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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen von Verbundstoffen
und die auf diese Weise hergestellten Produkte, insbesondere Flüssigformungsprozesse
einschließlich
einer vakuumunterstützen Harztransferformung
(vacuum-assisted resin tranfer molding, VaRTM) oder Harzinfusion.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Seefahrt-, Automobil-, Lastkraftwagen-, Eisenbahn-, Luft- und Raumfahrt-,
Verteidigungs-, Freizeit- und Erholungs-, Chemie-, Infrastrukturindustrie
und andere ziehen Verbundstoffmaterialien in Betracht, um ihre einzigartigen
Eigenschaften auszunutzen, insbesondere korrosionsfrei oder korrosionsbeständig zu sein
und ein hohes Verhältnis
von Festigkeit zu Gewicht zu besitzen. Verbundstoffe sind auch beständig gegenüber Ermüdung einem
chemischen Angriff. Sie bieten ein hohes Festigkeits- und Steifigkeitspotenzial
bei leichtgewichtigen Komponenten. Es besteht jedoch ein Bedarf,
Verbundstoffherstellungsprozesse zu entwickeln, welche die Kosten
von Verbundstoffen, insbesondere großen Strukturen, drastisch reduzieren,
während sie
ihre hohe Festigkeit und Steifigkeit beibehalten.
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Harzimprägnierte
faserige Materialien (Prepregs) werden allgemein von Hand oder durch
eine Maschine unter Verwendung von Band, Faserwerg oder Gewebe auf
einem Formungsdorn angeordnet („aufgelegt"). Verbundstoffe sind auch unter Verwendung
einer Filamentwicklung hergestellt worden. Eine Verdichtung ist zwischen
Lagen in einem Laminat erforderlich, um Luft zu entfernen, bevor
die Auflagen vakuum-eingesackt werden (d. h. in einer inerten Atmosphäre unter
Vakuum eingeschlossen werden, um während der Aushärtung des
Harzes abgegebene flüchtige
Stoffe herauszuziehen) und in Autoklaven oder Pressen verfestigt
werden, um Komponenten mit einem hohen Faservolumen zu erreichen.
Die Prepreg-Materialien sind typischerweise teuer (insbesondere
diejenigen, welche eine Hochmodul-Karbonfaser verwenden). Die Prepreg-Rohmaterialien
haben begrenzte Haltbarkeiten, weil die Harze bei Umgebungstemperatur
mit langsamen Raten reagieren („avancieren"). Ein Avancieren
des Harzes beeinträchtigt
nachteilig die Eigenschaften des resultierenden Verbundstoffes.
Arbeiten mit einem Prepreg führt
auch häufig
zu einem beträchtlichen
Materialausschuss.
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Die
Autoklaven und Pressen, welche zur Verfestigung verwendet werden,
sind teure Kapitalgegenstände,
welche die fertigungsbedingten Endkosten des Verbundstoffes weiter
erhöhen.
Die Prozessierung muss zentralisiert und in Chargen durchgeführt werden,
wo der Autoklav oder die Presse installiert ist. Ein Beladen und
Entladen des Autoklaven (ein unter Druck stehender Hochtemperaturofen)
werden gewöhnlich
zu den durchsatzbegrenzenden Schritten. Der Ort des Autoklaven bestimmt,
wo die Verbundstoffe hergestellt werden, so dass die Flexibilität des Prozesses
beeinträchtigt
wird. Eine fest zugeordnete Arbeiterschaft und Einrichtung, welche
sich auf den Autoklaven konzentrieren, sind erforderlich.
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Wie
erwähnt
weisen die Prepregs eine begrenzte Haltbarkeit auf. Bei einigen
Formulierungen wird das Harz als ein Lack oder Firnis, welcher die
monomeren Reaktanten enthält,
die in dem Verbundstoff das gewünschte
Polymer erzeugen, auf die Faser aufgetragen (d. h. Prepregs vom
PMR-Typ). Bei anderen Formulierungen ist das Harz ein Polymer mit
relativ niedrigem Molekulargewicht, welches sich während der
Aushärtung
quervernetzt, um das gewünschte
Polymer zu bilden. Das Harz wird in seinem unvollständigen Zustand gehalten
und verwendet, so dass es eine Flüssigkeit bleibt, und auf die
Faser oder das Gewebe imprägniert werden
kann. Eine Reaktion der monomeren Reaktanten oder eine Quervernetzung
des Polymers (d. h. sein Avancieren) vor dem vorgesehenen Aushärtungszyklus
beeinflusst nachteilig die Qualität des Verbundstoffes.
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Flüssigformungstechniken,
wie zum Beispiel eine Transferformung, eine Harzfilminfusion, eine
Harztransferformung und ein Structural-Reaction-Injection-Molding
(SRIM) erfordern typischerweise teuere angepasste Metallformen und
Pressen oder Autoklaven mit hoher Presskraft. Mit diesem Prozessen
hergestellte Teile sind allgemein in der Größe und Geometrie beschränkt. Die
herkömmlichen
Flüssigformungsharze
gewährleisten
nicht die nötigen
Eigenschaften für
viele Anwendungen der Verbundstoffe.
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Eine
Feuchtauflageprozessierung bei offener Form kann große Verbundstoffe
unter Verwendung eines Flüssigformungsprozesses
mit minimaler Kapitalausstattung und einseitiger Werkzeugbestückung herstellen
und kann häufig
preisgünstigere
Materialien als Prepregs verwenden. Die Qualität und Gleichmäßigkeit des
Produkts variiert jedoch beträchtlich,
und die besten Verbundstoffe sind nach wie vor von vergleichsweise niedriger
Qualität.
Der Prozess neigt auch dazu, unfreundlich zu sein und weist für die Arbeiter,
wegen ihres Risikos einer Exposition gegenüber den Lösungsmitteln und Harzen, Gefahren
auf.
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Die
europäische Patentanmeldung 0348831-A2 stellt
einen Prozess zum Herstellen von vergleichsweise dünnen und
großen
Teilen aus einem synthetischen Material bereit. Eine Armierung wird
zwischen einer ersten und einer zweiten Folie angeordnet, und die
Folien werden an ihren Kanten verbunden. Ein Vakuum wird verwendet,
um die erste Folie zu halten und darin Kanäle bereitzustellen, und anschließend wird
das Material in die Armierung eingeführt.
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Das
US-Patent Nr. 5,129,813 stellt
einen Vakuumsack bereit, welcher aus einem Film oder einer Folie hergestellt
ist. In den Film oder die Folie wird ein dreidimensionales Muster
eingeprägt,
welches eine Vielzahl von miteinander verbundenen Kanälen definiert.
Die Deformationen ermöglichen
es, die Atmosphäre
innerhalb des Vakuumsacks schneller und vollständiger zu entfernen.
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Das
US-Patent Nr. 5,427,725 stellt
einen Prozess bereit, um einen Matrixverbundstoff herzustellen. Ein
Substrat wird mit einem ein Harz umfassenden Tackifier verstärkt, um
eine formbare Vorform auszubilden. Dem ersten Schritt folgt ein
Hinzufügen
eines Matrixharzes und ein gemeinsames Aushärten bzw. Mitaushärten des
Tackifiers und des Matrixharzes, um einen Verbundstoff auszubilden.
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Unser
Prozess einer Doppelsackvakuuminfusion (DBVI) löst eine Anzahl von Problemen,
auf welche bei zuvor entwickelten, nicht auf einem Autoklaven beruhenden
Einzelsack-Flüssigformungstechniken,
wie zum Beispiel denjenigen Prozessen, welche in den
US-Patenten 4,902,215 (Seemann) und
4,942,013 (Palmer) beschrieben
sind, gestoßen
wird. Bei der Seemann-Einzelsacktechnik wird ein bevorzugter Fluss
und Druck in dem Flussmedium oberhalb der Faservorform herbeigeführt. Die
Antriebskraft ist eine Druckdifferenz oder ein Kopfdruck, welcher
in erster Linie erzeugt wird, indem der Druck innerhalb des Sacks
unter Verwendung einer Vakuumpumpe verringert wird. Der atmosphärische Druck
auf die Harzzufuhr drückt
durch ein Einlassrohr Harz in den Sack. In den Sack eintretendes
Harz begegnet dem Flussmedium, welches verwendet wird, um das Harz
zu der darunter liegenden Faservorform zu führen. Harz fließt seitlich
durch das Flussmedium über
die Vorform und anschließend
nach unten in die Vorform. Die Vorform hat die niedrigste Flusspermeabilität (d. h.
den höchsten
Widerstand gegenüber
dem Harzfluss).
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Sobald
das flüssige
Medium (d. h. 'Harz') in die Vorform
gezogen wird (d. h. fließt),
haben wir beobachtet, dass der Einzelsack dazu neigt, hinter der
Wellenfront (d. h. dem vordersten Abschnitt des Harzes, welches
innerhalb des Sacks in die Vorform fließt) zu relaxieren. Wir glauben,
dass wenn das Flussmedium voll oder teilweise voll mit Harz ist,
der Sack langsam relaxiert und sich von dem Flussmedium wegbewegt,
vermutlich weil der Fließweg
des geringsten Widerstands zu einem Weg über das Flussmedium zwischen
dem Flussmedium und dem darüber
liegenden Sack wird. Eine Relaxation erhöht das eingeschlossene Volumen um
die Vorform, welche mit Harz gefüllt
wird. Je weiter entfernt von der Vorderkante der Wellenfront, desto mehr
neigt der Sack dazu, zu relaxieren. Wir haben beobachtet, dass in
Bereichen, wo der Sack relaxiert hat, der Verbundstoff ein niedrigeres
Faservolumen, eine schlechte Faservolumenkontrolle und schlechtere
mechanische Eigenschaften als erwünscht aufweisen kann, weil überschüssiges Harz
das vergrößerte Volumen gefüllt hat.
Die Sackrelaxation kann eine Veränderung
in der geplanten Dicke des Verbundstoffes hervorrufen, so dass in örtlich begrenzten
Gebieten, wo die Relaxation stattgefunden hat, der Verbundstoff
dicker als geplant ist.
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In
der folgenden Diskussion werden wir die Seemann- und Palmer-Prozesse
mit unserem bevorzugten erfindungsgemäßen Doppelsackprozess vergleichen.
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Unser
bevorzugter Doppelsackvakuuminfusionsprozess umgeht die Probleme
von Seemann (Einzelsack), indem der innere und äußere Vakuumsack unabhängig die
Harzzufuhr kontrollieren. Der Doppelsack gewährleistet einen Druckkisseneffekt.
Die Überlauf-
und Belüftungsabschnitte
sind vollständig
isoliert. Bei diesem Ansatz ist der Sack niemals in der Lage, hinter
der Wellenfront zu relaxieren, und die resultierenden Verbundstoffe
weisen im Durchschnitt höhere
Faservolumina auf (mit einer genaueren Kontrolle) und haben bei Vorformen
mit konstanter Dicke eine gleichmäßig Dicke. Unser Prozess beseitigt
die Sackrelaxationsdefekte, welche wir bei dem Seemann-Prozess beobachten.
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Während der
Relaxation beobachten wir, dass sich Harz innerhalb des Sacks ansammelt.
Beim Drücken
auf die Ansammlung, fühlen
einen weichen, schwammigen, lockeren Bereich, welcher sich von der
Griffigkeit, wo Relaxation nicht auftritt, unterscheidet. Der Sack
dehnt sich aus und das Volumen unter dem Sack erhöht sich.
Bei Relaxationsbedingungen haben wir beobachtet, dass ein unter
Druck Setzen der Harzzufuhr über
den atmosphärischen
Druck die Relaxation erhöht,
so dass das Phänomen
mit der Druckdifferenz und der Antriebskraft für den Harzfluss verknüpft zu sein
scheint, wie wir es erwarten würden.
Hinzufügen
eines zweiten Vakuumsacks (von dem ersten Sack durch eine Entlüftung getrennt)
erschwert es dem „Doppelsack" zu relaxieren. Daher
können
wir, um das Harz zu bewegen eine höhere Druckdifferenz verwenden,
als sie am besten bei einem Einzelsack eingesetzt werden könnte. Der „Doppelsack" wird zu einem Mittel,
um Fluss über das
gefüllte
Flussmedium zu reduzieren, weil der Vakuumsack effektiv dicker ist.
Der „Doppelsack" gewährleistet
auch eine erhöhte
Vakuumintegrität,
weil er einen redundanten zweiten Sack bereit stellt, um jeglichen Undichtigkeiten
in dem ersten Sack zu begegnen.
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Bei
Boeings Prozess einer „Controlled
Atmosphere Pressure Resin Infusion" (CAPRI) steuern Jack Woods et al. die
Druckdifferenz, indem der Druck in dem Harzzufuhrbehälter unter
den atmosphärischen
reduziert wird. Bei dem CAPRI-Prozess evakuiert eine Vakuumpumpe
das Volumen unter dem Vakuumsack, während gleichzeitig der Druck über dem
Zufuhrharz erhöht
wird. Für
eine Druckdifferenz zum Antreiben der Harzinfusion von 15 Zoll Hg
(~0,5 atm) könnte
der Druck in dem Vakuumsack 20 Zoll Hg unter dem atmosphärischen
und 5 Zoll Hg in dem Zuführungsgefäß betragen.
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Der
Palmer-Prozess versuchte durch Anordnen eines undurchlässigen Films
zwischen dem Flussmedium und der Entlüftung innerhalb des Einzelsacks,
die Überlauf-
und die Entlüftungsabschnitte
zu isolieren. Unglücklicherweise
ermöglichte
diese Technik keine vollständige
Isolierung. Sobald das flüssige
Medium das Vakuumende der Anordnung erreicht hatte, waren das Flussmedium
und die Entlüftung
verbunden. Als Ergebnis begann das Harz, die Entlüftung zu
benetzen und über
die Membran zurück
in Richtung der Harzquelle zu fließen, weil dieser Weg eine höhere Permeabilität als ein
Fluss nach unten durch die Vorform aufwies.
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Unser
bevorzugter 'Doppelsack"-Prozess ermöglicht den
Faservolumenprozentanteil oder -anteil in dem Verbundstoff auf 5–10% mehr
zu steigern als wir es mit den Einzelsacktechnologien von Seemann
und Palmer erreichen konnten. Ein vergrößertes Faservolumen ist entscheidend
um einen Verbundstoff mit Luft- und Raumfahrtqualität zu erreichen,
welcher Eigenschaften aufweist, die konkurrenzfähig zu herkömmlich zur Vakuum sack/Autoklav-Prepreg-Technologien
sind, welche üblicherweise
in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden. Luft- und Raumfahrt-Verbundstoffe
weisen überlegene „spezifische
Festigkeiten" auf,
welche erreicht werden, indem der Faservolumenanteil optimiert wird
(so groß wie
möglich
gemacht wird). Luft- und
Raumfahrt-Verbundstoffe weisen überlegene „spezifische
Festigkeiten" auf,
welche erreicht werden, indem der Faservolumenanteil optimiert wird
(so groß wie
möglich
gemacht wird). Unser Prozess erreicht ein Zielfaservolumen innerhalb
einer engen Toleranz von akzeptablen Faservolumina, indem das Vakuum
des inneren und äußeren Sacks
während
der Infusion reguliert wird. Unter Verwendung von thermischen Endphaseninfusionsstrategien
verbessert unser Prozess Vorformeinschluss, Fluidabzug, thermisches
Vakuumverdichten und Echtzeit-Massenbilanzkontrolle.
Unser Prozess besitzt eine äußerst hohe
Vakuumintegrität.
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Bei
jeglichem Vakuumimprägnierungsprozess
ist die Vakuumintegrität
entscheidend, um gleichbleibend Verbundstoffe mit hoher Qualität herzustellen.
Undichtigkeiten in den Einsackungsabdichtungen, Harzöffnungen
oder Vakuumöffnungen
ermöglichen,
dass Luft in den Sack eintritt. Luft bewirkt, dass die Vorformen sich
aufblähen,
und reduziert den Faservolumenanteil, indem die Abstände zwischen
den Fasern vergrößert werden.
Mit undichten Säcken
hergestellte Verbundstoffe weisen typischerweise eines oder mehrere
der folgenden Probleme auf: einen hohen Hohlraumanteil, Oberflächenporosität, niedrige
Faservolumina oder übermäßige Dicke.
Häufig
müssen
Teile ausgesondert werden; sie können
nicht repariert werden.
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Bei
der Vakuumsackprozessierung wird eine Seite der Struktur mit Werkzeugen
versehen und die andere ist zumindest zum Teil durch die Einsackungsmaterialien
definiert, welche über
der Auflage verwendet werden. Eine sackseitige Rauigkeit und Markierungen
sind ein häufiges
Problem, welches bei einer Prepreg-Prozessierung und bei Sack-Flüssigformungsprozessen
angetroffen werden. Druckkissen und Verstärker werden häufig auf
der Sackseite des Laminats verwendet, um den Oberflächenabschluss
zu verbessern. Diese Oberflächenverbesserungen
sind jedoch bei dem Palmer- oder Seemann-Prozess aufgrund der verwendeten
Flussmedien nicht besonders effektiv. Das grobe knotige Flussmedium
und die Sackabstandmaterialien, welche in dem Seemann-Prozess beschrieben
sind, führen
sogar beim Vorhandensein eines Abziehlagenseparators zu sackseitigen
Markierungen auf den Teilen. Markierungen treten aufgrund von räumlich begrenztem hohen
Druck an den Maschenknoten oder Sackabständen mit relativ niedrigem
Druck in umgebenden Gebieten auf. Die ungleichmäßige Druckverteilung erzeugt
eine vergleichsweise klumpige sackseitige Oberfläche. Faservolumen und Faseranteil
variieren.
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Palmer
verwendet Glasüberlaufgewebe,
um einen Teil seines Flussmediumpacks auszubilden. Schichten von
trockenem Glasgewebe neigen dazu, sich unter Vakuum zu bündeln, verziehen
und überbrücken, was
schwerwiegende Markierungsprobleme sogar auf einfachen geometrischen
Teilkonfigurationen hervorruft, nicht zu erwähnen die Komplikationen, welche
bei komplexeren Anordnungen auftreten.
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Bei
dem Seemann-Prozess verwendet, um einen schnellen lateralen Fluss
zu erreichen, erzeugen dicke Flussmedien und Sackabstände relativ
große
Volumina, welche sich letztendlich mit überschüssigem Harz füllen. Bei
dem Prozess von Palmer saugt das Flussmedium, die dicken Glaspacks,
und auch der Glasüberlauf überschüssiges Harz
auf. Palmer verliert auch Harz, wenn es wie diskutiert hinter das
Ende der Infusion fließt und
in die Entlüftung
einzieht. Wir streben danach, den Harzausschuss zu minimieren.
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Bei
unserem bevorzugten Prozess, werden Harzverluste in dem Flussmedium
aufgrund seines flachen Profils und des vergleichsweise kleinen
offenen Volumens reduziert. Unser Prozess ermöglicht auch eine einfache Rückgewinnung
und Wiederverwendung von abgeführtem
Harz ohne das Risiko einer Sackrelaxation oder das Erfordernis einer
kontinuierlichen Harzabführung
mit frischem Harz, um schwierige Vorformen zu infundieren. Unser
bevorzugter Prozess spart Harz und reduziert messbar Kosten, wenn
mit teuren Harzsystemen gearbeitet wird, wie es für Luft-
und Raumfahrtanwendungen üblich
ist.
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Weder
Seemann noch Palmer beschreiben, wie komplexe Baugruppen, wie zum
Beispiel konturierte Hüllen
mit Lamellenversteifungen, bei welchen die Leitungsführungserfordernisse
komplex sind, herzustellen sind. Jede Versteifung erfordert eine
aktive Vakuumleitung, welche an der Oberseite der Versteifung angebracht
ist, um das Harz in die Versteifung herein zu ziehen. Wenn eine
große
Anzahl von Versteifungen vorhanden ist, wird die Leitungsführung schnell
kompliziert. Jede Verbindung erfordert fehlerlose Nähte zu dem Sack,
um die Vakuumintegrität
zu erhalten. Bei unserem Prozess können einige Versteifungen effektiv
infundiert werden, ohne aktive Vakuumleitungen zu verwenden. Geneigte
Infusionen, bei welchen das Harz an dem untersten Punkt eingeführt und
die Vorform hinauf zu dem höchsten
Punkt gezogen wird, können
effektiv Versteifungen durchtränken,
welche in der Flussrichtung und in einigen Fällen anderen Richtungen verlaufen,
wie es bei unseren TYCORETM-Sandwichplatten
demonstriert wurde.
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Unser
Prozess kann auch passive Vakuumkammern (PVC) innerhalb des inneren
Sacks installieren. Perforierte Rohre, spiralförmig geschnittene Rohre, Federn
oder andere offene Behälter
werden oberhalb der Versteifungen oder anderer Bereiche, wo Fluss
erwünscht
ist angeordnet (E, 8 oder 9). Das
Harz oder die Flüssigkeit
wird in diese Kammern gezogen, bis sie sich füllen. Die PVCs gewährleisten
auch eine gewisse Abführungsfähigkeit
zum Entfernen von Luft aus den Vorformen.
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Mit „Durchtränken" meinen wir eine
Infusion der gewünschten
Menge von Harz in die Vorform, um das gewünschte Faservolumen in dem
Verbundstoff zu erreichen.
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Der
Seemann- und Palmer-Prozess kann Teile mit annähernd unbegrenzter Länge produzieren,
sind jedoch hinsichtlich der Teilbreite begrenzt. Der Prozess von
Seemann kann allgemein breite einfache Hüllen produzieren, weil Seemann
Flussmedien verwendet, welche hohe Permeabilität und Sackabstände aufweisen. Der
Prozess von Palmer ist in gewisser Weise stärker eingeschränkt, weil
er auf einem Kantenzuführungsverfahren
beruht und Flussmedien geringerer Permeabilität verwendet. Bei einer gewissen
Breite erfordern jedoch sowohl der Seemann- als auch der Palmer-Prozess
zusätzliche
Zuführungsleitungen,
um einen Harzwiderstand und Druckabfall in dem System zu reduzieren,
insbesondere wo der Fluss auf einer Hülle mit Versteifungen unterbrochen
ist. Versteifungen erzeugen Drosselpunkte, wenn das Harz quer oder
in einem Winkel bezüglich
der Richtung der Versteifung fließt. Aufgrund von Werkzeugbestückungseinschränkungen,
Abmessungskontrollerfordernissen und Formdiskontinuitäten muss
Sorge getragen werden, dass die Flussmediummaterialien an Versteifungspositionen
richtig positioniert werden.
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Eine
Vielzahl von Trockenvorformen sind verfügbar, um infundierte Komponenten
zu konstruieren. Sowohl Seemann als auch Palmer verwenden Trockenvorformen.
Die Optionen beinhalten Standardgewebe, Kettenwirkmaterialien, 3D-Flechtmaterialien,
3D-Gewebematerialien, Z-Pinning-Vorformen, Endlosfasermatten und
Schnittfaservorformen. Viele Trockenvorformmaterialien sind brüchig, werden
bei einfachen gewöhnlichen
Herstellungsvorgängen
leicht verzerrt, beschädigt
oder ausgefranst. Verschiedene Lagenabnahmen, das Maßschneidern
von Teilen und Endformen sind bei komplexen aus Trockenvorformen
hergestellten Fertigteilen schwer zu erreichen. Trockenvorformen
neigen auch dazu, eine übermäßige Größe zum Auflegen
von komplexen Formen zu besitzen, bei welchen die Größe minimiert
werden muss, um Faltenbildungs- und Einsackungsprobleme zu beseitigen.
Das Problem zu verstärkend,
können
Schichten der Trockenmaterialien aufgrund ihrer schlechten Anhaftung
an anderen trocken Lagen oder anderen Materialien schlecht verdichtet
und verfestigt werden. Eine Offline-Einzelteilvorformherstellung
ist ineffektiv. Diese Eigenschaften machen es schwierig, wenn nicht
gar unmöglich,
Trockenvorformen bei vielen komplexen Anwendungen zu verwenden. Daher
werden Tackifier- oder Bindemitteltechnologien zum Behandeln von
Trockenvorformen mit Harz notwendigerweise Schlüsselelemente von annähernd jedem
Flüssigformungstechnologiesystem.
Das Bindemittel darf den Harzfluss oder die Vorformverfestigung
nicht einschränken,
muss kompatibel mit dem Infusionsharz sein und darf keinen Festigkeitsverlust
hervorrufen. Der Prozess eines Aufbringens eines Bindemittels oder Tackifiers
ruft eine Vorform hervor, welche ähnlich zu denjenigen ist, welche
bei einer herkömmlichen
Harztransferformung verwendet werden.
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Bei
unserem bevorzugten Prozess haben wir wiederum einen einzigartigen
Sprühimprägnierungsprozess
entwickelt, um das Bin demittel oder den Tackifier auf die Trockenfaservorform
aufzubringen, um eine hohe Klebrigkeit bei einem niedrigen Bindemittelgehalt
zu erzeugen. Ein erwünschter
Bindemittelgehalt reicht von ungefähr 1 bis 10 Gew.-% (d. h. des
Gewichts), liegt jedoch typischerweise zwischen 3 bis 7 Gew.-% Der gewünschte Gewichtsprozentanteil
hängt von
dem Gewicht und der Dicke der Vorform und dem natürlichen oder
inhärenten
Klebrigkeitsgrad in dem Bindemittel ab.
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Ein
Hinzufügen
von Lösungsmittel
zu den halbfesten viskosen Flüssigformungsharzen,
welche als Bindemittel verwendbar sind, produziert Bindemittellösungen,
welche zum Sprühen
geeignet sind. Die Lösungsmittel
sollten eine Raumtemperaturklebrigkeit aufweisen und mit dem ausgewählten Infusionsharz
kompatibel sein. Für
Cyanatester-Infusionsharze verwenden wir typischerweise den halbfesten
Cyanatesterharz M-20 von CIBA, welcher bei Raumtemperatur extrem
klebrig ist. Einige halbfeste Harze ohne Raumtemperaturklebrigkeit
können
verwendet werden, wenn sie beim Erhitzen eine Klebrigkeit entwickeln,
zum Beispiel das Bismaleimid-Harz 5250-4-RTM. Die Lösungen erfordern
unter Umständen
Katalysatoren zur Harzaktivierung. Für latentere bzw. trägere SprühFormulierungen
können
die Katalysatoren aus dem Mischung weggelassen werden oder darin
verringert werden, um Verdichtungsvorgänge bei höherer Temperatur zu ermöglichen,
ohne nachteilig den Aushärtungsgrad
des Bindemittels zu erhöhen.
Die Bindemittelanteile können
an den Lagenkanten erhöht
werden, um eine größere Abmessungsintegrität und weniger
Kantenausfransen zu gewährleisten.
Das Bindemittel könnte
für eine
verbesserte Beschädigungstoleranz
und ballistische Empfindlichkeit auch thermoplastische oder gummibasierte
Härtungswirkstoffe
enthalten.
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Die
bevorzugten Bindemittelformulierungen haben typischerweise hohe
oder sehr hohe Harz-Feststoffanteile von 80% des Gewichts oder mehr.
Das Lösungsmittel
oder der Träger
kann ein MEK, ein MIBK, ein anderes organisches Lösungsmittel,
welches in der Lage ist, ein halbfestes Harz zu lösen, oder
unter Umständen
Wasser sein. Die Lösungsmittelflüchtigkeit
kann verändert
werden und verwendet werden, um die Klebrigkeit zu steuern oder
einzustellen und die Trocknungszeit und die Aushärtungstemperatur oder ein Aushärtungszyklusprofil
zu verändern.
Ein hoher Feststoffanteil, hohe Sprühviskositäten und Trockenfilmsprühparameter
werden in Kombination verwendet, um kleine Harzflecken auszubilden,
welche auf der freiliegenden Oberfläche der Vorform ruhen. Die
bevorzugten Sprühparameter
minimieren die Lösungsmittelemissionen,
erhöhen
die Transfereffektivitäten,
ermöglichen
eine Automatisierung und erhalten eine maximale Vorformklebrigkeit
mit dem geringsten Ausmaß an
deponiertem Harz und Verlust an Vorformpermeabilität.
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Mit
diesen mit Bindemittel beschichteten (d. h. klebrig gemachten) Vorformen
haben wir die Fähigkeit demonstriert,
komplexe Strukturen herzustellen, wie zum Beispiel Versteifungen
mit sich überschneidenden Lamellen,
Pi(⎕)-Verbindungsversteifungen und komplexe konturierte
Hüllen
mit gekrümmten
Lamellenversteifungen. Die Bindemitteltechnologie ermöglicht es,
bestimmte Merkmale, wie zum Beispiel Lamellenversteifungen, direkt
zu formen. Eine Raumtemperaturverdichtung mit Vakuumsack kann weiche,
biegsame, klebriggemachte Vorformen hervorbringen. Eine erwärmte Vakuumverdichtung
kann halbsteife Vorformen hervorbringen, welche für einen
Präzisionsbeschnitt
mit genauer Tolerierung geeignet sind.
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Bei
den Seemann- und Palmer-Prozessen muss das Harz unmittelbar nach
der Infusion des Teils geliert werden. Wenn man das Vakuum an dem
Teil aktiv lässt,
wird während
der Gelierung Harz aus der Quelle durch die Vorform gezogen. Die
Harzzufuhr muss angeschlossen bleiben, um zu vermeiden, dass das
Teil an Harz verarmt wird. Für
die meisten Harze wird eine Gelierung thermisch initiiert. Ein Aufheizen
des Teils, um das Harz in der Vorform zu gelieren, erhitzt auch
das Volumenharz, was zu einem gefährlichen exothermen Zustand
einschließlich
der Entwicklung von toxischem Rauch führen kann.
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Wenn
man die Vakuum- und Zuführungsleitungen
für das
Volumenharz vor dem Erhitzen der Vorform schließt, könnten Undichtigkeiten bewirken,
dass Luft in die Entlüftung
leckt. Dieses Lecken verursacht häufig fehlerhaft Teile, welche
einen hohen Hohlraumanteil aufweisen. Das Teil kann sich aufblähen, so
dass Komponenten mit einem niedrigen Faservolumen oder noch typischer
solche, welche Hohlräume
oder eine Porosität
aufweisen, erzeugt werden. Der Palmer-Prozess erfordert eine annähernd sofortige
Gelierung, jedoch erzeugt eine schnelle Gelierung häufig spröde Harzgerüste. Viele übliche Harze,
wie zum Beispiel bei niedriger Temperatur aushärtende Epoxidharze für Hochtemperaturanwendungen,
können
nicht schnell geliert werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei
der vorliegenden Erfindung handelt es sich um einen Flüssigformungsprozess
zum kostengünstigen
Herstellen von Qualitätsverbundstoffstrukturen
gemäß Anspruch
1 und um einen durch einen solchen Prozess erhaltenen Verbundstoff.
Sie fällt
in die Kategorien einer Harztransferformung (resin transfer molding, RTM),
insbesondere einer vakuumunterstützten
RTM (vacuum-assisted RTM, VaRTM). Die einfache Werkzeugbestückung, die
minimalen Kapitelerfordernisse, die Fähig keit, Chargen zu prozessieren,
die hohe Ausbeute, und die Fähigkeit,
komplexe Formen zu formen, machen den Prozess attraktiv. Zum Herstellen
einer Struktur für
Luft- und Raumfahrt verspricht er, ein ökonomischer Prozess zu sein,
welcher insbesondere für große Strukturen
einschließlich
Flügelkästen und Ähnliches
geeignet ist. Die vorliegende Erfindung ist gut mit anderen Zukunftstechnologien,
wie zum Beispiel eine Heftung, eine Z-Richtungsverstärkung (Z-pinning),
Elektronenstrahlaushärtung,
3-D-Verwebung und Niedrigtemperaturaushärtung, abgestimmt. Sie erfordert
keinen Autoklav, keine angepasste Werkzeugbestückung oder große Pressen.
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Eine
hohe Vakuumintegrität
mit einem Doppelsacksystem gemäß unserer
Gestaltung hilft dabei, gleichbleibend hochqualitative Verbundstoffe
mit niedrigem Hohlraumanteil, minimaler Oberflächenporosität, hervorragender Dickenkontrolle
und hohen Faservolumenanteilen hervorzubringen. Der Doppelsack verbessert
die Steifigkeit des Einsackungsmaterials, um eine Relaxation hinter
der Wellenfront zu vermeiden, wodurch die Infusion von hohlraumfreien
Verbundstoffen, welche die für
Luft- und Raumfahrtanwendungen
erwünschten
hohen Faservolumina aufweisen, ermöglicht wird. Ein effektives
Kontrollieren der Relaxation bedeutet, dass wir eine höhere Druckdifferenz
(differential pressure, DP) als Antriebskraft für den Harztransfer verwenden
können.
Aufgrund der größeren Antriebskraft
können
wir schneller infundieren oder können
viskosere Harze verwenden. Wir streben Faservolumenanteile von mehr
als 50% an.
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Eine
Harzwellenfrontkontrolle erzeugt saubere Infusionen ohne Oberflächenporosität, Hohlräume, trockene
Flecken oder harzreiche Bereiche. Seemann verwendet große Flussmedien,
um das Harz zu der darunter liegenden Vorform zu leiten, und Sackab stände. Das
Medium und die Abstände
erzeugen einen hochpermeablen Raum für eine schnelle seitliche Harzmigration
in dem Sack. Die Infusionsgeschwindigkeit kann jedoch zu Lufteinschlüssen oder
Oberflächenporositätsdefekten
oder Hohlräumen
führen,
wenn das Harz nach unten durch die Dicke der Vorform perkoliert.
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Ein
seitlicher Fluss kann eine nach unten gerichtete Benetzung der Vorform übersteigen,
was Luft in Taschen einschließt.
Hinter der Wellenfront eingeschlossene Luft ist schwierig aus dem
infundierten Teil zu entfernen. Eine Blasenbildung beim Austritt
von Luft kann es schwierig machen, einen Endpunkt für die Infusion festzulegen.
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Der
Schlüssel
zu erfolgreichen Infusionen ist nicht die Geschwindigkeit, mit welcher
die Vorform infundiert wird, sondern vielmehr die Qualität der Infusion.
Ein Beibehalten einer kontrollierten Wellenfront mit Flussmedien
niedrigerer Permeabilität über der
Vorform ergibt sauberere Infusionen. Die Flussmedien, welcher wir zur
Verwendung bevorzugen, sollten es dem Harz ermöglichen, seitlich langsam genug
zu fließen,
so dass das Harz gleichmäßig nach
unten durch die Vorform fließen
kann, um die Vorform mit einem keilförmigen Flussprofil zu durchtränken und
vollständig
zu füllen.
Bei einer kontrollierten Flussfront ist die Harzfront auf der Sackseite
der Vorform nur 5 oder 8 cm (2 oder 3 Zoll) vor der Harzfront auf
der Werkzeugseite der Vorform, wenn angenommen wird, dass das Flussmedium
nur auf der Sackseite der Vorform angeordnet ist und die Infusion einen
seitlichen Fluss durch das Medium gefolgt von einem nach unten gerichteten
Fluss, um die Vorform zu füllen,
beinhaltet. Wir bevorzugen es, die relative Permeabilität des Flussmediums
auf diejenige der Vor form einzustellen, um diese geordnete, wenn
auch relativ langsame, Infusion zu erreichen.
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Unser
einzigartiges Flussmedium aus TEFLON-imprägniertem Glas mit offenem Gewebe
(Taconic 7195) kontrolliert die Flussfront, weil es dünn ist,
eine geringe Permeabilität
aufweist und seine Füllfasern Flusswehre
ausbilden. Neben dem Kontrollieren des Harzflusses dient das Medium
dazu, eine Anzahl von anderen Problemen zu lösen. Dieses Medium kann eine
Aussetzung von Temperaturen bis zu 315°C (600°F) widerstehen und ist chemisch
inert. Es ist kontaminationsfrei und weist hervorragende Ablösungseigenschaften auf.
Es ist leicht verfügbar,
hat ein vergleichsweise niedriges Potenzial für Defekte durch Fremdobjekte
und minimiert aufgrund seines flachen Profils das Sackvolumen. Mit
seiner steifen jedoch biegsamen Eigenart reduziert oder beseitigt
es Markierungen auf der Sackseite des Laminats.
-
Eine
Möglichkeit,
eine verbesserte Flusskontrolle zu erreichen, verwendet Einsackungsmaterialien
mit einer hohen Dehnung (über
500%) und einem vergleichsweise niedrigen Modul, wie zum Beispiel
Einsackungsfilme aus STRETCHLON 700 Polyester und STRETCHLON 800
Nylon. Einsackungsmaterialien mit einer hohen Dehnung machen es
leichter, mit vergleichsweise wenig Sackfalten einfache und komplexe
Vorformen einzusacken. Vorformbereiche unter Sackfalten neigen dazu,
eine vergleichsweise hohe Permeabilität aufzuweisen, und können zu
einem unerwünschten
Kanalisieren von Harz entlang dieser Sackfalten führen. Daher
verbessert ein Minimieren von Sackfalten mit Einsackungsmaterialien
hoher Dehnung die Flussfrontkontrolle.
-
Eine
weitere Möglichkeit
verwendet Gum-Rubber-Dichtungen um den Außenbereich des Teils herum. Ohne
eine Kantendichtung oder bei festen Kantendichtungen tritt aufgrund
der hohen Permeabilität,
welche in den Lücken
besteht, die typischerweise zwischen der Vorform, dem Sack und der
festen Dichtung angetroffen werden, eine Kanalisierung an den Kanten
der Vorform auf. Bei Verwendung von Säcken mit hoher Dehnung und
Gum-Rubber-Dichtungen zusammen mit oder ohne thermische Vakuumzyklen
kann eine gute Abdichtung zwischen der Kante der Vorform, dem Sack
und den Dichtungen erreicht werden. Das Gum-Rubber bewegt sich viskoelastisch,
so dass es alle die Lücken
füllt,
welche andernfalls an der unregelmäßigen Kante einer trockenen
oder mit Bindemittel versehenen Vorform (d. h. einer Vorform, welche
Fasern aufweist, die mit einem Bindemittel oder Tackifier beschichtet
sind, oder diese enthält)
bestehen. Es wurde herausgefunden, dass Gum-Rubber-Dichtungen besonders
nützlich
sind, wenn man es mit dicken Vorformen zu tun hat, wo große Sackdiskontinuitäten an der
Kante des Teils bestehen. Eine Sacküberbrückung an diesen Positionen
ermöglicht
eine übermäßige Kanalisierung.
Gum-Rubber-Dichtungen arbeiten jedoch derart, dass sie die Kante
effektiv abdichten, den Sackübergang
erleichtern und die Effekte einer Kantenverjüngung an der Vorform aufgrund
von Sackverspannungen reduzieren.
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Eine
zweiseitige Vakuumabziehtechnik verhindert effektiv eine Kanalisierung,
welche aus einer Anzahl von Gründen
auftreten kann. Wenn Harz entlang einer Kante des Teils kanalisiert
wird, kann das potenziell „fatale" Problem einfach
korrigiert werden, indem das Vakuumrohr auf der kanalisierten Seite
abgeklemmt wird und die Vakuuminfusion mit der gegenüberliegenden
Vakuumleitung in einem aktiven Modus fortgesetzt wird.
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Ein
weiteres Verfahren, für
welches es sich erwiesen hat, dass es eine Kanalisierung verhindert,
besteht darin, Vorformen bei einer geneigten Ausrichtung zu infundieren,
wobei das Harz bei der niedrigsten Höhe zugeführt wird und sich nach oben
durch die Vorform bewegt, wobei bei der höchsten Höhe Vakuumdurchlässe positioniert
sind. Bei diesem Verfahren hilft die Schwerkraft dabei, ein konstantes
Fluidniveau in der Vorform beizubehalten und widersteht zumindest
teilweise dem Harzfluss. Einige Vorformen, wie zum Beispiel mehrachsige
Kettenwirkvorformen mit gebündelten
unidirektionalen Fasern, können
natürlich
auftretende Permeabilitätsvariationen
aufweisen, welche eine schlechtere Flusskontrolle bewirken können, als
bei Vorformen, welche gleichmäßigere Materialien
verwenden, wie zum Beispiel Satingewebe mit Harness 5 und 8.
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Ein
vor der Infusion verwendeter thermischer Vakuumzyklus minimiert
ebenfalls die Kanalisierung. Hier wird die Vorform auf eine Dicke
innerhalb von ungefähr
10% mehr als ihre Enddicke verdichtet (d. h. komprimiert, während Luft
von zwischen den Lagen entfernt wird). In ähnlicher Weise fällt der
Modul des Sacks bei erhöhter
Temperatur ab, wo er sich leichter ausdehnt. Wenn sich der Sack
ausdehnt, passt er immer besser zu dem darunter liegenden Vorformmaterial,
was alle außer
den schwerwiegendsten Sacküberbrückungen
beseitigt. In Fällen
von schwerwiegenden Sacküberbrückungen,
wie zum Beispiel bei Diskontinuitäten um Werkzeugbestückungselemente
für sackseitige
Versteifungen, verwenden wird Gum-Rubber-Dichtungen entweder zwischen
dem inneren und äußeren Sack
oder direkt innerhalb des inneren Sacks an der Diskontinuität, um beim Überbrücken der
Lücke zu
helfen. Ein Beseitigen von Sacküberbrückungen
vermeidet eine Kanalisierung und harzreiche Bereiche, welche sich
an den überbrückten Stellen
entwickeln würden.
-
Mit
der Verwendung von halbbrettigen, eng gewobenen TEFLON-imprägnierten
Glasfasermaterialien, wie zum Beispiel Taconic 7195 oder ChemFab
CHEMGLAS 1589, als separate Lage oder Flussmedium können wir
Sackmarkierungen reduzieren oder im Wesentlichen vermeiden. Das
flache Profil minimiert das Volumen und ermöglicht eine bessere Konturierung
bezüglich
mehrerer Lagen von Glasgewebematerialien. Die gleichmäßige enge
Gewebekonstruktion unseres Flussmediums führt im Vergleich zu knotigen
Maschenmaterialien oder Sackabstandmaterialien zu einer gleichmäßigeren
Druckbeaufschlagung über
die Vorform. Das flache Profil und die Gleichmäßigkeit des Gewebes unseres
Flussmediums ermöglicht
es auch, Druckkissen oder Verstärker
effektiv über
dem Flussmedium zu verwenden, um die Gleichmäßigkeit der Teiloberfläche zu verbessern.
Die halbbrettige Eigenart des Flussmediums dient dazu, Falten des
Sacks und der Entlüftung
sogar bei Abwesenheit von Druckverstärkern oder Druckkissenplatten
durch Pufferung daran zu hindern, in das infundierte Teil übertragen
zu werden. Wenn unser Flussmedium in Verbindung mit thermischen
Vakuumzyklen, Säcken
hoher Dehnung und Gum-Rubber-Dichtungen um größere Diskontinuitäten herum
verwendet wird, werden sogar auf komplexen Teilen Markierungen im
Wesentlichen vermieden. Markierungen können eine lokale durch Verspannungskonzentration
verursachte Abschwächung
des Verbundstoffs bewirken.
-
Bei
unserem Prozess hat eine Airweave N-10 Entlüftung zwischen unserem inneren
und äußeren Sack
eine Tendenz, Teildiskontinuitäten
zu überbrücken und
Bereiche mit übermäßigem Volumen
einzufalten. Um eine optimale Anpassung zwischen dem Teil und der
Vorform zu erreichen, werden die Entlüftung und der äußere Sack über dem
inneren Sack mit Vakuum angeordnet, um die Entlüftung vorübergehend aufzusetzen. Der äußere Sack
und die Entlüftung
werden entfernt. Die Entlüftung
wird dann gewöhnlich
geschnitten und durchstoßen,
um eine perfekte Passung zu ermöglichen.
Die Entlüftung,
elastomere Materialien, welche den äußeren Sack bilden, und das
Entlüftungsnetzwerk
können
gewöhnlich
wiederverwendet werden.
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Daher
produzieren die bevorzugten Ausführungsbeispiele
unseres Prozesses Verbundstoffe mit niedrigen Hohlraumanteilen,
einer minimalen Oberflächenporosität, einer
hervorragenden Dickenkontrolle und einem hohen Faservolumen. Der
bevorzugte Prozess gewährleistet
eine hohe Vakuumintegrität,
vermeidet eine Harzkanalisierung und schlechte Wellenfrontkontrolle.
Er reduziert im großen
Ausmaß sackseitige
Markierungen. Er reduziert die Leitungsführungskomplexität und verbessert
die Herstellung von großen
Verbundstoffen. Schließlich
reduziert unser bevorzugter Prozess den Harzausschuss.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
die bevorzugten Merkmale unseres Doppelsack-Vakuuminfusionssystems, wobei die Säcke teilweise
weggeschnitten sind.
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2 ist
eine typische Querschnittsansicht unseres Doppelsack-Vakuuminfusionssystems,
welche allgemein entlang der Linie A-A von 1 durchgeführt ist.
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3 ist
eine isometrische Ansicht einer bevorzugten angepassten Rohrverkleidung.
-
4 veranschaulicht
ein System zum Konvertieren einer Vakuumleitung in eine Zuführungsleitung, ohne
Luft in die Infusion einzuführen.
-
5 ist
ein robotisches Sprühsystem
zum Aufbringen eines Bindemittels oder Tackifiers auf eine Vorform.
-
6 ist
eine isometrische Ansicht einer bevorzugten Klemme, um die Vakuumrohre
zu halten, so dass eine Vakuumintegrität sichergestellt wird.
-
7 zeigt
die typische Leitungsführung,
welche zum Infundieren einer mit einem I-Balken versteiften Platte
verwendet wird.
-
8 ist
ein schematischer Einsackungsquerschnitt der Infusion einer in 7 dargestellten,
mit einem I-Balken versteiften Platte.
-
9 veranschaulicht
eine typische Leitungsführung
zum Infundieren einer Vorform mit sich überschneidenden Lamellen.
-
10 ist
ein schematischer Einsackungsquerschnitt der Infusion der Vorform
mit sich überschneidenden
Lamellen, ähnlich
zu 8.
-
11 ist ein schematischer Einsackungsquerschnitt
für eine
mit einem Träger
versteifte Schichtplatte.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Unser
Flüssigformungsprozess
und -system produziert bei niedrigen Kosten Verbundstoffstrukturen mit
hervorragender Qualität.
Eine einfache Werkzeugbestückung,
minimale Kapitalerfordernisse, eine Chargenprozessierungsfähigkeit,
hohe Ausbeuten, eine Fähigkeit
zu komplexen Formungen und andere Prozessierungsmerkmale machen
ihn zu einem außergewöhnlich ökonomi schen
Verfahren zur Verbundstoffherstellung. Zusätzlich zu der Erschwinglichkeit
des Prozesses ist er auf bewundernswerte Weise an andere fortgeschrittene
Verbundstofftechnologien angepasst, wie zum Beispiel eine Heftung,
ein Z-pinning, Elektronenstrahlaushärtung, 3-D-Gewebe und Niedrigtemperaturaushärtung. Der
bevorzugte Prozess ist insbesondere geeignet, große Strukturen
herzustellen. Solche Strukturen haben eine Fläche von 14–19 m2 (150–200 Quadratfuß) oder
mehr, wie zum Beispiel ein Flügelkasten,
ein Busaufbau oder ein Bootsrumpf. Der Prozess ist auch insbesondere
geeignet, große
Strukturen, welche einen sehr komplexen versteiften Aufbau aufweisen (was
im Luft- und Raumfahrtbereich üblich
ist, um das Verhältnis
von Festigkeit zu Gewicht zu maximieren) und andere einzigartige
Produkte, welche unter Verwendung von bekannten Verbundstoffprozessierungstechnologien
schwierig, wenn nicht gar unmöglich,
herzustellen sind, herzustellen.
-
Der
bevorzugte Prozess der vorliegenden Erfindung ist bestrebt:
- 1. signifikant die Verbundstoffherstellungskosten
zu reduzieren, indem günstigere
Rohmaterialien verwendet werden, eine Teilintegration ermöglicht wird,
Kapitalerfordernisse reduziert werden, Werkzeugbestückungskosten
verringert werden und die Arbeitszykluszeit beschleunigt wird;
- 2. die Exposition von Arbeitern gegenüber gefährlichen Materialien zu reduzieren;
- 3. für
Luft- und Raumfahrtverbundstoffe erforderliche hohe Faservolumina
beizubehalten und die mit derzeitigen Prepreg-Prozessierungstechniken
verknüpfte
Qualität
zu erreichen;
- 4. die Entwicklung von einzigartigen zuvor unerreichbaren fortgeschrittenen
Verbundstoffstrukturen zu ermöglichen;
und
- 5. einfach an praktisch jedem gewünschten Ort mit minimalen Investitionen
einsetzbar zu sein.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
unseres Doppelsack-Vakuuminfusionsprozesses ist in 1 und 2 dargestellt.
Fortgeschrittene Prozessierungskonzepte sind in 3–6 dargestellt.
Ein Doppelsackprozess verbessert die Vakuumintegrität (wünschenswert
für große Infusionen)
und reduziert eine Bewegung des Einsackungsmaterials weg von der
Vorform hinter der Wellenfront (d. h. eine „Relaxation"), wie es mitunter
bei einem Einzelsack auftritt. Die grundlegenden Prozessierungsschritte
sind:
- 1. Werkzeugauswahl und Vorbereitung
- 2. Vorformherstellung
- 3. Einsackung und Leitungsführung
- 4. Vakuumtrocknung (optional)
- 5. Infusion der Vorform
- 6. Harzaushärtung
- 7. Entformung
- 8. Nachhärtung
(optional)
- 9. Beschnitt und Inspektion
-
Wir
werden jeden dieser Schritte separat mit einer gewissen Genauigkeit
diskutieren.
-
Werkzeugauswahl und Vorbereitung
-
Metall,
Verbundstoffe, monolithisches Graphit, kunststoffüberzogenes
Gips, Holz, Schaum, Elastomere, Modellkarton, Glas oder andere Materialien
für die
Werkzeugbestückung
können
die erforderliche Vakuumintegrität
gewährleisten.
Undichte Werkzeuge sind nicht akzeptabel, weil Luft während des
Infusionsschritts in die Vorform und das Harz eintritt. Die resultierenden
Teile würden
eine Porosität
oder Hohlräume
aufweisen. Materialien, welche empfindlich gegenüber einer Undichtigkeit sind,
müssen
vor der Verwendung geeignet abgedichtet werden. Die Werkzeuge sind
typischerweise einseitig, jedoch können auch angepasste Werkzeuge verwendet
werden. Teile können
bezüglich
der inneren Formungslinie oder der äußeren Formungslinie in männlichen
oder weiblichen Werkzeugen bearbeitet werden. Wir bevorzugen weibliche
Formen, welche bezüglich
der äußeren Formungslinie
bearbeitet sind, um einen besseren Oberflächenabschluss zu gewährleisten.
Formen dieses Typs ermöglichen
gemeinsame Aushärtungsprozesse
zum Einbeziehen von internen Versteifungselementen, wie zum Beispiel
Längsprofilen,
Rahmen, Holmen und anderen Merkmalen, in die Struktur bei minimalen
Werkzeugbestückungserfordernissen.
Eine Außenformungslinienwerkzeugbestückung dieses
Typs ermöglicht
auch eine Formung von Schwellen für Zugangstüren in die Hüllen an
den gewünschten Positionen.
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Werkzeugsbestückungsdetails
zum Einbeziehen von internen Merkmalen in das geformte Teil werden typischerweise
erreicht, indem Blöcke
aus Aluminium oder anderen geeigneten Materialien, welche für die Vorform
gewünschte
Versteifungselemente einschließen,
verwendet werden. Diese Werkzeugsdetails ermöglichen sogar in bequemer Weise
eine Verfestigung und einen Endbeschnitt von einigen dieser Vorformmerkmalen, bevor
die Merkmale in der Form installiert werden. Die Möglichkeit,
diese Versteifungselemente vorzeitig zu verfestigen, erleichtert
das Vorformauflegen, reduziert die Gesamtzykluszeit und ermöglicht es,
Präzisionsmerkmale
herzustellen, ohne eine Beschädigung
an der darunter liegenden Hülle
zu riskieren.
-
Geteilte
elastomere Hutdorne, welche verwendet werden, um konturierte Lamellen
herzustellen, können
in unserem Prozess geformt werden. Die flachen Hutdorne werden gegossen
oder mit einem Wasserstrahl aus einer Gummiplatte ausgeschnitten.
Weil die Dornhälften
aus einem elastomeren Material hergestellt sind, können die
flachen Abschnitte in kurvige Konturen gezwungen werden. Wenn die
Hutdornabschnitte das Vorformmaterial einschließen, kann die Anordnung in
einer Weise, welche eine Lückenbildung
vermeidet, in die Hüllenkontur
gezwungen werden. Diese Technik löst effektiv einige Zusammenbau-
oder Verbindungsprobleme, auf welche bei einer steiferen, präzisionsbearbeiteten
Metallwerkzeugbestückung
getroffen werden kann.
-
Obwohl
sie wenigstens vier Mal teurer sind als eine ähnliche Aluminiumwerkzeugbestückung, ermöglichen
PYREX-Glasprojektplatten und -werkzeugbalken eine direkte visuelle
Beobachtung der Harzflussfront, wenn die Vorform infundiert wird.
Die Vorderkante einer Harzwellenfront weist einen sich mit einem
niedrigen Winkel verjüngenden
Querschnitt durch die Vorformdicke auf. Der Infusionsprozess durchläuft einen
zyklischen Füll-
und Ableitungsprozess, wenn die Flussrate in den Vakuumrohren nicht
vor einem endgültigen Rohrverschluss
auf eine niedrige Rate reguliert wird. Eine Glaswerkzeugbestückung ist
nützlich,
um den Infusionsprozess zu studieren und zu lernen ihn zu kontrollieren,
weil die Werkzeugbestückung
eine visu elle Überprüfung während des
gesamten Prozesses ermöglicht.
Eine Glaswerkzeugbestückung
ist jedoch wahrscheinlich für
viele Herstellungsprozesse nicht praktikabel.
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Beim
Herstellen von komplexen Mithärtungsteilen,
muss die interne Werkzeugbestückung
für die
Versteifungselemente aufgrund von typischen Grenzflächenerfordernissen
zu anschließenden
Teilen präzise
in der Form positioniert werden. Verschiedene Techniken können verwendet
werden, um die Werkzeugbestückung
präzise
zu positionieren, einschließlich
entfernbarer Werkzeuganschläge,
Stiften in Abfallbereichen oder Bolzenpositionen, Ausrichtungsführungen
oder Hochleistungsseltenerdmagnete zum Halten der Werkzeugbestückung in
Position. Komplexe Mithärtungsteile
können
mit einer hervorragenden Abmessungskontrolle der verschiedenartigen
Teilmerkmale hergestellt werden.
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Bei
der Vorbereitung eines Werkzeugs zur Teilauflage und Einsackung
bringen wir FREKOTE 700 NC oder einen anderen geeigneten Ablösungswirkstoff
auf, um sicherzustellen, dass das geformte Teil nicht an der Form
anhaftet. Wir positionieren die Dichtungen für den inneren und äußeren Sack,
welche sauber, frei von Auftrag aus vorherigen Durchläufen und
vor allem vor Ablösungswirkstoffverunreinigung
geschützt
sein müssen.
Um die Dichtungspositionen des inneren und äußeren Sacks an dem Werkzeug
vor einer Ablösungswirkstoffverunreinigung
zu schützen,
bringen wir ein einen Zoll breites Haftklebeband an den Dichtungspositionen als
Maske auf das Werkzeug auf, bevor die Ablösungsbeschichtung aufgebracht
wird. Sobald das Basiswerkzeug losgelöst ist, wird das Haftklebeband
entfernt, um verunreinigungsfreie Dichtungspositionen freizugeben. Eine
Lösungsmittelreinigung
und/oder eine leichte Abrasivhonung kann für die Werkzeugoberflächen nach mehreren
Verwendungen erforderlich sein.
-
Auf
Hochglanz-Verbundstoffwerkzeugen, bevorzugen wir es, das Werkzeug
an den Dichtungspositionen leicht anzuschleifen, um eine bessere
Dichtmittelanhaftung zu erreichen. Falls erwünscht, können wir auch inverse Maskierungstechniken
verwenden, um das Werkzeug nur an den Sackdichtungspositionen anzuschleifen.
-
Um
Wirbelmuster in der Ablösungsschicht
und eine mögliche
Ablösungswirkstoffübertragung
von dem Werkzeug auf das geformte Teil zu minimieren, sollte der
Ablösungswirkstoff
von Hand abgewischt werden, bis sich das gesamte Lösungsmittel
verflüchtigt
hat. Ein Wischen vermeidet den „Kaffeefleck"-Effekt, bei welchem sich Ablösungspartikel
an den Kanten der Schlieren ansammeln, wenn das Lösungsmittel
sich verflüchtigt.
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Vorformherstellung
-
Vorformmaterial
-
Unser
Prozess kann im Wesentlichen mit allen Vorformmaterialen verwendet
werden, einschließlich Fasern
aus Quarz, PAN-basiertem
Kohlenstoff, Pitch-basiertem Kohlenstoff, Glas, Siliziumcarbid,
Bor, organische, metallische, keramische und andere Fasern. Swirl-Matten,
gerichtete Schnittfasern, Schnittgewebe, unidirektionale Kettenwirkwaren,
traditionelle bidirektionale Gewebe, triaxiale Gewebe, mehrachsige
Kettenwirkwaren, 2D- und 3D-Flechtmaterialien, 3D-gewebtes Material,
trockene oder mit Bindemittel versehene (d. h. klebrig gemachte)
Filamentwicklungen, zugpositionierte Isogrids, Hybri de, geheftete
Verstärkungen
und Z-Pinning-Verstärkungen
sind nur einige der Vorformmöglichkeiten.
Schichtstrukturen mit Schaum, geheftetem Schaum, eingekapseltem
Wabenmaterial, klebefolienversiegeltem Wabenmaterial und Kernen
aus syntaktischem Schaum können
ebenfalls hergestellt werden. Es kann auch möglich sein, Strukturen mit
geeignet behandelten Metalleinsätzen
zu infundieren, um Hybridlaminate, wie zum Beispiel die Ti/Gr-Materialien
von Boeing, herzustellen. Perforierte oder nicht perforierte geätzte Titanfolien
können
mit Verbundstoffvorformen geschichtet werden, um hohe Lasten tragende
Positionen herzustellen, an welchen Verbundstoffe andernfalls versagen
könnten.
Verbundstoffe mit hoher Beanspruchbarkeit, wie zum Beispiel Helikopter-Spundwände oder
pyrotechnisch genutzte Raketenflügel
sind Beispiele, wo eine lokale oder isolierte Titaneinfügung vorteilhaft
eingesetzt werden könnte.
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Wir
können
auch spezialisierte Materialien in die Struktur integrieren, wie
zum Beispiel lichtbogengeschmolzene Beschichtungen, Regenerosionsmaterialien,
leitfähige
Masseplatten, leitfähige
Maschen, Widerstandsplatinen, Applikationen, Mikrochips, MEMS, Keramiken,
Antennen, Sensoren oder Filme.
-
Das Erfordernis für Vorformbindemittel
oder -tackifier
-
Handhabung,
Schneiden, Formen und Verfestigen von Trockenfaservorformen zu Präzisionsstrukturen
kann schwierig sein. Der angetroffene Schwierigkeitsgrad ist abhängig von
dem Ausgangsmaterial für
die Vorform, dem Auflageprozess und den hergestellten Formen. Einige
stabile Vorformmaterialien (wie zum Beispiel 3D-Gewebe, geheftete
Vorformen, mehrachsige Kettenwirkwaren, stark vorgeleimte Gewebe
und enge dünne
Gewebe) können
bei einfachen Strukturen ohne Bindemittel oder Tacki fier verwendete
werden. Andere Vorformen (wie zum Beispiel 5HS-Gewebe, 8HS-Gewebe,
offene Einfachgewebe, unidirektionale Maschen und gerichtete Schnittmatten)
werden gewöhnlich
mit Bindemitteln oder Tackifiern stabilisiert, um einen Faserverlust
zu vermeiden, ein automatisiertes NC-Schneiden zu ermöglichen,
bei maßgeschneiderten
Auflagen scharfe Schneidelinien zu erzeugen und eine übermäßige Materialverzerrung
bei einer normalen Handhabung zu vermeiden.
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Die
Auflagetechnik spielt auch eine Rolle beim Bestimmen des Bedarfs
an Tackifiern. Filamentwicklungszylinder und/oder Druckgefäße mit Trockenfasern
würden
zu stabilen Vorformen führen,
welche erfolgreich infundiert werden könnten. Geflochtene Röhren und
andere Formen würden
in vielen Fällen
ohne Bindemittel stabile Vorformen sein. Gewickelte oder faserig
angeordnete Isogrids würden
wahrscheinlich auch stabile Vorformen sein. Ein Vorformauflegen
von Hand erfordert allgemein ein mit einem Bindemittel versehenes Material,
sowie es auch eine komplexe Wicklung oder Verflechtung von nicht
kreisförmigen
geschlossenen Körpern
tut.
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Um
einfach flache Platten oder leicht konturierte Hüllen ohne Lagenmaßschneiderung
zu produzieren, können
fast alle Vorformmaterialien können
ohne Bindemittel verwendet werden. Komplexe Formen, wie zum Beispiel
Radome, Heckkonusse, integral versteifte Hüllen, tiefe Strukturen, multidirektional
versteifte Komponenten oder der Aufbau von hochgradig maßgeschneiderten
Strukturen erfordern Tackifier für
eine Materialanhaftung an der Werkzeugbestückung, eine verbesserte Verfestigung
oder Verdichtung, einen verbesserten Beschnitt und eine bessere
Abmessungskontrolle.
-
Neuartige Bindemittel-Sprühaufbringungsmaterialien
und -prozesse
-
Unsere
bevorzugten Bindemittelmaterialien und -prozesse haben sich aus
vorherigen Arbeiten, um spezialisierte Prepregs unter Verwendung
eines „Sprühimprägnierungsprozesses" herzustellen, entwickelt. Um
dem Gewebe Bindemittel hinzuzufügen,
wird das faserige Material mit einer geprägten Polyethylenunterlage darunter,
um eine Verunreinigung zu vermeiden, auf Tischen ausgerollt. Das
Gewebe wird allgemein derart ausgerichtet, dass die Kett- und Füllfasern
gerade und senkrecht zueinander sind. Eine Bindemittellösung wird
dann auf die freiliegende Seite des Gewebes gesprüht, obwohl
beide Seiten besprüht
werden können, wenn
dies erwünscht
ist. Das Sprühmittel
kann aus einer Handpistole oder für eine präzisere Aufbringung aus einer
robotisch angebrachten Pistole aufgebracht werden. Die Sprühparameter
werden derart eingestellt, dass feine, gleichmäßig verteilte Harztropfen auf
der Oberfläche
der Vorform deponiert werden, während
versucht wird, eine Dochtwirkung auf das Harz in die Vorform hinein
zu minimieren. Harztropfen auf der Oberfläche des Gewebes anstelle einer
gleichförmigen
Harzverteilung in der Vorform maximieren eine Zwischenlagen- und Werkzeuganhaftung,
während
Verluste hinsichtlich Vorformpermeabilität, Aufbringungszeit und Bindemittelgehalt
minimiert werden.
-
Unsere
bevorzugte Bindemittellösung
ist typischerweise ein solvatisiertes halbfestes Polymer, welches
mit dem nachfolgend in die Vorform zu infundierenden Harz kompatibel
ist. Diese halbfesten Materialien haben typischerweise Umgebungsviskositäten zwischen
250.000 und 1.000.000 Centipoise. Das halbfeste Material sollte
eine hohe Klebrigkeit bei Raumtemperatur aufweisen oder sollte in
der Lage sein, bei leichter Erhitzung eine Klebrigkeit zu entwickeln.
Darüber
hinaus sollte das halbfeste Material sich ohne eine deutliche zusätzliche
Aushärtung
verflüssigen,
wenn es während
eines Vakuumaustrocknungsprozesses erhitzt wird. Eine Verflüssigung
des aufgebrachten Bindemittels bei Erwärmung ermöglicht es dem Bindemittel,
durch Dochtwirkung in die Vorform gezogen zu werden, wenn eine Klebrigkeit
nicht mehr von Bedeutung ist, um eine geeignete Positionierung zu
erreichen. Die Dochtwirkung des Bindemittels in die Vorform während sie
sich unter einem Druck des Sacks befindet, ermöglicht eine weitere Verfestigung
der Auflage. Wenn das Harz seinen Aushärtungsgrad während des
erwärmten
Vakuumaushärtungsvorgangs
oder während
möglicher
Infusionsvorgänge
bei erhöhter
Temperatur nicht merklich erhöht,
kann es in der Lage sein, sich chemisch mit dem Infusionsharz zu
verbinden oder darin gelöst
zu werden. Bindemittelsysteme, welche vor der Infusion deutlich avancieren
(d. h. entweder teilweise aushärten
oder beginnen sich querzuvernetzen) können nur relativ schwache mechanische
Bindungen zu dem Infusionsharz entwickeln. Es wurde gezeigt, dass
Bindemittel mit hohen Aushärtungsgraden
einige Verbundstoffeigenschaften um bis zu 10% verschlechtern.
-
Wir
bevorzugen das 5250-4-RTM BMI(Bismaliemid)-Harz von Cytec Fiberite
als Bindemittel für
Infusionen mit 5250-4-RTM BMI. Solche Infusionen erfordern jedoch
hohe Temperaturen, was ihre Schwierigkeit erhöht. Wir bevorzugen den halbfesten
Cyanatester(CE)-Harz M-20 von CIBA als Bindemittel für Infusionen
mit Cyanatestermaterialien, wie zum Beispiel EX-1545, EX-1545-1 und EX-1510
von Bryte Technologies. Für
Infusionen mit epoxybasierten Harzen bevorzugen wir epoxidharzbasierte
halbfeste Bindemittel, wie zum Beispiel PR 500, 3501-6, 3502, 977-3
und FM 300.
-
Eine
typische katalysierte Formulierung der M-20-Cyanatesterbindemittellösung beinhaltet:
halbfestes
M-20-Material | 78,597
Gew.-% |
Kobalt-Acetylacetonat
(CoAcAc) | 0,086
Gew.-% |
Dinonylphenol | 1,572
Gew.-% |
MEK | 19,745
Gew.-% |
-
Um
die M-20-Bindemittellösung
herzustellen, werden das CoAcAc, das Dinonylphenol und eine kleine Menge
MEK für
mehrere Stunden mit einem Magnetrührer in einem geschlossenen
Behälter
gemischt. Die lange Mischzeit ist erforderlich, um das CoAcAc in
Lösung
zu bringen. Dieses organometallische Salz weist relativ niedrige
Löslichkeitsraten
auf und erfordert eine erhebliche Zeit, um sich zu lösen. Das
halbfeste M-20-Harz wird
dann in einem Konvektionsofen auf zwischen 120 und 150°F erwärmt. Bei
diesen Temperaturen wird das M-20 im unkatalysierten Zustand ausreichend
flüssig,
um aus seinem Behälter
im Wesentlichen ohne Harzavancierung im Aushärtungsgrad abgegeben zu werden.
Sobald das Harz abgebeben ist wird der Großteil des MEK-Lösungsmittels
dann dem M-20-Harz hinzugefügt.
Das Harz wird in einem abgedichteten pneumatischen Mischbehälter, welcher
eine Lösungsmittelverflüchtigung
verhindert, in dem MEK gelöst.
Sobald das M-20 gleichmäßig gelöst ist,
wird die Katalysatorlösung
aus CoAcAc, Dinonylphenol und MEK der Basismischung hinzugefügt. Die
Lösung
wird dann in demselben abgedichteten Behälter für mehrere Stunden gemischt,
um den Katalysator zu vermengen und weiter zu lösen, während eine Lösungsmittelverflüchtigung
verhindert wird. Die resultierende Lösung ist dunkelgrün und hat
eine Haltbarkeit von wenigstens einem Monat, wenn sie verschlossen
bei Raumtemperatur ohne Feuchtigkeitsaussetzung gelagert wird. Ein
Scheitern, das M-20 unter Erwärmung
aus seinem Be hälter
abzugeben, kann zu einer Kristallisierung der Bindemittellösung führen. Eine Kristallisierung
wird auf einfache Weise erfasst, indem beobachtet wird, dass die
Lösung
eine leicht erbsengrüne
Farbe aufweist.
-
Eine
vereinfachte und möglicherweise
verbesserte M-20-Bindemittellösung scheint
technisch möglich zu
sein. Ein unkatalysierter M-20-Cyanatester kann bei Temperaturen
oberhalb von 120°C
(250°F)
thermisch ausgehärtet
werden. Da die Cyanatesterinfusionsharze typischerweise bei 175°C (350°F) und höherer Temperatur
ausgehärtet
werden und Nachaushärtungen
häufig
erforderlich sind, könnte
eine M-20-Aushärtung
bei Abwesenheit jeglichen Katalysators erwartet werden. Der für die Cyanatesterinfusionsharze
verwendete Katalysator kann wahrscheinlich auch das M-20-Bindemittelharz
katalysieren, da sie auf einer ähnlichen
Chemie beruhen und das Verhältnis
von Infusionsharz zu Bindemittelharz relativ hoch ist. Eine Infusionsharzkatalyse des
Bindemittelharzes scheint wahrscheinlich zu sein, da die Infusionsharze
die kleinen M-20-Harzinseln lösen können und
eine erhebliche statische Durchmischung auftritt, wenn das Infusionsharz
durch die Vorform perkoliert. Die Kombination von thermischer Aushärtung von
M-20 und eine Infusionsharzkatalyse des Bindemittels legt nahe,
dass die Bindemittellösungen
ohne die Hinzufügung
des Dinonylphenols und der CoAcAc-Katalysatoren formuliert werden
können.
-
Ein
Eliminieren dieser Komponenten aus der Bindemittellösung hat
verschiedene potenzielle Vorteile. Die Bindemittellösung kann
deutlich schneller hergestellt werden (möglicherweise in einem Zehntel
der Zeit), als es derzeit erforderlich ist, um die katalysierte
Version herzustellen. Die resultierende Lösung weist wahrscheinlich eine
sehr viel längere
Topfzeit auf, möglicherweise
so viel wie sechs Monate. Die mit Binde mittel versehenen Vorformen
sollten bezüglich
der katalysierten Version verlängerte
Verarbeitungszeiten bei Raumtemperatur und längere Haltbarkeiten in der
Lagerung aufweisen. Das latentere bzw. trägere Material würde auch
dazu neigen, weniger als die katalysierte Version zu avancieren,
wenn es thermischen Verdichtungszyklen oder thermischen Vakuumsaustrocknungsprozessen
ausgesetzt wird. Der reduzierte Aushärtungsgrad bedeutet, dass das
Bindemittel sich leichter mit dem Infusionsharz vermischen kann.
Bindemittel mit niedrigem Aushärtungsgrad
sollten die Vorform niemals in einem schlecht verfestigten Zustand
festsetzen, welcher verhindern würde,
dass höhere
Faservolumina während
des DBVI-Prozesses erreicht werden.
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Eine
typische Formulierung für
die 5250-4-RTM BMI-Bindemittellösung ist:
5250-4-RTM-BMI-Harz | 80
Gew.-% |
MEK | 20
Gew.-% |
-
Um
diese Bindemittellösung
zu formulieren, wird das 5250-4-RTM-BMI-Harz
erhitzt und typischerweise unter Verwendung eines Graco-Hot-Melt-Dispensers
erhitzt und aus einem Kanister von 19 l (5 Gallon) abgegeben. Das
Harz wird vor der Abgabe auf zwischen 110°C (230°F) und 132°C (270°F) erwärmt. Bei diesen Temperaturen
wird das BMI über
eine Zeitspanne von ungefähr
drei Stunden langsam avancieren. Da der Abgabevorgang in weniger
als 15 Minuten abgeschlossen werden kann, tritt eine unbedeutende
Harzavancierung auf. Auch während
des thermischen Vakuumaustrocknungszyklus ist die Avancierung unbedeutend.
Sobald das Harz in ein Vakuummischgefäß abgebeben wurde und leicht
abgekühlt
ist, wird dem Harz MEK-Lösungsmittel
hinzugefügt.
Das Harz wird unter Verwendung ei nes pneumatisch angetriebenen Rührers in
einem abgedichteten Behälter
in dem Lösungsmittelträger gelöst. Ein
pneumatisches Rühren
wird verwendet, um potenziell explosive Zustände zu vermeiden, welche bei
elektrischen Mischern auftreten könnten. Sobald das Harz aufgelöst ist,
ist die BMI-Bindemittellösung verwendungsbereit.
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Ein
weiterer Ansatz zum Herstellen von 5250-4-RTM-BMI-Bindemittellösungen ist
es, Harz unter Verwendung der Hot-Melt-Abgabetechnik in einen 1-Gallon-Kanister
abzugeben. Das Harz wird dann für
eine Wiederverfestigung auf Raumtemperatur abgekühlt. Keramik- oder Edelstahlkugeln
werden dem Kanister beigefügt.
Der Kanister wird abgedichtet und für eine kurze Zeitspanne auf
einer Rollkugelmühle
oder in einem Farbschüttler
positioniert. Der Stoß der
Kugeln bewirkt, dass das spröde
halbfeste Harz sich in ein feines Puder mit einem sehr viel größeren Volumenfaktor
pulverisiert. Das gemahlene Harz kann verschlossen und gefroren in
dem Kanister gehalten werden, bis es zum Herstellen einer Bindemittellösung benötigt wird,
oder kann sofort verwendet werden. Ein Vergrößern der Oberfläche des
Harzes ermöglicht
es dem MEK-Lösungsmittel,
das Bindemittel Harz schneller zu lösen als es mit einem einfachen
pneumatischen Mischen von einem großen Teil von volumenverfestigtem
Harz mit Lösungsmittel
möglich
ist. Sobald das Lösungsmittel
hinzugefügt
ist, ist nur ein geringes zusätzliches
Mischen erforderlich. Die Lösung
kann durch Einwegfilter gefiltert werden, um die Mahlkugeln und
mögliche
andere Fremdobjekte zu entfernen.
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Obwohl
die angegebenen Formulierungen die Verwendung von MEK zum Lösen des
Harzes spezifizieren, können
andere Lösungsmittel
oder Verdünnungsmittel,
wie zum Beispiel Aceton, N-Methylpyrrolidinon (NMP),
Methylisobutylketon (MIBK), Wasser, reaktive Verdünnungsmittel
und andere, verwendet werden. Verdünnungsmittelveränderungen
können
verwendet werden, um Sprüheigenschaften
zu modifizieren und eine Raumtemperaturklebrigkeit von aufgesprühten halbfesten
Bindemittelharzen niedriger Klebrigkeit zu erhöhen. Eine Lösungsmittelrückhaltung
in dem aufgesprühten
Bindemittel kann durch die Verwendung von Lösungsmitteln niedrigerer Flüchtigkeit
(d. h. Lösungsmitteln
mit niedrigerem Dampfdruck bei Raumtemperatur) oder Lösungsmitteln,
welche eine höhere
Affinität
für das
gegebene Harzmaterial aufweisen, erreicht werden. Das in dem aufgebrachten
Bindemittel zurückgehaltene
Lösungsmittel
plastifiziert das Harz und erhöht
typischerweise die Raumtemperaturklebeeigenschaften von Harzen niedriger
Klebrigkeit. Das Lösungsmittel
in den mit Bindemittel versehenen Vorformmaterialen kann nachfolgend
vor einer Harzinfusion während
der erwärmten Vakuumaustrocknungsvorgänge entfernt
werden.
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Die
halbfesten Polymeranteile in den Bindemittellösungen liegen typischerweise
in dem Bereich von 70–90
Gew.-% und sind allgemein 80 Gew.-%. Die Sprühmittelviskositäten liegen
im Bereich zwischen 100 und 500 Centipoise. Die Bindemittellösungen sind
erheblich dicker als viele Sprühmaterialien.
Die höheren
Viskositäten
und die hohen Feststoffanteile dienen dazu, Übertragungseffizienzen zu maximieren,
eine Tröpfchenverteilung
anstelle einer feinen Benetzung zu erreichen, Lösungsmittelemissionen zu minimieren
und eine Harzmigration und Durchtränkung des Gewebes zu vermeiden.
Wenn sich die Lösungen
von der Pistole zu der Oberfläche
der Vorform bewegen, verflüchtigt
sich Lösungsmittel
(Weichmacher) und das verbleibende Harz wird viskoser, da es weniger
Weichmacher aufweist. Die dicken Tröpfchen können nicht merklich durch Dochtwirkung
in das Gewebe gezogen werden, wenn sie es berühren. Die Transfereffizienzen
sind bei typischen luftunter stützten
luftlosen Sprühprozessen
in der Größenordnung
von 50–60%.
Diese Effizienzen können
potenziell durch die Verwendung von elektrostatischen Flüssigsprühtechnologien
auf über
90% erhöht werden.
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Die
Bindemittelanteile auf dem Gewebe liegen typischerweise im Bereich
zwischen 1 und 10 Gew.-%, obwohl 3–7 Gew.-% typischer ist. Gewebe
mit geringerem Gewicht, wie zum Beispiel 5HS, benötigen im
Allgemeinen einen höheren
Bindemittelanteil als dickere Vorformen, wie zum Beispiel mehrachsige
Kettenwirkwaren, weil die Klebrigkeit stärker von der Oberfläche als
von dem Volumen oder Gewicht der Vorform abhängt. Vorformen mit einem Bindemittelanteil
von mehr als 15 Gew.-% können
eine Durchtränkung
erfahren und während
der Harzinfusion Permeabilitätsprobleme
hervorrufen.
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Vorformmaterialien
werden typischerweise als Platten mit Bindemittel versehen. Sobald
der Hauptteil des Lösungsmittels
sich nach der Aufbringung verflüchtigt
hat, wird dann ein Polyethylenfilm über der mit Bindemittel versehenen
Vorform angeordnet. Die Polyethylenfolien können manuell mit Vorlagen oder
mit automatisierten numerisch gesteuerten Messern auf großen Vakuumunterlagen
geschnitten werden, um die erforderlichen Lagen herzustellen. Das
mit Bindemittel versehene Material kann manuell auf Kartonröhren mit
großem
Durchmesser aufgewickelt werden, mit Mil-B-131-Säcken versiegelt werden und
in einem Gefriergerät, welches
bei einer Temperatur von ungefähr –18°C (0°F) gehalten
wird, untergebracht werden. Bevor mit Bindemittel versehenes Material
aus Mil-B-131-Gefiersäcken zur
Verwendung entfernt wird, muss das Material auf Umgebungsbedingungen
aufgewärmt
werden, um zu vermeiden, dass Wasser auf der mit Bindemitteln versehenen
Vorform kondensiert.
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Anstelle
von Vorformplatten können
einzelne Materiallagen mit Bindemittel versehen werden, wenn es gewünscht ist,
Bindemittel zu sparen. Eine genaue Passung für die Lagen kann mitunter besser
bei Auflageformen erreicht werden, welche Trockengewebe ohne Bindemittel
verwenden. Bindemittel kann nach der Formung aufgebracht werden,
um Anhaftung an der darunter liegenden Form oder den darunter liegenden
Lagen zu unterstützen.
Eine Verwendung von Trockengewebe ist insbesondere hilfreich, wo
flache Muster nicht entwickelt wurden und eine Trial-and-Error-Zusammenfügung mit
enger Tolerierung erforderlich ist.
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Die
Bindemittelmaterialien und -prozesse wurden hauptsächlich für eine Offline-Sprühmittelaufbringung
auf Vorformmaterialien entwickelt. Jedoch können die Bindemittelmaterialien
und der Sprühmittelaufbringungsprozess
während
einer Vorformauflage verwendet werden. Wenn zusätzliche Klebrigkeit in einem
gegebenen Bereich benötigt
wird, kann das benötigte
Bindemittel lokal aufgebracht werden. Vorformauflagen von ersten
Lagen auf einer konturierten Werkzeugsbestückung, Lagenverbindungen mit
Stoßfugen,
eingebettete Sensoren und ein Halten in Position von Versteifungseinzelteilen
sind Beispiele, wo eine Inline-Aufbringung von Bindemittel innerhalb
der Form hilfreich ist. Bei trockenen gewickelten oder geflochtenen
Strukturen könnte
die Vorform periodisch auf den Dornen klebrig gemacht werden, wenn
das faserige Material aufgetragen wird. Dies zu tun, würde das
Erfordernis, Bindemittel auf individuelles Endloswergmaterial aufzubringen,
vermeiden und würde
es ermöglichen,
das Wergmaterial ohne eine Gefrieraufbewahrung, Haltbarkeitsbegrenzungen
oder Gummierung von Fördereinrichtungen
zu verwenden. Wergunterbrechungen auf Towpreg-Rollen können einhergehen
mit einer übermäßigen Klebrigkeit
zwischen den Rollenwicklungen. Ein etwas geringerer Grad an Unterbrechungen
kann auch bei mit Bindemittel versehenem Werg auf Rollen erwartet
werden. Somit kann, indem Bindemittel anstelle auf das auf der Rolle
verpackte Werg auf das Wergmaterial auf dem Dorn aufgebracht wird,
Faserbruch vermieden werden, während
dennoch eine Vorformstabilität
gewährleistet
wird. Offene Werghohlräume,
auf welche bei Towpregs getroffen wird, können vermieden werden, wenn
trockene oder mit Bindemittel versehene gewickelte oder geflochtene
Vorformen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Prozesses infundiert werden.
Mit einer Feuchtwicklung und einer Feuchtflechtung verknüpfte Schwierigkeiten
werden ebenfalls vermieden.
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Für ein robotisches
Aufsprühen
des Bindemittels auf die Vorform (5) wird
die Bindemittellösung
in ein Druckgefäß 501 mit
einer entfernbaren Polyethylendeckschicht gefüllt. Der Deckel 502 wird
angebracht und druckdicht arretiert. Ein Fluidzufuhrschlauch 503 wird
mit dem Aufnahmerohr 504 innerhalb des Druckgefäßes verbunden.
Stickstoff oder trockene Luft mit geregeltem Druck wird durch eine
Leitung 505 eingeführt, um
das Gefäß unter
Druck zu setzen und Harz in das Aufnahmerohr und die Leitung zu
drücken.
Das Druckgefäß hat Druckentlastungsventile,
um eine übermäßige Druckbeaufschlagung
zu vermeiden und Druck aus dem Gefäß zu entlassen, um Harz zu
entfernen oder hinzuzufügen.
Ein Regler ist nahe der Pistole 506 installiert, um den
Druck des zugeführten
Fluids zu regeln. Ein Regeln des Fluiddrucks an der Pistole steuert
die Volumenflussrate durch die Sprühdüse der Pistole. Ein Installieren
des Reglers nahe der Pistole vermeidet jeglichen Druckabfalleinfluss
von Schlauchlänge,
Schlauchdurchmesser oder Roboterarmhöhe. Eine Düsenregelung ist auch erforderlich,
um Flussraten zu kontrollieren. Leichte Herstellungsvariationen
hinsichtlich der Düsenöffnung können zu
unter schiedlichen Flüssigkeitsflussraten
führen.
Düsen eines
gegebenen Typs werden untersucht und auf Gleichförmigkeit überprüft und werden ausschließlich zum
Aufsprühen
des Tackifier-Harzes verwendet.
Eine Düsenregelung
und Fluiddruckregulierung an der Pistole wirken zusammen, um gleichbleibende
und wiederholbare Volumenflussraten durch die Düse zu ergeben. Der Druck zur
luftunterstützten
Zerstäubung
durch Leitung 507 wird ebenfalls reguliert und kontrolliert,
um eine gleichbleibende Sprühverteilung aus
der Düse
zu ergeben.
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Der
Roboter 508 trägt
die Pistole und ist dazu programmiert, sich mit einem konstanten
Abstand von der Vorform 509 und einer kontrollierten Geschwindigkeit über der
Vorform zu verschieben. Das Spray aus der Düse weist typischerweise eine
flache Fächerform
auf. Das meiste des Sprühmaterials
wird in der Mitte des Fächers
deponiert, wobei an den Fächerkanten
abnehmende Mengen abgegeben werden. Um diese nicht gleichmäßige Verteilung
in dem Sprühfächer zu
kompensieren, ist der Roboter dazu programmiert, benachbarte Durchläufe überlappen
zu lassen, um die Verteilung auszugleichen. Eine typische Durchlaufschrittweite beträgt ¼ Fächerbreite.
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Eine
Verbindung der Steuerungen miteinander führt zu einer gleichbleibenden,
gleichmäßigen Bindemittelaufbringung
auf die Vorform. Qualitätsüberprüfungstests
werden in der Startphase des Prozesses durchgeführt, um zu gewährleisten,
dass das Bindemittel wie gewünscht
abgegeben wird. Störgrößen können die verwirklichten
Bindemittelanteile beeinflussen. Um Störungen zu kompensieren, kann
die Robotergeschwindigkeit angepasst werden. Der Roboter kann unter
Verwendung einer geeigneten Sprühkabine,
Roboterarmreichweite und seitlichen Roboterbewegung Platten von
mit Bindemittel versehenen Vorfor men mit bis zu 1,5 m (60 Zoll)
Breite und 6 m (20 Fuß)
Länge herstellen.
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Große Mengen
von aufgerollten oder aufgewickelten Breitgewebe-Vorformmaterialien
könnten ökonomisch
mit Bindemittel versehen werden. Ein System mit Zuführungs-
und Aufnahmerollen, einem Sprühbereich und
einem Lösungsmittelverflüchtigungsbereich
können
bei geringen Kosten mit Bindemittel versehene Materialien mit kunststoff-
oder papierhinterlegten Decklagen oder unter Umständen ohne
Decklagen effizient produzieren.
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Mitgehärtete Verbundstoffstrukturen
bedürfen
eines Erhöhens
der Abzieh- und Abscherfestigkeitswerte zwischen den Versteifungselementen
und darunter liegenden Hülle.
Bei hohen Festigkeiten sind „Chicken-Befestigungsmittel" gewöhnlich nicht
erforderlich. Ein Beseitigen von Befestigungsmittelinstallationen führt zu deutlichen
Kostenreduktionen. Klebstoffe mit einer hohen Abziehfestigkeit,
welche zwischen der Hülle und
den Versteifungselementen angeordnet werden, maximieren Festigkeitswerte
zwischen Hülle
und Versteifung. Robuste Bindemittelharze mit hoher Abziehfestigkeit
können
voraussichtlich zur lokalen Anwendung in diesen kritischen Bereichen
entwickelt werden. Die Bindemittel würden den Effekt des Klebstofffilms
nachbilden, jedoch die erforderliche Permeabilität für einen Infusionsharzfluss
gewährleisten.
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Die
meisten Bindemitteltechnologien verwenden derzeit pulverisierte
Harze, welchen es an Raumtemperaturklebrigkeit fehlt. Obwohl sie
bei Erwärmung
klebrig sind, sind die Topfzeiten dieser Bindemittel bei erhöhten Infusionstemperaturen
allgemein kurz. Die Bindemittel können in ihrer Aushärtung soweit
avancieren, dass sie sich nicht mit dem Infusionsharz chemisch verbinden
oder darin lösen
können,
so dass der pri märe Verbindungsmechanismus
dazu neigt, eher mechanisch als chemisch zu sein. Pulverbindemittel
bieten sich nicht für
eine gleichmäßige Verteilung
auf der Vorform an. Eine Pulveranhaftung an der Vorform kann vergleichsweise
schwach sein, was zu einem Materialverlust und einer Fremdmaterialpulverablagerung
in dem Auflagebereich führt.
Darüber
hinaus ist es schwierig, die tatsächlich Menge von deponiertem
Pulver zu kontrollieren. Eine elektrostatische Pulverdeposition
bringt überschüssiges Pulver
auf, welches vor der Verwendung von der Vorform abgeschüttelt werden
muss. Die Pulverdepositionen streben einem natürlichen Bindemittelanteilniveau
zu, welches schwierig auf wünschenswertere
Niveaus zu ändern
ist. In vielen Fällen
können die
schlechten Fließeigenschaften
dieser pulverisierten Systeme die Verfestigung verhindern, welche
erforderlich ist, um Faseranteile mit „Luft- und Raumfahrtqualität" zu erreichen. Niedrige
Raumtemperaturklebrigkeit, geringe Anhaftung an der Vorform, ein
FOD-Potenzial, schlechte chemische Bindung, unzulängliche
Bindemittelanteilkontrolle, schwierige Automatisierung, Vorformverfestigungseinschränkungen
und andere Bedingungen machen eine Verwendung von pulverisierten
Bindemitteln deutlich weniger erstrebenswert. Wir bevorzugen Bindemittellösungen und
Bindemittel-Flüssigsprühtechniken.
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Vorformzusammenbau und -aufbau
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Bei
dem Auflageprozess von Hand besteht eine fertiggestellte Vorform
typischerweise aus mehreren Lagen aus faserigen Materialen, welche
geschnitten, in den gewünschten
Ausrichtungen gestapelt und verdichtet sind. Vorformunterbaugruppen
können
offline für
eine spätere
Installation in der endgültigen
Vorform hergestellt werden. Die Vorformen können mit Trockenfasermaterialien
oder für
eine verbesserte Integrität
und Ver festigung mit Bindemittel versehenen Materialien zusammengefügt werden.
Fertiggestellte Vorformen können
abhängig
von den Teilanforderungen aus Trockenfasermaterialien, mit Bindemittel
versehenen Fasermaterialien oder einer Kombination aus trockenem
und mit Bindemittel versehenem Material hergestellt sein. Die Vorformen
können
auch eine große
Vielfalt von anderen Materialien beinhalten, einschließlich Schäumen, Wabenmaterial,
Prepregs, Klebstofffilmen, Metallen, Keramiken, Sensoren und anderen
Spezialmaterialien.
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Allgemein
gesprochen muss bezüglich
traditioneller Prepreg-Materialien
beim Handhaben von trockenen oder mit Bindemittel versehenen Vorformen
mehr Vorsicht ausgeübt
werden. Andererseits erfordern trockene oder mit Bindemittel versehene
Vorformen typischerweise weniger Vakuumverdichtungsschritte als
Prepregs. Für
einfach Geometrien kann der gesamte Stapel von zusammengefügten Vorformmaterialschichten auf
einmal bei Raumtemperatur vakuumverdichtet werden. Wenn die Teilkomplexität, Konturierung,
Merkmale und Dickenmaßschneiderung
zunehmen, sind zusätzliche
Vakuumverdichtungsschritte während
des Vorformzusammenfügens
erforderlich.
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Mit
Bindemittel versehene Materialien werden bei Raumtemperatur vakuumverdichtet,
um „weiche Bindemittelvorformen" herzustellen. Typischerweise
müssen
weiche Bindemittelvorformen für
eine Aufrechterhaltung der Form auf dem Formungswerkzeug verbleiben,
können
jedoch unter Umständen
für Endformungsvorgänge präzisionsbeschnitten
werden. Die verfestigten „weichen
Bindemittelvorformen" neigen
dazu, eine gewisse Rückfederung
aufzuweisen, und neigen dazu, sich leicht in der Dicke auszudehnen,
wenn sie aus einem Vakuumsack entfernt werden. Das Ausmaß von „Rückfederung" nach einer Verfestigung
ist abhän gig
von der Bindemittelklebrigkeit, dem Bindemittelanteil und anderen
Faktoren.
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Mit
Bindemittel versehene Materialien können auch bei höheren Temperaturen
vakuumverdichtet werden, um „halbsteife
Vorformen" herzustellen.
Die während
des erwärmten
Verdichtens erzeugte Steifigkeit resultiert aus einem Avancieren
des Bindemittels im Aushärtungsgrad
und/oder einer Lösungsmittelentfernung. Diese
halbsteifen Vorformen, welche eine zusätzliche Steifigkeit und Stabilität aufweisen,
ermöglichen
einen vereinfachten Präzisionsbeschnitt.
Details können
bei vorsichtiger Handhabung aus der unterstützenden Werkzeugbestückung entfernt
werden. Weniger Verdichtungswerkzeuge sind erforderlich, um in den
Abmessungen stabile halbsteife Vorformen herzustellen, welche vorübergehend
gelagert werden können.
Die halbsteifen Vorformen bleiben permeabel und können effektiv
mit Harz infundiert werden.
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Die
endgültige
zusammengefügte
Vorform sollte in den meisten Fällen
vor den Einsackungs- und Leitungsführungsvorgängen, welche zur Harzinfusion
erforderlich sind, verdichtet werden. Diese abschließende Vorformverdichtung
ermöglicht
es den Lagen, sich zu glätten
und ohne Kantendichtungsbeeinträchtigung
in der Ebene zu wachsen, und gewährleistet
einen besseren Anfangspunkt zum Auflegen der Komponenten des inneren
Sacks.
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Einsacken und Leitungsführung
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Unser
bevorzugter „Doppelsack"-Prozess führt zu einer überlegenen
Vakuumintegrität.
Die Dichtung des inneren Sacks ist von dem äußeren Sack bedeckt. Der innere
Sack kann sich nicht so einfach von der Dichtung des inneren Sacks
lösen,
da er von dem äußeren Sack
in Position gehalten wird. Darüber
hin aus ist der innere Sack vollständig isoliert und eingeschlossen,
um ihn gegenüber
einer Beschädigung
zu schützen. Wenn
sich eine kleinere Undichtigkeit in dem inneren Sack entwickelt,
wird das System weiter funktionieren, da ein Vakuum innerhalb des äußeren Sacks
verhindert, dass Luft in den inneren Sack eintritt.
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Um
eine noch bessere Vakuumintegrität
zu erreichen, sind die Dichtungen sowohl des inneren als auch des äußeren Sacks
allgemein mit Haftklebebändern
festgeklebt, um eine Sackablösung
zu verhindern. Ein erwärmter
Vakuumaustrocknungsprozess wird unter Umständen verwendet, um die Gum-Rubber-Dichtungen
teilweise offline vor der Flüssigkeitsinfusion
auszuhärten.
Eine Vorhärtung
macht die Dichtung robuster. Wenn eine Undichtigkeit vor den Infusion
erfasst wird, kann sie einfach repariert werden, ohne das Teil zu
beeinträchtigen.
Eine Dichtungsfehlfunktion kann unerwartet während des anfänglichen
Erwärmens
auftreten, wenn das Gum-Rubber sich aufgrund der Wärme und
bevor es ausreichend Zeit gehabt hat, deutlich auszuhärten, weich
wird. Unter Verwendung eines erwärmten
Vakuumaustrocknungsprozesses vor dem Infundieren des Harzes, werden
die klebrigen Gum-Rubber-Dichtungen getestet und durch Aushärtung an
die Säcke
gebunden, so dass es unwahrscheinlich ist, dass eine Dichtungsfehlfunktion
während
der Flüssigkeitsinfusion auftritt.
Das Aushärten
der elastomeren Dichtungen macht sie auch weniger empfänglich gegenüber einem Harzangriff
und einer möglichen
Verunreinigung des Harzes und der Vorform. Neben der Verbesserung
der Dichtungsintegrität
dient der erwärmte
Vakuumaustrocknungsprozess dazu, jegliche flüchtige Substanzen in der Vorform
zu entfernen, positioniert die Säcke
und verbessert eine Verfestigung vor dem Infusionsschritt.
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Eine
vereinfachte Leitungsführung,
um Harz und Vakuum bereitzustellen, verringert Vakuumundichtigkeiten.
Ein bevorzugter Ansatz zur Anschlussanordnung ist es, Harz und Vakuum
dem Teil mit Rohren zuzuführen,
welche durch die Gum-Rubber-Sackdichtungen
laufen. Bei einer Rohrzuführung
durch die Dichtung sind keine Spezialanschlussstücke erforderlich, und keine
Werkzeuglochungen sind erforderlich, welche die Werkzeugverwendung
für andere
Anwendungen begrenzen könnten.
Eine Vielfalt von Rohrleitungen kann verwendet werden. Die Rohrleitungen
müssen
jedoch chemisch inert sein, in der Lage sein, der thermischen Prozessierung
zu widerstehen, nicht unter Vakuum kollabieren und eine effektive
Dichtung mit dem Gum-Rubber-Dichtmittel, durch welches sie verlaufen,
gewährleisten.
Die Rohrleitungen sollten auch ausreichend biegsam sein, um wiederholt
extern abgeklemmt zu werden, ohne zu brechen. Sie sollten ein ausreichendes
wiederholbares Gedächtnis
haben, um wieder eine offene Position zu erlangen, nachdem externe
Klemmen entfernt wurden, so dass Ventile in der Leitung und zusätzliche
Anschlussstücke
nicht erforderlich sind. Die Rohrleitungen sollten klar (optisch
transparent) oder zumindest durchscheinend sein, um eine direkte
Beobachtung des Harzflusses zu ermöglichen. Polyethylen-, Polypropylen-,
Nylon- und TEFLON-Rohrleitungen erfüllen die meisten der Erfordernisse,
jedoch haben wir herausgefunden, dass die TEFLON-Rohrleitungen optimal zur Handhabung
von Harzen höherer
Temperatur, welche bei 350°F
oder darüber
aushärten,
sind. TEFLON-Rohrleitungen beinhalten ETCFE-, PTFE-, FEP- und PFA-Typen von Fluoropolymeren.
Bei unserem verbesserten Prozess maximiert eine sparsame chemische Ätzung der
TEFLON-Rohre eine Anhaftung der Gum-Rubber-Dichtungen an den Rohren.
Unter Verwendung eines Hochtemperatur-Thermoprozesses und eines
einstellbaren Klemmwerkzeugs, um mögliche Undichtigkeiten, welche
daraus resultieren, dass sie Rohrleitungsdrücke durch die weichen Gum-Rubber-Dichtungen
schneiden, zu minimieren, flachen wir auch die Rohre an den Dichtungspositionen
elliptisch ab.
-
Externe
Beanspruchungen auf die Harz- und Vakuumanschlussvorrichtungen können ebenfalls
Undichtigkeiten verursachen. Diese Beanspruchungen können während Handhabungs-,
Klemm-, oder Ventilierungsvorgängen
eingeführt
werden. Unser bevorzugter Prozess verwendet Zugentlastungsvorrichtungen,
welche an die Rohrleitungen angebracht sind, wenn sie die Dichtung
des äußeren Sacks
verlassen, um die kritischen Grenzflächen zwischen Dichtung und
Rohr vor einer übermäßigen Belastung
zu schützen.
Nicht einmal eine missbräuchliche
Rohrhandhabung wird die Dichtungsintegrität verschlechtern.
-
Einige
Flüssigkeiten
(d. h. Harze), welche in die Vorformen infundiert werden, sind ausreichend
reaktiv, um den inneren Sack aggressiv anzugreifen, wenn sie sich
in direktem Kontakt mit den Einsackungsmaterialien befinden. Um
einen solchen Angriff und nachfolgenden Vakuumverlust zu verhindern,
positionieren wir einen inerten Barrierenfilm, wie zum Beispiel
FEP A4000 oder WL5200 (von Airtech Int'l.) zwischen dem Flussmedium und dem
inneren Sack. Eine Harzrückhaltung
in der Vorform durch Gum-Rubber-Dichtungen vereinfacht auch ein
Auflegen des Barrierenfilms und verhindert ein Angreifen des inneren
Sacks an dem Umfang des inneren Sacks, wo er nicht mit dem Barrierenfilm
geschützt
ist.
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Die
hohe Vakuumintegrität,
welche mit unserem Prozess erreichbar ist, hilft dabei, gleichbleibend
Verbundstoffe mit niedrigen Hohlraumanteilen, minimaler Oberflächenporosität, hervorragender
Dickenkontrolle und hohen Faservolumen herzustellen.
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Um
eine einfach flache Platte herzustellen, wird die vakuumsackverdichtete
Vorform optimal eingesackt und angeschlossen wie es in 1 und 2 dargestellt
ist. Sackdichtmittel 2 und 3 für den inneren und äußeren Sack
wird auf dem Werkzeug 1 in Bereichen, welche vor dem Ablösungswirkstoff
maskiert sind, angeordnet, so dass die Säcke idealerweise um 7,62 cm
(3 Zoll) beabstandet sind. In ähnlicher
Weise sollten Abstände
einer Dichtung des inneren Sacks und eines Kantendamms oder Vorformabstände ebenfalls
ungefähr
7,62 cm (3 Zoll) betragen. Dieser Abstand schützt den inneren Sack 62 (2)
bei Verwendung im Zusammenhang mit einer inerten Barrierenfilmdecklage 61 vor
einem möglichen
Angreifen des Sacks durch chemisch aggressive Harzsysteme. Viele
Gum-Rubber-Sackdichtmitteloptionen,
wie zum Beispiel Scheene Morehead 5127, sind kommerziell verfügbar. Die
Papierabdeckung auf der Oberseite des Dichtmittels wird als Schutz
vor einer Kontamination in Position gelassen, bis die Säcke oder
Rohrleitungen installiert sind. Beim Installieren des Dichtmittels
wird sorgfältig
vorgegangen, um ein Einschließen
von Luft zwischen dem Dichtmittel und dem Werkzeug zu vermeiden.
Das Dichtmittel wird mit dem oberen Deckpapier in Position gewalzt, um
die Dichtungspositionierung zu verbessern, während eine Dichtungsverunreinigung
vermieden wird. Dichtmittel müssen
innerhalb der zugewiesenen Haltbarkeit verwendet werden und vor
der Verwendung vor einer Aussetzung gegenüber Feuchtigkeit oder Lösungsmittel
bewahrt werden. Alte Dichtmittel können eine unzureichende Klebrigkeit
aufweisen und können
aufgrund von absorbierter Feuchtigkeit oder Lösungsmitteln während der
Aushärtung
des Teils aufschäumen.
Beide Phänomene
reduzieren die kritische erforderliche Dichtungsintegrität.
-
Ein
fein gewebtes poröses
Ablösungslagenmaterial 59 wird
auf die verdichtete Vorform 51 gelegt (2).
Das Ablösungslagenmaterial
kann Polyester, Nylon, mit einem geeigneten Ablösungswirkstoff, wie zum Beispiel
FREKOTE beschichtetes Glas oder TEFLON-imprägnierte Glasfaser sein. Typischerweise
wird TEFLON-imprägnierte
Glasfaser, wie zum Beispiel CHR3, verwendet, weil sie überlegene
Ablösungseigenschaften
und einen ausgezeichneten Oberflächenabfluss
aufweist. Ablösungslagenmaterialien
sind allgemein weniger als 127 μm
(0,005 Zoll) dick und sind noch typischer 50–76 μm (0,002–0,003 Zoll) dick. Die Ablösungslage
wird allgemein Zoll von den zwei Seiten der Vorform, welche parallel
zu der Flussrichtung verlaufen, beendet, obwohl andere Abstände möglich sind.
Die Ablösungslage
auf der Harzzufuhr- und der Vakuumabzugseite der Vorform können bündig mit
den Enden der Vorform sein oder können sich leicht über das
Ende hinaus erstrecken, in welchem Fall sie unter oder über die
spiralartig aufgewickelten Federn 5 und 6 (1)
gesteckt werden.
-
Ein
Flussmedium 60 wird dann über die Ablösungslage 59 gelegt
(2). Das Flussmedium sollte ein flachprofiliges
Material sein, welches eine hohe gleichmäßige Permeabilität bezüglich der
Vorform aufweist, wie zum Beispiel Glasfaser mit offenem Gewebe,
Rastermaterial, gewebte metallische Raster oder Schnittglasmatten.
Das Medium sollte sich für
eine Konturierung drapieren, ein Kontaminationspotenzial gegenüber dem
Infusionsharz aufweisen, eine geeignete Steifigkeit aufweisen, um
Sackmarkierungen auf dem Teil zu verhindern, und den erforderlichen
Aushärtungszyklus überstehen.
TEFLON-imprägnierte
Glasfasermaterialien mit offenem Gewebe, wie zum Beispiel Taconics
7195 oder ChemFab CHEMGLAS 1589 funktionieren besonders gut als
Flussmediummaterial. TEFLON-imprägnierte
Glasfasermaterialien sind ungefähr
500 μm (0,020 Zoll)
dick, weisen eine gleichmäßige gewebte
Struktur auf, sind chemisch inert und sind widerstandsfähig gegenüber Temperaturen
bis zu 315°C
(600°F).
Ihre in gewisser Weise brettige (steife) Eigenheit ermöglicht eine Konturierung
und Verbiegung, dient jedoch auch dazu, Sackmarkierungen zu verhindern.
Ihre Permeabilität hilft
dabei, die Infusionsharzwellenfront zu kontrollieren und verhindert
eine Ausbildung von eingeschlossenen Hohlräumen während der Infusion, kann jedoch
Probleme für
Infusionen bei Harzen bereiten, welche sehr hohe Viskositäten oder
begrenzte Verarbeitungszeiten vor einer Verdickung aufweisen. Um
die Permeabilität des
Mediums zu erhöhen,
während
dennoch die Eigenheiten einer gleichmäßigen Zuführung und reduzierter Markierungen
beibehalten werden, können
Materialien mit einer höheren
Permeabilität über den
TEFLON-imprägnierten
Glasfasern angeordnet werden. Eine Möglichkeit ist es, brettigeres
Taconics 8308 oder einfach ein weiteres Taconics 7195 über dem
Taconics 7195 zu verwenden, um eine stärker permeable Flussmediumkombination
zu erzeugen, welche die Infusionsraten dramatisch beschleunigen
und eine Prozessierung von viskoseren Harzsystemen ermöglichen
wird.
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Das
Flussmedium wird typischerweise direkt über der Ablösungslage angeordnet und wird
an den Enden unter die spiralförmig
aufgewickelten Federn 5 und 6 gesteckt. Das Einstecken
ermöglicht
eine gute Harzzufuhrkopplung von der Feder in das Flussmedium und
ermöglicht
es auch, dass die Feder nach der Aushärtung leicht von dem Teil entfernt
werden kann, ohne Kantendelaminierungen zu bewirken. Das Flussmedium kann
auf der Vorform vor der Vakuumabzugfeder beendet werden, um die
Wellenfront zu begradigen und eine geringfügige Harzkanalisierung zu korrigieren.
Die Harzgeschwindigkeit der Wellenfront wird aufgrund des höheren Widerstands
reduziert, wenn sie auf den Abfall bzw. die Flanke des Flussmediums
trifft.
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Diese
Geschwindigkeitsreduzierung in den kanalisierten Bereichen ermöglicht es,
dass nacheilende Abschnitte der Wellenfront noch in dem Flussmedium
die kanalisierten Bereiche einholen können, so dass die Wellenfront
gleichmäßig durch
das Flussmedium fortschreitet und die spiralförmig aufgewickelte Feder zur gleichen
Zeit erreicht.
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Spiralförmig aufgewickelte
Stahlfedern (901 & 902, 9),
welche zur Harzzuführung
und zum Abzug aus den Enden der Vorform verwendet werden, werden
typischerweise an den langen Kanten der Vorform angeordnet, um eine
Harzflusslänge
durch die Vorform zu minimieren. Die Federn werden gewöhnlich unmittelbar
benachbart zu der Kante der Vorform positioniert, können jedoch
auch an den Enden auf der Vorform angeordnet werden, wenn für das Endteil
Beschnittbestimmungen mit mehr Abfall gegeben sind. Die Federn haben
im Wesentlichen dieselbe Länge
wie die Kante der Vorform. Weil bisweilen Schmiermittel verwendet
werden, um beim Aufwickeln der Federn zu helfen und eine Korrosion
zu verhindern, müssen
sie mit einem Lösungsmittel,
wie MEK, in einem Spülgefäß gereinigt,
dampfentfettet oder alkalisch gereinigt werden, um eine mögliche Kontamination
zu vermeiden. Die Federn können
ausgeglüht
sein oder aus weicheren Metallen, wie zum Beispiel Aluminium oder
Kupfer, hergestellt sein.
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Weil
ein Harzabzug nicht die Harzzufuhr übersteigen sollte, werden an
der Zuführungsseite
der Vorform typischerweise größere, weiter
gewickelte Federn verwendet als an der Vakuumseite. Einige typischer Federspezifikationen
für die
Zuführungs-
und Vakuumseite der Vorform sind:
Zuführung | 9,5
mm (3/8 Zoll) Außendurchmesser,
Feder |
| stahldraht
mit 0,8 mm (0,032 Zoll) Durchmes |
| ser,
10 Umwicklungen/Zoll, wärmebehandelt |
Vakuum | 6,4
mm (¼ Zoll)
Außendurchmesser,
Federstahl |
| draht
mit 0,8 mm (0,032Zoll) Durchmesser, 15 |
| Wicklungen/Zoll,
wärmebehandelt |
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Es
wurde herausgefunden, dass Stahlfedern den Aushärtungstemperaturerfordernissen
widerstehen und unter dem Vakuumsackdruck nicht kollabieren. Die
Spiralkonfiguration der Harzzufuhr- und Abzugvorrichtungen erzeugt
eine sanft konturierte Vorformkante. Gebohrte Rohrleitungen, spiralförmig geschnittene
Rohrleitungen, spiralförmig
aufgewickelte Metallbänder
oder kleine Ketten können
anstelle von Federn verwendet werden. Aufgrund von möglichen
durchgehenden Reaktionen mit katalysiertem wärmehärtendem Harz im Volumen können die
zulässigen
Durchmesser der Federn dahingehend eingeschränkt werden, dass sie nicht über ungefähr 13 mm
(½ Zoll)
Außendurchmesser
wachsen.
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Nachdem
die Zuführungs-
und Vakuumabzugfedern installiert wurden, wird die Vorform 51 (2)
vorzugsweise entlang der Kante mit einem Gum-Rubber-Dichtmittel 52 abgedichtet.
Das Gum-Rubber sollte unter dem Sackdruck verformbar sein, jedoch
nach wie vor ein vergleichsweise geringes Fließvermögen aufweisen, um eine merkliche
Migration in die Vorform und die Federn zu vermeiden. Das typischerweise
verwendete Dichtmittel ist AirDam 1B von Airtech International.
Dieses Dichtmittel ist 0,5 mm (3/8 Zoll) breit und ungefähr 4,8 mm
(3/16 Zoll) dick. Feine, gemahlene Glasfasern werden für eine Reduktion
des Fließvermögens in
das Dichtmittel eingearbeitet. In einigen Fällen verwenden wir das Dichtmittel
AirDam I mit einem höheren
Fließvermögen. Das
Dichtmittelband wird in langen Streifen in Schichten aufgestapelt,
so dass es in etwa der Dicke der Vorform entspricht. Eine übermäßige Dichtmitteldicke
kann bewirken, dass der innere Sack die Vorform um ihren Umfang
herum überbrückt. Eine
unzulängliche
Dichtmitteldicke kann in extremen Fällen in der Vorform eine Kantenverjüngung aufgrund
von örtlich
begrenzten Sackbeanspruchungen bewirken.
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Sobald
sie in Streifen zu der richtigen Dicke oder Höhe aufgestapelt sind, werden
die zwei Seiten und die Oberseite des Dichtmittels in einen inerten,
leichtgewichtigen, ausdehnbaren Ablösungsfilm, wie zum Beispiel
A4000 oder Wrightlon 5200 eingewickelt. Die freiliegende Unterseite
ermöglicht
es dem Dichtmittel, an dem Werkzeug 50 zu sitzen und ihm
gegenüber
abzudichten (2). Bei nur drei Seiten auf
dem Dichtmittel, welche mit Ablösungsfilm
bedeckt sind, ist es in der Lage, sich nach außen auszudehnen, um eine gute
Dichtung mit den unregelmäßigen Seiten
der Vorform zu bilden. Der enge Kontakt der mit Ablösungsfilm
bedeckten Dichtung mit den Seiten der Vorform verhindert eine Harzkanalisierung
während
der Infusion. Der Ablösungsfilm
begrenzt einen übermäßigen Dichtmittelfluss,
verhindert eine Verunreinigung des Infusionsharzes und der Vorform
mit Dichtmittel und schützt
die Grenzfläche
zwischen Werkzeug und Kantendichtmittel vor einem möglichen
Harzangriff.
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Ein
durchgängiger
Streifen von mit einem Ablösungsfilm
bedecktem Dichtmittel wird eng um den Umfang der Vorform gelegt,
um das Infusionsfluid zurückzuhalten,
bis es während
der Aushärtung
verfestigt wird. Ein Zurückhalten
des Harzes ist wesentlich, um ein Entweichen von Harz und einen
Verlust von hydrostatischem Druck an dem Teil zu vermeiden, insbesondere
zwischen den Zeitpunkten, an welchen die Vakuum- und Zu fuhrrohrleitung
abgeklemmt und abgeschnitten wird und das Harz endgültig geliert
oder sich verfestigt.
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Unter
Umständen
passt der innere Sack 62 oder die Barrierenfilmdeckschicht 61 um
die Vorformanordnung herum, so dass eine Kanalisierung verhindert
wird, und gewährleistet
das erforderliche Zurückhalten von
Fluid ohne die Kantendichtungen. Wir bevorzugen es, Gum-Rubber-Kantendichtungen
zu verwenden, insbesondere für
dicke Vorformen, welche große
Sackdiskontinuitäten
an den Kanten aufweisen, wenn die Viskosität des infundierten Harzes während der
Aushärtung
deutlich abfällt,
oder für
eine Rückhaltung
von Fluid bei geneigten oder vertikalen Infusionen.
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Unser
Prozess verwendet elastische angepasste Rohrverkleidungen (CTFs,
conformal tube fairings) mit konstantem Querschnitt bei breiten
oder großen
versteiften Vorformen. Das flache Profil der verjüngten CTFs
minimiert Einsackungsprobleme und potenzielle Markierungen, insbesondere
wenn sie über
einem halbbrettigen Flussmedium angeordnet werden. Die CTFs können geformt,
in Platten gegossen und mit einem Wasserstrahl geschnitten werden,
um die gewünschten
Schrägen
zu erzeugen, oder können
in einfachen Formen oder Pressformen in eine Gestalt extrudiert
werden. Da diese CTFs aus elastischen Materialien hergestellt sind,
können
flache Allzweck-CTFs hergestellt werden, so dass sie zu den meisten
konturierten Hüllenoberflächen passen.
Eine typischer, bevorzugte CTF ist in 3 dargestellt.
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Um
die CTFs beim Herstellen breiter Baugruppen zu unterstützen, konvertieren
wir, wenn die Infusion fortschreitet, Vakuumleitungen in Zuführungsleitungen,
ohne Luft in den Sack einzuführen
und ohne Markierungen zu erzeugen. Ein Vakuum rohr, welches zum Beispiel
an einer Versteifung angebracht ist, kann verwendet werden, um diese
Versteifung zu infundieren, und danach in eine Zuführungsleitung
für die
nächste
Infusionsbucht oder den nächsten
Infusionsabschnitt konvertiert werden (4). Diese
Konvertierung zwischen Zuführung
und Vakuum verwendet ein T- oder Y-Anschlussstück. Ein Zweig der T-Verbindung
ist mit einer Harzzufuhr verbunden, kann jedoch mit einem Ventil
abgeklemmt oder verschlossen werden, während der andere Zweig offen
gelassen und mit dem Vakuumabflusstank verbunden wird. Sobald Harz
beginnt, die Vakuumleitung zu füllen
und das T-Anschlussstück
ohne Blasen durchläuft,
wird das Rohr, welches aus dem Sack austritt, verschlossen und der
Zweig zu der Harzzufuhr wird geöffnet.
Das Zuführungsrohr
füllt sich
mit Harz und führt
Luft aus allen Rohrleitungen ab. Sobald die Rohre gefüllt sind,
wird die Vakuumleitung, welche zu dem Abflusstank führt, geschlossen
und das aus dem Sack austretende Rohr wird geöffnet, was es einer neuen Harzzufuhr
ermöglicht,
die Vorform zu versorgen.
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Die
Rohrleitungen 8 werden in die erforderlichen Längen geschnitten,
um die Zuführungs-
und Vakuumabzugfedern mit der Harzbehälterquelle 14 bzw.
dem Vakuumabflusstank 9 (1) zu verbinden.
TEFLON-Rohrleitungen, welche aus FEP, ETCFE, PTFE oder PFA hergestellt
sind, können
für Harze,
welche zwischen 120°C
(250°F)
und 315°C
(600°F)
aushärten,
verwendet werden. Preisgünstigere
Rohrleitungen sind für
Aussetzungen gegenüber
niedrigeren Temperaturen verfügbar.
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Ein
Ende jedes Rohrs 8 wird in ein Ätzmittel (wie zum Beispiel
Tetraetch von Gore Industries) eingetaucht, um Fluor von dem TEFLON
abzulösen,
so dass eine chemisch reaktive Oberfläche erzeugt wird, welche aggressiv
an dem Dichtmittel anhaftet. Nach dem Eintauchen in Ätzmittel
werden die Rohre mit Wasser gespült
und getrocknet. Die geätzten
Rohre bleiben für
ausgedehnte Zeitspannen chemisch aktiv und können unbegrenzt gelagert werden,
wenn sie in abgedichteten Säcken
trocken und von einer Aussetzung gegenüber ultraviolettem Licht ferngehalten
werden. Rohrleitungsinnen- und Außendurchmesser für sowohl
die Zuführungs-
als auch Vakuumleitungen sind typischerweise 6,4 mm (0,25 Zoll)
bzw. 9,5 mm (0,375 Zoll), jedoch sind andere Durchmesserkombinationen
möglich.
Zuführungsrohre
mir kleinerem Innendurchmesser können
eine Harzzufuhr in die Vorform einschränken. Rohre mit größerem Innendurchmesser
sind teurer und können
zu unkontrollierten exothermischen Bedingungen aufgrund einer übermäßigen Harzmasse
führen.
Eine Wanddicke der Rohrleitung kann reduziert werden, jedoch leidet
das Rohrgedächtnis
für eine
externe Ventilierung. Dünnwandige
Rohre kollabieren bei erhöhten
Temperaturen.
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Sobald
die Rohre geätzt
wurden, werden Abstände
von den Enden der Federn zu den Sackdichtmittelpositionen bestimmt.
Die Rohrleitungen werden, wo sie eine Grenzfläche mit dem Dichtmittel ausbilden,
in 1 oder 2 Zoll breite Bänder
abgeflacht. Ein Abflachen der Rohre in diesen Bereichen erhöht die Dichtmittelhalterungsfläche und
führt zu
einer geringeren Schneidewirkung durch das Dichtmittel, wenn die
Vorform eingesackt wird und das Dichtmittel weich wird. Ein Erwärmen tritt über den
gesamten Prozess während
des Vakuumaustrocknens, der Infusionen und des Aushärtens auf.
Die Rohre werden mit einer Standardheizpistole auf ungefähr 315°C (600°F) oder höher erwärmt und
dann in einer Schraubzwinge komprimiert. Die Schraubzwinge hat einen
Anschlag, welcher auf eine gewünschte
Dicke eingestellt ist, um ein Kollabieren des Rohrs zu vermeiden
und die Rohre wiederholbar auf dieselbe Dicke abzuflachen. Die Rohre
können
nach dem Abflachen in Wasser abge schreckt werden und getrocknet,
oder auf Raumtemperatur luftgekühlt
werden.
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Die
geätzten
Enden der Rohre sind vorzugsweise mit Klebstoffbandwicklungen, wie
zum Beispiel FLASHBREAKER, KAPTON oder anderem hochtemperaturresistenten
Band an den Federn 5 und 6 angebracht. An der
Vakuumseite ist jede Feder um einen kurzen Abstand in die Verbindungsrohre,
welche mit den entsprechenden Anschlussdurchmessern versehen sind,
eingefügt.
Die abgeschnittenen Enden der Zuführungsfeder sind in Richtung
der Mitte der Feder gebogen, um ein mögliches Durchstechen des Sacks
zu vermeiden. Wenn die Rohre und Federn zusammengefügt werden,
wird das Deckpapier über
den Sackdichtungen an den Rohrleitungspositionen aufgerissen und
abgezogen, um das Dichtmittel freizulegen. Die Rohre und Federn
werden direkt über
das Sackdichtmittel gesetzt.
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Rohr-Zugentlastungsvorrichtungen 25 werden
installiert. Diese U-förmigen
Kanäle 25 (6)
weisen eine Kanaltiefe auf, welche geringer ist als der Außendurchmesser
des zugehörigen
Rohres, um eine leichte Presspassung zu erzeugen. Eine Rohrreibung
und die großen
Querschnitte der Rohre außerhalb
der Kanäle verhindern
eine Bewegung in den kritischen Sackdichtungspositionen.
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Gewöhnlich positionieren
wir einen chemisch resistenten, leichtgewichtigen, dehnbaren äußeren Film 64,
wie zum Beispiel A4000 von Airtech International oder Wrightlon
5200-FEP TEFLON-Film, über
der Baugruppe, um für
Infusionen, welche bei Temperaturen unterhalb von 175°C (350°F) ablaufen,
einen zusätzlichen Schutz
für den
inneren Sack 62 vor einem Harzangriff, einem Durchstoßen des
Sacks oder einem Entweichen von Harz hinter die Kantendichtung zu
gewährleisten.
Ein solcher Film deckt die gesamte Vorformauflage und Kantendichtung
ab und verläuft
bis dicht an die Dichtung des inneren Sacks. Für Aushärtungen bei niedrigerer Temperatur
können
Polyethylen- oder
Polypropylenfilme verwendet werden.
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Wenn
das Harz sehr aggressiv ist, kann es sich hinter die Kante des Schutzfilms
bewegen und den Sack angreifen, solange nicht zusätzliche
Filmstreifen oder -rahmen an der Innenseitenkante der Dichtung 56 des
inneren Sacks installiert werden. Diese Filmstreifen überlappen
typischerweise den inerten Basisbarrierenfilm 61 um 25–76 mm (1–3 Zoll),
um den Fließweg
für das
Harz zum Erreichen des inneren Sacks 62 einzuschränken und
zu verengen.
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Der
innere Sack 62 ist allgemein ein Einweg- oder Verbrauchsfilm
oder -elastomer. Für
lange Produktionsläufe,
insbesondere von komplexen Strukturen, können jedoch angepasste, vorgeformte,
wiederverwendbare elastomere Säcke,
welche aus Silikonen, Fluorosilikonen, Fluorel, Nitrilgummi oder
anderen elastomeren Materialien hergestellt sind, bevorzugt sein.
Der Sack 62 sollte flexibel sein und eine hohe Dehnungsfähigkeit mit
einem relativ geringen Modul aufweisen, um ein Einsacken von komplexen
Teilen zu vereinfachen, welche um die Vorform herum vakuumgeformt
werden können,
sogar wo sie überbrückt sind.
Eine Sacküberbrückung kann über die
Vorform an Diskontinuitäten
auftreten. Ein niedriger Modul reduziert örtliche begrenzte Sackbelastungen
auf die Vorform, welche andernfalls eine Verjüngung, Verzerrung oder Vorformbeschädigung verursachen
können.
Eine Gestaltung des Sacks, so dass er mit der Kontur der Vorform übereinstimmt,
minimiert harzreiche Bereiche in den fertiggestellten Teilen, Harzkanalisierung
und eine Kantenverjüngung
aufgrund von sackinduzierten Belastungen. Obwohl er bei Raumtemperatur
steif ist, kann der Film ausrei chend flexibel werden, wenn er für eine Vakuumaustrocknung,
Infusion oder Aushärtung
erwärmt
wird. Standardnylonsäcke
für eine
Prepreg-Material-Prozessierung bei 175°C (350°F) werden funktionieren, sind
jedoch aufgrund ihrer relativ niedrigen äußersten Dehnung (200–300%) und
hohen Steifigkeit nicht optimal. Einsackungsfilme aus STRETCHLON
700 Polyester und STRETCHLON 800 Nylon von Airtech International
sind überlegen,
weil sie sich über
500% ausdehnen können
und flexibler als die Standardnylonfilme sind. Ein VACPAC-Polyurethanfilm von
Richmond Products ist effektiv bei Niedriegtemperaturaushärtungen
unterhalb von 38°C
(160°F),
weil er einen extrem niedrigen Modul bei Raumtemperatur und eine äußerste Dehnung,
welche sich 1000% annähert, aufweist.
Für Aushärtungen
bis zu 315°C
(600°F)
können
spezielle FEP-basierte Einsackungsfilme, wie zum Beispiel VB3 von
ChemFab anstelle von polymidbasierten Filmen, wie zum Beispiel KAPTON
oder THERMALIMID, verwendet werden. Dieses FEP-Einsackungsmaterial
weist eine Dehnung von mehr als 500% auf, wenn es auf einer Seite
geätzt
wird.
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Zum
Einsacken von komplexen Formen dehnen wir Einwegfilme auf Vorlagenwerkzeugen
bei erhöhten
Temperaturen. Diese gedehnten Säcke
sind einfach zu verwenden und wiederverwendbaren, geformten Gummisäcken beim
Herstellen von komplexen Fertigteilen überlegen.
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Wiederverwendbare,
geformte Gummisäcke
werden allgemein aus Gum-Rubber-Folienbahnen hergestellt, welche
gespleißt, über einem
Vorlagenwerkzeug miteinander versäumt und zur Aushärtung erwärmt werden.
Die Vorlage kann darauf eingebettete oder eingeprägte Muster
aufweisen, um Kanäle
oder Flussmerkmale direkt in dem Sack zu erzeugen, in derselben
Weise, wie es Seemann vorschlägt.
Typischerweise werden diese Gummisäcke behandelt, um eine Harzablösung nach
der Aushärtung
zu ermög lichen,
um ein Angreifen des Sacks zu reduzieren und um die Dichtmittelanhaftung
in ausgewählten
Bereichen, insbesondere um die Kante herum, zu verbessern. Als Versuch,
eine Schrumpfung nach dem Aushärten
zu kontrollieren, können
Verbundstoffmaterialien in die Säcke
eingearbeitet werden.
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Geformte
Gummisäcke
sind erheblich teurer als Einwegeinsackungsfilme, jedoch neigen
die Säcke dazu,
schneller als man erwarten würde
nachzulassen. Ablösungsdecklagen
sind häufig
an dem geformten Gummi angebracht, jedoch können sie sich ablösen und
spinnenartige Falten auf der Sackformungsfläche erzeugen. Nahtdefekte oder
Sackrisse können
auftreten.
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Ein
Herstellen der Vorlagenform kann schwierig sein. Sie muss dazu bemessen
sein, der hohen Sackschrumpfung, welche nach der Aushärtung auftritt,
Rechnung zu tragen. Nichtsdestotrotz schrumpfen die Säcke weiter über wiederholte
Aushärtungszyklen,
was zu einer immer schlechteren Anpassung an die Vorform führt. Das
Zusammenfügungsproblem
wird verstärkt,
weil die Gummisäcke
eine sehr viel höhere
Steifigkeit und Belastung auf die vergleichsweise unstabile Vorform
aufweisen als Einwegfilmsäcke.
Eine gewaltsame Anpassung der Säcke
kann sogar zu einer Bewegung oder Beschädigung der Vorform führen. Bei
der richtigen Sorgfalt können
die Säcke
nur ungefähr
100 Aushärtungszyklen
bei 175°C
(350°F)
widerstehen, jedoch versagen sie häufig in weniger als 10 Zyklen.
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Der
innere Sack 62 wird mit Übergröße bezüglich der innerhalb der Dichtung 56 des
inneren Sacks enthaltenen Fläche
zugeschnitten. Das Schutzpapier wird von der Oberseite des Dichtmittels
des inneren Sacks entfernt. Der innere Sack wird auf das Dichtmittel
gesetzt. Überschüssiges Material
außerhalb
des Umfangs der Dichtung wird zurückgeschnitten, und dann wird
ein Klebstoffband 58 (2), wie
zum Beispiel FLASHBREAKER 1 von Airtech International, verwendet,
um den Einsackungsfilm an das Werkzeug 50 zu kleben, um
die Vakuumintegrität
zu erhöhen
und ein Ablösen
des Sacks zu minimieren.
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Nachdem
der innere Sack 62 installiert ist, wird das Zuführungsrohr
extern mit einer Zange abgeklemmt. Das Ende des Zuführungsrohrs
wird ebenfalls vorübergehend
mit einem Gum-Rubber-Dichtmittel,
wie zum Beispiel demjenigen, welches für die Sackdichtungen 55 und 56 verwendet
wurde, verschlossen. Kappen und Hülsen werden auf die Vakuumrohre 8 geschoben.
Die Enden der Vakuumrohre werden in die Anschlussstücke 16,
welche in dem Vakuumabflusstank 9 installiert sind, geschoben.
Die Enden der Rohre sind in einer ausreichenden Tiefe positioniert,
so dass das Harz in den entfernbaren Stahlkanister 10 ausläuft. Mit
den Vakuumrohren in der richtigen Tiefe werden die Kappen auf die
Anschlussstücke
geschraubt, um die Hülsen
auf den Rohren zu stauchen, was eine Dichtung bezüglich des
Vakuumabflusstanks 9 erzeugt. Gum-Rubber-Dichtmittel wird
um die Anschlusstücke
und Kappen gewickelt, um eine zusätzliche Dichtungsintegrität an dem
Rohr bezüglich
der Abflusskanisterverbindungen zu gewährleisten.
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Eine
Vakuumquelle 11 wird mit dem Abflusstank 9 verbunden,
um ein Vakuum in den installierten inneren Sack 62 zu ziehen.
Die Vakuumleitung weist typischerweise an beiden Enden Schnellverbindungsanschlusstücke auf,
welche es ermöglichen,
sie einfach an den Abflusstank und die Vakuumquelle anzubringen. Sobald
der Sack mit Vakuum festgezogen wurde, wird das Vakuumniveau mit
einem Vakuummessgerät
oder Vakuummessfühler 12 überprüft. Wenn
das Teil ein offensichtlich niedriges Vakuumniveau aufweist, wie
es von dem Messgerät
oder Signalen von der Vakuumpumpe angezeigt wird, werden der Sack
und die Verbindungen mit einem Leckdetektor überprüft, bis die Undichtigkeit gefunden
und repariert ist. Mit einer hocheffizienten Vakuumpumpe sollte
das Vakuumniveau 95 kPa (28 Zoll Hg) übersteigen. Ein Vakuum von
mehr als 98 kPa (29 Zoll Hg) wird bevorzugt, weil es eine zusätzliche
Vorformverdichtung gewährleistet.
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Eine
Entlüftung 63 vom
Typ AIRWEAVE N-10 oder SUPERWEAVE UHT 800 (2) wird über dem inneren
Sack angeordnet und erstreckt sich nahe an aber nicht in Kontakt
mit dem Dichtmittel 55 des äußeren Sacks. Die Entlüftung kann
Glasfasergewebe, Glasfasermatten, Flussmedium oder Stahlwolle (für eine Infrarot-Flussfronterfassung)
sein.
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Ein äußerer Sack 64 wird über der
Entlüftung 64 in
einer ähnlichen
Weise wie der innere Sack 62 installiert. Der äußere Sack
wird an dem Werkzeug 50 mit dem Dichtmittel 55 und
Klebstoffband 57 abgedichtet. Um ein Vakuum in den Hohlraum
zwischen dem inneren und äußeren Sack
einzubringen, wird typischerweise ein Anschlussstück 20 durch
den Sack verwendet, obwohl auch Rohre durch das Werkzeug oder durch
die Dichtung verwendet werden könnten.
Das Anschlussstück
ist mit einem Vakuumschlauch 13 verbunden, welcher an beiden
Enden mit Schnellverbindungsanschlussstücken ausgestattet ist. Die
Vakuumintegrität
des äußeren Sacks
wird in derselben Weise überprüft wie bei
dem inneren Sack.
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Das
Vakuumniveau des inneren Sacks sollte gleich oder besser als das
Vakuumniveau zwischen dem inneren und äußeren Sack sein, so dass von
der zwischen dem inneren und äußeren Sack
definierten Kammer ein Druck auf den inneren Sack ausgeübt wird.
Diese Situation tritt natürlicherweise
auf, wenn sowohl der innere als auch der äußere Sack mit derselben Vakuumquelle
verbunden sind. Wenn das Vakuumniveau des äußeren Sacks das Vakuumniveau
des inneren Sacks übersteigt,
kann bei einer weniger effektiven Verdichtung der Vorform der innere
Sack leicht verschoben werden.
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Vakuumaustrocknung
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Sobald
die Vorform eingesackt und angeschlossen ist, bevorzugen wir es
allgemein, die Vorform unter Vakuum zu erwärmen, um sie zu trocknen. Wir
können
den Trocknungsschritt in einem Konvektionsofen, auf Heizplatten
oder auf erwärmten
Vakuumverdichtungstischen, wie zum Beispiel denjenigen, welche von
Brisk Heat hergestellt werden, abschließen. Eine Verdichtung verfestigt
die Vorform, treibt flüchtige
Substanzen aus, welche in der Vorform oder den Einsackungsmaterialien
eingeschlossen sein können,
und verteilt durch Kapillarwirkung schmelzbare Bindemittel gleichmäßig in die
Vorform. Die inneren und äußeren Dichtungen
werden durch ihre weichste kritische Stufe avanciert, wo sie mit
größter Wahrscheinlichkeit
Undichtigkeiten entwickeln. Die Dichtmittelbindung an den Säcken verbessert
sich durch den Gummiaushärtungsprozess,
was eine verbesserte Vakuumintegrität gewährleistet. Wenn sich eine Undichtigkeit
während
der kritischen weichen Phase in dem Gum-Rubber-Dichtmittel entwickeln
sollte, hat dies keine Folgen, da das Infusionsharz nicht anwesend ist.
Bei erhöhter
Temperatur entdeckte Undichtigkeiten können einfach repariert werden
und die Zuverlässigkeit
in die Sackintegrität
wird erhöht.
Ein Austrocknen hilft dabei, die Kantendichtmittel zu positionieren
und formt durch Vakuum die Einsackungsmaterialien an die Vorformmaterialien,
wodurch eine bessere Anpassung hervorgerufen wird. Diese Anpassungsverbesserung
hilft dabei, eine mögliche
Harzkanalisierung und Überbrückung zu vermeiden,
welche die Ausbildung von harzreichen Bereichen in dem Verbundstoff
ermöglichen würden.
-
Der
bevorzugte Temperaturzyklus für
die Vakuumaustrocknung hängt
von den Vorformmaterialien in dem Einsackungssystem ab. Bei einer
typischen Infusion werden das Werkzeug, die Vorform und die Einsackungsmaterialien
schnell auf 120°C
(250°F)
erwärmt,
bei dieser Temperatur für
eine Stunde gehalten und auf die Infusionstemperatur abgekühlt. Für geheftete
Vorformen und 3-D-gewebte Vorformen ist der Verlauf wegen der hydroskopischen
Eigenheit der organischen Heftfasern und der Wasserschmierstoffe,
welche bei einem 3-D-Webeprozess mit Karbonfasern verwendet werden,
normalerweise zwei Stunden bei 175°C (350°F). In einigen Fällen, wie
zum Beispiel bei Vorformen, welche Kerne aus syntaktischem Schaum
beinhalten, ist eine Erwärmung
nicht erlaubt, weil sie den Schaum schmelzen und zerstören würde. Bindemittel
spielen auch eine signifikante Rolle beim Bestimmen des geeigneten
Austrocknungsvorgangs. Für „weiche" mit einem Cyanatester-Bindemittel
versehene Vorformen, bei welchem das Bindemittel stärker in
dem Infusionsharz löslich
ist, kann der Zyklus eine Stunde bei 71°C (160°F) oder eine halbe Stunde bei
93°C (200°F) sein.
Dieser Zyklus weist eine ausreichend hohe Temperatur auf, um das
Bindemittelmaterial zu schmelzen, um verbleibende Trägerlösungsmittel
auszutreiben und das Bindemittel durch Dochtwirkung in die Vorform
zu ziehen. Diese Temperatur ist niedrig genug, ein deutliches Avancieren
im Aushärtungsgrad
zu vermeiden. Für „halbsteife" Vorformen, welche
mit katalysiertem M-20-Cyanatester-Bindemittel versehen sind, kann
der Zyklus eine Stunde bei 120°C
(250°F)
sein. Die erwärmten
Vakuumaustrocknungszyklen variieren, haben jedoch im Allgemeinen positive
Effekte auf den Gesamtinfusionsprozess.
-
Infusion der Vorform
-
Das
ausgewählte
Harz wird eine Anzahl der für
den Infusionsprozess ausgewählten
Prozessierungsparameter vorschreiben, einschließlich der Mischungs- und Abgabetechniken,
Infusionstemperatur, Flusslängen,
Arbeitszeiten, Temperaturkontrollgrad, Flusslängen und Auswahl des Flussmediums.
-
Bevorzugte
Harze aus einer Prozessierungsperspektive haben einige oder alle
der folgenden Eigenschaften:
- a. Lange Topfzeiten
bei der Infusionstemperatur (mehrere Sunden oder mehr), um komplexe
Infusionen zu ermöglichen
und Einschränkungen
bei der zeitlichen Steuerung zu verringern;
- b. 1- oder 2-teilige Harze für
ein einfaches Mischen;
- c. können
für ein
Arbeiten außerhalb
eines Ofens, Benutzerkomfort, eine verbesserte Prozesskontrolle, schnellere
Prozessierung mit einfacherer und weniger Ausstattung bei Raumtemperatur
gemischt und infundiert werden, ermöglichen vereinfachte Echtzeitmassenbilanzen
und können
leichter für
Wiederverwendungstechniken angepasst werden;
- d. weisen eine Viskosität
im Bereich von 100–350
Centipoise auf, um eine schnelle Infusion ohne Kanalisierung und
vereinfachte Leitungsführungserfordernisse
für die
Herstellung von großen
Teilen zu ermöglichen;
- e. können
ohne Gefahr von gefährlichen
exothermen Bedingungen in großen
Chargen gemischt werden;
- f. sind nicht toxisch und nicht krebserregend;
- g. können
bei Raumtemperatur im ungemischten Zustand gelagert werden, um das
Erfordernis für
ein Auftauen und Gefriergeräte
zu beseitigen;
- h. sind für
eine verringerte Zykluszeit und einen größeren Ofendurchsatz schnell
aushärtend;
- i. haben für
ein verbessertes Durchtränken
eine geringe Oberflächenspannung;
- j. geben unter Hochvakuum keine flüchtigen Substanzen und andere
Gase ab;
- k. weisen eine niedrige Reaktionswärme auf, um die Herstellung
von dicken Teilen zu ermöglichen;
- l. Härten
bei niedrigen Temperaturen aus, um kostengünstigere Vorlagenherstellungswerkzeuge
zu ermöglichen;
- m. sind kompatibel mit Einsackungsmaterialien, um das Risiko
eines Vakuumdefekts, welcher dadurch entsteht, dass das Harz die
Säcke angreift,
zu minimieren;
- n. sind wiederverwendbar, um Abfall zu verringern;
- o. sind kostengünstig
mit einer Hochtemperaturleistungsfähigkeit für anspruchsvolle Anwendungen;
- p. ermöglichen
eine Infusion bei minimaler Viskosität in einem Endphasenszenario,
um Faservolumina zu erhöhen
und die Wahrscheinlichkeit eines Verlustes von hydrostatischem Druck
während
der Aushärtung zu
verringern;
- q. sind während
der Lagerung amorph (kristallisieren nicht);
- r. gelieren nicht, bevor sie auf eine maximale Aushärtungstemperatur
erhitzt werden, um Werkzeugbelastungen auf frisch gelierte komplexe
Komponenten zu beseitigen;
- s. besitzen von Charge zu Charge gleichbleibende und wiederholbare
Gelierzeiten.
-
Bevorzugte
Harze beinhalten EX-1510 und EX-1534 von Bryte Technologies, Cyanatester,
das anhydridbasierte Epoxidharz SI-ZG 5A von ATARD Laboratories
und das 823-Epoxidharz von Cytec-Fiberite. Bevorzugte Harze sind
bei Raumtemperatur Flüssigkeiten
mit niedriger Viskosität
und erfordern zur Infusion folglich kein Erwärmen. Einige Harze, wie zum
Beispiel das 8611 von Ciba Geigy sind bei Raumtemperatur dicke viskose
Flüssigkeiten
(zwischen ungefähr
1.000–10.000
Centipoise) und müssen
auf vergleichsweise niedrige Temperaturen erwärmt werden (typischerweise
zwischen 38–71°C (100–160°F)), um eine
akzeptable Viskosität
zu erreichen (weniger als 0,4 Pa·s–1 (400
Centipoise)). Andere Harze, wie zum Beispiel das PR 500 von 3M und
das 5250-4-RTM von Cytec Fiberite sind bei Raumtemperatur halbfeste
Materialien und müssen
bei vergleichsweise hohen Temperaturen geschmolzen werden, um in
einem akzeptablen Viskositätsbereich
zu infundieren. Wir vermeiden die Verwendung von Harzen, welche
kurze Topfzeiten oder übermäßig lange
Kurvenwinkel aufweisen. Wir vermeiden auch Harze, welche unter Mikrorissbildung
leiden, wenn sie ausgehärtet werden.
-
Eine
Harzchargenpräparation
für die
Flüssigmaterialien
mit niedriger Viskosität
ist vergleichsweise leicht und einfach. Die Komponenten werden zusammen
auf eine Präzisionswaage
abgegeben, für
mehrere Minuten mit einem offenen pneumatisch angetriebenen Rührer gemischt
und dann in einem Vakuumglockengefäß oder Ähnlichem für 5–10 Minuten entlüftet. Wenn
ein Vakuummischer verfügbar
ist, kann das Harz gleichzeitig gemischt und entlüftet werden.
Viskositätsüberprüfungen können mit
einem Viskosimeter vom Brookefield-Typ durchgeführt werden.
-
Für viskose
Flüssigkeiten
muss das Mischen auf einer Heizplatte mit einem nachfolgenden Entlüften in
einem Vakuumofen, um eine Abkühlung
zu vermeiden, durchgeführt
werden. Die Misch-, Erwärmungs-
und Entlüftungsvorgänge sollten
ebenfalls in einem doppelwandigen Vakuummischer, welcher mit Heizfähigkeiten ausgestattet
ist, durchgeführt
werden. Eine sorgfältige
Temperaturüberwachung
ist üblicherweise
erforderlich, um eine gleichmäßige gewünschte Temperatur
in dem Gemisch zu etablieren und mögliche gefährliche exotherme Bedingungen
zu vermeiden.
-
Halbfeste
Materialien werden am effektivsten unter Verwendung eines Graco-Hot-Melt-Dispensers
abgegeben und erwärmt.
Diese Harze werden normalerweise in Vakuumöfen entlüftet, um eine Kühlung zu
minimieren.
-
Sobald
das Harz gemischt, erwärmt
(falls erforderlich) und entlüftet
ist, kann die Masse des in das System zu füllenden Harzes bestimmt werden.
Die Menge von für
eine Infusion erforderlichem Harz ist typischerweise die Summe des
zum Füllen
der Rohre, der Vorform und des Flussmediums erforderlichen Harzes,
zuzüglich
einer zusätzlichen
Arbeitsmenge zwischen 400 und 1.000 g. Die Menge des erforderlichen Überschusses
hängt von
der Teilkonfiguration, der Anzahl von Zufuhrbehältern und davon ab, ob Rückführungstechniken verwendet
werden.
-
Weil
der Doppelsackvakuuminfusionsprozess für das Harz ein System mit geschlossenem
Kreislauf aufweist, können
Massenbilanzen durchgeführt
werden, um den Harzanteil oder das Faservolumen eines gegebenen
Teils vor dem Aushärten
abzuschätzen.
-
Das
Gewicht der Vorform kann direkt gemessen oder aus bekannten Vorformlagenflächen und
nominalen Flächengewichten
abgeschätzt
werden. Mit den Gewichten und der Dichte (d. h. dem spezifischen
Gewicht) des Harzes und der Vorform können der Harzgehalt und das
Faservolumen leicht bestimmt werden.
-
Unter
Verwendung von Präzisionswagen
an dem Zufuhrbehälter 14 und
dem Abflusskanister 10 können Massenflussraten, Fluidgeschwindigkeiten,
eine prozentuale Vorformfüllung
und Faservolumina in jeder Stufe der Infusion bestimmt werden. Damit
die Abflussanzeige richtig arbeitet und eine ausreichende Empfindlichkeit
aufweist, muss sie mit Vakuumdichtungen, um die Energiezufuhr und
Rückführung zu
den Datenaufnahmeeinrichtungen zu führen, innerhalb des Vakuumabflussbehälters positioniert
werden.
-
Wenn
das Harz bei einer erhöhten
Temperatur auf ein heißes
Werkzeug infundiert werden muss, muss der Vorgang in einem Ofen
durchgeführt
werden, oder das Werkzeug und/oder Harz muss erwärmt werden. Für eine Umgebungsprozessierung
kann die Infusion an praktisch jeder zweckmäßigen Stelle oder direkt in dem
Ofen durchgeführt
werden. Wenn die Infusion außerhalb
des Ofens durchgeführt
wird, wird die Prozessierungskapazität maximiert. Wenn Infusionen
außerhalb
des Ofens durchgeführt werden,
ist es wichtig, dass das Vakuumniveau in dem äußeren Sack während des Überführens von
der Infusionsstelle zu dem Ofen zur Aushärtung nicht abnimmt.
-
Um
die Infusion zu beginnen, wird das Ende der Zuführungsleitung 8 mit
einem Rohrschneider abgeschnitten, um den Abschnitt des Rohres mit
dem Dichtmittelstöpsel
zu entfernen. Eine externe Einschnürungsvorrichtung ist auf dem
Zuführungsrohr
installiert, um die Flussrate des Harzes in der anfänglichen
Phase der Infusion zu verringern. Ohne diese Einschränkung der
Zufuhr neigt das Harz dazu, zu schnell in das Teil zu schießen und
kann Hohlräume
hinter der Wellenfront einschließen, welche schwierig zu entfernen
sind. Das Ende des Zuführungsrohrs
wird in dem Zufuhrbehälter 14 nahe
der Basis positioniert und wird befestigt. Die Zufuhr kann um einen
Winkel gekippt sein, wobei das Zuführungsrohr an der niedrigsten
Stelle positioniert ist, um die Menge von Harz zu minimieren, welche
erforderlich ist, um zu verhindern, dass Luft in das Rohr und die
eingesackte Vorform eintritt. Um den Fluss einzuleiten, wird das
Metallblech oder die Schweißklemme
entfernt. Nach einigen Infusionsminuten wird die Einschränkungsvorrichtung
normalerweise von dem Zuführungsrohr
entfernt, um die Infusionsrate zu beschleunigen.
-
Die
Zufuhr kann unterhalb des niedrigsten Teils der Vorform positioniert
sein. Eine Zuführung
in die Vorform mit positivem Druck bewirkt, dass sich der innere
Sack nahe der Zuführungsfeder
ausbeult. Die Vakuumrohre sollten sich andererseits über die
Vorform erheben, um dabei zu helfen, einen hydrostatischen Druck auf
das Fluid aufrechtzuerhalten und einen Harzabfluss aus der Vorform
in den Abflusskanister zu minimieren. Obwohl Vorformen erfolgreich
in der horizontalen Ausrichtung infundiert werden können, ist
es häufig
zu bevor zugen, in einer geneigten oder vertikalen Orientierung mit
der Zufuhr an dem untersten Ende und dem Vakuumabzug an dem höchsten Ende
zu infundieren. Geneigte oder vertikale Ausrichtungen neigen dazu,
bei Harzsystemen mit niedriger Viskosität und in Vorformen mit hohen
Variationen in der Permeabilität
Kanalisierungseffekte zu verringern. Diese Ausrichtungen können auch
verwendet werden, um eine andernfalls notwendige Leitungsführung zu
vermeiden.
-
Wenn
die Infusion fortschreitet, verlangsamt sich die Infusionsrate allmählich. Die
Infusionsrate fällt aufgrund
des ansteigenden Widerstands und Druckabfalls, wenn das Fluid die
Vorform benetzt. Mit einer einzigen Flussmediumschicht infundiert
eine einzige Zuführungsleitung
oder -feder effizient 0,9–1,2
m (linear 3–4 Fuß) einer
Vorform in ungefähr
einer Stunde. Die Flusslängen
können
so groß sein
wie 1,5–1,8
m (5–6
Fuß), bevor
eine zusätzliche
Zuführungsleitung
erforderlich ist.
-
Wenn
Harz das Vakuumende der Vorform erreicht, füllt das Harz die Vakuumrohre
und fällt
dann kaskadenartig in den Abflusskanister 10. Weil die
Vakuumrohrleitungen bezüglich
der Vorform eine sehr hohe Permeabilität aufweisen, kann die vollständig benetzte
Vorform lokal am Vakuumende entleert werden, was zu einem Verlust
von hydrostatischem Druck auf das Harz in der Vorform führt. Wenn
sich die Vorform entleert, nimmt der Harzfluss in die Vakuumrohrleitung
ab. An einem gewissen Punkt übersteigt
die Harzzufuhr in die Vorform den Abfluss und die Vorform beginnt,
sich wieder zu füllen.
Der Prozess eines Füllens
und Entleerens der Vorform lokal am Vakuumende der Vorform wird
wiederholt durchlaufen, bis aktive Maßnahmen ergriffen werden. Eine
Blasenbildung in dem Vakuumrohr ist häufig mit diesem Phänomen verknüpft. Die
Rate der Blasenbil dung steigt an, wenn sich die Vorform entleert,
und nimmt ab, wenn sich die Vorform füllt.
-
Wenn
die Zuführungs-
und Vakuumrohrleitungen abgeklemmt und abgeschnitten werden, wenn
die Vorform einen niedrigen hydrostatischen Harzdruck aufweist oder
teilweise gefüllt
ist, wird das resultierende Teil eine Oberflächenporosität und in schwereren Fällen eine
innere Porosität
aufweisen. Diese Defekte werden sich typischerweise am Vakuumende
der Vorform befinden. Folglich ist es wesentlich, die Leitungen
zu schneiden, abzuklemmen und abzudichten, wenn die Vorform voll
ist.
-
Die
Vakuumleitungen sollten auf eine annähernd geschlossene Position
gedrosselt oder gesperrt werden, bis die Massenflussrate von Harz
durch die Vorform der Massenflussrate in dem Vakuumrohr entspricht. In
dem gedrosselten Zustand übersteigt
die Harzzufuhr in die Vorform und die Rohre die Abzugfähigkeit
stromabwärts
vom Drosselungspunkt. Folglich wird sich die Vorform vollständig füllen. Wenn
sich die Vorform füllt, werden
die Massenflussraten in der Vorform letztendlich abnehmen, so dass
sie der Massenflussrate jenseits des Drosselungspunkts entsprechen.
Sobald dieser quasistatische Zustand, in welchem die Zufuhr- und
Abzugraten gleich sind, erreicht ist, und die Vorform voll ist,
lässt die
mit dem Füll-
und Entleerungsphänomen verknüpfte Blasenbildungswirkung
nach. Das Vakuumrohr zwischen der Vorform und dem Rohrdrosselungspunkt
füllt sich
schließlich
mit blasenfreiem Harz. Das System erreicht normalerweise einen quasistatischen Zustand
nach ungefähr
15 Minuten einer Prozessierung mit gedrosseltem Fluss.
-
Externe
Klemmen werden typischerweise verwendet, um den Fluss zu drosseln,
jedoch können
auch interne Stöpsel,
Düsen,
gesinterte Metalle/Keramiken, Filter, Zweipositions-Kugelventile oder
Präzisionsdosierungsventile
verwendet. In dem Fall eines Zweipositions-Kugelventils würde die
offene Position einen vollständigen
uneingeschränkten
Fluss ermöglichen.
In der geschlossenen Position hat das Kugelventil eine kleine Öffnung,
welche einen begrenzten Fluss ermöglicht. Selbstverständlich sind
Variationen dieses Konzepts möglich,
um die gleichen Ergebnisse zu erreichen. Die Stöpsel, Düsen, Filter und gesinterten
Materialien können
als ein Verfahren, die Vorrichtungen zu halten, in dem Rohr zwischen
den Abdruckflächen
der komprimierten Dichtung positioniert werden.
-
Ein
anderer Ansatz, welcher verwendet werden kann, um eine Vorformentleerung
zu vermeiden, ist es, das Vakuum an dem inneren Sack zu regulieren.
Ein Verringern des Vakuumniveaus verringert die Flussraten in den
Rohren. Die Vorform hat eine geringere Neigung, sich zu entleeren,
insbesondere für
viskosere Harze, welche eine ausreichende Steifigkeit aufweisen,
um sich als eine durchgängige
Ansammlung durch die Vorform zu bewegen. Das Harz weist auch eine
geringe Neigung auf, sich in einzelne Fluidkörper aufzuteilen. Bei Verwendung
dieses Ansatzes wird das Vakuumniveau des inneren Sacks typischerweise
von 98+ kPa (29+ Zoll Hg) auf 75–91 kPa (22–27 Zoll Hg) abgesenkt. Kurz
nach dem Absenken des Vakuumniveaus wird die Blasenbildung wie bei
den Drosselungsvorrichtungen aufhören. Ein Problem bei diesem
Ansatz ist, dass sich aufgrund des verringerten Vakuums der innere
Sack in Richtung des äußeren Sacks
bewegt. Die Bewegung verringert die Vorformverdichtung und produziert
letztendlich Verbundstoffe mit niedrigerem Faservolumen.
-
Nachdem
die Vorform vollständig
mit Harz gefüllt
ist und die Harzflussrate konstant ist, werden die Zuführungs-
und Vakuumrohre gleichzeitig mit Metallblech oder Schweißzangen
abgeklemmt und verschlossen. Die Vakuumquelle wird von dem Abflussbehälter getrennt.
Sowohl die Vakuumrohre als auch das Zuführungsrohr werden nahe den
Schweißzangen
abgeschnitten. Das Harz in den Vakuumrohren wird in den Abflusstank gesaugt,
und das Harz in dem Zuführungsrohr
entleert sich in den Zufuhrbehälter.
Der Prozess führt
zu einer vollständigen
Harzrückgewinnung
und ermöglicht
es, zeitnahe Massenbilanzen durchzuführen. Die Enden der abgeschnittenen
Vakuumrohre und des Zuführungsrohrs
werden mit Klebstoffband abgedichtet und dann mit Vakuumsack-Dichtmittelband
umwickelt. Die Rohrdichtungen sind einfach eine redundante Maßnahme,
um zu vermeiden, dass Luft in dem Fall, dass die Schweißzangen
dabei versagen, den inneren Sack von atmosphärischem Druck zu isolieren,
Luft in den inneren Sack eintritt. Vor einem Aushärtungsbeginn
wird der Großteil des
Harzes in dem Zuführungskanister
und dem Abflusskanister aus dem Ofen entfernt, um eine unerwünschte gefährliche
exotherme Reaktion zu vermeiden. In ähnlicher Weise werden alle
anderen Werkzeuge und Verbrauchsmaterialien vor dem Schließen des
Ofens für
eine Aushärtung
entfernt.
-
Unser
bevorzugter Prozess ermöglicht
eine Harzwiederverwertung oder -rückführung. Bei einigen komplexen
Infusionen, wo beispielsweise separate Wellenfronten zusammenlaufen,
kann es sein, dass zusätzliches
Harz aus der Vorform abgeführt
werden muss, um eingeschlossene Luft oder Hohlräume zu entfernen. Eine Harzrückführung anstelle
eines durchgängigen
Abführens
minimiert den Harzabfall und die Kosten. Bei einer Rückführung wird überschüssiges Harz
typischerweise in das System gefüllt,
um ein vernünftiges
Arbeitsvolumen zu haben. Dem Harz wird ermöglicht, sich in dem Abflusskanister
anzusammeln. Sobald das Harz in dem Zufuhrbehälter beginnt, wenig zu werden,
werden die Zuführungs-
und Vakuumrohre zugeklemmt. Die Vakuumzufuhr an den Abflusskanister
wird unter Verwendung der Schnellverbindungsanschlussstücke gelöst und das
Vakuum wird entlassen. Bei entlassenem Vakuum kann der Deckel auf
dem Abflussbehälter
entfernt werden und Harz aus den Rohren in den Behälter entleert
werden. Das Harz in dem Abflussbehälter wird in den Zufuhrbehälter überführt. Eine
ausreichende Zeit, gewöhnlich
ungefähr
5 Minuten, wird bereitgestellt, um es mitgeführter Luft zu ermöglichen,
aus dem Harz zu perkolieren, bevor der Fluss wieder eingeleitet
wird. Der Abflusstank wird wieder zusammengefügt und mit einer separaten
isolierten Vakuumpumpe evakuiert, um jegliche mögliche Vakuumabnahme in dem äußeren Sack
zu vermeiden. Sobald der Tank auf dem ursprünglichen Vakuumniveau ist,
werden alle Rohrklemmen gleichzeitig gelöst, was den Fluss wiederherstellt.
Der Prozess kann wiederholt werden, bis alle Hohlräume und
Blasen aus der Vorform entfernt sind. An diesem Punkt kann die Infusion
beendet werden.
-
Eine
Infusion und Aushärtungsprozessierung
von Chargen ist möglich.
Die einzige potenzielle Einschränkung
ist die Anzahl von infundierten Teilen, mit welchen der Ofen beladen
werden kann. Wenn Teile seriell infundiert werden, kann ein überschüssiges Arbeitsharz
von jeder zuvor abgeschlossenen Infusion verwendet wie es ist werden
oder mit jungfräulichem
Harz für
nachfolgende Infusion vermischt werden.
-
Wie
zuvor beschrieben kann zum Beispiel ein auf einer Versteifung angebrachtes
Vakuumrohr verwendet werden, um diese Versteifung zu infundieren,
und danach in eine Zuführungsleitung
für die
nächste
Infusionsbucht oder den nächsten
Infusi onsabschnitt konvertiert werden (4). Diese
Konvertierung zwischen Zuführung
und Vakuum verwendet ein T- oder Y-Anschlussstück. Ein Zweig der T-Verbindung
ist mit einer Harzzufuhr verbunden, kann jedoch mit einem Ventil
abgeklemmt oder verschlossen werden, während der andere Zweig offengelassen
und mit dem Vakuumabflusstank verbunden wird. Sobald Harz beginnt,
die Vakuumleitung zu füllen
und das T-Anschlussstück ohne
Blasen durchläuft,
wird das aus dem Sack austretende Rohr verschlossen und der Zweig
zu der Harzzufuhr geöffnet.
Die Zuführungsleitung
füllt sich
mir Harz und führt
Luft aus allen Rohrleitungen ab. Sobald die Rohre gefüllt sind,
wird die zu dem Abflusstank führende
Vakuumleitung verschlossen und das aus dem Sack austretende Rohr
wird geöffnet,
was es einer neuen Harzzufuhr ermöglicht, die Vorform zu versorgen.
-
Unser
Prozess könnte
verwendbar sein, um Kohlenstoff/Kohlenstoff- und Keramikmatrix-Verbundstoffe
durch mehrfache Infusionen, Aushärtungen
und Verdichtung desselben Vorformmaterials zu produzieren.
-
Harzaushärtung
-
Sobald
die Infusion abgeschlossen ist, muss ein hohes Vakuum in dem äußeren Sack
der infundierten Vorform über
den gesamten Aushärtungszyklus,
insbesondere unmittelbar vor und während einer Harzgelierung,
beibehalten werden. Ein Vakuumverlust während dieser kritischen Stufe
bewirkt, dass der innere Sack relaxiert, was das Volumen in dem
inneren Sack erhöhen
wird. Die infundierte Vorform wird sich aufblähen, weil Harz nicht in das
geschlossene System hinzugefügt
werden kann, das Aufblähen
reduziert den hydrostatischen Druck, was eine Ober flächenporosität und Hohlräume, eine
verringerte Vorformverdichtung und niedrigere Faservolumina hervorruft.
-
Aufgrund
der kritischen Eigenschaft des Vakuumniveaus des äußeren Sacks,
verwenden wir Vakuummessfühler,
Datenerfassungseinrichtungen und Labview-Software, um den Druck
durchgängig
während
der Aushärtung
zu überwachen.
Ofen- und Werkzeugtemperaturen werden ebenfalls durchgängig aufgenommen und
in Echtzeit angezeigt. Aufgrund der Gefahr für die Vakuumintegrität werden
keine Überwachungsthermoelemente
in den Sack eingeführt.
Beobachtungsfenster in dem Ofen sind wünschenswert, um die im Gange befindliche
Aushärtung
zu beobachten.
-
Unser
Prozess wurde in erster Linie zum thermischen Aushärten (Erwärmen) der
Harze entwickelt. Alternative Aushärtungsverfahren, wie zum Beispiel
eine Elektronenstrahlaushärtung,
eine UV-Aushärtung
und eine Mikrowellenaushärtung,
können
mit Wärme
oder unabhängig
oder in Kombination mit geeigneten Harzen und Einsackungsmaterialien
verwendet werden.
-
Bei
niedriger Temperatur aushärtende
Harze haben den Vorteil, dass sie auf kostengünstiger Werkzeugbestückung mit
einer besseren Abmessungskontrolle, insbesondere auf komplexen mit
gehärteten
Baugruppen, ausgehärtet
werden können.
Einige bei Raumtemperatur aushärtende
Harze weisen in großen
Mengen gefährliche
exotherme Reaktionen auf. Um dieses Problem zu umgehen, ist eine
spezielle Dosierungsmisch-Vakuumentlüftungseinrichtung erforderlich,
um Harz bei Bedarf in den Zufuhrbehälter abzugeben.
-
Nachhärtung
-
Nachhärtungserfordernisse
hängen
von dem Infusionsharz und der gewünschten Betriebstemperatur der
Struktur ab. Eine Nachhärtung
kann auf dem Verbindungsgestellwerkzeug, einfachen Halterungsvorrichtungen
oder freistehend mit oder ohne Glasfaserabdeckungen zum Schutz vor
einer Oxidation oder Fremdverunreinigung durchgeführt werden.
Wenn eine Nachhärtung
erwünscht
ist, setzt sie allgemein den Verbundstoff für eine ausgedehnte Zeitspanne
einem Temperaturzyklus aus.
-
Beschnitt und Inspektion
-
Typischerweise
müssen
Verbundstoffe, einschließlich
derjenigen, welche unter Verwendung unseres Prozesses hergestellt
sind, um den Umfang auf die endgültigen
gewünschten
Dimensionen für
das Teil zurechtgeschnitten werden. Ein Zurechtschneiden kann mit
einem Plattenfräsapparat,
einer Wasserstrahl-Schneideeinrichtung, durch grobes Schneiden und
Schleifen an eine Zuschnittlinie oder jegliches anderes geeignetes
Verfahren durchgeführt
werden.
-
Bestimmte
Merkmale, wie zum Beispiel Lamellenversteifungen, und Verbindung
vom Pi- oder Gabeltyp können
endgeformt werden, indem „weiche" oder „harte" mit Bindemittel
versehene Vorformen oder faserige Vorformen ohne Bindemittel, wie
zum Beispiel mehrachsige Kettenwirkgewebe, welche inherent stabil sind,
verwendet werden. Ein Entgraten von überschüssigem Harz ist der einzige
erforderliche Vorgang. Endgeformte Merkmale können in der Endkonfiguration
aufgelegt werden oder als Vorform überdimensioniert werden. Für überdimensionierte
Vorformen kann die Auflage vor dem Infundieren zurechtgeschnitten
werden, wobei die Auflagewerkzugbestückung als Zuschnittfüh rung verwendet
wird. Weiche mit Bindemittel versehen Vorformen können bündig mit
den Werkzeugblöcken
nach einer Vakuumsackverdichtung bei Raumtemperatur oder einer niedrigen
erhöhten
Temperatur bündig
geschnitten werden, um eine Definition und Verfestigung zu gewährleisten.
Halbsteife „harte" mit Bindemittel
versehene Vorformen neigen dazu, beim Zurechtschneiden eine bessere
Kantendefinition zu ergeben. Diese halbsteifen Vorformen werden
typischerweise unter Verwendung einer Vakuumsackverdichtung bei
erhöhter
Temperatur hergestellt.
-
Die
Verbundstoffe können
dann inspiziert werden, wobei eine beliebige oder alle von vielen
Techniken zur nicht destruktiven Inspektion (NDI) des Typs, welcher
typischerweise verwendet wird, um autoklavgehärtete Verbundstoffe zu inspizieren,
einschließlich
Ultraschall- und Röntgentechniken,
verwendet werden. Eine Inspektion kann vermieden werden, wenn über den
gesamten Herstellungsprozess bestimmte prozessinterne Kontrollen
verwendet werden. Eine visuelle Beobachtung des Flusses durch eine
Befensterung in dem Entlüftermaterial,
Verwendung einer optisch klaren Werkzeugbestückung, welche zum Beispiel
aus PYREX oder LEXAN hergestellt ist, und von optisch klaren oder
durchscheinenden Rohrleitungen, liefern Anzeichen für die Qualität während der
Infusion. In ähnlicher
Weise können
Massenbilanzen, eine Infrarot-Flussfronterfassung, eingebettete
Sensoren oder bündige
Werkzeuganbringungssensoren prozessinterne Qualitätsanzeichen
bereitstellen. Eine visuelle Inspektion der Laminate nach der Prozessierung
ist allgemein ein guter Indikator für ihre Qualität. Wenn
die Laminate keine Oberflächenporosität aufweisen
(insbesondere auf der Werkzeugseite), wenn die Dicke sich innerhalb
der nominalen Grenzen befindet und wenn der Verbundstoff klingt,
wenn er „mit
einer Münze
angeschlagen" wird
(siehe z. B. US- Patentanmeldung
08/944,885), werden die Laminate wahrscheinlich eine Ultraschallinspektion
bestehen. Wenn irgendwelche Oberflächenhohlräume auf den Teilen auftreten,
ist eine Ultraschallinspektion gerechtfertigt. Weil wir bestimmt
haben, dass eine starke Korrelation zwischen dem Vorhandensein von
Oberflächenhohlräumen und
der Verbundstoffgesamtqualität
besteht, kann eine einfache Inspektion hinsichtlich Oberflächenhohlräumen eine
kompliziertere Inspektion unter Verwendung von teueren Ultraschall-,
Laser- oder Röntgenprozesses
vermeiden.
-
Fortgeschrittene Prozessierungstechniken
-
Unser
Prozess ist in der Lage, komplexe strukturelle Anordnungen herzustellen,
wie zum Beispiel die durch einen I-Balken versteifte Hülle, welche in 7 und 8 dargestellt
ist. Angepasste Rohrverkleidungen, welche sich zwischen I-Balken befinden,
werden verwendet, um Harz in die schwer zu erreichenden Buchtbereiche
zu bringen. Kantenzuführungsrohre
führen
Harz zu den Kanten der Hülle.
An den Oberseiten der I-Balken
befindliche Vakuumrohre werden verwendet, um das Harz durch die
Hülle und
nach oben durch die I-Balken zu ziehen. Um diese Anordnung zu infundieren,
werden alle Zuführungsleitungen 8a gleichzeitig geöffnet. Die
aus den drei Zufuhrquellen erzeugten Wellenfronten laufen um die
Basis der I-Balken zusammen und werden nach oben in den I-Balken
in Richtung der Vakuumrohre gezogen. Wenn das Harz die Oberseite des
I-Balkenstegs erreicht,
spaltet sich der Fluss auf, um jeden Flansch auf der Kappe zu benetzen.
Das Harz wickelt sich schließlich
um die Zwischenplatte und bahnt sich seinen Weg zu dem Vakuumrohr 8b.
Die Infusion ist abgeschlossen und der Verbundstoff wird auf die
normale Weise ausgehärtet.
Diese Technik kann erweitert werden, um Baugruppen mit einer großen Anzahl
von Buchten herzustellen, wie sie in Flugzeugflügeln angetroffen werden können.
-
Ein
weiteres Beispiel für
die Fähigkeit,
komplexe Strukturen mit unserem bevorzugten Prozess herzustellen,
ist in 9 und 10 dargestellt. Die mit sich überschneidenden
Lamellen versteifte Platte verwendet ein mit Bindemittel versehenes
Material, um die sich überschneidenden
Lamellen auf einfachen Aluminiumblockwerkzeugen auszubilden. Mit
Bindemittel versehenes Material kann verwendet werden, falls es
erwünscht
ist, es ist jedoch nicht notwendig für die Hülle 905. Um die Vorform
zu infundieren, sind nur eine Zuführungsleitung und eine Vakuumleitung
erforderlich, vorausgesetzt die Vorform wird vertikal infundiert
und neuartige passive Vakuumkammern (passive vacuum chambers, PVCs)
werden verwendet. Das Teil wird in der horizontalen Position eingesackt.
Sobald es eingesackt ist, kann die Basisplatte ohne jegliche sackseitige Werkzeugbewegung
in die vertikale Ausrichtung gekippt werden. Wenn die Vorform infundiert
wird, füllt
das Harz die vertikale Lamelle, ohne dass eine Leitungsführung erforderlich
ist. Passive Vakuumkammern werden verwendet, um Harz in die horizontalen
Lamellen zu ziehen und eine gewisse begrenzte Abführfähigkeit
bereitzustellen. Gum-Rubber-Dichtmittel vom Typ AirDam I wird an
den Enden der Lamellen in Verbindung mit Flussmedium verwendet,
um Markierungen an den Lamellenenden zu vermeiden. Die sich überschneidenden Lamellen
werden mit nur einer minimalen erforderlichen Gratentfernung endgeformt.
-
11 zeigt die Einsackung für eine mehrfach J-versteifte
Platte. Wiederum wird die Vorform horizontal eingesackt und für die Infusion
vertikal gekippt. Eine Zuführungsleitung
wird an der Unterseite der Hülle
und eine Vakuumleitung an der Oberseite der Hülle verwendet. Die zwei außenseitigen
J- Versteifungen
verwenden passive Vakuumkammern, um Harz in die Versteifungen zu
ziehen und eine gewisse begrenzte Abführungsfähigkeit bereitzustellen. Die
mittige J-Versteifung weist ein aktives Vakuumrohr oder eine Feder
auf. Sobald das Harz in das J gezogen und abgeführt wurde, wird die Vakuumleitung
in eine Zuführungsleitung
konvertiert, wobei die zuvor beschriebenen Techniken verwendet werden.
Dieses Konvertierungsverfahren ermöglicht eine Herstellung von
sehr breiten Baugruppen ohne Markierungen von Leitungsführungsvorrichtungen.
-
Wir
glauben, dass die folgenden Konzepte der vorliegenden Erfindung,
welche wir beschrieben haben, neuartige Flüssigformungstechniken der vorliegenden
Erfindung alleine oder in Kombination sind.
- 1.
Doppelsackinfusion
- 2. Bindemitteltechnologie
- 3. Einsackungsfilme mit hoher Dehnung
- 4. TEFLON-imprägniertes
Flussmedium
- 5. TEFLON-Rohrleitungen bei Infusionsprozessen
- 6. TEFLON-Rohrleitungsätzprozess
- 7. große
Rohrleitungsabdrücke
an Dichtungspositionen
- 8. TEFLON-Rohrausbildung für
Biegungen ohne Belastung
- 9. Rohrleitungszugentlastungsvorrichtungen
- 10. inerte Barrierenfilme zum Sackschutz
- 11. Gum-Rubber-Kantendichtmittel mit niedrigem Flussvermögen
- 12. Passive Vakuumkammern (PVCs)
- 13. angepasste Rohrverkleidungen (CTFs)
- 14. flexible Werkzeugbestückung
für konturierte
Lamellenversteifungen
- 15. Merkmal einer externen Rohrabklemmung
- 16. Abflusstank und -kanister für eine einfache Reinigung und
Rückgewinnung
- 17. Positionen von Zufuhrkanister und Abflusskanistern
- 18. Rückführungstechniken
für schwierige
Infusionen
- 19. integral gegossene Dichtung auf Abflusstankdeckeln
- 20. Echtzeit-(oder Pseudo-Echtzeit)-Massenbilanzen, um Faservolumina
zu kontrollieren
- 21. Infrarot-Flussfronterfassung
- 22. eingebettete Radiofrequenz-Identifizierungskennzeichnungen
- 23. optische Werkzeugbestückung
aus PYREX
- 24. optische Entlüftung
aus brettigem Flussmedium
- 25. geteiltes Stauchungswerkzeug
- 26. Gum-Rubber-Dichtmittel an Diskontinuitäten für reduzierte Markierung und Überbrückung
- 27. Taschengrundstrukturen
- 28. erwärmte
Vakuumaustrocknungsvorgänge
- 29. geneigte oder vertikale Infusionsorientierungen
- 30. Bindemittelaufbringung innerhalb der Form
- 31. Ausgestaltung mit einer Zuführungskapazität, welche
größer ist
als eine Abzugsfähigkeit
- 32. Vakuumrohrdrosselung am Ende der Infusion
- 33. Zuführungsleitungsharzeinschränkung am
Beginn der Infusion
- 34. Techniken zum Infundieren von strebenverstärkten Schichtplatten
- 35. Techniken zum Infundieren von sich überschneidenden Lamellen, Hüten, Pis,
Js, Is und Cs
- 36. Techniken zum Herstellen von Türschwellenmerkmalen
- 37. Vorderkantenschichtstrukturen
- 38. Chargenprozessierungsfähigkeit
- 39. katalysierte oder unkatalysierte Bindemittellösungen mit
M-20-Cyanatester
- 40. 5250-4-RTM-Bindemittellösung
- 41. robotische Sprühaufbringung
von Bindemitteln für
eine Präzisionsabgabe
- 42. elektrostatische Sprühaufbringung
von Bindemitteln für
verbesserte Transfereffizienzen
- 43. TOWTAC-Bindemittelwergmaterialien
- 44. automatisiertes Konzept zum Herstellen und Verpacken von
großen
Mengen von mit Bindemittel versehenen Materialien
- 45. Techniken zum Herstellen von weichen und halbsteifen Vorformen
- 46. Produktion von Werkzeugen anhand von gegenüber niedrigen
Temperaturen widerstandsfähigen
Vorlagenwerkzeugen
- 47. Oberflächendeposition
von Bindemittel auf Vorformmaterialien
- 48. Bindemittel mit niedrigem Aushärtungsgrad für ein Einschmelzen
und chemisches Verbinden mit Infusionsharz
- 49. Mehrfachinfusionstechniken, insbesondere zur Herstellung
von verdichteten Kohlenstoff/Kohlenstoff- und Keramikmatrix-Verbundstoffen
- 50. Integration von Spezialmaterialien, wie zum Beispiel Masseplatten,
R-Karten usw.
- 51. Positionierungen von Dichtmitteln des inneren und äußeren Sacks
und Werkzeugpräparation
- 52. Merkmale einer Dichtung mit hoher Integrität
- 53. Vakuumformen von angepassten Einsackungsfilmen
- 54. Harzrückgewinnung
und -vermengung
- 55. Vakuumkontrolle und -wartung vor einer Gelierung
- 56. Verwendung von Präzisionsvakuummessfühlern für eine frühzeitige
Leckerfassung
- 57. Verwendung einer ausgehöhlten
Werkzeugbestückung,
um versteifte Hüllen
zu erzeugen
- 58. Fluidzuführung
durch die Sackdichtungen
-
Der äußere Sack
in dem Doppelsacksystem reduziert eine thermische Oxidation des
inneren Sacks. Dies überträgt sich
auf einen stärkeren
Sack, welcher weniger empfänglich
für eine
Undichtigkeit während
einer Aushärtung
bei hohen Temperaturen ist. Der äußere Sack
und die Entlüftung
Puffern den inneren Sack gegenüber
einem Handhabungsschaden ab, welcher auf viele Wege auftreten kann.
Der äußere Sack übt Druck
auf die Dichtungen des inneren Sacks aus und verbessert die Dichtungseffektivität für diese
Dichtungen. Der Druck auf die Dichtungen des inneren Sacks überwindet
Sackablösungsbelastungen,
welche Undichtigkeiten öffnen
können,
insbesondere an Positionen von gefalteten Dichtungen. Weil der äußere Sack
den inneren Sack umschließt,
können
Dichtungen in der konvektiven Umgebung, auf welche typischerweise
in Öfen getroffen
wird, nicht losbewegt werden. Wenn ein Leck in dem inneren Sack
auftreten sollte, ist das Ergebnis nicht notwendigerweise genauso
katastrophal, wie es allgemein bei Einzelsackinfusionen ist. Eine
Undichtigkeit in dem inneren Sack wird bewirken, dass Harz in den äußeren Sack
fließt.
Korrigierende Tätigkeiten
sind mit beschleunigten Aushärtungen
und Entlüftungskontrolltechniken
möglich.
Ein gerissener Sack in einer Einzelsackumgebung ermöglicht es,
dass Luft in den Sack eintritt. Der Sack kann sich aufblähen und
Porosität kann
kontinuierlich in das Laminat eingeführt werden, ein katastrophaler
Fehler. Sackintegritätsunterschiede zwischen
Einzelsackinfusionstechniken und Doppelsacktechniken können nicht
signifikant sein, wenn kleine, einfach Verbundstoffe von niedrigem
Wert hergestellt werden. Wenn versucht wird, große und/oder komplexe Verbundstoffanordnungen
herzustellen, wie zum Beispiel Ver bundstoffflügel, wird die Signifikanz der
Integritätsunterschiede
dramatisch verstärkt.
Es ist weise und klug, die Verwendung der Doppelsacktechnik den
Einzelsäcken
beim Herstellen dieser Typen von Strukturen vorzuziehen. Die Ausbeute,
Integrität
und Robustheit des Prozesses werden zu deutlich wichtigeren Faktoren
beim Verringern der Gesamtkosten als ein Vermeiden der mit einem
zweiten Sack verbundenen Kosten.