DE60002159T2 - Vakuumspannplatte zum verdichten von thermoplastischen materialen - Google Patents

Vakuumspannplatte zum verdichten von thermoplastischen materialen Download PDF

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T. Gregory KASSUELKE
E. Robert LONG
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    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28Shaping operations therefor
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    • B29C70/34Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core and shaping or impregnating by compression, i.e. combined with compressing after the lay-up operation
    • B29C70/342Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core and shaping or impregnating by compression, i.e. combined with compressing after the lay-up operation using isostatic pressure
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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Verarbeitungsapparatur und Verfahren zum Verdichten von vorimprägniertem faserverstärkten Material, und insbesondere auf eine Vakuumspannplatte und ein automatisiertes Verfahren zum Verdichten von faserverstärktem thermoplastischem Prepreg (kunststoffimprägnierter Flächenstoff).
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Thermoplastisches Prepreg wird verwendet, um strukturelle Teile von verschiedenen Vorrichtungen stark, fest und leichtgewichtig zu machen. Thermoplastisches Prepreg ist das Material, welches aus dem Imprägnieren aus Faserverstärkungen mit einem formulierten Harz resultiert. Diese fortgeschrittenen Kompositmaterialien bieten viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Stahl und Aluminium, da Kompositteile, welche aus thermoplastischen Prepregmaterialien hergestellt sind allgemein stärker und steifer sind als Metalle. Komponenten, welche aus thermoplastischen Prepregmaterialien hergestellt sind, bieten auch einen größeren Widerstand gegen Ermüdungen, allmähliche Verformung bzw. Kriechverhalten, Abnutzung und Korrosion als Metalle.
  • In Verwendung werden mehrere thermoplastische Prepregschichten mit unterschiedlichen Faserorientierungen in Schichten zusammengefügt und mehrere Schichten werden eine auf der anderen übereinander gestapelt, um eine Schichtung auszubilden. Die Schichtung wird dann in thermoplastische Prepregsegmente geschnitten. Die thermoplastischen Prepregsegmente werden dann in einen Bausatz oder Keil zusammengefügt, um ein einzelnes strukturelles Teil der zu bauenden Vorrichtung auszubilden. Das Zusammenfügen der Bausätze oder Keile erfordert ein Übereinanderschichten der thermoplastischen Prepregsegmente in einer Abfolge und ein Ausrichten der Stücke gemäß einer geometrischen Hülle. Durch Ausschneiden der thermoplastischen Prepregsegmente aus Schichtungen erhalten die strukturellen Teile der Vorrichtung Stärke in mehr als einer Richtung. Kompositteile, welche aus thermoplastischem Prepreg gemacht sind, weisen eine sehr hohe Stärke in der Richtung der Fasern auf und eine sehr schwache Stärke in andere Richtungen.
  • Schichtungen sind nützlich, da sie die Menge an Zeit reduzieren, welche erforderlich ist, um die Architektur zu zuschneiden und die thermoplastischen Prepregsegmente eines einzelnen Vorrichtungsteils zu katalogisieren. Da jedoch thermoplastisches Prepregmaterial einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten oder keine Klebrigkeit aufweist, tendieren die Schichten dazu, zu rutschen, was Stapeln, Schneiden und Zusammenfügen extrem schwierig macht. Die thermoplastischen Prepregschichten, welche eine Schichtung ausbilden, müssen in Ausrichtung zurückgehalten werden während und nach einem Schneiden. Falls die thermoplastischen Prepregschichten nicht während allen Stufen des Zusammenfügens zusammengehalten werden, wird es schwierig und arbeitsintensiv.
  • Nach Schneiden von thermoplastischen Prepregsegmenten von einer Schichtung ist es vorteilhaft die thermoplastischen Prepregsegmente zusammen in Ausrichtung zurückzuhalten während der Zusammenfügung der Stücke in einem Bausatz. Einige thermoplastische Prepregsegmente sind sperrig und einige sind sehr klein, so dass ein Arbeiten mit thermoplastischen Prepregsegmenten, welche richtig zusammengehalten sind, eine Zusammenbauzeit und -schwierigkeit deutlich verringert. Jedes thermoplastisches Prepregsegment muss sicher befestigt werden an entsprechenden Stücken, da sie geschichtet sind und orientiert als Teil eines Bausatzes oder eines Keils. Verschiedene Bausätze oder Keile. werden typischerweise zusammen verschmolzen, um ein Kompositteil auszubilden, wie etwa einen Zylinder für ein Sabot bzw. einen Führungsring.
  • Thermoplastische und thermogesetzte karbonverstärkte Prepregmaterialien erfordern beide unmittelbare Verarbeitung, um den Anschwellfaktor zu verringern, oder ein Verfahren zur Verringerung der Dicke des zusammengefügten Materials. Dieses Verfahren ist normalerweise erforderlich zum Kompressionsformen von dicken Laminaten oder in diesem Fall einem dicken Zylinderabschnitt. Um einen Zusammenbau zu verdichten muss Druck und/oder Temperatur aufgebracht werden. Thermoplastische Materialien erfordern eine höhere Temperatur als thermogesetzte Materialien, welche verdichtet werden können alleine mit Druck auf Grund von Klebrigkeit der Harzmatrix. Der Nutzen von einer Dickenreduktion ist es, die Menge an Bewegung der einzelnen Schichten des Prepregmaterials zu verringern. Die Orientierungen der Karbonfasern in jeder Schicht sind kritisch hinsichtlich der strukturellen Stärke des fertigen Teils oder einer Zusammenfügung von Prepregschichten, welche in eine Vorform, fertig zur Bearbeitung, geformt sind.
  • Bekannte Verfahren zum Verdichten zeigen einige unglückliche Nachteile. Zum Beispiel mangelt es einem Ultraschallschweißen von Bausatzzusammenbauten an ausreichender Hitzesteuerung und dem erforderlichen Druck und bietet ungleiche Hitzeenergie. Ein anderer Prozess, Ultraschallklebstoffschweißen, erfordert gewissenhaftes Schweißen von Hand der Bausatzzusammenbauten.
  • In einem noch weiteren bekannten Verfahren, 10°-Keilkompressionsformen, sind Bausatzzusammenbauten erfolgreich hergestellt worden. Unglücklicherweise erfordert das Kompressionsverfahren kostenintensives Werkzeug, Steuersysteme und eine große Presse. Das Kompressionsverfahren leidet an langen Zykluszeiten von bis zu 4 Stunden und hohen Arbeitskosten. In diesem Verfahren wird die Werkzeugtemperatur erhöht, um das thermoplastische Harz zu schmelzen. Das Teil wird zusammengepresst. Nach Zusammenpressen muss das Teil auf Raumtemperatur heruntergekühlt werden vor einem Entfernen des Teils und Reinigen und Vorbereiten des Werkzeugs mit Formtrennmitteln vor dem nächsten Zyklus.
  • Zusätzlich müssen die geformten Teile sandgestrahlt werden bevor eine darauffolgende Formoperation ausgeführt werden kann.
  • Ein anderer Bereich, wo bekannte Vorrichtungen und Verfahren inadäquat sind, ist ein Verdichten von Polyehterimid (PEI) thermoplastischen Materialien und dergleichen. PEI weist z. B. eine typische Schmelztemperatur von 371°C (700 Grad F) und eine typischer Weichtemperatur von 298°C (550 Grad F) auf. Damit die Prepregschichten in einem verdichteten Zustand aneinander haften, müssen sie bei etwa 288°C (550°F) verdichtet werden. Teilbekannte einzelne automatisierte Stationen zum Verdichten von Prepregmaterialien arbeiten bei dieser Temperatur mit vernünftiger Geschwindigkeit.
  • UK-Patentanmeldung GB 2127345, vom 11. April 1984 für Bridgland, mit dem Titel "vacuum presses" offenbart eine Vakuumpresse, welche ein Lastbett und eine gasimpermiable Membran schwenkbar zwischen einer angehobenen, nicht Betriebs-Position und einer abgesenkten Betriebs-Position aufweist, in welcher sie ein Werkstück an dem Lastbett überdeckt. Mittel sind vorgesehen zum Aufhängen der Membran, so dass eine Bewegung zwischen nicht Betriebs- und Betriebs-Positionen im Wesentlichen linear in eine Richtung allgemein orthogonal zu der Ebene des Lastbetts ist, wenn die Membran sich dem Lastbett nahe nähert. Der die Membran tragende Rahmen ist an den unteren Ende der Arme angebracht, welche sich nach unten von einem Arm erstrecken, welcher relativ zu einem nach oben schwenkenden Arm gleitend ist.
  • United States Patent 4,188,254, an Hemperly, Jr., veröffentlicht am 12. Februar 1980, betitelt "Vacuum Press", offenbart eine Vakuumpresse zur Benutzung beim Laminieren eines transparenten Schutzfilms auf Fotographien und dergleichen. Die Presse umfasst einen festen Werkstückträgeraufbau zum Abstützen eines Werkstücks und einen Abdeckzusammenbau, der angelenkt ist an dem Werkstückabstützzusammenbau zur Bewegung in und aus einem Eingriff mit dem oberen des Werkstückträgerzusammenbaus. Der Trägerzusammenbau schließt einen Rahmen ein, eine flexible luftimpermeable Membran, welche sich über eine innere Öffnung in dem Rahmen erstreckt und an dessen Enden angebracht ist, und Abdichtmittel zum Ausbilden einer luftdichten Kammer zwischen dem Werkstückträgerzusammenbau, welcher das Werkstück abstützt, und dem Abdeckzusammenbau, wenn der Abdeckzusammenbau in Eingriff mit dem oberen des Werkstückabstützzusammenbaus ist. Die Presse schließt auch Evakuierungsmittel ein zum Entfernen von im Wesentlichen aller Luft aus der luftdichten Kammer und bewirkend, dass die flexible Membran unter der Kraft des äußeren atmosphärischen Drucks zusammenfällt, so dass das Werkstück innerhalb der Kammer effektiv zusammengedrückt wird, und Heiz- und Kühlmittel, zum selektiven Heizen und Kühlen des Werkstücks während es unter Druck steht.
  • United States Patent 5,328,540 an Clayton et al., veröffentlicht 12. Juli 1994, betitelt "Mechanized Lay Up Assembly Line For Composite Structures" offenbart eine mechanisierte Schichtungszusammenbaulinie für Kompositstrukturen, welche eine Werkzeugzufuhrstation aufweist, eine Mehrzahl von Druckwalzen an seiner Oberfläche aufweisend zum Bewegen von Werkzeugen über die Oberfläche. Angrenzend an die Zufuhrstation ist eine Arbeitsstation. Die Arbeitsstation schließt eine Arbeitsoberfläche ein. Die Arbeitsoberfläche weist eine Mehrzahl von Druckwalzen auf welche sich von einer Position bewegen, wo die Druckwalzen sich über die Arbeitsoberfläche erstrecken, um ein Werkzeug über der Arbeitsoberfläche zu tragen, zu einer zurückgezogenen Position, wo die Druckwalzen unter die Arbeitsoberfläche absinken, so dass das Werkzeug an der Arbeitsoberfläche getragen ist. Die mechanisierte Schichtungszusammenbaulinie schließt weiter ein Verdichtungsdiaphragma ein, welche in Richtung und weg von der Arbeitsoberfläche sich bewegt, und ein Vakuumsystem zum Evakuieren des Raums zwischen dem Diaphragma und der Arbeitsoberfläche. Werkzeuge werden von der Zufuhrstation zu der Arbeitsstation bewegt mit den ausgedehnten Arbeitsstationsdruckwalzen. Wenn das Werkzeug an der Arbeitsstation positioniert ist, werden seine Druckwalzen zurückgezogen, um das Werkzeug fest an der Arbeitsoberfläche zu positionieren. Eine Kompositstruktur wird auf das auf der Arbeitsober fläche getragene Werkzeug aufgelegt. Verdichten und Zusammendrücken des Kompositmaterials wird erreicht durch Vakuum, das Diaphragma abdichtend gegen das Kompositmaterial an dem Werkzeug und der Arbeitsoberfläche.
  • Im Gegensatz zu bekannten Verfahren verwendet die vorliegende Erfindung eine verhältnismäßig günstige Werkzeugausstattung und ist vollständig in sich abgeschlossen. Wie mit anderen Systemen verglichen, ist zum Betrieb keine große kostenintensive Ausrüstung erforderlich. Ein Verdichtungszyklus, eingesetzt in Übereinstimmung mit den Lehren der Erfindung, ist vollständig gesteuert. Gelegentliches Reinigen des Werkzeugs ist nicht erforderlich, da das Werkzeug und andere Verdichtungsvorrichtungen bei einer konstanten Temperatur beibehalten werden. Da keine Trennmittel erforderlich sind, sind Sandstrahlen und andere darauffolgende Operationen nicht erforderlich.
  • Diese Erfindung kann verwendet werden an verschiedenen thermogesetzten Prepregzusammenbauten. Jedoch werden die hier beschriebenen Beispiele der Erfindung gerichtet sein auf thermoplastische (z. B. Graphit und PEI) Prepregproduktzusammenbauten, welche hauptsächlich verwendet werden, um 120 mm Panzermunition herzustellen. Es wird verstanden werden, dass die Beispiele hier auf dem Weg der Illustration sind und dass die Erfindung so nicht beschränkt ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Vakuumspannplatte für faserverstärktes thermoplastisches Prepreg schließt ein eine Basis, einen Basistisch, der an der Basis angebracht ist, und eine Andruckplatte, die an dem Basistisch angebracht ist. Die Andruckplatte weist darin einen Rahmen auf und der Basistisch schließt darin lokalisiert innerhalb des Rahmens eine Vakuumöffnung ein. Eine Vakuumpumpe ist mit der Vakuumöffnung verbunden, wobei die Vakuumpumpe eine Vakuumsteuerung aufweist. Die Andruckplatte schließt einen Hitzeerzeuger ein, wobei der Hitzeerzeuger mit einer Heiz- bzw. Wärmesteuerung verbunden ist. Der Tisch schließt weiter eine Werk zeugbestückung, welche sich an den Rahmen anpasst, und eine Ausstattung bzw. einem Bausatz ein, die/der verdichtet bzw. geschrumpft werden soll. Ein Paar von gegenüberliegenden Druckzylindern ist mit der Basis an einem ersten Ende gekoppelt, wobei die gegenüberliegenden Druckzylinder elektrisch verbunden sind, um durch eine Druckaktuatorsteuerung betätigt zu werden. Eine obere Abdeckung bzw. ein Deckel ist an der Basis befestigt und angebracht an einem zweiten Ende der gegenüberliegenden Druckzylinder, wobei der Deckel einen flexiblen Heizbalg einschließt. Ein Isolator ist mit dem Basistisch verbunden, die Andruckplatte umgebend. Eine Isolations-Abdeckdecke ist konfiguriert, um zwischen den Isolator und den Deckel gezogen zu werden. Zumindest ein Aktivierungsschalter aktiviert eine programmierbare Steuerung, welche mit der Druckaktuatorsteuerung, der Heizsteuerung und der Vakuumsteuerung verbunden ist.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Vakuumspannplatte anpassbar, um unterschiedliche Materialien zu verarbeiten, da ein enthaltendes Steuersystem für irgendeine Temperatur anpassbar ist und Zykluszeiten typischerweise innerhalb von Sekunden geändert werden können.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Spannplatte vorgesehen, welche eine Hitzeschicht verringert, wenn die Werkzeugbestückung bei einer konstanten Temperatur beibehalten wird, so dass eine thermische Expansion der Werkzeugbestückung die Teilgeometrie nicht wesentlich beeinflussen wird, wodurch eine Zykluszeit beachtlich von vorbekannten Prozessen verringert wird.
  • Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden den Fachleuten klar werden durch die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform, Ansprüche und Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Elemente beziehen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Vakuumspannplatte für faserverstärktes thermoplastisches Prepreg der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist eine vordere perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Vakuumspannplatte für faserverstärktes thermoplastisches Prepreg der vorliegenden Erfindung.
  • 3 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Werkzeugbestückung, welche bei einer Vakuumspannplatte für faserverstärktes thermoplastisches Prepreg der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
  • 4 ist eine Draufsicht eines Beispiels einer Vakuumspannplatte für faserverstärktes thermoplastisches Prepreg der vorliegenden Erfindung, wobei eine Werkzeugbestückung entfernt ist und eine Öffnung zum Aufbringen eines Vakuums dargestellt ist.
  • 5 ist eine untere Ansicht eines Beispiels einer Andruckplatte und von Heizspulen, welche daran angebracht sind, wie sie in einem Beispiel der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
  • 6 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Beispiels eines programmierbaren Steuersystems, welches für eine Vakuumspannplatte für faserverstärktes thermoplastisches Prepreg der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
  • 7 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Beispiels eines Verfahrens der Erfindung für ein Verdichten von thermoplastischem Prepreg.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Nun Bezug nehmend auf 1, zeigt 1 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Vakuumspannplatte 10 für faserverstärktes thermoplastisches Prepreg der vorliegenden Erfindung. Es wird verstanden werden, dass die Darstellungen und hier beschreibenden Details beispielhaft sind und nicht zur Beschränkung der Erfindung. Die Vakuumspannplatte 10 schließt ein, eine Andruckplatte 25, welche darin einen Rahmen 12 aufweist, einen Deckel 15, einen Isolator 14 und einen Basistisch 24. Der Basistisch 24 ist bevorzugt ein flacher Metalltisch, bevorzugter weist er eine Aluminiumplatte auf. Die Andruckplatte 25 und Rahmen 12 sind aus einem geeigneten Heizmaterial konstruiert, wie etwa Stahl. Konventionelle elektrische Heizstäbe 525 (am besten gezeigt in 5) darin in einem Spiralmuster platziert, heizten die Andruckplatte 25 und den Rahmen 12. Ein Thermoelement 31 ist mit der Andruckplatte 25 an einem Ort verbunden, welcher zum Abtasten der Durchschnittstemperatur der Andruckplatte geeignet ist.
  • Der Deckel 15 schließt einen Deckel-Heizbalg 16, welcher durch herkömmliche Mittel an einem Deckelrahmen 34 angebracht ist, ein. Der Deckelrahmen 34 ist am Tisch 24 durch einen geeigneten Gelenkmechanismus (nicht gezeigt) angebracht. Eine Isolations-Abdeckdecke 18 ist zwischengeordnet zwischen dem Isolator und Deckelrahmen. Die Decke ist bevorzugt ein Einwegartikel und kann vorteilhafterweise lose an dem Tisch platziert sein. Eine Dichtung 32 ist an dem Deckelrahmen angebracht und dichtet den Deckel gegen die Oberseite des Tisches zeitweise ab, wenn ein Vakuum aufgebracht wird. Die Dichtung 32 kann angebracht werden durch irgendwelche bekannten Anbringungsmittel, einschließlich irgendeinem Klebstoff, kompatibel mit der Dichtung und Rahmenmaterialien. In einer Ausführungsform der Erfindung besteht die Dichtung 32 aus Silikongummi. Der Deckel-Heizbalg 16 ist bevorzugt konstruiert aus Gummimaterial, welches sich dehnt, um sich an die Werkzeugbestückungsgeometrie anzupassen, und übt Druck auf die Werkzeuge aus.
  • Die Isolationsabdeckdecke 18 schützt den Deckel-Heizbalg 16 von der Temperatur der Andruckplatte und Werkzeug. In einer Ausführungsform der Spannplatte der Erfindung ist die Isolations-Abdeckdecke eine mit porösem Teflonbeschichtete Glasfaserdecke, welche eine Dicke von etwa 0,0762 mm (0,003 Inch) aufweist. Ein solches Material wird von Airtech International Inc. of Carson, California, unter dem Markennamen "Release Ease 234 TFP Porous" verkauft. Relea se Ease 234 TFP is eine mit porösem Teflon-beschichtet Glasfaser und ist verfügbar in Breiten von 965,2 mm (38 Inch).
  • Der Isolator 14 ist bevorzugt aus einem keramischen Material konstruiert, gut bekannt in der Technik, wie beispielsweise als Aluminium-Silicaisolierung oder andere äquivalente Materialien mit ähnlichen Isolationseigenschaften. Der Isolator 14 dient dazu, um den Deckel-Heizbalg vor der heißen Andruckplatte zu schützen und das Tischobere 24 zu isolieren. Die beheizte Andruckplatte 25 arbeitet, um die Hitze zu erzeugen, welche erforderlich ist, um das Prepregmaterial zu verfestigen. Die beheizte Andruckplatte 25 ist konstruiert in einer herkömmlichen Art und Weise, um Hitze von bis ungefähr 371° C (700 Grad F) zu erzeugen.
  • Bezug nehmend nun auf 2, ist eine Vorderansicht eines Beispiels einer Vakuumspannplatte für faserverstärktes thermoplastisches Prepreg der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Deckel 15 ist in einer geschlossenen Position gezeigt. Ein Steuerpanel 70 schließt ein programmierbares Steuerpanel 60, eine Temperatursteuerung 64 und einen Hauptenergie-Ein-/Ausschalter 62 ein. Auch gezeigt sind erste und zweite interaktive Sicherheitsschalter 54, 56. Ein Abbruchschalter 58 ist enthalten und verbunden, um die Anordnung im Fall eines Unfalls auszuschalten. Das programmierbare Steuerpanel 60 ist eine Standartsteuerpanel, bekannt in der Technik, welches eine programmierbare Steuerung 66 einschließt, wie etwa eine CPU, die programmiert ist, um die Temperatur, ein Aufbringen des Vakuums, Zeitdauer des Zyklus, Anheben und Absenken des Deckels und interaktive Sicherheitsschalter zu steuern. Die Fachleute, welche den Genuss dieser Offenbarung haben, werden verstehen, wie die programmierbare Steuerung 66 und die Temperatursteuerung 64 zu programmieren und verwenden sind. Das Steuersystem, wie es in einem Beispiel der Erfindung verwendet wird, wird detaillierter unten mit Bezugnahme auf 6 beschrieben.
  • Die programmierbare Steuerung 66 arbeitet auch, um ein Paar von gegenüberliegenden Druckzylindern 52 zu betätigen, angebracht an dem Deckelrahmen 34, um den Deckel 15 anzuheben und abzusenken, wenn ein Verdichtungszyklus initialisiert wird. Die Vakuumpumpe und -rohrleitungen werden auch elektrisch verbunden, um durch die programmierbare Steuerung betätigt zu werden, um den Druck zu erzeugen, welcher erforderlich ist, um die Teile zu verdichten. Die Spannplatte 10 ist bevorzugt gestaltet, um eine einzelne Arbeitsstation zu sein, wo zwei Betätigungspersonen verwendet werden können, welche von gegenüberliegenden Seiten der Arbeitsstation arbeiten.
  • Auch in 2 gezeigt ist ein Kühltisch 13, welcher praktisch angebracht ist angrenzend an die Spannplatte 10. Ein geeigneter Kühltisch umfasst eine flache Metallplatte, welche eine beträchtliche Dicke aufweist, um als ein Wärmeleiter für heißes verdichtetes thermoplastisches Material zu dienen. In einem Beispiel umfasst der Kühltisch 13 eine 24,4 mm (1 Inch) dicke Platte aus Aluminium.
  • Bezug nehmend nun auf 3, sind ein erstes Werkzeug 20 und ein zweites Werkzeug 22 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das erste Werkzeug 20 und das zweite Werkzeug 22 eine Metallkompressionswerkzeugbestückung. Die ersten und zweiten Werkzeuge sind exakt gearbeitet auf die Dimensionen und Form der gewünschten geformten Prepregausstattung. In einem Beispiel umfassen die Werkzeuge Stahl, gefertigt durch einen Präzisionsprozess, wie z. B. Draht-EDM-Bearbeitung. Das erste Werkzeug 20 und das zweite Werkzeug 22 sind bevorzugt im Wesentlichen ähnlich zu der Form der Prepregausstattung geformt, die verdichtet werden soll, und abgemessen, um eng mit dem Rahmen 12 zusammenzupassen. Das erste Werkzeug 20 und das zweite Werkzeug 22 sind auch bevorzugt geschnitten, um miteinander zusammenzupassen. Wenn zusammen innerhalb des Rahmens verwendet, wird die zu verdichtende Prepregausstattung innerhalb des ersten Werkzeugs 20 entlang der Innenseitenkante 21 platziert und von dem zweiten Werkzeug 22 abgedeckt, um so zusammengedrückt zu werden, wenn ein Vakuum aufgebracht wird. Das erste Werkzeug 20 und zweite Werkzeug 22 behalten die Geometrie des verfestigten Teils bei und eliminieren ein Abrunden der äußeren Kanten des Teils. In einer typischen Anwendung werden, in Abhängigkeit von der Teildicke, bis zu etwa 30 Stücke gestapelt, um verdichtet zu werden.
  • Bezug nehmend nun auf 4, ist eine Draufsicht eines Beispiels einer Vakuumspannplatte für faserverstärktes thermoplastisches Prepreg der vorliegenden Erfindung gezeigt und eine Vakuumöffnung 33 zum Aufbringen eines Vakuums ist dargestellt. Die Vakuumöffnung 33 ist durch den Basistisch 24 ausgeschnitten und bevorzugt ungefähr zentriert unter der Andruckplatte 25 innerhalb des Rahmens 12. Eine herkömmliche Vakuumpumpe 50 ist mit der Öffnung verbunden, um etwa 103,42 KPa (15 psi) an Druck (d. h. etwa eine (1) Atmosphäre Druck) aufzubringen, durch Abdichten des Gummi-Deckel-Heizbalgs mit dem thermischen Isolator 14 zu dem Basistisch 24.
  • Bezug nehmend nun auf 5, ist eine untere Ansicht eines Beispiels einer Andruckplatte 25 und von Heizspulen 525, die daran montiert sind, wie in einem Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet, gezeigt. Die Heizspulen 525 sind bevorzugt elektrische Heizspulen, konstruiert und angebracht in Übereinstimmung mit bekannten Prinzipien. Die Heizspulen 525 sind verkabelt mit der Heizsteuerung 64.
  • Bezug nehmend nun auf 6, ist ein schematisches Blockdiagramm eines Beispiels eines programmierbaren Steuersystems 600, verwendet für eine Vakuumspannplatte für faserverstärktes thermoplastisches Prepreg der vorliegenden Erfindung, gezeigt. Zu Zwecken der Erklärung von Steuersignalen ist das programmierbare Steuersystem 600 für darstellende Zwecke gezeigt, so dass es die programmierbare Steuerung 60, die Aktivierungsschalter 54, 56, das Thermoelement 31, eine Mehrzahl von Steuerleitungen 65, eine Druckaktuatorsteuerung 67, eine Vakuumsteuerung 68 und die Heizsteuerung 64 einschließt. Steuersignale von der programmierbaren Steuerung 66 werden an eine Mehrzahl von Steuerleitungen 65 an die Druckaktuatorsteuerung 67, die Vakuumsteuerung 68 und die Heizsteuerung 64 übertragen. Die Druckaktuatorsteuerung 67, die Vakuumsteuerung 68 und die Heizsteuerung 64 sind jeweils mit den Druckaktuatoren 52, einer Vakuumpumpe 50 und Heizspulen 525 verbunden, um so einen Betrieb einer jeden dieser Komponenten in Antwort auf Steuersignale von der programmierbaren Steuerung 66 exakt zu steuern.
  • Bezug nehmend nun auf 7 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels des Verfahrens der Erfindung gezeigt. Der Prozess wird gestartet bei Schritt 72, wo die geladenen Werkzeuge in dem Rahmen platziert werden. Bei Schritt 74 werden Ausstattungsteile durch eine Betätigungsperson durch Einpassen der Teile in einen Raum geladen, welcher übereinstimmt mit der Form des zusammengebauten Bausatzes, wo der übereinstimmende Raum ausgebildet wird durch das erste Werkzeug 20 und den Rahmen. Nachdem die Ausstattungsteile in das erste Werkzeug 20 gefallen sind, wird das zweite Werkzeug 22 über den Teilen platziert. Bei Schritt 76 wird die Isolationsdecke 18 über die geladenen Werkzeuge innerhalb des Rahmens gezogen, um so zwischen dem Deckel-Heizbalg und der Werkzeugbestückung angeordnet zu sein, um den Deckel-Heizbalg zu schützen. Bei Schritt 78 wird ein programmierter Zyklus durch eine Benutzerperson initialisiert, durch gleichzeitiges Aktivieren von ersten und zweiten interaktiven Sicherheitsschaltern 54, 56. Es sei verstanden, dass zwei interaktive Schalter verbunden sind in einer herkömmlichen Art und Weise, um aus Sicherheitsgründen zusammenwirken, und dass ein einzelner Schalter verwendet werden kann, wobei an der Sicherheit einer Bedienperson keine Abstriche gemacht werden. Sobald der programmierte Zyklus abgeschlossen ist, wird der Deckel automatisch durch Betätigung der Aktuatoren durch die programmierbare Steuerung 66 angehoben. Bei Schritt 80 werden die nun verdichteten Teile am Ende des Zyklus entfernt und auf dem Kühltisch 13 zum Kühlen platziert. Die Einweg-Isolationsdecke kann entfernt werden, wenn der Bausatz bzw. die Ausstattung ausreichend abgekühlt ist.
  • Ein Beispiel eines programmierten Zyklus enthält ein Aufbringen von Hitze und Druck für etwa 15 Minuten, um eine typische 10° Prepregkeilausstattung zu verdichten, wobei das Prepreg im Wesentlichen PEI-Material umfasst. In einer sol chen Anwendung ist die Andruckplatte bevorzugt auf den Weichpunkt des Kunststoffs in dem Prepregmaterial geheizt, typischerweise etwa 288°C (550°F).
  • Die Erfindung ist hier in bemerkenswertem Detail beschrieben worden, um mit den Patentstatuten in Einklang zu sein, und um die Fachleute mit der Information zu versorgen, welche benötigt wird, um die neuen Prinzipien der vorliegenden Erfindung anzuwenden, und um solche beispielhaften und spezialisierten Komponenten wie erforderlich zu konstruierten und zu verwenden. Jedoch sei es verständlich, dass die Erfindung ausgeführt werden kann durch bestimmte unterschiedliche Ausrüstung und Geräte, und dass verschiedene Modifikationen, sowohl hinsichtlich der Ausrüstungsdetails und von Betriebsabläufen erreicht werden können ohne vom wahren Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Zum Beispiel können die Vorrichtung und ein Verfahren der Erfindung auch verwendet werden, um Komposite zu verarbeiten, welche unidirektionale Fasern und nicht verwobene Fasern aufweisen, welche irgendwelche bekannten Fasern sein können, welche in faserverstärkten Kompositen verwendet werden, einschließlich Karbon, Aramidfaser und Glasfasern. Zusätzlich können das Verfahren und eine Vorrichtung der Erfindung verwendet werden, um Kompositmaterialien zu verarbeiten, welche thermoplastische Harze aufweisen, einschließlich Polyester (einschließlich Copolyester), z. B. Polyethylen, Terephthalate, "Kodar" PETG Copolyester 6763 (Eastman Kodak); Polyamide, z. B. Nylon 6.6; Polyolefine, z. B. Polypropylen; auch enthalten sind Hochtemperaturharze, wie etwa ein amorphes Polyamidcopolymer, basierend auf Bis(Para-Aminocyclo-Hexyl)-Methan, ein semicrystallines Polyamidhomopolymer, auch basierend auf Bis(Para-Aminocyclo-Hexyl)-Methan, und Polyetheretherketon.

Claims (18)

  1. Vakuumspannplatte (10) für ein faserverstärktes thermoplastisches Prepreg (kunststoffimprägnierter Flächenstoff) aufweisend eine Basis, einen Basistisch (24), der an der Basis angebracht ist, eine Andruckplatte (25), die an dem Basistisch (24) angebracht ist, wobei die Andruckplatte (25) einen Rahmen (12) darin aufweist und der Basistisch (24) eine Vakuumöffnung (33) darin lokalisiert innerhalb des Rahmens (12) einschließt, wobei die Andruckplatte (25) einen Hitzeerzeuger (525) einschließt, wobei der Hitzeerzeuger (525) mit einer Wärmesteuerung (64), einer Werkzeugbestükkung (20, 22), welche sich an den Rahmen (12) anpasst, und einer Ausstattung verbunden ist, die geschrumpft werden soll, gekennzeichnet durch: a) ein Paar gegenüberliegender Druckzylinder (52), die mit der Basis an einem ersten Ende gekoppelt sind, wobei die gegenüberliegenden Druckzylinder (52) elektrisch verbunden sind, um durch eine Druckaktuatorsteuerung (67) betätigt zu werden; b) einen Deckel (15), der an der Basis befestigt ist und an einem zweiten Ende der gegenüberliegenden Druckzylinder (52) angebracht ist, wobei der Deckel (15) einen flexiblen Heizbalg (16) einschließt; c) einen Isolator (14), der mit dem Basistisch (24) verbunden ist, die Andruckplatte (25) umgebend; d) eine Isolations-Abdeckdecke (18), die konfiguriert ist, um zwischen den Isolator (14) und den Deckel (15) gezogen zu werden; e) zumindest einen Aktivierungsschalter (56); f) eine Vakuumpumpe (50), die mit der Vakuumsöffnung (33) verbunden ist, wobei die Vakuumpumpe (50) eine Vakuumsteuerung (68) aufweist; und g) eine programmierbare Steuerung (66), die verbunden ist mit zumindest einem Aktivierungsschalter (56), der Druckaktuatorsteuerung (67), der Wärmesteuerung (64) und der Vakuumsteuerung (68).
  2. Vakuumspannplatte (10) des Anspruchs 1, wobei der Basistisch (24) einen flachen Metalltisch aufweist.
  3. Vakuumspannplatte (10) des Anspruchs 2, wobei der Basistisch (24) eine Aluminiumplatte aufweist.
  4. Vakuumspannplatte (10) des Anspruchs 1, wobei die Andruckplatte (25) Heizstäbe einschließt, die darin in einem Spiralmuster befestigt sind.
  5. Vakuumspannplatte (10) des Anspruchs 1, wobei der Isolator (14) keramisches Material aufweist.
  6. Vakuumspannplatte (10) des Anspruchs 1, wobei der Deckel (15) einen Deckel-Heizbalg einschließt, angebracht an einem Deckelrahmen (34), wobei der Deckelrahmen (34) eine Dichtung (32) einschließt, angebracht an dem Deckelrahmen (34).
  7. Vakuumspannplatte (10) des Anspruchs 1, wobei der flexible Heizbalg (16) Gummimaterial aufweist, welches sich dehnt, um sich der Werkzeugsbestückungsgeometrie anzupassen, und Druck auf die Werkzeugbestückung (20, 22) aufbringt.
  8. Vakuumspannplatte (10) des Anspruchs 1, wobei die Isolationsabdeckdecke (18) mit porösem Teflon beschichtete Glasfaser aufweist.
  9. Vakuumspannplatte (10) des Anspruchs 1, wobei die Isolierung (14) eine Aluminium-Silica-Isolierung aufweist.
  10. Vakuumspannplatte (10) des Anspruchs 1, wobei die Andruckplatte (25) konstruiert ist, um Hitze im Bereich von 280°C (550°F) bis 371°C (700°F) zu erzeugen.
  11. Vakuumspannplatte (10) des Anspruchs 1, wobei zumindest ein Aktivie rungsschalter (56) erste und zweite interaktive Sicherheitsschalter (54, 56) aufweist.
  12. Vakuumspannplatte (10) des Anspruchs 1, wobei die Werkzeugbestückung (20, 22) ein erstes Werkzeug (20) und ein zweites Werkzeug (22) einschließt, konstruiert, um miteinander so zusammenzupassen, dass, wenn innerhalb des Rahmens (12) zusammenpassend, eine Ausstattung, die geschrumpft werden soll, innerhalb des ersten Werkzeugs (20) entlang einer inneren Kante (21) platziert ist und durch das zweite Werkzeug (22) so abgedeckt ist, dass die Ausstattung zusammengedrückt wird, wenn ein Vakuum während eines Schrumpfzyklus angelegt wird.
  13. Vakuumspannplatte (10) des Anspruchs 1, wobei die Vakuumpumpe (50) verbunden ist, um einen Druck von einer Atmosphäre anzulegen.
  14. Verfahren zum Schrumpfen von Ausstattungsteilen, welche aus einem thermoplastischen Prepreg-Material bestehen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist von: Positionieren eines ersten Werkzeugs (20) in einer Andruckplatte (25), einen Andruckplattenrahmen (12) enthaltend, um eine geschrumpfte Form zu definieren, Laden von Ausstattungsteilen innerhalb des ersten Werkzeugs (20) und des Andruckplattenrahmens (12), Platzieren eines zweiten Werkzeugs (22) über den Ausstattungsteilen, wobei das zweite Werkzeug mit dem ersten Werkzeug (20) zusammenpasst, gekennzeichnet durch: a) Montieren eines Isolators an dem Basistisch und der umgebenden Andruckplatte (25); b) Ziehen einer Isolationsdecke (18) über die ersten und zweiten Werkzeuge zwischen dem Isolator (14) und dem Deckel (15); c) Starten eines programmierten Zyklus, wobei der programmierte Zyklus die programmierten Schritte aufweist von: i) automatisches Schließen eines Deckels (15) über der Isolationsdecke (18), ii) Aufbringen von Hitze auf die Ausstattungsteile durch den Andruckplattenrahmen (12), iii) Aufbringen eines Vakuums auf die Ausstattungsteile durch Verwendung eines flexiblen Heizbalges, der an der Abdekkung angebracht ist und durch welchen ein Druckdifferenzial auf die Ausstattungsteile aufgebracht wird; und iv) automatisches Öffnen des Deckels (15) nachdem eine vorbestimmte Zyklusperiode verstrichen ist, unter Verwendung eines Paares von gegenüberliegenden Druckzylindern (52), die mit der Basis an einem ersten Ende verbunden sind, wobei die gegenüberliegenden Druckzylinder (52) elektrisch verbunden sind, um durch eine Druckaktuatorsteuerung (67) betätigt zu werden.
  15. Verfahren des Anspruchs 14, weiter aufweisend den Schritt des Bewegens der Ausstattungsteile von dem Andruckplattenrahmen (12) zu einem Abkühltisch (13) nach der vorbestimmten Zyklusperiode.
  16. Verfahren des Anspruchs 14, wobei das faserverstärkte thermoplastische Prepreg Fasermaterial aufweist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polyetherimid, Graphit, unidirektionalen Fasern, nicht-verwobenen Fasern, Aramidfasern, Glasfasern, Polyester, Glasfasercopolyester, Polyethylen, Terephthalate, Polyamide, Nylon 6.6, Polyolefine, Polypropylen, amorphes Polyamid-Copolymer, basierend auf bis(para-aminocyclohexyl)-Metan, halbkristallinem Polyamid-Homopolymer, basierend auf bis(paraaminocyclo-hexyl)-Metan und Polyetheretherketon.
  17. Verfahren des Anspruchs 14, wobei die vorbestimmte Zyklusperiode zumindest 15 min. beträgt und der Andruckplattenrahmen (12) auf die Weichpunkt-Temperatur des thermoplastischen Materials geheizt wird.
  18. Verfahren des Anspruchs 14, wobei der programmierte Schritt des Aufbringens von Hitze weiterheizen des Andruckplattenrahmens (12) auf den Bereich von 288°C (550°F) bis 371°C (700°F) aufweist.
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