DE3314185A1 - Verbessertes verfahren zur herstellung von faserverstaerkten gegenstaenden - Google Patents

Verbessertes verfahren zur herstellung von faserverstaerkten gegenstaenden

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DE3314185A1
DE3314185A1 DE19833314185 DE3314185A DE3314185A1 DE 3314185 A1 DE3314185 A1 DE 3314185A1 DE 19833314185 DE19833314185 DE 19833314185 DE 3314185 A DE3314185 A DE 3314185A DE 3314185 A1 DE3314185 A1 DE 3314185A1
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Description

•1*.
PATENTANWALT' DR. RICHARD KNEISSL Widanmayerstr. 46
D-8000 MÜNCHEN 22
TeL 089/295125.
DE Dr.SM/to
UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION Hartford, Ct. /V.St.A.
Verbessertes Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Gegenständen
"■·■ : /■■·■■ 33 H185
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Gegenständen und bezieht sich auf eine zeit- und kostensparende Verbesserung bei der Herstellung von faserverstärkten Gegenständen wie z.B. von in Flugzeugpropellern verwendeten Flügelblättern.
Die hohen Festigkeitseigenschaften und das geringe Gewicht von faserverstärkten Gegenständen haben in den letzten Jahren zumindest zum Teil zur Popularität solcher Gegenstände gegenüber metallischen Gegenständen beigetragen, die nach aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren,wie spanabhebender Bearbeitung, Gießen oder Schmieden einer Vielzahl von metallischen Teilen und nachfolgendem Zusammenbau dieser Teile hergestellt werden. Der große Bereich an Formen und die sich ergebende Minimierung von erforderlichen Bestandteilen im Zusammenhang mit faserverstärkten Gegenständen hat ebenfalls zu dieser Popularität beigetragen. Ein Beispiel eines modernen Verfahrens zur Herstellung von faserverstärkten Flugzeugpropellerblättern wird in der US-Patentanmeldung Ser. No. 193,519 von Harry A. Nutter,
Q0 Jr., angemeldet am 2. Oktober 1980, mit dem Titel "Method of Making Fiber Reinforced Articles", beschrieben.
In der US-Anmeldung Ser. No. 193,519 wird ein Flugzeugpropellerblatt hergestellt, indem man zuerst eine gg Holm-Schaum-Teilemontage bildet durch Ausbildung eines
(q ·
Konstruktionsholmes aus einem Material wie z.B.
_ Aluminium, den Holm mit einem aushärtbaren Kleber ο
überzieht und einen mit aushärtbarem. Kleber überzogenen Schaum um die vorderen und hinteren Oberflächen des Holmes formt. Um das äußere der Holm-Schaum-Teilemontage wird dann eine faserverstärkte Haut oder Umhüllung geformt. Wie es in der oben genannten Publikation im einzelnen ausgeführt wird, umfaßt die Umhüllung eine Anzahl von Schichten aus gewebtem Glasfaserstoff, wobei jede Schicht über der Holm-Schaum-Teilemontage durch Heften fixiert ist.
Danach wird ein flüssiger Kunststoff wie z.B. ein 15
synthetisches polymerisierbares Material durch Vakuumeinspritzung in den Stoff geformt und dann gehärtet. Für einen Fachmann auf dem Gebiet der Herstellung von faserverstärkten Gegenständen ist es ersichtlich, daß das Anheften einer Vielzahl von Stoffschichten um
eine Form wie z.B. die Holm-Schaum-Teilemontage viel Zeit erfordert und deshalb beträchtlich zur Steigerung der Herstellungskosten eines solchen Gegenstandes beiträgt. Insbesondere wenn es sich um einen Gegenstand
mit bedeutenden Ausmaßen und komplexer Form handelt 25
muß das Heften oft mit der Hand in einer relativ zeitraubenden Art und Weise durchgeführt werden.
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur
Herstellung von faserverstärkten Gegenständen, das.
gekennzeichnet ist durch größere Wirtschaftlichkeit und Leichtigkeit der Durchführung. Die zur Fixierung fasrigen Materials an eine Form oder Teilemontage vor
der Einspritzung einer hitzehärtbaren Substanz erforder-35
liehe Zeit wird verringert, und die Fixierung des faserigen Materials an die Form beeinflußt deshalb
die Festigkeit des fasrigen Materials oder des ferti-5
gen Gegenstandes nicht nachteilig. Die Aufgabe wird erfindungsgernäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß wird bei der Herstellung eines faserverstärkten Gegenstandes wie z.B. eines Flugzeugpropellerblattes das faserige Material an die Form oder Teilemontage durch kleine Mengen eines thermoplastischen Klebers fixiert, der sich auf einer Oberfläche des faserigen Materials befindet/ wodurch Schichten des faserigen Materials an benachbarte Schichten durch Haftverleimung mittels Hitze und Druck entweder lokal oder über eine große Fläche des Materials fixiert werden können, anstelle des Anheftens mit einem fadenförmigen
Material. Das faserige Material kann einen Stoff
' in Bahnform umfassen, wie z.B. einen gewebten Glasfaserstoff. Der Kleber kann irgendein geeigneter thermoplastischer schmelzverarbeitbarer Kleber sein, z.B. ein Polyamid, wie z.B. ein Nylon-12-Copolymer, das in feinverteilter Form gleichmäßig auf einer Oberfläche des Stoffes aufgebracht ist. Bei der Herstellung von Flugzeugpropellerblättern wird der Kleber auf der Oberfläche des Glasgewebes in einer Teilchengröße im Bereich von 100 bis 400 μΐη (35-150 mesh) und einer Dichte von
0,59 bis 5,98 g/mz Stoff (Fasermaterial) aufgebracht,
wobei eine solche Dichte die Gefahr einer Beeinträchtigung des Fließens eines in einer nachfolgenden Verfahrensstufe in das faserige Material eingeformten hitzehärtbaren Harzes durch den thermoplastischen Kleber aus-35
schaltet.
Zum weiteren Verständnis der Erfindung wird auf die folgenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen bedeuten:
Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung eines
Flugzeugpropellerblattes, das typisch ist für einen faserverstärkten Gegenstand, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann;
Fig. 2 zeigt den Querschnitt des Blattes der Fig. in Richtung der Linie 2-2;
Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung einer bekannten Technik für das Auftragen eines
faserigen Materials zur Bildung des äußersten Teiles des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Blattes;
Fig. 4 ist eine Draufsicht auf das faserige Material und zeigt das Vorhandensein des Klebers auf einer Oberfläche des Materials;
Fig. 5 ist eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Auftragens des faserigen Materi-
als unter Bildung der äußeren Umhüllung des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Blattes.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Gegenständen im allgemeinen. Die Erfindung ist anwendbar
-" : '·■"-' 33U185 sr
für die Herstellung von faserverstärkten Gegenständen / bei der eine Vielzahl von fasrigen Bahnen 5
innerhalb einer Schalenform und/oder um die Oberfläche einer Form aufgeschichtet werden. Zur Veranschaulichung wird das verbesserte Verfahren nachfolgend in Bezug auf die Herstellung eines Flugzeugpropellerblattes beschrieben. Für einen Fachmann ist 10
es jedoch klar, daß das Verfahren mit gleicher Brauchbarkeit für die Herstellung von faserverstärkten Gegenständen irgendeiner gewünschten Form verwendet werden kann, bei der eine verbundene Anordnung trockener fasriger Schichten an einer Form oder Teilemontage
vor dem (Spritz) Formen wünschenswert ist.
Fig. 1 zeigt ein Flugzeugpropellerblatt, wobei das Blatt ein verlängertes Tragflügelprofil 10 umfaßt, das einen äußeren Spitzenteil 12 und einen inneren
Fußteil 14 besitzt. Der Tragflügelteil ist auf einem Holm 16 befestigt, der typischerweise aus Aluminium . oder dgl. gebildet ist, und sich im wesentlichen über die gesamte Länge des Tragflügels erstreckt und ein Fußende 20 enthält, mit dem das Blatt an einer geeigneten Nabe ( nicht gezeigt) befestigt ist.
Das in Fig. 2 im Querschnitt gezeigte Blatt enthält den Holm, der an seinen Oberflächen mit einem geeigneten Kleber 20 überzogen ist, z.B. einem hitzehärtbaren,
nicht flüchtigen modifizierten flüssigen Epoxid-Kleber. Der Kleber 20 bindet die vorderen und hinteren Schaumfüller-Anteile an den Holm 16 an dessen vorderen und hinteren Oberflächen. Die Anteile 22 und 24 enthalten z.B. einen Zweikomponenten, semi-prepolymeren harten Urethanschaum. Wie in der oben genannten US-Patent-
r * w ν
33U185
/10
_ anmeldung von Nutter im einzelnen beschrieben, werden b
der Holm 16, die vorderen und hinteren Schaumfülleranteile 22 und 24 und der Kleber 20 mit Hilfe eines Formverfahrens in eine Blattanordnung gebracht, in der der Holm 16 mit dem Kleber 20 überzogen ist und sich in einer Form befindet (nicht gezeigt), die eine passend ausgestaltete innere Aushöhlung besitzt, die ebenfalls mit dem Kleber 20 vorumhüllt ist. Nach der Einfügung des Holmes wird ein fSumbares Material in die Form an den vorderen und hinteren Rändern des Holmes benachbarten Stellen eingespritzt. Die sich
in der Form befindlichen Materialien werden dann erhitzt, um eine teilweise Härtung des Klebers 20 und eine Formung der Teile 22 und 24 zu erreichen. Die Holm-Schaum-Teilemontage, die den mit Kleber überzogenen Holm und die angebrachten Schaumteile enthält,
wird dann aus der Form entfernt. Das Blatt wird vervollständigt durch Umhüllen der Teilemontage mit einem fasrigen Material, das dann mit einem geeigneten Kunststoff wie z. B. einem hitzehärtbaren Harz durch Vakuumspritzen imprägniert wird, um eine äußere Schicht
(Haut) 26 der Tragfläche zu bilden. Dieses abschließende Formungsverfahren wird im einzelnen in der oben genannten Anmeldung von Nutter beschrieben.
Bei der Bildung der Haut 26 ist es aus Gründen der
Maßhaltigkeit notwendig, die Teilemontage mit dem faserigen Material so glatt wie möglich zu umhüllen. In der Praxis wurde deshalb das faserige Material in flexibler Bandform verwendet und das faserige Material der Blatt-Teilemontage angepaßt, wobei eine solche
Anpassung mehrere Messungen, Handschneidearbeiten,
Anpaß- und Anbringoperationen einschließt, die im allgemeinen bei der Anpassung irgendeines flexiblen Bahnmaterials an eine gewünschte Kontur oder Form verwendet werden. Eine solche Anpassung wird in der Fig. 3 gezeigt, in der eine Matrizenhälfte 30 darge-
IQ stellt wird, die die Holm-Schaum-Teilemontage und die Bänder des faserigen Material aufnimmt. Die Bänder werden innerhalb der Formhälfte 30 in situ angepaßt, um die durch diese Formhälfte und eine entsprechende Formhälfte (nicht gezeigt) gebildete Aushöhlung zu füllen. Die Formhälften werden dann mit der bandüberzogenen Teilemontage zusammengefügt t um das hitzehärtbare Harz in das fasrige Material einzuformen.
Typischerweise wird eine Vielzahl von aufeinanderliegenden Bändern des faserigen Materials in die Formhälfte 30 gelegt , bevor die Holm-Schaum-Teilemontage eingebracht wird. Die Teilemontage wird dann an der Oberseite der fasrigen Materialbänder in die Formhälfte eingebracht, wobei jedes Band dann individuell über die Teilemoritage gefaltet, geschnitten und daran angepaßt wird, sowie untereinander angebracht wird. In Fig. 3 werden zwei faserige Bänder 38 und 40 gezeigt. Wie vorstehend ausgeführt können diese Bänder aus irgendeinem fasrigen Material geeigneter Festig-
QQ keit, Flexibilität und Verträglichkeit mit dem hitzehärtbaren Harz, das nachfolgend in sie eingespritzt wird, gebildet werden. Die faserigen Bänder können z.B. einen gewebten Glasfaserstoff umfassen. In Fig. wurde die Schicht 38 um die Holm-Schaum-Teilemontage
gc gearbeitet, indem überschüssiges Material aus den
"-: "-:"--" 33H185 Al·
Randzonen des Bandes entfernt wurde, und mehrere Teile des Bandes so ausgeschnitten wurden, daß das Band um die Blatt-Teileanordnung ohne Faltenbildung oder Zusammenballungen gewickelt werden kann, und dann wie bei 42 gezeigt mit der Hand genäht. Das auf diese Weise zugeschnittene und angeheftete Band 38 bildet eine zugeschneiderte Umhüllung um die Holm-Schaum-Teilemontage und irgendwelche darunterliegenden Gewebebänder. Wie gezeigt befindet sich Band 40 an sich salbst angeheftet über Band 38, wobei Band 40 zur Bildung der Ränder 44 und 46, die sich entlang eines geraden Längssaumes treffen, bereits zugeschnitten wurde. Im Band 40 wird auch ein keilförmiger Ausschnitt 48 gezeigt, dessen Ränder in einem Saum zusammengenäht werden, der von dem Längssaum in einer ähnlichen Weise abzweigt, wie sie für entsprechende Säume in Band 38 gezeigt ist.
20
Für einen auf diesem Gebiet arbeitenden Fachmann ist es offensichtlich, daß ein solcher Handzuschnitt und das Nähen jedes induviduellen Gewebebandes um die Blatt-Teileanordnung einen beträchtlichen Anteil der gesamten Zeit und Kosten für die Herstellung des faserverstärkten Gegenstandes verbraucht. Das Annähen jedes Bandes an sich selbst ist erforderlich um eine Bewegung der Bänder zu verhindern, wenn nachfolgende Bänder daraufgelegt werden, und um eine Bewegung der Bänder zu verhindern,
^Q wenn die Form für die abschließende Vakuumeinspritzung des hitzehärtbaren Harzes in die Bänder geschlossen wird. Erfindungsgemäß wird ein Nähen mit der Hand vermieden und die Zeit, die für die Bandbeschichtung erforderlich ist, wird verringert, indem man die Gewebebänder an einer Oberfläche davon mit kleinen Mengen eines feinverteilten thermoplastischen Klebers
versieht. Fig. 4 zeigt einen Teil eines Bandes aus einem gewebten Glasfaserstoff, an dessen einer Oberfläche eine kleine Menge eines thermoplastischen Klebers 50, wie z.B. ein Polyamid, aufgebracht ist. Obwohl in einer bevorzugten Ausführungsform ein Nylon-12-Copolymer verwendet wird, ist die Erfindung darauf
^q nicht beschränkt, und irgendein thermoplastischer Kleber mit einem geeigneten Schmelzpunkt und Verträglichkeit mit dem hitzehärtbaren Harz und dem in der Außenschicht 26 verwendeten Fasermaterial kann eingesetzt werden. Der thermoplastische Kleber wird auf dem Band mit der minimalen Dichte aufgebracht, die erforderlich ist um das Band an eine benachbarte Textilbandoberfläche mit einer Stärke zu binden, die ausreichend genug ist um eine relative Bewegung der Bänder zu verhindern, wenn sie in der Form aufeinandergelegt werden Q und wenn die Form geschlossen wird. Der Kleber braucht dem faserverstärkten Gegenstand keine Festigkeit verleihen, da sich diese Festigkeit aus der Sättigung des Bahnmaterials mit dem nachfolgend eingeformten hitzehärtbaren Harz ergibt. Wenn das Bahnmaterial einen
oc gewebten Glasfaserstoff umfaßt, und der faserverstärkte Gegenstand ein Propellerblatt ist, kann der thermoplastische Kleber 50 auf das Bahnmaterial in einer Dichte von 0,59 bis 5,98 g/m2 des Materials in einer Teilchengröße im Bereich von 100 bis 400 μπι (35 bis 150 mesh) appliziert werden. Abhängig von der Art des verwendeten fasrigen Materials, der Geometrie der Fasermaterialbeschichtüng und der Art des nachfolgend verwendeten hitzehärtbaren Klebers ist es für einen Fachmann klar, daß auch veochiedene. /Oxfcmten und Teilchengrößen möglich sind. Der Kleber kann auf dem Faser-
■■■ ■ '■■■·-"' 33U185
ver
material durch irgendeine bekannte Methode aufgebracht' werden, indem man z.B. auf das in Form eines Gewebes vorliegende Fasermaterial Teilchen des Klebers aufbringt. Während des Aufbringens des Klebers kann das Gewebe natürlich erhitzt werden, um darauf das Anhaften des Klebers zu bewirken.
Fig. 5 zeigt die Form 30, in der über einer Anzahl von Gewebeschichten in der im Zusammenhang mit Fig. besprochenen Art die Holm-Schaum-Teilemontage ange-,_ ordnet ist, wobei im einzelnen die beiden äußeren Schichten 38 und 40 dargestellt werden. Die Gewebebahnen werden so aufeinander gelegt, daß die Oberfläche jeder Bahn, die den Kleber 50 enthält, gegen die vorhergehende Bahn zu liegen kommt. Auf diese
Weise ist die äußere Oberfläche jeder Bahn klebstoff-20
frei. Das Bahnmaterial wird in der gleichen Weise, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben ist, zugeschnitten. Wie jedoch die Fig. 4 zeigt, wird jede Textilschicht an der benachbarten Schicht durch Verleimung mit dem Kleber 50 fixiert. Der Kleber wird durch Hitze und Druck aktiviert, was durch die Verwendung eines elektrischen Widerstands-Handplätteisens erreicht wird. Durch die Anbringung des Klebers auf nur einer Oberfläche der Bahnen kann der Kleber
mit dem Plätteisen erweicht werden, ohne wirklich in 30
Kontakt damit zu kommen, wodurch eine Verschmutzung der Oberfläche des Plätteisens verhindert wird.
Die Temperatur des Plätteisens 54 wird so eingestellt, daß sie den Schmelzpunkt des Nylon-12-Copolymer-Klebers
übersteigt. Wie in Fig. 5 gezeigt wird, fixiert das Plätt-35
:..:·τ·\.:-..: 33η 185
YC
eisen 54, im Gegensatz zu dem in Fig. 3 dargestellten
_ Nähverfahren, bei dem jede Textilschicht an sich selbst ο
angenäht wird, jede Textilschicht an die vorhergehende Schicht (und die erste Schicht an die Holm-Schaum-Teileanordnung) mit ausreichender Festigkeit, u,m eine relative Bewegung der Schichten zu verhindern, wenn diese
aufeinander gelegt werden und wenn die Formhälften vor 10
der Vakuumeinspritzung des hitzehärtbaren Harzes in das Gewebe geschlossen werden.
Wie die Fig. 5 zeigt, erlaubt die Anordnung der Textil-
schichten 38 und 40 in dieser Weise, daß Rand 46 15
der Bahn 40 über Bahn 40 zurückgefaltet wird und durch das Plätteisen 54 an den Rand 44 fixiert wird, bevor jeder dieser Ränder zurechtjeschnitten wird. . Das überschüssige Material kann dann gleichzeitig aus beiden
Randzonen ausgeschnitten werden, wodurch man einen 20
den Rand zurechtschneidenden Arbeitsvorgang in der Fasermaterialbeschichtung spart.
Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenhang mit der Herstellung eines Propellerblattes ver-25
anschaulicht wurde, ist es für einen Fachmann selbstverständlich, daß das Verfahren gleichermaßen zur Herstellung irgendeines faserverstärkten Gegenstandes geeignet ist, wie z. B. für verschiedene andere Propellersystemteile (Porpellerhauben, abzutrennende Teile usw.)
oder faserverstärkte Gegenstände für irgendeinen anderen
Zweck. Das Verfahren wurde unter Verwendung eines Nylon-12-Copolymers,das auf einem gewebten Glasfaserstoff aufgebracht ist, veranschaulicht; Es ist jedoch selbstverständlich, daß abhängig von der Art des zu bildenden 35
. Ak
Gegenstandes und den anderen Materialien, wie z.B. 5
dem in den nachfolgenden Vakuumeinspritzstufen verwendeten hitzehärtbaren Harz mit gleicher Brauchbarkeit verschiedene Materialien verwendet werden können. Obgleich als Mittel zur lokalen Erhitzung des Klebers
ein Handplätteisen beschrieben wurde, können weiters 10
verschiedene äquivalente Techniken, wie z.B. erhitzte Pressen und dgl. zur Erhitzung des Klebers, entweder lokal oder über einen breiten Bereich des Fasermaterials, verwendet werden, ohne sich dadurch von der erfindungsgemäßen Lehre zu entfernen. Die vorliegende Erfindung ist deshalb nicht auf ihre detailierte Beschreibung begrenzt, sondern umfaßt vielmehr alle äquivalenten Modifikationen davon, wie sie sich für einen Fachmann von selbst ergeben.
Leerseite

Claims (9)

  1. PATENTANSPRÜCHE 5
    Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Gegenstandes enthaltend die Verfahrensstufen:
    Bereitstellen einer Teilemontageform der gewünschten Gestalt des faserverstärkten Gegenstandes, Umhüllen der Teilemontageform mit faserigem verstärkendem Material, imprägnieren des faserigen Materials mit einem härtbaren Kleber, und Formen des imprägnierten faserigen Materials zu einer äußeren Haut des faserverstärkten Gegenstandes gemäß der Gestalt der Teilemontageform/
    dadurch gekennzeichnet, daß es vor dem Formen des faserigen Materials zur Haut die folgenden Verfahrensschritte enthält:
    Bereitstellen des faserigen Materials in einer
    Vielzahl von Bahnen (38,40), von denen jede eine kleine Menge eines thermoplastischen Klebers (50) auf einer seiner Oberflächen enthält, Aufbringen der Bahnen aus faserigem Material (38,40) eine über der anderen auf der Teilemontageform,
    wobei eine erste dieser Bahnen mit der Teilemontageform und jede der nachfolgenden Bahnen (40) mit einer vorhergehenden Bahn (38) durch Hitze und Druck verleimt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet.
    33-H185
    "daß die Hitze und der Druck auf das faserige Material an einzelnen Stellen appliziert werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Hitze und der Druck auf das faserige Material auf einer breiten Fläche davon appliziert werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die faserigen Materialbahnen (38,40) so aufeinander gelegt werden, daß der thermoplastische Kleber (50) auf jeder Bahn in Kontakt mit einer
    vorhergehenden benachbarten Bahn angeordnet ist. 15
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verleimen jeder Bahn (40) mit der vorhergehenden benachbarten Bahn (38) manuell mittels
    eines Plätteisens (54) , das auf der Erweichungs-
    temperatur des Klebers gehalten wird, bewirkt
    wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleber in einer Menge von ca. 0,59 bis
    ca. 5,98 g Kleber/m2 Material aufgebracht ist.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das faserige Bahnmaterial einen gewebten Glasfaserstoff enthält.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastische Kleber ein synthetisches polymeres Material enthält.
    33H185
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8/ dadurch gekennzeichent, daß das synthetische polymere Material ein Nylon-12-Copolymeres enthält.
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