DE4040352C2 - Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundmaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundmaterial nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Hierbei werden die betreffenden Bauteile in einer Klebepresse unter der Einwirkung von Druck und Wärme geklebt. Zur Vorberei­ tung des Klebevorgangs werden die beispielsweise plattenförmigen Bauteile aus Fasermaterial und Kunststoffwaben laminiert. Das dabei verwendete Fasermaterial liegt meist als mit den reakt­ ionsfähigen Kunstharzen vorimprägniertes Gewebe vor, weshalb dieses. Halbzeug auch Prepreg genannt wird. Innerhalb der Klebe­ presse werden die Bauteile abwechselnd mit sog. Heizplatten so übereinander gestapelt, daß jeweils ein Bauteil zwischen zwei Heizplatten liegt. Die Heizplatten bestehen aus einem geeigneten Metall und weisen innere Kanäle auf, die von einem aufheizbaren Fluid, beispielsweise Thermo-Öl, durchströmt werden. Zum Auf­ bringen des Druckes ist ein Hydrauliksystem vorgesehen, das über das Gerüst der Klebepresse auf die Bauteile einwirkt. Zum Aufheizen des Stapels dient eine Wärmeanlage, die das der Presse zugeführte Thermo-Öl je nach Bedarf aufheizt oder abgekühlt. Anhand zahlreicher Temperaturfühler kann die Temperatur der Heizplatten ermittelt und durch entsprechende Steuerung des Öldurchlaufs auf einen vorbestimmten Wert eingestellt werden. Bei bekannten Verfahren der vorgenannten Art durchläuft der Aushärtevorgang drei Phasen, und zwar eine Aufheizphase, eine Haltephase und eine Abkühlphase. In der Aufheizphase wird der gesamte Stapel innerhalb einer bestimmten Zeit auf die vorbe­ stimmte Aushärtetemperatur gebracht. In der Haltephase wird diese Temperatur für eine bestimmte Zeit konstant gehalten. In der Abkühlphase wird der Stapel schließlich innerhalb einer bestimmten Zeit wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Der sich hieraus ergebende im Prinzip trapezförmige Temperaturverlauf kann anhand einer entsprechenden Regelschaltung automatisch durchfahren werden, wobei dieser anhand eines Temperatur­ schreibers dokumentiert werden kann. Dieses Vorgehen ist relativ einfach, und kann von den meisten Prepreganwendern ohne großen Aufwand realisiert werden. Damit ist jedoch der Nachteil verbun­ den, daß der Abschluß der Reaktion während der Wärmezufuhr nicht erkennbar ist, so daß die zur vollständigen Reaktion erforder­ liche Wärmemenge in vielen Fällen unter- oder überschritten wird. Das Ergebnis derartiger Prozesse sind entweder unvollstän­ dig ausgehärtete oder bereits gealterte Klebeverbindungen. Dies hat naturgemäß zur Folge, daß die Festigkeitswerte dieser Klebeverbindungen deutlich unter den Werten liegen, die durch einen optimalen Prozeßablauf erreichbar wären.

In dem Dokument "Vieweg/Braun Kunstoff-Handbuch 1", Carl-Han­ ser-Verlag München Wien 1975, S. 983 bis 989 sind mehrere Me­ thoden erläutert, den Grad der Aushärtung von Freßteilen zu be­ stimmen. Dabei ist insbesondere ein Verfahren zum Aushärten von reaktionsfähigen Kunstharzen zu duroplastischen Kunststoffen unter Verwendung von Druck und Wärme in einem Klebeprozeß ge­ nannt, bei dem Energie in Form eines aufgeheizten, durch Lei­ tungen von Heizplatten fließenden Mediums den zu verklebenden Bauteilen zugeführt wird, eine Härtereaktion abläuft und wäh­ rend des Prozesses laufend der Energieumsatz über die Zeit anhand von Messungen der Energieverhältnisse ermittelt wird. Den Energieumsatz als Meßwert bei einem Verfahren zum Aushärten von reaktionsfähigen Kunstharzen anzusetzen, ist somit aus diesem Dokument bekannt. Die ermittelten Meßwerte werden aber lediglich in Versuchsreihen verwendet, wobei die optimalen Aus­ härtebedindungen bestimmt werden sollen. Eine Beeinflussung des laufenden Prozesses aufgrund des festgestellten Energieumsatzes findet nicht statt.

Aus DE 25 05 804 A1 ist ein Verfahren zur Einstellung des Vul­ kanisationsgrades bekannt, bei dem ein definierter Eindruck in eine Rückenbeschichtung von Teppichen erzeugt wird, deren Ein­ drucktiefe in bestimmten Zeitabständen gemessen wird. Mit dem sich so ergebenen Meßwert werden entweder die Warengeschwin­ digkeit verändert oder eine weitere Wärmequelle betätigt. Der Eindruck in den Teppich ist zusätzlich erzeugt worden, anhand dessen eine Messung der Eindringtiefe erfolgen kann. Bei diesem gattungsfremden Verfahren liegt somit kein eigener, sondern ein zusätzlicher Prozeßparameter vor, der laufend gemessen wird.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für die gat­ tungsgemäße Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundmaterial das Ende einer nahezu vollständig abgelaufenen Aushärtereaktion genau zu erfassen, um optimale Festigkeitswerte der Bauteile zu erreichen und eine Überhärtung zu vermeiden. Darüber hinaus sollen die Energiekosten und der Zeitaufwand des Verfahrens deutlich gesenkt werden.

Diese Aufgabe ist bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Dabei ist insbesondere von Vorteil, daß die Festigkeitswerte der hergestellten Klebeverbindungen deutlich höher als bisher liegen und eine auffallend geringe Streuung zeigen. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß ein unnötiger Energie­ verbrauch vermieden wird. Weiterhin ist bei diesem Verfahren vorteilhaft, daß ein nicht ordnungsgemäßer Verlauf der Reaktion während des Prozesses erkennbar ist, so daß dieser abgebrochen werden kann.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß die Messungen keine direkte Ankopplung an die zu härtenden Werkstof­ fe erfordern. Damit ist es möglich, die Meßschaltung als Fest­ installation zu betreiben.

Ein Vorteil der Ausgestaltung nach Anspruch 2 besteht darin, daß die fertigen Bauteile trocken sind.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Übersicht über eine Meßschaltung an einer Klebepresse,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Heizplatte und

Fig. 3 den Verlauf der Temperatur und des Energieumsatzes während eines nach dem vorgeschlagenen Verfahren durchgeführten Aushärtezyklus.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer industriellen Wärme­ presse 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem oberen Gerüst 2 und einem unteren Gerüst 3, zwischen denen sich mehrere Heizplatten 4 bis 4e befinden. Während eines Klebe­ vorganges befindet sich jeweils zwischen zwei Heizplatten 4 bis 4e ein Klebeteil, das hier jedoch nicht dargestellt ist. Zum Aufheizen der Heizplatten 4 bis 4e dient Thermoöl, das durch eine Vielzahl von Vorlaufrohren 5 in die jeweilige Heizplatte 4 bis 4e eintritt und über entsprechende Rücklaufrohre 6 wieder austritt. Um einen Wärmeübergang zu den Gerüsten 2, 3 hin weitge­ hend zu verhindern, befindet sich zwischen der oberen Heizplat­ te 4 und dem oberen Gerüst 2 eine Isolierschicht in Form einer Holzplatte 7. Analog ist am unteren Ende des Stapels eine Holz­ platte 8 vorgesehen. Erfindungsgemäß ist während der Abbindere­ aktion eine Energiebilanz durchzuführen, wodurch der Verlauf der von den Kunstharzen aufgenommenen bzw. abgegebenen Energiemenge über die Zeit ermittelt wird. Hierzu ist der Stapel mit einer Vielzahl von Meßpunkten versehen, in denen die Temperatur laufend gemessen wird. Die betreffenden Thermoelemente stehen über entsprechende Leitungsstränge mit einem Punktschreiber 9 mit einem integrierten Digitalrechner in Verbindung. So führt ein Leitungsstrang 10 vom Punktschreiber 9 zu den Meßpunkten der Ölvorlaufrohre 5, ein Strang 11 zu den Meßpunkten der Rücklauf­ rohre 6, zwei Stränge 14, 15 zu den Meßpunkten des unteren Wärmedurchgangs und ein Strang 16 zu den Meßpunkten der Presse. Innerhalb des Abzuges 17 befindet sich ein Meßpunkt, der über eine Leitung 18 mit dem Punktschreiber 9 verbunden ist. Ferner ist ein Meßpunkt mit einer Leitung 19 vorgesehen, wodurch ein Strahlungsschatten und ein Wärmestau erfaßbar ist.

Fig. 2 zeigt schematisch die Heizplatte 4a mit den daran angeschlossenen Vorlaufrohren 5 und Rücklaufrohren 6. Jedes Vorlaufrohr 5 mündet in einen mäanderförmig geführten Kanal, dessen Ende mit einem Rücklaufrohr 6 in Verbindung steht. Hier­ durch wird eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Heizplatte 4a erreicht. Aufgrund der Meßpunkte 20 und 21 am Eintritt der Vorlaufrohre 5 und der Meßpunkte 22 und 23 an den Anschlüssen der Rücklaufrohre können die Energieverhältnisse an jeder einzelnen Heizplatte 4 bis 4e sehr gut erfaßt werden.

Anhand der vorbeschriebenen über die gesamte Anlage verteilten Meßpunkte ist eine lückenlose Verfolgung des Energieumsatzes an der Presse möglich. Für den Energieumsatz während des Klebepro­ zesses gilt folgende Beziehung.

Delta _RH = Q_R - Q_Z + Q_Do + Q_Du + P_V + P_R + P_Rü + P_Z + L (1)

Hierin bedeuten
Delta _RH = Energieumsatz
Q_R = rückfließende Wärmemenge
Q_Z = zugeführte Wärmemenge,
Q_Do = Wärmedurchgang oben,
Q_DU = Wärmedurchgang unten,
P_V = Strahlungsenergie Vorderseite,
P_R = Strahlungsenergie Rückseite,
P_Rü = Strahlungsenergie Rücklaufseite,
P_Z = Strahlungsenergie Zulaufseite,
L = Wärmeübergang zur Luft.

Damit kann gezeigt werden, daß die insgesamt zugeführte Wärme­ menge gleich der insgesamt abgeführten Wärmemenge ist. Tritt während des Aushärtens der Fall ein, daß die abgegebene Wärme­ menge scheinbar größer bzw. kleiner ist als die zugeführte, so liegt eine exotherme bzw. eine endotherme Reaktion vor. Durch Beobachtung des Wärmeübergangs kann man weiterhin feststellen, ob ein Prozeß noch andauert oder bereits abgeschlossen ist.

Fig. 3 zeigt den Temperaturverlauf während eines Aushärteprozes­ ses bei gleichzeitiger Verfolgung des Energieumsatzes. Dieses Diagramm zeigt daher zwei Kurven, die sich beide auf die von rechts nach links verlaufende Zeitachse beziehen. Da die insbe­ sondere durch die Energieumsatz-Kurve ermöglichten Einblicke in die ablaufenden Reaktionen zur Prozeßführung nutzbar sein sollen, ist vorgesehen, daß beide Kurven aus den betreffenden Sensorsignalen in Echtzeit erstellt und unmittelbar ausgegeben werden. Dabei erfolgt die Darstellung der Kurven punktweise aus einzelnen Ergebnispunkten, deren zeitliche Abfolge anhand eines vorbestimmten Zeitrasters festgelegt ist. Die zunächst in analoger Form vorliegenden Sensorsignale werden dem Punktschrei­ ber 9 zugeführt und hier in an sich bekannter Weise digitali­ siert und mittels des integrierten Digitalrechners aufbereitet.

Zur Darstellung der Energieumsatz-Kurve wird die Beziehung (1) vom Digitalrechner für jeden Ergebnispunkt gelöst. Die als Vollinie dargestellte Kurve gibt den momentanen Energieumsatz in J/s an. Die betreffenden Werte können sowohl positiv als auch negativ sein. Die in K konfigurierte Temperaturkurve ist Strich-punktiert. Die Aufheizung beginnt im Punkt 1 bei Raumtem­ peratur und steigt von hier stetig an. Durch die Aufheizung beschleunigt sich die exotherme Härtereaktion, was gleichzeitig einen spontanen Anstieg des Energieumsatzes bewirkt, was aus dem sehr steilen Anstieg der Energieumsatz-Kurve erkennbar ist. Im Punkt 2 fällt der Energieumsatz extrem ab, was ein sicheres Anzeichen für den nahezu vollständigen Abschluß der Härtereakti­ on ist. Damit ist die optimale Härtetemperatur erreicht. Eine weitere Aufheizung wäre daher sinnlos und würde nur eine Voralterung der Bauteilmaterialien bewirken. Aufgrund dieser Überlegung wird jetzt die Aufheizphase beendet und der Prozeß in die Haltephase überführt. Die bei der Aufheizung entstehenden Extremwerte des Energieumsatzes sind werkstoffspezifisch. Der bei Beginn der Haltephase einsetzende Abfall des Energieumsatzes erfolgt bis zum Punkt 3 auf der Nullinie. Zu diesem Zeitpunkt ist die Härtereaktion abgeschlossen. Bei Polykondensaten erfolgt nur noch eine Verdampfung von Wasser, was durch eine negative Energiebilanz angezeigt wird. Sobald die Energiebilanz erneut die Nullinie im Punkt 4 trifft, ist die Verdampfung abgeschlos­ sen. Jetzt wird die Abkühlphase auf Raumtemperatur eingeleitet.

Die auf diese Weise hergestellten Bauteile sind unter optimalen Bedingungen ausgehärtet, frei von Wasserdampf und nicht durch Alterung vorgeschädigt.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Faserver­ bundmaterial unter Verwendung von Druck und Wärme in einem Klebeprozeß, bei dem Energie in Form eines aufge­ heizten, durch Leitungen von Heizplatten fließenden Me­ diums den zu verklebenden Bauteilen zugeführt wird, eine Härtereaktion abläuft und während des Prozesses laufend der Energieumsatz über die Zeit anhand von Messungen der Energieverhältnisse ermittelt wird, dadurch gekennzeich­ net, daß der zum Zeitpunkt (t) ermittelte Energieumsatz mit dem Energieumsatz zu einem unmittelbar davor liegen­ den Zeitpunkt (t-1) laufend verglichen wird und bei ei­ nem Extremabfall des Energieumsatzes von einem hohen Wert bis nahezu Null sofort die Energiezufuhr beendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Beendigung der Energiezufuhr eine Haltephase zur Verdampfung von bei Polykondensaten entstehendem Wasser durchgeführt wird, die Haltephase beendet wird, wenn der laufend ermittelte Energieumsatz von einer negativen Energiebilanz auf den Wert Null (Punkt 4 der Energieumsatzkurve) trifft und abschließend eine Abkühlphase bis auf Raumtemperatur abläuft.