DE3840191A1

DE3840191A1 - Verfahren zum verstaerken eines endlichen werkstuecks

Info

Publication number: DE3840191A1
Application number: DE3840191A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Prof Dr Ing Hensen
Original assignee: Barmag AG; Barmag Barmer Maschinenfabrik AG
Current assignee: Oerlikon Barmag AG
Priority date: 1987-12-03
Filing date: 1988-11-29
Publication date: 1989-06-15

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-OS 20 46 297 ist bekannt, eine Prepregschicht auf ein kastenprofilförmiges Werkstück zu wickeln. Mit diesem Verfahren können nur Kastenprofile außen verstärkt werden. Sie müssen in weiteren Verfahrensschritten zu den gewünschten Winkelprofilen umgeformt werden.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zu schaffen, mit dem beliebige Werkstücke in einem Arbeitsgang schichtweise mit Prepregs verstärkt werden können. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Kennzeichen des Anspruchs 1.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß beliebig geformte Werkstücke sowohl außen als ggf. auch deren Hohlräume in einem Arbeitsgang verstärkt werden können. Es lassen sich beispielsweise Längs- oder Querprofile, Stangen, Platten, Hohlkörper und Sacklochausnehmungen in einem Arbeitsgang schichtweise verstärken. Die Werkstücke können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Prepregs sowohl bevorzugter Verstärkungsrichtung oder mit Prepregs mit keiner bevorzugten Verstärkungsrichtung unidirektional, multidirektional oder isotrop verstärkt werden. Nach dem Aufbringen der Prepregschicht erfolgt das Aushärten der Prepregmatrix. Es kann beispielsweise erfolgen, indem man das verstärkte Werkstück in einen Aushärteofen einbringt, dessen Temperatur vorzugsweise der optimalen Aushärtetemperatur der Prepregmatrix gleich ist. Das Verfahren eignet sich grundsätzlich für alle Prepregs, bei welchen die Kunststoff matrix aushärtbar ist. Beim Aufbringen des Prepregs auf das Werkstück muß die Matrix plastisch verformbar sein. Deshalb können Prepregs auf das Werkstück aufgebracht werden, die mit einer Matrix aus einem duroplastischen Kunststoff versehen sind, solange die Matrix noch nicht endgültig ausgehärtet ist. Es können auch Prepregs mit einer thermoplastischen Kunststoffmatrix vorteilhaft sein, wenn die temperaturabhängigen Kunststoffeigenschaften wiederholt ausgenutzt werden sollen. Insbesondere bei Prepregs mit einer schrumpffähigen thermoplastischen Kunststoffmatrix ergibt sich hieraus der Vorteil, daß das Evakuieren gleichzeitig mit dem Schrumpfprozeß durch geeignete Steuerung des Saugdrucks und der Prepregtemperatur in mehreren kleinen Schritten erfolgen kann. Insbesondere bei Werkstücken mit großen Abmessungen und/oder nicht glatten Konturen wird so das Prepreg durch die gesteuerte Prozeßführung in kleinen Schritten auf der gesamten Oberfläche dicht angelegt. Für mehrschichtige Verstärkung außen und/oder innen läßt sich das Verfahren wiederholt anwenden. Der Druck in dem Innenraum des Prepregsacks bildet mit dem Druck des Außenraums um den Prepregsack eine Druckdifferenz, die eine Querschnittsveränderung des Sacks hervorruft. Sie bewirkt, daß sich der Querschnitt des Prepregs dem Querschnitt des Werkstücks formschlüssig anpaßt. Insbesondere zur Verstärkung von Stangen wird vorgeschlagen, daß die Umfangslängen der Querschnitte der einander zugewandten Berührflächen des Prepreg-Sacks und der Stangen im wesentlichen gleichgroß sind. Hierdurch wird erreicht, daß eine Faltenbildung beim Aufbringen der Schicht unterbleibt, wodurch sich eine gute Verstärkung des Profils ergibt.

Aus den Kennzeichen der Alternative des Anspruchs 1 ergibt sich eine Verfahrensvariante, die sich insbesondere zur Innenverstärkung von hohlen Profilen eignet. Eine gute Verstärkung wird erreicht, wenn die Querschnittsaufweitung des Prepregs gering bleibt. Deshalb wird vorgeschlagen, daß die Umfangslängen der Kontaktflächen von Profilquerschnitt und Prepregquerschnitt im wesentlichen gleichgroß sind und das Aufblasen des Innenraums derart erfolgt, daß sich die Berührflächen schlüssig aufeinanderlegen können.

Aus den Kennzeichen des Anspruchs 2 ergibt sich eine Verfahrensvariante, durch die alle Formen technischer Längsprofile mit einem Prepreg verstärkt werden können. Hierzu kann der Prepregschlauch von einem Schlauchwickel abgezogen werden.

Diese Variante eignet sich sowohl für die Außenverstärkung als auch für die Innenverstärkung von Hohlprofilen wie z. B. Röhren, Dreiecksrohre mit durchgehenden Hohlräumen. Hierzu ist das eine Schlauchende kurz außerhalb des Werkstücks gasdicht abzuklemmen; das andere Ende des Prepregschlauchs ist dann mit der Druck- bzw. Saugpumpe gasdicht zu verbinden. Es lassen sich mit diesem Verfahren einerseits Prepregschläuche verarbeiten, die von einem Schlauchwickel abgezogen werden, wobei der Schlauch nach dem Aufbringen abgetrennt wird. Es ist aber auch möglich, Schlauchstücke zu verarbeiten, die das Werkstück beidseitig mindestens soweit überragen, daß ein Schlauchende gasdicht zugeklemmt werden kann, während das andere Ende mit der Pumpe verbunden wird.

Deshalb ist das Prepreg bei dieser Variante besonders leicht zu handhaben. Es werden Werkstück und Schlauchstück ineinander geschoben. Trotzdem bleiben die Enden des Prepregs für das weitere Verfahren zugänglich. Die Länge des Schlauchstücks ist so groß zu wählen, daß ein Schlauchende zugeklemmt werden kann, während über das noch offenstehende Schlauchende der Innenraum mit der Innendruckleitung verbunden werden kann.

Aus den Kennzeichen des Anspruchs 3 ergibt sich eine Verfahrensvariante, die sich besonders zum Verstärken von Hohlräumen, die als Sackloch ausgebildet sind, eignet. Dieser Vorteil ergibt sich daraus, daß der Prepreg-Sack mit seinem geschlossenen Ende in das Sackloch eingeführt wird. Die Länge des Sackes ist so bemessen, daß das offene Ende aus dem Werkstück herausragt, und deshalb besonders leicht an eine Druckpumpe angeschlossen werden kann. Hierzu besteht die Möglichkeit, wie auch bei den anderen Verfahrensvarianten den Sack aus einem Schlauchstück vorzuformen, d. h. daß das Schlauchstück an einem Ende gasdicht verschlossen wird, oder einen Sack mit geschlossenen Boden zu verwen den.

Aus den Kennzeichen der Ansprüche 4 und 5 ergeben sich Verfahrensvarianten der Erfindung mit dem Vorteil, daß sich die verstärkende Prepregschicht gut und schnell mit dem Profil verbinden kann. Die Einstellung der Temperatur hängt wesentlich von den Eigenschaften des Matrixkunststoffs oder des Materials des Werkstücks ab. Gleiches gilt für die Auswahl des für die Matrix-Profil- Verbindung optimal geeigneten Haftmittels.

Aus den Kennzeichen des Anspruchs 6 ergibt sich eine Verfahrensvariante, die den Vorteil bietet, daß bei geeigneter Größe des Sackes ein enges Anlegen der Verstärkungsschicht an das Werkstück erfolgt, wodurch eine gute Verstärkung und eine faltenfreie Oberfläche erreichbar ist.

Die Verwendung von Prepregschläuchen mit thermoplastischer Kunststoffmatrix nach Anspruch 7 bietet Vorteile bei der Herstellung des Prepregschlauches. Insbesondere können die Eigenschaften des Prepregschlauches durch Temperaturführung reversibel und daher mehrfach verändert werden. Daher sind solche Prepregschläuche insbesondere für das Verfahren nach Anspruch 4 und Anspruch 6 geeignet. Als geeignet haben sich Prepregs mit einer Matrix aus Polyester, Polyphenylensulfid, Polysulfon, Polyaetheraetherketon oder Polyimid erwiesen. Es können auch andere Kunststoffe in Frage kommen, wie z. B. Polyaetherimid oder Polyamidimid. Die Eignung richtet sich nach Kriterien wie z. B. Temperaturbeständigkeit, Alterung, Kosten für Lagerung oder Verarbeitung, Gewicht, Festigkeit, Geschwindigkeit der Verarbeitung und Aushärtung.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Werkstück mit Aufbringen eines Prepregschlauchstücks auf ein U-förmiges Profil durch Evakuieren des Schlauchinnenraums;

Fig. 2 das Aufbringen eines Prepregschlauchendes in den Innenquerschnitt eines dreieckigen Stangenprofils durch Aufblasen des Schlauch innenraums;

Fig. 3 das Aufbringen eines Prepregschlauchs mit schrumphender Matrix;

Fig. 4 das Aufbringen eines Prepregsacks in eine sacklochförmige Ausnehmung.

In der Draufsicht und im Querschnitt ist ein U-Profil 1 gezeigt. Es wird von einem Prepregschlauchstück 2 allseitig umschlossen. Das linke Ende des Schlauchstücks 12 ist durch das Klemmrollenpaar 3 gasdicht abgeklemmt. Die innenliegende Berührfläche des Prepregs 4 umschließt die äußere Berührfläche des U-Profils 5 vollständig. Das Prepreg ist im mittleren Bereich des U-Profils vollständig dargestellt. Die beiden seitlichen Enden sind zur besseren Darstellung aufgeschnitten. In das rechte Ende des Prepregschlauchstücks ist eine Saugleitung 6 a eingesteckt, welche mit dem einer Saugpumpe 7 a verbunden ist. Der Auslaß 8 a der Saugpumpe endet ins Freie. Ein Klemmring 9 umschließt das rechte Ende des Prepregschlauches und klemmt die Saugleitung 6 a gasdicht ein. Die Umfangslänge 5 a des Querschnitts der Profilberührfläche 5 ist genauso groß wie die Umfangslänge 4 a der Berührfläche 4 des Prepregs.

Die Wirkungsweise beim Evakuieren des Schlauches ist folgende. Beim Evakuieren des Schlauchstücks 2 ist die Höhe des Außendruckes 10 größer als die des Innendruckes 11. Demzufolge besteht zwischen den Berührflächen 4 und 5 der niedrigere Druck von beiden. Die Differenz zwischen dem Außendruck und dem Innendruck ist so groß, daß der Außendruck die Verformung des Prepregschlauches hervorruft wie im Querschnitt gezeigt, wodurch die Berührfläche 4 auf der gesamten Werkstücklänge gegen die Berührfläche 5 bei gleichzeitiger Querschnittsveränderung gepreßt wird. Nach dem Evakuieren des Innenraumes und dem Aushärten des Prepregs können das linke Ende 12 und das rechte Ende 13 des Schlauchstücks ggf. als verlorene Enden abgeschnitten werden.

Die Nebenfiguren zeigen weitere außen verstärkte Profilquerschnitte, welche ebenfalls durch Evakuieren herstellbar sind. Alle Profilquerschnitte werden von dem Prepreg 2 vollständig formschlüssig umschlossen. In der gemeinsamen geschlossenen Berührlinie des Berührquerschnitts 14, der durch die jeweils äußere Berührfläche des Profils gebildet wird, befindet sich ein vor dem Aufbringen des Prepregs aufgetragenes Haftmittel 18. Hierdurch wird eine gute Verbindung zwischen dem Schlauch und dem Profil hergestellt. Gleichfalls können die Profile vor dem Einbringen in den Schlauch auf eine Temperatur gebracht worden sein, die eine gute Haftverbindung zwischen Prepreg und Profil bewirkt.

Fig. 2 zeigt ein Dreiecks-Profil 15 mit einem dreieckigen hohlen Innenraum. In dem Innenraum befindet sich ein Prepregschlauchende 2 a, das links von einem Wickel 19 abgezogen wird, und über die Enden des Dreieckprofils hinausragt. Das linke Schlauchende 12 ist mit dem Klemmwalzenpaar 3 gasdicht zugeklemmt. In dem rechten Schlauchende 13 ist die Druckleitung 6 b eingesteckt und mit dem Klemmring 9 gasdicht verschlossen. Über die Druckpumpe 7 b und die Ansaugleitung 8 b wird der Innenraum des Schlauchstücks aufgeblasen. In dem Innenraum hat sich der Innendruck 11 aufgebaut, der höher ist, als der Druck 10 zwischen den zugeordneten Berührflächen des Schlauches sowie des Dreiecksprofils. Anschließend werden mittels der Trennmesser 20 L, 20 R die beiden Enden 12, 13 als verlorene Enden bündig am Profil abgeschnitten. Die Nebenfigur zeigt, daß sich die beiden Kontaktflächen von Prepregschlauch und Dreiecksprofil in dem gemeinsamen Kontaktquerschnitt 14 auf einer geschlossenen dreiecksförmigen Berührlinie 14 allseitig berühren.

Fig. 3 zeigt ein O-Profil 21, in welches ein Sackloch 24 eingebracht ist. In dieses Sackloch ist ein Prepregsack 25 eingelegt, wobei der Sackboden 26 am Ende der Sacklochbohrung anliegt. In das rechte Ende 13 ist die Druckleitung 6 b eingesteckt und mit dem Klemmring 9 gasdicht abgeschlossen. Die Druckpumpe 7 b saugt über den Einlaß 8 b aus der Umgebung Luft an und pumpt diese in den Prepregsack 25. Hierdurch wird der Sack soweit aufgeblasen, daß er an dem Innendurchmesser des O-Profils formschlüssig anliegt. Dies ist in dem eingezeichneten Querschnitt dargestellt.

Fig. 4 zeigt schematisch das Aufbringen eines Prepregschlauchs auf ein O-Profil 21 bei gleichzeitiger Erwärmung auf eine Temperatur, welche eine Auslösung der Schrumpfung der Matrix bewirkt. Das O-Profil 21 wird von dem Prepregschlauch 2 allseitig umschlossen. Der innere Schlauchdurchmesser ist größer als der äußere O-Profildurchmesser. In das Schlauchstück mündet die Saugleitung 6 a, deren anderes Endes mit der Saugpumpe 7 a verbunden ist. Der Auslaß 8 a der Saugpumpe mündet ins Freie. Die Gleichstrom-Widerstandsheizung 22 ist teilweise dargestellt. Sie umschließt, nicht gezeigt, das Werkstück vollständig, so daß sich eine über den Umfang des Schlauchs gleiche Temperatur einstellt. Die Gleichstrom- Widerstandsheizung 22 strahlt auf die Außenseite des Schlauchstücks 2. Man erkennt, daß der Durchmesser des Schlauchstücks größer als der Durchmesser des O-Profils ist. Weiterhin ist die Wanddicke des Schlauchs noch relativ dünn. Im rechten Teil des Bildes ist das verstärkte O-Profil dargestellt. Durch den Schrumpfprozeß nahm der Schlauchdurchmesser soweit ab, daß sich die Schlauchinnenseite schlüssig auf der Profiloberfläche legte. Gleichzeitig nahm die Schlauchwanddicke zu.

Bezugszeichenaufstellung

1 U-Profil
2 Prepregschlauchstück
2 a Prepregschlauchende
3 Klemmrollenpaar
4 Berührfläche des Prepregs
4 a Umfangslänge zu 4
5 Berührfläche des Profils
5 a Umfangslänge zu 5
6 a Saugleitung
6 b Druckleitung
7 a Saugpumpe
7 b Druckpumpe
8 a Auslaß der Saugpumpe
8 b Einlaß der Druckpumpe
9 Klemmring
10 Außendruck
11 Innendruck
12 linkes Ende des Schlauchs
13 rechtes Ende des Schlauchs, Sackes
14 Berührlinie des Kontaktquerschnitts
15 Dreiecksprofil
16 I-Profil
17 L-Profil
18 Haftmittel
19 Wickel
20 L linkes Trennmesser
20 R rechtes Trennmesser
21 O-Profil
22 Gleichstrom-Widerstandsheizung
23 geschrumpfter Schlauch
24 Sackloch
25 Prepregsack
26 Sackboden

Claims

1. Verfahren zum Verstärken eines endlichen Werkstücks durch Aufbringen einer Schicht aus einem Prepreg, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück in einen luftdichten Prepreg-Sack so eingelegt wird, daß die Prepregfasern in der gewünschten Verstärkungsrichtung verlaufen, und daß der Sack dann evakuiert wird, oder daß ein luftdichter Prepreg-Sack in den Hohlraum des Werkstücks so eingelegt wird, daß die Prepregfasern in der gewünschten Verstärkungsrichtung verlaufen, und daß der Sack dann aufgeblasen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prepregschlauch verwendet wird, welcher das Werkstück beidseitig überragt, und daß an einer Seite des Werkstücks ein Schlauchende gasdicht zugeklemmt wird, und daß der Schlauch an der anderen Seite des Werkstücks, vorzugsweise an seinem offenen Ende gasdicht an eine Pumpe angeschlossen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prepreg-Sack in ein Sackloch eingelegt wird, wobei er mit dem offenen Ende aus dem Hohlraum herausragt, und das offene Ende gasdicht an eine Druckpumpe angeschlossen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung des Werkstücks mit dem Prepreg das Werkstück vor dem Aufbringen des Prepregs auf eine Temperatur gebracht wird, bei der die Matrix des Prepregs und/oder des Werkstücks gut haftende Eigenschaften erhält, insbesondere erweicht oder oberflächlich schmilzt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück und/oder das Prepreg vor dem Aufbringen des Prepregs mit Haftmitteln versehen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei und/oder nach dem Aufbringen des Prepregs das Werkstück auf eine Temperatur erwärmt wird, die vorzugsweise zur Auslösung einer Schrumpfung der Prepregmatrix führt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prepreg mit einer Matrix aus thermoplastischem Kunststoff, vorzugsweise aus Polyester aufgebracht wird.