DE3541954C2 - Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 29 19 588 A1 bekannt. Dieses bekannte Verfahren dient zur Herstellung ballisti­ scher Schutzhelme, d. h., von Körpern mit relativ großen Abrundungsradien. Schwierigkeiten ergeben sich bei Anwen­ dung eines solchen Verfahrens jedoch dann, wenn der herzu­ stellende Verbundkörper relativ scharfe Konturen aufweist. Wenn die übereinandergelegten Schichten dann der erforder­ lichen Verformung unterworfen werden, ergeben sich hohe Reibungskräfte zwischen den benachbarten kunstharzimpräg­ nierten Blättern, und je kleiner der Deformationsradius, desto größer werden die Reibungskräfte zwischen den Schich­ ten, die dadurch verursacht werden, daß sich die Schichten gegeneinander verschieben müssen, um die gewünschte Form­ gebung des Verbundkörpers zu erhalten.

Aus der zum Stande der Technik gehörenden älteren Patentan­ meldung DE 34 45 462 A1 ist es bekannt, Prepreglagen über­ einander zu schichten, unter Druck teilweise zu härten, mehrere teilgehärtete Lagen in eine Form zu legen und darin bis zur vollständigen Vernetzung zu verpressen. Das Problem der Verformung von Verbundkörpern mit scharfen Konturen ist hierin jedoch nicht angesprochen und auf die angegebene Weise auch nicht lösbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren derart zu verbessern, daß Verbundkörper mit schar­ fen Kanten dadurch auf einfache Weise hergestellt werden kön­ nen, daß die Reibungskräfte zwischen den benachbarten Schich­ ten vermindert werden.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Teilhärtung des Kunstharzes mit zwischen die Faser­ schichten gelegten dünnen, elastischen Trennfilmen erfolgt, die danach wieder entfernt werden, bevor die teilgehärteten Faserschichten zum fertigen Verbundkörper verpreßt werden. Durch die später wieder entfernten Trennschichten werden die Reibungskräfte zwischen den Schichten während der Form­ gebung beträchtlich vermindert, so daß auch kompliziert ge­ staltete Verbundkörper mit kleinen Krümmungsradien hergestellt werden können.

Die zu diesem Zweck benutzten Trennfilme bestehen zweckmäßi­ gerweise aus einem elastischen Polyester und besitzen eine Dicke von 0,25 mm. Hierdurch ergeben sich besonders günstige Reibungsverhältnisse mit den anliegenden Faserschichten.

Die Teilhärtung wird in einer dem fertigen Gegenstand ent­ sprechenden Form bei einer Temperatur von etwa 125°C vorge­ nommen, und die Dauer der Teilhärtung beträgt etwa 90 Minuten.

Die völlige Aushärtung der Schichten wird demgegenüber zweck­ mäßigerweise bei einer erhöhten Temperatur von etwa 175°C und einem Druck von 225 kg/cm² in einem Autoklaven durch­ geführt.

Die Fasern sind vorzugsweise Kohlenstoffasern, und das Kunst­ harz ist vorzugsweise ein Epoxydharz.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Schichten nach ihrer Teilhärtung und Verformung beispiels­ weise durch Thermoschweißen aneinandergeheftet.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines Stapels von mit Kunstharz imprägnierten Faserschichten und dazwischenliegenden Trennfilmen, wobei dieses Laminat zur Durch­ führung des Verfahrens benutzt wird;

Fig. 2 eine Schnittansicht der Vorrichtung, welche zur Durchführung des Verfahrens dient;

Fig. 3 eine Schnittansicht einer weiteren Vorrichtung, die bei der Durchführung des Verfahrens An­ wendung findet.

Gemäß Fig. 1 werden abwechselnd Schichten aus mit ungehärtetem Kunstharz imprägnierten Kohlenstoff­ fasern 10 und 0,25 mm Dicke Trennfilme 11 aus elastischem Polyester in der Weise gestapelt, daß die Schichten 10 und 11 übereinanderliegen. Der Stapel 12, welcher von den Schichten 10 und 11 ge­ bildet ist, wird dann bei einer Temperatur von etwa 125°C 90 Minuten lang vorgehärtet, bevor er zwischen die Formkörper 13 und 14 eingelegt wird, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist. Die Formkörper 13 und 14 haben eine einander entsprechende Form, so daß bei Ausübung eines Druckes auf den oberen Formkörper 13, bei­ spielsweise mittels einer hydraulischen Presse in Richtung des Pfeiles 15 der Stapel 10 zusammengedrückt und in eine Form gebracht wird, die durch die Form­ körper 13 und 14 bestimmt ist. Es wird dabei nur so viel Druck angewandt, daß der Stapel 12 die Gestalt der Formkörper 13 und 14 annimmt, wobei die Vorhärtung während einer Zeitdauer und mit einer Temperatur er­ folgt, die ausreicht um zu gewährleisten, daß das Epoxydharz in den Faserschichten 10 biegsam wird und nur eine teilweise Aushärtung des Kunstharzes erfolgt. Es ist zweckmäßig, daß die Vorhärtung durch Beheizung der Formkörper 13 und 14 erfolgt.

Beim Zusammenpressen des Stapels 12 erfolgt eine relative seitliche Bewegung zwischen den kunstharz­ imprägnierten Kohlenstoff-Faserschichten 10, damit sie die durch die Formkörper 13 und 14 definierte Gestalt einnehmen können. Diese seitliche Bewegung wird durch den Trennfilm 11 ermöglicht, der zwischen den kunstharzimprägnierten Kohlenstoffaserschichten 10 liegt.

Wenn die Formgebung des Stapels 12 vollendet ist, dann läßt man den Aufbau unter Druck abkühlen, worauf die Formkörper 13 und 14 voneinander getrennt werden und der Stapel 12 entfernt wird. Der Stapel 12 kann er­ forderlichenfalls in diesem Zustand bearbeitet werden, wie in der Britischen Patentschrift 21 56 262 be­ schrieben. Die verschiedenen Schichten 10 und 11 des Stapels 12 werden dann getrennt, so daß die Trennfilm­ schichten 11 dazwischen aus dem Stapel 12 entfernt werden können. Die Trennfilmschichten 11 werden dann weggeworfen und die geformten Faserstoffschichten 10 werden wieder aufeinander gestapelt.

Wenn die Faserstoffschichten 10 gestapelt werden, dann werden sie durch Punktschweißung miteinander verbun­ den, damit sie in fester Beziehung zueinander stehen.

Es können aber auch andere Mittel benutzt werden, um die Schichten 10 aneinander zu heften, bei­ spielsweise Ultraschall-Schweißung, Laserstrahl­ schweißung, ein Schweißverfahren mit kurzwelliger Strahlung, eine lokale Induktionserhitzung, oder es könnte ein schnell aushärtendes Klebemittel be­ nutzt werden, welches mit dem Kunstharz kompatibel ist, mit welchem die Faserschichten 10 imprägniert sind.

Dann wird der aus Faserstoffschichten 10 bestehende Stapel auf einem Formkörper 16 aufgelegt, welcher aus Fig. 3 ersichtlich ist und in seiner Gestalt dem Stapel von Faserschichten 10 entspricht und dem­ gemäß auch der Form des Formkörpers 14. Tatsächlich kann der Formkörper 14 anstelle des Formkörpers 16 benutzt werden. Dann wird der Stapel von Faserschich­ ten 10 mit Trennschichten, Entlüftungsschichten und einer gasundurchlässigen Membran 17 bedeckt, die in üblicher Weise an den Rändern durch eine Dichtung 18 abgedichtet werden. Dieser Aufbau wird dann in einem herkömmlichen Autoklaven auf eine Temperatur von 175°C erhitzt und zwei Stunden lang einem Druck von 225 kg/cm² ausgesetzt. Dies dient zur vollständigen Verfestigung der gestapelten Faserstoffschichten 10 und zur Voll­ endung der Aushärtung des Kunstharzes innerhalb der Schichten 10. Nach Abkühlung und Nachlassen des Druckes wird der fertige Verbundkörper aus der Form 16 ent­ nommen.

Hieraus ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren infolge der Vorformgebungsstufe die Gewähr dafür liefert, daß ein perfekter Paßsitz zwischen benachbarten Faserstoffschichten 10 er­ reicht wird, wobei eine Klumpenbildung der Schich­ ten 10 weitgehend verhindert wird. Daher kann bei der Herstellung des Verbundkörpers ein Autoklaven- Formgebungsverfahren benutzt werden, und es können Verbundkörper komplexer Gestalt hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß die vorgeformten Faserschichten 10, da sie im wesentlichen starr und frei von Nägeln sind, leicht einer mechanischen Bearbeitung unterworfen werden können, wodurch die Möglichkeit einer automatischen Bearbeitung des Stapelvorganges vor der Autoklaven- Formgebung eröffnet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde vorstehend unter Bezugnahme auf Verbundmaterial beschrieben, welches einer Autoklaven-Formgebung unterworfen wurde. Es ist jedoch klar, daß das Verfahren nicht auf die Be­ nutzung einer Autoklaven-Formgebung beschränkt ist und daß andere Formverfahren, beispielsweise ein Vakuum-Formgebungsverfahren unter gewissen Umständen Anwendung finden kann.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern, bei dem Schichten (10) aus mit ungehärtetem Kunstharz imprägnier­ ten Fasern gestapelt werden, dann die Temperatur der gestapel­ ten Schichten auf einen Wert angehoben wird, bei dem nur eine Teilhärtung des Kunstharzes erfolgt, dann ein genügend hoher Druck auf den Stapel durch zwei entsprechend gestaltete, ent­ gegengesetzte Formkörper (13, 14) ausgeübt wird, um die ge­ stapelten Schichten in eine den Formkörpern (13, 14) entspre­ chende Gestalt zu bringen und dann die gestapelten Schichten (10) abgekühlt werden und der Druck weggenommen wird, dann die teilgehärteten Faserschichten (10) wieder auf einem Formkörper (16) gestapelt werden, der ihrer Form entspricht und dann ein genügend hoher Druck auf die Schichten (10) ausgeübt wird, um sie bei erhöhter Temperatur unter vollständiger Aushärtung des Kunstharzes zu verpressen, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilhärtung des Kunstharzes mit zwischen die Faserschichten (10) gelegten dünnen, elasti­ schen Trennfilmen (11) erfolgt, die danach wieder entfernt werden, bevor die teilgehärteten Faserschichten zum fertigen Verbundkörper verpreßt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennfilme (11) eine Dicke von etwa 0,25 mm besitzen und aus einem elastischen Polyester bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilhärtung in einer dem fertigen Gegenstand entsprechenden Form (13, 14) bei einer Temperatur von etwa 125°C und 90 Minuten lang erfolgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die völlige Aushärtung der Schichten (10) bei einer Temperatur von etwa 175°C und einem Druck von 225 kg/cm² in einem Autoklaven erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Kohlenstoffasern sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunstharz ein Epoxydharz ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (10) nach ihrer Teil­ härtung und Vorformung beispielsweise durch Thermoschweißen aneinander geheftet werden.