DE19813104A1

DE19813104A1 - Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen

Info

Publication number: DE19813104A1
Application number: DE19813104A
Authority: DE
Inventors: Juergen Filsinger
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 1998-03-25
Filing date: 1998-03-25
Publication date: 1999-09-30

Abstract

Die Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen aus in einer evakuierbaren Vakuumfolie befindenden, eine Fasern umfassende sogenannte Preform (4) und einem Matrixmaterial (3), wobei zwischen dem herzustellenden Faserverbundbauteil und der Vakuumfolie (13) eine poröse Membran (6) angebracht wird, deren Poren derart dimensioniert sind, daß man Luft ungehindert entweichen läßt und das flüssige Matrixmaterial (3) zurückhält.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen aus in einer evakuierbaren Vakuumfolie befindenden eine Fasern umfassende sogenannte Preform und einem Matrixmaterial.

Faserverbundbauteile haben sowohl hinsichtlich ihrer produzierten Mengen als auch ihrer vielfältigen Einsatzgebiete in den letzten Jahren außerordentlich stark an Interesse gewonnen. Ausschlaggebend dafür sind zweifelsohne die große Viel falt der Verarbeitungs- und Gestaltungsmöglichkeiten, sowie die Wirtschaftlich keit bei der Fertigung von Formteilen. Durch den flüssigen Aggregatzustand des Matrixmaterials ist eine vielseitige und komplizierte Formgebung ohne großen Energieaufwand möglich, was eine einfachere Verarbeitung ermöglicht als bei der Umformung von festem Halbzeug. Die Temperaturbelastung von Maschinen und Werkzeug ist bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen um ein viel faches geringer als bei der Verarbeitung flüssiger Metalle. Mit einem geringen Aufwand an Kraft und Material können große Formteile ohne Schwierigkeiten hergestellt werden.

Aus Otto Schwarz: "Glasfaserverstärke Kunststoffe", Vogel Verlag, Würzburg (1975) geht ein Gummisack-Vakuumverfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen als bekannt hervor, bei dem das formgebende Werkzeug, die Preform und das Matrixmaterial unter einer elastischen Folie aus Gummi, Polyethylen oder Polyvinylalkohol angebracht sind, und die Folie beim Anlegen eines Unterdrucks über eine Vakuumpumpe, die Preform samt Matrixmaterial bis zum Abschluß der Härtung auf das formgebende Werkzeug preßt. Das formgebende Werkzeug kann dabei durchaus mehrteilig sein und aus mehreren Druckstücken bestehen, wie das bei bestimmten Formgebungen der Fall sein muß. Typisch für dieses Verfahren ist der Rand der Anordnung, in dem die Spannvorrichtung für die Folie und die Ablaufrinnen für das Matrixmaterial samt Entlüftungsstutzen untergebracht sind. Außerdem können zwischen formgebendem Werkzeug und herzustellendem Faserverbundbauteil Trennmittel eingesetzt werden, die das Ablösen des fertigen Faserverbundbauteils vom Werkzeug erleichtern.

Nachteilig wirkt sich bei diesem Verfahren aus, daß bei niedrigviskosen Matrix materialien Lufteinschlüsse nicht verhindert werden können. Außerdem muß mit einem Überschuß an Matrixmaterial gearbeitet werden, da dieses beim evakuie ren über den Entlüftungsstutzen in die Ablaufrinnen für das Matrixmaterial ge langt und nicht mehr zum Infiltrieren der Preform genutzt werden kann. Bei mehrteiligen formgebenden Werkzeugen, bei denen verschiedene Druckstücke zwischen herzustellendem Faserverbundbauteil und Folie eingesetzt werden, kommt es zu deren Benetzung mit flüssigem Matrixmaterial, wodurch die Druck stücke nach der Herstellung des Faserverbundbauteils mit großem Arbeitsauf wand wieder gereinigt werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Her stellung von Faserverbundbauteilen aus in einer evakuierbaren Vakuumfolie be findenden, eine Fasern umfassende sogenannte Preform und einem Matrix material, dahingehend weiterzuentwickeln, daß auch bei niedrigviskosen Ma trixmaterialien Lufteinschlüsse verhindert werden können und somit eine bessere Laminatqualität herbeigeführt werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfin dungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem herzustellendem Faser verbundbauteil und der Vakuumfolie eine poröse Membran angebracht wird, deren Poren derart dimensioniert sind, daß man die Luft ungehindert entweichen läßt und das flüssige Matrixmaterial zurückgehalten wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, Faserverbundbauteile auch mit niedrigviskosen Matrixmaterialien herzustellen, ohne daß Lufteinschlüsse im Faserverbundbauteil entstehen. Außerdem ist kein Überschuß an Matrixmaterial erforderlich, da die poröse Membran zwar die Luft auf dem Infiltrationsbereich, der durch die enganliegende Vakuumfolie nicht größer ist als das zu fertigende Faserverbundbauteil, entweichen läßt, das Matrixmaterial aber zurückgehalten wird, wodurch es nicht vor dem Entlüftungsstutzen in Ablaufrinnen aufgefangen werden muß und nicht mehr für den Infiltrationsvorgang zur Verfügung steht. Des weiteren können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Hilfsstoffe wie z. B. Druckstücke von mehrteiligen formgebenden Werkzeugen ohne Verlust ihrer Aufgabe auch außerhalb der porösen Membran angebracht werden, wodurch sie nicht mit dem flüssigen Matrixmaterial benetzt werden, was den Reini gungsaufwand der Werkzeuge nach der Herstellung des Faserverbundbauteils minimiert.

Vorteilhaft gestaltet sich die Verwendung von porösen Membranen, deren Poren/ Öffnungen einen Durchmesser zwischen 1 µm und 5 µm, insbesondere einen Durchmesser von 3 µm aufweisen. Die Festlegung der Bereichsgrenzen der Durchmesser ist nur als bevorzugte Angabe anzusehen, nicht jedoch als eine Beschränkung der Erfindung. Die genaue Größe hängt ab vom Benetzungs verhalten der verwendeten Matrixmaterialien und angewendeten Folien.

Als poröse Membranen kommen bevorzugt dünne Polyurethan-Folien (PU-Fo lien) oder dünne Teflon-Folien (PTFE-Folien) in Betracht, die sich sehr gut der Kontur des herzustellenden Faserverbundbauteils anpassen und somit einen op timalen Herstellungsprozeß gewährleisten.

Vorteilhaft werden PU- oder PTFE-Folien mit einer Dicke im Bereich zwischen 10 µm und 60 µm verwendet. Bei derartigen Folien bedingt deren Herstellungs prozeß die Erzeugung von Poren der beim Einsatz dieser Materialien gewünsch ten Porengröße, so daß kein zusätzlicher Arbeitsschritt notwendig ist, um die Fo lie mit den Poren zu versehen, wodurch der Aufwand minimiert wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zwischen der porösen Membran und der Vakuumfolie Gewebe und/oder Vliese eingelegt, um nach der Herstellung des Faserverbundbauteils bei der De montage der Anordnung das Ablösen der Vakuumfolie von der porösen Mem bran zu erleichtern. Ebenfalls ist es bei der Verwendung von mehrteiligen Werk zeugen vorteilhaft, die Druckstücke auf die eingebrachten Vliese und/oder Ge webe zu legen, so daß die Druckstücke zwar formgebend auf das herzustellende Faserverbundbauteil wirken, nicht aber mit dem Matrixmaterial in Verbindung kommen, wodurch sie vor einem weiteren Einsatz nicht gereinigt werden müssen.

In manchen Fällen werden die Druckstücke aber bevorzugt zwischen poröser Membran und herzustellendem Faserverbundbauteil eingesetzt. Dies ist vor allem dann von Vorteil, wenn die unter den Druckstücken angebrachte poröse Mem bran bei einer komplizierten Formgebung des Faserverbundbauteils Falten wirft und somit die Oberfläche schädigen würde.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens befindet sich zwi schen der porösen Membran und dem Faserverbundbauteil ein Gewebe und/oder Vlies, so daß ein Verkleben der Membran mit dem Matrixmaterial erschwert wird.

Eine Vereinfachung kann herbeigeführt werden, wenn an Stelle der eingesetzten Vliese und/oder Gewebe bevorzugt Verbundmaterialien eingesetzt werden, bei denen die Vliese und/oder Gewebe auf die poröse Membran auflaminiert werden. Bei dieser Ausgestaltungsform wird ein Arbeitsschrift eingespart, da sowohl das Vlies/Gewebe als auch die poröse Membran gleichzeitig auf die Preform aufge bracht werden.

Für das Einbringen der Preform und des Matrixmaterials stehen mehrere Mög lichkeiten zur Verfügung. Vorteilhaft wird die Preform als Faserhalbzeug und das Matrixmaterial in flüssiger Form eingebracht (Resin Infusion). Es können aber auch Gründe in Form von speziellen Materialien vorliegen, die es notwendig machen, die Preform als Faserhalbzeug und das Matrixmaterial in Form von Filmen unter bzw. auf der Preform (Resin Film Infusion) oder die Preform mit dem Matrixmaterial als vorimprägniertes Faserhalbzeug (Prepregs) einzusetzten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsform näher beschrieben, aus der sich weitere Einzelheiten, Merk male und Vorzüge ergeben.

Die Figur zeigt den Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Herstellung einer mit einem Profil versteiften Platte durch Resin-infusion.

Bei diesem Verfahren wird auf einer Grundplatte 1 eine Dichtung 2 (General Sealants GS#100) entsprechend der Größe des herzustellenden Faserverbund bauteils aufgebracht. In diesen Bereich wird das auf ca. 70° erwärmte flüssige Matrixmaterial 3 (Epoxidharz Ciba RTM6) gegossen. Dessen Masse errechnet sich anhand der Preform 4 aus der Masse der Fasern m_F, der Masse der Matrix m_H, der Dichte der Fasern ρ_F, der Dichte der Matrix ρ_H, dem angestrebten Faservolumenanteil ϕ_F und dem Matrixvolumenanteil ϕ_H zu:

Durch den Einsatz der porösen Membran wird ein Entweichen des Matrixmate rials aus dem Infiltrationsraum unterbunden, so daß über den gegebenen Zusam menhang die benötigte Menge an Matrixmaterial exakt bestimmt werden kann und ein Verlust nicht einkalkuliert werden muß.

In der dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei der auf das Matrix material 3 und innerhalb der Dichtung 2 aufgesetzten Preform 4 um ein vernähtes Kohlefaser-Multiaxialgelege mit einer Dichte der Kohlefasern von 1,78 g/cm³. Über der Preform 4 wird innerhalb der Dichtung 2 eine Lage Abreißgewebe 5 angebracht. Dies erleichtert nach Beendigung des Herstellprozesses das Ablösen des Faserverbundbauteils von den restlichen aufgebrachten Lagen, ist aber für das Herstellverfahren nicht unbedingt notwendig.

Der Reaktionsraum der Imprägnierung wird anschließend durch die poröse Membran 6, eine Polyurethan-Folie der Dicke 55 µm abgeschlossen, in dem diese über die Preform 4 und das Abreißgewebe 5 gelegt und auf der Dichtung 2 angeklebt wird.

Auf der porösen Membran 6 wird ein Vlies 7 angebracht, welches das Abnehmen der darauffolgenden Komponenten der Vorrichtung nach der Herstellung des Faserverbundbauteils erleichtert. Auch hier ist, wie beim Abreisgewebe 5, eine Anordnung ohne Vlies 7 möglich. Auch der Einsatz eines Laminats, bei dem das Vlies 7 und die poröse Membran 6 einen festen Verbund bilden, ist möglich.

Auf das Vlies 7 werden in der beschriebenen Ausführungsform fünf Druckteile 8, 9, 10, 11, 12 des mehrteiligen formgebenden Werkzeugs derart aufgebracht, daß die Form des herzustellenden Faserverbundbauteils durch den zwischen der Grundplatte 1 und den fünf Druckteilen 8 bis 12 gegebenen Raum definiert ist. Durch die Anordnung der Druckstücke 8 bis 12 außerhalb der porösen Membran 6 kommen diese bei der Infiltrierung nicht mit dem Matrixmaterial 3 in Be rührung, so daß eine Reinigung nach der Herstellung des Faserverbundbauteils entfällt. Bei komplexen Geometrien der herzustellenden Faserverbundbauteile können auch Umstände vorliegen, die es notwendig machen, alle oder nur be stimmt Druckteile zwischen Preform 4 und poröser Membran 6 anzubringen.

Zur Evakuierung des Aufbaus wird eine ein Anschlußstück 14 zu einer Vakuum pumpe aufweisende Vakuumfolie 13 über den bisherigen Aufbau gelegt, mittels eines Dichtbandes 16 (General Sealants GS#100) derart auf der Grundplatte 1 befestigt, daß durch die Vakuumfolie 13 und die Grundplatte 1 ein gasdichter Raum entsteht.

Der gesamte Aufbau wird mit einer an das Anschlußstück 14 angeschlossenen Vakuumpumpe evakuiert und in einem Autoklaven über einen den verwendeten Materialien angepaßten Temperatur-Vakuum-Zyklus infiltriert und ausgehärtet. Dabei gewährleistet das Vlies 7 zwischen der porösen Membran 6 und der Va kuumfolie 13 den Transport der in der Preform 4 befindlichen Luft zur Vakuum pumpe.

Bei der dargestellten Ausführungsform wurde die sogenannte Resin Infusion-Me thode angewendet, bei der neben der Preform 4 das Matrixmaterial 3 in flüssiger Form eingesetzt wird. Natürlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf diese Methode beschränkt. Vielmehr kann es auch bei der sogenannten Resin Film Infusion-Methode und bei der Verwendung von Prepregs eingesetzt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen aus in einer evakuierbaren Vakuumfolie befindenden eine Fasern umfassende sogenannte Preform (4) und einem Matrixmaterial (3), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem herzustellenden Faserverbundbauteil und der Vakuumfolie (13) eine poröse Membran (6) angebracht wird, deren Poren derart dimensioniert sind, daß man Luft ungehindert entweichen läßt und das (flüssige) Matrixmaterial (3) zurückhält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Poren/Öffnungen in der porösen Membran (6) in einem Bereich von 1 µm bis 5 µm, bevorzugt 3 µm eingestellt wird.

3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Polyurethan-Folie (PU-Folie) oder eine Teflon-Folie (PTFE-Folie) als poröse Membran (6) eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Folie zwischen 10 µm und 60 µm liegt.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen poröser Membran (6) und Vakuumfolie (13) (ein) Gewebe und/oder (ein) Vlies(e) (7) und/oder (ein) Druckstück(e) (8, 9, 10, 11, 12) eingebracht wird/werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen poröser Membran (6) und her zustellendem Faserverbundbauteil (ein) Gewebe (5) und/oder (ein) Vlies(e) und/oder (ein) Druckstück(e) eingebracht wird/werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe und/oder das Vlies als fester Verbund mit der porösen Membran (6), d. h. als Laminat, eingesetzt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Preform (4) als Faserhalbzeug und das Matrixmaterial (3) in flüssiger Form oder die Preform (4) als Faserhalbzeug und das Matrixmaterial (3) als Film oder die Preform (4) als mit Matrixmaterial (3) vorimpregnierte Faserhalbzeuge sogenannte Prepregs eingesetzt wird.