DE4123547A1 - Verfahren zur herstellung von faser-vorformlingen, gebildet durch ein schichten von lagen, die kleine kruemmungsradien aufweisen fuer die herstellung von teilen aus verbundmaterial - Google Patents

Verfahren zur herstellung von faser-vorformlingen, gebildet durch ein schichten von lagen, die kleine kruemmungsradien aufweisen fuer die herstellung von teilen aus verbundmaterial

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DE4123547A1 DE4123547A DE4123547A DE4123547A1 DE 4123547 A1 DE4123547 A1 DE 4123547A1 DE 4123547 A DE4123547 A DE 4123547A DE 4123547 A DE4123547 A DE 4123547A DE 4123547 A1 DE4123547 A1 DE 4123547A1
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Teilen aus Verbundmaterial und betrifft insbesondere die Herstellung von faserartigen Verstärkungsvorformlingen, die nach Verdichtung durch eine Matrize den Erhalt von Teilen aus Verbundmaterial erlauben.
Eine herkömmliche Herstellungsart von faserartigen Vorformlingen besteht darin, faserartige zweidimensionale Lagen aufzuschichten oder übereinanderzulegen, wie beispielsweise Stofflagen, Filzlagen, Faden- oder Seilebahnen, unter Verleihung der Schichtung der Lagen eine Form entsprechend jener oder nahe jener des herzustellenden Teils aus Verbundmaterial.
Eine Schwierigkeit besteht dann, wenn der Vorformling gekrümmte Bereich mit kleinen Krümmungsradien aufweist, insbesondere wenn der Krümmungsradius kleiner ist als die Gesamtdicke der aufgeschichteten Lagen.
Nämlich, wie es in den Fig. 1A und 1B dargestellt ist, ergeben sich unvermeidlich ein oder mehrere Freiräume 3 zwischen den geschichteten Verstärkungsfaserlagen 2 im Bereich der gekrümmten Bereiche des Vorformlings 1.
Die Freiräume 3 bilden Diskontinuitäten in der Verstärkung und können nicht vollständig bei der Verdichtung ausgefüllt werden, insbesondere wenn diese durch Infiltration in Dampfphase erzeugt wird. Die Freiräume, die im Inneren des erhaltenen Verbundteils bestehen, bilden Schwachpunkte und sind die Ursache des Erscheinens von Fehlern oder Störungen des Teils, insbesondere durch Delaminieren, d. h. Abheben der Lagen voneinander.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorstehenden Nachteile ein Verfahren zur Herstellung von Faserverstärkungsvorformlingen zu schaffen, welche ohne Freiräume, sogar in den gekrümmten Bereichen mit kleinem Krümmungsradius, sind.
Diese Aufgabe wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß in dem oder den gekrümmten Bereichen wenigstens ein Einsatz eingeführt wird, der zwischen zwei Lagen angeordnet wird und eine erste gekrümmte Oberfläche mit einem ersten Krümmungsradius aufweist, der im wesentlichen gleich jener der Oberfläche der benachbarten Lage auf der äußeren Seite ist, und eine gekrümmte Oberfläche einen zweiten Krümmungsradius aufweist, der größer ist als der erste und im wesentlichen gleich ist zu denjenigen der nach innen benachbarten Lage.
Der Einsatz wird vorteilhafterweise durch einen Vorformling oder eine Faserstruktur gebildet, die in der gewünschten Form gehalten wird durch Vorverfestigung oder Konsolidierung oder durch Formen mittels eines flüchtigen Harzes.
Verfestigung bedeutet hierbei eine teilweise gerade ausreichende Verdichtung, um die Fasern des Einsatzes untereinander zu binden, damit dieser unter Beibehaltung seiner Form gehandhabt werden kann. Die Verfestigung wird beispielsweise durch chemische Infiltration in Dampfphase in das Innere der Fasertextur des Einsatzes durchgeführt, der in einem Werkzeug gehalten ist, das ihm die geeignete Form verleiht.
Unter flüchtigem Harz versteht man hier ein Harz, das geeignet ist, eliminiert zu werden, ohne einen festen Restteil übrig zu lassen. Das Eliminieren des Harzes kann erzeugt werden durch Hitze, beispielsweise bei dem notwendigen Temperaturanstieg zur Verdichtung des mit dem Einsatz versehenen Vorformlings. Es kann ein flüchtiges Harz ausgewählt werden mit einem Koksanteil von Null, wie beispielsweise ein Harz vom Typ PVA (Polyvinylalkohol).
Die Verdichtung des Einsatzes wird erzeugt (oder beendet, wenn er verfestigt worden ist) bei der Verdichtung des Vorformlings. Diese Verdichtung kann auf einem gasförmigen Weg (Gemischinfiltration in Gasphase) oder auf einem flüssigen Weg (aufeinanderfolgende Zyklen, die ein Imprägnieren der Matrize durch einen Zwischenstoff aufweisen, gefolgt von einer Umwandlungsbehandlung des Zwischenstoffes, beispielsweise einer Wärmebehandlung) erfolgen.
Die Faserstruktur des Einsatzes wird vorzugsweise erzeugt durch Fasern, die identisch sind zu einer Struktur des Vorformlings des herzustellenden Teils.
Diese Faserstruktur kann erzeugt werden durch Formen oder Pressen von kurzen, nicht ausgerichteten Fasern.
Vorzugsweise weist die Herstellung der Faserstruktur des Einsatzes die Schritte der Bildung einer Schichtung von Lagen analog zu jener auf, die für den Vorformling des herzustellenden Teils verwendet werden, das Verbinden der aufgeschichteten Lagen durch Verfestigung oder durch Pressen bzw. Formen mit Hilfe eines flüchtigen Harzes und Schneiden oder Behandeln des Einsatzes in der Schichtung bzw. dem Stapel der Lagen.
Vorteilhafterweise wird die Behandlung derart durchgeführt, daß sie im Inneren der Faserstruktur des Einsatzes die Ausrichtungen der Fasern in der Nähe von jenen der Lagen der Vorform, in der der Einsatz eingeführt ist, beibehalten, dies um Diskontinuitäten in den Ausrichtungen der Fasern nach Einbringen des Einsatzes zu verhindern.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Darin zeigt
Fig. 1A und 1B, die bereits beschrieben wurden, die Bildung von Freiräumen oder Hohlräumen in Bereich mit kleinem Krümmungsradius in einem Faservorformling, der durch eine Schichtung oder einen Stapel von Lagen gebildet wird,
Fig. 2 die Anbringung eines Einsatzes in einen Bereich mit kleinem Krümmungsradius einer Lagenschichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 die Anordnung von mehreren Einsätzen in demselben Bereich mit kleinem Krümmungsradius,
Fig. 4 die Anbringung eines Einsatzes, der sich auf mehrere Bereiche mit kleinem Krümmungsradius erstreckt, und
Fig. 5 und 6 eine Herstellungsweise von Einsätzen.
Die Fig. 2 zeigt eine Herstellungsweise eines faseraufweisenden Vorformlings 10, gebildet aus einem Stapel von Lagen 12 und mit wenigstens einem gekrümmten Bereich mit Seiten in Form von Kreisformen, wobei der Krümmungsradius r auf der Höhe der konvexen Seite kleiner ist als die Gesamtdicke e des Vorformlings.
Die verwendeten Lagen sind zweidimensionale Faserlagen, beispielsweise Stofflagen. Das die Lagen bildende Material wird gemäß der zukünftigen Verwendung des herzustellenden Teils gewählt, aus den Fasern, die gewöhnlicherweise verwendet werden, um Verstärkungstexturen von Teilen aus Verbundmaterialien, beispielsweise Glasfasern, Aramidfasern, Carbonfasern oder keramische Fasern zu bilden.
Wie in Fig. 1 dargestellt, werden auf der Außenseite des Vorformlings 10, d. h. auf der Seite der konvexen Seite 10a des gekrümmten Bereichs mehrere erste Lagen 12 aufgeschichtet. Die Anzahl dieser ersten Lagen wird derart gewählt, daß ihre Dicke geringer ist als der Krümmungsradius r des gekrümmten Bereiches des Vorformlings an seiner konvexen Seite 10a. So können die ersten Lagen 12 geschichtet werden, ohne daß sie Frei- bzw. Hohlräume auf der Höhe oder im Bereich des gekrümmten Bereiches bilden. Wenigstens eine erste Lage 12 ist notwendig, um die Kontinuität des Vorformlings auf seiner konvexen Seite zu gewährleisten.
Ein Einsatz 14 wird in den gekrümmten Bereich eingebracht, wobei dieser Einsatz einen Querschnitt aufweist in Form eines Halbmonds mit einer konvexen Außenseite 14a, die auf der Seite der konvexen Seite 10a angeordnet ist, die einen Krümmungsradius aufweist, der im wesentlichen gleich jener der Oberfläche der benachbarten Lage 12 ist. Der Einsatz 14 weist auf der Außenseite eine Form auf, die jener des Stapels der ersten Lage 12 entspricht auf der inneren Seite, derart, daß kein Hohlraum zwischen dem ersten Stapel bzw. der ersten Schichtung und dem Einsatz besteht.
Auf der konkaven Innenseite 14b weist der Einsatz 14 einen Krümmungsradius oder Kurvenradius auf, der größer ist als jener der Außenseite 14a, wobei dieser Krümmungsradius wenigstens so groß ist wie die Dicke des verbleibenden Bereichs des Vorformlings 10 auf der Innenseite von diesem. Dieser verbleibende Bereich wird durch Schichtung von zweiten Lagen 12 bis zum Erreichen der Gesamtdicke e des Vorformlings gebildet. Im Bereich des gekrümmten Bereichs des Vorformlings nimmt unter den zweiten Lagen 12, die in Berührung ist mit der Innenseite 14b des Einsatzes, die Form dieser Innenseite an unter Annahme desselben Radius wie jene, derart, daß kein Freiraum zwischen der zweiten Schichtung und dem Einsatz 14 besteht.
Über Ränder 14c und 14d des Einsatzes 14, wo sich die Seiten 14a und 14b wieder zusammenfinden, sind die beiden Schichtungen der Lagen 12 im gegenseitigen Kontakt ohne Zwischenraum dazwischen.
So erlaubt der Einsatz 14 eine Anpassung der Kurvenradius im Bereich des gekrümmten Bereiches des Vorformlings zu erzeugen, um die Bildung von Hohl- bzw. Freiräumen zwischen den geschichteten Lagen in diesem gekrümmten Bereich zu vermeiden.
In einer Variante kann die Anpassung des Kurvenradius auf zunehmende Weise verwirklicht werden mit Hilfe von mehreren Einsätzen, wie die Einsätze 14₁, 14₂ und 14₃, wie in Fig. 3 gezeigt. Jeder Einsatz hat eine der Form des Einsatzes 14 von Fig. 2 analoge Form und, wie jener, weist äußere und innere gekrümmte Seiten auf mit Krümmungsradien, die gewählt werden, um die Bildung von Hohlräumen in der Schichtung der Lagen 12 zu verhindern, die den Vorformling 10 bilden.
Wenn der Vorformling mehrere angenäherte Krümmungsbereiche aufweist, jeweils mit einem schwachen Krümmungsradius, kann ein Einsatz verwendet werden, der sich auf kontinuierliche Weise von einem gekrümmten Bereich zum anderen erstreckt oder können mehrere Einsätze verwendet werden, die sich jeweils auf kontinuierliche Art von einem gekrümmten Bereich zum anderen erstrecken.
So zeigt Fig. 4 einen Faservorformling 20, der einen Bereich mit U-Querschnitt aufweist, wobei jeder der beiden gekrümmten Bereiche 20₁ und 20₂ eine konvexe Seite aufweist mit einem Kurvenradius, der geringer ist als die Dicke des Vorformlings 20.
Im dargestellten Beispielsfalle wird ein einziger Einsatz 24 verwendet und zwischen einer ersten Schichtung und einer zweiten Schichtung von Lagen 22 angeordnet.
Der Einsatz 24 weist einen ersten Bereich 24₁ auf, der eine Anpassung des Krümmungsradius erzeugt zwischen der ersten und zweiten Schichtung der Lagen im Bereich des gekrümmten Bereichs 20₁ und weist einen zweien Bereich 24₂ auf, der eine gleiche Anpassung des Kurvenradius zwischen der ersten und zweiten Schichtung der Lagen 22 im Bereich des gekrümmten Bereichs 20₂ erzeugt. Die beiden Bereiche des Einsatzes 24 sind miteinander durch einen Verbindungsbereich 24₃ von konstanter Dicke verbunden. Dieser ist zwischen der ersten und zweiten Schichtung der Lagen angeordnet in dem Bereich des Vorformlings 20, der sich zwischen den beiden Kurvenbereichen 20₁ und 20₂ erstreckt.
Der oder jeder Einsatz, der durch Führung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird gebildet durch eine Faserstruktur oder -textur, die vorzugsweise ausgehend von denselben Fasern wie die geschichteten Lagen, erzeugt wird, die den Vorformling des zu erzeugenden Teils bilden.
Die Faserstruktur eines Einsatzes kann auf verschiedene Weise hergestellt werden.
Ein erstes Verfahren besteht darin, eine Anordnung von kurzen nichtausgerichteten Fasern zu erzeugen, die in Form gebracht werden durch Pressen oder Formen mit Hilfe eines flüchtigen Harzes. Die Fasern werden in einer Form angeordnet, die die Form des herzustellenden Einsatzes aufweist und das flüchtige Harz wird in die Form eingespritzt.
Das flüchtige Harz wird in der Menge verwendet, die gerade ausreicht, um die Fasern untereinander derart zu verbinden, daß die Faserstruktur ihre Form nach dem Ausformen behält. Eine von dem flüchtigen Harz erzeugte bzw. hervorgebrachte Verdichtung ist nicht notwendig.
Ein anderes Verfahren besteht darin, eine Anordnung von faserigen Lagen von gleicher Art zu erzeugen, wie sie für den Vorformling verwendet werden und den Einsatz dieser Anordnung beispielsweise durch maschinelle Bearbeitung zu schneiden.
Die Lagen werden geschichtet, wobei sie vorzugsweise gekrümmt sind, um auf der Innenseite einen Krümmungsradius aufzuweisen, der jenem der konkaven Seite des Einsatzes entspricht.
Die Fig. 5 zeigt eine derartige Anordnung von Lagen 32, die für die Ausführung des Einsatzes 14 von Fig. 2 bestimmt ist.
Die geschichteten Lagen 32 werden in Form durch Formen mit Hilfe eines flüchtigen Harzes gehalten, wonach der Einsatz geschnitten wird, wie dies durch die gestrichelte Linie in Fig. 5 gezeigt ist.
Die Verwendung einer gekrümmten Schichtung von Lagen 32 erlaubt eine Fasertextur oder -struktur zu erhalten, in der die Fasern gleiche Ausrichtungen zu jenen der Fasern der Lagen des Vorformlings haben, in die die Faserstruktur eingesetzt wird. Die Einbringung des Einsatzes 14 erzeugt somit keine Diskontinuität in der Ausrichtung der Fasern.
Die Fig. 6 zeigt auf analoge Weise eine Anordnung von Lagen 42 mit zwei gekrümmten Bereichen, die erlauben, eine Faserstruktur auszuschneiden, die geeignete ist, den Einsatz 24 von Fig. 4 zu bilden.
Nach Anbringen des oder der Einsätze wird der Faservorformling einer Verdichtung durch eine Matrize unterzogen, um das gewünschte Verbundteil zu erhalten.
Das die Matrize bildende Material wird gewählt in Abhängigkeit der für das Teil beabsichtigten Verwendung. Es kann beispielsweise sich um Kohlenstoff bzw. Carbon oder Keramik, in dem Fall von Teilen aus thermostrukturellem Verbundmaterial handeln. In diesem Fall sind die Fasern des Vorformlings und des oder der Einsätze ebenfalls aus Carbon oder Keramik.
Die Verdichtung des Vorformlings wird auf einem flüssigen oder gasförmigen Weg in an sich bekannter Weise erzeugt.
Die Verdichtung auf dem flüssigen Weg besteht darin, den Vorformling mit einem flüssigen Zwischenstoff zu imprägnieren, der nach Behandlung, beispielsweise Wärmebehandlung, das gewünschte Material für die Matrize gibt, wonach diese Wärmebehandlung erzeugt wird. Diese Verfahrensschritte werden wiederholt während aufeinanderfolgender Zyklen, bis die gewünschte Höhe der Verdichtung erreicht wird. In dem Fall einer Carbonmatrize ist die Imprägnierflüssigkeit typischerweise ein Harz mit einem hohen Koksanteil.
Die Verdichtung auf gasförmigem Weg besteht aus einer chemischen Infiltration in Dampfphase, wobei der Vorformling in einem Werkzeug wenigstens bis zu einer Verfestigungsphase gehalten wird, d. h. bis die ihn bildenden Fasern untereinander verbunden sind.
Das flüchtige Harz, das seine Kohäsion der Faserstruktur des Einsatzes verleiht, wird automatisch beim Anstieg der Temperatur des Vorformlings für die Verdichtung eleminiert.
In einer anderen Ausführungsform können die Fasern, die die Faserstruktur bilden, die einen Einsatz bildet untereinander durch Verfestigung (teilweise Verdichtung) verbunden werden durch chemische Infiltration in Dampfphase. Während dieser Verfestigung wird die Faseranordnung, die den Einsatz oder die Lagen bildet, aus denen der Einsatz anschließend ausgeschnitten wird, in Form in einem Werkzeug gehalten.
Die Verdichtung der Faserstruktur des Einsatzes wird also gleichzeitig erreicht, wie die Verdichtung des Vorformlings erzeugt wird.
Wenn die Fasern des Einsatzes miteinander durch eine Vorverdichtung verbunden werden, ist das für diese Vorverdichtung verwendete Material selbstverständlich kompatibel mit oder identisch zum Material der Matrize des erzeugten Verbundteiles.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von aus Fasern gebildeten Vorformlingen (10), die für die Herstellung von Teilen aus Verbundmaterial dienen, wobei der Vorformling (10) durch Schichten von Lagen (12, 22, 32, 42) gebildet wird und wenigstens einen gekrümmten Bereich aufweist, der einen Krümmungsradius (r) hat, der kleiner ist als die Dicke (e) der geschichteten Lagen (12, 22, 32, 42), dadurch gekennzeichnet, daß in dem oder jedem gekrümmten Bereich wenigstens ein Einsatz (14; 14₁, 14₂, 14₃; 24) eingeführt wird, wobei dieser zwischen zwei Lagen angeordnet wird und eine erste gekrümmte Oberfläche (14a) aufweist, die einen ersten Krümmungsradius aufweist, der im wesentlichen gleich jenem der Oberfläche der benachbarten Lage (12) der Außenseite ist, und eine zweite gekrümmte Oberfläche (14b) aufweist, die einen zweiten Krümmungsradius aufweist, der größer ist als der erste und im wesentlichen gleich jenem der benachbarten Lage (12) der Innenseite ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einsätze (14₁, 14₂, 14₃) in den oder jeden gekrümmten Bereich des Vorformlings (10) eingeführt sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 für die Herstellung von einem Faser-Vorformling, der mehrere gekrümmte Bereiche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Einsatz (24) in den Vorformling eingeführt wird, wobei der Einsatz einstückig ist mit Bereichen, die in den gekrümmten Bereichen (20₁, 20₂) angeordnet sind und untereinander verbunden sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (14; 14₁, 14₂, 14₃; 24) aus einer Faserstruktur gebildet wird, in der die Fasern untereinander verbunden sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung durch ein flüchtiges Harz erzeugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung durch eine Vor-Verdichtung erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Einsatz (14; 14₁, 14₂, 14₃; 24) aus einer faserartigen Struktur gebildet wird, die durch eine Schichtung von Lagen (12, 22, 32, 42), die gleich jenen ist, die für den Vorformling des herzustellenden Stückes verwendet werden, Verbinden der geschichteten Lagen und Ausschnitt des Einsatzes aus der Schichtung der Lagen erzeugt wird.
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