DE10306345A1

DE10306345A1 - Verfahren zur Herstellung eines rotationssymmetrischen faserverstärkten Vorformlings

Info

Publication number: DE10306345A1
Application number: DE2003106345
Authority: DE
Inventors: Steven W. Brogdon; Jens Lichtner; Torsten Weick; Christian Dr. Weimer
Original assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Current assignee: Leibniz Institut Fuer Verbundwerkstoffe De GmbH
Priority date: 2003-02-15
Filing date: 2003-02-15
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-16
Also published as: DE10306345B4

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines rotationssymmetrischen faserverstärkten Vorformlings (5) unter Verwendung eines Rovings (2) und eines Bindemittels wird das Roving (2) beim Wickeln mit einer derartigen Menge Bindemittel benetzt, dass ein infiltrierbarer Vorformling (5) entsteht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines rotationssymmetrischen faserverstärkten Vorformlings unter Verwendung eines Roving und eines Bindemittels.

Derartige Verfahren finden im Bereich von strukturellen Bauteilen Anwendung, die aus strukturellen Verbundwerkstoffen hergestellt werden, wobei diese, insbesondere duroplastischen Verbundwerkstoffe, ihre mechanischen Eigenschaften durch geeignete Wahl der Verstärkungsfasern und der Matrix, also der Bindemittel bzw. Harze, erhalten. Bei der Fertigung solcher Bauteile ist es erforderlich, den Vorformling, also die Faserverstärkungsstruktur, derart herzustellen, dass dem Material die erforderlichen mechanischen Eigenschaften verliehen werden.

Derzeit angewandte Imprägniertechniken, die beim Wickeln axial- bzw. rotationssymmetrischer Bauteile Anwendung finden, konzentrieren sich auf die Herstellung eines voll ausgehärteten bzw. imprägnierten Bauteils. Bei der duroplastischen Wickeltechnik wird dabei ein aus mehreren Fäden be stehender Roving durch ein Imprägnierbad gezogen und dabei vollständig benetzt. Das Wickeln des Rovings erfolgt in kreuzweise zueinander orientierten Lagen, wodurch ein vollständiges Bauteil, beispielsweise ein Rohr entsteht, das im Anschluss an das Wickeln ausgehärtet wird.

In der thermoplastischen Wickeltechnik zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen werden folgende Fälle unterschieden: Bei dem Binder-Preforming wird ein zunächst mittels eines Thermoplastes vorimprägniertes Bändchen verwendet, dessen Termoplastanteil aufgeschmolzen wird. Das Bändchen wird an einen Wickeldorn angepresst, auf diesen aufgewickelt und das so entstandene Bauteil wieder abgekühlt. Eine weitere Möglichkeit bietet das on-line Imprägnierverfahren, bei dem eine Kunststoffschmelze vor dem eigentlichen Wickelvorgang direkt auf die aufzuwickelnden Fasern aufgebracht wird. Auch hier werden die Fasern beim Wickeln auf den Wickeldorn gepresst und das fertige Bauteil abgekühlt.

Zur Herstellung von Zwickel-Vorformlingen werden klassische Duroplast-Wickelteile entweder voll ausgehärtet oder voll imprägniert verwendet. Im Fall voll ausgehärteter Bauteile, die einem weiteren Verarbeitungsprozess zur Bauteilfertigung zugeführt werden, entstehen, insbesondere bei zusätzlich vorhandenen Faserlagen, Grenzflächen innerhalb des Bauteils, die einer bestimmten Bauteilverwendung entgegenstehen. Bei einem „nassen" Handling während der Herstellung des Vorformlings entstehen ungenaue Faserverteilungen durch nicht definiertes Verschieben der Fasern im nassen Zustand. Die beim „Nasswickeln" vorhandene Matrixmasse, also der Binder bzw. das Harz, wird durch die vorhandene Kompaktierungskraft aus dem Paket herausgedrückt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings der eingangs genannten Art zu schaffen, der zur Verwendung bei der Fertigung hochfester struktureller Bauteile geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Roving beim Wickeln mit einer derartigen Menge Bindemittel benetzt wird, dass ein infiltrierbarer Vorformling entsteht.

Als Bindemittel kommt eine Harzlösung sehr geringer Viskosität zum Einsatz, deren Lösemittel eine homogene Verteilung des Matrixmaterials, also des Harzes, in dem Faserbündel, nämlich dem Roving, gewährleistet. Der Anteil des Bindemittels entspricht beispielsweise zwischen 0,5 % und 10 %, vorzugsweise zwischen 3 % und 5 %, des Gewichts des fertigen Bauteils. Aufgrund der geringen Menge des Bindemittels wird eine geschlossene unidirektionale und infiltrierbare Struktur des Vorformlings erzielt. Unter Verwendung des derart hergestellten Vorformlings lässt sich in einem nachfolgenden Injektionsprozess ein hoher Faservolumengehalt des fertigen Bauteils erzielen, wobei die geschlossene unidirektionale Struktur des Vorformlings eine hohe mechanische Festigkeit des Bauteils ohne unzulässige Grenzflächen gewährleistet. Auch ist die aus dem „Nasswickeln" bekannte ungenaue Faserverteilung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund der geringen Menge des Bindemittels ausgeschlossen.

Um das Bindemittel in einem definierten zeitlichen Abstand aufzutragen, wird bevorzugt das Bindemittel mittels eines Tropfes auf bzw. in das Roving appliziert. Hierbei findet die aus der Medizin bekannte Infusionstechnik Anwendung und die Dosierung der Harz- bzw. Bindemittelmenge erfolgt online, d.h. während des Wickelvorganges. Durch das tröpfchenweise Aufbringen des Bindemittels auf das Roving verteilt sich die geringe Harzmenge während des Wickelns homogen in der Faserpackung. Der so hergestellte Vorformling, nämlich die Preform, ist nicht notwendigerweise ausgehärtet, sondern durch den Binder lediglich verfestigt. Zweckmäßigerweise wird das Bindemittel in Abhängigkeit von der Wickelgeschwindigkeit dem Roving zugeführt.

Um eine definierte Kontur zu fertigen, in der der Vorformling 0°-Fasern ausweisen muss, wird vorteilhafterweise das Roving in eine die Kontur des Vorformlings bestimmende Kavität gewickelt.

Zur Kompaktierung der Faserpackung wird vorzugsweise die Spannung des Rovings während des Wickelns geregelt. Durch die Regelung der Spannung wird auch ein undefiniertes Verschieben der Faserbündel während des Wickelns ausgeschlossen. Um bei der Verwendung duromerer Harzsysteme als Bindemittel einen handhabbaren Vorformling bereitzustellen, wird zweckmäßigerweise der Vorformling nach dem Wickeln getrocknet. Hierbei kann es erforderlich sein, das Bindemittel zumindest teilweise auszuhärten.

Für die Herstellung eines fertigen Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff wird nach einer Weiterbildung der Erfindung der Vorformling der Kavität entnommen, in eine eine Bauteilkontur bestimmende Form eingelegt und mit einem Harz infiltriert. Zweckmäßigerweise wird als Bindemittel und als Harz das gleiche Material verwendet. Vorliegend ist es möglich, eine Preform, also einen Vorformling, mit einer exakten Kontur herzustellen, der dann in einem Folgeprozess, gegebenenfalls gemeinsam mit weiteren Vorformlingen, infiltriert wird. Dieses Verfahren stellt eine hohe Faserpackung sicher und es ist gewährleistet, Bauteilkonturen mit ausschließlich 0°-Fasern herzustellen. Ein zusätzlicher Binder-Faden oder ähnliches kommen nicht zum Einsatz.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der vorliegenden Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
2 eine Schnittdarstellung eines Bauteils und
3 eine Darstellung eines Schnittes gemäß der Linie III-III nach 2.
Die Vorrichtung umfasst eine Faserspule 1 mit einem Roving 2 sowie einer angetriebenen Welle, auf der eine Kavität 3 für einen Vorformling 5 drehfest angeordnet ist. Zwischen der Faserspule 1 und der Kavität 3 ist ein Tropf 4 vorgesehen, der als aus der Medizintechnik bekanntes Infusionsbesteck ausgebildet ist und das Roving 2 mit einer exakt dosierbaren Menge an Bindemittel derart teilbenetzt, dass ein infiltrierbarer Vorformling in der Kavität 3 entsteht. Das Bindemittel besteht aus einer Harzlösung mit einer sehr geringen Viskosität, deren Lösemittel eine homogene Verteilung des Matrixmaterials ermöglicht, wobei die Verteilung des Bindemittels durch die beim Wickeln des Vorformlings auftretenden Kräfte begünstigt wird, so dass ein ausreichend permeable Faserstruktur aufgebaut wird. Zur exakten Dosierung des Bindemittels umfasst der Tropf 4 eine Exzenterwelle, die in definiertem zeitlichen Abstand eine bestimmte Menge des Bindemittels auf das Roving 2 austrägt, wobei der zeitliche Abstand und die Menge des aufgetragenen Bindemittels in Abhängigkeit von der Wickelgeschwindigkeit sowie dem gewünschten Binderanteil an der Struktur des Vorformlings 5 bemessen wird. Des Weiteren ist eine nicht dargestellte Fadenspanneinrichtung vorgesehen, mittels der die Kompaktierung des Vorformlings 5 bzw. dessen Endmaß eingestellt wird. Nach dem Erreichen des Endmaßes erfolgt ein Abtrocknen bzw. Teilaushärten des Bindemittels, wonach der Vorformling 5 steif und handhabbar aber weiterhin injektionsfähig ist. Durch die kontinuierliche Teilimprägnierung des Rovings 2 wird ein unkontrolliertes Abrutschen der Fasern vermieden und der Vorformling 5 weist eine unidirektionale Faserstruktur auf.
Zur Herstellung eines monolitischen Bauteils 6 werden ein oder mehrere der Vorformlinge 5 in eine die Bauteilkontur bestimmende Form eingelegt. Nach dem Hinzufügen weiterer Lagen von Fasermaterial 7 wird die Form in einem Schuss mit einem Harz gefüllt, das identisch mit dem beim Wickeln des Vorformlings 5 verwendeten Bindemittel ist. Nach dem Austrocknen bzw. Aushärten des Harzes ist das monolitische Bauteil 6 in CFK-Bauweise entstanden, das im Bereich des Vorformlings 5 eine unidirektionale Faserstruktur und im übrigen Bereich die Strukturen des Fasermaterials 7 (beispielsweise einen Faserverlauf von ± 45°) aufweist. Bei diesem im Bereich der Vorformlinge 5 ausschließlich 0°-Fasern umfassenden Bauteil 6 sind aufgrund der infiltrierbaren Vorformlinge 5 an deren Anbindungsstellen zu dem übrigen Fasermaterial 7 keine Grenzflächen vorhanden, da sowohl das Fasermaterial 7 als auch bereichsweise die Vorformlinge 5 mit dem Harz durchtränkt sind.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines rotationssymmetrischen faserverstärkten Vorformlings (5) unter Verwendung eines Roving (2) und eines Bindemittels, dadurch gekennzeichnet, dass das Roving (2) beim Wickeln mit einer derartigen Menge Bindemittel benetzt wird, dass ein infiltrierbarer Vorformling (5) entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel mittels eines Tropfes (4) auf bzw. in das Roving (2) appliziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel in Abhängigkeit von der Wickelgeschwindigkeit dem Roving (2) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Roving (2) in eine die Kontur des Vorformlings (5) bestimmende Kavität (3) gewickelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung des Rovings (2) während des Wickelns geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformling (5) nach dem Wickeln getrocknet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformling (5) der Kavität (3) entnommen, in eine eine Bauteilkontur bestimmende Form eingelegt und mit einem Harz infiltriert wird.
Verfahre nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel und als Harz das gleiche Material verwendet wird.