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GEBIET DER ERFINDUNG
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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).
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusätzlich müssen die geformten Teile sandgestrahlt
werden bevor eine darauffolgende Formoperation ausgeführt werden
kann.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Vakuumspannplatte
für faserverstärktes thermoplastisches
Prepreg der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine vordere perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Vakuumspannplatte
für faserverstärktes thermoplastisches
Prepreg der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Beispiels
einer Werkzeugbestückung,
welche bei einer Vakuumspannplatte für faserverstärktes thermoplastisches
Prepreg der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
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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.
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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.
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6 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines Beispiels eines programmierbaren
Steuersystems, welches für
eine Vakuumspannplatte für
faserverstärktes
thermoplastisches Prepreg der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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7 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines Beispiels eines Verfahrens
der Erfindung für ein
Verdichten von thermoplastischem Prepreg.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.