DE3715409A1

DE3715409A1 - Verfahren zum herstellen von faserverstaerktem verbundmaterial mit befestigungsloechern

Info

Publication number: DE3715409A1
Application number: DE19873715409
Authority: DE
Inventors: Terufumi Machida; Nick R Schott
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-05-12
Filing date: 1987-05-08
Publication date: 1987-12-10
Also published as: JPS62264896A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundmaterials. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundmaterials mit Löchern für die Aufnahme von Nieten, Bolzen oder Schrauben zum Verbin den des faserverstärkten Verbundmaterials, insbesondere eines faserverstärkten Kunststoffs, mit einem anderen Verbundmaterial, einem Metall od. dergl. ohne Einbuße der ursprünglichen mechanischen Festigkeit.

Beim Verbinden eines faserverstärkten Verbundmaterials mit einem anderen Verbundmaterial oder sonstigen Werkstoff ist eine Einbuße der ursprünglichen mechanischen Festigkeit im wesentlichen unvermeidlich. Beim Herstellen solcher Ver bindungen werden die in dem Verbundmaterial eingebetteten, der Verstärkung dienenden Fasern zwangsläufig beschädigt oder unterbrochen. So ist es bei einer faserverstärkten Metallplatte äußerst schwierig, ein herkömmliches Schweiß verfahren anzuwenden, da es unmöglich ist, die Verstärkungs fasern miteinander zu verbinden, selbst wenn die metallenen Körper miteinander verschweißt werden können. Bei geklebten Verbindungen ergibt sich die zusätzliche Schwierigkeit, daß ein zusätzliches Material, namentlich ein Kleber, verwendet werden muß, wobei sich die Klebverbindung zumeist auch nicht bis zu den innenliegenden Verstärkungsfasern erstreckt. Dementsprechend wird derzeit zumeist ein mechanisches Verbindungsverfahren angewendet, bei welchem zwei oder mehr laminierte oder beschichtete Verbundwerkstoffe mittels Nieten oder Schrauben miteinander verbunden werden. Bei der Durchführung dieses Verfahrens werden die fertigen Verbund werkstoffe gewöhnlich mittels einer Bohrmaschine od. dergl. mit Bohrungen versehen und dann mittels die Bohrungen durchsetzender Nieten oder Schrauben befestigt oder mitein ander verbunden. Dieses Verfahren ist zwar äußerst einfach, vermag jedoch die vorstehend angesprochenen Schwierigkeiten nicht zu beseitigen. Durch die spanende Bearbeitung beim Bohren der Löcher ergibt sich nicht nur eine Verringerung der mechanischen Festigkeit im Bereich der Bohrungen, es ergibt sich vielmehr auch eine spürbare Verringerung der Materialfestigkeit an sich aufgrund einer Belastungskon zentration. Beim Bohren der Löcher ist es darüber hinaus unvermeidlich, daß die zum Zweck der Verstärkung in das Material eingebetteten Fasern durchschnitten werden. Wäre es möglich, die Löcher zu bohren, ohne dabei die Anordnung der Bestandteile des Materials zu stören, d.h. ohne dabei die Verstärkungsfasern zu durchschneiden, dann ließe sich eine Verringerung der mechanischen Festigkeit an den Ver bindungsstellen vermeiden. Wäre es also, anders ausgedrückt, möglich, die Löcher auszubilden, ohne dabei die Kontinuität der zum Zweck der Verstärkung eingebetteten Fasern zu unter brechen, dann ließe sich die Verringerung der Festigkeit vermeiden, welche bei der Verbindung oder Befestigung von Verbundwerkstoffen die größte Schwierigkeit darstellt.

Ein Ziel der Erfindung ist daher die Beseitigung der vor stehend erläuterten, dem Stand der Technik inhärenten Schwierigkeiten und die Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundmaterials mit ohne Zerstörung von darin eingebetteten Verstärkungsfasern darin ausgebildeten Befestigungslöchern.

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundmaterials mit ohne nennenswerte Einbuße der mecha nischen Festigkeit darin ausgebildeten Befestigungslöchern ist das genannte Ziel gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß vor einer aushärtenden Wärmebehandlung wenigstens ein Dorn in ein ungehärtetes faserverstärktes Verbundmaterial gestoßen wird, um in dem Verbundmaterial unter Verdrängung der Verstärkungsfasern und ohne Beschädigung derselben ein Loch auszubilden, und daß das Verbundmaterial anschließend durch Wärmebehandlung ausgehärtet wird.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a eine senkrechte Schnittansicht zur Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines faserverstärk ten laminierten Verbundmaterials mit einem darin ausgebildeten Befestigungsloch,

Fig. 1b eine waagerechte Schnittansicht des in Fig. 1a dargestellten laminierten Verbundmaterials mit einem darin ausgebildeten Befestigungsloch,

Fig. 2 eine senkrechte Schnittansicht des in Fig. 1b gezeigten laminierten Verbundmaterials bei der aushärtenden Wärmebehandlung und

Fig. 3 eine grafische Darstellung zum Vergleich der Zug festigkeit eines herkömmlichen faserverstärkten Verbundmaterials mit gebohrten Befestigungslöchern und eines gemäß der Erfindung hergestellten Verbund materials.

Als Ausgangsmaterial für die Herstellung des erfindungs gemäßen faserverstärkten Verbundwerkstoffs verwendet man vorzugsweise einzelne dünne Lagen aus mit einem Binder getränkten Fasern. Im Falle von faserverstärkten Kunst stoffen besteht eine solche Lage aus nebeneinandergelegten oder miteinander verwebten Glasfasern, welche mit einem ungesättigten Polyesterharz, Epoxidharz od. dergl. getränkt sind. Die übereinandergelegten Lagen werden unter Eerwärmung gepreßt und anschließend einer aushärtenden Behandlung unterworfen, so daß man eine sehr steife oder feste Platte erhält. Die getränkten Lagen sind dabei noch so weich, daß sich die Fasern relativ mühelos verschieben lassen. Dement sprechend lassen sich die einzelnen Lagen durchsetzende Löcher ohne Schwierigkeit während des Übereinanderlegens der Matten oder danach in dem Material ausbilden.

Fig. 1a zeigt den Vorgang der Ausbildung eines Lochs in einem Stapel von übereinandergelegten getränkten Matten. Mehrere Matten 2 mit darin eingebetteten Fasern 1 sind zu einem Schichtgebilde von vorbestimmter Dicke übereinander gelegt. Ein aus Metall, einem keramischen Werkstoff od. dergl. gefertigter, eine scharfe Spitze aufweisender Dorn 3 mit einem dem der auszubildenden Löcher entsprechenden Durchmesser wird senkrecht in den aus den Matten 2 gebil deten Stapel gestoßen, um ein den Stapel des Matten 2 durchsetzendes Loch 4 von dem gewünschten Durchmesser zu formen. Der Querschnitt des Lochs kann kreisförmig, oval oder sonstwie geformt sein. Beim Ein- und Durchstoßen des Dorns 3 werden die Fasern 1 innerhalb der einzelnen Matten 2 ohne Beschädigung verdräbgt, so daß sie sich in leichter Krümmung um den Dorn 3 herumlegen. Nach der Fertigstellung des Lochs 4 verlaufen die Fasern 1 der einzelnen Matten 2 also in leichter Krümmung um den Dorn 3 herum, wie in Fig. 1b zu erkennen. Anschließend wird der aus den Matten 2 gebildete und von dem Dorn 3 durchsetzte Stapel zur Aus härtung erwärmt und dabei in einer Presse gepreßt. In der in Fig. 2 gezeigten Anordnung sind zwei Dorne 3 mit ihren Fußenden an einer Metallschiene 5 befestigt und durch setzen mit ihren zugespitzten Enden eine metallene Gegen haltschiene 5′, so daß sie zwischen den beiden Schienen 5 und 5′ festgehalten sind. Der aus den Matten 2 gebildete Stapel wird dann zusammen mit den Halteschienen 5, 5′ zwi schen den Stempel 6 und den Tisch 6′ einer Presse gebracht. In der Presse wird der Stapel zur Aushärtung erwärmt und dabei zwischen dem Stempel 6 und dem Tisch 6′ gepreßt. Nach dem Aushärten werden die Dorne 3 herausgezogen, so daß man ein ausgehärtetes Laminat mit es durchsetzenden, den glei chen Durchmesser wie die Dorne 3 aufweisenden Löchern erhält. Während des Aushärtens werden die Fasern 1 der einzelnen Lagen 2 durch die Dorne 3 festgehalten, so daß sie dann zügig um die Löcher 4 herum verlaufen.

Wie vorstehend erläutert, werden also gemäß der Erfindung Dorne in ein noch nicht ausgehärtetes faserverstärktes Verbundmaterial bzw. durch dieser hindurch gestoßen, um unter Verdrängung der in dem Verbundmaterial eingebetteten Verstärkungsfasern und ohne Beschädigung derselben Löcher im Verbundmaterial auszubilden, welches anschließend aus gehärtet wird, um somit ein faserverstärktes Verbundmaterial mit eine hohe Festigkeit aufweisenden Befestigungslöchern zu erhalten. Dementsprechend erbringt das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu bekannten Verfahren, in denen solche Befestigungslöcher gebohrt werden, unter anderen die nachstehend erläuterten wesentlichen Vorteile:

Dadurch daß die Verstärkungsfasern nicht beschädigt, durch schnitten oder abgetragen werden, sondern vielmehr ohne Unterbrechung um die Befestigungslöcher herum verlaufen, haben die Befestigungslöcher eine hohe mechanische Festig keit. Die verstärkende Wirkung der im Verbundmaterial ein gebetteten Fasern bleibt also voll erhalten. Die um die Löcher herum verdichteten Fasern sind widerstandsfähig gegen Beschädigung durch Belastungskonzentration. Auch in Bezug auf die Zugfestigkeit ist das erfindungsgemäße Verfahren dem herkömmlichen Verfahren mit gebohrten Befe stigungslöchern überlegen (Fig. 3).

Da die Anzahl der zur Festigkeit beitragenden Fasern über den gesamten Querschnitt auch im Bereich der Löcher nicht verringert ist, läßt sich die Festigkeit im Bereich der Löcher anhand der Festigkeit des Materials insgesamt bestimmen, ohne daß dazu aufwendige Berechnungen notwendig sind.

Das Einstoßen der Dorne in das noch nicht ausgehärtete Verbundmaterial erfordert allein eine zum Verdrängen der Fasern in dem zähflüssigen Harz notwendige, geringe Kraft und läßt sich mühelos bewerkstelligen, so daß genau geformte Löcher ohne großen Aufwand herstellbar sind. Bei dem Fertigungsverfahren entstehen kein Lärm, kein Staub und keinerlei Abfall. Ferner treten keinerlei Gefahren auf, und die Werkzeuge sind mühelos zu handhaben. Die bis her übliche spanende Bearbeitung durch Bohren, Entgraten, Schleifen usw. kann gänzlich entfallen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ausbildung der Löcher ist nicht nur für Laminate aus Lagen von gleichartigem Material anwendbar, sondern auch für Laminate aus ver schiedenartigen Lagen, z.B. aus mit Polyaramidfasern und mit Glasfasern verstärkten lagen. Ferner ist das Verfahren im wesentlichen unverändert für Verbundwerkstoffe mit in einer Richtung verlaufenden Fasern oder mit verwebten Fasern anwendbar.

Da nach herkömmlichen Verfahren gefertigte faserverstärkte Verbundwerkstoffe größere Kräfte nur ungleichmäßig aufzu nehmen und zu übertragen vermögen, ist ihre Verwendbarkeit beschränkt. Demgegenüber haben nach dem beschriebenen Verfahren gefertigte faserverstärkte Verbundwerkstoffe durchgehend eine im wesentlichen gleichmäßige Festigkeit, so daß für ihre Verbindung oder Befestigung für Metall konstruktionen gebräuchliche Befestigungselemente wie Nieten, Schrauben und dergl. verwendet werden können, was einer erweiterten Verwendbarkeit des Verbundmaterials zugute kommt.

Die vorliegende Erfindung erbringt also eine Reihe bemer kenswerter Vorteile, welche sich günstig auf die praktische Anwendung auswirken.

Beispiel I

Vier Lagen aus Epoxidharz mit einer Stärke von 0,25 mm und einem Gehalt von 67% Endlosglasfasern wurden bei Zimmertemperatur übereinandergelegt. Unter Verwendung von acht verschiedenen Dornen mit Durchmessern zwischen 1,58 mm und 7,84 mm und einem Spitzenwinkel von jeweils 30° wurden in dem aus den Lagen gebildeten Stapel Löcher geformt. Der Stapel wurde in einen elektrischen Ofen gebracht und zwischen Metallplatten mit einem Druck von 0,1 kp/cm² gepreßt. Der Stapel wurde durch Erwärmen auf 170°C während drei Stunden ausgehärtet, so daß man eine steife Schicht platte erhielt. Nach Entnahme der Schichtplatte aus der Preßform wurden die Dorne entfernt und die Schichtplatte während weiterer drei Stunden auf 170°C erwärmt, um die Aushärtung abzuschließen. Es traten keinerlei Schwierig keiten auf. Durch das Aufbringen eines Ausformmittels auf die Dorne ließ sich das Einstoßen und Herausziehen der Dorne beträchtlich erleichtern und eine saubere Ausformung der Löcher gewährleisten.

Beispiel II

Auf die im Beispiel 1 erläuterte Weise hergestellte Verbund werkstoffe mit Löchern unterschiedlichen Durchmessers wurden auf ihre Zugfestigkeit untersucht. Verwendet wurde eine Instron-Zerreißmaschine mit einer Kapazität von 10 to und einer Zuggeschwindigkeit von 25 mm/min, und die Prüf stücke hatten jeweils eine Stärke von 1 mm, eine Breite von 25 mm und eine Länge von 40 mm. Dabei stellte sich heraus, daß das von Löchern, insbesondere von Löchern kleineren Durchmessers, durchsetzte Verbundmaterial sowohl bei in einer Richtung als auch rechtwinklig zueinander verlaufenden Fasern eine beträchtlich höhere Zugfestigkeit aufwies als ein entsprechendes Verbundmaterial mit gebohrten Löchern. Wie man in Fig. 3 erkennt, trat bei dem Verbund material mit in einer Richtung verlaufenden Fasern und gebohrten Löchern eine beträchtliche Verringerung der Zugfestigkeit im Bereich der Löcher auf, während bei dem Verbundmaterial mit gemäß der Erfindung mittels Dornen geformten Löchern sogar eine Erhöhung der Zugfestigkeit festzustellen war. Im Falle des Verbundmaterials mit recht winklig zueinander verlaufenden Fasern zeigte sich mit zunehmendem Durchmesser der Löcher eine stetige Abnahme der Zugfestigkeit des Verbundmaterials mit gebohrten Löchern, während die ursprüngliche Zugfestigkeit bei dem Verbundmaterial mit mittels Dornen geformten Löchern im wesentlichen erhalten blieb. Diese Erscheinung war um so ausgeprägter, je kleiner der Lochdurchmesser war.

Beispiel III

Aus Lagen aus Epoxidharz und Polyesterharz mit Verstärkung aus Polyaramidfasern bzw. Kohlenstoff- oder Graphitfasern wurde eine Schichtplatte gefertigt und unter Verwendung von Dornen mit Löchern versehen. Die gleichen Ergebnisse sind mit Lagen erzielbar, in denen die Fasern verwebt sind. Im Falle von Kohlenstoffasern enthaltenden Polyesterharz lagen mußten die Dorne erhitzt werden, da das Harz bei Zimmertemperatur so hart war, daß sich die Fasern nicht verdrängen ließen. Bei der Verarbeitung von thermoplastischen Harzen, z.B. Polypropylen oder Nylon mit darin eingebette ten Glasfasern erwies es sich als nützlich, das Harz auf etwas mehr als Zimmertemperatur zu erwärmen, um seine Fließfähigkeit zu verbessern.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines von Löchern durch setzten faserverstärkten Verbundmaterials, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein ein spitzes Ende und eine vorbestimmte Querschnittsform auf weisender Dorn vor einer aushärtenden Wärmebehandlung des faserverstärkten Verbundmaterials durch das ungehärtete Verbundmaterial hindurchgestoßen wird, so daß im Verbund material eingebettete Fasern um ein mittels des Dorns in dem Material ausgebildetes Loch herumfließen, und daß das Verbundmaterial durch Wärmebehandlung ausgehärtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Dorn während des Aushärtens durch Wärmebehandlung in dem Verbundmaterial verbleibt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß mehrere Lagen des ungehärteten faser verstärkten Materials übereinandergelegt werden und der Dorn durch die übereinandergelegten Lagen hindurchgestoßen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lagen faserverstärkten Materials unterschiedliche Zusammensetzung haben.

5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aushär tende Wärmebehandlung unter gleichzeitiger Anwendung von Druck erfolgt.

6. Verfahren für die Verwendung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellten faserverstärkten Verbund materials, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundmaterial und ein weiteres Material mittels eines das Loch im Verbundmaterial und ein Loch in dem anderen Material durchsetzenden mechanischen Verbindungselements mitein ander verbunden werden.

7. Verfahren zum Verbinden zweier gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5 gefertigter faserverstärkter Verbundwerkstoffe miteinander, dadurch gekenn zeichnet, daß ein erstes und ein zweites Verbund material durch Hindurchstoßen eines Dorns und aushärtende Wärmebehandlung mit jeweils wenigstens einem Loch versehen und mittels eines die Löcher im ersten und zweiten Verbund material durchsetzenden mechanischen Verbindungselements miteinander verbunden werden.