DE3942046C2

DE3942046C2 -

Info

Publication number: DE3942046C2
Application number: DE19893942046
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl.-Ing. 8058 Erding De Maier
Original assignee: Bundesministerium der Verteidigung
Current assignee: Bundesministerium der Verteidigung
Priority date: 1989-12-20
Filing date: 1989-12-20
Publication date: 1992-02-27
Also published as: DE3942046A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Titel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Durch die in der Technik geforderte Leichtbauweise werden Werkstücke aus Materialien gefertigt, welche bezogen auf das Gewicht eine hohe Festigkeit aufweisen. Ebenso ist es auch aus Kostengründen sinnvoll, hochfeste und teure Materialien einzusetzen, sofern das Verhältnis Festigkeit bezogen auf den Preis höher liegt als bei vergleichbaren billigeren Materialien.

Sowohl aus der Veröffentlichung "Gezielt eingebrachte Eigenspannungen in Faserverbundbauteilen" des Herrn Schürmann (Kunststoffe 74, 1984, H. 9, S. 520 bis 525), als auch aus der DE-OS 34 32 905, ist ein Verfahren zur Herstellung eines festigkeitsgesteigerten Produktes, bestehend aus einem Duroplast, insbesondere eines faserverstärkten Duroplasts bekanntgeworden. Hierbei handelt es sich um ein thermisch/mechanisches Verfahren, wobei man

- das Produkt erhitzt auf eine Temperatur, welche zu seiner Erweichung führt,
- das Produkt unter der Temperatureinwirkung mechanisch zumindest in seinem im Betrieb höchstbeanspruchten Bereichen so belastet, daß die sich dort einstellende Spannungsverteilung der künftigen Betriebs-Spannungsverteilung, abgesehen von der Höhe der Spannungen, ähnelt,
- das Produkt abkühlt und die mechanische Belastung zurücknimmt, wobei sich zumindest in den im Betrieb höchstbeanspruchten Bereichen des Produktes örtlich bleibende Verformungen eingestellt haben, ohne daß das Produkt wesentliche Schädigungen erfahren hat.

Die Nachteile des vorgenannten Verfahrens liegen darin, daß

- die erzielten Festigkeitssteigerungen den gewünschten technischen Forderungen noch nicht genügen
- sich zu schnell, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, die eingebrachten Eigenspannungen durch Relaxations- und Kriechvorgänge abbauen
- sich nicht bei allen Duroplasten, insbesondere bei spröden Werkstoffen, Leistungssteigerungen erzielen lassen.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ausgehend von dem zuvor beschriebenen thermisch-/mechanischen Verfahren, die Festigkeit von Produkten aus Duroplasten noch weiter zu erhöhen und die Relaxations- und Kriechvorgänge zu verlangsamen.

Während in der Veröffentlichung "Gezielt eingebrachte Eigenspannungen in Faserverbundbauteilen" des Herrn Schürmann (Seite 521, Spalte 1) beschrieben ist, daß

- der gewünschte Eigenspannungszustand erst am Ende der Bauteilhärtung oder auch am fertigen Bauteil kurz vor seinem Einbau oder der Inbetriebnahme erzeugt werden kann, schreibt die Erfindung einen entgegenstehenden Weg vor, nämlich
- das festigkeitssteigernde Verfahren bei nur teilweise ausgehärteten Produkten für die Dauer von mehreren Stunden bis zur nahezu vollständigen Aushärtung anzuwenden. Die sich erhöhende Festigkeit des Produktes im Rahmen der fortschreitenden Aushärtung berücksichtigt man durch eine stetige Erhöhung der mechanischen Belastung und/oder der Temperatur.

Die Vorteile des zuvor beschriebenen Verfahrens liegen zunächst in der gesteigerten Festigkeit der Produkte, bei denen es sich sowohl im Halbzeuge oder Fertigteile, als auch um Werkstücke in Verbundbauweise handeln kann.

Die höheren Festigkeitswerte resultieren daher, daß im nicht vollkommen ausgehärteten Zustand der Duroplast dehnbarer und daß die elastischen Rückverformungen nach der Vorbehandlung durch Bildung chemischer Verbindungen im gedehnten Zustand stärker unterdrückt werden.

Da der Duroplast durch das Tempern im gedehnten Zustand eine weitere Vernetzung/Umvernetzung erfährt, wird dieser gedehnte Zustand durch chemische Verbindungen stabilisiert. Relaxations- und Kriechvorgänge werden dadurch unterbunden oder zumindest erheblich erschwert. Mit der Erfindung ist also eine wesentlich geringere Abnahme der Festigkeitssteigerung mit der Zeit zu erwarten.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist auch eine deutliche Festigkeitssteigerung bei spröden Duromeren möglich. Hierzu ist zu bemerken, daß insbesondere bei spröden Duromeren eine Erhöhung der Belastbarkeit/Dehnbarkeit bis zum Eintreten der charakteristischen Schäden von Interesse ist.

Ausgehend von thermisch/mechanischen Verfahhren entsprechend dem Stand der Technik wird nachfolgend die Erfindung näher beschrieben.

Dabei wird nach folgender Gleichung vorgegangen:

1. Vorstellung der Produkte
2. Bisheriges Verfahren zur Steigerung der Festigkeit
3. Erfindungsgemäßes Verfahren zur Steigerung der Festigkeit
4. Ermittlung der Beträge und Richtungen der Kräfte, welche die mechanische Belastung bilden (notwendig für die Verfahren zur Steigerung der Festigkeit)
5. Gegenüberstellung von Festigkeitsgrößen

1. Vorstellung der Produkte

Für die nachfolgend beschriebenen Verfahren werden Produkte aus kohlenfaserverstärktem Epoxidharz verwendet. Der äußere Aufbau der streifenförmig aufgebauten Produkte geht aus den Fig. 1-3 hervor.

So zeigt die

Fig. 1 die Vorderansicht eines Produktes,

Fig. 2 die Seitenansicht eines Produktes mit der darin gekennzeichneten Einzelheit A,

Fig. 3 die Einzelheit A vergrößert dargestellt, woraus der Laminataufbau hervorgeht.

Die Produkte 1 haben jeweils die Maße 250×20×2,1 mm und sind nach dem symmetrischen Laminataufbau (90₂°/±45°/90₂°/±45°/0°)_s gefertigt.

Weiterhin wird für die Beispiele festgelegt, daß die Produkte später im Betrieb einer Lastspannung ausgesetzt sind, bei der die Produkte in Richtung ihrer längsten Achse auf Zug belastet werden. Die im Laminataufbau angegebenen Winkel beziehen sich auf die Ausrichtung der Kohlenstoffasern bezogen auf die Richtung der längsten Achse der Produkte

So zeigt die Einzelheit A der Fig. 3 mit dem Bezugszeichen

- 2 eine 90°-Lage, wobei die geschnittenen Kohlenstoffasern durch Kreise dargestellt sind,
- 3 die 0°-Lage, wobei die Kohlenstoffasern nicht im Querschnitt erscheinen,
- 4 die 45°-Lage, wobei die geschnittenen Kohlenstoffasern durch Ellipsen dargestellt sind.

2. Bisheriges Verfahren zur Steigerung der Festigkeit

Das Verfahren zur Steigerung der Festigkeit verfolgt allgemein die Absicht, im Duroplast des Produktes zumindest in seinen im Betrieb höchstbeanspruchten Bereichen,

- in denen eine gleichmäßige Spannungsverteilung herrscht,
die Molekülketten gezielt in Richtung der Lastspannungen auszurichten
- in denen eine ungleichmäßige Spannungsverteilung herrscht,
die Molekülketten gezielt in Richtung der Lastspannungen auszurichten und außerdem im Duroplast entgegen den Lastspannungen gerichtete Eigenspannungen einzubringen.

Während in einer kerbfreien, vollständig aus Duroplast bestehenden Zugprobe unter Belastung eine gleichmäßige Spannungsverteilung herrscht, verursacht der Einfluß der Kohlenstoffasern im vorgestellten Produkt eine ungleichmäßige Spannungsverteilung bei Belastung auf Zug. Er ergibt sich dadurch, daß der als Matrix dienende Duroplast unterschiedlich belastet wird durch die Ausrichtung der Kohlenstoffasern in verschiedene Richtungen und durch die unterschiedlich hohe Steifigkeit der Matrix und der Kohlenstoffasern.

Das Verfahren zur Herstellung eines festigkeitsgesteigerten Produktes, bestehend aus einem Duroplast, insbesondere eines faserverstärkten Duroplasts, sieht vor, daß man

- das Produkt erhitzt auf eine Temperatur, welche zu seiner Erweichung führt,
- das Produkt unter der Temperatureinwirkung mechanisch zumindest in seinen im Betrieb höchstbeanspruchten Bereichen so belastet, daß die sich dort einstellende Spannungsverteilung der künftigen Betriebs-Spannungsverteilung, abgesehen von der Höhe der Spannungen, ähnelt,
- das Produkt abkühlt und die mechanische Belastung zurücknimmt, wobei sich zumindest in den im Betrieb höchstbeanspruchten Bereichen des Produktes örtlich bleibende Verformungen eingestellt haben, ohne daß das Produkt wesentliche Schädigungen erfahren hat.

Die Temperaturen, welche zur Erweichung des Produktes führen, liegen in der Regel innerhalb und überhalb des Glasübergangsbereiches, wobei der Glasübergangsbereich eines Duroplasts eine von vielen Faktoren (z. B. Höhe der Belastung, Belastungsgeschwindigkeit, . . .) abhängige Größe darstellt.

Ist die Temperatur, ab der ein jeweiliger Duroplast erweicht, nicht bekannt, so läßt sich durch thermo-mechanische Prüfverfahren (z. B. Torsionsschwingversuch, statischer Zugversuch) der Beginn der Erweichung feststellen.

Die temperaturbedingte Erweichung bewirkt eine höhere und leichtere (mit geringerem Kraftaufwand) Verformung des Kunststoffes. Diese Verformung verursacht eine Ausrichtung (Orientierung) der Fadenmoleküle. Wird nun der Kunststoff in diesem Zustand unterhalb der zur Erweichung führenden Temperatur abgekühlt, so nimmt die Beweglichkeit der Moleküle wieder ab und diese Verformung bzw. Ausrichtung der Fadenmoleküle wird eingefroren. Dies bedeutet, daß die Verformung und Ausrichtung der Moleküle im abgekühlten Zustand nach Entlastung (teilweise) erhalten bleibt.

Die gezielte Ausrichtung der Molekülketten bzw. die genau entgegen den Lastspannungen gerichtete Eigenspannungen, werden dadurch erreicht, daß sie sich durch die mechanische Belastung einstellende Spannungsverteilung der künftigen Betriebs-Spannungsverteilung, abgesehen von der Höhe der Spannung, ähnelt.

Hierzu wird im vorliegenden Beispiel das Produkt genau wie im künftigen Betrieb mit einer Zugspannung in Richtung seiner längsten Achse belastet.

Nach der Abkühlung und der Zurücknahme der mechanischen Belastung haben sich in den im Betrieb höchstbeanspruchten Bereichen des Produktes örtlich bleibende Verformungen eingestellt. Aus dieser Verformung resultiert zum einen die festigkeitssteigernde Ausrichtung der Molekülketten. Zum anderen verursachen die örtlich bleibenden Verformungen wegen der Formschlüssigkeit mit den angrenzenden Kohlenstoffasern und Molekülketten der Matrix, daß die elastischen Dehnungsanteile von entsprechender Größe zurückbleiben. So weist das Produkt nach dem festigkeitssteigernden Verfahren in seinen im Betrieb höchstbeanspruchten Bereichen örtlich bleibende Verformungen auf, in denen Druckeigenspannungen herrschen, welche wiederum der späteren Betriebs-Zugspannung entgegengerichtet sind. Mit einer weniger hohen mechanischen Belastung kann auch erreicht werden, daß z. B. herstellungsbedingte Eigenspannungen abgebaut werden.

3. Erfindungsgemäßes Verfahren zur Steigerung der Festigkeit

Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich vom zuvor angesprochenen Verfahren dadurch, daß man das festigkeitssteigende Verfahren bei nur teilweise ausgehärteten Produkten für die Dauer von mehreren Stunden bis zur nahezu vollständigen Aushärtung anwendet, wobei man - die sich erhöhende Festigkeit des sich aushärtenden Produktes berücksichtigend - stetig die mechanische Belastung und/oder die Temperatur erhöht.

Bei diesem Verfahren können die Anfangstemperaturen auch in Höhe der üblichen Temperaturen beim Tempern liegen. Beispielhaft wurde folgender Verlauf der Höhe der Belastung und der Temperatur über die Zeit hinweg gewählt:

Die sich erhöhende Festigkeit des sich aushärtenden Produktes berücksichtigend, arbeitet das Verfahren zu Beginn mit einer gleichbleibenden Belastung von 4500 N verbunden mit einem stetigen Anstieg der Temperatur von 180°C auf 210°C.

Für verschiedene Duroplaste eignet sich auch eine Behandlung, bei der sowohl die Höhe der Belastung, als auch die Höhe der Temperatur stetig erhöht werden, oder eine stetig steigende Belastung bei gleichbleibender Temperatur.

4. Ermittlung der Beträge und Richtungen der Kräfte, welche die mechanische Belastung bilden

Wie zuvor angesprochen, so muß die Höhe der mechanischen Belastung so hoch gewählt werden, daß sich im Produkt örtlich bleibende Verformungen einstellen, ohne daß das Produkt wesentliche Schädigungen erfahren hat. Mit diesen wesentlichen Schädigungen sind eine stärkere Rißbildung und Delaminationen gemeint. Weiterhin entspricht in dem vorliegenden einfachen Beispiel die Richtung der Kraft der mechanischen Belastung der Richtung der einzigen, späteren Betriebs-Kraft.

Ganz allgemein läßt sich der Betrag und die Richtung der länger andauernden Belastung folgendermaßen ermitteln, indem man

- die am Produkt im künftigen Betrieb angreifenden Kräfte zeitlich in Betrag und Richtung durch einen Kräfteplan erfaßt,
- aus dem ermittelten Kräfteplan heraus bei kompliziertem Kräfteverlauf einen vereinfachten Kräfteplan mit wenigen Einzelkräften erarbeitet, wobei das nach dem vereinfachten Kräfteplan belastete Produkt zumindest in seinen im künftigen Betrieb höchstbeanspruchten Bereichen eine Spannungsverteilung hervorruft, welche der künftigen Betriebs-Spannungsverteilung ähnelt,
- die Richtungen der Einzelkräfte des vereinfachten Kräfteplans für die mechanische Belastung übernimmt, während die Beträge der Einzelkräfte für die mechanische Belastung aus Versuchen hervorgehen und diejenigen Größen sind, wobei sich unter der jeweiligen Temperatureinwirkung in den im künftigen Betrieb höchstbeanspruchten Bereichen des Produktes örtlich bleibende Verformungen einstellen, ohne daß das Produkt wesentliche Schädigungen erfährt.

Bei der Übertragung des allgemeinen Verfahrens auf die Ausführungsbeispiele dieser Erfindung besteht der Kräfteplan aus einer einzigen Zugkraft in Richtung der längsten Achse des Produktes. Dieser einfache Kräfteplan wird natürlich nicht weiter vereinfacht.

Der Betrag der Zugkraft der mechanischen Belastung läßt sich durch Versuche an dem streifenförmigen Produkt ermitteln, bei denen man schrittweise die Zugkraft erhöht.

Mit Hilfe von mikroskopischen Untersuchungen oder zerstörungsfreier Prüfverfahren läßt sich dann der Beginn der Rißbildung und der Delamination feststellen.

5. Gegenüberstellung von Festigkeitsgrößen

Die Gegenüberstellung von Festigkeitsgrößen erfolgt in nachfolgender Tabelle:

Die zuvor aufgeführte Tabelle zeigt, daß das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren festigkeitsgesteigerte Produkt bezogen auf das bisherige Verfahren eine erhöhte Zugkraft um 13% (von 11 800 N auf 13 300 N) für den Kennwert des Beginns der Querrißbildung aufweist.

Die Delamination bis zum Bruch der Probe konnte vollkommen unterdrückt werden. Da in dem Beispiel eine relativ wenig dehnbare Faser (Bruchdehnung=1,3%) verwendet wurde, ist mit einer hochdehnbaren Faser (Bruchdehnung=1,8 bis 2,5%) eine demzufolge hohe Festigkeitssteigerung möglich.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines festigkeitsgesteigerten Produktes, bestehend aus einem Duroplast, insbesondere eines faserverstärkten Duroplasts, wobei man
- - das Produkt erhitzt auf eine Temperatur, welche zu seiner Erweichung führt,
- - das Produkt unter der Temperatureinwirkung mechanisch zumindest in seinen im Betrieb höchstbeanspruchten Bereichen so belastet, daß die sich dort einstellende Spannungsverteilung der künftigen Betriebs-Spannungsverteilung, abgesehen von der Höhe der Spannungen, ähnelt,
- - das Produkt abkühlt und die mechanische Belastung zurücknimmt, wobei sich zumindest in den im Betrieb höchstbeanspruchten Bereichen des Produktes örtlich bleibende Verformungen eingestellt haben, ohne daß das Produkt wesentliche Schädigungen erfahren hat,
dadurch gekennzeichnet, daß man das festigkeitssteigernde Verfahren bei nur teilweise ausgehärteten Produkten für die Dauer von mehreren Stunden bis zur nahezu vollständigen Aushärtung anwendet, wobei man - die sich erhöhende Festigkeit des sich aushärtenden Produktes berücksichtigend - stetig die mechanische Belastung und/oder die Temperatur erhöht.