DE10354106B4

DE10354106B4 - Verfahren zum Herstellen einer Faserverbundstruktur

Info

Publication number: DE10354106B4
Application number: DE2003154106
Authority: DE
Inventors: Michael Schillinger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2013-09-26
Anticipated expiration: 2023-11-20
Also published as: DE10354106A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer viellagigen Faserverbundstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass – in einem ersten Fertigungsschritt ein Teil der Faserlagen (6, 7) im noch ungetränkten Zustand in ein Formwerkzeug (2) eingelegt und in diesem im Wege des Vakuuminjektionsverfahrens matrixdurchtränkt und ausgehärtet wird und – in einem zweiten Fertigungsschritt ein weiterer Teil (15 bis 19) der ungetränkten Faserlagen unter Zwischenlage der zuvor gehärteten Faserverbundschichten in gleicher Weise wie im ersten Fertigungsschritt matrixdurchtränkt und ausgehärtet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer viellagigen Faserverbundstruktur, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen nach dem Vakuuminjektionsverfahren, wie es etwa aus der GB 2 360 483 A oder der US 4 030 953 A bekannt ist, werden die Faserlagen trocken in das Formwerkzeug eingelegt und anschließend wird der Formraum evakuiert, so dass die Kunststoffmatrix im fließfähigen Zustand von einer Matrix-Zufuhröffnung in Richtung der Flächenerstreckung der Faserlagen zur Vakuumseite hin angesaugt und dadurch der Faserlagenstapel matrixdurchtränkt wird, woraufhin die Matrixzufuhr gesperrt, die Evakuierung des Formraums zur Erzeugung des erforderlichen Pressdrucks aber bis zum vollständigen Aushärten des Bauteils aufrecht erhalten wird. Dabei stellt sich das Problem einer ungleichförmigen Matrixverteilung in der fertigen Faserverbundstruktur mit stellenweise übermäßig hohen oder zu geringen Matrixanteilen, vor allem wenn mit diesen bekannten Verfahren flächiggestreckte Bauteile mit einer großen Faserlagenanzahl und einem hohen Faservolumenanteil hergestellt werden, selbst wenn in den Faserlagenstapel Hilfsgewebe zur Verbesserung der Matrixverteilung eingelegt werden.
Nach einem weiteren, z. B. in der DE 198 53 709 C1 oder der DE 198 59 798 C2 vorbeschriebenen Vakuuminjektionsverfahren, dem sogenannten DP-RTM-Verfahren, werden die Faserlagen kontinuierlich sowohl in der Injektions- als auch in der Aushärtphase von außerhalb des Formraums, etwa in einem Autoklaven, mit einem Pressdruck oberhalb des Umgebungsdrucks beaufschlagt, während der Vakuuminjektionskreis noch vor Beginn der Aushärtphase vom Formwerkzeug getrennt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, dass selbst für Faserverbundstrukturen mit einem hohen Faservolumenanteil und einer großen Faserlagenanzahl eine gleichförmige Durchtränkung der Faserlagen im Wege der Vakuuminjektion erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird die Faserverbundstruktur in mehreren, getrennt voneinander im Wege der Vakuuminjektion matrixdurchtränkten, in der Aushärtphase des zweiten Fertigungsschritts sich aber integral miteinander verbindenden Teilabschnitten hergestellt und dadurch die Matrixdurchströmung in der jeweiligen Injektionsphase der einzelnen Teilabschnitte so weit verbessert, dass örtliche Verteilungsfehler der Kunststoffmatrix in der fertigen Faserverbundstruktur, vor allem wenn diese eine große Faserlagenanzahl und einen hohen Faservolumenanteil besitzt, wirksam abgebaut werden.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Faserlagenpaket sowohl in der Vakuuminjektions- als auch in der Aushärtphase senkrecht zur Flächenerstreckung der Faserlagen mit einem äußeren Pressdruck oberhalb des Umgebungsdrucks beaufschlagt, während der Formraum nach dem Durchtränken der Faserlagen vom Vakuuminjektionskreis getrennt wird, wodurch ein einseitiges Absaugen des Matrixmaterials nach Abschluss der Injektionsphase verhindert und in Verbindung mit der aktiven äußeren Druckbeaufschlagung ein gleichförmiger Durchtränkungsgrad der Faserlagen sowie die für eine qualitativ hochwertige Faserverbundstruktur erforderliche Flächenpressung des Faserlagenstapels in der Aushärtphase sichergestellt wird.
Aus Gründen einer hohen Oberflächenqualität wird die starre Formfläche des Formwerkzeugs vor dem Einlegen der Faserlagen vorzugsweise mit einem Vorgelat beschichtet, so dass sich die Faserstruktur nicht auf der Bauteiloberfläche abzeichnet, und zwischen den Faserlagenstapel und die andere, üblicherweise durch eine Vakuumfolie gebildete Formfläche des Formwerkzeugs werden vor dem Durchtränken Hilfslagen einschließlich eines Abreißgewebes und eines Saugvlieses eingefügt, welche aufgrund ihrer Speicher- und Verteilerfunktion den Matrixfluss im Formraum des Formwerkzeugs weiter verbessern, nach dem Aushärten des Faserverbundlaminats aber entfernt werden und daher die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften der fertigen Faserverbundstruktur nicht beeinträchtigen.
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:
1 eine Schnittdarstellung des Formwerkzeugs und des in diesem enthaltenen Faserlagenstapels während des ersten Fertigungsschritts;
2 eine der 1 entsprechende Darstellung nach Beendigung der ersten Aushärtphase und dem Entfernen der Hilfslagen;
3 eine der 1 entsprechende Darstellung zur Erläuterung des zweiten Fertigungsschritts; und
4 die Faserverbundstruktur im fertig gestellten Zustand.
Zur Herstellung einer viellagigen Faserverbundstruktur 1 hoher Bauteilfestigkeit und -steifigkeit sowie hoher Oberflächenqualität wird ein Formwerkzeug 2, bestehend aus einer starren Formfläche 3 und einer flexiblen Vakuumfolie 4, auf Seiten der starren Formfläche 3 zunächst mit einem Trennmittel (nicht gezeigt) und einem Epoxid-Vorgelat 5 beschichtet und auf diese nacheinander eine Kohlefaser- und eine Glasfaserschicht 6, 7 im noch ungetränkten Zustand sowie ein Sandwichkern 8, etwa ein offenporiger Schaumstoffkern oder ein Fasergewirk, abgelegt. Anschließend wird der so entstandene Faserlagenstapel mit einer Hilfslagenschicht, nämlich einem Abreißgewebe 9, einer Lochfolie 10 und einem Saugvlies 11, abgedeckt und das gesamte Lagenpaket durch die Vakuumfolie 4 dichtend im Formraum des Formwerkzeugs 2 eingeschlossen und mit einer außen auf die Vakuumfolie 4 senkrecht zu den Faserlagen mit einer gleichförmigen Flächenpressung einwirkenden Presskraft p oberhalb des Umgebungsdrucks, etwa mechanisch mit Hilfe eines Presswerkzeugs oder luftdruckgesteuert z. B. in einem Autoklaven, beaufschlagt, woraufhin ein Absperrventil 12, über welches die Vakuumfolie 4 am einen Ende des Faserlagenstapels an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist, sowie ein weiteres Absperrventil 13, über welches die Vakuumfolie 4 am entgegengesetzten Ende des Faserlagenstapels mit einem Vorratsbehälter 14 für das Epoxidharz in Verbindung steht, geöffnet wird, so dass die Harzmatrix unter der Vakuuminjektionswirkung in den Formraum des Formwerkzeugs 2 eingesaugt wird und dabei den Faserlagenstapel durchtränkt.
Nach Abschluss der Durchtränkungsphase werden die beiden Ventile 12, 13 geschlossen und das Faserverbundlaminat im Formwerkzeug 2 unter Wärmeeinwirkung und weiterer Pressdruckbeaufschlagung ausgehärtet, woraufhin die Vakuumfolie 4 abgenommen und die Hilfslagenschicht 9, 10, 11 entfernt wird (2).
Das so gehärtete Faserverbundlaminat wird anschließend mit zwei weiteren Kohlefaserschichten 15, 16, einem weiteren Sandwichkern 17, einem Glasfasergewebe 18, einem Kohlefasergewebe 19 und wiederum einer Hilfslagenschicht 20, erneut aus einem Abreißgewebe, einer Lochfolie und einem Saugvlies, belegt und in eine entsprechende größere Vakuumfolie 4' eingeschlossen und anschließend werden die im trockenen Zustand neu hinzugefügten Faserlagen in gleicher Weise wie beim ersten Fertigungsschritt (1) unter äußerer Pressdruckeinwirkung zunächst im Wege der Vakuuminjektion matrixdurchtränkt und dann ausgehärtet, wobei sich die neuen und die zuvor ausgehärteten Faserlagen innig miteinander verbinden. Nach dem Entformen und dem Entfernen der Hilfslagen 20 entsteht eine symmetrisch aufgebaute Faserverbundstruktur 1 großer Bauteilfestigkeit und -steifigkeit (4), die auf Seiten der Kohlefaserschicht 6 hohen Oberflächenanforderungen genügt.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer viellagigen Faserverbundstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass – in einem ersten Fertigungsschritt ein Teil der Faserlagen (6, 7) im noch ungetränkten Zustand in ein Formwerkzeug (2) eingelegt und in diesem im Wege des Vakuuminjektionsverfahrens matrixdurchtränkt und ausgehärtet wird und – in einem zweiten Fertigungsschritt ein weiterer Teil (15 bis 19) der ungetränkten Faserlagen unter Zwischenlage der zuvor gehärteten Faserverbundschichten in gleicher Weise wie im ersten Fertigungsschritt matrixdurchtränkt und ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Fertigungsschritte mit einem einzigen, aus einer starren und einer austauschbaren, flexiblen Formfläche (3, 4) bestehenden Formwerkzeug (2) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der an der Formkavität des Formwerkzeugs anliegende Vakuuminjektionskreis (12, 13, 14) nach dem Durchtränken der Faserlagen vom Formwerkzeug getrennt wird und die Faserlagen sowohl in der Vakuuminjektions- als auch in der Aushärtphase von außerhalb der Formkavität mit einem Pressdruck (p) oberhalb des Umgebungsdrucks beaufschlagt werde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserlagen (6, 7; 15–19) auf Seiten der flexiblen Formfläche (4) des Formwerkzeugs (2) vor dem Durchtränken mit Hilfslagen einschließlich eines Abreißgewebes (9) und eines Saugvlieses (11) belegt und die Hilfslagen nach dem Aushärtprozess entfernt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Faserlagen ein Sandwichkern (8; 17) eingelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die starre Formfläche (3) des Formwerkzeugs (2) vor dem Einlegen der Faserlagen mit einem Vorgelat (5) beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die starre Formfläche (3) des Formwerkzeugs (2) in beiden Fertigungsschritten mit einem Vorgelat (5) beschichtet und dieses anschließend mit den jeweils noch unausgehärteten Faserlagen belegt wird.