um ihre Elementzusammensetzungen und Oberflächenmorphologien wie nachfolgend beschrieben zu ermitteln.
Die Ergebnisse der SEM-EDS-Analyse der Elementzusammensetzungen der E-Krome 600-Beschichtungen vor und nach den Aufheiz- und Abkühlzyklen sind in Tabelle 3 gezeigt. Die Phosphorgehalte der Beschichtungsproben liegen im Bereich von 6–7 Gew.-% und bleiben über den gesamten Temperaturwechseltest praktisch konstant. Die Elementzusammensetzung der E-Krome 600-Beschichtung, wie überzogen, 7,6 Gew.-% Phosphor und 92,4 Gew.-% Nickel stimmt mit der in Tabelle 1 angegebenen Beschichtungsspezifikation überein. Tabelle 3 Elementzusammensetzungen der E-Krome 600-Beschichtungen, wie überzogen und temperaturzyklisiert

Zusammensetzung 0 Zyklen 100 Zyklen 200 Zyklen 300 Zyklen

Phosphor (Gew.-%) 7,6 6,6 6,5 6,3

Nickel (Gew.-%) 92,4 93,4 93,5 93,7
Die Ergebnisse der SEM-Oberflächenmikroskope ergaben keine erkennbaren morphologischen Änderungen für die mit Nickel überzogenen Proben vor und nach der Temperaturzyklisierung. Die Legierungen, die einen geringeren Phosphorgehalt aufweisen, waren durch das Vorhandensein von kristallinem und mikrokristallinem Nickel gekennzeichnet, was anzeigt, dass die Anzahl von Phosphoratomen nicht ausreicht, um das Nickelgitter in einem Ausmaß zu verzerren, bei dem amorphes Nickel erhalten werden kann. Die Kugelstruktur von Nickel-Phosphor-Abscheidungen nimmt mit zunehmendem Phosphorgehalt ab. Die Struktur der E-Krome-Beschichtungen blieb während des Temperaturzyklisierungstests dieselbe.
Eine stromlos mit Nickel überzogene Invar-Werkzeugausrüstung ist geeignet für die Großserienproduktion von Kohlefaser-Polymer-Verbundwerkstoffteilen, die durch Pressformen und Aushärten der Materialien gebildet werden. Nachfolgend sind Beispiele für Pressformtechniken für solche Teile angeführt.
Beispiel 1: autoklavgehärtete, handlaminierte Kohlefaser-Verbundwerkstoff-Pressformteile.
Dieses Verfahren wird derzeit verwendet, um Kraftfahrzeug-Karosseriebauteile in sehr kleinen Serien herzustellen. Im Wesentlichen unidirektionale Carbongewebeplatten (etwa 0,2 mm dick), die mit einer flüssigen Epoxidharz-Vorläuferzusammensetzung (40 Gewichts-% des Verbundwerkstoffes) imprägniert sind, werden zu vorbestimmten Mustern geschnitten. Die Bahnen werden als Lagen auf der Hohlraumfläche eines einzelnen Invar-36-Werkzeugs geschichtet. Zum Beispiel werden sechs Lagen zu einer Gesamtdicke von etwa 1,2 mm mit aufeinander folgenden Schichten von Kohlefasern geschichtet, die in verschiedenen Richtungen orientiert sind, um geeignete isotrope Eigenschaften in einem pressgeformten Bauteil zu erhalten. Der geschichtete Plattenkörper wird mit einem Kunststofffilm abgedeckt und um seinen Umfang herum abgedichtet, um Luft mittels Vakuum zu entfernen. Die gesamte Anordnung wird in einen Autoklaven gelegt, um sie gegen die Werkzeugfläche zu pressen und zu erwärmen, um die Epoxidharzmatrix auszuhärten. Das Werkzeug und das ausgehärtete Verbundwerkstoffmaterial werden aus dem Autoklaven entfernt und abgekühlt und der Film wird von dem gebildeten Bauteil abgelöst.
Das Werkzeug ist durch die abrasive, kohlegefüllte Polymerzusammensetzung während des Handlaminierungsverfahrens, in dem die Hand und Handwerkzeuge verwendet werden, um die Carbonplatten zu stoßen und zu zwingen, mit der Werkzeugfläche in Übereintimmung zu bringen, einem Verschleiß unterworfen. Das Werkzeug ist auch einem Verschleiß während des Pressens und Entformens unterworfen. Überdies sammelt sich Material an der Werkzeugfläche an und das Werkzeug wird in regelmäßigen Abständen unter Verwendung einer Lösungsmittelreinigung der Pressformoberfläche und/oder durch mechanisches Abstrahlen der Oberfläche mithilfe einer Mischung aus relativ weichen Partikeln gereinigt.
Dieser Vorgang ist relativ langsam. Aber im Fall z. B. der Kraftfahrzeugindustrie könnte das Verfahren etwa 2000 Teile pro Jahr pro Werkzeug bei einem Dreischichtbetrieb und langlebigen Werkzeugen herstellen. Für ein typisches 5-Jahres-Autoprogramm wird das Werkzeug 10.000 Teile produzieren müssen. Die nickelbeschichteten Werkzeugausrüstung dieser Erfindung werden die Langlebigkeit für solche Produktionsanforderungen bereitstellen.
Beispiel 2: Liquid Molding-Verfahren – Harzinjektionsformen (RTM) und Reaktionsspritzgussformen (RIM)
Das Liquid Molding ist in der Lage, abhängig von der in dem Verfahren verwendeten Harzchemie, bis zu 100.000 Kohlefaser-Verbundwerkstoffteile pro Jahr zu produzieren. Es gibt verschiedene Formen von Liquid Molding-Verfahren und die am häufigsten verwendeten sind RTM und RIM. Das Verfahren ist unter Bezugnahme auf das schematische Flussdiagramm von 1 veranschaulicht.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein tafelförmiger oder plattenförmiger Mehrschichtkörper 10 (in 1 auch als Faserverstärkung bezeichnet) aus Kohlefasergewebe zwischen gegenüberliegenden und komplementären Vorformwerkzeugen angeordnet, die aus einem unteren (wie in der Zeichnungs-Fig. veranschaulicht) Stempel-Vorformwerkzeug 12 und einem oberen Matrizen-Vorformwerkzeug 14 besteht. Der Satz von Werkzeugen 12, 14 ist in der Zeichnungs-Fig. auch als Vorformwerkzeug bezeichnet. Bei der Veranschaulichungsstufe in 1 sind die Werkzeuge 12 und 14 in ihrer offenen Position vertikal getrennt und der Körper 10 des Kohlefasergewebes kann auf das untere Werkzeug 12 gelegt werden. Die Werkzeuge werden dann geschlossen, um dem ursprünglichen Körper aus verstärkenden Kohlefasern unter Druck ein Vorformling-Profil 16 zu verleihen. Dieses Vorformling-Profil (in dem Flussdiagramm des Pressformverfahrens von 1 auch als Vorformling bezeichnet) ist nach dem Entfernen aus den Werkzeugen 12, 14 gezeigt. Dieses Vorformen des Verstärkungsmaterials ist optional, abhängig von der Komplexizität des Profils des zu bildenden Gegenstands und wird üblicherweise bei leicht erhöhter Temperatur am Fertigungsort ausgeführt. Die Werkzeuge 12, 14 werden geöffnet und das Vorformling-Profil 16 für den Pressformschritt des flüssigen Polymers entfernt.
Die in 1 gezeigten Vorformwerkzeuge 12, 14 können aus der langlebigen Werkzeugausrüstung der Erfindung hergestellt sein, wenn die Maßgenauigkeit des Vorformlings für die Qualität des Endteiles kritisch ist.
Das Vorformling-Profil 16 aus mehrschichtigem Kohlefasergewebe wird dann zwischen einem Satz gegenüberliegender und komplementärer Carbon-Verbundwerkstoff-Vorformwerkzeugen angeordnet, der ein unteres Stempel-Pressformwerkzeug 18 und ein oberes Matrizen-Pressformwerkzeug 20 umfasst. Der Satz von Pressformwerkzeugen 18, 20 ist in 1 als Pressformwerkzeug bezeichnet. Die Pressformwerkzeuge 18 und 20 sind aus einer Nickel-Eisen-Legierung (geeigneterweise Invar-36) mit einer geeignet langlebigen Schicht aus einer stromlosen aufgebrachten Nickellegierung 26 auf ihren jeweiligen einen Pressform-Hohlraum definierenden Flächen 22, 24 gebildet. 2 ist eine vergrößerte schematische Darstellung eines Abschnitts der Hohlraumflächen 22 des Pressformwerkzeugs 18, die die Schicht 26 aus stromlos aufgebrachter Nickellegierung zeigt.
Die Nickellegierungsschicht 26 ist zweckmäßigerweise in einer gleichmäßigen Dicke von etwa siebzig Mikrometer aufgetragen und umfasst etwa fünf bis etwa sieben Gewichtsprozent Phosphor.
Die Pressformwerkzeuge 18, 20 werden auf dem Vorformling-Profil 16 geschlossen, die zwischen den einen Hohlraum definierenden Flächen 22, 24 eingeschlossen wird. Der definierte Hohlraum, der das Kohlefaser-Vorformlings 16-Verstärkungsmaterial umfasst, wird üblicherweise über einen Luftauslasskanal, nicht gezeigt, in einem der Pressformwerkzeuge 18, 20 von eingeschlossener Luft evakuiert. Eine flüssige, Zweikomponenten-Epoxidharz-Vorläuferzusammensetzung wird durch eine geeignete Harzfüllleitung 28 in den Pressformhohlraum gepumpt (wie durch den Einspritzschritt von 1 angezeigt) und durchtränkt und füllt die Poren der Kohlefasergewebe-Verstärkungsmaterial-Vorformlingsgestalt 16. Somit wird ein mit flüssigem Harz gefüllter Kohlefaser-Verbundwerkstoff 30 in dem durch die geschlossenen Pressformwerkzeuge 18, 20 definierten Hohlraum erzeugt. Der Flüssigkeit- und Kohlefaser-Verbundwerkstoff wird gegen die Nickellegierungs-Beschichtungsschichten 26 auf den Hohlraumflächen 22, 24 der Werkzeuge 18, 20 gepresst. In diesem Stadium des Pressformverfahrens ist der flüssige Harzanteil des Verbundwerkstoffs 30 nicht ausgehärtet.
Die Pressformwerkzeuge werden aufgeheizt, z. B. mit internen elektrischen Widerstandsheizelementen (nicht veranschaulicht) oder einfach einem heißen Fluid, um das porenfreie eingespritzte Harzmaterial auszuhärten und die feste Matrixphase des mit Kohlefasergewebe verstärkten pressgeformten Teils 32 zu bilden. Dies ist im Aushärtungsstadium von 1 gezeigt.
Die Pressformwerkzeuge 18, 20 werden geöffnet, wie in dem Entformungsstadium von 1 veranschaulicht, und das pressgeformte Produkt wird von den Pressformflächen der Werkzeuge entfernt.
Beispiel 3: Formpressen
Formpressen ist das traditionellste Verfahren zum Erzeugen von sowohl duroplastischen als auch thermoplastischen Verbundwerkstoffteilen. Mit Nickel überzogene Invar-Werkzeugausrüstungen können verwendet werden, um Kohlefaser-Verbundwerkstoffteile für bestimmte Anwendungen wie z. B. Kraftfahrzeug-Innenteile formzupressen. Die für diese Art des Pressformens geeigneten Materialien sind Kohlefaser-Epoxid-Prepregs (dieselben wie die Materialien, die zum Autoklaven-Pressformen verwendet werden), Kohlefaserplatten-Pressformverbindungen, SMC (z. B. Kohlenstoff-Kurzfasern in Vinylesterharz) und verschiedene kohlefaserhaltige thermoplastische Polymere wie z. B. Polypropylen, Polyamid etc. Die Schichten oder Körper aus Prepreg-Material oder SMC werden in den Hohlraum der geöffneten, gegenüberliegenden komplementären Pressformwerkzeuge geladen. Die Werkzeuge werden geschlossen, um den mit nicht ausgehärtetem Harz imprägnierten Kohlefaserkörper in dem zwischen ihnen gebildeten Hohlraum zusammenzupressen. Wiederum werden die Werkzeuge aufgeheizt, um das Matrixharzmaterial auszuhärten, und dann geöffnet, um das heiße, pressgeformte Teil zu entfernen. Zum Thermoplast-Pressformen werden die Werkzeuge geschlossen, um die heißen, harzbeschichteten Fasermatten zusammenzupressen und die geformten Endteile zu erzeugen.
Ein gemeinsames Merkmal eines jeden der oben beschriebenen Pressformverfahren (und anderer) besteht darin, dass abrasives Kohlefaser-Verstärkungsmaterial wiederholt in Druck- und Reib-Gleitkontakt mit dem mit stromlos aufgebrachter Nickellegierung beschichteten Nickel-Eisen-Legierungs-Pressformwerkzeug gebracht wird. Die Nickellegierungsoberfläche ist trotz dieses wiederholten abrasiven Kontakts und der naturgemäßen wiederholten Temperaturzyklisierung in den für die Großserienproduktion solcher Teile erforderlichen oft wiederholten Pressformzyklen langlebig. Überdies bewahrt das beschichtete Pressformwerkzeug seine wünschenswerte Wärmeausdehnungsverträglichkeit mit den Pressformzusammensetzungen, um eine Maßgenauigkeit in den pressgeformten Kohlefaser-Verbundwerkstoffteilen zu schaffen.
Die praktische Umsetzung der Erfindung wurde durch einige spezifische Beispiele veranschaulicht, die den Umfang der Erfindung nicht beschränken sollen.

Claims

Pressform zur Formgebung und thermischen Aushärtung von kohlefaserverstärkten Polymermatrix-Herstellungsgegenständen; wobei die Pressform einen einheitlichen Körper aus einer Eisen-Nickel-Legierung umfasst und der Pressformkörper eine Hohlraumfläche zur Aufnahme, Formgebung und thermischen Aushärtung von Kohlefaser- und nicht ausgehärtetem Polymer-Verbundwerkstoffmaterial aufweist, wobei die Hohlraumfläche des Pressformkörpers eine Beschichtung aus einer stromlos aufgebrachten Nickelzusammensetzung für einen Kontakt durch das Verbundwerkstoffmaterial aufweist, wobei die stromlos aufgebrachte Nickelzusammensetzung weniger als zehn Gewichtsprozent Phosphor und Rest im Wesentlichen Nickel bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung umfasst.
Pressform nach Anspruch 1, wobei die Eisen-Nickel-Legierung im Wesentlichen aus 36 Gewichtsprozent Nickel und Rest aus Eisen besteht.
Pressform nach Anspruch 1, umfassend zwei komplementäre Pressformelemente, die jeweils eine Hohlraumfläche für das Verbundwerkstoffmaterial aufweisen, wobei die Elemente zwischen einer geschlossenen Position, in der einander zugewandte Hohlraumflächen der einander zugewandten Pressformelemente die gewünschte Form des kohlefaserverstärkten Polymermatrixgegenstands definieren, und einer offenen Position zum Anordnen zumindest eines Kohlefaserverstärkungsmaterials gegen eine Hohlraumfläche eines der Pressformelemente bewegbar sind.
Pressform nach Anspruch 1, wobei die Dicke der stromlos aufgebrachten Nickelbeschichtung sechzig Mikrometer bis neunzig Mikrometer beträgt.
Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von kohlefaserverstärkten duroplastischen Polymermatrixgegenständen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: ein Verbundwerkstoffkörper mit einer Kohlefaserverstärkungsform, die mit einem flüssigen, duroplastischen Polymervorläufer durchtränkt ist, gegen eine Fläche einer Pressform nach einem der Ansprüche 1 bis 4 gepresst wird; und der Verbundwerkstoffkörper erhitzt wird, während er gegen die Hohlraumfläche gepresst wird, um den Polymervorläufer zu einer festen polymeren Matrix für den Kohlefasergegenstand auszuhärten.
Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von kohlefaserverstärkten duroplastischen Polymermatrixgegenständen nach Anspruch 5, wobei die Eisen-Nickel-Legierung im Wesentlichen aus 36 Gewichtsprozent Nickel und Rest aus Eisen besteht.
Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von kohlefaserverstärkten duroplastischen Polymermatrixgegenständen nach Anspruch 5, wobei die Dicke der stromlos aufgebrachten Nickelbeschichtung sechzig Mikrometer bis neunzig Mikrometer beträgt.