DE19803909A1

DE19803909A1 - Verfahren zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Hohlkörpern im Harzinjektionsverfahren

Info

Publication number: DE19803909A1
Application number: DE1998103909
Authority: DE
Inventors: Ulf Dipl Ing Lehmann; Wolfgang Papst
Original assignee: Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Current assignee: Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Priority date: 1998-02-02
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 1999-08-05

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik Harzinjektionsverfahren

Das Harzinjektionsverfahren ist ein automatisiertes Verfahren zur reproduzierbaren Herstellung von endlosfaserverstärkten Formteilen mit duroplastischer Matrix /1-3/. Dabei werden als Verstärkungsmaterial trockene textile Halbzeuge (meist Matten, Vliese, Gewebe, Gelege oder Gestricke) in eine geteilte verriegelbare Form einge legt. Nachdem die Form geschlossen wurde, wird mit Hilfe eines Injektionsaggregats das reaktive duroplastische Matrixsystem in die Formkavität injiziert, wobei die Texti lien durchtränkt werden. Nachdem die Kavität komplett gefüllt und die Vernetzungs reaktion durch Wärme oder Beschleuniger initiiert und beendet wurde, kann das aus gehärtete Bauteil entformt werden.

Kerntechniken

Die Herstellung von hohlen Formteilen oder flächigen Formteilen mit partieller Hohlstruktur macht den Einsatz von Kernen erforderlich. Hierfür werden häufig Wachskerne /4-5/, Kerne aus Metallegierungen oder Kerne aus Gips oder Salzkri stallen verwendet. Außerdem kommt ein Verfahren zum Einsatz, bei welchem Flug asche in einer geschlossenen Folie mit Vakuum evakuiert wird, wodurch ein fester Kern entsteht /6-7/. All diese Kerne sind nach der Formgebung zu entfernen: Wachse und Metallegierungen werden ausgeschmolzen, Salze und Gipse werden ausgewa schen. Die Flugasche kann hingegen aus der geöffneten Folie gerieselt werden.

Ein anderes Verfahren zur Herstellung von hohlen Formteilen ist das sogenannte Schlauchblasverfahren /8/, bei dem vorimprägnierte textile Verstärkungsmaterialien (Prepregs) um einen flexiblen oder starren Polymerschlauch gewickelt werden, wel cher in einer geschlossenen Form mit einem Gas (meist Preßluft) unter Druckbeauf schlagung aufgeblasen wird. Dabei drapieren sich die Prepregs und härten anschlie ßend unter Wärmezufuhr aus. Das gleiche Verfahren kann zur Anwendung kommen, wenn trockene Verstärkungshalbzeuge verwendet werden und das reaktive Matrix system nach der Ausformung durch den Polymerschlauch in diese injiziert wird /9-15/ (Schlauchblas-RTM-Verfahren). Wenn das Bauteil ausgehärtet ist, kann der Schlauch entweder im Bauteil verbleiben oder entformt und wiederverwendet wer den. Im Vergleich zu den anderen Hohlkörperverfahren ist dieses Verfahren preis werter und zeichnet sich durch eine einfachere Preformgestaltung aus, da die Dra pierung der Verstärkungsmaterialien durch den sich ausformenden Polymerschlauch übernommen wird. Außerdem muß kein separater Verfahrensschritt zur Herstellung eines Kerns (z. B. Gießen eines Wachskerns) erfolgen. Dieses Verfahren ist auch für Hohlkörper denkbar, wo anstatt eines Schlauchs eine sogenannte Blase eingesetzt wird. Ferner ist dieses Verfahren auch für die Serienfertigung tauglich /16/.

Nachteile beim Stand der Technik

Nachteil dieser "Aufblastechnik" ist jedoch der mit einem kompressiblen Gas gefüllte Schlauch. Bei geringen Blasdrücken (der während der Harzinjektion aufrecht gehal ten werden muß) kann das textile Verstärkungsmaterial bereits so stark verpreßt werden, daß eine Tränkung unmöglich wird, da die Durchlässigkeit (Permeabilität) der Textilien zu gering ist. Negativ verstärkt wird dies noch dadurch, daß der Injek tionsdruck den Blasdruck nicht übersteigen darf, da ansonsten der Schlauch kolla biert und die Geometrie des Formteils zerstört. Daraus resultiert, daß der Blasdruck gering gehalten werden muß, um eine starke Verpressung der textilen Halbzeuge zu vermeiden. In diesem Fall muß aber auch ein noch geringerer Injektionsdruck vorlie gen, der aber unter Umständen zu gering sein kann, um die Fließfront voranzutrei ben. Aus diesem Grund folgt, daß oft nur Bauteile mit relativ geringem Faservolu mengehalt herstellbar sind.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dessen Hilfe end losfaserverstärkte hohle Formteile mit reaktiver polymerer Matrix mit einer einfachen Kerntechnologie hergestellt werden können. Ein wesentlicher Bestandteil der Aufga be ist es, eine Vorrichtung für das Ausformen der Hohlraumgeometrie im Werkzeug zu schaffen, durch welche die textilen Verstärkungshalbzeuge in der verriegelten Form zunächst vordrapiert werden können, dabei aber noch nicht stark verpreßt wer den. Dazu soll ein nahezu inkompressibles, flüssiges Medium genutzt werden, wel ches schrittweise in eine expandierbare Polymerblase eingefüllt wird. Eine wichtige Charakteristik des flüssigen Mediums ist, daß es beheizbar ist. Diese Kerntechnik soll vor allem in Verbindung mit einem Harzinjektionsverfahren (RI, RTM, SRIM) ein gesetzt werden.

Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Durch das schrittweise Einfüllen eines nahezu inkompressiblen, beheizbaren flüssi gen Mediums in eine Polymerblase lassen sich gegenüber der Druckbeaufschlagung mit einem Gas folgende Vorteile verzeichnen:

- Der Injektionsdruck läßt sich beliebig erhöhen und wird nicht mehr durch den Blasdruck bestimmt, da das Füllmedium nahezu inkompressibel ist.
- Die beheizte Flüssigkeit erwärmt die im Werkzeug eingelegten textilen Halbzeu ge, wodurch eine Formtemperierung überflüssig wird und so Kosten beim For menbau eingespart werden können.
- Durch die beheizte Flüssigkeit kann aufgrund der großen gespeicherten Wärme menge schnell und effizient eine Vernetzungsreaktion initiiert werden. Dadurch wird die Zykluszeit reduziert.
- Bei geeigneter, schrittweiser Prozeßführung kann das textile Verstärkungsmateri al zunächst vordrapiert und vorkomprimiert werden - dadurch kann die Permea bilität der Verstärkung relativ gering gehalten werden. Nach erfolgter Tränkung kann dann maximal komprimiert werden. Dadurch läßt sich die Injektionsge schwindigkeit steigern, was die Zykluszeit verringert. Außerdem kann eine maxi male Verpressung der Textilien erzielt werden, wobei hohe Faservolumengehalte ermöglicht werden. Dies ist vor allem vorteilhaft für die Fertigung von Struktur bauteilen.
- Durch eine spezielle Einlaufvorrichtung und ein spezielles Einlaufventil, die Be standteil der Erfindung sind, sind eine einfache Anwendung und gleichzeitig eine Wiederverwendbarkeit der Polymerblase gesichert.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Es gibt eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für hohle Formteile, zum Bei spiel Rohre (mit Querschnittserweiterung oder Achskrümmung), verzweigte Rohr strukturen (Fahrradrahmen), Behälter (Druckflaschen, Tanks), Strukturbauteile (hohle Holmprofile, Querträger, Stabilisatoren), Turbinenschaufeln, Flügelräder, Lüfterräder, flächige Bauteile mit partieller Hohlstruktur (Kfz-Unterbodengruppe, Paddel) usw.

Ausführungsbeispiele für das Verfahren zur Herstellung von endlosfaserverstärkten hohlen Formteilen sind in den folgenden Fig. 1-5 dargestellt und werden im wei teren Verlauf beschrieben. Es folgt ein Ausführungsbeispiel für einen beispielhaften Hohlkörper (z. B. Behälter). Es zeigen

Fig. 1 Evakuieren der Polymerblase und Anordnung der textilen Halbzeuge

Fig. 2 Bestücken der Harzinjektionsform

Fig. 3 1. Schritt: Füllen der Polymerblase mit flüssigem, beheizbarem Medium (Vordrapierung der textilen Halbzeuge)

Fig. 4 Harzinjektion in die vordrapierten textilen Halbzeuge

Fig. 5 2. Schritt: Weiteres Befüllen der Polymerblase zur endgültigen Verpres sung des Verstärkungsmaterials (Konsolidierungsphase)

Fig. 6 Erneutes Evakuieren der Polymerblase und Entformen des ausgehär teten Bauteils.

Grundsätzlich können alle Varianten des Harzinjektionsverfahrens eingesetzt wer den.

Fig. 1 zeigt, wie die verwendete Polymerblase (1) mit Hilfe eines Klemmverschlus ses (2) an einem Einlaufventil (3) befestigt ist. Die Polymerblase (1) kann dehnbar sein oder starr, wobei sie dann die Geometrie des Hohlraumes (15, Fig. 5) abbilden muß. Mit Hilfe von Vakuum (4) wird die Blase (1) über das Einlaufventil (3) entlüftet und evakuiert. Ein Verschluß (5a) am Ventil (3) ist dabei geöffnet. Gleichzeitig kön nen textile Verstärkungsmaterialien (6) um die Blase angeordnet werden, wobei durch eine geeignete Fixierung oder Vorformung ein stabiler Preform, bestehend aus Verstärkungsmaterial (6) und evakuierter Blase (1), entsteht.

Fig. 2 zeigt das Bestücken der Harzinjektionsform (hier beispielhaft bestehend aus linker (9a) und rechter (9b) Formhälfte) mit dem durch evakuierte Polymerblase (7) und definiert angeordnetem Verstärkungsmaterial (6) gekennzeichneten Preform. Die Kavität der Form (8a, b) bildet den späteren Hohlkörper (14, Fig. 5) ab. Das Einlauf ventil (3) ist hierzu mit Hilfe des Verschlusses (5b) verschlossen worden.

Fig. 3 zeigt das Befüllen der Polymerblase (1) mit einem flüssigen, beheizbaren Medium (10) (zum Beispiel Wasser oder Öl) im ersten Schritt, welches mit Hilfe einer Einlaufvorrichtung (11) (z. B. Pumpe oder Druckkessel) über das Einlaufventil (3) mit geöffnetem Verschluß (5a) in die Polymerblase (1) gelangt und dabei die trockenen textilen Halbzeuge (6) entsprechend der Kavitätsgeometrie (8a, b) drapiert. Nachdem die Blase (1) gefüllt und die Verstärkungstextilien (6) ausreichend vordrapiert wurden, wird am Einlaufventil (3) der Verschluß geschlossen (5b). Das beheizte Medium er wärmt nun die Verstärkungsmaterialien (6) und die Kavitätsoberflächen (8a, b).

Fig. 4 zeigt den beispielhaften Ablauf der Harzinjektion. Über einen Angußkanal (12) wird ein reaktives polymeres Matrixsystem (13) in die vordrapierten Verstär kungsmaterialien (6) injiziert. Die Luft wird durch geeignete Entlüftungskanäle, die hier nicht näher bezeichnet sind, ausgetrieben. Dies kann mit Hilfe von Vakuum un terstützt werden.

Fig. 5 zeigt die endgültige Konsolidierung der getränkten Verstärkungsmaterialien (6) (2. Schritt). Wenn das Verstärkungsmaterial (6) komplett oder teilweise getränkt wurde, wird der Flüssigkeitsdruck des Mediums (10) noch erhöht, um die Verstär kungsmaterialien (6) komplett zu drapieren und dabei zusätzlich zu komprimieren. Dabei wird der Faservolumengehalt erhöht, und die endgültige Form des Bauteils (14) wird, erzielt. Überschüssiges Harz wird über Entlüftungen aus der Form ausge tragen bzw. es werden ungetränkte Bereiche getränkt. Schließlich härtet das reaktive Matrixsystem (13) aus, was durch die Wärme des beheizten Mediums (10) initiiert wurde.

Fig. 6 zeigt das Entformen des fertigen Bauteils (14) bei gleichzeitiger Evakuierung der Polymerblase (1). Dazu wird das Einlaufventil (3) am Verschluß (5b) geöffnet, und das flüssige Medium (10) wird mit der Einlaufvorrichtung (11) aus der Blase (1) entfernt. Dabei wird die Blase (1) erneut evakuiert und löst sich von der Forminnen kontur (15) des ausgehärteten hohlen, Formteils (14). Nach Verschluß (5a) des Ein laufventils (3) steht die Polymerblase (1) für den nächsten Zyklus zur Verfügung.

LITERATUR

/1/ R. Kötte Der Resin-Transfer-Molding Prozeß Dissertation an der RWTH Aachen, 1990
/2/ J. H. Dyckhoff Resin Transfer Moulding: Beitrag zur Verbesse rung der Formteiloberflächenqualität Dissertation an der RWTH Aachen, 1995
/3/ J. Potter Resin Transfer Moulding Chapman & Hall, London, 1997
/4/ T. de Kalbermatten A. Simone RTM-Technologie für einen integrierten Heckspoi lerdeckel in: Kunststoffe im Automobilbau, VDI-Verlag, Düs seldorf, 1995
/5/ W. Ramin P. Mast Resin Transfer Moulding - Technologie für einen integrierten Heckspoilerdeckel in: Kunststoffe im Automobilbau, VDI-Verlag, Düs seldorf, 1995
/6/ M. Fletcher "Smart" core structures eclipse foam European Automotive Design 1 (1997) 1
/7/ N. Brooks Hollow RTM becomes a booming business Reinforced Plastics 39 (1995) 1, Elsevier Science, London, S. 20-23
/8/ R. Kasseckert Verfahren zur Herstellung hohler Bauteile aus fa serverstärkten Kunststoffen Offenlegungsschrift Nr. DE 40 39 231 A1 Deutsches Patentamt München, 1992
/9/ R. B. Freeman Hollow Reinforced Fiber Structure Formed by Re sin Transfer Molding United States Patent No. 4.808.362 United States, 1989
/10/ W. Michaeli U. Lehmann Harzinjektion: Auf den Blasdruck kommt es an Plastverarbeiter 48 (1997) 4, Hüthig-Verlag, Hei delberg
/11/ W. Michaeli U. Lehmann Sonderverfahren: Das kombinierte Schlauchblas- RTM-Verfahren In: RTM/SRIM: Serienfertigung von Faserverbund bauteilen, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1996
/12/ W. Michaeli U. Lehmann Combined moulding speeds hollow parts Reinforced Plastics 40 (1996) 3, S. 40-43, Elsevier Science, London
/13/ W. Michael U. Lehmann Improved processing of resin transfer moulding for the production of hollow parts with inflatable blad ders 42^nd

International SAMPE Symposium, 5.-8. Mai 1997, Anaheim, USA
/14/ W. Michaeli U. Lehmann Automated Production of Hollow Composite Parts with Complex Geometry in Resin Transfer Moul ding 5^th

International Conference on Automated Com posites, 4.-5. September 1997, Glasgow, Schott land
/15/ W. Michaeli U. Lehmann Preforming of Fiber-Reinforced Hollow Compo nents with the Resin Transfer/Bladder Molding Process 9^th

Advanced Composites Conference and Exposi tion, 7.-10. April 1997, Detroit, USA
/16/ Ziegmann, G. Hintermann, M. Schütz, Entwicklung eines Faserverbund-Fahrrades unter Ausnutzung der speziellen Materialeigenschaften In: 10 Jahre Bauweisenlabor, IKB, ETH Zürich, 1997

Bezugszeichenliste

1

Polymerblase

2

Klemmverschluß

3

Einlaufventil

4

Vakuum

5

Verschluß a) geöffnet b) geschlossen

6

Verstärkungsmaterial

7

evakuierte Polymerblase

8

Formkavität

9

Form

10

flüssiges, beheizbares Medium

11

Einlaufvorrichtung

12

Angußkanal

13

reaktives polymeres Matrixsystem

14

Bauteil

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von endlosfaserverstärkten hohlen Formteilen im Harz injektionsverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß beliebige Verstärkungsmaterialien (6) in einer mehrteiligen verriegelten Form (9) durch schrittweises oder kontinuierliches Be füllen eine beliebig ausgeformten Polymerblase (1) mit einem vorzugsweise druckkontrollierten flüssigen, beheizbaren Medium (10) drapiert (ausgeformt) und an die Kavitätsoberfläche (8) angepreßt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Befüllen der Polymerblase (1) schrittweise erfolgt: Zunächst wird die Blase (1) in einem ersten Schritt so befüllt, daß sich die Verstärkungsmaterialien (6) an die Kavitätsoberfläche anlegen, aber noch nicht maximal verpreßt werden, um so die Permeabilität relativ gering zu halten (Dra pierphase). In einem weiteren Schritt wird nach erfolgter Tränkung der Verstär kungsmaterialien (6) die Blase (1) weiter befüllt, wodurch das Verstärkungsmate rial (6) komprimiert wird und überschüssiges Harz in noch ungetränkte Bereiche gelangen kann oder über Entlüftungen ausgetrieben wird (Konsolidierungspha se).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Befüllen der Polymerblase (1) auch bei kon tinuierlichem Druckanstieg erfolgen kann.

4. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Befüllen der Polymerblase (1) mit einem flüssigen Medium (10) eine spezielle Einlaufvorrichtung (11) dient, die für die Förderung des beheizten flüssigen Mediums (10) und den nötigen Anpreßdruck durch Aufbringen eines Flüssigkeitsdrucks in der Blase (1) sorgt.

5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Befüllen der Polymerblase (1) über ein Ein laufventil (3) inklusive Verschluß (5) erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgter Harzinjektion bei einer definierten Verpressung des Verstärkungsmaterials (6) durch das Befüllen der Polymerblase (1) mit einem flüssigen Medium (10) dieser Verpressungsdruck durch weiteres Befüllen der Blase (1) mit dem Medium (10) über das Einlaufventil (3) mit Hilfe der Einlaufvorrichtung (11) erhöht werden kann.

7. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerblase (1) als Schlauch mit zwei Öff nungen realisiert wird, wobei der Schlauch vom Medium (10) durchströmt wird und ein zweites Auslaßventil als Drossel wirkt. Dadurch wird im Schlauch ein Druck aufgebaut, der den Schlauch ausformen läßt. Es entsteht dabei ein Bauteil mit zwei Öffnungen, wobei diese Endbereiche Anschluß- oder Krafteinleitungs aufgaben übernehmen können.