DE4230557A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von bauteilen aus verbundwerkstofflaminaten mit duromermatrix - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus laminierten Faserverbundwerkstoffen mit wärmehärtender Duromermatrix, bei dem ein mit einem Duromerharz getränktes Fasermaterial auf einen beheizbaren Kern gewickelt bzw. ein plattenförmiges Laminat gebildet wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einem drehbar gelagerten und antreibbaren, beheiz­ baren Wickelkern und Zuführungseinrichtungen für ein Band aus im­ prägniertem Fasermaterial bzw. mit einer beheizbaren Form für das zu laminierende, imprägnierte Fasermaterial.

Die Herstellung von Faserverbundwerkstoffen mit Duromermatrix besteht aus einem Formgebungsprozeß mit einer anschließenden Härtungsphase, bei der das Matrixmaterial über einen Viskositätsanstieg schließlich geliert und dann aushärtet. Bei verschiedenen Matrixsystemen ist eine Härtung über eine Temperaturerhöhung ohne Zugabe von Initiatoren oder Beschleunigern möglich. Hierzu zählen z. B. Bismaleinimid-, Epoxid- und Phenolharze. Vorliegende Erfindung bezieht sich auf solche wärme­ härtende Matrixharze.

Aus der europäischen Patentschrift EP 00 87 851 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Wickellaminaten bekannt, die wärmehärtbare Harze ent­ halten. Dabei soll die Härtung in einem Wärmeofen in solcher Weise durchgeführt werden, daß das Innere des Wickelkerns durch Strahlungs­ heizung auf eine gegenüber der Außenschicht des Wickellaminates höhere Temperatur angehoben wird.

Auf solche Weise hergestellte Laminate erreichen in ihren mechanischen Eigenschaften nur begrenzte Qualität.

Dementsprechend liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Bauteilen aus laminierten Faserverbundwerkstoffen zu höherwertigen mechanischen Eigenschaften hin zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird beim Herstellverfahren der eingangs ge­ schilderten Art während der Härtungsphase die Temperatur im Wickella­ minat auf der gleichen Höhe wie am Kernumfang bzw. bei plattenförmigem Laminat örtlich gleichmäßig gehalten.

Zur Durchführung des Herstellverfahrens ist eine Vorrichtung der be­ reits beschriebenen Art vorgesehen, bei der erfindungsgemäß im Wickel­ bereich um den Wickelkern, von der Umfangsfläche des herzustellenden Laminats beabstandete Wärmestrahlungsquellen angeordnet sind und je­ weils eine der Wickelkernoberfläche und der Laminatoberfläche zugeord­ nete Temperaturmeßeinrichtung als Sollwertgeber und Istwertgeber dient, die mit den entsprechenden Eingängen eines Reglers für eine Stelleinrichtung der Strahlungsleistung der Wärmestrahlungsquellen verbunden sind.

Für die Herstellung plattenförmiger Laminate sind über den das Laminat aufnehmenden Flächen der Form in gleichmäßiger Verteilung Wärmestrah­ lungsquellen angeordnet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels nachfol­ gend beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 den schematischen Aufbau der Vorrichtung mit einer Temperatur­ regelung.

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Temperatur des Wickelkerns.

Fig. 3 den schematischen Aufbau einer Form für plattenförmige Lamina­ te.

Zur Herstellung eines rohrförmigen Bauteils aus einem Laminat von Fa­ serverbundwerkstoff wird ein Band 1 aus mit einem wärmehärtbaren Duro­ merharz getränkten Fasermaterial auf einen Kern 2 gewickelt (Fig. 1). Der Kern ist hierzu drehbar gelagert und mittels eines Elektromotors 3 über ein Getriebe 4 antreibbar. Übliche Fasermaterialien sind Glas-, Aramid- oder Kohlenstoffasern oder Gewebe und Matten daraus und Schnittfasern.

Zur Wärmehärtung des Duromerharzes ist eine Temperiereinrichtung vor­ gesehen, die eine gleichmäßige Erwärmung des Laminats 5 über dessen gesamten Querschnitt ermöglicht. Sie besteht aus einer im Kern 2 an­ geordneten Wärmestrahlungsquelle oder aber aus einem den Kern durch­ strömenden Wärmeträgeröl oder erwärmtem Wasser oder Heißluft 6 und im Wickelbereich um den Kern im Abstand von ca. 2-50 cm von der Umfangs­ fläche des herzustellenden Laminats 5 verteilten Wärmestrahlungsquel­ len 7, beispielsweise Infrarotstrahlern.

Zur gleichmäßigen Erwärmung des gesamten Laminats ist die Strahlungs­ leistung der Wärmestrahlungsquellen 7 und/oder die Rotationsgeschwin­ digkeit des Kerns derart zu regeln, daß die Energiedichte der vom La­ minat empfangenen Wärmemenge eine Außentemperatur des Laminates erzeugt, die der Kernaußentemperatur entspricht. Anstelle der Strah­ lungsleistung der Wärmestrahlungsquellen 7 kann dabei auch der Abstand der Quellen vom Kern variiert werden.

Hierzu werden mittels einer ersten Temperaturmeßeinrichtung 8 die Tem­ peratur am Kernumfang als Sollwert und mittels einer weiteren Tempera­ turmeßeinrichtung 9 die Temperatur am Laminatumfang als Istwert gemes­ sen. Als Temperaturmeßeinrichtung dient vorzugsweise ein Strahlungspyrometer. Die den entsprechenden Oberflächen zugeordneten und als Sollwertgeber und Istwertgeber dienenden Pyrometer 8 und 9 sind an den Sollwerteingang S bzw. den Istwerteingang I eines Reg­ lers 10 (Kaskade) angeschlossen. Der Ausgang A des Reglers steuert eine Stelleinrichtung 11 mit Netzanschluß 12 für die Strahlungslei­ stung der Wärmestrahlungsquellen 7.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Temperatur T (°C) des Kerns 2 nach einem in Fig. 2 dargestellten zeitlichen Verlauf t (h) zu re­ geln.

Versuche im technischen Maßstab haben gezeigt, daß die Querzugfestig­ keiten von laminierten Bauteilen bei erfindungsgemäßer Härtungstempe­ rierung deutlich höhere Werte zeigen, im Mittel 44,8 MPa, als bei der bisherigen Verfahrensweise, d. h. ohne Erwärmung des Laminats von außen, im Mittel 27,5 MPa.

Die vorstehend beschriebene Bauteileherstellung kann auch zur Aushär­ tung plattenförmiger Laminate 13 eingesetzt werden, indem Wärmestrah­ lungsquellen 14 gleichmäßig über den das Laminat 13 aufnehmenden Flä­ chen 16 einer Form 15 verteilt angeordnet sind, wobei der Boden 17 und die Wandungen 18 der Form beheizbar sind, beispielsweise durch inte­ grierte, von einem Wärmeträger durchströmbare Heizschlangen 19 oder durch eine integrierte Widerstandsheizung. Die Temperaturregelung des Laminats erfolgt wie oben bereits beschrieben, wobei die der Form zu­ geordneten Temperaturfühler 20 als Sollwertgeber und die dem Laminat zugeordneten 21 als Istwertgeber dienen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus laminierten Faserver­ bundwerkstoffen mit wärmehärtender Duromermatrix, bei dem ein mit einem Duromerharz getränktes Fasermaterial auf einen beheizbaren Kern gewickelt und ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der Härtungsphase die Temperatur im Laminat auf der glei­ chen Höhe gehalten wird wie am Kernumfang.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tempe­ ratur am Kernumfang als Sollwert gemessen oder vorgegeben wird und am Laminatumfang als Istwert gemessen wird und damit die Laminat­ temperatur geregelt und mittels Wärmestrahlungsquellen eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Rotationsgeschwindigkeit des Kerns als auch die Strahlungsleistung der Wärmestrahlungsquellen geregelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Laminattemperatur der Abstand der Wärmestrahlungs­ quellen vom Kern eingestellt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem drehbar gelagerten und antreibbaren beheizbaren Wickel­ kern (2) und Zuführungseinrichtungen für ein Band (1) aus im­ prägniertem Fasermaterial, gekennzeichnet durch im Wickelbereich um den Wickelkern (2) angeordnete und von der Umfangsfläche des herzustellenden Laminats (5) beabstandete Wärmestrahlungsquel­ len (7) und durch jeweils eine der Wickelkernoberfläche und der Laminatoberfläche zugeordnete Temperaturmeßeinrichtung als Soll­ wertgeber (8) und Istwertgeber (9), die mit den entsprechenden Eingängen eines Reglers (10) für eine Stelleinrichtung (11) der Strahlungsleistung der Wärmestrahlungsquellen (7) verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Tem­ peraturmeßeinrichtung Strahlungspyrometer (8, 9) eingesetzt werden.

7. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus laminierten Faserver­ bundwerkstoffen mit wärmehärtender Duromermatrix, bei dem aus mit einem Duromerharz getränktem Fasermaterial ein plattenförmiges La­ minat gebildet und ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der Härtungsphase die Temperatur im Laminat örtlich gleichmäßig gehalten wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, mit einer beheizbaren Form (15) für das zu laminierende, imprägnierte Fasermaterial (13), dadurch gekennzeichnet, daß über den das Lami­ nat (13) aufnehmenden Flächen (16) der Form (15) in gleichmäßiger Verteilung Wärmestrahlungsquellen (14) angeordnet sind.