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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen mittels eines Vakuum-Injektionsverfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein entsprechendes Herstellungsverfahren ist aus der Schrift
EP 1 181 149 B1 bekannt. Der Absaugraum wird nach diesem Verfahren gebildet, indem zum Bauteilraum hin eine gasdurchlässige, aber matrixmaterialundurchlässige Membran flächig um das Halbzeug herum angeordnet wird. Auf diese Membran wird dann die gas- und matrixmaterialdichte Abdeckfolie aufgelegt. Nach dem gasdichten Abdichten des Bauteilraums und des Absaugraums gegen die das Werkzeug umgebende Umgebung wird ein Vakuum an den Absaugraum und den Bauteilraum angelegt. Danach wird ein Harz an mindestens einer Stelle des so gebildeten Infusionsaufbaus infiltriert, indem an mindestens einer anderen Stelle des Aufbaus ein Unterdruck im gasdicht abgedichteten Innenraum des Aufbaus erzeugt wird. Auf diese Weise füllt sich der Bauteilraum mit dem Harz, und das darin eingelegte Fasermaterial wird mit dem Matrixmaterial benetzt. Zwischen der Membran und der Abdeckfolie können Abstandhalter eingebracht sein, damit der Raum als solcher besteht und durch den Absaugraum Luft abgesaugt werden kann. Durch die den Bauteilraum und zusätzlich zumindest einen Teil des gesamten Werkzeugs flächig abdeckende Membran ergibt sich ein sehr hoher Verbrauch des teuren Membranmaterials.
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Ein anderes Verfahren ist in der Schrift
DE 20 2010 001 836 U1 offenbart. Der Aufbau eines gasdicht nach außen abgeschlossenen Bauteilraums erfolgt weitgehend analog zum vorstehend beschriebenen Aufbau. Der Absaugraum besteht hier jedoch aus einer Absaugleitung, die von einer gasdurchlässigen, aber matrixmaterialundurchlässigen Membran umhüllt ist und die geeignet um den Bauteilraum herum gelegt wird, um daraus Luft absaugen zu können. Da die Absaugleitung nicht flächig, sondern als Leitung verlegt wird, ist der Verbrauch an Membranfolie bei dieser Art, einen Absaugraum auszubilden, erheblich geringer.
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Beide vorbekannten Verfahren sind vergleichsweise teuer in der Herstellung der Faserverbundbauteile, weil das verwendete Membranmaterial sehr teuer ist. Um das Membranmaterial so auszugestalten, dass es gasdicht, aber matrixmaterialundurchlässig ist, müssen extrem kleine Löcher in das Membranmaterial eingebracht werden, was entsprechend aufwendig ist und hohe Kosten verursacht.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils noch effizienter auszugestalten.
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Die Aufgabe wird für ein gattungsgemäßes Verfahren gelöst, indem der Absaugraum mit einem Abdeckmaterial abgedichtet ist, das mit einer Porengröße zwischen 0,4 und 30 µm eine stark harzbremsende Wirkung aufweist, jedoch nicht matrixmaterialdicht ist.
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Der Absaugraum kann flächig ausgebildet sein, wie es in der Schrift
EP 1 181 149 B1 beschrieben ist, oder er ist in Schlauchform ausgebildet, wie es in der Schrift
DE 20 2010 001 836 U1 beschrieben ist. Es können auch beide Methoden, einen Absaugraum auszubilden, miteinander kombiniert werden, um die Vorteile beider Systeme je nach herzustellendem Bauteil auszunutzen, so dass ein Teil des Bauteilraumes flächig mit einem Abdeckmaterial bedeckt ist und ein anderer Teil des Bauteilraumes über einen Absaugraum in Schlauchform evakuiert wird.
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Bei dem Abdeckmaterial kann es sich um eine Membran aus einem flächigen monolithischen diffusionsoffenen Kunststoffmaterial handeln, das entsprechende Poren aufweist. Das flächige Kunststoffmaterial kann im Extruder hergestellt oder gegossen und danach mit den Poren versehen sein. Als Membran kommt aber auch ein verdichtetes Vlies in Betracht. Neben dem Kunststoffmaterial oder dem Vlies, die mit einer hohen Prozesssicherheit hergestellt und verwendet werden können, kommen aber auch andere Materialien als Abdeckmaterial in Betracht, wie beispielsweise auch Papierfilter mit einer entsprechenden Porengröße und Permeabilität. Bei den Papierfiltern können die Eigenschaften durch eine entsprechende Ausrüstung wie beispielsweise eine Imprägnierung oder Beschichtung günstig eingestellt werden.
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Wenn ein Abdeckmaterial mit einer Porengröße zwischen 0,4 und 30 µm verwendet wird, ist die Herstellung einer entsprechenden Membran erheblich kostengünstiger. Eine solche Membran kann beispielsweise aus Polypropylen und schon durch bloßes Stretchen oder durch eine chemische Ätzung hergestellt werden. Eine chemische Ätzung ist beispielsweise möglich, indem das ursprüngliche Folienmaterial ein Calciumcarbonat enthält, das anschließend mit einer Säure aus dem Polyolefin-Verbund herausgeätzt werden kann. An den Fehlstellen des Calciumcarbonats bilden sich dann Poren aus, die eine der vorliegenden Erfindung entsprechende Porengröße aufweisen. Eine vorherige radioaktive Bestrahlung, wie das beispielsweise beim Track-Etch-Verfahren für matrixmaterialdichte Membranen zur Herstellung der feinen Porengrößen erforderlich ist, oder andere aufwendigere Bearbeitungsverfahren können bei Membranen mit größeren Porengrößen entfallen.
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Eine Membran mit einer Porengröße von mehr als 0,4 µm hat für gängige für die Vakuuminfusion verwendeten Harzsysteme keine harzsperrende Wirkung mehr, da solche Harzsysteme Poren mit einer Porengröße von > 0,4 µm passieren können. Nach der Lehre der Erfindung ist es allerdings auch nicht erforderlich, völlig matrixmaterialdichte Membranen zur Trennung des Absaugraums vom Bauteilraum zu verwenden. Das gilt unabhängig davon, ob der Bauteilraum mit dem Abdeckmaterial flächig abgedeckt oder ob ein Schlauch als Absaugraum verwendet wird, der mit dem Abdeckmaterial vom Bauteilraum getrennt ist. Das Abdeckmaterial muss das Matrixmaterial nur so lange und so weit aus dem Absaugraum halten, bis der Bauteilraum vollständig mit dem Matrixmaterial geflutet und das im Bauteilraum befindliche Fasermaterial vollständig mit dem Matrixmaterial getränkt ist. Während dieser Zeit darf nur so wenig Matrixmaterial in den Innenraum des Absaugraums gelangen, dass es weiterhin möglich ist, Gas aus dem noch nicht vollständig getränkten Bauteilraum durch das Abdeckmaterial in den Absaugraum abzusaugen, um dadurch eine vollständige Tränkung des Bauteilraums zu ermöglichen. Für diesen Zweck reicht eine nur harzbremsende und nicht matrixmaterialdichte Membran völlig aus.
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Auf die Bremszeit, die das Abdeckmaterial auf das eingesetzte Harzsystem ausüben muss, um den Bauteilraum vollständig befüllen zu können, hat auch die Größe und Form des herzustellenden Faserverbundbauteils einen erheblichen Einfluss. Je nach Bauteil können 5 min. oder 30 min. an Prozesszeit erforderlich sein, um den Bauteilraum vollständig mit dem Matrixmaterial auszufüllen. Bei einem identischen Harzsystem kann für Bauteile mit einer niedrigeren Prozesszeit Abdeckmaterial mit einer größeren Porengröße verwendet werden, während es für Bauteile mit einer längeren Prozesszeit empfehlenswert ist, Abdeckmaterial mit einer kleineren Porengröße einzusetzen.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Porengröße abgestimmt auf die Vernetzungsgeschwindigkeit des eingesetzten Harzsystems. Die Vernetzungsgeschwindigkeit ist abhängig von der Reaktivität des eingesetzten Harzsystems. Je reaktiver das verwendete Harzsystem ist, umso schneller vernetzen sich die beim Mischen des Harzsystems vorhandenen Moleküle zu längeren Molekülketten, die sich unmittelbar auf die Viskosität des Matrixmaterials und die von der Porengröße abhängige Bremswirkung der Membran auswirken. Bei einer gleichen Tränkungszeit muss für ein Harzsystem mit einer höheren Vernetzungsgeschwindigkeit ein Abdeckmaterial mit einer größeren Porengröße verwendet werden als für ein Harzsystem mit einer niedrigeren Vernetzungsgeschwindigkeit, um den Bauteilraum vollständig mit dem Matrixmaterial zu füllen. Da sich die Vernetzungsgeschwindigkeit auch auf das Fließverhalten und die Verteilgeschwindigkeit des Matrixmaterials innerhalb des Bauteilraums auswirkt, besteht bei einer zu hohen Vernetzungsgeschwindigkeit und einer zu kleinen Porengröße das Risiko, dass der Bauteilraum nicht vollständig ausgefüllt wird, bis die Harzfront im Bauteilraum zum Stehen kommt. Bei einer zu niedrigen Vernetzungsgeschwindigkeit und einer zu großen Porengröße besteht das Risiko, dass sich der Absaugraum zu schnell mit Matrixmaterial befüllt, so dass es dann nicht mehr möglich ist, über den Absaugraum aus denjenigen Bereichen des Bauteilraums Gas abzusaugen, der sich noch nicht vollständig mit Matrixmaterial gefüllt hat.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Porengröße abgestimmt auf die Viskosität des eingesetzten Harzsystems. Die Viskosität zeigt den Vernetzungsgrad des eingesetzten Harzsystems an. Die Vernetzung der Moleküle im Harzsystem beginnt beim Zusammenmischen der Komponenten und schreitet je nach Reaktivität des verwendeten Harzsystems schneller oder langsamer fort. In jedem Fall erhöht sich die Viskosität also während der Verarbeitungsdauer des verwendeten Harzsystems. Sie kann aber je nach verwendetem Harzsystem vom Start her erhebliche Unterschiede aufweisen. So können Epoxidharzsysteme eine geringere Viskosität aufweisen als Polyesterharze. Aber auch innerhalb solcher Systemklassen kann es durch eine gezielte Auswahl von chemischen Komponenten und deren Ausrüstung erhebliche Unterschiede in deren Viskosität geben. Die Viskosität eines Harzsystems, das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden soll, lässt sich Tabellen entnehmen, die die Hersteller der Harzsysteme den Verwendern zur Verfügung stellen. In einer Prozesszeit von 15 min. kann sich die Viskosität eines ersten Harzes beispielsweise von 200 mPa s auf 350 mPa s und eines zweiten Harzes von 100 auf 10.000 mPa s erhöhen. Übliche für das Vakuuminfusionsverfahren verwendete Harzsysteme weisen nach Beendigung des Anmischvorgangs und zu Beginn des Flutens des Bauteilraums eine Viskosität zwischen 150 und 300 mPa s auf.
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Um zu bestimmen, ob die Porengröße ausreichend klein ausgewählt ist, um einen die vollständige Füllung des Bauteilraumes störenden Durchschlag des Harzmaterials in den Absaugraum zu vermeiden, muss als relevanter Zeitraum die Summe der für das Mischen des Harzsystems erforderlichen Zeit und die Befülldauer des Bauteilraums berücksichtigt werden.
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Einen wesentlichen Einfluss auf die Viskosität des jeweiligen Harzsystems hat die jeweilige Temperatur bei der Verarbeitung. Während bei Lochgrößen der Poren von 0,4 µm - 1 µm in einem Abdeckmaterial bei einer Temperatur des Harzsystems von 30 ° C ein Durchschlag des Harzmaterials durch die Membran nach 20 min. festzustellen ist, stellt sich bei einer Temperatur desselben Harzmaterials von 45 ° C ein Durchschlag bereits nach 10 min. ein. Es ist also wichtig, die Verwendbarkeit eines Abdeckmaterials mit einer vorgegebenen Porengröße im Hinblick auf die Verarbeitungstemperatur des eingesetzten Harzsystems zu beurteilen. Umgekehrt kann ein bei einer höheren Verarbeitungstemperatur für ein Abdeckmaterial mit einer bestimmten Porengröße ungeeignetes Harzsystem geeignet gemacht werden, indem es mit einer niedrigeren Verarbeitungstemperatur verarbeitet wird.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Porengröße abgestimmt auf den Differenzdruck des eingesetzten Harzsystems. Eine die Harzinfusion treibende Druckdifferenz zwischen Innenraum und Außenraum des Infusionsaufbaus kann bei bisher bekannten Vakuuminfusionsverfahren einem Atmosphärendruck entsprechend etwa max. 1.000 mbar bei vakuumunterstützten Infusionen ohne Einsatz einer Druckkammer betragen. Je nach Leistung der eingesetzten Vakuumpumpe und dem jeweiligen Infusionsaufbau ist es aber nicht immer möglich, dieses theoretische Potential voll auszunutzen. Bei niedrigeren Differenzdrücken verlängert sich die Prozesszeit, die erforderlich ist, um den Bauteilraum vollständig mit Matrixmaterial auszufüllen. Bei längeren Prozesszeiten aufgrund eines niedrigeren Differenzdrucks ist es deshalb tendenziell vorteilhaft, ein Abdeckmaterial mit einer kleineren Porengröße zu verwenden, während bei höheren Differenzdrücken auch ein Abdeckmaterial mit größeren Porengrößen verwendet werden kann. Der Differenzdruck kann bei Systemen, bei denen das Matrixmaterial unter Druck zugeführt wird, den Atmosphärendruck übersteigen. Unter solchen Druckverhältnissen gelten besondere Bedingungen für die einsetzbaren Porengrößen.
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Für alle vorstehend beschriebenen Methoden, zu ermitteln, ob eine bestimmte Porengröße aus dem Bereich von 0,4 µm bis 30 µm zur Anwendung eines bestimmten Harzsystems in einem bestimmten Werkzeugaufbau zur Herstellung eines Faserverbundbauteils geeignet ist, kann Darcys Gesetz herangezogen werden, das in der folgenden Formel niedergelegt ist:
- q = Durchflussrate m3/s
- A = Querschnittsfläche = Poren + Membranfläche
- ϑf = Filtergeschwindigkeit
- i = hydraulischer Gradient
- kf = Durchlässigkeitsbeiwert
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Der Durchlässigkeitsbeiwert kann auch experimentell ermittelt werden.
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Die Permeabilität setzt sich wie folgt zusammen:
- K = Permeabilität
- Q = Volumenstrom
- n = Viskosität
- x = Fließlänge
- Δp = Differenzdruck
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Unter Anwendung der vorstehenden Formeln kann eine für ein bestimmtes Matrixmaterial geeignete Porengröße festgelegt werden, um einen Anhaltswert für die Bremsdauer des Abdeckmaterials zu erhalten.
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Für die Beschreibung der Erfindung dürften die vorstehenden textlichen Erläuterungen ausreichen. Einer Erläuterung der Erfindung anhand eines mit Zeichnungen illustrierten Ausführungsbeispiels bedarf es deshalb nicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1181149 B1 [0002, 0007]
- DE 202010001836 U1 [0003, 0007]
