DE102011013742A1

DE102011013742A1 - Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE102011013742A1
Application number: DE102011013742A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Franken Klaus; Dipl.-Ing. Passmann Dirk; Dr. Lindner Stefan; Peter Nordmann; Christian Veelken; Michel Gehrig; Josef Terhardt
Original assignee: VERFAHRENSTECHNIK HUEBERS GmbH; HUEBERS VERFAHRENSTECH; Verfahrenstechnik Huebers GmbH; Bayer MaterialScience AG
Current assignee: VERFAHRENSTECHNIK HUEBERS GmbH; HUEBERS VERFAHRENSTECH; Verfahrenstechnik Huebers GmbH; Covestro Deutschland AG
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2012-09-13
Also published as: WO2012123280A1

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen und Entgasen einer Harzkomponente, Bereitstellen und Entgasen einer Härterkomponente, Vermischen von Harzkomponente und Härterkomponente, und Einfüllen der Mischung aus Harz- und Härterkomponente in eine Gießform (20). Um die Herstellung von Formkörpern aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften zu ermöglichen und insbesondere, um blasenfreie Formkörper aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen herstellen zu können, wird vorgeschlagen, dass des Vermischen bei anhaltendem Unterdruck und das Einfüllen unter Luftabschluss durchgeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen und Entgasen einer Harzkomponente, Bereitstellen und Entgasen einer Härterkomponente, Vermischen von Harzkomponente und Härterkomponente, und Einfüllen der Mischung aus Harz- und Härterkomponente in eine Gießform.
Bei einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, kurz Faserverbundwerkstoff, handelt es sich um einen Mehrphasenwerkstoff, der wenigstens zwei Hauptkomponenten, nämlich einen Matrixwerkstoff und verstärkende Fasern aufweist.
Bei dem Matrixwerkstoff handelt es sich üblicherweise um einen Kunststoff. Besonders häufig werden als Matrixwerkstoff Duromere wie etwa Kunstharze, Elastomere oder Thermoplaste eingesetzt. Während Thermoplaste bei Raumtemperatur fest sind, liegen Kunstharze und Elastomere bis zu ihrer Aushärtung flüssig vor. Daher werden Kunstharze und Elastomere regelmäßig mit einem Härter vermischt, bevor sie als Matrixwerkstoff für Faserverbundwerkstoffe verwendet werden.
Als verstärkende Fasern werden bei Faserverbundwerkstoffen häufig Kohlenstofffasern, Glasfasern und Aramidfasern eingesetzt. Gebräuchlich sind ferner Keramikfasern, Metallfasern und Nylonfasern. Seltener werden auch Naturfasern wie Flachs- oder Hanffasern verwendet.
Aus der Praxis sind zahlreiche Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Faserverbundwerkstoffen bekannt.
Bei dem klassischen Handlegeverfahren werden Fasermatten von Hand in eine Form eingelegt und mit Kunstharz imprägniert. Anschließend wird der Verbund mit Hilfe einer Rolle durch Anpressen entlüftet. Diese Schritte können mehrmals wiederholt werden, um die gewünschte Schichtdicke zu erreichen. Abschließend härtet das Bauteil durch die chemische Reaktion von Harz und Härter bei Umgebungsdruck aus. Nachteilig an dem Handlegeverfahren sind die eher geringe Bauteilqualität und der hohe manuelle Aufwand.
Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Faserverbundwerkstoffen ist das Vakuum-Infusionsverfahren. Bei diesem Verfahren werden die trockenen Fasermatten zunächst in eine Gießform gelegt. Über die Fasermatten wird sodann eine luftdichte Folie gelegt, deren Ränder mittels Dichtband an den Rändern der Gießform befestigt werden. Auf diese Weise entsteht zwischen der Gießform und der Folie ein abgeschlossener Raum, welcher die Fasermatten enthält. Anschließend wird der die Fasermatten enthaltende Raum evakuiert. Der Matrixwerkstoff, häufig eine Mischung aus einem Harz und einem Härter, wird nach dem Mischen üblicherweise in einem Vorlagebehälter bei Umgebungsdruck bereitgestellt. Im einfachsten Fall handelt es sich bei dem Vorlagebehälter um einen Eimer. Aufgrund der Druckdifferenz zwischen der evakuierten Gießform und dem offenen Vorlagebehälter kann der flüssige Matrixwerkstoff durch einen Schlauch aus dem Vorlagebehälter in die evakuierte Gießform gesaugt werden. Ein Vakuum-Infusionsverfahren zur Herstellung von Windmühlenflügeln ist beispielsweise aus der DE 602 10 729 T2 bekannt.
Mit dem beschriebenen Vakuum-Infusionsverfahren können höhere Bauteilqualitäten erreicht werden als mit dem Handlegeverfahren. Die höhere Qualität der Bauteile kommt insbesondere durch eine geringere Anzahl von Gasblasen, bzw. Luftblasen in den Bauteilen zum Ausdruck. Durch das Vakuum in der Gießform verkleinert sich der Raum zwischen der Wand der Gießform und der luftdichten Folie, so dass die Fasermatten und die Mischung aus Harz und Härter zusammengezogen werden. Dies hat zur Folge, dass Lufteinschlüsse aus dem aushärtenden Formkörper gepresst werden. Das Vakuum stellt somit sicher, dass keine Luftblasen in dem Faserverbundbauteil verbleiben. Das Vakuum verringert die Anzahl der Lufteinschlüsse zudem aufgrund der Tatsache, dass die Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten, hier in der Mischung aus Harz und Härter, bei sinkendem Druck abnimmt.
Gleichwohl hat das dargestellte Vakuum-Infusionsverfahren den Nachteil, dass sich die durch den Unterdruck hervorgerufenen Vorteile auf den letzten Herstellungsschritt, nämlich auf das Einfüllen der Mischung von Harz und Härter in die Gießform, beschränkt. Bei den vorausgehenden Verfahrensschritten, etwa dem Mischen von Harz und Härter oder dem Bereitstellen der Mischung aus Harz und Härter in Vorlagebehältern, herrscht hingegen bei bekannten Vakuum-Infusionsverfahren kein Unterdruck. Dies hat zur Folge, dass Harz und Härter beim Mischen und auch beim Einfüllen in die Gießform regelmäßig noch Luftblasen aufweisen, die in der Gießform nicht vollständig aus dem aushärtenden Material gepresst werden können. Zudem können bei Verfahrensschritten, die bei Atmosphärendruck durchgeführt werden sogar neue Luftblasen entstehen.
Faserverbundwerkstoffe mit Lufteinschlüssen weisen deutlich verringerte mechanische Eigenschaften wie Festigkeit und Zähigkeit auf. Zudem verringern sich die mechanischen Eigenschaften bei faserverstärkten Materialien durch Luftblasen stärker als bei homogenen Materialien, da die Luftblasen die Spannungsübertragung zwischen dem Matrixwerkstoff und den Fasern behindern können. Schließlich lassen sich Luftblasen bei faserverstärkten Materialien aufgrund der dichten Struktur der Fasermatten schwieriger aus dem aushärtenden Material entfernen als bei homogenen Materialien. Bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen sollte daher bereits die Entstehung von Luftblasen verhindert werden, da bereits entstandene Luftblasen nur schwer aus dem aushärtenden Bauteil entfernt werden können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene und zuvor näher dargestellte Verfahren derart auszugestalten und weiterzubilden, dass die Herstellung von Formkörpern aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften ermöglicht wird. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, blasenfreie Formkörper aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen herzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 dadurch, dass das Vermischen bei anhaltendem Unterdruck und das Einfüllen unter Luftabschluss durchgeführt werden.
Um den durch das Entgasen erreichten blasenfreien Zustand von Harz und Härter im weiteren Verlauf des Verfahrens beizubehalten, hat die Erfindung erkannt, dass die dem Entgasen nachfolgenden Verfahrensschritte, insbesondere das Vermischen von Harz und Härter, bei kontinuierlichem Unterdruck durchgeführt werden sollen. Die Komponenten Harz und Härter sollen erfindungsgemäß also einem Unterdruck ausgesetzt sein, nachdem sie entgast wurden. Durch den anhaltenden Unterdruck wird erreicht, dass Harz und Härter nach dem Entgasen ihren blasenfreien Zustand auch beim Vermischen beibehalten. Unter anhaltendem Unterdruck wird nicht zwingend ein konstanter Unterdruck verstanden, er kann durchaus im Verlauf des Verfahrens variieren. Mit einem anhaltenden Unterdruck ist gemeint, dass der Druck vom Entgasen der Komponenten bis zum Verlassen der Mischeinrichtung permanent geringer ist als der Atmosphärendruck. Erfindungsgemäß erfolgt das sich anschließende Einfüllen der Mischung in die Gießform komplett unter Luftabschluss, um die Möglichkeit eines Eintrags von Luft zuverlässig auszuschließen.
Die Verfahrenschritte Entgasen der Harzkomponente, Entgasen der Härterkomponente und Vermischen beider Komponenten müssen nicht zwingend in einer bestimmten Reihenfolge ablaufen. Es ist im Rahmen der Erfindung sowohl möglich, dass Harz und Härter vor dem Vermischen entgast werden als auch dass Harz und Härter nach dem Vermischen als Teil einer Mischung gemeinsam entgast werden.
Die Erfindung hat erkannt, dass eine optimale Bauteilqualität voraussetzt, dass bereits die beiden Ausgangsstoffe der Matrix, also das Harz und der Härter, entgast werden. Die Entgasung kann beispielsweise erfolgen, indem Harz und/oder Härter in einer dünnen Schicht über eine geneigte Fläche, etwa ein Verteilerblech, gegossen werden. Im einfachsten Fall können Harz und Härter auch dadurch entgast werden, dass die beiden Komponenten eine bestimmte Zeit ruhen, um Lufteinschlüsse durch die Gewichtskraft von allein aus den Komponenten zu entfernen. Unter Entgasen wird daher jede Maßnahme verstanden, die geeignet ist, den Gasgehalt von Harz und Härter zu verringern. Um die Aufbereitung von Harz und Härter zu optimieren, kann das Entgasen auch das Entfeuchten und/oder das Homogenisieren von Harz und Härter umfassen. Eine Vorrichtung zum Entgasen von viskosen Produkten ist beispielsweise aus der DE 100 18 856 C1 bekannt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bereits das Entgasen der Harzkomponente und/oder das Entgasen der Härterkomponente bei anhaltendem Unterdruck und/oder erhöhten Temperaturen durchgeführt werden. In Versuchen hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Harzkomponente bei einem Druck zu evakuieren, der mindestens 0,1 mbar beträgt und unterhalb des Restdruckes in der evakuierten Gießform liegt, bevorzugt zwischen 0,1 mbar und 200 mbar, und besonders bevorzugt zwischen 0,1 mbar und 5 mbar. Die Temperatur liegt beim Entgasen der Harzkomponente innerhalb eines Temperaturbereiches zwischen 20°C und 140°C, bevorzugt zwischen 20°C und 100°C, und besonders bevorzugt zwischen 40°C und 70°C.
Auch die Härterkomponente wird vorzugsweise bei einem Druck evakuiert, der mindestens 0,1 mbar beträgt und unterhalb des Restdruckes in der evakuierten Gießform liegt, bevorzugt zwischen 0,1 mbar und 200 mbar, und besonders bevorzugt zwischen 0,1 mbar und 5 mbar. Die Temperatur liegt auch beim Entgasen der Härterkomponente bevorzugt zwischen 20°C und 140°C, bevorzugt zwischen 20°C und 100°C, und besonders bevorzugt zwischen 40°C und 70°C.
Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass die Komponenten Harz und Härter in einer Mischeinrichtung vermischt werden. Zum Vermischen werden in weiterer Ausgestaltung der Erfindung statische Mischer, also Mischer ohne aktiv angetriebene Rührelemente, eingesetzt. Statische Mischer haben den Vorteil, besonders schonend zu mischen, so dass keine Lufteinschlüsse entstehen.
Das sich anschließende Einfüllen in die Gießform unter Luftabschluss kann durch eine Dosierpumpe, insbesondere durch eine druckgeregelte Dosierpumpe erfolgen. Eine druckgeregelte Dosierpumpe erlaubt es, das Einfüllen von Harz und Härter besonders genau zu steuern.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gießform eine geschlossene Gießform ist und dass die Mischung aus Harz und Härter mit einem höheren Fülldruck gefüllt wird als der umgebende Luftdruck, innerhalb eines Druckbereichs von 1 bar bis 100 bar, bevorzugt zwischen 1 bar und 20 bar und besonders bevorzugt zwischen 1 bar und 5 bar.
Eine alternative Lösung sieht vor, dass die Gießform eine offene Gießform ist und dass die Mischung aus Harz und Härter mit einem geringeren Fülldruck gefüllt wird als der umgebende Luftdruck, innerhalb eines Druckbereichs von 0,1 bar bis 1 bar, vorzugsweise zwischen 0,1 bar und 0,9 bar. In der Gießform herrscht dabei nach einer weiteren Lehre der Erfindung ein Unterdruck, der geringfügig oberhalb des Evakuierungsdruckes der Harz- und Härterkomponenten liegt.
Der Fülldruck sollte deutlich über dem Druck der Gießform liegen, um eine ausreichende Einfüllgeschwindigkeit zu erreichen. Die Verarbeitung beim Einfüllen unter Luftabschluss stellt dabei sicher, dass die entgaste Mischung aus Harz und Härter stets blasenfrei bleibt.
Auch Gießformen für große Bauteile können zügig mit Harz und Härter befüllt werden, indem nach einer weiteren Lehre der Erfindung vorgesehen ist, dass die Mischung aus Harz und Härter über wenigstens zwei Infusionspunkte in die Gießform eingefüllt wird. Bei einer Verfahrensführung mit mehreren Infusionspunkten können Harz und Härter vermischt werden, bevor die Mischung in mehrere Teilströme aufgeteilt wird. Ebenso ist es denkbar, Harz und Härter getrennt zu den Infusionspunkten zu leiten und erst dort zu vermischen, so dass die Anzahl der Mischeinrichtungen der Anzahl der Infusionspunkte entspricht.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Matrixmaterial zur Herstellung der faserverstärkten Verbundbauteile Polyurethan, Polyesterharz, Vinylesterharz, Epoxidharz, Silikonharz und/oder sonstige Harze verwendet werden.
Zur Verstärkung des Matrixwerkstoffs sieht eine weitere Lehre der Erfindung vor, dass die Gießform mit Fasern ausgelegt wird und dass als Fasern zur Herstellung der faserverstärkten Verbundbauteile Glasfasern, Kohlenstofffasern, Keramikfasern, Mineralfasern, Aramidfasern, Basaltfasern, Metallfasern oder sonstige Fasern verwendet werden. Die Fasern können dabei als Rovings, Gelege, Gewebe oder in sonstiger Form eingelegt werden.
Die Herstellung kann besonders kostengünstig erfolgen, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Fasern in trockenem Zustand in die Gießform gelegt werden. Unter einem trockenen Zustand wird ein Zustand verstanden, in dem die Fasern noch nicht imprägniert sind, also noch nicht mit dem Matrixwerkstoff getränkt sind. Alternativ oder aber auch zusätzlich ist es denkbar, dass die Fasern in imprägniertem Zustand in die Gießform gelegt werden.
Besonders bei hohl geformten Bauteilen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass neben den Fasern auch Strukturelemente in die Gießform eingebracht werden, bevor die Mischung aus Harz und Härter eingefüllt wird. Bei den Strukturelementen kann es sich beispielsweise um Verstärkungselemente aus Metall handeln, die zusammen mit den Fasern in die Gießform gelegt werden, bevor das Injizieren von Harz und Härter beginnt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Herstellung von Bauteilen für Windkraftanlagen verwendet werden. Bauteile von Windkraftanlagen sind regelmäßig besonders hohen statischen und dynamischen Belastungen ausgesetzt. Zudem stehen Windkraftanlagen häufig an entlegenen Orten, etwa in wenig besiedelten Gebieten oder in der offenen See („off-shore”), was den Austausch von Bauteilen besonders aufwändig und teuer macht. Daher wird insbesondere bei Windkraftanlagen eine hohe Zuverlässigkeit von Faserverbundwerkstoffen gewünscht. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von blasenfreien Bauteilen, die eine präzise Lebensdauerberechnung erlauben und somit die Anforderungen für den Einsatz bei Windkraftanlagen erfüllen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Herstellung von Rotorblättern für Windkraftanlagen verwendet werden, wobei die Rotorblätter einen Schichtaufbau mit den folgenden Schichten aufweisen:

– eine Trennmittelschicht,
– gegebenenfalls eine Gelcoatschicht,
– eine mit Kunststoff behandelte Faserschicht,
– gegebenenfalls eine Distanzhalterschicht,
– eine mit Kunststoff versehene Faserschicht und
– gegebenenfalls eine Kunststofffolie,

Rotorblätter weisen aufgrund der aeordynamischen Erfordernisse eine komplexe Oberflächenform auf. Zudem sind sie hohen Kräften ausgesetzt. Daher sind Faserverbundwerkstoffe besonders gut für Rotorblätter geeignet. Dies gilt sowohl für Rotorblätter von Windkraftanlagen, als auch für Bauteile von Hubschraubern Flugzeugen. Rotorblätter und Rümpfe, Leitwerke oder Tragflächen müssen bei hoher Festigkeit besonders leicht sein, so dass eine präzise Bestimmbarkeit der mechanischen Eigenschaften der eingesetzten Materialien erforderlich ist.
Durch die Möglichkeit, blasenfreie Bauteile herzustellen, erfüllt das erfindungsgemäße Verfahren diese Vorgaben.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung auch zur Herstellung von einzelnen Bauteilen von Windkraftanlagen, insbesondere von Wurzeln, Stegen, Spanten und Gurten von Rotorblättern verwendet werden. Bei diesen Bauteilen handelt es sich um Verstärkungs- oder Anschlusselemente, welche fest mit dem Rotorblatt oder anderen Bauteilen verbunden sind. Da diese Bauteile oftmals im Inneren des Rotorblatts angeordnet sind, bietet es sich an, die Bauteile bereits in die Gießform zu legen, bevor Harz und Härter eingefüllt werden. Wurzeln, Stege, Spanten und Gurte von Rotorblättern und Tragflächen sind hohen Belastungen ausgesetzt und ein Versagen dieser Bauteile führt üblicherweise zu einem Defekt des gesamten Rotorblatts. Daher müssen auch bei diesen Bauteilen die mechanischen Eigenschaften exakt berechnet und somit vorausgesagt werden können. Aufgrund der Möglichkeit, blasenfreie Bauteile herzustellen, erfüllt das erfindungsgemäße Verfahren auch diese Anforderungen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
1 eine erste Anlage zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine zweite Anlage zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 eine dritte Anlage zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
4 eine Übersicht über verschiedene Gießformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt eine erste Anlage zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Anlage weist zwei Vorratsbehälter 1, 2 auf, von denen der eine Vorratsbehälter 1 zur Aufnahme von Harz bestimmt ist und der andere Vorratsbehälter 2 Härter aufnehmen soll. Beide Vorratsbehälter 1, 2 können über Zuleitungen 3, die sich mit Ventilen 4 absperren und öffnen lassen, befüllt werden. Das Harz in den Vorratsbehältern 1 und 2 kann über Rührwerke 5 umgerührt werden. Entgegen der Darstellung in 1 kann auch nur ein einziger Vorratsbehälter ein Rührwerk aufweisen. Die Vorratsbehälter 1, 2 können über eine Evakuierungseinrichtung 6 und einen Auslass 7 mit einem Unterdruck beaufschlagt werden.
Das Harz in dem Vorratsbehälter 1 kann über eine Dosierpumpe 8 weitergeleitet werden. In entsprechender Weise kann der Härter aus dem Vorratsbehälter 2 über eine Dosierpumpe 9 weitergeleitet werden. Den Dosierpumpen 8, 9 sind Rückschlagventile 10, 11 nachgeschaltet. Angetrieben werden die Dosierpumpen 8, 9 über Antriebseinrichtungen 12, 13, die beispielsweise einen Elektromotor und einen pneumatischen Zylinder umfassen können. Harz und Härter treffen in einer Mischeinrichtung 14 zusammen und werden dort statisch, das heißt ohne aktive Rührelemente, vermischt. Die Weiterleitung erfolgt in einer Leitung 15 mit einem Sperrventil 16, das von einer Steuereinrichtung 17 gesteuert wird. Über eine Infusionsleitung 18 gelangt die Mischung aus Harz und Härter schließlich über einen Infusionspunkt 19 in eine Gießform 20. Die Gießform 20 wird über eine mit einem Ventil 21 absperrbare Evakuierungseinrichtung 22 mit einem Unterdruck beaufschlagt. Es ist von großer Bedeutung, dass nach dem Evakuieren von Harz und Härter keine Luft mehr in die Leitungen oder die Gießform gelangen kann, um zu garantieren, dass das Einfüllen unter Luftabschluss durchgeführt werden kann.
In 2 ist eine zweite Anlage zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Für funktionsgleiche Bauteile werden die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Die in 2 gezeigte Anlage unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Anlage zunächst dadurch, dass eine größere Gießform 20 verwendet wird. Hierzu weist die Infusionsleitung 18 ein Mehrwegventil 23 auf, an dem sich die Infusionsleitung 18 in drei Leitungen aufspaltet. Ein weiterer Unterschied liegt darin, dass die in 2 dargestellte Gießform 20' drei Infusionspunkte 19 aufweist. Auf diese Weise kann die Mischung aus Harz und Härter bei der Herstellung eines großen Bauteils schneller und gleichmäßiger in die Gießform eingebracht werden als dies mit einem einzelnen Infusionspunkt möglich wäre. Auch die Gießform 20' kann über eine mit einem Ventil 21 absperrbare Evakuierungseinrichtung 22 mit einem Unterdruck beaufschlagt werden.
Eine dritte Anlage zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 3 dargestellt. Auch hier werden für funktionsgleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in 1 bzw. 2 verwendet. Wie in der zweiten, in 2 dargestellten Anlage soll auch in der dritten, in 3 gezeigten Anlage eine größere Gießform 20' befüllt werden. Ein Unterschied zwischen den beiden Anlagen liegt darin, dass in 3 jedem der drei Infusionspunkte 19 eine eigene Mischeinrichtung 14 zugeordnet ist. Hierzu werden aus dem Gesamtstrom von Härter und Harz nach dem Austritt aus den Vorratsbehältern 1, 2 separate Teilströme 24 abgezweigt und über Ventile 25 zu den einzelnen Mischern 14 geleitet. Die Ventile 25 werden über Steuereinrichtungen 26 gesteuert. Die in 3 gezeigte Anlage ist komplexer aufgebaut als die Anlage in 2, ermöglich es jedoch, an jedem der Infusionspunkte 19 die Einfüllgeschwindigkeit und den Einfülldruck individuell einzustellen. Auf diese Weise lassen sich auch Formen mit komplizierter Geometrie gleichmäßig und zuverlässig befüllen. Die Gießform 20' kann wiederum über eine mit einem Ventil 21 absperrbare Evakuierungseinrichtung 22 mit einem Unterdruck beaufschlagt werden.
In 4. sind schließlich einige Varianten von Gießformen näher dargestellt. In dem in 4A dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Gießform 20 zunächst zweiteilig ausgebildet und weist zwischen zwei Schalen 20A und 20B einen Hohlraum 27 auf, welcher mit angedeuteten Fasern 28 ausgelegt ist. In 4B ist eine größere Gießform 20' aus zwei Teilschalen 20A' und 20B' gezeigt, welche durch verschiedene Füllleitungen 18 über geeignete, der jeweiligen Geometrie des Hohlraumes 27' angepasste, vorbestimmte Infusionspunkte 19, beispielsweise mit den Anlagen gemäß 2 oder 3 mit der die Mischung aus Harz und Härter befüllt wird. Auch hier kann im Inneren der Gießform 20' wiederum Fasermaterial 28' enthalten sein.
4C zeigt eine alternativ zu verwendende Gießform 20'' in der sog. offenen Bauweise. Hier dient eine untere Schale 29 als Negativform für das herzustellende Bauteil. Nach oben wird die Schale 29 von einer luftdichten Folie 30 begrenzt. Wie bei den anderen Formen befindet sich im Inneren der Gießform 20'' auf der Schale 29 ein Gelege aus Fasermaterial 31. Dichtstreifen 32 an den Rändern der Schale 29 sorgen für eine umlaufende Verbindung zwischen Schale 29 und Folie 30. Auf diese Weise entsteht zwischen der Schale 29 und der Folie 30 ein abgeschlossener Raum, welcher das Fasermaterial 31 enthält. Zur Vermeidung von Lufteintritt wird der entstandene Hohlraum mittels der Evakuierungseinrichtung 22 evakuiert. Die Füllung mit dem Matrixwerkstoff, also der entgasten Mischung aus Harz und Härter kann auf diese Weise komplett unter Luftabschuss erfolgen. Durch die Abfüllung bei Unterdruck wird auch die Folie 30 stets in der gewünschten Form gehalten. Es versteht sich, wenn auch nicht dargestellt, dass auch bei offenen Gießformen das Harz-Härter-Gemisch über eine Mehrzahl von Infusionspunkten in die Gießform gefüllt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60210729 T2 [0007]
DE 10018856 C1 [0015]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen und Entgasen einer Harzkomponente, – Bereitstellen und Entgasen einer Härterkomponente, – Vermischen von Harzkomponente und Härterkomponente, und – Einfüllen der Mischung aus Harz- und Härterkomponente in eine Gießform (20, 20', 20''), dadurch gekennzeichnet, dass das Vermischen bei anhaltendem Unterdruck und das Einfüllen unter Luftabschluss durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entgasen der Harzkomponente und/oder das Entgasen der Härterkomponente bei anhaltendem Unterdruck durchgeführt wird/werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzkomponente bei einem Druck evakuiert wird, der mindestens 0,1 mbar beträgt und unterhalb des Restdruckes in der evakuierten Gießform (20, 20', 20'') liegt, bevorzugt zwischen 0,1 mbar und 200 mbar, und besonders bevorzugt zwischen 0,1 mbar und 5 mbar.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzkomponente während der Evakuierung innerhalb eines Temperaturbereiches zwischen 20°C und 140°C, bevorzugt zwischen 20°C und 100°C, und besonders bevorzugt zwischen 40°C und 70°C temperiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Härterkomponente bei einem Druck evakuiert wird, der mindestens 0,1 mbar beträgt und unterhalb des Restdruckes in der evakuierten Gießform (20, 20', 20'') liegt, bevorzugt zwischen 0,1 mbar und 200 mbar, und besonders bevorzugt zwischen 0,1 mbar und 5 mbar.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Härterkomponente während der Evakuierung innerhalb eines Temperaturbereiches zwischen 20°C und 140°C, bevorzugt zwischen 20°C und 100°C, und besonders bevorzugt zwischen 40°C und 70°C temperiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten Harz und Härter in einer Mischeinrichtung vermischt werden.
Verfahren nach Anspruche 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinrichtung ein statischer Mischer (14) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform eine geschlossene Gießform (20, 20') ist und dass die Mischung aus Harz und Härter mit einem höheren Fülldruck gefüllt wird als der umgebende Luftdruck, innerhalb eines Druckbereichs von 1 bar bis 100 bar, bevorzugt zwischen 1 bar und 20 bar und besonders bevorzugt zwischen 1 bar und 5 bar.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform eine offene Gießform (20'') ist und dass die Mischung aus Harz und Härter mit einem geringeren Fülldruck gefüllt wird als der umgebende Luftdruck, innerhalb eines Druckbereichs von 0,1 bar bis 1 bar, vorzugsweise zwischen 0,1 bar und 0,9 bar.
Verfahren nach den Ansprüchen 3, 5 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform (20') auf einen Unterdruck evakuiert wird, der geringfügig oberhalb des Evakuierungsdruckes der Harz- und Härterkomponenten liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung aus Harz und Härter über wenigstens zwei Infusionspunkte (19) in die Gießform (20', 20'') eingefüllt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Matrixmaterial zur Herstellung der faserverstärkten Verbundbauteile Polyurethan, Polyesterharz, Vinylesterharz, Epoxidharz, Silikonharz und/oder sonstige Harze verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform mit Fasern (28, 28', 31) ausgelegt wird und dass als Fasern zur Herstellung der faserverstärkten Verbundbauteile Glasfasern, Kohlenstofffasern, Keramikfasern, Mineralfasern, Aramidfasern, Basaltfasern, Metallfasern oder sonstige Fasern verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (28, 28', 31) als Rovings, Gelege, Gewebe oder in sonstiger Form eingelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (28, 28', 31) in trockenem Zustand in die Gießform (20, 20', 20'') gelegt werden.
Verfahren nach nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (28, 28', 31) in imprägniertem Zustand in die Gießform (20, 20', 20'') gelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Strukturelemente in die Gießform (20, 20', 20'') eingebracht werden, bevor die Mischung aus Harz und Härter eingefüllt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zur Herstellung von Rotorblättern für Windkraftanlagen, wobei die Rotorblätter einen Schichtaufbau mit den folgenden Schichten aufweisen: – eine Trennmittelschicht, – gegebenenfalls eine Gelcoatschicht, – eine mit Kunststoff behandelte Faserschicht, – gegebenenfalls eine Distanzhalterschicht, – eine mit Kunststoff versehene Faserschicht und – gegebenenfalls eine Kunststofffolie, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff Polyurethan eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zur Herstellung von Bauteilen von Windkraftanlagen, insbesondere von Wurzeln, Stegen, Spanten und Gurten von Rotorblättern.