DE3687008T2 - Verfahren zur herstellung geformter gegenstaende aus verstaerkten verbundmaterialien. - Google Patents

Verfahren zur herstellung geformter gegenstaende aus verstaerkten verbundmaterialien.

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DE3687008T2 DE8686301595T DE3687008T DE3687008T2 DE 3687008 T2 DE3687008 T2 DE 3687008T2 DE 8686301595 T DE8686301595 T DE 8686301595T DE 3687008 T DE3687008 T DE 3687008T DE 3687008 T2 DE3687008 T2 DE 3687008T2
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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung geformter Gegenstände aus verstärkten Verbundmaterialien, verstärkt mit endlosen, parallelen Fasern.
  • Es wurden kürzlich Verfahren zur Imprägnierung von Endlosfasern mit Thermoplasten konstruiert, die die außerordentlich guten physikalischen Eigenschaften verstärkender Fasern, wie Glas- oder Kohlefasern zur vollständigen Verwendung in Verbundstoffen aus Endlosfasern ermöglichen. Derartige Verbundprodukte mit endlosen, parallelen Fasern können als Endlosprofile durch geeignetes Profilieren des imprägnierten Produktes hergestellt werden, aber sie werden im allgemeinen als flache Bänder oder Bahnen bzw. Platten hergestellt, die danach aufeinandergelegt werden und zu flachen Strukturen mit multidirektionaler Verstärkung verfestigt werden, um quasi-isotrope Verstärkung in der Ebene der Struktur zur Verfügung zu stellen. Derartige verfestigte Strukturen besitzen außerordentliche Festigkeit und Steifigkeit aber sind durch die Beschaffenheit der Verstärkung durch Endlosfasern schwierig zu geformten Gegenständen nach Verfahren, in denen die Struktur irgendeinem Ausdehnungsverfahren unterworfen werden muß, zu verarbeiten.
  • EP-A-17452 offenbart die Formung von durch wärmehärtbare Harze miteinander verbundenen Fasern, indem man sie zwischen Platten aus Polyvinylchlorid setzt und unterschiedliche Drücke auf den entstehenden Aufbau ausübt. Da jedoch dieses Verfahren sowohl von der Viskosität des Matrixmaterials als auch von der Faserlänge abhängt, z. B. s. EP-A-36391, sind Platten derartiger Materialien zur Formung von Verbundstoffen aus Endlosfasern, die mit Thermoplasten imprägniert wurden wegen der hohen Viskositäten und der hohen Glasübergangstemperaturen (Tg) der Thermoplast-Matrizen nicht geeignet.
  • EP-A-155820 stellt ein außerordentlich wirksames Verfahren zur Bildung von endlosen, parallelen Fasern und Thermoplasten zur Verfügung, wobei man nach dem Verfahren einen Fluiddruck auf ein Diaphragma eines plastisch verformbaren Metalls ausübt, wodurch ein Verbundkörper in eine erforderliche Form gezwungen wird. Vorzugsweise ist das Metall ein superplastisch verformbares Metall. Obwohl Legierungen, die zur Formung von Verbundstoffen, in denen die Matrixpolymere eine thermoformbare Temperatur über 300ºC besitzen, geeignet sind, kommerziell erhältlich sind, sind Metalle zur Formung von Verbundmaterialien, in denen die Matrix eine thermoformbare Temperatur unter 300ºC besitzt, nicht leicht erhältlich. Zusätzlich werden die Metalldiaphragmen normalerweise nach dem Betrieb als Abfall weggeworfen, was zu den Kosten der Formung hinzukommt.
  • Es wurde nun ein Verfahren zur Formung von thermoformbaren Verbundstoffen mit endlosen, parallelen Fasern ohne Bedarf der Verwendung von Metalldiaphragmen konstruiert.
  • Nach der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, in dem man einen Körper eines thermoformbaren Materials formt, das mit endlosen, parallelen Filamenten verstärkt wurde, die aufeinandergelegt wurden, so daß sich eine multidirektionale Verstärkung ergibt, die sich über die Länge und Breite des Körpers erstreckt, wobei man den Körper zwischen ein Paar Platten aus einem Formpolymermaterial setzt, wobei die Platten größere Abmessungen als der Körper haben, die Platten an ihren gegenseitigen Rändern zur Arretierung der Platten festklammert, während der Körper zwischen den Platten unarretiert ist, wobei die Kanten des Körpers sich frei in Richtung parallel zu den Platten bewegen können, den Plattenaufbau und den Körper auf eine Temperatur erhitzt, bei der das thermoformbare Material thermoformbar ist und das Formpolymermaterial gedehnt werden kann und einen unterschiedlichen Druck, vorzugsweise nicht mehr als 10 Atmosphären auf gegenüberliegende Seiten des Aufbaus ausübt, wodurch die Platten gedehnt werden und eine gewünschte Formung des Körpers verursacht wird und eine Umlagerung der Filamente relativ zueinander verursacht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner den Schritt der Auswahl des Formpolymermaterials aus Polymeren mit einer Glasübergangstemperatur größer als die Glasübergangstemperatur des thermoformbaren Materials des Körpers von mindestens 100ºC umfaßt.
  • Nach dem Verfahren der Erfindung ist die Tg des Formpolymermaterials mindestens 100ºC und wünschenswerterweise sollte sie im Falle eines wärmehärtbaren Formmaterials über 200ºC sein. Das Formmaterial sollte ausreichende Dehnungsfähigkeit bei den während des Formvorgangs verwendeten Betriebsbedingungen besitzen, so daß man das Material ohne Bruch dehnen kann. Das verwendete Material sollte vorzugsweise einen Ausdehnungs-/Bruchwert bei der verwendeten Temperatur von mindestens 50 %, wünschenswerterweise mindestens 100 % und am besten 200 % haben.
  • Während der verstärkte thermoformbare Körper normalerweise aus einem verstärkten thermoplastischen Polymerkörper besteht, wobei das Thermoplast des Körpers eine Bildungstemperatur nicht höher als der thermoplastische Körper besitzt, der dagegen gedrückt wird, so daß die Formung zustandekommt (nachstehend als "der Polymerformkörper" bezeichnet), beinhaltet die Erfindung auch die Verwendung von verstärkten, wärmehärtbaren Materialien, die geformt werden können, während sie in fließfähigem Zustand sind und anschließend gehärtet werden.
  • Wenn das Formpolymer ein thermoplastisches Polymer ist, hat es normalerweise eine minimale Bildungstemperatur, die über der des verstärkten thermoformbaren Körpers liegt, so daß der Verformungswiderstand bei einer gegebenen Temperatur nach dem Verfahren der Formung des Aufbaus aus einem Formkörper und einem verstärkten Körper durch den thermoplastischen Polymerformkörper bestimmt wird, aber diese Bedingung kann auch erreicht werden, wenn die zwei Polymere die gleiche minimale Bildungstemperatur besitzen. Beispielsweise kann, wenn der thermoplastische Polymerformkörper aus der gleichen Polymerart wie die des thermoformbaren, verstärkten Körpers ist, aber ein höheres Molekulargewicht hat oder dicker ist als der verstärkte, thermoformbare Polymerkörper, der Formkörper mit dem höheren Molekulargewicht oder der größeren Dicke verwendet werden, um das Verfahren und die Steuerung der Formung zu bestimmen.
  • Die minimale Formtemperatur eines thermoplastischen Polymers ist die Temperatur, bei der es gleichförmig um mindestens 20 % gedehnt werden kann. Im allgemeinen ist eine derartige Temperatur mindestens um 20ºC über der Glasübergangstemperatur und unter der Zersetzungstemperatur des Polymers.
  • Wenn die polymeren Materialien des thermoformbaren Polymers und des Formpolymers amorphe Polymere sind, sollte die Glasübergangstemperatur des Formpolymers über der des thermoformbaren Polymers liegen und der Formvorgang sollte oberhalb der Tg des Formpolymers ausgeführt werden. Wenn beide Materialien kristallin sind, sollte der Formvorgang vorzugsweise bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt des Formpolymers ausgeführt werden und das thermoformbare Polymer sollte einen Schmelzpunkt unter dem des Formpolymers haben. Das Formpolymer kann auch ein quervernetztes wärmehärtbares Polymer mit einer Tg über der Tg des zu formenden thermoformbaren Polymers sein. In diesem Fall kann das Formverfahren bei einer Temperatur unter der Tg des Formpolymers ausgeführt werden, mit der Maßgabe, daß das thermoformbare Polymer sich über seiner minimalen Bildungstemperatur befindet, wenn es ein thermoplastisches Polymer ist. Es können auch quervernetzte, wärmehärtbare Polymere mit Tg über 100ºC verwendet werden, was für die Bildung von Verbundstoffen aus verstärkten wärmehärtbaren Materialien von Vorteil ist. Diese fließen normalerweise ohne Verwendung hoher Temperaturen und können bei Temperaturen unter der Tg des quervernetzten, wärmehärtbaren Polymers gebildet werden.
  • Ein Hauptvorteil der Erfindung im Vergleich mit Verfahren wie Hydroformieren ist es, daß viel geringere Drücke, z. B. Differentialdrücke von weniger als 10 Atmosphären und wünschenswerterweise weniger als 1 Atmosphäre verwendet werden können. Dies ermöglicht es, daß die zu verwendende Formvorrichtung nicht nur billiger sondern auch bei beträchtlich erweiterter Größe zur Herstellung von größerflächigen Formen als bisher betrieben werden kann.
  • Überraschenderweise ergeben sich nach der Erfindung die besten Ergebnisse mit endlosen, parallelen Fasern, die durch die Abmessungen des Körpers hindurch verlaufen, obwohl die Dehnfähigkeit derartiger Produkte von Natur aus begrenzt ist.
  • Herkömmliche Verfahren wie Pressformung oder Stempelverfahren sind zur Bildung von Verbundstoffen mit Endlosfasern nicht geeignet, da sie ausgeprägte Knickung der Fasern verursachen, da es unmöglich ist, die Fasern passend wiederzuverteilen und anzupassen, wenn das Werkstück der seine Form zur Formbildung ändert.
  • Mindestens eine Platte des Plattenpaares kann als Ergebnis oder im Verlauf des Formvorganges an den verstärkten Körper angeheftet werden oder ihm einverleibt werden.
  • Wenn das thermoplastische, polymere Material, das zur Bearbeitung des thermoformbaren Körpers in die gewünschte Form verwendet wird, in den verstärkten Körper des letztlichen geformten Gegenstandes einverleibt wird, kann dies durch Verwendung eines geeigneten Klebemittels, wie ein Schmelzklebemittel erreicht werden, aber vorzugsweise sind, wenn eine derartige integrale Oberflächenbehandlung des geformten Gegenstandes erforderlich ist, sowohl der Formkörper als auch der thermoformbare Körper Thermoplaste, wobei die Beschaffenheit des thermoplastischen Formkörpers so gewählt werden sollte, daß sie mit dem Polymer des thermoformbaren Körpers verträglich ist, so daß sich eine innige Bindung zwischen den beiden Körpern ergibt, wenn sie unter den Bedingungen des Verfahrens zusammengebracht werden. Einige typischerweise geeignete Kombinationen des Formkörperpolymers und des Polymers des verstärkten Körpers sind jeweils Polymethylmethacrylat und Polyvinylchlorid, Polyethersulfone und Polyetherketone und Kombinationen, in denen die Polymere chemisch ähnlich sind, aber sich im Molekulargewicht unterscheiden, wobei das Polymer des verstärkten Körpers das geringere Molekulargewicht besitzt. Wie vorstehend angedeutet, kann eine gewisse Steuerung des Verfahrens auch durch Verwendung eines Formkörpers, der dicker als der verstärkte Körper ist, erreicht werden.
  • Bevorzugte verstärkte Thermoplastkörper zur Verwendung nach der Erfindung sind solche, bei denen Sorgfalt darauf verwandt wurde, um sicherzustellen, daß die einzelnen Filamente, die die Verstärkung ausmachen von dem thermoplastischen Polymer im wesentlichen vollständig benetzt worden sind. In Anbetracht der Tatsache, daß einzelne Verstärkungsfilamente üblicherweise einen Filamentdurchmesser zwischen ungefähr 5 und 25 um haben, ist die Aufgabe der Benetzung aller derartiger Filamente in einem Körper mit mehr als 20 Vol.-% derartiger Filamente bei Verwendung eines geschmolzenes Thermoplastes wegen der hohen Schmelzviskosität derartiger Materialien schwierig. Geeignete Produkte wurden kürzlich entwickelt und können nach den beschriebenen Verfahren hergestellt werden, z. B. nach EP-A-56703 und EP-A-102 159. Diese Veröffentlichungen offenbaren Verfahren zur Imprägnierung von Rovings verstärkender Fasern und stellen Endloslängen unidirektional verstärkter Materialien zur Verfügung, die entweder aufeinandergelegt werden können, um einen Verbund mit multidirektionaler Verstärkung zu ergeben oder zu multidirektionaler quasi-isotroper Verstärkung in der Ebene der verfestigten Platte vorverfestigt werden können. Es kann entweder der lose Verbund oder die verfestigte Platte nach der Erfindung verwendet werden.
  • Eine Vielzahl von Formvorgängen, die eine Formoberfläche zur Bestimmung der hergestellten Form verwenden oder nicht verwenden können, kann angewendet werden.
  • Aus einem Paar Formplatten wird ein Sandwich gebildet, wobei sich der verstärkte Körper zwischen den Platten befindet und die Platten des Sandwich größer als der zu bildende verstärkte Körper sind, so daß die Platten arretiert werden können, indem man sie an ihren gegenseitigen Rändern in einem Formvorgang festklammert, während der verstärkte Körper zwischen den Platten unarretiert ist und die Kanten des Verbundstoffes frei gelassen werden, so daß sie sich in paralleler Richtung zu den Platten bewegen können. Überraschenderweise ermöglichen es die Formplatten, daß sich die endlose, multidirektionale Verstärkung im Inneren des Sandwich umordnet, während das Innere arretiert ist und zwingen es in die erforderliche Form, ohne daß beträchtliche Knickung der Filamente auftritt.
  • Wenn der verstärkte Körper sich zwischen zwei Formplatten befindet, ist es möglich, brauchbare geformte Gegenstände ohne Verwendung einer Formoberfläche zu gewinnen, indem man unter Verwendung eines Druckes jeweils über und unter Atmosphärendruck eine Wölbung freibläst oder zieht. Wenn eine Form verwendet wird, kann es eine aufnehmende Form sein, in die der hitzeerweichte Aufbau gezwungen wird, oder eine hervorstehende Form sein, über die der Aufbau mittels eines Differentialdruckes, vorzugsweise eines Fluiddruckes, der auf eine Formplatte wirkt, gezwungen wird.
  • Gemäß eines Gesichtspunktes der Erfindung werden hohe, aber unterschiedliche Drücke auf den Aufbau ausgeübt, wobei der gleichmäßig hohe Druck die Wirkung hat, die Verfestigung zu verbessern und der Druckunterschied entlang des Aufbaus die Wirkung hat, das Ausmaß der erforderlichen Formung zu steuern. Nach dem Verfahren verwendete typische hohe Drücke sind mindestens ungefähr 3 bar und vorzugsweise mindestens ungefähr 6 bar mit einem Unterschied von mindestens 0,1 bar. Wenn ein Druckunterschied auf eine Seite des Sandwich, aber nicht auf die andere ausgeübt wird, kann die Platte die der Druckanwendung abgewandt ist perforiert werden, um sicherzustellen, daß jegliches Gas, das in dem Sandwich eingefangen wurde, freigegeben wird.
  • Alternativ kann der Raum zwischen den beiden Platten zur Entfernung von Gasen evakuiert werden. Wenn das Vakuum zwischen den beiden Platten aufrechterhalten wird, während das Sandwich verformt wird, hält dies zusätzlich eine Verfestigungskraft auf den Kunststoff-/Faserverbundstoff zusätzlich zu jeglicher Verfestigungskraft aufrecht, die sich aus der Dehnung der thermoplastischen Formplatten ergibt. Nach der Verformung läßt man das Sandwich abkühlen, so daß der verformte Verbundkörper in Form "fixiert" wird.
  • Obwohl Fluiddrücke, gegebenenfalls übertragen durch ein elastisches Diaphragma bevorzugt werden, um den Aufbau in die gewünschte Form zu zwingen, da dadurch ein gleichmäßiger Druck auf die Oberfläche des Formkörpers übertragen wird, können andere Formverfahren verwendet werden. So kann der Fluiddruck durch verschlußunterstützte Formung ergänzt werden oder die Formung kann vollständig durch Pressformung zweier sich entsprechender Formen durchgeführt werden.
  • Wenn das Formmaterial ein quervernetztes Polymer mit einer Glasübergangstemperatur Tg oberhalb der Tg des zu formenden thermoformbaren Polymers ist, sollte es einen ausreichenden Ausdehnungs-/Bruchwert bei der Bildungstemperatur des thermoformbaren Polymers haben, um die Ausdehnung des thermoformbaren Polymers auf den erforderlichen Wert zu ermöglichen. Der Ausdehnungs-/Bruchwert sollte mindestens 50 % und vorzugsweise mindestens 100 % und wünschenswerterweise mindestens 200 % bei den erforderlichen Temperaturen sein. Eine insbesonders brauchbare Klasse von Polymeren sind die Polyimidfilme, die von Ube Industries Limited unter der Handelsbezeichnung "Upilex" geliefert werden. Die als Upilex R bezeichnete Güte ist insbesonders brauchbar, da ein 25 um dicker Film eine Ausdehnung von 150 % bei 200ºC und eine Ausdehnung von 250 % bei 300ºC zeigt.
  • Upilex wird in einer Polykondensationsreaktion zwischen 3,3',4,4'-Biphenyltetracarbonsäure oder dessen Anhydrid, Ester oder Salz und einem aromatischen Diamin der Formel H&sub2;N-R-NH&sub2; hergestellt, wobei sich ein Polymer mit der sich wiederholenden Einheit
  • ergibt.
  • Diese Materialien haben Glasübergangstemperaturen über 250ºC. Die Herstellung dieser Polyimide wird im britischen Patent 2 032 926B beschrieben. Die verwendeten bevorzugten Diamine haben die Formel
  • in der R³ und R&sup4; jeweils unabhängig voneinander einen Rest darstellen, ausgewählt aus Wasserstoffatomen, niederen Alkylresten, vorzugsweise mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen, Alkoxyresten, vorzugsweise mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen, n eine ganze Zahl von 1 bis 4 darstellt und A einen zweiwertigen Rest darstellt, ausgewählt aus -O-, -S-, -CO-, -SO&sub2;2-, -SO-, -CH&sub2;- und -C(CH&sub3;)&sub2;-.
  • Die aromatischen Diamine der Formel (I) können Diaminodiphenyletherverbindungen, z. B. 4,4'-Diaminodiphenylether, 3,3'-Dimethyl-4,4'-diaminodiphenylether, 3,3'-Diaminodiphenylether, und 3,3'-Dimethoxy-4,4'-diaminodiphenylether; Diaminodiphenylthioetherverbindungen, Diaminobenzophenonverbindungen, Diaminodiphenylmethanverbindungen und Diaminodiphenylpropanverbindungen beinhalten.
  • Ein insbesonders brauchbares Merkmal dieser Produkte ist ihre hohe thermische Stabilität, die es ermöglicht, sie bei Temperaturen in der Größenordnung von 400ºC für einen begrenzten Zeitraum zu verwenden, wobei Verbundstoffe ermöglicht werden, in denen das nach dem Verfahren zu formende Matrixpolymer eine Bearbeitungstemperatur von ungefähr 400ºC hat.
  • Ein brauchbares Merkmal der Verwendung dünner Formfilme ist es, verglichen mit plastisch verformbaren Metallen, daß dünnere Filme verwendet werden können. Das scheint insbesondere im Fall der Polyimidfilme den Vorteil zu ergeben, daß der Oberflächenglanz des geformten Gegenstandes nach Entfernung des Formfilmes vergrößert wird. Der Film sollte dick genug sein, um eine angemessene Festigkeit zu liefern und ist wünschenswerterweise mindestens 5 um dick.
  • Vorzugsweise ist der Film mindestens 20 um, aber weniger als 250 um dick. Die Erfindung ist brauchbar zur Formung von thermoformbaren Materialien, die verstärkte wärmehärtbare Materialien sind, die eine Härtung bei hohen Temperaturen erfordern. Beispielsweise können wärmehärtbare Polyimide mit hoher Qualität, wie jene von Du Pont mit der Handelsbezeichnung "Avamid" vorteilhaft nach der Erfindung unter Verwendung von thermoplastischen Filmen mit Hochtemperatureigenschaft geformt werden, insbesondere Filme aus Polyetherketonen, wie Polyetheretherketone, von Imperial Chemical Industries PLC mit der Handelsbezeichnung "Victrex" PEEK geliefert oder die Filme aus den vorstehend beschriebenen quervernetzten Polyimiden mit hoher Tg.
  • Wenn wärmehärtbare Materialien als das thermoformbare Material verwendet werden, sollte Vorsorge getroffen werden, daß flüchtige Materialien während des Härtungsverfahrens entweichen können. Dies kann durch Verwendung eines Paares aus thermoplastischen Formplatten im Formverfahren erreicht werden, wobei eine von ihnen perforiert ist, um das Entweichen von flüchtigen Materialien während des Thermoformungsverfahrens und der darauffolgenden Formung in der Formvorrichtung zu erlauben. Alternativ kann die Härtung der Formung außerhalb der Form ausgeführt werden, um das Entweichen von flüchtigen Materialien zu erlauben, wenn die Formung eines Verbundkörpers nach Vollendung des Formvorganges ausreichende Formstabilität besitzt.
  • Weitere Vorteile, die durch die Verwendung von Formkörpern in Form von dünnen Filmen oder Bahnen bzw. Platten entstehen, sind leichte Entfernung des Filmes aus der Formung, verbesserte Biegungsdefinition, verbesserte Steuerung der Dicke der Bestandteile.
  • Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Beispiele beschrieben.
    • Beispiel 1
  • In diesem Beispiel wurde ein geformter Gegenstand mit äußeren Oberflächen aus Polymethylmethacrylat (PMMA) mit hohem Molekulargewicht und einem Inneren aus glasverstärktem Polyvinylchlorid hergestellt. Es wurde ein Aufbau aus zwei Scheiben aus PMMA-gegossenen Platten mit 1,5 mm Dicke mit einem Durchmesser von 18 cm zusammengestellt, die eine Scheibe mit 14 cm Durchmesser einschlossen, die aus gewobenen Streifen in einem gestreiften Webmuster aus glasverstärktem PVC von 2 cm Breite und 0,1 mm Dicke, hergestellt nach dem allgemeinen Verfahren der Europäischen Patentveröffentlichung Nr. 102 159, bestand. Es wurde ein Adapterring zwischen die zwei PMMA-Scheiben eingesetzt, damit sie mit den Rändern der Scheibe übereinstimmten, wobei die verstärkte, gewobene Matte zwischen den Scheiben ohne Kontakt mit dem Adapterring blieb.
  • Dieser Aufbau wurde zwischen zwei Ofenhälften mit Durchmessern, die mit dem Adapterring übereinstimmten und die eine Einrichtung zur Klammerung hatten, gesetzt. Die zwei Ofenhälften wurden zusammengefügt, wobei die Ofenhälften sich bereits auf der Betriebstemperatur von 165ºC befanden. Der Adapterring wurde mit einem radial gerichteten Kanal durch den Ring versehen, an den ein Vakuum zur Evakuierung des Raumes zwischen den zwei äußeren Scheiben angelegt werden konnte. Nach Plazierung zwischen die Ofenhälften und Schließen der Ofenhälften wurde ein Vakuum von 74 cm Quecksilber angelegt. Nach einem Zeitraum von 5 Minuten zur Einstellung des Gleichgewichtes wurde ein Druckunterschied von 0,2 bar auf das Laminat unter Verwendung eines Druckes aus Druckluft ausgeübt, der durch Einlässe in den Endplatten der Ofenhälften angelegt wurde. Nach einem weiteren Zeitraum von 7 Minuten wurde der Ofen abgestellt und es wurde Ventilatorkühlung ausgeübt, während der Druck in dem Aufbau im Ofen aufrechterhalten wurde. Der Druck wurde nach 54 Minuten abgestellt und der Gegenstand wurde aus dem Ofen entfernt. Das an den Aufbau angelegte Vakuum verursachte, daß er zu einem flachen Laminat zusammengedrückt wurde, wenn die äußeren Platten hitzeerweicht wurden und die Wirkung des Differentialdruckes ergab die Bildung einer frei geblasenen Wölbung mit einer Hubtiefe von 25 mm relativ zu einem unarretierten Scheibendurchmesser von 95 mm. In den gedehnten Zonen des Laminates hatten sich die Endlosfasern durch relative Bewegung im Inneren umgeordnet, so daß die Verformung ohne Faserbruch stattfinden konnte. Das geformte Laminat hatte eine vorzügliche Oberfläche und es wurde durch Sichtprüfung gesehen, daß es sich mit vollständig benetzten Fasern vollkommen verfestigt hatte.
    • Beispiel 2
  • Das Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt unter Verwendung eines Inneren aus Kohlefasern, die mit einem Polymethylmethacrylat, hergestellt nach Beispiel 9 der Europäischen Patentveröffentlichung Nr. 102 159, impregniert wurde. In diesem Beispiel wurde kein Differentialdruck an das Laminat angelegt. Es wurde ein Vakuum von 74 cm Quecksilber 3 Minuten lang angelegt, worauf der Ofen abgestellt wurde und Kühlung mit Hilfe eines externen Ventilators ausgeübt wurde. Nach 28 Minuten wurde das Laminat aus dem Ofen entfernt. Es wurde ein flaches Laminat hergestellt, in dem die PMMA-Häute in das verstärkte Innere integriert wurden.
    • Beispiel 3
  • In diesem Beispiel wurde eine Formung aus einem Verbundstoff gebildet, der aus einer Prepreg-Kohlefaser bestand, die mit Polyetheretherketon (PEEK) nach dem Verfahren, das in der Europäischen Patentanmeldung Nr. 102 159 beschrieben wurde, impregniert wurde. Das Prepreg enthielt 68 Gew.-% Kohlefasern. Dieses Produkt hatte eine Bildungstemperatur von ungefähr 380ºC.
  • Eine Schichtenstruktur wurde aus 8 Lagen PEEK/Kohlefaser- Prepreg (kommerziell erhältlich als APC 2 von Imperial Chemical Industries PLC) mit einem Fasergehalt von 68 Gew. -% gebildet. Die 8 Lagen wurden in einer quasi-isotropen Schichtung aufeinandergelegt, wobei die unidirektionalen Fasern in den Schichten um 45º in aufeinanderfolgenden Schichten der Schichtung versetzt wurden, wodurch sich die Anordnung (0º, +45º, 90º, -45º)s ergab, wobei der vorgeschriebene Winkel die Richtung der Schichtung der unidirektionalen Fasern in Bezug auf die erste Lage (0º) angibt und s kennzeichnet, daß das Muster in den folgenden 4 Lagen symmetrisch wiederholt wird. Jede Lage war in der Form einer kreisförmigen Scheibe mit 15 cm Durchmesser. Die verwendete Formvorrichtung war das in Beispiel 1 beschriebene Paar Ofenhälften, das zusammengeklammert eine kreisförmige Klammerungsvorrichtung mit innerem Durchmesser von ungefähr 16 cm lieferte.
  • Es wurde eine aufnehmende Metallform mit Schüsselform mit einem Umfang von 16 cm und einer Tiefe von 4 cm mit einer Nase, die zwischen die Ofenhälften geklemmt werden konnte, verwendet. Diese Form wurde mit Stiftlöchern durchlöchert, um ein belüftetes Werkzeug zur Verfügung zu stellen. Die Ofenhälften wurden auf 380ºC vorgeheizt.
  • Die APC 2-Schichtung wurde zwischen zwei 100 um dicke Filme aus Polyimidfilm gesetzt, die von Ube Industries mit der Handelsbezeichnung Upilex R erhalten wurden, die einen Durchmesser von 18 cm hatten. Die Filme wurden mit dem Formfreisetzungsmittel Frekote FRP behandelt. Ein Adapterring mit innerem Durchmesser von 16 cm und einer Dicke von 6 mm mit einer Einrichtung zur Anlegung eines Vakuums wurde zwischen die zwei Filme gesetzt, die die Schichtung umgaben. Dieser Aufbau wurde auf die untere Ofenhälfte gesetzt, die die aufnehmende Form enthielt und der gesamte Aufbau wurde mit einer Klammerbelastung von 3000 kg zusammengeklammert. Es wurde ein Vakuum von ungefähr 75 cm Quecksilber durch den Adapterring angelegt, um Luft aus den zusammengesetzten Lagen zu entfernen. Nach 4 Minuten Vorheizzeit wurde der Luftdruck in dem oberen Ofenraum während eines Zeitraumes von 5 Minuten langsam erhöht, bis er 1,7 bar erreicht hatte. Die hergestellte Formung wurde dann in der Form gekühlt, wobei die Ofentemperatur während eines Zeitraumes von 50 Minuten auf 200ºC abgesenkt wurde. Die Formung wurde aus der Form entfernt und die Polyimiddiaphragmen wurden aus der Form herausgelöst. Sichtprüfung zeigte, daß die APC-Formung eine glänzende Oberfläche von hoher Qualität hatte, daß die Formung sich genau der Werkzeugform angepaßt hatte und daß sich die Endlosfasern in einer gesteuerten Weise ohne Nachweis von Knickung oder Faser- oder Strangtrennung umgeordnet zu haben schienen. Der Polyimidfilm wurde ununterbrochen in Form des Werkzeuges erhärtet und zeigte, daß die dauernde Dehnung des Films und davon abgeleitet des Verbundstoffes ungefähr 30 % betrug.
    • Beispiel 4
  • Das Verfahren von Beispiel 3 wurde wiederholt, außer daß das verwendete verstärkte Material eine quasi-isotrope Schichtung aus 8 Lagen eines wärmehärtenden Prepregblattes bzw. einer Prepregplatte war, das/die von Fiberite Winona, USA erhalten wurde. Das wärmehärtende Prepreg wurde 1084P CL084 bezeichnet und wurde aus Toray T300 12K-Kohlefaser unter Verwendung eines als 984-Harz bezeichneten wärmehärtenden Harzes als Matrix gebildet. Das Prepreg hatte einen Harzgehalt von 33 Gew. -% und ein flächenbezogenes Kohlefasergewicht von 147 g/m².
  • Der Ofen wurde auf 180ºC vorgeheizt. Nach Klammerung der Schichtung wurde ein Vakuum wie in Beispiel 3 angelegt und der Druck im oberen Ofen wurde während 45 Sekunden auf 1,7 bar erhöht. Der geformte Gegenstand wurde im Ofen 2 Stunden lang auf 178 bis 180ºC gehalten, um die vollständige Härtung der Verbundstoffe sicherzustellen. Bei der Entfernung der Formung wurde der Polyimidfilm abgelöst. Die Qualität des geformten Gegenstandes war nach Sichtprüfung mit sehr hohem Glanz, guter, waschfreier Faserbewegung, Abwesenheit von Faserknickung und guter Anpassung an die Werkzeugform der in Beispiel 3 ähnlich.
  • Die Polyimidfilme, die bei einer Temperatur unter der Tg des Polymers (ungefähr 285ºC) gebildet wurden, behielten nicht die Gestalt der Form, wie sie es in Beispiel 3 getan hatten.

Claims (9)

1. Verfahren zur Formung eines Körpers eines thermoformbaren Materials, das mit endlosen, parallelen Filamenten verstärkt wurde, die aufeinandergelegt wurden, so daß sich eine multidirektionale Verstärkung ergab, die sich über die Länge und Breite des Körpers erstreckte, wobei man den Körper zwischen ein Paar Platten eines Formpolymermaterials setzte, die Platten größere Abmessungen als der Körper hatten und man die Platten an ihren gegenseitigen Rändern zur Arretierung der Platten festklammerte, während der Körper zwischen den Platten unarretiert ist und die Kanten des Körpers frei gelassen werden, so daß sie sich in paralleler Richtung zu den Platten bewegen können, man den Aufbau der Platten und des Körpers auf eine Temperatur erhitzt, bei der das thermoformbare Material des Körpers thermoformbar ist und das Formpolymermaterial gedehnt werden kann und man einen Differentialdruck auf gegenüberliegende Seiten des Aufbaus ausübt, um die Platten zu dehnen und eine gewünschte Formung des Körpers zu verursachen und eine Umordnung der Filamente relativ zueinander zu verursachen, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner den Schritt der Auswahl des Formpolymermaterials aus Polymeren mit einer Glasübergangstemperatur höher als die Glasübergangstemperatur des thermoformbaren Materials des Körpers, die mindestens 100ºC beträgt, umfaßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Polymere aus denen das Formpolymermaterial ausgewählt wird, eine Gruppe bestehend aus Polymethylmethacrylat, Polyetherketonen, Polyethersulfonen und Polyimiden bilden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Polymere aus denen das Formpolymermaterial ausgewählt wird, Polyimide sind.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Formpolymermaterial ein Polyimid ist, das eine sich wiederholende Einheit der Formel:
umfaßt, in der R ausgewählt wird aus Einheiten der Formel:
in der R³ und R&sup4; jeweils unabhängig voneinander einen Rest darstellen, ausgewählt aus Wasserstoffatomen, niederen Alkylresten, vorzugsweise mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen, Alkoxyresten, vorzugsweise mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen; n eine ganze Zahl von 1 bis 4 darstellt und A einen zweiwertigen Rest darstellt, ausgewählt aus -O-, -S-, -CO-, -SO&sub2;-, -SO-, -CH&sub2;- und -C(CH&sub3;)&sub2;- oder einer direkten Bindung.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Formpolymermaterial derart ausgewählt wird, daß die Tg des Formpolymermaterials mindestens 200ºC beträgt.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Platten des Formpolymermaterials nicht mehr als 250 um beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das thermoformbare Material des Körpers ein thermoplastisches Polymer ist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Körper einen Aufbau von Prepregs aus thermoformbarem Material, verstärkt mit endlosen, parallelen Filamenten umfaßt, die sich über die Länge des Prepregs erstrecken, wobei der Aufbau gegebenenfalls vor der Formung verfestigt wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialdruck, der auf den zu formenden Aufbau ausgeübt wird, ein Fluiddruck von weniger als 10 Atmosphären ist.
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