DE4211866C2

DE4211866C2 -

Info

Publication number: DE4211866C2
Application number: DE4211866A
Authority: DE
Inventors: Hideyuki Shizuoka Jp Yamada; Masafumi Tsunada; Yasuhiko Numazu Shizuoka Jp Nagakura; Shoichi Shizuoka Jp Shin
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1991-04-08
Filing date: 1992-04-08
Publication date: 1993-07-15
Also published as: JPH04308733A; JP3119886B2; DE4211866A1; US5288357A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor richtung zur Herstellung einer Prepreg-Schichtung durch Laminieren von Prepregs.

Verbundwerkstoffe wurden zur Herstellung von Flug zeugteilen, mechanischen Konstruktionsteilen und Sport- und Freizeitartikeln reichlich verwendet. Als Verbundwerkstoff wird im allgemeinen ein Pre preg-Laminat verwendet, das hergestellt wird durch Imprägnieren von Epoxyharz oder dergleichen in solche verstärkende Fasern wie Glasfasern, Kohlefa sern, Borfasern oder dergleichen zur Bildung eines Prepreg-Flachmaterialstücks, Laminieren der Pre preg-Flachmaterialstücke zu einem geschichteten Prepreg-Flachmaterialstück und Zuschneiden des geschichteten Prepreg-Flachmaterialstücks in eine für die Produkte geeignete Form. Nachdem das ge schichtete Prepreg-Flachmaterialstück einem Verkle ben oder dergleichen Verarbeitung unterworfen wur de, wird das geschichtete Prepreg-Flachmaterial stück in Vakuum oder unter vermindertem Druck mit Druck und Hitze beaufschlagt, um einen Artikel aus Verbundwerkstoff zu erhalten. Die Laminierungsver fahren werden eingeteilt in solche, bei denen die Laminierung durch eine manuelle Tätigkeit durchge führt wird und andere, bei denen die Laminierung von einer automatischen Maschine durchgeführt wird.

Bei beiden Verfahren sind die Laminierungsverfahren jedoch im wesentlichen die gleichen.

Das Verfahren der Laminierung durch manuelle Tätig keit wird unter Bezugnahme auf die Fig. 5a bis 5f beschrieben. Üblicherweise wird eine Seite eines Prepreg-Flachmaterialstücks 1 mit einem mit einem Siliconharz imprägnierten Träger-Flach materialstück 2 verklebt, und ein Prepreg-Band 3, bestehend aus dem Träger-Flachmaterialstück 2 und dem Prepreg-Flachmaterialstück 1 wird zur Bildung einer Prepreg-Rolle 4 um einen hohlen Kern 4a ge wickelt (siehe Fig. 5a). Dann wird ein Prepreg-Band 3 von der Prepreg-Rolle 4 abgerollt und geschnit ten, so daß es eine vorbestimmte Ausdehnung und Form besitzt. Dann wird das Träger-Flachmaterial stück 2 vom Prepreg-Band 3 abgezogen (siehe Fig. 5c), und das Prepreg-Flachmaterialstück 1, von dem das Träger-Flachmaterialstück 2 entfernt worden ist, wird mit einem Deck-Flachmaterialstück 5 ver klebt, das als Substrat für die Laminierung verwen det wird, aus einem Kunststoff-Flachmaterialstück besteht und später abzuziehen ist. Dann wird auf das Prepreg-Flachmaterialstück 1 eine vorbestimmte Anzahl an Prepreg-Flachmaterialstücken laminiert, wobei die Ausrichtungen ihrer Fasern wechseln, zum Beispiel 45°, 90° (siehe Fig. 5d), zur Laminierung von Prepreg-Flachmaterialstücken auf das Deck- Flachmaterialstück 5. Dann wird nur das geschichte te Prepreg-Flachmaterialstück so zugeschnitten, daß es eine vorbestimmte Form besitzt, ohne das Deck- Flachmaterialstück 5 zu schneiden. Dann wird das Deck-Flachmaterialstück 5 von dem geschichteten Prepreg-Flachmaterialstück abgezogen, um ein ge schichtetes Prepreg-Teil 6 zu bilden (siehe Fig. 5e). Dann wird das geschichtete Prepreg-Teil 6 gebogen und im Vakuum oder unter vermindertem Druck mit Druck und Hitze beaufschlagt, um einen Formkör per 7 zu bilden, wie in Fig. 5f gezeigt.

Da in der ersten Schicht, die durch Binden des Prepreg-Flachmaterialstücks 1 an das Deck-Flach materialstück 5 erhalten wurde, durch Erwägung der Tatsache, daß das Deck-Flachmaterialstück 5 in einem nachfolgendem Schritt abgezogen wird, ein leicht abzuziehendes Kunststoff-Flachmaterialstück verwendet wird und da die Klebekraft bzw. Anhaft kraft gering ist, besteht eine Tendenz, Luftblasen 8 zwischen dem Prepreg-Flachmaterialstück und dem Kunststoff-Flachmaterialstück einzuschließen, wenn die Prepreg-Flachmaterialstücke unter diesen Bedin gungen laminiert werden. Solch unerwünschte Phäno mene der ersten Schicht des Prepreg-Flachmaterial stücks 1 beeinflussen den nachfolgenden Laminie rungsvorgang, wodurch sie die Qualität des ge schichteten Prepreg-Teils 6 vermindern. Folglich wird, wo diese Defekte manuell korrigiert werden, die Oberfläche des Prepreg-Flachmaterialstücks zum Austreiben der Luftblasen aus dem Prepreg-Flach materialstück 1 von Hand oder mittels einer Walze gepreßt, während der Vorgang vom Ausführenden mit den Augen beobachtet wird oder Falten entfernt werden. Da diese Tätigkeiten wiederholt werden, ist viel Arbeit und Zeit erforderlich. Wenn das Deck- Flachmaterialstück 5 und das Prepreg-Flachmaterial stück von einer automatischen Maschine laminiert werden, werden die geeignetsten Werte verwendet durch Verändern des Drucks des auf das Deck-Flach materialstück aufgebrachten Prepreg-Bandes 3 und die Spannung und Laminierungsgeschwindigkeit des Prepreg-Bandes 3. Diese Verfahren bringen auch die Erscheinungen von Luftblasen, Falten und Ablösen mit sich. Wenn die erste Lage nicht perfekt korri giert wird, werden nachfolgende Laminierungsvorgän ge beeinflußt, so daß manuelle Korrekturen wesent lich sind, wodurch die Effizienz des Verfahrens stark herabgesetzt wird.

Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, ein neues Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstel lung von Prepreg-Schichtungen zu schaffen, bei dem Luftblasen und Falten vermieden werden können, wenn das Prepreg-Flachmaterialstück an ein Deck-Flachma terialstück gebunden wird.

Es ist weiterhin eine Aufgabe dieser Erfindung, ein neues Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstel lung von Prepreg-Schichtungen zu schaffen, das eine Vereinfachung der Konstruktion und eine Verminde rung der Herstellungskosten der Vorrichtung zur Herstellung von Prepreg-Laminaten ermöglicht, durch Vorsehen von Heizeinrichtungen und Einrichtungen zum Zirkulieren heißer Luft für einen Arbeitstisch.

In einer Hinsicht stellt diese Erfindung ein Ver fahren zur Laminierung von Prepreg-Flachmaterial stücken zur Verfügung, das die Schritte des Lami nierens von Prepreg-Flachmaterialstücken auf ein auf einem Arbeitstisch befestigtes Deck-Flachmate rialstück, während ein Träger-Flachmaterialstück von einem Prepreg-Band abgezogen wird, und des Erhöhens der Temperatur des Deck-Flachmaterial stücks beinhaltet.

In einer anderen Hinsicht stellt diese Erfindung eine Vorrichtung zum Laminieren von Prepreg-Flach materialstücken zur Verfügung, die einen Arbeits tisch, eine Einrichtung zum Laminieren von Prepreg- Flachmaterialstücken auf ein auf dem Arbeitstisch befestigtes Deck-Flachmaterialstück, während ein Träger-Flachmaterialstück von einem Prepreg-Band abgezogen wird, eine Heizeinrichtung zum Erhitzen des Deck-Flachmaterialstücks und eine Einrichtung zum Zirkulieren von durch die Heizeinrichtung erzeugter heißer Luft zum gleichförmigen Übertragen von durch die Heizeinrichtung erzeugter Wärme auf das Deck-Flachmaterialstück aufweist.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt in Vertikalrichtung, teilweise als Blockdiagramm, der eine bevorzugte Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Prepreg-Laminierungsvorrich tung zeigt;

Fig. 2 einen Querschnitt in Längsrichtung, der den Arbeitstisch der Prepreg-Laminie rungsvorrichtung zeigt;

Fig. 3 eine Draufsicht, die den in Fig. 2 ge zeigten Arbeitstisch zeigt;

Fig. 4 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Temperaturdifferenz zwischen dem Arbeitstisch und einem Arbeitsraum und der Qualität eines Produkts zeigt; und

Fig. 5a bis 5f perspektivische Ansichten, die verschiedene Schritte des Laminierungs verfahrens für Prepregs nach dem Stand der Technik zeigen.

Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 der begleitenden Zeichnungen beschrieben. Teile, die identisch sind mit solchen, die in den Fig. 5a bis 5f, welche ein Verfahren nach dem Stand der Technik zeigen, vorkommen, tragen die gleichen Bezugszeichen.

Eine Prepreg-Laminierungsvorrichtung 10 umfaßt einen Arbeitstisch 11, unterhalb des Arbeitstisches angebrachte elektrische Heizer 12 zum Erhitzen eines auf dem Arbeitstisch befestigten Deck-Flach materialstücks 5, Luftzirkulationsgebläse 13 zum gleichmäßigen Übertragen der Wärme der Heizer auf das Deck-Flachmaterialstück 5 auf dem Arbeitstisch 11 und eine Temperatursteuervorrichtung 14 zum Einstellen der von den Heizern 12 erzeugten Wärme menge und der von den Gebläsen 13 zirkulierten Luftmenge, um die Temperatur des Deck-Flachmate rialstücks bei einem konstanten Wert zu halten. Eine Laminierungswalze 15 zum Laminieren von Pre preg-Flachmaterialstücken 1 befindet sich auf dem Deck-Flachmaterialstück 5 über dem Arbeitstisch 11.

Der Arbeitstisch 11 ist ausgestattet mit einer festen, flachen, horizontalen Oberfläche, welche sich nicht verzieht, wenn sie einem Druck, wie er für die Laminierung notwendig ist, unterworfen wird. Bevorzugt ist eine rechtwinklige Vertiefung 16 mit einer vorbestimmten Weite und Tiefe auf der oberen Oberfläche des Arbeitstisches entlang seines äußeren Randbereichs ausgebildet, um das Deck- Flachmaterialstück 5 auf dem Tisch 11 zu fixieren. Ansaugöffnungen 17 sind an der unteren Oberfläche der Vertiefung ausgebildet. Die Ansaugöffnungen 17 sind über Rohre 18 mit einer Vakuumpumpe 19 verbun den, um Luft in der Vertiefung 16 anzusaugen. Das Deck-Flachmaterialstück 5 ist auf der Oberfläche des Arbeitstisches 11 mit der Vertiefung 16 befe stigt. Durch diese Konstruktion, bei der das Deck- Flachmaterialstück 5 eng auf der oberen Oberfläche des Arbeitstisches 11 aufliegt, wird die von den Heizern 12 erzeugte Wärme wirkungsvoll auf das Deck-Flachmaterialstück 5 übertragen, so daß die Temperatur des Arbeitstisches 11 und die Temperatur des Deck-Flachmaterialstücks 5 im wesentlichen gleichgemacht werden.

Eine Mehrzahl an Heizern 12 (drei in Fig. 1) sind unterhalb des Arbeitstisches 11 angebracht. Gebläse 13 sind über Steuerschalter 21 mit einer Tempera tursteuereinrichtung 14 verbunden.

Ein Temperaturfühler 22 zum Ermitteln der Tempera tur des Arbeitstisches 11 ist in der oberen Ober fläche des Arbeitstisches 11 eingebettet und zusam men mit einem Raumtemperaturfühler 23 mit der Tem peratursteuervorrichtung 14 verbunden.

Eine oberhalb des Arbeitstisches 11 angeordnete Laminierungswalze 15 ist aus elastischem oder fe stem Gummi hergestellt und wird mittels eines pneu matischen Zylinders 45 eines Mechanismus 24 zum Aufbringen von Druck auf die Schichtung in vertika ler Richtung, gezeigt durch einen Pfeil A in Fig. 1, bewegt. Die Vorrichtung mit dem Mechanismus 24 zum Aufbringen von Druck wird von einer nicht ge zeigten Antriebseinrichtung in horizontaler Rich tung (durch einen Pfeil B in Fig. 1 gezeigt) be wegt.

Die oben beschriebene Prepreg-Laminierungsvorrich tung arbeitet wie folgt.

Zuerst wird die Vakuumpumpe 19 in Betrieb gesetzt, um das Deck-Flachmaterialstück 5 gegen den Arbeits tisch zu saugen. Dann wird die Temperatursteuervor richtung 14 so eingestellt, daß die Betriebstempe ratur des Tisch-Temperatursensors 22 um etwa 2 bis 5°C (zum Beispiel 3°C) höher sein würde als die des Raumtemperatursensors 23. Wenn die Heizer 12 und Gebläse 13 eingeschaltet werden, wird der Arbeits tisch 11 gleichmäßig erhitzt mit dem Ergebnis, daß das Deck-Flachmaterialstück 5 auf dem Arbeitstisch 11 auch gleichförmig erhitzt wird. Die Temperatur des Deck-Flachmaterialstücks 5 wird mittels der Temperatursteuervorrichtung 14 immer bei einer Temperatur gehalten, die höher ist als die Raum temperatur. Dann wird ein Prepreg-Band 3 mit einem Träger-Flachmaterialstück 2 von einer nicht gezeig ten Rolle abgerollt, wobei die freie Oberfläche des Träger-Flachmaterials 2 nach oben gerichtet ist. Dann wird das Prepreg-Band 3 durch die Wirkung der Laminierungswalze 15 gegen das Prepreg-Flachma terialstück 1 gedrängt, um so das Prepreg-Flachma terialstück 1 dem Deck-Flachmaterialstück 5 anzu haften. Dann wird das Träger-Flachmaterialstück 2 von dem Prepreg-Flachmaterialstück 1 abgezogen und von einer nicht gezeigten Walze aufgenommen. Dann nähert sich die Temperatur des Prepreg-Flachmate rialstücks 1 auf der Seite des Deck-Flachmaterial stücks 5 der des Deck-Flachmaterialstücks 5, so daß eine Temperaturdifferenz zwischen den oberen und unteren Oberflächen auftritt. Da die Haft- bzw. Klebekraft des Prepreg-Flachmaterialstücks 1 als Ergebnis des Temperaturerhöhung ansteigt, wird das Prepreg-Flachmaterialstück 1 dazu veranlaßt, durch den von der Laminierungswalze 15 ausgeübten Druck zwangsläufig an dem Deck-Flachmaterialstück 5 anzu haften. Folglich werden Luftblasen 8 ausgepreßt, und es wird keine Falte 9 gebildet. Weiterhin ist die Temperatur des Prepreg-Flachmaterialstücks 1 an der Seite des Träger-Flachmaterialstücks 2 niedri ger als die Temperatur des Prepreg-Flachmaterial stücks 1 an der Seite des Deck-Flachmaterialstücks 5, und die Adhäsionskraft ist kleiner als die zwi schen dem Prepreg-Flachmaterialstück 1 und dem Deck-Flachmaterialstück 5. Folglich kann das Trä ger-Flachmaterialstück 2 ohne Schwierigkeiten von dem Prepreg-Band 3 abgezogen werden ohne das Pre preg-Flachmaterialstück 1 von dem Deck-Flachmate rialstück 5 abzuziehen. Die zweite und nachfolgende Lagen werden in der Folge nach einem üblichen Lami nierungsverfahren laminiert.

Fig. 4 ist ein das Ergebnis eines Experiments zei gendes Diagramm, das die Beziehung zwischen der Tempe ratur des Tisches 11 und der Raumtemperatur und der Laminierungsqualität des Prepreg-Flachmaterial stücks 1 darstellt (Vorhandensein oder Nichtvorhan densein von Luftblasen, Ablösungszustand, etc.). Dieses Diagramm zeigt, daß, wenn die Temperatur (Tt) des Arbeitstisches 11 höher ist als die Raumtempe ratur (Tr), die Qualität des Prepreg-Schicht-Flach materialstücks hervorragend ist, ohne Luftblasen und von hoher Qualität. Insbesondere löst sich das Prepreg-Flachmaterialstück 1, selbst wenn das Trä ger-Flachmaterialstück 2 von dem Prepreg-Band 3 abgezogen wird, nicht von dem Deck-Flachmaterial stück 5, so daß keine Luftblase und keine Falte gebildet wird, wenn die Temperatur des Deck-Flach materialstücks 5 erhöht wird, bevorzugt um 2 bis 5°C, um die Adhäsionskraft zwischen dem Prepreg- Flachmaterialstück 1 und dem Deck-Flachmaterial stück 5 größer zu machen als die zwischen dem Pre preg-Flachmaterialstück 1 und dem Träger-Flachmate rialstück 2.

Obwohl bei dieser Ausführungsform der die Laminie rungsmaterialien tragende Arbeitstisch erhitzt wird, können die Materialien selbst erhitzt werden. Weiterhin kann das Prepreg-Flachmaterialstück, wenn die Raumtemperatur hoch ist (zum Beispiel höher als 25°C) auf etwa 20 bis 25°C gekühlt werden.

Wie oben beschrieben, können nach dem erfindungsge mäßen Verfahren der Laminierung von Prepreg-Flach materialstücken die Prepreg-Flachmaterialstücke genau und ohne Bildung von Luftblasen und Falten laminiert werden, da die Temperatur des Deck-Flach materialstücks höher eingestellt wird als die Tem peratur des Prepreg-Flachmaterialstücks, so daß das Prepreg-Flachmaterialstück eine höhere Adhäsions kraft, das heißt Bindekraft, als das Träger-Flach materialstück des Prepreg-Flachmaterialstücks hat. Weiterhin können mit der Vorrichtung zur Laminie rung von Prepreg-Flachmaterialstücken durch bloßes Vorsehen von Heizeinrichtungen und Einrichtungen zum Zirkulieren heißer Luft für den Arbeitstisch hervorragende Prepreg-Schicht-Flachmaterialstücke ohne Luftblasen und Falten erhalten werden. Folg lich können die Ziele dieser Erfindung mit einer einfachen und preiswerten Vorrichtung erreicht werden.

In der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Vakuumpumpe 19 dazu verwendet, das Deck-Flachmate rialstück 5 fest gegen den Arbeitstisch 11 zu sau gen, aber die Vakuumpumpe 19 ist nicht immer not wendig, um die oben beschriebenen Wirkungen dieser Erfindung zu erzielen.

Claims

1. Verfahren zur Laminierung von Prepreg-Flachma terialstücken (1) durch Aufbringen von Pre preg-Flachmaterialstücken (1) auf ein auf einem Arbeitstisch (11) befestigtes Deck- Flachmaterialstück (5), während ein Träger- Flachmaterialstück (2) von einem Prepreg-Band (3) abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Deck-Flachmaterialstücks (5) über die Tempera tur des Prepreg-Flachmaterialstücks (1) erhöht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Arbeitstisch (11) und dem Arbeitsraum einen vorbestimmten Wert übersteigt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin folgende Schritte umfaßt:
Erwärmen des Arbeitstisches (11) zum Erhöhen der Temperatur des auf dem Arbeitstisch (11) befestigten Deck-Flachmaterialstücks (5) und
Steuern der Temperatur des Arbeitstisches (11), um die Temperatur des Deck-Flachmate rialstücks (5) bei einem konstanten Wert zu halten.

4. Vorrichtung (10) zum Laminieren von Prepreg- Flachmaterialstücken (1) mit einem Arbeits tisch (11) und einer Einrichtung (15) zum Laminieren von Prepreg-Flachmaterialstücken (1) auf ein auf dem Arbeitstisch (11) befe stigtes Deck-Flachmaterialstück (5), während ein Träger-Flachmaterialstück (2) von dem Prepreg-Band (3) abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (10) weiterhin ausgestattet ist mit einer Heizeinrichtung (12) zum Erhitzen des Deck- Flachmaterialstücks (5) und einer Einrichtung (13) zum Zirkulieren heißer, von der Heizein richtung (12) erzeugter Luft zum gleichmäßigen Übertragen von durch die Heizeinrichtung (12) erzeugter Wärme auf das Deck-Flachmaterial stück (5).

5. Vorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine mit der Heizeinrichtung (12) verbundene Temperatur steuereinrichtung (14) aufweist, um die Tempe ratur des Deck-Flachmaterialstücks (5) auf einem konstanten Wert zu halten.