DE102014004053A1

DE102014004053A1 - Verfahren zur Konsolidierung von thermoplastischen oder thermoelastischen Faserverbundstrukturen

Info

Publication number: DE102014004053A1
Application number: DE102014004053.4A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Baumgärtner; Volker Heinzle; Christoph Lohr; Frank Henning; Wolf-Georg Rampf
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-03-21
Filing date: 2014-03-21
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2034-03-22
Also published as: DE102014004053B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Konsolidierung von Faserverbundstrukturen mit thermoplastischen oder thermoelastischen Polymeren vorgeschlagen, indem die Faserverbundstruktur mittels elektromagnetischer Strahlung zumindest bis in den Bereich der Schmelztemperatur des Polymers erwärmt und unter Einwirkung von Druck verpresst wird. Die Erfindung sieht vor, dass die Faserverbundstruktur während des Konsolidierens mit Unterdruck beaufschlagt wird, wobei der erzeugte Unterdruck zugleich zum Verpressen der Faserverbundstruktur genutzt wird. Hierbei kann die Faserverbundstruktur zwischen einer starren Unterlage und einer starren Abdeckung angeordnet, die starre Abdeckung in Bezug auf die Unterlage verlagerbar gegen letztere abgedichtet und der Zwischenraum zwischen der Unterlage und der starren Abdeckung evakuiert werden, so dass die Faserverbundstruktur infolge Umgebungsdruck, welcher die starre Abdeckung gegen die Unterlage drückt, zwischen der Unterlage Abdeckung verpresst wird. Stattdessen kann die Faserstruktur auch zwischen einer starren Unterlage und einer nachgiebigen Abdeckung, wie einer Folie, angeordnet und der Zwischenraum zwischen der Unterlage und der nachgiebigen Abdeckung evakuiert werden, so dass die Faserverbundstruktur wiederum infolge Umgebungsdruck unter Ansaugen der Abdeckung an die Unterlage zwischen denselben verpresst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konsolidierung von Faserverbundstrukturen mit thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymeren, indem die Faserverbundstruktur mittels elektromagnetischer Strahlung zumindest bis in den Bereich der Schmelztemperatur des wenigstens einen thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymers erwärmt und unter Einwirkung von Druck verpresst wird.
Thermoplastische oder thermoelastische Faserverbundstrukturen der vorgenannten Art finden in Formteilen verschiedenster Art vielfältige Verwendung, wobei ihnen insbesondere ihr verhältnismäßig geringes Gewicht sowie die Möglichkeit zugute kommt, durch entsprechende Orientierung der Fasern dem Formteil eine erhöhte Festigkeit und Steifigkeit in Richtung der einwirkenden Lasten zu verleihen. So werden derartige Faserverbundstrukturen beispielsweise in Polymer-Formteilen in Form von Strukturbauteilen für die Fahrzeug-, Flugzeug- und Schiffsbauindustrie oder auch in Bauteilen für die Bauindustrie oder als Komponenten zur Energieerzeugung, wie beispielsweise Flügel für Windkraftanlagen, eingesetzt.
Die Herstellung derartiger Faserverbundstrukturen geschieht in der Regel dadurch, dass die Fasern der Faserverbundstruktur, welche insbesondere auch in Form von Bündeln, Geflechten, Geweben, Gestricken, Gelegen, Vliesen oder dergleichen vorliegen können, in geeigneten Formwerkzeugen mit dem thermoplastischen oder thermoelastischen Polymer im plastifizierten bzw. schmelzflüssigen Zustand imprägniert wird, wonach die imprägnierte Faserverbundstruktur unmittelbar oder in einem nachfolgenden Verfahrensschritt konsolidiert werden muss, indem sie unter Einwirkung von Druck und Temperatur, so dass sich das Polymer im plastifizierten Zustand befindet, verpresst wird. Die Imprägnierung dient dabei vornehmlich zu einer möglichst vollständigen Benetzung der Fasern der Faserverbundstruktur mit dem thermoplastischen oder thermoelastischen Polymer, während die Konsolidierung vor allem der einschlussfreien Verbindung sowohl der Fasern mit dem Imprägnierpolymer als auch der Einzellagen der Faserverbundstruktur dient. Dabei sollte die Temperatur hinreichend hoch gehalten werden, um das Polymer in die schmelzflüssige Phase zu überführen bzw. im schmelzflüssigen Zustand zu halten, aber auch nicht zu hoch eingestellt werden sollte, um einen Polymerabbau mit einer hiermit einhergehenden Kettenverkürzung des Polymers zu verhindern.
Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, wenn die Faserverbundstruktur anlässlich ihrer Imprägnierung und/oder Konsolidierung mit einem Unterdruck beaufschlagt wird, welcher einen insbesondere oxidativen Polymerabbau der Polymermatrix zu verhindern vermag und überdies dazu führen kann, dass etwaige Feuchtigkeit oder anderweitige Verunreinigungen, wie z. B. nicht vollständig polymerisierte Mono-, Di-, Oligomere oder dergleichen, abgezogen werden, so dass Gas- oder Flüssigkeitseinschlüsse der imprägnierten Faserverbundstruktur vermieden und eine einwandfreie Oberfläche erzielt werden kann.
Die Konsolidierung gattungsgemäßer thermoplastischer oder thermoelastischer Faserverbundstrukturen geschieht gegenwärtig beispielsweise mittels Heiztischen, wobei die imprägnierte Faserverbundstruktur unter konvektiver Erwärmung derselben zwischen zwei Heizplatten angeordnet und die thermoplastische oder thermoelastische Polymermatrix plastifiziert wird, wonach die Faserverbundstruktur in einem in der Regel kälter temperierten Presswerkzeug verpresst wird. Als nachteilig haben sich insbesondere die geringe Energieeffizienz sowie der mit dem separaten Presswerkzeug einhergehende hohe Investitionsaufwand erwiesen. Entsprechendes gilt weitgehend im Falle des Einsatzes sogenannter temperierbarer ”Variotherm”-Werkzeuge, in welche die zuvor oder hierin imprägnierte Faserverbundstruktur eingelegt, erwärmt und zugleich verpresst wird. Überdies führt die Konsolidierung in derartigen Formwerkzeugen häufig zu relativ langen Belegungszeiten der Werkzeuge, was wiederum in langen Taktzeiten entsprechender Fertigungsprozesse resultiert. Zudem werden bei einer solchen Konsolidierung etwaige, in der Faserverbundstruktur eingeschlossene Gase nur unter hohem Druck komprimiert, ohne sie abführen zu können, was zu Fehlstellen und lokalen Schädigungen des Imprägnierpolymers führen kann. Der hohe Druck verursacht darüber hinaus häufig einen sogenannten Quetschfluss, was in unerwünschten Verlagerungen bzw. Relativverschiebungen der Fasern der Faserverbundstruktur und somit zu schlechteren mechanischen Eigenschaften resultiert.
Die WO 2011/073433 A1 beschreibt ein Verfahren zur Konsolidierung von mit Polymeren imprägnierten Faserverbundstrukturen, bei welchem die Energieeffizienz dadurch verbessert wird, indem die imprägnierte Faserverbundstruktur mittels hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenspektrum aufgeheizt wird. Indes erfordert auch dieses bekannte Verfahren einen relativ hohen Materialaufwand zum Verpressen der imprägnierten Faserverbundstruktur, wobei das Verpressen insbesondere durch Tiefstrangziehen, Kalandrieren, Bandlaminieren, Bandpressen oder Innenhochdruckumformen geschehen soll. Darüber hinaus birgt der Einsatz von Mikrowellenenergie vor allem im Falle thermoplastischer oder thermoelastischer Imprägnierpolymere die Gefahr eines erhöhten Polymerabbaus, weil die in der Regel inhomogene Aufheizung zu lokalen Überhitzungen führt, wo es zur Polymerschädigung bzw. zum thermischen Kettenbruch kommt. Dies gilt um so mehr im Falle von mikrowellenabsorbierenden Faserverbundstrukturen oder auch zusätzlich in die Polymermatrix eingemischten Kurzfasern, wie beispielsweise Carbonfasern, welche bei der Mikrowellenbestrahlung zu ”Hot-Spots” führen. Schließlich ist das Verfahren auf solche Imprägnierpolymere beschränkt, welche mikrowellenabsorbierende Eigenschaften besitzen, während für Mikrowellen vornehmlich durchlässige Polymermatrices der Faserverbundstruktur nicht oder nur durch indirekte Aufheizung über eine spannungsinduzierte Erhitzung von mikrowellenabsorbierenden Fasern der Faserstruktur, wie beispielsweise Kohlenstofffasern, erwärmt werden können. Davon abgesehen, dass dies den Einsatz des bekannten Verfahrens nur für Faserstrukturen mit derartigen Eigenschaften begrenzt, stellt eine solche Spannungsinduktion jedoch einen Prozess dar, welcher von vielen Freiheitsgraden, wie der Faserorientierung, dem Lagenaufbau, dem Abstand der Faser(lage)n zu der verwendeten Mikrowellenantenne usw., abhängt und daher ebenfalls zu lokalen Überhitzungen führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein materialschonendes Verfahren zur Konsolidierung von Faserverbundstrukturen mit thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymeren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass unter Gewährleistung einer hohen Energieeffizienz und Prozesssicherheit der vorrichtungstechnische bzw. der damit verbundene Investitionsaufwand verringert werden kann, wobei insbesondere den vorgenannten Nachteilen zumindest teilweise begegnet werden sollte.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Faserverbundstruktur während des Konsolidierens mit Unterdruck beaufschlagt wird, wobei der erzeugte Unterdruck zugleich zum Verpressen der Faserverbundstruktur genutzt wird, indem die Faserverbundstruktur

– zwischen einer im Wesentlichen starren Unterlage und einer im Wesentlichen starren Abdeckung angeordnet, die im Wesentlichen starre Abdeckung in Bezug auf die Unterlage verlagerbar gegen die Unterlage abgedichtet und der Zwischenraum zwischen der Unterlage und der im Wesentlichen starren Abdeckung evakuiert wird, so dass die Faserverbundstruktur infolge Umgebungsdruck, welcher die im Wesentlichen starre Abdeckung gegen die im Wesentlichen starre Unterlage drückt, zwischen der Unterlage und der im Wesentlichen starren Abdeckung verpresst wird; oder
– zwischen einer im Wesentlichen starren Unterlage und einer nachgiebigen Abdeckung angeordnet und der Zwischenraum zwischen der Unterlage und der nachgiebigen Abdeckung evakuiert wird, so dass die Faserverbundstruktur infolge Umgebungsdruck unter Ansaugen der nachgiebigen Abdeckung an die Unterlage zwischen denselben verpresst wird.

Durch den Einsatz von elektromagnetischer Strahlung zur Erwärmung der Faserverbundstruktur und insbesondere deren Imprägnierpolymeranteil sowie Überführung oder Halten des thermoplastischen und/oder thermoelastischen Imprägnierpolymers in einem plastifizierten Zustand wird zunächst eine sehr energieeffiziente, direkte Aufheizung sichergestellt, wobei der an die Faserverbundstruktur angelegte Unterdruck sowohl einen Polymerabbau als auch etwaige Gas- oder Flüssigkeitseinschlüsse in der Faserverbundstruktur weitestgehend zu verhindern vermag, so dass letztere mit einer einwandfreien, homogenen Oberfläche ausgebildet werden kann. Darüber hinaus wird erfindungsgemäß insbesondere das an die Faserverbundstruktur angelegte (Teil)vakuum für den zur materialschonenden Konsolidierung erforderlichen Anpressdruck genutzt, so dass der Einsatz von Presswerkzeugen oder dergleichen entbehrlich ist.
Zu diesem Zweck kann gemäß einer ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass die Faserverbundstruktur zwischen einer im Wesentlichen starren Unterlage und einer im Wesentlichen starren Abdeckung angeordnet wird und die im Wesentlichen starre Abdeckung in Bezug auf die Unterlage verlagerbar gegen die Unterlage abgedichtet wird, so dass die Unterlage und die Abdeckung unter Einwirkung von Druck aufeinander zu bewegt werden können. Sodann wird der Zwischenraum zwischen der Unterlage und der im Wesentlichen starren Abdeckung, z. B. mittels einer Pumpe, evakuiert, so dass die Faserverbundstruktur infolge Umgebungsdruck, welcher Abdeckung gegen die Unterlage andrückt, zwischen der Unterlage Abdeckung verpresst wird. Mit ”starr” ist im Sinne der vorliegenden Offenbarung im Übrigen eine formstabile bzw. steife Ausgestaltung der Unterlage bzw. der Abdeckung angesprochen.
Gemäß einer alternativen, zweiten Ausführungsvariante kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass die Faserverbundstruktur zwischen einer im Wesentlichen starren Unterlage und einer nachgiebigen Abdeckung, wie beispielsweise einer Folienlage oder dergleichen, angeordnet und die Abdeckung in geeigneter Weise gegen die Unterlage abgedichtet wird, z. B. durch Verklemmen, Ver- bzw. Anpressen, Kleben, Schweißen bzw. Anschmelzen oder dergleichen. Sodann wird der Zwischenraum zwischen der Unterlage und der nachgiebigen Abdeckung, z. B. mittels einer Pumpe, evakuiert, so dass die Faserverbundstruktur wiederum infolge Umgebungsdruck unter Ansaugen der nachgiebigen Abdeckung an die Unterlage zwischen denselben verpresst wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren gibt einerseits die Möglichkeit, dass die Fasern der Faserverbundstruktur, welche im Übrigen – wie oben bereits erwähnt – beispielsweise in Form von Faserbündeln oder -konvoluten, Geflechten, Geweben, Gestricken, Gelegen, Vliesen oder dergleichen vorliegen können, mit dem wenigstens einen thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymer vorimprägniert und sodann konsolidiert werden. Der Imprägniervorgang kann dabei beispielsweise in einem ersten Verfahrensschritt vonstatten gehen, beispielsweise durch herkömmliches Einspritzen des plastifizierten Imprägnierpolymers in ein mit den Faser(strukture)n befülltes Formwerkzeug, wonach die derart vorgefertigte, imprägnierte Faserverbindstruktur in einem zweiten Verfahrensschritt auf die erfindungsgemäße Weise konsolidiert wird.
Alternativ gibt das erfindungsgemäße Verfahren allerdings insbesondere auch die Möglichkeit, dass das Imprägnieren der Fasern der Faserverbundstruktur mit dem thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymer in einem einzigen Verfahrensschritt gemeinsam mit der Konsolidierung durchgeführt wird. Hierzu kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Fasern der Faserverbundstruktur mit dem wenigstens einen thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymer imprägniert und zugleich konsolidiert werden.
Im Zusammenhang mit einer solchen gleichzeitigen Imprägnierung und Konsolidierung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Faserverbundstruktur erzeugt bzw. vorgefertigt wird, deren Fasern mit dem wenigstens einen thermoplastischen und/oder thermoplastischen Polymer in festem oder gelösten Zustand versetzt worden sind, wonach die Faserverbundstruktur mit dem thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymer imprägniert und zugleich konsolidiert wird. Die Erzeugung einer solchen Faserverbundstruktur, deren Fasern noch nicht imprägniert worden sind und anschließend zugleich imprägniert und konsolidiert werden, kann beispielsweise dadurch geschehen, indem das wenigstens eine thermoplastische und/oder thermoelastische Polymer

– in Form von Schichten oder Lagen in, auf und/oder zwischen die Fasern der Faserverbundstruktur ein- bzw. aufgebracht wird;
– in Form von Fäden, Fadenbündeln, Geweben, Gestricken, Gewirken, Gelegen und/oder Vliesen in, auf und/oder zwischen die Fasern der Faserverbundstruktur ein- bzw. aufgebracht wird;
– in Granulat- oder Pulverform in, auf und/oder zwischen die Fasern der Faserverbundstruktur ein- bzw. aufgebracht wird; und/oder
– in einem Lösungsmittel gelöst wird, die Fasern der Faserverbundstruktur mit der Lösung getränkt und das Lösungsmittel ausgetrieben wird,

Um der Faserverbundstruktur anlässlich der Konsolidierung eine gewünschte Oberflächenkontur oder -struktur zu verleihen, gibt das erfindungsgemäße Verfahren ferner die Möglichkeit, dass die Unterlage und/oder die Abdeckung mit einer zu der gewünschten Oberflächenform und/oder -struktur der Faserverbundstruktur komplementären Oberflächenkontur und/oder -struktur versehen wird. Sofern eine nachgiebige Abdeckung, wie beispielsweise nach Art einer Folienlage, verwendet wird, kann zwischen dieser und der ihr zugewandten Oberfläche der Faserverbundstruktur z. B. auch ein separates, im Wesentlichen starres Abdeckteil angeordnet werden, welches mit einer zu der gewünschten Oberflächenform bzw. -struktur der Faserverbundstruktur komplementären Oberflächenkontur bzw. -struktur versehen ist und nach Absaugen der zwischen der Unterlage und der nachgiebigen Abdeckung befindlichen Luft infolge des von außen auf die Abdeckung einwirkenden Umgebungsdruckes gegen die Faserverbundstruktur angepresst wird.
Um die Faserverbundstruktur und insbesondere deren Imprägnierpolymer(e) mittels elektromagnetischer Strahlung zu erwärmen, kann z. B. vorgesehen sein, dass die Faserverbundstruktur

– auf einer für die zu ihrer Erwärmung eingesetzten elektromagnetischen Strahlung durchlässigen Unterlage angeordnet und/oder
– mit einer für die zu ihrer Erwärmung eingesetzten elektromagnetischen Strahlung durchlässigen Abdeckung abgedeckt wird,

Stattdessen kann zur Erwärmung der Faserverbundstruktur beispielsweise vorgesehen sein, dass sie anlässlich ihrer Erwärmung unmittelbar auf einer als Unterlage dienenden Deckplatte einer elektromagnetischen Strahlungsquelle und/oder unmittelbar unter einer als im Wesentlichen starre Abdeckung dienenden Deckplatte einer elektromagnetischen Strahlungsquelle angeordnet wird.
Sofern die imprägnierte Faserverbundstruktur zwischen einer im Wesentlichen starren Unterlage und einer im Wesentlichen starren Abdeckung angeordnet wird, kann die im Wesentlichen starre Abdeckung beispielsweise mittels wenigstens einer nachgiebigen Ringdichtung, beispielsweise aus einem elastischen Material, wie Silikon, Gummi oder dergleichen, in Bezug auf die Unterlage verlagerbar gegen die Unterlage abgedichtet werden, so dass die Abdeckung unter Kompression der Ringdichtung und unter Andruck gegen die Faserverbundstruktur gegen die Unterlage anpressbar ist, wenn der Zwischenraum zwischen der Unterlage und der Abdeckung evakuiert wird.
Statt dessen ist es beispielsweise auch möglich, dass im Falle einer Anordnung der Faserverbundstruktur zwischen einer im Wesentlichen starren Unterlage und einer im Wesentlichen starren Abdeckung die im Wesentlichen starre Abdeckung dadurch in Bezug auf die Unterlage verlagerbar gegen die Unterlage abgedichtet wird, indem die Unterlage und/oder die Abdeckung mit einer gegen die Abdeckung und/oder die Unterlage abgedichteten, mit dieser zusammenwirkenden Tauchkante ausgebildet wird bzw. werden. Eine solche Tauchkante kann z. B. in als solcher bekannter Weise einen ringförmigen Vorsprung der Abdeckung bzw. der Unterlage umfassen, welcher unter variablem, höhenverlagerbarem Eingriff eine hierzu komplementäre Ausnehmung oder Aufnahme der Unterlage bzw. der Abdeckung durchsetzt oder in diese eingreift und gegen diese abgedichtet ist.
Sofern die Faserverbundstruktur zwischen einer im Wesentlichen starren Unterlage und einer im Wesentlichen starren Abdeckung angeordnet wird, kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens überdies vorgesehen sein, dass die Erstreckungsflächen der Unterlage und der im Wesentlichen starren Abdeckung größer gewählt werden als die Erstreckungsfläche der zwischen diese eingebrachten Faserverbundstruktur und dass die im Wesentlichen starre Abdeckung mit Abstand von dem Außenumfang der Faserverbundstruktur gegen die Unterlage abgedichtet wird, so dass beim Evakuieren des Zwischenraumes zwischen der Unterlage und der im Wesentlichen starren Abdeckung die Faserverbundstruktur mit einem Anpressdruck größer dem Umgebungsdruck beaufschlagt werden kann. Letzteres ist dadurch möglich, dass die dem Umgebungsdruck exponierte Außenfläche der im Wesentlichen starren Abdeckung größer ist als ihr (innerer) Flächenbereich, welcher gegen die Faserverbundstruktur anliegt, so dass beim Anlegen eines (Teil)vakuums an den Zwischenraum zwischen der Unterlage und der Abdeckung auf die Faserverbundstruktur ein Anpressdruck erreicht wird, welcher größer ist als der Umgebungsdruck und welcher durch das Verhältnis der Gesamtfläche der Abdeckung (bzw. der Unterlage) zu deren Kontaktfläche mit der imprägnierten Faserverbundstruktur eingestellt werden kann.
Um der eingangs im Zusammenhang mit einer Erwärmung der Faserverbundstruktur mittels Mikrowellenstrahlung erwähnten Problematik zu begegnen, kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass die Faserverbundstruktur mit elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 10^–3 m und 10^–7 m bestrahlt wird. Als besonders vorteilhaft hat sich in diesem Zusammenhang eine Bestrahlung der Faserverbundstruktur mit elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge größer als die des für das menschliche Auge sichtbaren Lichtspektrums erwiesen, wobei die Faserverbundstruktur insbesondere mit elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich bestrahlt werden kann. Auf diese Weise lassen sich lokale Überhitzungen der Faserverbundstruktur, wie sie bei der Bestrahlung mit Mikrowellen auftreten können, zuverlässig vermeiden und ist die Strahlungserwärmung auf praktisch beliebige Imprägnierpolymere sowie beliebige Fasermaterialien (einschließlich synthetischer oder natürlicher Fasern) mit üblicherweise höchst unterschiedlichen Absorptionseigenschaften für Mikrowellenstrahlung anwendbar.
In vorteilhafter Ausgestaltung kann ferner die Temperatur der Faserverbundstruktur während ihrer Erwärmung gemessen werden, wobei die elektromagnetische Strahlungsenergie, beispielsweise im Infrarotbereich, insbesondere in Abhängigkeit der gewünschten Temperatur der Faserverbundstruktur gesteuert werden kann. Die Temperatur der Faserverbundstruktur kann hierbei vorzugsweise berührungsfrei, insbesondere mittels wenigstens eines Pyrometers, gemessen werden, welches z. B. mit einer Steuer- oder Regeleinheit wirkverbunden sein kann, um in Abhängigkeit der erfassten Temperatur die Intensität der elektromagnetischen Strahlungsquelle zu steuern bzw. zu regeln.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Konsolidierung und gegebenenfalls gleichzeitigen Imprägnierung einer thermoplastischen oder thermoelastischen Faserverbundstruktur; und
2 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Konsolidierung und gegebenenfalls gleichzeitigen Imprägnierung einer thermoplastischen oder thermoelastischen Faserverbundstruktur.
Wie der 1 in stark schematisierter Form zu entnehmen ist, kann zur Imprägnierung und/oder Konsolidierung einer mit thermoplastischen oder thermoelastischen Polymeren vorimprägnierten oder mit solchen Polymeren im festen oder gelösten bzw. abgeschiedenen Zustand versetzten Faserverbundstruktur 1 die Faserverbundstruktur 1 beispielsweise direkt auf einer als starre Unterlage 2 dienenden Deckplatte aus einem hitzebeständigen Material, z. B. Glas, Keramik oder dergleichen, einer nicht näher gezeigten Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung 4, vorzugsweise im Infrarotbereich, angeordnet werden. Die Faserverbundstruktur 1 wird sodann mit einer nachgiebigen Abdeckung 3a, z. B. aus einer hitzebeständigen Folienlage, bedeckt und wird die Abdeckung 3a unter Aufnahme der Faserverbundstruktur 1 zwischen sich und der Unterlage 2 gegen letztere abgedichtet, was beispielsweise mittels eines (nicht dargestellten) Klemmrahmens oder dergleichen geschehen kann.
Anlässlich der Imprägnierung und/oder Konsolidierung wird die Faserverbundstruktur 1 durch die Unterlage 2 hindurch mit elektromagnetischer Strahlung 4 im Infrarotbereich bestrahlt, um das Imprägnierpolymer in einen plastifizierten, schmelzflüssigen Zustand zu überführen. Darüber hinaus wird der Zwischenraum zwischen der Unterlage 2 und der nachgiebigen, z. B. folienartigen Abdeckung 3 mittels einer Pumpe (nicht gezeigt) evakuiert, so dass infolge des von oben auf die Abdeckung 3a einwirkenden Umgebungsdruckes die imprägnierte Faserverbundstruktur 1 zwischen der Abdeckung 3 und der Unterlage 2 verpresst wird.
Die in 2 schematisch wiedergegebene Ausführungsform unterscheidet sich von der gemäß 1 vornehmlich dadurch, dass die Faserverbundstruktur 1 zwischen einer im Wesentlichen starren Unterlage 2 und einer gleichfalls im Wesentlichen starren Abdeckung 3b angeordnet wird, welche z. B. jeweils etwa plattenförmig ausgestaltet sind und die Faserverbundstruktur 1 in ihrem Zwischenraum zwischen sich aufnehmen. Die Unterlage 2 und/oder die Abdeckung 3b ist bzw. sind für elektromagnetische Strahlung 4, insbesondere im Infrarotspektrum, durchlässig ausgebildet, so dass die elektromagnetische Strahlung 4 durch die Unterlage 2 und/oder die Abdeckung 3b hindurch in die Faserverbundstruktur 1 eingekoppelt werden kann. Zur Abdichtung des die Faserverbundstruktur 1 aufnehmenden Zwischenraumes zwischen der Unterlage 2 und der Abdeckung 3b werden letztere z. B. mittels einer Ringdichtung 5 aus einem nachgiebigen Material, wie einem Elastomer, z. B. Silikon, Gummi oder dergleichen, gegeneinander abgedichtet.
Anlässlich der Imprägnierung und/oder Konsolidierung wird die Faserverbundstruktur 1 durch die Unterlage 2 und/oder durch die Abdeckung 3b hindurch mit elektromagnetischer Strahlung 4 im Infrarotbereich bestrahlt, um das Imprägnierpolymer in einen plastifizierten, schmelzflüssigen Zustand zu überführen. Darüber hinaus wird der Zwischenraum zwischen der Unterlage 2 und der Abdeckung 3b, z. B. mittels einer an einen in den Zwischenraum einmündenden Rohrstutzen 6 oder an eine in eine Bohrung (nicht gezeigt) der Unterlage 2 oder der Abdeckung 3b angeschlossenen Pumpe (ebenfalls nicht gezeigt), evakuiert, so dass infolge des von oben auf die Abdeckung 3b (oder auch zumindest bereichsweise von unten auf die Unterlage 2) einwirkenden Umgebungsdruckes die Faserverbundstruktur 1 unter Kompression der Ringdichtung 5 zwischen der Abdeckung 3b und der Unterlage 2 verpresst wird.
Wie aus der 2 hervorgeht, besteht hierbei ferner die Möglichkeit, die Erstreckungsflächen der Unterlage 2 und der Abdeckung 3b größer zu wählen als die Erstreckungsfläche der zwischen diese eingebrachten Faserverbundstruktur 1. Sofern in diesem Fall die Ringdichtung 5 mit Abstand von dem Außenumfang der Faserverbundstruktur 1, insbesondere im Bereich des Außenrandes der Unterlage 2 bzw. der Abdeckung 3b, angeordnet wird, so lässt sich beim Evakuieren des Zwischenraumes zwischen der Unterlage 2 und der Abdeckung 3b die Faserverbundstruktur 1 mit einem Anpressdruck größer dem Umgebungsdruck beaufschlagen, wobei der gewünschte Anpressdruck entsprechend dem Verhältnis der Fläche der Abdeckung 3b (und/oder gegebenenfalls der Unterlage 2) zu der Fläche der Faserstruktur 1, welche mit der Unterlage 2 bzw. mit der Abdeckung 3b im Kontakt steht, eingestellt werden kann.
Sowohl bei der in 1 als auch bei der in 2 schematisch dargestellten Ausführungsform besteht selbstverständlich die Möglichkeit, die Temperatur der Faserverbundstruktur 1 während ihrer Erwärmung zu erfassen, was insbesondere berührungsfrei, beispielsweise mittels eines oder mehrerer Pyrometer(s), geschehen kann. Auf diese Weise lässt sich die in die Faserverbundstruktur eingekoppelte elektromagnetische Strahlungsenergie in Abhängigkeit der gewünschten Temperatur steuern bzw. regeln, um eine Überhitzung insbesondere des Imprägnierpolymers zu vermeiden und beispielsweise für eine im Wesentlichen isotherme Konsolidierung im Bereich oder oberhalb der Schmelztemperatur des Imprägnierpolymers zu sorgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/073433 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Konsolidierung von Faserverbundstrukturen (1) mit thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymeren, indem die Faserverbundstruktur (1) mittels elektromagnetischer Strahlung (4) zumindest bis in den Bereich der Schmelztemperatur des wenigstens einen thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymers erwärmt und unter Einwirkung von Druck verpresst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundstruktur (1) während des Konsolidierens mit Unterdruck beaufschlagt wird, wobei der erzeugte Unterdruck zugleich zum Verpressen der Faserverbundstruktur (1) genutzt wird, indem die Faserverbundstruktur (1) – zwischen einer im Wesentlichen starren Unterlage (2) und einer im Wesentlichen starren Abdeckung (3b) angeordnet, die im Wesentlichen starre Abdeckung (3b) in Bezug auf die Unterlage (2) verlagerbar gegen die Unterlage (2) abgedichtet und der Zwischenraum zwischen der Unterlage (2) und der im Wesentlichen starren Abdeckung (3b) evakuiert wird, so dass die Faserverbundstruktur (1) infolge Umgebungsdruck, welcher die im Wesentlichen starre Abdeckung (3b) gegen die im Wesentlichen starre Unterlage (2) drückt, zwischen der Unterlage (2) und der im Wesentlichen starren Abdeckung (3b) verpresst wird; oder – zwischen einer im Wesentlichen starren Unterlage (2) und einer nachgiebigen Abdeckung (3a) angeordnet und der Zwischenraum zwischen der Unterlage (2) und der nachgiebigen Abdeckung (3a) evakuiert wird, so dass die Faserverbundstruktur (1) infolge Umgebungsdruck unter Ansaugen der nachgiebigen Abdeckung (3a) an die Unterlage (2) zwischen denselben verpresst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern der Faserverbundstruktur (1) mit dem wenigstens einen thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymer vorimprägniert und sodann konsolidiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern der Faserverbundstruktur (1) mit dem wenigstens einen thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymer imprägniert und zugleich konsolidiert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Faserverbundstruktur (1) erzeugt wird, deren Fasern mit dem wenigstens einen thermoplastischen und/oder thermoplastischen Polymer in festem oder gelösten Zustand versetzt werden, wonach die Faserverbundstruktur mit dem thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymer imprägniert und zugleich konsolidiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine thermoplastische und/oder thermoelastische Polymer – in Form von Schichten oder Lagen in, auf und/oder zwischen die Fasern der Faserverbundstruktur (1) ein- bzw. aufgebracht wird; – in Form von Fäden, Fadenbündeln, Geweben, Gestricken, Gewirken, Gelegen und/oder Vliesen in, auf und/oder zwischen die Fasern der Faserverbundstruktur (1) ein- bzw. aufgebracht wird; – in Granulat- oder Pulverform in, auf und/oder zwischen die Fasern der Faserverbundstruktur (1) ein- bzw. aufgebracht wird; und/oder – in einem Lösungsmittel gelöst wird, die Fasern der Faserverbundstruktur (1) mit der Lösung getränkt und das Lösungsmittel ausgetrieben wird, wonach die Faserverbundstruktur (1) mit dem thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymer imprägniert und zugleich konsolidiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlage (2) und/oder die Abdeckung (3a, 3b) mit einer zu der gewünschten Oberflächenform und/oder -struktur der Faserverbundstruktur (1) komplementären Oberflächenkontur und/oder -struktur versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundstruktur (1) – auf einer für die zu ihrer Erwärmung eingesetzten elektromagnetischen Strahlung durchlässigen Unterlage (2) angeordnet und/oder – mit einer für die zu ihrer Erwärmung eingesetzten elektromagnetischen Strahlung durchlässigen Abdeckung (3a, 3b) abgedeckt wird, wobei die Faserverbundstruktur (1) anlässlich ihrer Erwärmung durch die Unterlage (2) und/oder durch die Abdeckung (3a, 3b) hindurch von außen mit elektromagnetischer Strahlung (4) bestrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundstruktur (1) anlässlich ihrer Erwärmung unmittelbar auf einer als Unterlage (2) dienenden Deckplatte einer elektromagnetischen Strahlungsquelle und/oder unmittelbar unter einer als im Wesentlichen starre Abdeckung (3b) dienenden Deckplatte einer elektromagnetischen Strahlungsquelle angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundstruktur (1) zwischen einer im Wesentlichen starren Unterlage (2) und einer im Wesentlichen starren Abdeckung (3b) angeordnet wird, wobei die im Wesentlichen starre Abdeckung (3b) mittels wenigstens einer nachgiebigen Ringdichtung (5) in Bezug auf die Unterlage (2) verlagerbar gegen die Unterlage (2) abgedichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundstruktur (1) zwischen einer im Wesentlichen starren Unterlage (2) und einer im Wesentlichen starren Abdeckung (3b) angeordnet wird, wobei die im Wesentlichen starre Abdeckung (3b) dadurch in Bezug auf die Unterlage (2) verlagerbar gegen die Unterlage (2) abgedichtet wird, indem die Unterlage (2) und/oder die Abdeckung (3b) mit einer gegen die Abdeckung (3b) und/oder die Unterlage (2) abgedichteten, mit dieser zusammenwirkenden Tauchkante ausgebildet wird bzw. werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundstruktur (1) zwischen einer im Wesentlichen starren Unterlage (2) und einer im Wesentlichen starren Abdeckung (3b) angeordnet wird, wobei die Erstreckungsflächen der Unterlage (2) und der im Wesentlichen starren Abdeckung (3b) größer gewählt werden als die Erstreckungsfläche der zwischen diese eingebrachten Faserverbundstruktur (1) und wobei die im Wesentlichen starre Abdeckung (3b) mit Abstand von dem Außenumfang der Faserverbundstruktur (1) gegen die Unterlage (2) abgedichtet wird, so dass beim Evakuieren des Zwischenraumes zwischen der Unterlage (2) und der im Wesentlichen starren Abdeckung (3b) die Faserverbundstruktur (1) mit einem Anpressdruck größer dem Umgebungsdruck beaufschlagt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundstruktur (1) mit elektromagnetischer Strahlung (4) mit einer Wellenlänge zwischen 10^–3 m und 10^–7 m, insbesondere mit einer Wellenlänge größer als die des für das menschliche Auge sichtbaren Lichtspektrums, bestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundstruktur (1) mit elektromagnetischer Strahlung (4) im Infrarotbereich bestrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Faserverbundstruktur (1) während ihrer Erwärmung gemessen wird, wobei die elektromagnetische Strahlungsenergie insbesondere in Abhängigkeit der gewünschten Temperatur der Faserverbundstruktur (1) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Faserverbundstruktur (1) berührungsfrei, insbesondere mittels wenigstens eines Pyrometers, gemessen wird.