DE3536272C2

DE3536272C2 -

Info

Publication number: DE3536272C2
Application number: DE3536272A
Authority: DE
Inventors: Franz Ing.(Grad.) 8011 Baldham De Drachenberg; Walter Dipl.-Ing. 8156 Otterfing De Oefner
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 1985-10-11
Filing date: 1985-10-11
Publication date: 1989-07-13
Also published as: DE3536272A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Her stellen eines Faserverbundlaminat-Formteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Herstellung von Faserverbundlaminat-Formteilen ist es bekannt, die Verstärkungsfasern im vorgetränkten Zustand in Form sog. Prepreg-Gewebe in das Formwerkzeug einzulegen und dort unter Druck- und Wärmeeinwirkung auszuhärten. Bei der Entlüftung der Gewebeschichten im Formraum des Formwerkzeugs wirken jedoch die mit dem Harz vorgetränkten Verstärkungsfasern als Luftsperren, so daß in den Gewebeschichten Lufteinschlüsse zurückgehalten werden, die durch eine stärkere Evakuierung des Formraumes oder eine Erhöhung des Formwerkzeug-Preßdrucks allenfalls verkleinert, aber nicht beseitigt werden können. Die Folge ist ein hoher Lunker-Anteil derartiger, im Prepreg-Laminierverfahren hergestellter Formteile.

Bei dem aus dem Fachbuch "Glasfaserverstärkte Kunststoffe", H. Hagen, 1961, S. 359-362 bekannten Naß-Laminierverfahren, wo die Faserlagen erst im Formraum mit der flüssigen Harzkomponente beschichtet und dann unter der Druckeinwirkung des Formwerkzeugs durchtränkt und entlüftet werden, sowie beim Vakuum-Injektionsverfahren, bei dem die Faserschichten trocken in das Formwerkzeug eingeschlossen werden und die Harzmatrix nachträglich im flüssigen Zustand im Injektionswege in den Formraum eingebracht wird, stellt sich ebenfalls das Problem von örtlichen Fehlerstellen im fertigen Laminat, sei es daß aufgrund der Sperrwirkung bereits durchtränkter Faserzonen wiederum Lufteinschlüsse im Laminat verbleiben oder daß die Faserlagen, bedingt durch lange Harzflußwege, stellenweise eine unzureichende Durchtränkung aufweisen, vor allem wenn mit diesen bekannten Verfahren flächig gestreckte Formteile mit einem hohen Faservolumenanteil hergestellt werden.

Ferner sind Herstellungsverfahren für faserverstärkte, thermoplastische Kunststoff-Formteile bekannt (FR-PS 9 97 322, DE-OS 19 63 563), bei denen ein Gelege aus abwechselnd übereinander liegenden Kunststoff- und undurchtränkten Faserschichten in ein Form- und Preßwerkzeug eingeschlossen wird und die durch Erwärmung in den dünnflüssigen Zustand versetzten, thermoplastischen Kunststoffschichten unter der Druckeinwirkung des Preßwerkzeugs die Faserschichten durchströmen und die Lufteinschlüsse verdrängen sollen. Auch diese bekannten Verfahren sind jedoch für eine gleichförmig lunkerfreie Durchtränkung der Faserlagen zumindest dann unzureichend, wenn an Stelle eines thermoplastischen Kunststoffes eine Harzmatrix verwendet wird und daher die Gefahr besteht, daß das Harz während der Durchtränkungsphase vom dünnflüssigen in den Gelierzustand übergeht und dann der Harzfluß im Gelege zum Erliegen kommt.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß selbst für flächige Formteile mit einem hohen Faservolumenanteil die Lunkerbildung weitgehend beseitigt und auf einfache Weise eine gleichmäßig hohe Durchtränkung des Fasermaterials garantiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist hinsichtlich des Arbeits-,Werkzeug-, Lagerhaltungs- und Materialaufwands äußerst kostengünstig, gewährleistet eine lange, gute Verarbeitbarkeit der Ausgangsmaterialien mit geringem Materialabfall, verkürzt die Werkzeugbelegungszeiten, vermindert die arbeitsphysiologische Gefährdung der Werker und gewährleistet vor allem selbst bei einem hohen Faservolumen-Anteil des Formteils eine hohe Laminatqualität, aufgrund der besonderen, hinsichtlich Zeitdauer und Druckhöhe abgestuften Vorverdichtung, durch die mit einer gegenüber dem Endverdichtungsdruck reduzierten, für einen innigen Faserkontakt jedoch ausreichenden, der Laminatdicke entsprechenden Druckbeaufschlagung des Geleges im Formwerkzeug sichergestellt wird, daß die Harzschicht nach der Erwärmung als Harzschmelze die nur vorverdichtete und daher noch luftdurchlässige Faserschichtung unter Ausnützung des wegen des innigen Faserkontakts vorhandenen Saug- und Kapillar-Effekts vollflächig auf breiter Front und auf kürzestem Wege, nämlich in Dickenrichtung der Faserschichtung, durchdringt, wobei die in den Faserlagen vorhandene Luft von der gleichförmig fortschreitenden Harzfront ausgeschoben und aus dem Formraum entfernt wird, ohne daß die Entlüftung und vollständige Durchtränkung der Faserschichtung durch bereits vorgetränkte Faserzonen behindert wird. Auf diese Weise wird erfindungsgemäß selbst für dünnwandige Formteile mit einem hohen Faservolumen-Anteil eine einwandfreie, gleichmäßig und weitgehend ohne Lunkerbildung durchtränkte Laminatstruktur erreicht.

In besonders bevorzugter, fertigungstechnisch einfacher Weise wird die Harzschicht gemäß Anspruch 2 außerhalb des Formwerkzeugs auf einen vorgeformten Oberflächenbelag aufgebracht, z. B. aufgesprüht und dann mit diesem als Träger in das Formwerkzeug eingelegt. Dieser Oberflächenbelag bildet nach dem Aushärten des Laminats eine integral mit diesem verbundene Außenhaut, z. B. in Form eines Gleit- oder Blitz- oder Witterungsschutzbelags und kann zugleich den zum Entformen des Laminats aus dem Werkzeug erforderlichen Haftschutz bewirken.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird gemäß Anspruch 2 die Harzschicht mit einer sich ändernden Schichtdicke ausgebildet, um auch für Form teile mit ungleichförmiger Harzverteilung, also etwa solche mit einer örtlich aufgedickten Laminatstruktur, während des Durchtränkungsvorganges einen Harzfluß in Dickenrichtung der Faserschichtung, d. h. auf kürzestem Wege, sicherzustellen. In weiterer, fertigungstechnischer Vereinfachung wird das gesamte, aus Harz- und undurchtränkten Faserschichten bestehende Gelege gemäß Anspruch 4 zweckmäßigerweise außerhalb des Formwerkzeugs vorgefertigt und als Vorformling in das Formwerkzeug eingebracht.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbei spiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung und mit der Deut lichkeit halber stark übertriebenen Wandstärkenverhält nissen:

Fig. 1 einen Schnitt eines Faserverbundlaminats- Formteils;

Fig. 2a, b eine vorgeformte, mit der Harzschicht versehene Folie und, im vergrößerten Maß stab, deren Teilausschnitt B;

Fig. 3a, b ein als Vorformling ausgebildetes Gelege sowie den Ausschnitt B des Geleges in ver größertem Maßstab; und

Fig. 4a, b das im Formwerkzeug eingeschlossene Ge lege zu Beginn des Durchtränkungsvorgangs sowie den Ausschnitt B des Geleges.

Das in Fig. 1 gezeigte, rotationssymmetrische Formteil 2 besteht aus einem Faserverbundlaminat, das in der Mitte durch eine zusätzliche Verstärkungslage 4 auf gedickt ist und auf der Außenseite einen Oberflächenbe lag 6 in Form einer integral mit dem Laminat verbunde nen Deckhautfolie aufweist. Das Formteil 2 hat eine im Vergleich zu seiner Flächenerstreckung geringe Wand stärke, die der Deutlichkeit halber stark vergrößert dargestellt ist, tatsächlich aber nicht mehr als etwa 5 mm beträgt, was einer Faserlagen-Anzahl von etwa 20 entspricht.

Zur Herstellung des Formteils 2 wird zunächst die Deck hautfolie 6, die aus einem hinsichtlich der Warmhärt temperatur des Faserverbundwerkstoffs beständigen Material besteht, entsprechend der Oberflächenkontur des Formteils 2 tiefgezogen und anschließend auf der Innenseite mit der gesamten, für das Faserverbundlaminat benötigten Harzmenge beschichtet (Fig. 2a, b), derart, daß die auf die Folie 6 aufgebrachte Harzschicht 8 eine der Harzverteilung im fertigen Laminat entsprechende Schichtdicke d aufweist, also im verstärkten Mittelab schnitt 4 des Formteils 2 z.B. auf 1 mm aufgedickt ist. Die Harzschicht 8 befindet sich auf der Folie 6 im zäh elastischen, form- und insbesondere wandstärkenhaltigen Zustand und wird etwa durch Aufsprühen der durch Er wärmung dünnflüssigen Harzkomponente mit Hilfe eines Sprühwerkzeugs 10 auf die Folie 6 aufgebracht und auf dieser durch Abkühlung formstabilisiert.

Wie die Fig. 3a, b zeigen, wird die Harzschicht 8 an schließend einseitig auf der der Folie 6 abgekehrten, freien Harzschichtoberfläche mit einer Faserschichtung 12 belegt, die aus undurchtränkten Faserlagen 14 besteht, welche auf der Harzschicht 8 in der für das Laminat vor gegebenen Faserorientierung und Lagen-Anzahl, also im Laminat-Mittelabschnitt 4 mit einer oder mehreren Zusatz lagen 16, fixiert werden.

Das auf diese Weise als Vorformling ausgebildete Gelege 18 aus undurchtränkter Faserschichtung 12 und Harzschicht 8 einschließlich Deckhautfolie 6 wird dann in ein Form- und Preßwerkzeug 20 (Fig. 4a) eingeschlossen, das aus einem oberen und einem unteren Formstempel 22 bzw. 24 mit jeweils festen, den Formraum 26 begrenzenden Form flächen besteht. Nunmehr wird das Gelege 18 durch Druck beaufschlagung der Formstempel 22, 24 unter einen Vorver dichtungsdruck P von typischer Weise etwa 0,1 bar gesetzt, durch den die Faserschichtung 12 entlüftet und die Faser lagen 14, 16 in engen Faserkontakt gebracht werden (Fig. 4b), während sich die Harzschicht 8 weiterhin im zähelasti schen Zustand befindet. Zur Unterstützung des Entlüftungs vorgangs wird der Formraum 26 zusätzlich im Bereich seines Außenrandes und evtl. über in Fig. 4a gestrichelt darge stellte Entlüftungsbohrungen mit Vakuum V beaufschlagt.

Durch Aufheizen des Formwerkzeugs 20 wird sodann die Harzschicht 8 auf den dünnflüssigen Zustand (bei etwa 80°C) erwärmt, und die Harzschmelze durchdringt die Faserschichtung 12 unter der Wirkung des fortdauernden Vorverdichtungsdrucks P und der Saug- und Kapillarwirkung der undurchtränkten Verstärkungsfasern als großflächige, gleichförmig fortschreitende Harzfront auf kürzestem Wege, d.h. die örtliche Harzfließrichtung R verläuft quer zur Flächenerstreckung der Faserschichtung 12, also in Dickenrichtung des Laminats, wodurch eine gleichmäßi ge Durchtränkung der Verstärkungsfasern erreicht und eine Lunkerbildung weitgehend verhindert wird. Im Laufe des Durchtränkungsvorganges, der je nach Schichtdicke der Faserschichtung 12 etwa 5 bis 10 min dauert, bleibt das Formwerkzeug 20 mit dem Vorverdichtungsdruck P be aufschlagt, so daß die Formflächen der Stempel 22, 24 unter Verringerung der Spaltbreite des Formraumes 26, wenn auch nur geringfügig, nämlich etwa um die Dicke der Harzschicht 8, zusammenfahren.

Das auf diese Weise mit der endgültigen Laminatstruktur hergestellte Formteil wird entweder im Formwerkzeug 20 belassen und dort nach weiterer Erwärmung auf die Warm härttemperatur (typischerweise etwa 120°C) und Stei gerung des Formwerkzeugdrucks auf den vollen Verdich tungsdruck (z.B. 5 bar) vollständig ausgehärtet oder dem Formwerkzeug 20 nach Abkühlung auf ein die zähelasti sche Harzverfestigung bewirkendes Temperaturniveau ent nommen und dann, vorzugsweise im gekühlten Zustand, bis zur vollständigen Aushärtung des Laminats gelagert.

Anstelle der Deckhautfolie 6 kann auch eine Trennfolie Verwendung finden, die einen Haftschutz zwischen dem Laminat und den Formraum-Begrenzungswänden bildet und später wieder vom Laminat abgezogen wird.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines aus einer Harzmatrix und Verstärkungsfasern bestehenden Faserverbundlaminat-Formteils, bei dem ein Gelege aus mindestens einer in formhaltigem Zustand gehaltenen Harzschicht und aus undurchtränkten, die Harzschicht auf der Oberfläche bedeckenden Verstärkungsfasern in ein Form- und Preßwerkzeug eingeschlossen wird und unter Druck- und Wärmeeinwirkung die Verstärkungsfasern von der durch Erwärmung in den dünnflüssigen Zustand versetzten Harzschicht durchtränkt und das Gelege in die endgültige Laminatstruktur gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelege während der Durchtränkungsphase im Formwerkzeug für eine von der Laminatdicke abhängige Zeitdauer mit einem eine Entlüftung bewirkenden, die Verstärkungsfasern jedoch in innigem Faserkontakt haltenden Vorverdichtungsdruck beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Harzschicht außerhalb des Formwerkzeugs auf einen entsprechend der Kontur des Formteils vorgeformten, mit dem fertigen Laminat integral verbundenen Oberflächenbelag aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für Laminate mit ungleichförmigem Wandstärkenverlauf die Harzschicht mit einer sich entsprechend der örtlichen Laminat-Wandstärke ändernden Schichtdicke ausgebildet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelege als gesondert vorgefertigter, aus Harzschicht und undurchtränkten Verstärkungsfasern gebildeter Vorformling in das Formwerkzeug eingebracht wird.