DE3715120A1

DE3715120A1 - Duenne faserverstaerkte kunststoff-verbundplatte und verfahren zum formen derselben

Info

Publication number: DE3715120A1
Application number: DE19873715120
Authority: DE
Inventors: Terufumi Machida
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-05-06
Filing date: 1987-05-06
Publication date: 1987-11-12
Also published as: JPH0462534B2; JPS62257839A; US4784920A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein dünne faser verstärkte Kunststoff-Verbundplatten, die z. B. als Basis materialien für elektronische Teile, Flugzeugteile, Deckel oder Behälter für verschiedene Geräte etc. auf unter schiedlichen Gebieten breite Anwendung finden. Insbeson dere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Formen einer derartigen dünnen faserverstärkten Kunststoff-Verbundplatte.

Im allgemeinen ist es nicht leicht, faserverstärkte Kunst stoff-Formlinge mit sehr geringer Dicke, wie z. B. 2 mm oder weniger, herzustellen. Beim Spritzgußverfahren, das zur Zeit am häufigsten verwendet wird, muß faserverstärk tes Kunststoffmaterial außerordentlich dünn sein, z. B. nicht dicker als 2 mm, um es zu ermöglichen, daß sich die Fasern zusammen mit dem geschmolzenen Kunststoff leicht bewegen können.

In dem Fall, wo Fasern, insbesondere lange Fasern, im Kunststoff-Formling enthalten sind, ist es nicht leicht, in anderen Verfahren zum Formen von Kunststoffen, wie z. B. dem Blasformen, dem Formpressen oder dgl., die Bewegung der Fasern zu kontrollieren. Jedoch existiert als verbes serte Maßnahme ein manuelles Aufbauverfahren, in welchem Schichten aus Glasfasergewebe aufeinandergelegt und gleichzeitig mit Harz imprägniert werden. Bei anderen Maßnahmen werden in der Praxis Formverfahren für faser verstärkte Kunststoffe unter Verwendung einer Maschine, wie z. B. einer Metallbearbeitungs-Presse, eingesetzt. Diese Verfahren umfassen beispielsweise das Harzmatten- Verfahren (SMC-Verfahren) und das Warmpressen für faser verstärkte Thermoplaste (formpreßbare Platte).

Andererseits ist das Pressen der vorerwähnten formpreß baren Platte kürzlich als ein Verfahren vorausgesehen worden, mit welchem dünne Platten-Formteile mittels einer weitverbreiteten Formpreßmethode für dünne Metallplatten und durch Verwendung einer für Hochgeschwindigkeits- Massenproduktion geeigneten Maschine hergestellt werden können. Gemäß diesem Verfahren wird eine 3-10 mm dicke Platte aus Nylon oder Polypropylen, die 30-70% Glasfasern oder dgl. enthält, gepreßt, während sie erwärmt wird. Die gepreßte Platte wird dann abgekühlt, um dadurch einen flachen Behälter oder anderen Körper mit der ge wünschten Form zu erhalten. Diese Maßnahme ist jedoch nicht geeignet für dünne Platten, die dünner als 3 mm sind. Der Grund dafür ist der, daß es vom industriellen Standpunkt aus als schwierig angesehen wird, eine der artige außerordentlich dünne Platte aus faserverstärk tem Kunststoff herzustellen, wie vorstehend beschrieben ist.

Ferner ist es beim Formpressen einer Harzplatte der vor stehend beschriebenen Art außerordentlich schwierig, einen komplizierten Formling mit beträchtlicher Verfor mung der Harzplatte zu erhalten. Es sei angenommen, daß zwei Arten von dünnen Platten, deren eine sehr dünn und deren andere dick ist, einfach unter Verwendung von Pressen mit gleichem Scheitelwinkel und gleichem Radius gebogen werden, wie dies in Fig. 1a bzw. 1b gezeigt ist. Im Fall der Fig. 1a, gemäß welcher die Platte sehr dünn ist, wird eine geringe Dehnungsverformung an der Außen seite der dünnen Platte erzeugt, und die Innenseite der dünnen Platte ist der Werkzeugform ausgezeichnet ange paßt. Im Fall der dicken Platte jedoch, wie sie in Fig. 1b gezeigt ist, ist die Dehnungsverformung an der Außenseite so groß, daß ein Riß h hervorgerufen wird, und die Fasern können gebrochen sein und ihre verstärkende Wirkung ver loren haben, da sie an sich im allgemeinen steif sind und nicht gedehnt werden können. Außerdem verbleibt eine Biegespannung in den Fasern, so daß die Innenseite der dünnen Platte nicht geradegebogen werden kann, selbst wenn die Fasern gebogen werden könnten. Das heißt, es muß festgestellt werden, daß es sehr schwierig ist, faser verstärkte Thermoplast-Platten dieser Art genau zu be arbeiten.

Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Probleme des Standes der Technik zu lösen.

Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine dünne faserverstärkte Kunststoff-Verbundplatte zu schaffen, die hohe Genauigkeit bei Verwendung für Form linge und gute Verarbeitbarkeit ebenso wie hohe Produk tivität aufweist.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Formen der vorerwähnten dünnen faserver stärkten Kunststoff-Verbundplatte gemäß der Erfindung bereitzustellen.

Um die obigen Ziele zu erreichen, umfaßt die dünne faser verstärkte Kunststoff-Verbundplatte gemäß einer Ausge staltung der Erfindung eine geschichtete Konstruktion bestehend aus einer Mehrzahl von geschichteten dünnen faserverstärkten Kunststoffplatten, deren jede zu einer ungefähren Form geformt ist, wobei die lamellierte Kon struktion durch Pressen und Erwärmen einstückig gehärtet ist.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das Verfahren zum Formen einer dünnen faserverstärkten Kunststoff-Verbundplatte die Schritte des Lamellierens einer bestimmten Anzahl von einzeln zu einer gewünschten Form geformten, dünnen faserverstärkten Kunststoff-Platten, um dadurch eine geschichtete Konstruktion zu erhalten, und des Härtens der geschichteten Konstruktion während des Pressens und Wärmeschmelzens derselben, um dadurch die dünne faserverstärkte Kunststoff-Verbundplatte zu erhalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist das Ergebnis umfang reicher Untersuchungen und vieler Versuche. Zu diesem vielversprechenden Verfahren ist man auf der Basis der folgenden Grundsätze gelangt:

1. bei einer dünnen Platte ist die Biegeverformung (das Ausmaß der Dehnung) an der Außenfläche der dünnen Platte, selbst wenn sie gebogen wird, nicht groß;
2. deshalb werden nicht nur das Basis material der Platte, sondern auch die im Basismaterial enthaltenen verstärkenden Fasern niemals beschädigt;
3. ein dünner Körper mit einer gewünschten Form und einer gewünschten Länge kann ohne Schwierigkeiten hergestellt werden, wenn dünne Körper, deren jeder eine gewünschte Form aufweist, im voraus einzeln geformt und dann die Formlinge aufeinander geschichtet werden; und
4. die einzelne Platte mit der gewünschten Form kann, da sie dünn ist, leicht in eine Form eingepaßt werden, so daß sie eine passende Fertigform aufweist.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrie ben. Es zeigen

Fig. 1a und 1b schematische Darstellungen, die den Zustand einer dünnen Platte bzw. einer dicken Platte zei gen, wenn diese zwecks Verformung gebogen werden,

Fig. 2 zusammenhängende Darstellungen, die das Konzept eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Formen einer dünnen faserverstärk ten Kunststoff-Verbundplatte zeigen,

Fig. 3 das Pressen und Härten der geschichteten Konstruk tion nach Fig. 2, und

Fig. 4 zusammenhängende Darstellungen, die ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen.

Das erfindungsgemäß verwendete Basismaterial ist eine Prepreg genannte, außerordentlich dünne Platte und besteht aus einem ungehärteten oder unvulkanisierten (vor dem aus härten) Duroplast, wie z. B. Epoxidharz, Polyester oder dgl., und Thermoplast, wie z. B. Nylon, Polypropylen oder dgl., mit einer gewünschten Menge (im allgemeinen 20 bis 70 Gew.-%) Glasfasern, Kohlenstoffasern, Polyaramid-(Handels bezeichnung: Kevlar)fasern, Metallfasern oder irgendwelchen anderen Fasern.

Ein Prepreg 1 wird auf die gewünschte Größe zugeschnitten (siehe Teil (a) der Fig. 2) und in einer ersten Presse (siehe Teil (a′) der Fig. 2) preßgeformt, um es in die ge wünschte Form zu bringen. Da das Prepreg 1 nicht gehärtet bzw. unvulkanisiert und eine außerordentlich dünne Platte (im allgemeinen 0,2-0,5 mm dick) ist, kann es leicht zur gewünschten Form geformt werden, ohne, wie oben beschrie ben, die verstärkenden Fasern zu beschädigen. Die Preßform hat nicht nur die Aufgabe, dem Prepreg die gewünschte Form zu verleihen, sondern auch eine Heizfunktion, um Wärme mit dem Zweck zu halten, das Prepreg im begrenzten Maße zu härten und dadurch die erzielte Form zu bewahren. Das derart geformte Prepreg (nachstehend als "Vorformling" be zeichnet) 1′ wird gekühlt und dann in einer Kühlanlage oder dgl. aufbewahrt. Ein anderes Prepreg 2 wird zugeschnitten (siehe Teil (b) der Fig. 1) und dann einer Presse zuge führt, um dadurch einen zweiten Vorformling 2′ (siehe Teil (b′) der Fig. 2) zu erhalten.

Zu diesem Zeitpunkt ist es wichtig, daß die Abmessungen des positiven Werkzeuges in der zweiten Presse mit den Abmessungen des negativen Werkzeuges der ersten Presse wenigstens auf dem wichtigen Teil der Form desselben über einstimmen. An einem Beispiel wird gezeigt, wie Prepregs gebogen werden, um V-förmige Vorformlinge herzustellen. Ein erster Vorformling wird durch Biegen eines Prepregs mit einer Dicke von 0,2 mm unter Verwendung eines Werk zeuges mit einem Innenradius von 0,5 mm geformt. Folglich ist der Außenradius eines zweiten Vorformlings 0,7 mm, d. h. die Summe von 0,2 mm und 0,5 mm, so daß ein Werkzeug mit einem Innenradius von 0,7 mm in der zweiten Presse verwendet werden muß.

Auf diese Weise erhält das Prepreg 2 die gewünschte Form, die während des Erwärmens des Prepregs 2 aufrechterhalten wird. Es wird dann gekühlt, so daß der zweite, unvoll ständig gehärtete Vorformling 2′, ähnlich wie der erste Vorformling 1′, entsteht (siehe Teil (b′) der Fig. 2). In gleicher Weise wird aus einem dritten Prepreg 3 (siehe Teile (c) und (c′) der Fig. 2) ein dritter Vorformling 3′ hergestellt. Die Formwerkzeuge sind dabei so konstruiert, daß die äußere Form des n-ten Vorformlings mit der inneren Form des (n + 1)-ten Vorformlings übereinstimmt.

Sämtliche derartig geformten Vorformlinge werden aufein andergeschichtet, so daß ein Verbund-Vorformling mit der gewünschten Dicke entsteht. Sodann wird der Verbund-Vor formling, wie in Fig. 3 gezeigt, in einer Presse gepreßt und zwecks Aufhärten erwärmt oder einem Aushärtvorgang unterworfen, um dadurch eine dünne faserverstärkte Kunst stoff-Verbundplatte 4 (siehe Teil (d) der Fig. 2) zu er halten. Genauer gesagt, eine lamellierte Vorformling Konstruktion wird derart hergestellt, daß der erste Vor formling mit dem kleinsten Radius im gekrümmten Teil auf die innerste Seite und der zweite, der dritte, . . . n-te Vorformling mit aufeinanderfolgend größeren Radien in den gekrümmten Teilen in der Reihenfolge der Größe der Radien im gekrümmten Teil nacheinander außen auf den ersten, den zweiten, . . . n-ten Prepreg aufgelegt werden. Die so zusammen gesetzte lamellierte Konstruktion wird in eine Preßform ein gelegt, gepreßt und gleichzeitig zwecks Aushärten erwärmt oder einem Aushärtvorgang unterworfen. Sobald die vorgeformte Schichtkonstruktion ausreichend gepreßt und erwärmt ist, reagieren die jeweiligen, aufeinandergeschichteten Vor formlinge mit darin enthaltenem Harz miteinander, so daß sie im wesentlichen vollständig miteinander vereinigt werden.

Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel erhält man die Vorformlinge 1′, 2′ . . . n′ aus den Prepregs 1, 2 . . . n, und die lamellierten Vorformlinge werden, wie in Fig. 3 gezeigt, in einer Patrize 12 und einer Matrize 14 in der letzten Presse geschmolzen und gehärtet, so daß die ge wünschte dünne faserverstärkte Kunststoff-Verbundplatte 4 entsteht. Im Fall geringer Gesamtdicke ist es jedoch mög lich, einen Vorformling aus einer Schichtung von Prepregs herzustellen.

Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es ist dies ein Verfahren, gemäß welchem Vorformlinge und Prepregs abwechselnd lamelliert werden, um eine dünne Verbundplatte herzustellen. Ein erster Vorformling 5′ wird mittels einer ersten Presse aus einem auf eine ge eignete Länge geschnittenen Prepreg 5 hergestellt (Teil (a) der Fig. 3). Ein zweites Prepreg 6 wird in einer zweiten Presse unter dem ersten Vorformling 5′ angeordnet. Der erste Vorformling 5′ und das zweite Prepreg 6 werden gleichzeitig an einer Metallform zusammengepreßt, um dadurch die lamellierten Vorformlinge 5′ und 6′ (siehe Teil (b) der Fig. 3) zu erhalten. In gleicher Weise wird ein drittes Prepreg 7 unter die lamellierten Vorformlinge 5′ und 6′ angeordnet. Das lamellierte dritte Prepreg 7 und die Vorformlinge 5′ und 6′ werden gleichzeitig an einer dritten Metallform zusammengepreßt, um dadurch die lamellierten Vorformlinge 5′, 6′ und 7′ (siehe Teil (c) der Fig. 3) zu erhalten. Dann werden aufeinanderfolgend weitere Prepregs zu den lamellierten Vorformlingen 5′, 6′ und 7′ hinzugefügt, wobei die Gesamtdicke nacheinander durch die Dickenabmessungen der hinzugefügten Prepregs vergrößert wird. Die derart erzeugte, fertiggestellte Schichtkonstruktion wird zwecks Aushärten erwärmt oder einem Aushärtvorgang unterworfen, um dadurch die auf diese Weise geformte dünne faserverstärkte Kunststoff-Verbund platte 8 zu härten. Das Verfahren hat den Vorteil, daß je nach den Umständen keine positiven Formen oder Patrizen erforderlich sind.

Wie vorstehend beschrieben, wird erfindungsgemäß die dünne faserverstärkte Kunststoff-Verbundplatte derart hergestellt, daß eine gewünschte Anzahl einzeln zur gewünschten Form geformter, dünner faserverstärkter Kunststoff-Platten aufeinandergeschichtet wird und durch Pressen bei gleich zeitiger Erwärmung zwecks Schmelzen und Härten warmge formt wird. Dementsprechend können faserverstärkte Erzeug nisse aus extrem dünnen Platten wirtschaftlich mit hoher Produktivität und Bearbeitbarkeit hergestellt werden. Ferner werden die Fasern nicht beschädigt, sondern bleiben in jedem Teil der Form durchgehend, so daß ein Höchstmaß an verstärkender Wirkung und dadurch gleichbleibende Qualität des Erzeugnisses erzielt wird. Bei jedem Preß vorgang können die Prepregs oder deren Fasern in gewünsch ter Weise ausgerichtet werden, um die Orientierung der Festigkeit jedes Vorformlings oder der lamellierten Er zeugnisse, wie gewünscht, zu kontrollieren.

Es können nicht nur Mischformen, d. h. geformte Körper aus lamellierten Prepregs mit zwei oder mehr Arten von Fasern leicht hergestellt werden, sondern es ist auch möglich, das Verfahren auf andere Fälle anzuwenden, in denen andere als die faserverstärkten Kunststoff-Materia lien lamelliert werden. Dementsprechend weist das Ver fahren großen Gebrauchswert auf.

Beispiele der Erfindung sind nachstehend beschrieben:

Beispiel 1

Dieses Beispiel wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 erklärt. Es soll ein gebogener Schichtformling unter Verwendung von Prepregs (0,2 mm dick) mit einer Anordnung von in einer Richtung verlaufenden Fasern hergestellt werden, wobei die Prepregs 60% Glasfasern und 40% Epoxidharz ent halten. Sechs Paar V-förmig biegende Formen, deren jede einen Scheitelwinkel von 90° aufwies, wurden in einer Presse zum Formpressen mit einer Kapazität von 2 Tonnen eingesetzt. Die Radien der jeweiligen Scheitelwinkel (Biegeradien) betrugen 0, 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 und 1,0 mm. Sechs dünne Prepregs (in Fig. 2 sind lediglich drei ge zeigt) wurden einzeln in die getrennten Metallformen ein gelegt, so daß die Winkel zwischen den Biegelinien der V-Formen und den Fasern jewels 90°, 0°, 90°, 0°, 90° und 0° betrugen. Die so eingelegten sechs Prepregs wurden bei einer Temperatur von 120°C für 10 Minuten erwärmt und gleichzeitig mit einem Gesamtdruck von 600 kg gepreßt. Anschließend wurden sie mittels eines kalten Luftstroms gekühlt, so daß sechs Arten (sechs Platten) von Vorform lingen erzeugt wurden. Sodann wurden, wie in Fig. 3 ge zeigt, die so erzeugten sechs Vorformlinge zwischen der Patrize 12 (einer positiven Form) mit einem Scheitel winkel-Radius von 0 mm (d. h. einer scharfen Krümmung) und der Matrize 14 (einer negativen Form) mit einem inneren Scheitelwinkel-Radius von 1,2 mm aufeinander folgend lamelliert. Die Scheitelwinkel betrugen 90°. Die auf diese Weise lamellierten Vorformlinge wurden nochmals bei einer Temperatur von 150°C erwärmt und gleichzeitig mit einem Druck von 600 kg gepreßt, so daß sie geschmol zen und gehärtet oder einem Aushärtvorgang unterworfen wurden, um dadurch einen 90° V-förmig gebogenen Formling mit einer Dicke von 1,18 mm, einer Breite von 70 mm und einer Länge von 70 mm zu erhalten. Die ebenen Teile an den gegenüberliegenden Seiten wiesen eine ausreichende Härte, d. h. "Barchol 934-1 Härte" (JIS K6911-1979), auf und die Zugfestigkeit betrug 7 bis 15 kg/mm² mit dem Ergebnis, daß weder vor noch nach der Spannungsbeaufschlagung auf das Herstellungsverfahren zurückzuführende Ablösungen oder irgendwelche anderen erheblichen Defekte festgestellt werden konnten.

Beispiel 2

Ein gebogener Formling aus einer dünnen, in einer Richtung verstärkten Hybrid-Verbundplatte, in dem ähnliche Prepregs, wie sie im Beispiel 1 verwendet wurden, und Prepregs mit 70% Polyaramid-(Handelsbezeichnung: Kevlar)fasern und 30% Epoxidharz in einer in einer Richtung verlaufenden Faser anordnung abwechselnd lamelliert wurden, wurde in der gleichen Weise wie nach Beispiel 1 hergestellt. Als Ergeb nis einer visuellen Inspektion ergab sich kein Problem hinsichtlich des ununterbrochenen Faserverlaufs und dem Schmelzverhältnis zwischen den Schichten.

Claims

1. Verstärkte Kunststoff-Konstruktion, gekenn zeichnet durch eine Mehrzahl von lamellierten nicht-planaren faserverstärkten Kunststoff-Platten (1′ bzw. 5′ . . . n′), die miteinander verschmolzen sind.

2. Verstärkte Kunststoff-Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (1 bzw. 5 . . . n) einzeln zu einer ungefähren Form geformt und die Mehrzahl der Platten (1′ bzw. 5′ . . . n′) durch Pressen und Erwärmen einstückig gehärtet sind.

3. Verfahren zum Formen einer faserverstärkten Kunst stoff-Verbundkonstruktion, gekennzeichnet durch die Schritte des Formens und Lamellierens einer Mehrzahl von faserverstärkten Kunststoff-Platten (1 bzw. 5 . . . n) zur Herstellung einer unvollständig gehärteten geformten Konstruktion (1′ bzw. 5′ . . . n′), wobei das Formen jeder Platte (1 bzw. 5 . . . n) einzeln durchgeführt wird, und des Härtens der geformten Konstruktion (1′ bzw. 5′ . . . n′) einschließlich des Pressens und des Wärme schmelzens der geformten Konstruktion (1′ bzw. 5′ . . . n′).

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schritt des Formens und Lamellierens das getrennte Formen jeder der faserver stärkten Kunststoff-Platten (1 bzw. 5 . . . n) zur ungefähren Form und das anschließende Lamellieren der geformten Platten (1′ bzw. 5′ . . . n′) zur Herstellung der geformten Konstruktion (1′ bzw. 5′ . . . n′) umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der Schritt des Formens und Lamellierens einen ersten Schritt des Formens einer ersten Platte (1 bzw. 5) zur Bildung einer Vorkonstruk tion (1′ bzw. 5′) und eine oder mehrere anschließende Folgen des Lamellierens und Anformens einer anderen Platte (2 bzw. 6 . . . n) an die Vorkonstruktion (1′ bzw. 5′) zur Bildung einer anderen Vorkonstruktion (1′, 2′ bzw. 5′, 6′) umfaßt, wobei die letzte der Vorkonstruktionen (1′, 2′ . . . n′ bzw. 5′, 6′ . . . n′) die geformte Konstruktion ist.