DE102013105940A1

DE102013105940A1 - Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils

Info

Publication number: DE102013105940A1
Application number: DE102013105940.6A
Authority: DE
Inventors: Mark Opitz
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2014-12-11
Anticipated expiration: 2033-06-08
Also published as: DE102013105940B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, bei dem ein Faservorformling (2) bereitgestellt wird, der einen Katalysator (6) zur Beschleunigung der chemischen Vernetzungsreaktion aufweist, wobei anschließend ein Matrixmaterial mit einem Härter in den Faservorformling (2) injiziert wird. Der in dem Matrixsystem gelöste Katalysator beschleunigt anschließend die Aushärtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem mit einem Matrixsystem, insbesondere einem Harz-Reaktions-System, infiltrierten Faservorformling.
Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen aus Faserhalbzeugen in Verbindung mit einem Matrixmaterial werden grundsätzlich zwei verschiedene Arten von Herstellungsverfahren unterschieden:

a) die Herstellung eines Faserverbundbauteils aus trockenen Faserhalbzeugen durch Injizieren eines Matrixmaterials und
b) Ablegen von vorimprägnieren Fasermaterialien (so genannte Prepregs) und Aushärten des vorimprägnierten Matrixmaterials.

Das erste Herstellungsverfahren hat dabei den Vorteil, dass durch die Trennung von Matrixmaterial und Fasermaterial die Lagerung und der Transport der Ausgangsmaterialien relativ einfach gestaltet werden kann. Auch bestehen keine Begrenzungen bezüglich der maximalen Lagerdauer. Darüber hinaus können mit diesem Verfahren nahezu beliebig komplexe Bauteilgeometrien hergestellt werden, so dass sich dieses Verfahren auch zur Herstellung strukturkritischer Bauelemente eignet. Allerdings sind bei diesem Herstellungsverfahren die Anlagen relativ aufwendig, da das Matrixmaterial meist basierend auf einer Druckdifferenz zwischen Fasermaterial und Matrixmaterial injiziert wird.
Dem gegenüber hat das zweite Herstellungsverfahren mittels Prepregs den Vorteil, dass hierbei keine zusätzlichen Anlagen für das Injizieren des Matrixmaterials notwendig werden. Allerdings müssen so genannte Prepregs gekühlt gelagert werden, um eine fortschreitende Vernetzungsreaktion, die bereits bei einigen Matrixmaterialien bei Zimmertemperatur stattfindet, zu unterbinden. Dies erschwert die Lagerung und den Transport.
Bei den verwendeten Matrixsystemen wird in der Regel ein Matrixmaterial mit einem Härter bzw. einem Härtermaterial gemischt, um so ein reaktives Matrixsystem zu schaffen, bei dem das Matrixmaterial aufgrund der chemischen Vernetzungsreaktion nach der Infiltration in das Fasermaterial das Faserverbundbauteil bildet. Durch die Zugabe von weiteren Stoffen, wie beispielsweise Initiatoren oder Katalysatoren (auch Beschleuniger genannt), kann die Vernetzungsreaktion des Matrixmaterial-Härter-Gemisches gezielt beeinflusst werden.
So kann je nach Katalysatoranteil entweder ein niedrigreaktives oder hochreaktives Matrixsystem entstehen. Ein niedrigreaktives Matrixsystem hat dabei eine lange Aushärtzeit, bis es vollständig ausgehärtet ist, was allerdings lange Injektionszeiten, insbesondere bei großen oder komplexen Bauteilen ermöglicht. Hochreaktive Matrixsysteme haben hingegen sehr kurze Aushärtzeiten, wobei sich insbesondere in der Serienproduktion die Prozesszyklen stark verkürzen lassen. Allerdings bedingt dies auch kurze Injektionszeiten, so dass hochreaktive Matrixsysteme für große und komplexe Bauteile eher ungeeignet scheinen.
Werden hochreaktive Matrixsysteme, die eine schnelle Aushärtung des Matrixsystems ermöglichen, verwendet, so kann darüber hinaus eine vollständige Tränkung jeglicher Bauteile unabhängig von Größe und Komplexität durch die zu kurzen Injektionszeiten nicht mehr sichergestellt werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Faser-Verbundbauteils aus einem trockenen Fasermaterial durch Injizierung eines Matrixsystems anzugeben, bei dem die Aushärtzeiten für das Aushärten des Matrixsystems ungeachtet der notwendigen Injektionszeiten reduziert werden kann. Es ist somit auch ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils anzugeben, mit dem die Produktionszyklen von großen und komplexen Bauteilen reduziert werden kann.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 erfindungsgemäß gelöst.
Demnach wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass ein aus einem oder mehreren Faserhalbzeugen gebildeter Faservorformling bereitgestellt wird, der einen Katalysator zur Beschleunigung der chemischen Vernetzungsreaktion eines zu einem späteren Zeitpunkt zu injizierenden Matrixsystems enthält. Ein derart bereitgestellter Faservorformling enthält somit den Katalysator, der zur Beschleunigung der chemischen Vernetzungsreaktion desjenigen Matrixsystems benötigt wird, das in einem später folgenden Injektionsschritt in dem Faservorformling injiziert wird.
Somit schließt sich in dem darauf folgenden Schritt das Injizieren des Matrixsystems in den Faservorformling an. Das Matrixsystem weist dabei ein Matrixmaterial und einen Härter auf, um dem späteren Faserverbundbauteil die notwenige Festigkeit und Steifigkeit zu verleihen. Der bereits vorhandene Katalysator wird nun in dem injizierten Matrixsystem gelöst, so dass die chemische Vernetzungsreaktion des Matrixsystems entsprechend dem Katalysatoranteil beschleunigt wird.
In dem letzten Schritt wird somit das Matrixsystem mit dem gelösten Katalysator zur Herstellung des Faserverbundbauteils ausgehärtet.
Durch die Trennung des Katalysators und des Matrixsystems bei der Herstellung des Faserverbundbauteils entsteht der Vorteil, dass zunächst ein niedrigreaktives Matrixsystem injiziert werden kann, so dass aufgrund der langen Aushärtzeiten derartiger Matrixsysteme nicht mit einer vorzeitigen Aushärtung gerechnet werden muss. Insbesondere große und komplexe Bauteile lassen sich so vollständig tränken wobei darüber hinaus eine vollständige Tränkung prozesssicher geleistet werden kann. Im Gegensatz zu reinen niedrigreaktiven Matrixsystemen lässt sich dann allerdings die Aushärtzeit wesentlich verkürzen, da nun der in dem Matrixsystem gelöste Katalysator die chemische Vernetzungsreaktion bei der Aushärtung entsprechend verkürzt. Hierdurch lassen sich große und komplexe Bauteile mit langen Injektionszeiten in entsprechend kurzen Aushärtzeiten herstellen, was die Produktionszyklen erheblich verkürzt. Dabei haben die Erfinder erkannt, dass eine derartige Trennung von Katalysator und Matrixsystem dennoch zu einer prozesssicheren Tränkung und Verkürzung der Aushärtzeiten führt, ohne dass am Beginn des Injektionsprozesses sogleich die Beschleunigung der Vernetzungsreaktion beginnt. Denn es wurde insbesondere erkannt, dass ein in dem Faservorformling enthaltener Katalysator nicht sofort in dem injizierten Matrixsystem gelöst wird und auch nicht weggespült wird, so dass aufgrund der Dauer, die der Katalysator zur Auflösung in dem Matrixsystem benötigt, eine vollständige Tränkung ohne vorzeitige Beschleunigung der Vernetzungsreaktion gewährleistet werden kann.
Ein Faservorformling im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Fasergebilde, das aus einem oder mehreren Faserhalbzeugen gebildet bzw. hergestellt ist.
Faserhalbzeuge können dabei flächige oder dreidimensionale Faserhalbzeuge sowie Rovings sein. Durch das Zusammenstellen der Faserhalbzeuge entsteht dabei ein Fasergebilde, das die spätere Bauteilform aufweisen kann oder zunächst nur eine Vorstufe davon.
Bei den sogenannten Injektionsverfahren werden dabei meist Faserhalbzeuge in ein Formwerkzeug abgelegt oder drapiert, um so dem Faservorformling eine entsprechende Geometrie zu verleihen. Dieser Herstellungsschritt wird oft auch als Preformen bezeichnet. Vorteilhafterweise wird der Katalysator bereits im so genannten Preformschritt bei der Herstellung des Faservorformlings in den Faservorformling eingebracht.
Unter einem Matrixsystem im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine Materialzusammensetzung verstanden, die zumindest ein Matrixmaterial, beispielsweise einen Reaktionsharz oder andere Kunststoffe, und einen Härter bzw. ein Härtermaterial aufweist. Durch die chemische Vernetzungsreaktion von Matrixmaterial und Härter wird schließlich das vollständige Faserverbundbauteil ausgehärtet.
Unter dem Begriff des Injizierens wird dabei das Infiltrieren des Matrixsystems in die Fasermaterialien des Faservorformlings verstanden, so dass der Faservorformling von dem Matrixsystem durchtränkt ist.
Zur Bereitstellung des Faservorformlings kann dieser aus einem oder mehreren Faserhalbzeugen mittels aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt werden, wobei der Katalysator in den Faservorformling während oder nach der Herstellung des Faservorformlings eingebracht wird. So ist es beispielsweise denkbar, dass bei jedem Lagenaufbau der Katalysator eingebracht wird. Denkbar ist aber auch, dass der Katalysator zu einem späteren Zeitpunkt nach Herstellung des Faservorformlings eingebracht wird.
Vorteilhafterweise wird der Katalysator in den Faservorformling derart eingebracht, dass die Menge der Katalysator innerhalb des Faservorformlings variiert. So kann auf konkret lokale Gegebenheiten Rücksicht genommen werden, so dass lokal die Aushärtung gegenüber anderen Bereichen beschleunigt oder verlangsamt werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Katalystor in Form eines puder- oder pulverförmigen Katalysators eingebracht, indem die einen oder mehren Faserhalbzeuge mit dem puder- oder pulverförmigen Katalysator beschichtet werden. So können beispielsweise die zur Herstellung des Faservorformlings benötigten Faserhalbzeuge mit dem puder- oder pulverförmigen Katalysator beschichtet werden, wobei anschließend dann der Faservorformling aus dem beschichteten Faserhalbzeugen gebildet wird. Der Katalysator wird somit während der Herstellung des Faservorformlings eingebracht.
Denkbar ist allerdings auch, dass der Katalysator in flüssiger Form in den Faservorformling eingebracht wird, indem die Faserhalbzeuge mit dem flüssigen Katalysator benetzt werden. Anschließend kann der Faservorformling ebenfalls wieder in bekannter Art und Weise aus dem mit dem flüssigen Katalysator benetzten Faserhalbzeugen hergestellt werden. Der Katalysator wird somit auch während des Herstellens des Faservorformlings eingebracht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Katalysator in Form eines textilen Fasergebildes, beispielsweise in Form eines Vlies, in den Faservorformling eingebracht. Dies kann beispielsweise während des Preformschrittes derart erfolgen, dass beim Ablegen oder Drapieren der Faserhalbzeuge Zwischenlagen aus den textilen Fasergebilden mit dem Katalysator hergestellt werden. So werden beispielsweise beim Aufbau von trockenen Faserpreformlingen aus Faserhalbzeug-Einzellagen das textile Fasergebilde zwischen die Einzellagen eingebracht, so dass nach der Infiltration mit dem Matrixsystem der Katalysator in Form des textilen Fasergebildes mit dem Matrixsystem in Lösung geht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird zumindest ein Teil von Fasern, aus denen ein Faserhalbzeug hergestellt werden soll, der Katalysator ein- oder angebracht, wobei anschließend das Faserhalbzeug aus zumindest einem Teil dieser Fasern mit dem Katalysator hergestellt wird. So können bereits bei der Herstellung von Faserhalbzeugen einzelne Fasern (Faserrovings/Fasereinzelfilamente) beispielsweise direkt beschichtet oder mit einem Überzug (Schlichte) versehen werden, wodurch der Katalysator bereits in den vorkonfektionierten Faserhalbzeugen in oder an den Fasern vorhanden ist. Durch eine definierte Verwendung der mit dem Katalysator versehenen Fasern bei der Herstellung des Faserhalbzeuges lässt sich die Menge an Katalysatoren pro Fläche des Faserhalbzeuges definieren, so dass ein genaues Mischungsverhältnis von Matrixsystem und Katalysator pro Fläche bereits im Vorfeld sichergestellt bzw. eingestellt werden kann. So werden die den Katalysator enthaltenen Fasern bei der Herstellung des Faserhalbzeuges derart verwendet, dass eine vorgegebene Menge von Katalysatoren pro Faserhalbzeugfläche einstellbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ein zusätzlicher, von den Fasern verschiedener Katalysatorfaden in das Faserhalbzeug eingearbeitet, beispielsweise direkt während der Herstellung des Faserhalbzeuges, so dass auch hier das hergestellte Faserhalbzeug bereits den Katalysator enthält. Auch hier können die Menge an Katalysatoren pro Faserhalbzeugfläche definiert eingestellt werden. Der zusätzliche Katalysatorfaden kann beispielsweise ein Web- oder Nähfaden sein, der bei der Herstellung des Faserhalbzeuges direkt eingebracht wird. Denkbar ist aber auch, dass es sich um einen „Zusatzfaden“ handelt, der aus einem Material besteht, das den Katalysator enthält (beispielsweise mit Katalysator modifizierter Polymer-Faden). So ist es beispielsweise denkbar, dass der Katalysatorfaden aus einem Material mit Katalysator besteht, das bei Kontakt mit dem Matrixsystem sich auflöst bzw. schmilzt und der Katalysator somit in dem Matrixsystem gelöst wird. So weisen die indizierten Matrixsysteme meist eine höhere Temperatur auf, so dass für den Katalysatorfaden Material verwendet werden kann, das bei Kontakt mit dem Matrixsystem aufgrund der höheren Temperatur schmilzt und somit der Katalysator in Lösung geht.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:
1 – schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Prinzips der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt schematisch ein Werkzeug 1, auf dem ein Faservorformling 2 angeordnet ist. Der Faservorformling 2 besteht dabei aus einem oder mehreren Faserhalbzeugen. Mittels einer Vakuumfolie 3 ist der Faservorformling 2 gegenüber dem Werkzeug 1 vakuumdicht versiegelt. Über eine Injektionsvorrichtung 4 lässt sich ein Matrixsystem 5 in den Faservorformling 2 injizieren. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der Vorgang des Evakuierens mittels einer Drucksenke nicht dargestellt.
Wie in 1 zu erkennen ist, weist der Faservorformling einen Katalysator 6 auf, der in dem Faservorformling 2 vorgesehen ist.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der Katalysator in Pulverform eingebracht.
Wird nun das in einem Vorratsbehälter befindliche Matrixsystem 5 über die Injektionsvorrichtung 4 in den Faservorformling injiziert, so erfolgt zunächst eine nahezu vollständige Tränkung des Faservorformlings. In dieser Zeit beginnt der Katalysator 6, sich in dem injizierten Matrixsystem 5 innerhalb des Faservorformlings aufzulösen und sich somit in dem Matrixsystem 5 zu lösen.
Hat sich der Katalysator 6 in dem injizierten Matrixsystem 5 gelöst, so wird die chemische Vernetzungsreaktion des Matrixsystems 5 in den Faservorformling beschleunigt, so dass die Aushärtzeit wesentlich verkürzt werden kann.
Das Matrixsystem 5 kann ein Stoffgemisch aus einem Matrixmaterial und einem Härter sein. Das Matrixmaterial kann beispielsweise ein Reaktionsharz sein, das zusammen mit einem Härter ein Reaktionsharzsystem bildet.
Bezugszeichenliste

1: Werkzeug
2: Faservorformling
3: Vakuumfolie
4: Injektionsvorrichtung
5: Matrixsystem
6: Katalysator

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem mit einem Matrixsystem (5) imprägnierten Faservorformling (2), gekennzeichnet durch die Schritte a) Bereitstellen eines aus einem oder mehreren Faserhalbzeugen gebildeten Faservorformling (2), der einen Katalysator (6) zur Beschleunigung einer chemischen Vernetzungsreaktion eines zu einem späteren Zeitpunkt zu injizierenden Matrixsystems (5) enthält, b) Injizieren eines ein Matrixmaterial und einen Härter aufweisendes Matrixsystem (5) in den Faservorformling (2) zur Lösung des Katalysators (6) in dem Matrixsystem (5) und c) Aushärten des Matrixsystems (5) mit dem gelösten Katalysator (6) zur Herstellung des Faserverbundbauteils.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservorformling (2) aus einem oder mehreren Faserhalbzeugen hergestellt und der Katalysator (6) in den Faservorformling (2) während oder nach der Herstellung des Faservorformlings (2) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (6) in den Faservorformling (2) während oder nach der Herstellung derart eingebracht wird, dass die Menge des Katalysators (6) innerhalb des Faservorformlings (2) variiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Faserhalbzeuge mit einem puder- oder pulverförmigen Katalysator (6) beschichtet und der Faservorformling (2) zumindest aus den beschichteten Faserhalbzeugen zur Bereitstellung gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Faserhalbzeuge mit einem flüssigen Katalysator (6) benetzt und der Faservorformling (2) zumindest aus den benetzten Faserhalbzeugen gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bildung des Faservorformlings (2) aus einem oder mehreren Faserhalbzeugen der Katalysator (6) in Form eines den Katalysator (6) enthaltenden textilen Fasergebildes, insbesondere in Form eines Vlies, in den Faservorformling eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einem Teil von Fasern, aus denen ein Faserhalbzeug hergestellt werden soll, der Katalysator ein- oder angebracht wird und anschließend das Faserhalbzeug aus den Fasern mit dem Katalysator (6) hergestellt wird, wobei der Faservorformling (2) zumindest aus diesem Faserhalbzeug hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor, während oder nach der Herstellung eines Faserhalbzeuges mindestens ein zusätzlicher, von den Fasern des Faserhalbzeuges verschiedener Katalysatorfaden, der den Katalysator (6) enthält, eingebracht wird, wobei der Faservorformling (2) zumindest aus diesem Faserhalbzeug hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservorformling (2) derart bereitgestellt wird, dass die Menge des Katalysators (6) innerhalb des Faservorformlings (2) variiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixsystem (5) ein Harz-Reaktions-System mit einem Reaktionsharz und einem Härter ist.