DE2135181C3 - Herstellung von faserverstärkten, hochfesten, starren Formkörpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von faserverstärkten, hochfesten, starren Formkörpern.

Für mannigfache konstruktive Zwecke haben faserverstärkte Werkstoffe wegen ihrer Eigenschaftskombination von geringem Gewicht und hoher Festigkeit, die durch Verwendung von Fasern aus beispielsweise Kohlenstoff, Bor oder Glas erzielbar ist, erhöhtes Interesse gefunden. Zur Herstellung von Formkörpern aus derartigen Werkstoffen sind zwei grundsätzliche Verfahren bekannt, das Faden- bzw. Faserwickelverfahren und da-5 Auflegverfahren. Bei dem ersten Verfahren wird ein Faden bzw. Strang, der wenigstens eine mit einem Matrix-Material überzogene Faser umfaßt, zur Herstellung des Werkstoffs auf einen Dorn oder Formkern aufgewickelt; bei dem zweiten grundsätzlichen Verfahren werden mehrere Folien aus dem Fasermaterial, die mit dem Matrix-Material vorimprägniert werden, zur Herstellung des Werkstoffs aufeinandergeschichtet. Bei dem ersterwähnten Aufwickelverfahren wird der Werkstoff normalerweise in seinem aufgewickelten Zustand zur Herstellung des gewünschten Formkörpers durch Erhitzen ausgehärtet; bei dem an zweiter Stelle erwähnten Auflegeverfahren wird das Material nach dem Auflegen der Faserschichten normalerweise unter Hitzeanwendung gepreßt, um überschüssiges Matrixharz zu entfernen und den Verbundwerkstoff auszuhärten.

Beide vorstehend erwähnten Verfahren haben Nachteile. So ist das ersterwähnte Aufwickelverfahren im wesentlichen auf die Herstellung von Gegenständen in Form von Rotationskörpern beschränkt; bei dem zweiten Verfahren ist eine sehr genaue Kontrolle erforderlich, um einen Schlupf der Fasern in dem Fertigerzeugnis zu vermeiden.

Aus Hagen »Glasfaserverstärkte Kunststoffe« 1961. S. 390 und 391, bzw. Seiden »Glasfaserverstärkte Kunststoffe« 1967, S. 554 bis 556, ist es bereits bekannt, faserverstärkte Formkörper in der Weise herzustellen, daß man Matten bzw. Laminate aus den Verstärkungsfasern in eine (starre oder elastische) Form einbringt und dann im Einspritzverfahren ein Kunstharz zur Ausfüllung der Zwischenräume zwischen die Fasern unter Druck einpreßt oder unter Vakuum einsaugt. Hierbei ergeben sich jedoch Schwierigkeiten hinsichtlich einer ausreichenden Lagefixierung der Verstärkungsfasern während des Einspritz- bzw. Ansaugvorgangs des Matrix-Kunstharzes. Unterwirft man die aufgelegten Verstärkungsfasermatten bzw. -Laminate in der Form einer verhältnismäßig hohen mechanischen Pressung, &5 so muß zum Einspritzen des Matrixharzes ein verhältnismäßig hoher Druck angewandt werden, der wiederum zu Verschiebungen der Fasern führen kann. Wendet man andererseits, um mit einem verhältnismäßig geringen Einspritzdruck arbeiten zu können, nur eine relativ geringe mechanische Pressung der Verstärkungsfaserlagen in der Form an, so ist die Lagefixierung gleichfalls nicht gewährleistet. Dies hat insgesamt dazu geführt, daß diese bekannte» Verfahren nur sehr langsam ausgeführt werden können, um mit Sicherheit alle Lufteinschlüsse auszutreiben und eine Verschiebung der Glasfasern hintanzuhalten. Ebenfalls im Zusammenhang mit diesem Problem stehen Beschränkungen hinsichtlich der verwendbaren Matrixharze.

Zur Beherrschung des Problems der ausreichenden Lagefixierung wurde auch bereits ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem die Fasern zunächst verwebt und sodann im Spritzgußverfahren mit dem Matrix-Material vergossen werden, wobei die Fasern durch die Webverbindung während des Spritzgießverfahrens in ihrer Lage gehalten werden. Dieses Verfahren ist in der Ausführung verhältnismäßig schwierig und kompliziert und daher kostspielig, ohne daß hierbei eine ausreichende Fixierung unter allen Umständen zuverlässig gewährleistet würde.

Aus der DT-OS 14 79 991 ist es bekannt, Schaumstoffkörper, insbesondere elastische SchaumstofI körper, wie sie z. B. als Polsterkörper für Autositze, als elastische Unterlagen, Matratzen usw. Verwendung finden, aber auch beispielsweise für Verpackungszwecke verwendete unelastische Schaumstoffkörper, zur Versteifung mit einem inneren Fasergerüst herzustellen, das dann mit dem vorzugsweise elastischen Schaumstoff ausgeschäumt wird. Durch diese Versteifung soll insbesondere dem sogenannten »Schwimmen«, d. h. seitlichen Nachgeben, entgegengewirkt werden, zu dem aus derartigen Schaumstoffen hergestellte Gebrauchsgegenstände, insbesondere Sitz- oder Liegeunterlagen in unerwünschter Weise neigen. Zum Zusammenhalt des Fasergerüsts vor dem Ausschäumen ist dabei vorgesehen, die Fasern wenigstens an ihren gegenseitigen Berührungsstellen mit einem im trockenen Zustand elastischen Bindemittel, vorzugsweise Kautschuk, zu überziehen, um sie in mehr oder weniger sperrigem lockeren Gefüge zusammenzuhalten. Dieses Fasergerüst oder Fasergefüge wird, gegebenenfalls unter geringfügiger Kompression, in eine Form eingebracht und diese Form nach Verschließen mit dem vorzugsweise elastischen Schaumstoff, z. B. Polyurethanstoff, ausgeschäumt.

Dieses bekannte Material stellt ein vorzugsweise elastisches Schaumstoffmaterial verhältnismäßig geringer Festigkeit dar, wie es für Gebrauchszwecke mit relativ geringen Qualitätsanforderungen, wie beispielsweise für Polstermöbel, Verpackungszwecke usw., verwendet wird. Abgesehen von der geringen Festigkeit und Maßhaltigkeit ist bei dem bekannten Material durch die Verwendung eines elastischen Überzugsmaterials an den Überkreuzungsstellen der Fasern ein Schlupf sowohl zwischen den Fasern wie auch zwischen den Fasern und der umgebenden Schaumstoffmatrix unvermeidlich. Insgesamt bietet dieses bekannte Verfahren keinen Anhaltspunkt für die Herstellung starrer Formkörper mit hohen Qualitätsanforderungen insbesondere hinsichtlich Festigkeit und Maßhaltigkeit, wie sie beispielsweise für Turbinenschaufeln von Gasturbinentriebwerken erfüllt sein müssen.

Aus der deutschen Patentschrift 19 11 389 ist es bekannt, metallische Verstärkungseinlagen, beispielsweise Metalldrähte, für Kunststoffkörper, zur Erhöhung der Haftfestigkeit zwischen den Draht- oder sonstigen Me-

talleinlagen und dem Kunststoff mit einem Phenoxy-Harz zu überziehen, das wie Polysulfon-Harz zu den Polyätherharzen gehört.

Der Erfindung liegt als Aufgabe die Herstellung von faserverstärkten, hochfesten, star ^-sn Formkörpern wie beispielsweise Triebwerksturbinenschaufeln nach einem in seinen apparativen Anforderungen und seiner Durchführung einfachen und schnellen Verfallren zugrunde, bei welchem in einfacher Weise eine zuverlässige Lagefixierung der Verstärkungsfasern während dem Einspritzen des Matrixkunstharzes gewährleistet ist, ohne daß hierzu die Fasern in Bahnen oder Laminaten oder gar gewebten Bahnen aufgelegt und ohne daß die aufgelegten Fasern einer höheren mechanischen Pressung während des Einspritzvorgangs unterworfen werden müßten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung von Epoxyharz als Matrix und PoIysulfonharz als Faserüberzug bei einem Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten, hochfesten, starren Formkörpern durch Einlegen von mit einem thermoplastischen Material überzogenen Verstärkungsfasern in eine Form, wenigstens teilweises Erhitzen des Überzugsmaterials der Fasern, Einspritzen einer Matrix in die Form und Aushärten der Matrix.

Erfindungsgemäß werden somit die Verstärkungsfasern zunächst, und zwar ganz, nicht nur an ihren Überkreuzungsstellen, mit Polysulfonharz überzogen, das ein Thermoplast-Harz mit hohem Schmelzpunkt ist. Durch die vollständige Einhüllung der einzelnen Fasern mit dem hochschmelzenden Thermoplast-Harz werden die einzelnen Fasern gegen eine Beschädigung geschützt und gleichzeitig zuverlässig gewährleistet, daß an allen Verbindungsstellen der Fasern Überzugsmaterial vorhanden ist. Die Verwendung des hochschmelzenden Polysulfonharzes als Überzugsmaterial gewährleistet ferner, daß es bei einer eventuellen nachfolgenden Wärmebehandlung (beispielsweise bei der späteren Aushärtung des Matrixharzes) nicht zu einem Schlupf der einzelnen Fasern gegeneinander und gegenüber dem Matrixmaterial kommt. Die in dieser Weise überzogenen Einzelfasern werden sodann vorzugsweise in Folienform aufgelegt und so weit erhitzt, daß das PoIysulfon-Überzugsmaterial zum Erweichen kommt und zusammenfließt, wodurch nach dem Erstarren bereits ein starres, dicht gepacktes Fasergebilde vorliegt, in welchem die einzelnen Fasern allseitig von dem Überzugsharz umschlossen sind, an ihren gegenseitigen Berührungs- und Überkreuzungsstellen durch das zusammengeschmolzene und wieder erstarrte Überzugsharz fest und schlupffrei miteinander verbunden sind und auch bei nachfolgenden Erwärmungen, soweit sie nicht bis zur Schmelztemperatur des Überzugsmaterials führen, fest miteinander verbunden bleiben. In diesem Zustand können nun die in dem Fasergebilde verbliebenen Leerräume in einer einfachen Spritzgußform, in welcher die Fasern aufgelegt wurden, mit dem als Matrixharz verwendeten Epoxyharz ausgespritzt werden, wobei gleichzeitig die für den Formkörper gewünschte Form maßgenau erhalten wird. Dieses Ausspritzen der Form mit dem Matrixharz kann verhältnismäßig rasch und ohne weitere Vorsichtsmaßnahmen erfolgen, da die Fasern durch die vorhergehende Behandlung mit dem Überzugsharz zuverlässig in ihrer Lage festgehalten werden, die insbesondere auch bei kompliziert geformten Formkörpern optimal entsprechend den Festigkeitsanforderungen gewählt werden kann. Abschließend wird das im Spritzverfahren eingebrachte wärmehärtende Epoxy-Matrixharz ausgehärtet.

Bei dieser Aushärtungs-Erwärmung bleiben infolge der Verwendung des hochschmelzenden Polysulfon-Harzes als Überzugsmaterial die Fasern ebenfalls unverrückbar und schlupffrei in ihrer während dem Einlegen in die Form und beim Schmelzen des Überzugsharzes eingenommenen Lage fixiert. Im fertig ausgehärteten Formkörper ist durch die Verwendung des Polysulfonüberzugs in Kombination mit einer Epoxy-Matrix trotz der erfindungsgemäßen Maßnahme der Anwendung eines Überzugs ein optimaler schlupffreier Verbund der Verstärkungsfasern mit der Matrix, wie er Voraussetzung für die Hochfestigkeit des Werkstoffes ist, gewährleistet.

Durch die Erfindung wird somit die Anwendung des Spritzgußverfahrens mit seinen sämtlichen Vorteilen auf die Herstellung von faserverstärkten, hochfesten, starren Formkörpern beliebiger, auch komplizierter Gestalt ermöglicht. Das Verhältnis von Faser- zu Kunstharzanteil kann innerhalb enger Grenzen vorgegeben werden, die Herstellung eines von Leerräumen freien Verbundwerkstoffs mit dem gewünschten Maß an Verstärkung an den richtigen Stellen wird in einfacher Weise ermöglicht. So können beispielsweise Schaufeln für Gasturbinentriebwerke, bei denen es sich um besonders hoch beanspruchte, in ihrer genauen Formgebung und Maßhaltigkeit kritische Bauteile handelt, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß beim Einspritzen des Epoxy-Matrixharzes in der Spritzgußform mit einer verhältnismäßig geringen Pressung ausgekommen werden kann, so daß keine besonders massiven und teueren Formen und anderweitige Preßwerkzeuge mit Kraftantrieb benötigt werden, was eine erhebliche Einsparung an Anlage- und Werkzeugkosten ermöglicht.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 in schematischer Ansicht eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

F i g. 2 eine Schnittansicht im Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1,

F i g. 3 eine Detailansicht eines Teils aus F i g. 1, wobei dieser Teil der Vorrichtung seine zweite Stellung einnimmt.

Die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung weist eine Preßform 10 mit Eintritts- und Austrittsöffnungen 11 und 12 an ihren gegenüberliegenden Stirnseiten auf. Die Eintrittsöffnung ist über einen Einweg-Schmiemippel 13 mit einem mit Kraftantrieb versehenen Kolben-Zylinderaggregat 14 mit einem Beschickungseingang 15 verbunden.

Die Austrittsöffnung ist mit einer Sperr- bzw. Drosselvorrichtung 16 verbunden, die ebenfalls ein Kolben-Zylinderaggregat darstellt, wobei der Kolben mit Hilfe einer Schraubkappe 17 unter Federvorspannung steht, derart, daß je nach der Stellung der Schraubkappe 17 die Vorspannfeder entweder den Strömungsmitteleintritt in das Kolbenaggregat aus dem Kanal 12 verhindert oder aber der Austrittskanal 12 über eine Kunstharzfalle 19 mit einer Vakuumpumpe 18 in Verbindung steht.

F i g. 2 zeigt den Aufbau der Preßform 10 in Gestalt eines an der Oberseite offenen Trogs bzw. Kastens 20 mit einem Deckel 21, der mittels Bolzen 22 auf dem Trog befestigt ist.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der Vorrich-

tung bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben: In dem Trog 20 werden Fasern, die mit einem Überzug aus einem thermoplastischen Polysulfonharz versehen sind, aufgelegt. Jeweils nach dem Auflegen jeder Schicht in dem Trog wird ein erhitzter Gegenstand, wie beispielsweise ein Löteisen, in vorgegebenen Stellungen gegen die Schicht gepreßt, derart, daß die thermoplastischen Überzüge an benachbarten Fasern, und zwar sowohl in der obersten Schicht als auch zwischen dieser und der nächstunteren Schicht, zum Schmelzen gebracht werden. Hierfür geeignete Fasern mit Polysulfon-Überzug können beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß man Kohlensloffasern in eine Polysulfon-Lösung eintaucht und anschließend erhitzt, derart, daß das Kunststoffmateria! fließfähig wird und die Fasern gleichmäßig überzieht.

Dieses Verfahren wird so lange fortgesetzt, bis eine genügende Anzahl derartiger Schichten aufgebaut ist; es sei besonders betont, daß in bestimmten Fällen die Schichten auch Querlagen aufweisen können. Normalerweise wird die Anzahl der Schichten so gewählt, daß beim Auflegen des Deckels 21 auf die Oberseite des Kastens und Anziehen der Schraubbolzen 22 die Faserschichten noch zusätzlich miteinander verpreßt werden.

Die Preßform enthält somit dann eine Vielzahl von mit Polysulfonharz-Überzug versehenen Fasern, die durch das geschmolzene Kunststoffmaterial in ihrer Lage gehalten werden, wobei Zwischenräume zwischen den Fasern bestehen. Zur Imprägnierung der Fasern mit dem als Matrix-Material verwendeten wärmehärtbaren Epoxy-Kunstharz wird dieses durch den Beschikkungseingang 15 in das Kolben-Zylinderaggregat 14 eingegeben. Sodann wird das Kolben-Zylinderaggregat 14 eingegeben. Sodann wird das Kolben-Zylinderaggregat betätigt, derart, daß das flüssige Kunstharz durch den Eintrittskanal 11 in die Preßform hineingedrückl wird und die poröse Fasermasse durchdringt. Gleichzeitig wird die Vakuumpumpe 18 betätigt, um die Preßform zu evakuieren, und hierzu die Schraubkappe 17 gelockert. Dieser Zustand wird aufrechterhalten, bis das Kunstharz die Austrittsöffnung 12 erreicht. Sobald dies der Fall ist, was visuell durch das Rohr 12 oder auch an Hand der verpreßten Kunstharzmenge festgestellt werden kann, wird die Schraubkappe 17 festgezogen (vgl. F i g. 3), wodurch die Verbindung zu der Vakuumpumpe 18 durch den Kolben verschlossen wird.

Das Matrix-Kunstharz fließt in die Austrittsöffnung und durch diese in das Kolben-Zylinderaggregat 16. Dem Eintritt des Kunstharzes in den Zylinder 16 wirkt der Druck der Vorspannfeder auf den nunmehr wirksa-

ίο men Kolben entgegen; diese Federvorspannung bewirkt einen Rückstaudruck in dem Kunstharz, derart, daß dieses den an die Austrittsöffnung anschließenden Teil der Preßform vollständig ausfüllt, auch im Bereich der Ecken an der Oberseite der Preßform.

Dieser Spritzgußvorgang wird fortgesetzt, bis die Form ausreichend gefüllt ist. Sodann wird die Form von den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen mittels des Nippels 13 und eines entsprechenden Ausgangs-Verbindungsstücks abgetrennt und auf eine zum Aushärten des Harzes ausreichende Temperatur erhitzt. Der ausgehärtete Gegenstand kann sodann nach Abnehmen des Deckels aus der Form entnommen werden. In manchen Fällen kann das Harz vor dem Aushärten nur eine geringe Viskosität besitzen; der Anschlußnippel 13 verhindert dann ein Austreten des Kunstharzes an der Unterseite der Form und dadurch bedingte Leerräume.

An Stelle der mit Federvorspannung arbeitenden Sperr- bzw. Drosselvorrichtung 16 kann auch eine Ventilanordnung verwendet werden, welche den Kanal 12 vollständig absperrt, sobald das Kunstharz diesen Kanal erreicht. Mittels der Pumpe 14 wird dann die Spritzgußform unter Druck gesetzt, bis das Kunstharz zu fließen aufhört; im typischen Fall kann ein Druck von etwa 3,5 bis etwa 14 at angewandt werden.

Die Erhitzung des thermoplastischen Überzugsmaterials zum Schmelzen der Überzüge vor dem Einspritzen des Mairixharzes kann in verschiedener Weise erfolgen. Beispielsweise können hierzu heiße Walzen oder ein Punktschweißverfahren verwendet werden, bei welchem zwischen zwei Elektroden elektrischer Strom durch die überzogenen Fasern geleitet wird, der die Überzüge erwärmt und zum Schmelzen bringt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verwendung von Epoxyharz als Matrix und PoIysulfonharz als Faserüberzug bsi einem Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten, hochfesten, starren Formkörpern durch Einlegen von mit einem thermoplastischen Material überzogenen Verstärkungsfasern in eine Form, wenigstens teilweises Erhitzen des Überzugsmaterials der Fasern, Einspritzen einer Matrix in die Form und Aushärten der Matrix.