DE3127017A1

DE3127017A1 - Verfahren zur herstellung von kurzfaserprepregs

Info

Publication number: DE3127017A1
Application number: DE19813127017
Authority: DE
Inventors: Rolf Ing.(grad.) 8000 München Günther; Heinrich Ing.(grad.) 8011 Großhelfendorf Reheusser
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1981-07-09
Filing date: 1981-07-09
Publication date: 1983-01-27
Also published as: DE3127017C2

Description

Verfahren zur Herstellung von Kurzfaserprepregs
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kurzfaserprepregs, deren Kurzfasern entsprechend dem mechanischen Spannungsverlauf gerichtet sind, der in dem Bauteil, das unter Verwendung der Prepregs hergestellt werden soll, vorliegt.
Prepregs sind Kurzfasergelege, die von Kunststoff durchsetzt sind, der unter Anwendung von Temperatur und Druck aushärtbar ist, um einen Kurzfaserverbundwerkstoff zu ergeben. Um eine möglichst große Verstärkung zu erhalten, ist man bestrebt, die Kurzfasern entsprechend der Beanspruchung, also dem mechanischen Spannungsverlauf des Bauteils auszurichten.
Nach dem Stand der Technik wird dabei von bahnförmigen Prepregs ausgegangen, in denen die Kurzfasern parallel zueinander ausgerichtet sind und die beispielsweise nach dem in der DE-PS 21 63 799 beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
Entsprechend dem ermittelten Spannungsverlauf des Bauteils werden dann die einzelnen Prepregbahnen zugeschnitten und aufeinander geschichtet. Der Herstellungsaufwand ist also erheblich, insbesondere bei kompliziert aufgebauten Bauteilen, z.B. solchen mit Vertiefungen, Durchbrechungen, gekrümmten Oberflächen, Rippen und dergleichen. Außerdem erhöht der Verschnitt die Materialkosten. Soll aus Prepregs mit parallel ausgerichteten Kurzfasern beispielsweise ein ebenes gekrümmtes Bauteil hergestellt werden, müssen die Prepregs segmentförmig zugeschnitten und zur gegenseitigen Verbindung der Segmente in überlappender Anordnung geschichtet werden.
Abgesehen davon, daß die Orientierung der Kurzfasern in einem solchen Bauteil dem Spannungsverlauf nur sehr grob angenähert ist, ist die Gewichtserhöhung, die durch die Überlappung der Segmente erfolgt, von Nachteil.
Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Kurzfaserprepregs anzugeben, bei dem das Zuschneiden der Prepregs ebenso entfällt wie unnötige Gewichtserhöhungen durch überlappende Prepregs und bei dem trotzdem eine genaue Ausrichtung der Kurzfasern entsprechend dem mechanischen Spannungsverlauf in dem Bauteil gegeben ist.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielswiise erläutert. Darin zeigen: Figur 1 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und Figur 2 schematisch und in stark vergrößerter Wiedergabe einen Teil eines ladungsgekoppelten Speichers (CCD) der Vorrichtung nach Figur 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Fasern mit einem Durchmesser von beispielsweise 1/100 mm auf eine Länge von einigen Millimetern zerkleinert. Die Fasern können aus Kohle, Glas, Bor oder Aramid bestehen.
Die zerkleinerten oder Kurzfasern werden alsdann mit einer Schicht aus einem hitzehärtbaren Kunststoff überzogen, z.B.
mit einem Epoxydharz. Das Uberziehen der Kurzfasern mit der Kunststoffschicht kann in der Weise erfolgen, daß die Kurzfasern in einer Kammer aufgewirbelt und einem Nebel ausgesetzt werden, der aus einer Lösung des Kunststoffs gebildet wird. Aus dieser Kunststoffschicht auf den Kurzfasern geht nach dem Aushärten der Prepregs die Matrix des Verbundwerkstoffs hervor.
Durch das Ummanteln der Kurzfasern mit einer Kunststoff -schicht läßt sich ein geringerer Kunststoffgehalt in dem Verbundwerkstoff erzielen, als dies beim Stand der Technik der Fall ist, bei dem zunächst das Kurzfasergelege hergestellt wird, das dann mit der Kunststofflösung zum Prepreg imprägniert wird. Dabei ist nämlich eine verhältnismäßig große Menge an Kunststofflösung erforderlich, weil andernfalls ein gleichmäßiges Eindringen der Kunststofflösung in die Zwischenräume zwischen den Kurzfasern, insbesondere im Inneren des Geleges nicht gewährleistet ist.
Darüberhinaus hat das Uberziehen der Kurzfasern mit Kunststoff vor dem Ausrichten der Kurzfasern bzw. vor der Bildung des Kurzfasergeleges den Vorteil, daß das sich, wie nachstehend erläutert, auf der Trägerfolie bildende Gelege aufgrund der Klebewirkung, die die Schicht des noch nicht ausgehärteten Kunststoffs besitzt, leichter zu handhaben, insbesondere zu transportieren ist.
Die so mit einer Kunststoffschicht überzogenen Kurzfasern werden anschließend elektrostatisch aufgeladen. Das Aufladen der Kurzfasern kann beissi#elsweise auf reibungselektrischem Wege erfolgen. Auch ist es möglich, Ladungen auf die Kurzfasern aufzusprühen, wie es vom Beflocken her bekannt ist (vgl. DE-OSen 25 33 682 und 28 29 256).
Die elektrostatisch aufgeladenen Kurzfasern werden dann der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung zugeführt.
Die Vorrichtung gemäß Figur 1 besteht aus einer Kammer, in der die elektrostatisch aufgeladenen Kurzfasern 2, die alle die gleiche Ladung tragen, also alle beispielsweise positiv geladen sind, durch ein Gebläse in Wirbelbewegung gehalten werden. Weiterhin ist ein linienförmiger ladungsgekoppelter Speicher 3 (CCD = Charge-Coup>iDevice) vorgesehen. Uber dem CCD 3 wird eine Trägerfolie oder ein Transportband 4 in Richtung des Pfeiles 5 bewegt. Die Trägerfolie 4 wird durch eine dünne Kunststofffolie gebildet.
Der CCD 3 wird von einem Computer 6 angesteuert. Mit dem Computer 6 wird der Verlauf der mechanischen Spannung in dem betreffenden Bauteil ermittelt, das aus den erfindungsgemäß hergestellten Prepregs gebildet werden soll. Diese Ermittlung kann beispielsweise nach der Methode der finiten Elemente erfolgen. Da zur Herstellung des Bauteils wegen der geringen Schichtdicke der einzelnen Prepregs eine Vielzahl von Prepregs aufeinander geschichtet werden muß, zerlegt der Computer 6 den Spannungsverlauf in so viele Schichten, wie Prepregs zur Herstellung des Bauteils erforderlich sind.
Der Spannungsverlauf einer solchen Schicht wird vom Computer 6 in ein elektrostatisches Ladungsbild umgewandelt, das in Figur 1 durch die elektrischen Ladungslinien 7 angedeutet ist, die den mechanischen Spannungslinien in dieser Schicht des Bauteils entsprechen.
Durch einen auf den CCD 3 abgestimmten Antrieb der Trägerfolie 4 werden die Kurzfasern auf der Trägerfolie 4 zu einem dem Spannungsverlauf bzw. dem Ladungsbild 7 entsprechenden Gelege 8 abgelagert.
Der Ladungszustand des CCD 3 und die Ablagerung der Kurzfasern 2 auf dem CCD 3 bzw. der sich darüber bewegenden Trägerfolie 4 zu einem bestimmten Zeitpunkt der Bildung des Geleges ist in Figur 2 schematisch veranschaulicht.
Danach sind die einzelnen Zellen 9 des CCD 3 entsprechend dem Ausgangssignal des Computers 6 entweder positiv oder negativ geladen. Die Kurzfasern 2 tragen demgegenüber alle eine positive Ladung. Es ist ersichtlich, daß die positiv geladenen Kurzfasern 2 von den negativen geladenen Zellen 9 des CCD 3 nicht nur angezogen werden, sondern durch die benachbarten positiven Zellen 9 außerdem eine Ausrichtung der Kurzfasern 2 quer zur Längsrichtung des CCD 3, also in Bewegungsrichtung der Trägerfolie 4 erfolgt.
Statt des CCD 3 kann das Ladungsbild auch mit Hilfe#einer Zeile aus einer Vielzahl von Elektroden hergestellt werden, die von dem Computer 6 angesteuert werden. Derartige Elektrodenzeilen werden bei xerographisch arbeitenden Schnelldruckern vom Typ Borrough verwendet.
Das Gelege 8 auf der Trägerfolie 4 stellt für die betreffende Schicht des Bauteils bereits das Prepreg dar, da, wie erwähnt, die Kurzfasern 2 vor der Bildung des Geleges 8 mit einer Kunststoffschicht überzogen worden sind.
Es ist ersichtlich, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Bauteile aus einem Kurzfaserverbundwerkstoff herstellbar sind, in dem sich die Richtung der Kurzfasern mit dem mechanischen Spannungsverlauf genau deckt.
L e e r s e i t e

Claims

Verfahren zur Herstellung von Kurzfaserprepregs P a t e n.t a n s p r ü c h e Verfahren zur Herstellung von Kurzfaserprepregs, deren Rurzfasern entsprechend dem mechanischen Spannungsverlauf gerichtet sind, der in dem Bauteil, das unter Verwendung der Prepregs hergestellt wird, vorliegt, g e k e n n z e i c h n e t durch folgende Verfahrensschritte: a) es wird der mechanische Spannungsverlauf in dem Bauteil ermittelt; b) der ermittelte Spannungsverlauf wird in ein elektrostatisches Ladungsbild umgewandelt; c) die Kurzfasern werden elektrostatisch aufgeladen; und d) die elektrostatisch aufgeladenen Kurzfasern und das elektrostatische Ladungsbild werden miteinander in Berührung gebracht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzfasern durch Reibungselektrizität oder durch Aufsprühen von Ladungen aufgeladen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzfasern vor dem Inberührungbringen mit dem elektrostatischen Ladungsbild mit einem Kunststoff überzogen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g#kennzeichnet, daß auf das elektrostatische Ladung bild eine Trägerfolie gelegt wird, auf der sich die Kurzfasern ablagern.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung des ermittelten mechanischen Spannungsverlaufs in dem Bauteil in ein elektrostatisches Ladungsbild mittels eines ladungsgekoppelten Speichers (.3 ) erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Spannungsverlauf von einem Computer ermittelt wird und der ladungsgekoppelte Speicher (.3 ) direkt vom Computer angesteuert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Spannungsverlauf in dem Bauteil von einem Computer ermittelt wird und zur Umwandlung des ermittelten mechanischen Spannungsverlaufs in ein elektrostatisches Ladungsbild eine aus einer Vielzahl von Elektroden verwendet wird, die von dem Computer direkt angesteuert werden.