DE4040746C2

DE4040746C2 -

Info

Publication number: DE4040746C2
Application number: DE4040746A
Authority: DE
Inventors: Richard David Cincinnati Ohio Us Pratt
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-04-20
Filing date: 1990-12-19
Publication date: 1992-12-03
Also published as: IT9022466A1; IT1243497B; CA2038214A1; US5145621A; DE4040746A1; GB2243104B; GB9027562D0; IT9022466A0; GB2243104A; JPH04270610A; FR2661128A1

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Verdichten eines Verbundmaterialkörpers gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum Verdichten eines Körpers aus Verbundmaterial mit einer komplexen Gestalt gemäß Anspruch 5.

Die AT-E 49 372 B betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von Verbundwerkstoffen mittels des Vakuumsackform-Systems, und sie bezieht sich insbesondere auf eine verbesserte Dichtung dafür.

Verbundmaterialien sind Hybridmaterialien, die gebildet sind durch Einbetten verstärkender Fasern, Whiskers oder Teilchen in einer Matrix, die die Verstärkung trägt und schützt. Es ist eine Vielfalt von Verstärkungen verfügbar, und Kohlenstoff-, Graphit-, Glas- und Kevlar-Fasern im besonderen erfreuen sich weiter Anwendung in der Luftfahrt und bei anderen Anwendungen. Es sind sowohl metallische als auch nichtmetallische Matrizes erhältlich, und nichtmetallische Matrizes, wie Epoxyharze und Polyimide, werden in weitem Maße für Anwendungen benutzt, bei denen das Teil nicht hohen Temperaturen ausgesetzt ist. So könnte z. B. ein Verbundmaterial aus 60 Vol.-% Graphitfasern in einer härtbaren Epoxymatrix bestehen.

Bei einem üblichen Herangehen zur Herstellung solcher Materia lien stellt ein Hersteller des Verbundmaterials ein sogenanntes "Prepreg" her, das eine teilweise gehärtete Matrix ist, die die richtige Menge an Verstärkung eingebettet enthält. Die Verstärkung befindet sich üblicherweise in Form einer gerichteten Reihe oder eines ineinander gewebten Gewebes, das sich in mehreren Richtungen erstreckt. Das Prepreg wird in Standardformen geliefert, wie z. B. als Band von etwa 0,13 mm Dicke und etwa 15 cm Breite mit einer Rückseite bzw. Unterlage, die seine Handhabung gestattet oder als Gewebe, das etwa 0,33 mm dick ist. Das Prepreg wird dem Hersteller von Teilen geliefert, der eine Anzahl von Schichten des Prepregs in den richtigen Gestalten und Dicken übereinanderlegt, wie nach einem Design erforderlich. Das Prepreg ist das Rohmaterial, das vom Teilehersteller benutzt wird, das schichtförmige Teil aufzubauen.

Nachdem die Prepregbänder oder Gewebestücke in der richtigen übereinander gestapelten Anordnung vorliegen, müssen die gestapelten Schichten verdichtet werden, um Porosität und Hohlräume zu entfernen, die sich beim Übereinanderlegen unvermeidbar ergeben und um das Härten der Matrix zu vervollständigen. Die Verdichtung erfolgt normalerweise bei erhöhter Temperatur und unter Anwendung eines äußeren Druckes auf das Teil, so daß Porosität und Hohlräume geschlossen werden, bevor die Matrix härtet.

Ist das Teil z. B. eine Flachplatte, dann wird ein Stück eines starren Werkzeuges gegen eine Seite der Platte gelegt und eine flexible Druckmembran, wie ein hochtemperaturbeständiger gasdichter Vakuumsack aus Polyimid, wird gegen die andere Seite gelegt. Ein Druck wird auf die Druckmembran angewandt, entweder mittels eines positiven Flüssigkeits- oder Gasdruckes auf die Außenseite der Membran, z. B. etwa 14 bar, oder es wird ein Vakuum auf den Raum zwischen der Membran und dem Verbundmaterial angewandt, so daß der äußere atmosphärische Druck den Verdichtungsdruck liefert. Sowohl die Verdichtung durch positiven Druck als auch durch Vakuum werden zur Erzielung der besten Ergebnisse häufig zusammen benutzt.

Diese vorhandenen Techniken arbeiten gut, wenn das Stück oder der Körper flach ist oder eine einfache Krümmung hat. Es wurde jedoch beobachtet, daß beim Herstellen komplex gekrümmter Körper nach diesem Verdichtungsverfahren Irregularitäten auftreten können, wie Brückenbildung und Falten auf der konkaven Oberfläche des Verbundteiles, die zu einer verminderten Festigkeit und einem vorzeitigen Versagen des Verbundmaterials in diesem Bereich führen können, wie z. B. bei der vorgenannten AT-E.

Es gibt daher einen Bedarf an einem verbesserten Herangehen zur Verdichtung von Prepregmaterialien für Verbundstoffe zu fertig gehärteten Körpern, insbesondere wenn die Körper komplex gekrümmt sind. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf und ergibt weitere damit in Beziehung stehende Vorteile.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Verdichten von Verbundkörpern zu schaffen, die zu Endstrukturen führen, bei denen die Ausbildung von Irregularität während des Verdichtens und Härtens vermieden wird.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Verdichten von Verbundkörpern oder -teilen, die komplex gekrümmt sind oder die aus anderen Gründen zur Bildung von Irregularitäten während des Verdichtens und Härtens neigen. Das Herangehen erfolgt in Übereinstimmung mit der vorhandenen Technologie, da es starres Werkzeug, Druckmembranen sowie die Anwendung von Druck auf die Membranen einschließt, um die Verdichtung des Körpers aus Verbundmaterial zu bewerkstelligen. Werkzeug und Druckmembran werden jedoch in einer neuen Weise angeordnet, um die Einführung von Fehlern in den Körper aus Verbundmaterial zu minimieren.

Vorteilhafterweise umfaßt das Verfahren zum Verdichten eines Körpers aus Verbundmaterial mit einer nichtplanaren Gestalt gemäß der vorliegenden Erfindung die Stufen des Lieferns eines Körpers aus Verbundmaterial mit einer Struktur, die aus nichtverdichteten Schichten von verstärkenden Fasern gebildet ist, die in eine Matrix eingebettet sind, wobei der Körper aus Verbundmaterial eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite hat und die Gestalt des Körpers komplex gekrümmt ist, so daß in einem ersten Bereich die erste Seite des Verbundmaterials eine konkave Fläche der Kurve und in einem zweiten Bereich die zweite Seite des Verbundmaterials die konkave Seite der Kurve bildet, Anordnen eines ersten starren Werkzeuges in Kontakt mit der ersten Seite des Verbundmaterials im ersten Bereich, Anordnen eines zweiten starren Werkzeuges in Kontakt mit der zweiten Seite des Verbundmaterials im zweiten Bereich, Anordnen einer ersten Verdichtungsdruckmembran gegen die zweite Seite des Verbundmaterials im ersten Bereich, Anordnen einer zweiten Verdichtungsdruckmembran gegen die erste Seite des Verbundmaterials im zweiten Bereich und Anwenden eines Druckes auf die erste Verdichtungsdruckmembran und die zweite Verdichtungsdruckmembran, wodurch ein Druck auf den Verbundkörper ausgeübt wird, der ihn verdichtet.

Bei dem üblichen Herangehen nach dem Stande der Technik wird das starre Werkzeug auf der einen Seite des unverdichteten Körpers aus Verbundmaterial angeordnet und eine Druckmembran auf der anderen Seite, unabhängig von der besonderen Gestalt des Körpers. Ist der Körper flach oder einfach gekrümmt, wobei sich das Werkzeug auf der konkaven Seite der Kurve befindet, dann arbeitet dieses Verfahren gut, weil das Verbundmaterial durch den Druck von der Druckmembran in das Werkzeug hinein zusammen gepreßt wird. Die Anwesenheit starren Werkzeuges diktiert Gestalt und Abmessungen der Oberfläche, die mit dem Werkzeug in Berührung steht, und das Werkzeug verhindert die Fehlerbildung in den Oberflächenschichten des Körpers aus Verbundmaterial.

Ist andererseits das Teil komplex gekrümmt, was im Rahmen der vorliegenden Anmeldung bedeutet, daß sich die konkave Oberfläche des Verbundkörpers manchmal auf einer ersten Seite des Verbundmaterials befindet und manchmal auf der zweiten, dann führt die Anordnung des starren Werkzeuges auf nur einer Seite zu einer ungleichmäßigen Qualität. In solchen Bereichen, in denen die konkave Seite des Verbundkörpers an dem starren Werkzeug anliegt, wird die Qualität normalerweise akzeptabel sein. In Bereichen jedoch, in denen die konkave Fläche des Verbundkörpers auf der Seite gegenüber dem starren Werkzeug liegt (d. h. die konvexe Fläche des Verbundkörpers befindet sich auf der Seite, die in Kontakt mit dem starren Werkzeug steht) und die konkave Fläche in Berührung steht mit der flexiblen Druckmembran und nur durch diese abgestützt wird, dann reicht dies üblicherweise nicht aus, das Auftreten von Fehlern zu verhindern, insbesondere an scharfen Ecken mit kleinen Biegeradien.

Beim erfindungsgemäßen Herangehen wird das starre Werkzeug auf der Seite angeordnet, auf der seine Anwesenheit erforderlich ist, um den Körper richtig festzulegen und die Einführung von Fehlern zu verhindern. Für ein komplex gekrümmtes Teil wird das Werkzeug auf der konkaven Seite des Verbundkörpers angeordnet, unabhängig davon, welche Seite dies in einem bestimmten Fall sein mag. Das Werkzeug ist dadurch komplexer, doch ist die Wahrscheinlichkeit, ein Teil mit einer durchgehenden guten Qualität herzustellen, deutlich erhöht. Die komplex gestalteten Verbundmaterialkörper oder -teile, die durch die vorliegende Erfindung hergestellt werden, sind sonst nicht erhältlich.

Allgemeiner umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdichten eines Körpers aus einem Verbundmaterial die Stufen des Lieferns eines Körpers aus einem Verbundmaterial mit einer Struktur, die aus nichtverdichteten Schichten aus Verstärkungsfasern, die in eine Matrix eingebettet sind, gebildet ist, wobei der Körper eine erste und eine gegenüberliegende zweite Seite hat, Anordnen eines ersten starren Werkzeuges gegen die erste Seite des Verbundmaterials in einem ersten Bereich, Anordnen eines zweiten starren Werkzeuges gegen die zweite Seite des Verbundmaterials in einem zweiten Bereich, Anordnen einer ersten Verdichtungsdruckmembran gegen die zweite Seite des Verbundmaterials in dem ersten Bereich, Anordnen einer zweiten Verdichtungsdruckmembran gegen die erste Seite des Verbundmaterials in dem zweiten Bereich und Ausüben eines Druckes auf die erste Verdichtungsdruckmembran und die zweite Verdichtungsdruckmembran, wodurch ein Druck auf das Verbundmaterial ausgeübt wird, um es zu verdichten.

Vor dem Verdichten muß der unverdichtete Körper aus Verbundmaterial, der aus den mehreren Schichten gebildet ist, zur Vermeidung des Ausweitens bzw. Ausbauchens zuerst teilverdichtet werden. Dieses Teilverdichten wird normalerweise bei Umgebungstemperatur ausgeführt, so daß die Matrix des Verbundmaterials nicht weiter härtet. Das Teilverdichten erfolgt in einer oder mehreren Stufen, wobei das letztere stattfindet, wo es erwünscht ist, eine Anzahl von Schichten zu legen, sie teilzuverdichten, weitere Schichten zu legen, sie teilzuverdichten usw.

Das erfindungsgemäße Herangehen gestattet das Teilverdichten in ein oder mehreren Stufen, gefolgt von einem endgültigen Verdichten. In Übereinstimmung mit diesem Aspekt umfaßt ein Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zum Verdichten eines Körpers aus einem Verbundmaterial die Stufen des Schaffens ei nes Körpers aus einem Verbundmaterial mit einer Struktur, die gebildet ist aus unverdichteten Schichten einer Matrix, in die verstärkende Fasern eingebettet sind, wobei der Körper eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite hat, Teilverdichten des Körpers durch die Stufen des Anordnens eines ersten starren Werkzeuges zum Teilverdichten gegen die erste Seite des Körpers aus Verbundmaterial in einem ersten Bereich, Anordnen eines zweiten starren Werkzeuges zum Teilver dichten gegen die erste Seite des Körpers aus Verbundmaterial in einem zweiten Bereich, Anordnen einer einzigen zusammenhän genden Druckmembran zum Teilverdichten gegen die zweite Seite des Körpers aus Verbundmaterial sowohl im ersten und zweiten Bereich, so daß ein Druck gleichmäßig auf die gesamte zweite Seite ausgeübt werden kann und Ausüben von Druck auf die Druckmembran zum Teilverdichten, um den Körper aus Verbundmate rial zumindest teilweise zu verdichten und Entfernen der Druck membran zum Teilverdichten von der zweiten Seite des Körpers und des zweiten Werkzeuges zum Teilverdichten von der ersten Seite des Körpers aus Verbundmaterial vom zweiten Bereich, Anordnen eines dritten starren Werkzeuges zum Teilverdichten gegen die zweite Seite des Körpers aus Verbundmaterial in dem zweiten Bereich, Anordnen einer ersten Verdichtungsdruckmem bran gegen die zweite Seite des Körpers aus Verbundmaterial nur in dem ersten Bereich, Anordnen einer zweiten Verdichtungs druckmembran gegen die erste Seite des Körpers aus Verbundma terial nur in dem zweiten Bereich und Anwenden eines Druckes auf die erste Verdichtungsdruckmembran und die zweite Ver dichtungsdruckmembran, um den Körper aus Verbundmaterial wei ter zu verdichten, während der Körper aus Verbundmaterial gleichzeitig erhitzt wird.

Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf die Vorrich tung zur Durchführung des Verfahrens, einschließlich der An ordnung des Werkzeuges und der Druckmembran, die benutzt wird, Verbundmaterial zu Gegenständen zu verdichten. In Übereinstim mung mit diesem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Verdichten eines Körpers aus unverdichtetem Verbundmaterial ge schaffen, wobei der Körper eine erste Seite und eine gegenüber liegende zweite Seite aufweist und die Vorrichtung ein erstes starres Werkzeug umfaßt, das so gestaltet ist, daß es in ei nem ersten Bereich an der ersten Seite des Verbundkörpers paßt, weiter ein zweites starres Werkzeug, das so gestaltet ist, daß es in einem zweiten Bereich an die zweite Seite des Verbund körpers paßt, einer ersten Verdichtungsdruckmembran, die zum Kontakt mit der zweiten Seite des Verbundkörpers im ersten Bereich angeordnet ist, einer zweiten Verdichtungsdruckmembran, die zum Kontakt mit der ersten Seite des Verbundkörpers im zweiten Bereich angeordnet ist sowie eine Einrichtung zum An wenden eines Druckes sowohl auf die erste als auf die zweite Verdichtungsdruckmembran.

Eine Variation dieser Vorrichtung schließt Werkzeug zum Durch führen des Teilverdichtens ein, das entfernt und nach dem Teil verdichten durch das Verdichtungswerkzeug ersetzt wird. Dieses starre Werkzeug zum Teilverdichten kann auch zum Verdichten benutzt werden, wenn erwünscht, oder es kann gegebenenfalls ein separates Verdichtungswerkzeug eingesetzt werden. In Über einstimmung mit diesem Aspekt umfaßt die erfindungsgemäße Vor richtung zum Verdichten eines Verbundmaterials mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite ein erstes starres Werk zeug zum Teilverdichten, das so gestaltet ist, daß es in ei nem ersten Bereich an die erste Seite des Körpers aus Verbund material paßt, ein zweites starres Werkzeug zum Teilverdichten, das so gestaltet ist, daß es in einem zweiten Bereich an die erste Seite des Körpers aus Verbundmaterial paßt, eine Vor verdichtungsdruckmembran mit einer Größe, daß sie sowohl im ersten als auch im zweiten Bereich an die zweite Seite des Körpers aus Verbundmaterial paßt, ein drittes starres Werkzeug, das so gestaltet ist, daß es im zweiten Bereich gegen die zweite Seite des Körpers aus Verbundmaterial paßt, eine erste Verdichtungsdruckmembran einer Größe, daß sie im ersten Bereich gegen die zweite Seite des Körpers aus Verbundmaterial paßt und eine zweite Verdichtungsdruckmembran einer Größe, daß sie im zweiten Bereich gegen die erste Seite des Körpers aus Verbundmaterial paßt.

Die erfindungsgemäße Anordnung des Verdichtungswerkzeuges ist als "Quer"- bzw. "Kreuz"-Werkzeug bezeichnet, weil das starre Werkzeug in einigen Bereichen auf einer Seite des Körpers und in anderen auf der anderen Seite des Körpers angeordnet ist. Es ist sorgfältig darauf zu achten, daß die Verdichtungskraft in allen Bereichen des Verbundkörpers gleichmäßig ausgeübt wird. Anderenfalls könnten nichtverdichtete Bereiche verbleiben, die Hohlräume und andere Fehler enthalten und die zu einem vorzeitigen Versagen des Körpers oder Teiles bei der Benutzung führen könnten.

Die vorliegende Erfindung schafft Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Verdichten von Verbundkörpern, die zu Endstrukturen führen, bei denen die Ausbildung von Irregularitäten während des Verdichtens und Härtens vermieden wird. Das erforderliche Werkzeug ist komplexer, doch kann es für üblicherweise erforderliche Gestalten leicht konstruiert werden. Die Erfindung wird anhand der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung, näher erläutert.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Verbundkörpers in Form eines Zylinders mit Endflanschen,

Fig. 2 eine Seitenschnittansicht verschiedener Schichten aus Verbundmaterial, die übereinander gestapelt sind,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines üblichen Werkzeuges zum Ver dichten des Verbundkörpers nach Fig. 1,

Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht eines Details der Fig. 3, das die Struktur der Schichten nahe einer Ecke zeigt, die sich beim Verdichten nach dem Stande der Technik ergibt,

Fig. 5 eine Ansicht ähnlich der Fig. 4, die eine andere Fehlerart veranschaulicht, die bei einer Ecke auftre ten kann,

Fig. 6 eine Ansicht ähnlich der nach Fig. 4, die die er wünschte Struktur nahe der Ecke veranschaulicht,

Fig. 7 eine schematische Ansicht einer komplex gekrümmten Oberfläche eines Verbundkörpers, die Nomenklatur veranschaulicht,

Fig. 8 eine Seitenansicht im Schnitt der Vorrichtung, die das Aufeinanderlegen des Verbundmaterials vor dem Verdich ten darstellt,

Fig. 9 eine Seitenansicht im Schnitt der Vorrichtung zum Ver dichten des Verbundzylinders nach Fig. 1 und

Fig. 10 eine Seitenansicht im Schnitt eines anderen Teiles.

Fig. 1 zeigt ein beispielhaftes Teil 20, das aus einem Ver bundmaterial hergestellt werden soll. Das Teil 20 schließt einen hohlzylindrischen Körper 22 und einen dicken Flansch 24 an jedem Ende des Körpers 22 ein, und dieser Körper kann Ende an Ende mit ähnlichen Teilen verbunden werden, um eine Röhre bzw. einen Kanal zu bilden. Der Körper 20 wurde ausgewählt, weil er eine komplexe Krümmung aufweist, die nach dem Stand der Technik nicht leicht fehlerfrei hergestellt werden kann.

Der Körper 22 und die beiden Flansche 24 sollen als ein einzi ger integraler Körper aus individuellen Schichten aus Ver bundmaterialien hergestellt werden, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind. Ein Körper 26 aus Verbundmaterial wird hergestellt, in dem man einzelne Schichten 28 aus einem Prepregmaterial auf einander stapelt. In einer typischen Situation, wie sie beim Herstellen eines solchen Körpers 26 angetroffen wird, besteht jede solche Prepregschicht 28 aus einer Matrix eines teilge härteten Polymers, wie eines Polyimids oder Epoxyharzes, in die der erforderliche Prozentsatz verstärkender Fasern, wie Kohlenstoffäden, eingebettet ist. Die verstärkenden Fasern kön nen in einer im wesentlichen gerichteten Weise angeordnet sein, und diese Art von Prepreg wird als Band geliefert, das übli cherweise eine Dicke von etwa 0,13 mm und eine Breite von etwa 15 cm hat. Die verstärkenden Fasern können aber auch ge webt sein und sich in mehrere Richtungen erstrecken, und in diesem Falle ist das Prepreg im Handel als ein Gewebe erhält lich, das nach dem Verdichten und Härten üblicherweise eine Dicke von etwa 0,33 mm hat. In jedem Falle ist die Matrix des Prepregs entweder nicht gehärtet oder nur wenig gehärtet.

Dickere Körper werden graduell durch Übereinanderstapeln der einzelnen Schichten aus Prepregbändern oder -geweben aufge baut, bis die erwünschte Dicke erreicht ist. In der Darstel lung der Fig. 2 sind vier Schichten 28 des Prepregmaterials auf einandergestapelt, doch wird das Verfahren häufig auf Stapel von einigen zehn Schichten angewandt.

Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, gibt es leere Räume oder Hohlräume 30 zwischen den aufeinandergestapelten Schich ten, weil die Prepregschichten 28 nicht vollkommen flach sind, wenn sie vom Hersteller geliefert werden. Es kann auch mikro skopische Hohlräume innerhalb jeder Schicht 28 geben, die zwar unter einem Mikroskop, nicht aber in der makroskopischen Ansicht der Fig. 2 sichtbar sind. Es müssen praktisch alle diese Hohlräume beseitigt werden, damit sie nicht in der end gültigen Struktur vorhanden sind, und das Verdichten schließt idealerweise sowohl die makroskopischen als auch die mikrosko pischen Hohlräume, während gleichzeitig das Härten des Matrix materials der Schicht vervollständigt wird. Das Ergebnis ist ein fehlerfreier Verbundkörper hoher Festigkeit mit Bezug auf sein Gewicht, der gut brauchbar ist Zum Einsatz in Flugzeug und anderen Arten von Strukturen.

Fig. 3 zeigt ein übliches Herangehen nach dem Stande der Technik, um das Verbundmaterial zur Bildung des mit Flanschen versehenen Zylinders der Fig. 1 zu verdichten. Die einzelnen Schichten 28 werden gegen ein zylindrisches, symmetrisches Stahlwerkzeug 32 (das in Fig. 3 im Schnitt gezeigt ist) über einandergelegt, wobei das Werkzeug die Innenwand 34 des zy lindrischen Körpers 22 sowie jeden Flansch 24 und die Flanschfläche 36 begrenzt.

Ein Vakuumsack 38 wird abgedichtet über die gegenüberliegende Oberfläche der Verbundmaterialschichten 28 gelegt, d. h. über die Oberfläche, die nicht mit dem Werkzeug 32 in Berührung steht. Indem man durch eine Öffnung 40, die in Verbindung steht mit dem Raum zwischen Werkzeug 32 und Vakuumsack 38, evakuiert, wird ein Druck auf die Oberfläche der Schichten 28 ausgeübt. Atmosphärischer Druck von etwa 1 bar wird dadurch gleichmäßig auf die äußere Oberfläche des Vakuumsackes 38 und dadurch auf die Schichten 28 ausgeübt. Das gesamte Werkzeug und die übereinandergestapelten Schichten werden in einem unter Druck gesetzten Autoklaven angeordnet und erhitzt, was es dem Matrixmaterial innerhalb der Schichten gestattet, so zu fließen, daß die Hohlräume 30 graduell verkleinert und ver schlossen werden. Das Vakuum wird normalerweise vor dem Erhit zen angewandt, so daß die Hohlräume geschlossen werden, bevor das Matrixpolymer härten kann, was ein weiteres Schließen der Hohlräume beendet. Bei diesem Herangehen werden die Hohlräume geschlossen und die Matrix gehärtet.

Dieses bekannte Herangehen führt jedoch zu der Einführung von Fehlern während des Verdichtens an den Ecken, die einen Über gang zwischen dem zylindrischen Körper 22 und dem Flansch 24 bilden, wie in den Fig. 4 und 5 veranschaulicht. Die Fehler 42 der Fig. 4 sind im wesentlichen Falten in den Oberflächen schichten des Verbundmaterials, das auf der konkaven Oberflä che des Verbundkörpers 26 an der Ecke liegt, bei der der Über gang vom zylindrischen Körper 22 zum Flansch 24 stattfindet. Die Falten bilden sich, weil der Vakuumsack 38 nicht genügend starr ist, um die Schichten zu halten, während die Hohlräume zusammenfallen und die Dicke des Verbundkörpers 26 vermindert wird.

Eine andere Art von Fehler 43, die in Fig. 5 gezeigt ist, wird als "Überbrücken" bezeichnet. Dieser Fehler entsteht, weil selbst während des Verdichtens jede Schicht eine konstante Länge hat. Während eine Schicht konstanter Länge, deren Enden durch das Werkzeug festgelegt sind, in die Ecke gedrückt wird, hat sie nicht genügend Länge und kann sich nicht dehnen, um sich in die Ecke einzupassen. Das Ergebnis ist ein Hohlraum in der Ecke. Die Fehler 42 und 43 der Fig. 4 bzw. 5 sind sehr unerwünscht, weil sie den Körper 26 aus Verbundmaterial an der inneren Ecke schwächen, bei der der Übergang zwischen dem zylindrischen Körper 22 und dem Flansch 24 stattfindet, und diese Fehler können zum Versagen an dieser Stelle führen, wenn der Körper oder das Teil benutzt wird.

Die erwünschte Struktur ist dagegen in Fig. 6 abgebildet, bei der es keine solche Fehler gibt.

Das Problem der Fehlerbildung kann nicht einfach dadurch ge löst werden, daß man Werkzeug vorsieht, das die Außenwand des zylindrischen Körpers 22 zusammen mit den Flanschen 24 be grenzt und weiter einen Vakuumsack vorsieht, der auf der gegen überliegenden Oberfläche des Verbundmaterials abgedichtet wird (d. h. auf dem Innendurchmesser des zylindrischen Körpers 22 und der Flanschflächen 36) aus dem in Fig. 7 gezeigten Grunde. Das Teil 20 hat eine komplexe Krümmung als Ergebnis mehrerer lokaler Krümmungszentren. Der zylindrische Körper 22 hat einen Krümmungsradius 44, der sich auf der Innenseite des Teiles 20 befindet. Die Ecke, wo sich der zylindrische Körper 22 und der Flansch 24 schneiden, hat einen anderen Krümmungsradius 46 (der auch in den Fig. 4-6 gezeigt ist), der sich auf der Außenseite des Teiles 20 befindet. Würden die Positionen von Werkzeug und Vakuumsack gegenüber den in Fig. 3 gezeigten Posi tionen umgekehrt werden, dann würde das gleiche Fehlerproblem auf der inneren Oberfläche des zylindrischen Körpers 22 auftre ten. Darüber hinaus ist bei dem Teil 20 der Innendurchmesser des zylindrischen Körpers 22 bei einem genau vorgeschriebenen Wert zu halten, und eine Umkehr der Positionen von Werkzeug und Vakuumsack würde es nicht gestatten, diesen Wert einzuhal ten.

In den Fig. 8 und 9 wird ein dreistufiges Übereinanderlegen, ein Ver meiden des Ausweitens oder Ausbauchens bzw. ein Einpassen bzw. ein Teilverdichten sowie ein Verdichten angewendet. Für das anfängliche Übereinanderstapeln der Schichten aus Verbundmate rial, das in Fig. 8 veranschaulicht ist, werden einzelne Schichten 28 gegen das Werkzeug gelegt, das an einer Seite des Teiles anliegt. Das Werkzeug schließt ein erstes starres Werk zeug 47 ein, das die zylindrische Oberfläche des Teiles be grenzt sowie zweite entfernbare Endwerkzeuge 48 für das vorge nannte Einpassen, die die Flanschflächen 36 der Flansche 24 und die Ecke zwischen den Flanschen 24 und der zylindrischen Oberfläche begrenzen. Diese Werkzeuganordnung, bei der sich auf einer Seite des Teiles überall starres Werkzeug befindet, erleichtert das Anordnen der Schichten in der allgemein richti gen Gestalt für das Teil 20.

Um das sogenannte Einpassen bzw. Teilverdichten auszuführen, wird, wie noch in Fig. 8 gezeigt, eine Teilverdichtungs druckmembran 49 über die Seite der Schichten 28 gelegt, die dem Werkzeug gegenüberliegt, und es wird ein Vakuum durch eine Öffnung 50 in dem Raum zwischen den Schichten 28 und der Membran 49 angelegt. Der resultierende Außendruck gegen die Schichten 28 drückt diese in die allgemeine Gestalt, die durch das Werkzeug vorgegeben ist. Das Werkzeug und die Verbundmate rialschichten können während des Teilverdichtens etwas erwärmt werden, um die Matrix zu erweichen, doch nicht bis zur Härtungstem peratur, so daß während des Teilverdichtens wenig oder kein Härten des Verbundmaterials stattfindet. Das Einpassen glättet die zusammengesetzten Schichten, was die Neigung zur Faltenbil dung im gehärteten Verbundgegenstand vermindert. Das Glätten gestattet es dem Verdichtungswerkzeug, besser an den Körper zu passen. Das Einpassen bzw. Teilverdichten entfernt auch einen Teil der Hohlräume, ohne daß das Verbundmaterial in seiner end gültigen gehärteten Gestalt festgelegt wird. Das Teilhärten. allein reicht jedoch nicht, um auch die letzten Hohlräume zu entfernen und kann ein fertiges Teil nicht hervorbringen.

Nach dem Einpassen wird die Einpaßdruckmembran 49 entfernt, und es werden die zweiten starren Werkzeuge 48 zum Einpassen er setzt durch dritte starre Werkzeuge 56, jeweils eines an einem Ende des Zylinders, wie in Fig. 9 für ein Ende des Zylinders dargestellt. Das erste starre Werkzeug 47 längs der inneren zy lindrischen Oberfläche bleibt für das Aufeinanderlegen der Schichten, das Einpassen und das Verdichten in der gleichen Posi tion. Zum Verdichten benutzt man mehrere Stücke von starrem Werkzeug, von denen sich einige auf einer Seite des Teiles 20 und andere auf der gegenüberliegenden Seite des Teiles 20 be finden. In einer ähnlichen Weise wird die Einpaßdruckmembran durch mehrere Druckmembranen ersetzt, die gegenüber den Stücken des starren Werkzeuges angeordnet werden.

Mehr im besonderen wird ein erstes starres Werkzeug 47 benach bart der inneren oder konkaven Oberfläche 34 des zylindrischen Körpers über den Bereich angeordnet, in dem sich der Krümmungs radius 44 auf dieser Seite des Teiles 20 befindet. Eine erste Verdichtungsdruckmembran 52 wird gegenüber dem ersten starren Werkzeug 47, d. h. benachbart einer Außenoberfläche 54 des zy lindrischen Körpers 22 angeordnet. Ein drittes starres Werkzeug 56 wird so angeordnet, daß eine flache Oberfläche 57 davon gegen die nach innen weisende Oberfläche des Flansches 24 paßt und diese begrenzt. Eine konvexe Oberfläche 58 des dritten star ren Werkzeuges paßt in die Krümmung der Ecke zwischen Körper 22 und Flansch 24 und begrenzt diese, wo sich der Krümmungsradius 46 auf dieser Seite des Teiles 20 befindet. Ein aus vier Teilen bestehendes kreuzförmiges Werkzeug 59 fixiert das dritte starre Werkzeug 56 mit Bezug auf das erste starre Werkzeug 47 in ent fernbarer Weise. Eine zweite Verdichtungsdruckmembran 60 ist gegenüber dem dritten starren Werkzeug 56 angeordnet, d. h. auf der Seite der Schichten benachbart der konvexen Oberfläche 62 jeder Flanschecke. Alle Druckmembranen sind längs ihren Kanten mit Druckdichtungen 61 derart abgedichtet, wie sie bei der Ver bundmaterialtechnologie üblicherweise benutzt werden.

Somit hat jeder Bereich des Teiles 20 ein starres Werkzeug auf einer Seite und eine Druckmembran auf der anderen, doch kann die Seite, auf der sich diese befinden, nach Notwendigkeit ge ändert werden, so daß das starre Werkzeug gegen die konkave, am schärfsten gekrümmte Oberfläche des Verbundmaterials in diesem Bereich gelegt ist. Der Ort, an dem die Änderung von Werkzeug zu Membran von einer Seite auf die andere stattfindet, wird als Kreuzungspunkt 64 bezeichnet.

Am Kreuzungspunkt 64 findet vorzugsweise ein glatter Übergang zwischen Werkzeug und Druckmembran von einer Seite des Teiles 20 zur anderen Seite statt. Der glatte Übergang wird erleich tert durch Abschrägen der starren Werkzeuge 47 und 56 mit schrä gen Oberflächen 66 bzw. 68. Diese schrägen Oberflächen 66 und 68 gestatten das Anbringen der benachbarten Druckmembranen mit einer glatten, faltenfreien Berührung mit der Oberfläche des Teiles 20 in der dargestellten Weise. Wären die Enden der Werk zeuge 47 und 56 dagegen rechtwinklig ausgebildet, dann könnten die Druckmembranen, die über solche Enden gelegt sind, an den Ecken Falten bilden, so daß der Verdichtungsdruck nicht glatt auf den Körper 26 aus Verbundmaterial aufgebracht werden könn te.

Der Verdichtungsdruck kann durch Anlegen eines Vakuums unter jeder Druckmembran 52 und 60 mittels einer Vakuumöffnung 70 an gelegt werden, die mit dem Inneren des Raumes zwischen jeder Druckmembran und dem benachbarten Teil des Verbundmaterialkör pers 26 in Verbindung steht. Es ist darauf zu achten, daß eine Verbindung des Vakuums zu einem jeden solchen Innenraum besteht, der durch eine Druckmembran begrenzt ist. Wird das Vakuum an die Öffnung 70 angelegt, dann wird atmosphärischer Druck von etwa 1 bar auf jede der Druckmembranen ausgeübt, was zu einem Verdichten des Körpers 26 gegen das entsprechende Werkzeug führt. Ist ein größerer Druck erforderlich, dann besteht ein weiteres Herangehen darin, daß ein positiver Gasdruck auf die äußeren Oberflächen der Druckmembranen ausgeübt wird, indem man das gesamte Teil und das Werkzeug in eine unter Druck stehende erhitzte Kammer, einen Autoklaven, einbringt. Am bevorzugtesten können sowohl Vakuum als auch äußerer Gasdruck in ausgewählten Kombinationen angewendet werden, oder man kann unterschiedliche Werte von Vakuum und Druck in verschiedenen Bereichen des Tei les anwenden, wie für die besonderen Konfigurationen von Teilen erforderlich.

Das Verbundmaterial wird während des Verdichtens normalerweise erhitzt, um durch Erweichen der Matrix und Härten der Polymer matrix des Verbundmaterials die Verdichtung zu unterstützen. Das Erhitzen erfolgt üblicherweise durch Heizelemente im Auto klaven. Die Wärme kann jedoch auch durch Heizbänder aufgebracht werden, die um Verbundteil und Werkzeug gewickelt sind, oder durch Heizelemente 72, die in das Werkzeug eingebettet sind.

Das Herangehen nach Fig. 9 vermeidet Fehler in den konkaven Oberflächen der Bereiche des Teiles 20, die den in Fig. 4 und 5 dargestellten vergleichbar sind. Die Ecke zwischen dem zylin drischen Körper und dem Flansch ist glatt, regelmäßig und ohne Falten und Brückenbildung, wie in Fig. 6 veranschaulicht. Darüber hinaus können solche Oberflächen so hergestellt werden, daß sie bestimmten Abmessungsanforderungen der konkaven und benachbarten flachen Oberflächen genügen, wie es bei vielen Tei len normalerweise erforderlich ist.

Ein Verbundteil der in Fig. 1 gezeigten Art wurde unter Anwen dung der vorliegenden Erfindung hergestellt. Der zylindrische Körper hatte einen Innendurchmesser von etwa 91,4 cm und eine Länge von etwa 38,1 cm. Die Dicke des zylindrischen Körpers und der Endflansche betrug nach der Fertigstellung des Teiles etwa 5,1 mm. Das Verbundmaterial in diesem Falle bestand aus etwa 60 Vol.-% Kohlenstoffasern in einer teilgehärteten Matrix aus Polyimidmaterial.

Um das Teil herzustellen, wurden Stahlwerkzeugstücke, wie in Fig. 8 gezeigt, in einer Einspannvorrichtung an Ort und Stelle gehalten, und man legte 15 Schichten aus Verbundmaterialprepreg auf dem Werkzeug übereinander, jeweils immer fünf Schichten, die dann erst teilverdichtet wurden. Das bedeutet, daß man die ersten fünf Schichten übereinanderlegte und dann teilverdichtete. Dann legte man weitere fünf Schichten übereinander und teilver dichtete die gesamt zehn Schichten. Ein letztes Teildichten fand statt, nachdem man die letzten fünf Schichten übereinandergelegt hatte. Bei jedem Teilverdichten wurde die angegebene Anzahl von Schichten übereinandergelegt und die Teilverdichtungsmembran aus Polyimidfilm wurde auf der dem Werkzeug gegenüberliegenden Seite gegen das Verbundmaterial gelegt. Es wurde mittels einer mecha nischen Pumpe ein Vakuum angelegt, um Druck für etwa 15 Minuten durch die Druckmembranen auf das Verbundmaterial auszuüben und dadurch den Verbundmaterialkörper teilzuverdichten. Während des Teilverdichtens wurde das Verbundmaterialteil auf etwa 65°C erhitzt.

Zum Verdichten wurden die starren Werkzeuge zum Teilverdichten entfernt und durch einen zweiten Satz starrer Werkzeuge ersetzt. Die Verdichtungsmembranen aus Polyimidfilm wurden gegen das Verbundmaterial gegenüber dem starren Werkzeug gelegt und dort abgedichtet in der in Fig. 9 dargestellten Weise, bevor das Werkzeug endgültig zusammengebaut wurde. Alternativ können auch andere flexible Materialien, wie Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Copolymerisat- oder PTFE-Membranen benutzt werden. Werkzeug und Verbundmaterial wurden in einem Autoklaven angeordnet und ein Vakuum mittels einer mechanischen Pumpe an die Räume zwischen der Verdichtungsmembran und dem Werkzeug gelegt, bevor man im Autoklaven erhitzte. Ein Autoklavendruck von etwa 14 bar wurde mittels einer inerten Atmosphäre eingestellt. Werkzeug und Verbundmaterial wurden dann im Autoklaven auf eine Temperatur von etwa 315°C erhitzt und dort 180 Minuten lang gehalten, um eine vollständige Verdichtung und Härtung der Polyimid-Verbundmatrix zu erzielen. Werkzeug und verdichtetes Verbundmaterial wurden dann auf Umgebungstemperatur abgekühlt und das Werkzeug entfernt. Das erhaltene Verbundmaterialteil hatte eine hohe Qualität und wies nicht die im Zusammenhang mit den Fig. 4 und 5 erläuterten Fehlerarten auf.

Die vorliegende Erfindung kann bei einer weiten Vielfalt von Teilen benutzt werden, bei der es mehr als eine Krümmung am Teil gibt, so daß eine einfache Anordnung aus starrem Werkzeug und Vakuumsack nicht benutzt werden kann, um die oben erläuterten Probleme zu vermeiden. Bei dem Herangehen mit quer bzw. über Kreuz angeordnetem Werkzeug und Membranen sind diese komplexer als beim Herangehen nach dem Stande der Technik, wie durch Vergleich der Fig. 8 und 3 deutlich wird, doch gestattet diese Komplexität die Herstellung eines Teiles frei von Fehlern, die beim Stande der Technik vorkommen.

Eine andere Anwendung ist in Fig. 10 veranschaulicht. Der dortige Verbundkörper 80 soll eine gut begrenzte erste Oberfläche 82 in einem ersten Bereich und eine andere gut begrenzte zweite Oberfläche 84 (auf der anderen Seite des Körpers 80) in einem zweiten Bereich haben. Ein erstes starres Werkzeug 86 steht im Kontakt mit der ersten Oberfläche 82 und ein zweites starres Werkzeug 88 steht im Kontakt mit der zweiten Oberfläche 84. Eine erste Druckmembran 90 berührt die zweite Oberfläche 84 in dem Bereich gegenüber dem ersten starren Werkzeug 86. Eine zweite Druckmembran 92 berührt die erste Oberfläche 82 gegenüber dem zweiten starren Werkzeug 88. Die Verdichtung erfolgt in der oben beschriebenen Weise.

Claims

1. Verfahren zum Verdichten eines Verbundmaterialkörpers, um fassend die folgenden Stufen:
Liefern eines Verbundmaterialkörpers mit einer Struktur aus unverdichteten Schichten einer Matrix, in die verstärkende Fasern eingebettet sind, wobei der Körper eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite aufweist
Teilverdichten des Körpers durch die Stufen:
Anordnen eines ersten starren Werkzeuges gegen die erste Seite des Verbundkörpers in einem ersten Bereich,
Anordnen eines zweiten starren Werkzeuges gegen die erste Seite des Verbundmaterialkörpers in einem zweiten Bereich,
Anordnen einer Teilverdichtungsdruckmembran gegen die zweite Seite des Verbundmaterialkörpers im ersten und zweiten Bereich,
Anwenden eines Druckes auf die Teilverdichtungsdruckmembran, um den Verbundmaterialkörper zumindest teilweise zu verdichten und
Entfernen der Teilverdichtungsdruckmembran und des zweiten starren Werkzeuges,
Anordnen eines dritten starren Werkzeuges gegen die zweite Seite des Verbundmaterialkörpers im zweiten Bereich,
Anordnen einer ersten Verdichtungsdruckmembran gegen die zweite Seite des Verbundmaterialkörpers im ersten Bereich,
Anordnen einer zweiten Verdichtungsdruckmembran gegen die erste Seite des Verbundmaterialkörpers im zweiten Bereich und
Anwenden von Druck auf die ersten Verdichtungsdruckmembran und die zweite Verdichtungsdruckmembran, während der Verbundmaterialkörper gleichzeitig erhitzt wird, um das Verbundmaterial zu verdichten und zu härten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Stufe des Anwendens von Druck und des gleichzeitigen Erhitzens des Verbundmaterials in einem Autoklaven ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Körper aus Verbundmaterial komplex gekrümmt ist, sodaß im ersten Bereich die erste Seite konkav und im zweiten Bereich die zweite Seite konkav ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Teilverdichtungsstufe das zusätzliche Erhitzen des Verbundmaterials auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur und unterhalb der Härtungstemperatur einschließt.

5. Vorrichtung zum Verdichten eines Körpers aus Verbundmaterial mit einer komplexen Gestalt, die eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wobei die Vorrichtung umfaßt:
ein erstes starres Werkzeug (47) mit einer Gestalt, die gegen die erste Seite des Verbundmaterialkörpers (20), in einem ersten Bereich (34) paßt,
ein zweites starres Werkzeug (48) mit einer Gestalt, die gegen die erste Seite des Verbundmaterialkörpers (20), in einem zweiten Bereich (34) paßt,
eine Teilverdichtungsdruckmembran (49) einer Größe, die gegen die zweite Seite (54) des Verbundmaterialkörpers (20) im ersten und zweiten Bereich paßt,
ein drittes starres Werkzeug (56) einer Gestalt, die gegen die zweite Seite des Verbundmaterialkörpers (20) im zweiten Bereich paßt,
eine erste Verdichtungsdruckmembran (52) einer Größe, die gegen die zweite Seite (54) des Verbundmaterialkörpers (20) im ersten Bereich (34) paßt und
eine zweite Verdichtungsdruckmembran (60) einer Größe, die gegen die erste Seite (54) des Verbundmaterialkörpers (20) im zweiten Bereich paßt.