DE3133733C2

DE3133733C2 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststofferzeugnisses

Info

Publication number: DE3133733C2
Application number: DE3133733A
Authority: DE
Inventors: Michio Sagamihra Kanagawa Futakuchi; Hidetoshi Sagamihara Kanagawa Kitakoga
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1980-08-27
Filing date: 1981-08-26
Publication date: 1985-03-21
Also published as: DE3133733A1; JPS5741920A; JPS6410330B2; US4385952A

Abstract

Es wird ein faserverstärktes Kunststofferzeugnis hergestellt, und zwar unter Aufwicklung eines Strangs oder eines Garns auf eine Trommel oder auf einen Dorn. Hierbei wird ein Filamentwickelverfahren angewandt. Dabei erfolgt die Aufwicklung in drei Richtungen, nämlich unter einem Winkel von etwa +60 °, unter einem Winkel von etwa -60 ° und einem Winkel von etwa 0 ° zur Achse des Dorns oder der Trommel. Es wird jeweils eine gewünschte Anzahl von Windungen aufgebracht. Hierbei erhält man ein Flechterzeugnis, welches in drei Richtungen verstärkt ist. Ferner ist eine Stufe der Imprägnierung mit einem Harz vorgesehen, und zwar vor oder nach dem Wickelvorgang. Das mit dem Harz imprägnierte Flechterzeugnis wird sodann aufgeschnitten und von der Trommel oder dem Dorn genommen. Man erhält dabei ein in drei Richtungen verstärktes Prepreg. Danach wird das Prepreg in die gewünschte Konfiguration gebracht und durch Erhitzen gehärtet.

Description

dadurch gekennzeichnet, daß nach zwei entgegengesetzten Schraubenwicklungen mit einem Winkel yen etwa +60° und etwa —60° zur Trommelachse Jeweils eine etwa achsparallele Windung aufgebracht und daß dieser Wickelzyklus jeweils mit Versetzung wiederholt wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststofferzeugnisses durch Aufwickeln eines Faser- oder Filamentstranges auf eine Trommel unter Ausbildung alternierender schraubenförmiger Wickel mit entgegengesetzter Steigung, Imprägnierung des Stranges, mit eit.-m Harz vor oder nach dem Aufwickeln, Durchschneiden der Wicklungen auf der Trommel, Formen und Aushärten des erhaltenen Prepegs.

Ein solches Verfahren ist bekannt aus der DE-OS 17 79 433 und der DE-OS 24 60 808. Dabei wird der Faser- oder Filamentstrang alternierend mit entgegengesetzter Steigung schraubenförmig aufgewickelt, wobei Steigungen von z. B. +45° und —45° oder darunter gewählt werden. Die dabei erhaltenen Erzeugnisse haben jedoch eine unzureichende Biegefestigkeit. Dies macht sich insbesondere bei der Herstellung von Produkten mit konkav-konvexer Figuration bemerkbar.

Allgemein gesprochen, können faserverstärkte Kunststofferzeugnisse nach folgenden Verfahren hergestellt werden: Handlegeverfahren, Sprühverfahren, Kaltpreßverfahren, Kunststoffsprätzgußverfahren und Verfahren unter Anwendung einer folienförmigen Formmasse (SMC) sowie Verfahren unter Verwendung einer Blockformmasse (BCM), Vakuumbeutelverfahren und Autokiavenverfahren. Gegenüber diesen Verfahren haben Filamentwickclverfahren den Vorteil eines vorzüglichen Verstärkungseffektes, da bei den anderen Verfahren die Fasern gewöhnlich kurz geschnitten werden oder mit Überkreuzungsstellen gewellt angeordnet werden wie bei einem gewebten Tuch. Filamentwickelverfahren dieser Art eignen sich vorzüglich zur Herstellung von Rohren (DE-AS 13 02 834) oder anderen speziell geformten Erzeugnissen (DE-AS 23 34 645). Wie eingangs erläutert, ist es jedoch schwierig, mit diesen Verfahren Produkte mit verwickelter Konfiguration herzustellen.

Es ist ferner bekannt, Prepregs, bei denen sich die Filamente oder Fasern in einer einzigen Richtung erstrecken, so zu laminieren, daß in alternierenden Lagen Faserrichtungen von 0°, +60° und —60° erhalten werden. Dabei werden zwar die Probleme der Anisotropie der Zugfestigkeit im wesentlichen beseitigt, jedoch besteht immer noch das Problem der unzureichenden Biegefestigkeit, so daß auch mit diesen Laminierungsverfahren keine Prepregs zur Herstellung von Erzeugnissen mit verwickelter Konfiguration erhalten werden können. Diese Schwierigkeiten beruhen auf einer Anisotropie hinsichtlich der Biegefestigkeit. Bei einer Biegebeanspruchung liegen nämlich die maximaL Zugbeanspruchung und die maximale Kompressionsbeanspruchung in den Außenschichten vor. Ferner können die Außenschichten durch die Härtungskontraktion und durch thermische Kontraktion des Kunststoffs beansprucht werden. Es ist daher schwierig, eine ausreichend präzise Oberfläche zu erhalten. Darüber hinaus ist bei den bekannten Prepregs die Verarbeitbarkeit, insbsondere die Formbarkeit ungünstig. Dies gilt insbesondere für die Herstellung von Produkten mit konkav-konvexer Konfiguration oder mit starker Krümmung. Ferner kommt es leicht zu einer Filamentrißbildung und ein einmal an einer Stelle gebildeter Riß unterliegt nachteiligerweise einem Wachstum.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs genannte Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststofferzeugnisses derart weiter zu entwickeln, daß man Erzeugnisse mit konkav-konvexer Konfiguration oder mit großer Krümmung herstellen kann, ohne daß eine Gefahr der Schichtenablösung oder von Oberflächenunregelmäßigkeiten aufgrund unzureichender Biegefestigkeit besteht, wobei das Erzeugnis ferner in geringerem Maße zur Füamentrißbildung neigen soll und wobei ferner einmal gebildete Risse nicht weiter wachsen sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach zwei entgegengesetzten Schraubenwicklungen mit einem Winkel von etwa +60° und etwa —60° zur Trommelachse jeweils eine etwa achsparallele Windung aufgebracht und daß dieser Wickelzyklus jeweils mit Versetzung wiederholt wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 schematisch die Harzimprägnierung und das Filamentwickeln;

F i g. 2 und 3 Draufsichten auf geflochtene Prepregs, welche beim Filamentwickeln entstehen, und zwar nach dem Aufschneiden und nach der Abnahme von der Wikkeltrommel;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Abnahme des Prepregs von d^rTrommel;

.o Fig.5 im Schnitt die Formung des aufgeschnittenen Prepregs;

Fig.6 im Schnitt die Verarbeitung des Prepregs zu einer Sandwichstruktur; und

Fig.7 eine schematische Detailansicht eines Teilbereichs eines geflochtenen Prepregs.

Fig. 1 zeigt die Imprägnierung eines Filamentstranges mit Harz und die Bewicklung einer Trommel mit den imprägnierten Filamenten. Ein Filamentgarn 2 wird von einer Spule 1 genommen und mit einem Harz 5 in einem Tank 4 imprägniert. Hierzu dienen Rollen 3a, 3b, 3c. Das Garn gelangt über eine weitere Rolle 3d und einen hin- und herbewegbaren Führungsring 6 zur Aufwickelstation. Hier ist eine Trommel 8 vorgesehen, welche mit einer Welle 7 gedreht wird. Bei dem Strang 9, welcher über den hin- und herbewegbaren Ring 6 auf die Trommel 8 gewickelt wird, kann es sich um ein FiIamentvorgespinst handeln oder um zusammengefaßte Vorgespinste.

Im folgenden soll das Wickeln näher erläutert werden. Der Strang 9 wird unter Verschiebung des Rings 6 von einem Ende e der rotierenden Trommel 8 zum anderen Ende /"gewickelt, und zwar unter einem Winkel von + 60° zur Achse der Trommel. Die dabei erhaltenen Windungen sind mit 10 bezeichnet. Sobald der Ring 6 zum Ende /gelangt, wird die Bewegung des Rings umgekehrt und dieser bewegt sich vom Ende /"zum Ende e, und zwar bei gleicher Drehung der Trommel 8. Hierbei wird der Strang unter einem Winkel von — 6(P relativ zur Achse 7 gewickelt. Die dabei erhaltenen Windungen sind mit 11 bezeichnet. Der Gesamtvorgang vom Beginn des Aufwickeins am Ende e bis zur Rückkehr zum Ende e wird als »60° Wickelzyklus« bezeichnet

Sobald der Führungsring 6 zum Ende e gelangt, wird die Drehung der Trommel 8 gestoppt und der Ring 6 wird zum Ende /verschoben. Sobald der Ring 6 über das Ende / hinausbewegt ist, wird die Trommel 8 um eine halbe Umdrehung gedreht Dann wird die Drehbewegung der Trommel 8 wieder angehalten und der Ring 6 wird zum Ende e verschoben. Auf diese Weise wird der Strang 9 parallel zur Achse 7 auf die Trommel gewikkelt Diese Windungen sind mit 12 bezeichnet Sobald der Ring 6 über das Ende e hinausgelangt ist, wird die Trommel 8 wiederum mit einer halben Umdrehung gedreht Der Arbeitszyklus vom Ende des 60°-Wickelzyklus bis zur Umdrehung der Trommel, nachdem der Ring 6 wiederum zum Ende e gelangt ist, wird als »Parallelwickelzyklus« bezeichnet Nach dem Parallelwikkelzyklus gelangt der Strang in Nachbarschaft zur Strangposition zu Beginn des 60° Wickelzyklus. Nun folgt wiederum ein 60° Wickelzyklus und der Strang wird mit einem bestimmten Abstand, jedoch nach dem gleichen Verfahren erneut aufgewickelt. Dabei erhält man die Flechtstruktur gemäß F i g. 2. Das gewünschte Intervall ist gewöhnlich ein Wert, welcher erhalten wird durch Dividieren der Hälfte des Umfangs der Trommel durch eine ganze Zahl n.

In der Darstellung gemäß F i g. 2 ist die Umfangslänge der Trommel mit g bezeichnet Das Intervall h des Strangs innerhalb des gleichen Wicklungszyjdus beträgt die Hälfte der Länge g. Das Flechtmuster mit abwechselnden Windungen wird als Überkreuzungswicklung bezeichnet (Fischgrätenmuster). Es führt zu einer Verhinderung der Filamentrißbildung sowie zur Verhinderung der Schichtenablösung. Ferner wird das Wachsen der Ablösungserscheinungen verhindert Darüber hinaus ist ein solches Prepreg mit der erfindungsgemäßen Flechstruktur leicht verarbeitbar, da die Kreuzungsstellen mit einem Winkel von 60° geringfügig verschoben werden können. Zur Herstellung einer Flechtstruktur mit einer überlegenen Verarbeitbarkeit wird der Strang wiederholt aufgewickelt, und zwar in Paaren des 60° Wickelzyklus und des Parallelwickeizyklus mit einem konstanten Intervall, wobei schlußendlich nach der gewünschten Anzahl von Lagen der Strang wieder in Nachbarschaft zum Beginn des ersten 60° Wickelzyklus gelangt.

F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Intervall /V₄ der Peripherielänge der Trommel beträgt.

F i g. 4 zeigt das Flechtprodukt 14 nach der Abnahme von der Trommel. Es wurde hergestellt durch Bewicklung mit der gewünschten Anzahl von Windungen, durch Aufschneiden des Wickels entlang der Linie 13 und parallel zur Achse 7 zwischen den Enden e und f. Wenn man die Ha^rzimprägnierung vor dem Wickeln vorsieht, so ist es vorteilhaft, zunächst eine Beschichtung mit einem Trennmittel vorzusehen oder auf der Trommel eine Schicht eines Trennfilms auszubilden. Bei dieser Variante mit vorheriger Imprägnierung kann das Durchschneiden des Flechtproduktes 14 auf einfache Weise erfolgen. Das im Geflecht bei dem Durchschneiden desselben vorhandene Imprägnierharz liegt vorzugsweise eim B-Stadium (halbgehärteter Zustand) vor, da dies die Verarbeitbarkeit begünstigt Daher wählt man als Imprägnierharz vorzugsweise ein solches aus, das bei relativ niedrigen Temperaturen einen ß-Zustand annimmt und bei Zimmertemperatur nicht zur Gelbildung neigt Wenn die Harzimprägnierung nicht vor dem Wickeln erfolgt, se wird das Flechtprodukt mit dem Harz imprägniert, und zwar auf der Trommel und vor dem Durchschneiden oder nach dem Durchschneiden. Auch auf diese Weise kann ein Prepreg erhalten werden.

Fig.5 veranschaulicht ein Vakuumbeutelverfahren zum Verformen eines Prepregs 20 nach der Abnahme von der Trommel 8, und zwar gemäß einem Muster einer Form. 16, sowie zum Härten des Prepregs. Das Prepreg 20 wird mittels einer V^'.Jumpiimpe über Durchgänge 19 an die Form 16 angesaugt, wobei eine Folie verwendet wird und eine Abdichtung mit einem Dichtmittel 18. Hierdurch wird das Prepreg unter Atmosphärendruck angepreßt Die gesamte Anordnung wird in ein Heizgerät, z. B. einen Ofen, gelegt oder die Form 16 wird mit der Heizeinrichtung ausgerüstet Hierdurch wird das Prepreg erhitzt und in den gehärteten Zustand überführt Schließlich wird das Produkt von der Form getrennt. Natürlich ist das VrJaiumbeutelverfahren nur eines der vielen Verfahren zur Herstellung von derartigen Erzeugnissen. Es können auch andere Verfahren angewendet werden, z. B. das Autoklaven-Verfahren.

Die Einrichtung gemäß F i g. 6 umfaßt eine Form 16a, eine Folie 17a, eine Dichtungsmasse 18a, Saugöffnungen 19a, Prepregs 20a (hergestellt gemäß der Erfindung), einen Kern 21 mit leichtem Gewicht in Form einer Honigwaben Metallstruktur oder in Form eines geschäumten Kunststoffs. F i g. 6 zeigt wiederum das Vakuumbeutelverfahren, und zwar zum Verbinden der Prepregs 20a miv einem Kern 21 mit leichtem Gewicht. Die Prepregs 20a werden auf beide Oberflächen des Kerns 21 gelegt und dann wird die Verbundstruktur auf die Form 16a gelegt. Dann werden die Dichtungen 18a aufgebracht und schließlich wird die Folie 17a aufgelegt Nun wird eine Vakuumpumpe in Gang gesetzt und die Folie 17a wird über die Löcher 19a angesaugt Hierdurch wird ein enger Kontakt unter dem Preßdruck herbeigeführt. Die Gesamtanordnung wird nun in ein Heizgerät gegeben oder eine in der Form 16a vorgesehene Heizeinrichtung wird eingeschaltet. Auf diese Weise werden die Prepregs erhitzt und gehärtet. Man erhält somit gehärtete F,rze"gnisse der gewünschten Gestalt, die dann von der Form genommen werden.

Das in F i g. 6 gezeigte Erzeugnis mit Sa.idwichstruktur kann auch nach anderen Verfahren erhalten werden. Die Prepregs 20a können zunächst in den Konfigurationen gehärtet werden, welche den beiden Oberflächen des Enderzeugn'iSoes entsprechen, und dann können die gehärteten Prepregs auf beide Oberflächen des Kerns 21 mit leichtem Gewicht aufgebracht werden, und zwar mit Hilfe eines Bindemittels oder Klebers. Ferner kann ein schäumbares Harz zwischen die gehärteten Prepregs gewünschter Konfiguration injiziert werden, wobei ebenfalls die gewünschte Sandwichstruktur erhalten wird.

Fig. 7 zeigt einen Teilbereich eines Geflechts, wel-

ches erhalten wurde durch Wicklung eines Strangs der gewünschten Dicke in drei Richtungen. Der in einer Richtung aufgewickelte Strang überkreuzt die in den beiden anderen Richtungen aufgewickelten Stränge. Das Bezugszeichen / bezeichnet die Gesamtdicke aller Filamentlagen. Das Bezugszeichen K bezeichnet deren Breite. Das erhaltene Flechterzcugnis hat ein geringes Gewicht und eine ausgezeichnete Verarbeitbarkcit aufgrund des Verkettungseffekts.

Erfindungsgemäß erzielt man hohe Festigkeitseigenschäften in Verbindung mit hohen Elastizitätseigenschaften, und zwar aufgrund eines speziellen Faserverstärkungseffekts unter Anwendung einer speziellen Filamentwickelmethode. Die Stränge werden in drei Richtungen aufgewickelt und miteinander verbunden, wobei η die Filamente in vertikaler Richtung verbleiben. Hierdurch wird eine Filamentrißbildung weitgehend verhindert. Auch wenn einmal eine Filamentrißbildung eintritt, so wird doch ein Wachsen der Risse wirksam verhindert. Die Schichten werden nicht in Form eines laminierten Erzeugnisses ausgebildet, und es kommt daher nicht zu einer Schichtenablösung. Unter Prepreg-Bedingungen ist die Verarbeitbarkeit des Erzeugnisses ausgezeichnet, und zwar wesentlich besser als bei laminierten Prepregs mit Je nur einer Faserlaufrichtung. Produkte mit großen 2> Krümmungen oder mit kleinen Krümmungsradien und mit verwickelter Konfiguration können leicht hergestellt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Erzeugnis sind die Filamente in drei Richtungen angeordnet, und zwar unter einem Winkel von 60°. Somit hat das Erzeugnis ausgezeichnete isotrope Eigenschaften in allen Richtungen der Biegebeanspruchung.

Als Fasern für den Strang kommen Glasfsaern in Frage oder Kohlenstoffasern oder synthetische Fasern aus Polyamid, Polyester, Polyolefin oder dergl. Als Harze 35 für die Imprägnierung kommen Epoxyharze in Frage

I oder Polyimidharze und Polyester. Der volumetrische

Anteil der Fasern, liegt gewöhnlich, im Bereich von 50 bis 70%.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

45

50

60

65

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststofferzeugnisses durch

a) Aufwickeln eines Faser- oder Filamentstranges auf eine Trommel unter Ausbildung alternierender schraubenförmiger Wickel mit entgegengesetzter Steigung,

b) Imprägnierung des Stranges mit einem Harz vor oder nach dem Aufwickeln,

c) Durchschneiden der Wicklungen auf der Trommel,

d) Formen und Aushärten des erhaltenen Prepregs,