DE602004001485T2

DE602004001485T2 - Verfahren zum Beschichten einer Verbundwerkstoffsstruktur mit einem Thermoplast

Info

Publication number: DE602004001485T2
Application number: DE602004001485T
Authority: DE
Inventors: Don Northport DiMarzio; Charles Stoney Brook Weizenecker; Steve Ronkonkoma Chu; Dom Smithtown Anton
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2024-03-23
Also published as: DE602004001485D1; EP1479452A1; ES2267003T3; US6974606B2; ATE332758T1; HK1070610A1; EP1479452B1; US20050019501A1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Werkstoffkonstruktion und genauer ein Verfahren zur Beschichtung von Verbundwerkstoffkonstruktionen mit Thermoplastkunststoff.
Hintergrund der Erfindung
Verbundwerkstoffkonstruktionen werden in vielen Industriebereichen für zahlreiche Anwendungsgebiete begehrt. Zum Beispiel verwendet die Luftfahrtindustrie Verbundwerkstoffkonstruktionen weit reichend, da unter anderen wünschenswerten Eigenschaften die Verbundwerkstoffe hohe Festigkeits-Masse-Verhältnisse aufweisen. Aufgrund der immer zunehmenden Verwendung von Verbundwerkstoffkonstruktionen überall in der Industrie sind die Hersteller unentwegt auf der Suche nach besseren und ökonomischeren Wegen betreffend die Herstellung von Verbundwerkstoffkonstruktionen.
Verbundwerkstoffkonstruktionen, die auf das Äußere von Schiffen und Flugzeugen aufgebracht werden, können beachtliche Verschlechterung und Beschädigung erfahren, da sie Abnutzung und Umwelteinwirkung ausgesetzt sind. In dieser Hinsicht sind solche Konstruktionen unter Anderem andauernd Oxidation, Feuchtigkeit, Bewuchs, Salz-Besprühung, UV-Bestrahlung, Chemikalien und hohen und niedrigen Temperaturen ausgesetzt, was dazu führen kann, dass solche Konstruktionen einer beachtlichen Verschlechterung und Beschädigung über Zeit unterliegen. Folglich werden solche strukturelle Bestandteile oft fortlaufend repariert oder ersetzt, um die Möglichkeit zu unterbinden, dass ein Wasser- oder Luftfahrzeug permanent beschädigt wird, falls es nicht gar zerstört wird.
In dem Versuch, den Schaden, der durch Ermüdung und Umwelteinwirkungen auf solche Verbundwerkstoffbauteile verursacht wird, zu verhindern, sind eine Vielzahl von Beschichtungsmitteln und Verfahren zur Aufbringung derselben auf solche Bauteile entwickelt worden, um deren Stabilität zu verbessern. Thermisches Spritzen ist ein Verfahren zur Aufbringung thermoplastischer Polymere auf eine Oberfläche. Thermisches Sprühen umfasst die Einbringung von Beschickungspartikeln, typischerweise ein polymerartiges Material, in eine hochenergetische Wärmequelle, die die Partikel, während sie sich in einem flüssigen oder halbflüssigen Zustand befinden, auf die Oberfläche des Bauteils, das geschützt werden soll, schleudert. Sobald sie auf die Oberfläche, die geschützt werden soll, geschleudert sind, verschmelzen die Partikel untereinander und bilden eine Beschichtung auf der Oberfläche.
Thermoplastische Hochleistungskunststoffe bieten das Potenzial eines Sperrschichtstoffes mit hoher Verschleißbeständigkeit und niedriger Permeabilität. Thermoplastbeschichtungen unter Verwendung thermischer Sprühtechnologien auf einer Vielfalt von Substraten sind demonstriert worden. Wenn jedoch ein Hochleistungsthermoplast mit hohe Schmelztemperatur, wie ein Flüssigkristallpolymer (LCP), thermisch auf einen Verbundwerkstoff mit mäßiger Temperaturbeständigkeit gesprüht wird, kann es zum Entgasen von Feuchtigkeit und flüchtigen Bestandteilen aus dem Verbundwerkstoffsubstrat kommen, wodurch die strukturelle Morphologie der Beschichtung verschlechtert werden kann. Eine Lösung dieses Problems, die im US Patent mit der Nr. 6,174,405, das Clarke et al. erteilt wurde, beschrieben ist, beinhaltet thermisches Sprühen eines Thermoplastkunststoffs, wie LCP, auf eine Metallform, die allgemein als Werkzeug bezeichnet wird. Während die Beschichtung sich immer noch auf dem Werkzeug befindet, wird ein Prepreg oder eine feuchte Auflage des Verbundwerkstoffs unmittelbar auf das mit dem Thermoplastkunststoff beschichteten Werkzeug aufgebracht. Die Anordnung aus Verbundwerkstoff/Beschichtung/Werkzeug wird dann im Ofen/Autoklaven gehärtet und nach Abschluss des Härtens wird die mit Thermoplastkunststoff beschichtete Verbundwerkstoffkonstruktion aus dem Werkzeug entfernt.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Aspekt der Erfindung ist in Anspruch 1 der beigefügten Ansprüche angegeben. Ein technischer Vorteil bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beruht darauf, dass die Erwärmung des Werkzeugs ein umfassenderes Schmelzen und Verschmelzen der Partikel aus Thermoplastkunststoff untereinander während des Auftragens bewirkt, was zu einer Beschichtung führt, die eine gleichförmigere Dicke und Morphologie aufweist und die weniger porös und/oder durchlässig ist. In besonderen Ausführungsformen kann das Auftreten von teilweise ungeschmolzenen oder durch Hitze geschädigten Thermoplastkunststoffen reduziert werden.
Ein weiterer technischer Vorteil bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beruht auf der Verringerung lokaler Überhitzung des Werkzeugs, die durch die thermische Sprühpistole verursacht wird. Durch diese Verringerung kann es zur Vermeidung von Beschädigung oder Verformung des Werkzeugs während des Auftragens des Thermoplastkunststoffs kommen. Solch eine Verringerung kann die Integrität irgendeiner Ablösebeschichtung, die auf dem Werkzeug aufgebracht ist, bewahren, wodurch die Einfachheit der Entnahme des mit dem Thermoplastkunststoff beschichteten Verbundwerkstoffs aus dem Werkzeug nach dem Aushärtschritt gesteigert wird.
Andere technische Vorteile werden dem Fachmann aus den folgenden Figuren, Beschreibungen und den Ansprüchen offensichtlich sein.
Kurzbeschreibung der Figuren
Für ein umfangreicheres Verständnis der Erfindung und für weitere Merkmale und Vorteile wird auf die nachfolgende Beschreibung anhand der begleitenden Figuren verwiesen.
Die 1A–1D sind Blockdiagramme, die ein Verfahren zur Beschichtung einer Verbundwerkstoffkonstruktion mit Thermoplastkunststoff gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen; und
Die 2 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren für die Beschichtung einer Verbundwerkstoffkonstruktion mit Thermoplastkunststoff gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die 1A–1D sind Blockdiagramme, die ein Verfahren zur Beschichtung einer Verbundwerkstoffkonstruktion mit Thermoplastkunststoff gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
1A veranschaulicht das Auftragen eines Thermoplastkunststoffs 9 auf eine Arbeitsfläche 11 eines Werkzeugs 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Werkzeug 10 spiegelt die gewünschte Form der Außenfläche der endgültigen Verbundwerkstoffkonstruktion wieder und kann aus einem Metallmaterial, wie etwa Aluminium oder Stahl, ausgebildet sein. In einer besonderen Ausführungsform wird das Werkzeug 10 mit Frekote^TM, Teflon^TM oder einer anderen geeigneten Ablösebeschichtung vor dem Auftrag des Thermoplastkunststoffs 9 beschichtet. Es wird deutlich werden, dass das Werkzeug 10 aus anderen geeigneten Materialien, wie etwa Keramik, ausgebildet sein kann. In der dargestellten Ausführungsform wird das Werkzeug 10 vor dem Auftrag des Thermoplastkunststoffs durch interne Heizelemente erwärmt, die in das Werkzeug 10 eingebaut sind und die durch elektrische oder andere geeignete Verfahren 12 betrieben werden, um das Werkzeug 10 auf eine Temperatur zu bringen, die ausreicht, den Schmelz- und Beschichtungsvorgang mit Thermoplastkunststoff zu unterstützen. Es wird deutlich werden, dass das Werkzeug 10 durch andere geeignete Verfahren erwärmt werden kann, wie etwa durch nicht-interne Heizelemente, die mit dem Werkzeug 10 verbunden sind oder sich in dessen Nähe befinden, durch Bedecken des Werkzeugs 10 mit Heizdecken vor dem Auftragen der Schicht aus Thermoplastkunststoff oder durch den Durchlauf von erwärmten Fluiden durch das Werkzeug 10.
Ein Thermoplastkunststoff ist ein Polymer, das reversibel härtet und erweicht, wenn dessen Temperatur zyklisch durch dessen Schmelz- oder Glasübergangstemperatur umläuft. In einer besonderen Ausführungsform kann der Thermoplastkunststoff 9 eine Schmelztemperatur aufweisen, die über 300°C liegt, und die Erwärmung des Werkzeugs 10 führt zu einer Temperaturdifferenz von weniger als etwa 200°C zwischen der Temperatur des erwärmten Werkzeugs 10 und der Temperatur des versprühten Thermoplastkunststoffs. Einige Hochleistungsthermoplastkunststoffe, wie etwa Flüssigkristallpolymere (LCP), die nachfolgend detaillierter beschrieben werden, weisen eine Schmelztemperatur von etwa 288°C auf. Die Lehre der Erfindung erkennt einen besonderen Vorteil in einem Temperaturbereich des Werkzeugs für die Aufbringung von LCP von etwa 177–204°C. Andere Temperaturbereiche des Werkzeugs 10 und des Thermoplastkunststoffs 9 können jedoch verwendet werden, ohne dass dabei vom Umfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.
In einer besonderen Ausführungsform wird die Arbeitsfläche 11 des Werkzeugs 10 auf eine im Wesentlichen gleichförmige Temperatur erwärmt. Auf diese Weise kann die Gleichförmigkeit der Bedeckung aus Thermoplastkunststoff 9 zusätzlich gesteigert werden. Eine "im Wesentlichen gleichförmige Temperatur" bedeutet eine Temperaturdifferenz von weniger als etwa 21°C zwischen zwei beliebigen Punkten auf der Arbeitsfläche. Ein oder mehrere Thermoelemente und/oder Infrarot-Pyrometer können zur Überwachung der Temperatur und der Temperaturabweichungen der Arbeitsfläche 11 verwendet werden.
In der veranschaulichten Ausführungsform wird der Thermoplastkunststoff unter Verwendung einer thermischen Sprühpistole 8 aufgetragen. In einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden kann ein Thermoplastkunststoff 9, der auf einem Werkzeug 10 aufgetragen wird, ein Flüssigkristallpolymer (LCP) beinhalten. Ein LCP ist durch einen hohen Schmelzpunkt relativ zu anderen, herkömmlich verwendeten Thermoplastkunststoffen in der Größenordnung von etwa 288°C gekennzeichnet. LCP kann Co-Polyester, Co-Polyesteramide oder vollaromatische Polyester aus multiplem Monomer beinhalten. Die repräsentativen und derzeit erhältlichen LCP-Produkte zur Durchführung der vorliegenden Erfindung beinhalten XYDAR-RT-300, XYDAR-SRT-700 und XYDARSRT-900, die von Amoco hergestellt werden, VECTRA A950, VECTRA L950 and VECTRA E950L, die von Hoechst Celanese hergestellt werden, und Zenite 100, Zenite 600, Zenite 700 und Zenite 800, die von Dupont hergestellt werden.
In der veranschaulichten Ausführungsform erfolgt das Auftragen des Thermoplastkunststoffs durch eine thermische Spritzpistole 8; die thermische Sprühpistole 8 kann jedoch einen Teradyne 2000 mit einer daran befestigten Düse der GP-Bauart oder eine andere geeignete thermische Sprühpistole, wie eine Verbrennungs-Sprühpistole, aufweisen. Die thermische Sprühpistole kann einen stabilen, nicht-übertragenen elektrischen Bogen zwischen einer thorierten Wolframkathode und einer ringförmigen, wassergekühlten Kupferanode aufrechterhalten. Ein Gas, wie etwa Argon oder ein anderes Edelgas, welches durch einen kleinen Anteil eines Enthalpie erhöhenden Gases, wie etwa Wasserstoff, ergänzt wird, kann auf der Rückseite des Pistoleninneren eingebracht werden, so dass das Gas einen Wirbel bildet und aus dem vorderen Ende der Anodendüse austritt. Der elektrische Bogen von der Kathode zur Anode schließt den Kreis und bildet somit eine Flamme, die sich aufgrund des Wirbelimpulses des Gases axial dreht. Die Temperatur unmittelbar außerhalb des Düsenausgangs ist hoch genug, den Thermoplastkunststoff zu schmelzen. Die Temperatur der Flamme fällt rapide vom Ausgang der Anode ab und sorgt dafür, dass der Thermoplastkunststoff, der typischerweise in Pulver- oder Festpartikelform vorliegt, am heißesten Teil der Flamme, die beim thermischen Sprühen erzeugt wird, einzubringen ist. Das thermische Sprühen kann mit einem in der Hand gehaltenen Sprüher oder durch ein automatisiertes Verfahren (z.B. durch Robotik) erfolgen.
1B veranschaulicht eine Schicht aus Thermoplastkunststoff 14, die auf einem Werkzeug 10, wie zuvor beschrieben, aufgetragen ist. Durch Erwärmen der Arbeitsfläche 11 des Werkzeugs 10 wird die Temperaturdifferenz zwischen dem Werkzeug und dem thermisch besprühten Thermoplastkunststoff verringert und die Partikel aus Thermoplastkunststoff werden umfangreicher geschmolzen und verschmelzen während des thermischen Sprühens untereinander, was zu einer Beschichtung führt, die eine gleichförmigere Dicke und Morphologie aufweisen kann und die weniger porös und/oder durchlässig ist im Vergleich zu einer Beschichtung mit vorher bekannten Verfahren. In besonderen Ausführungsformen kann das Auftreten von teilweise nicht-geschmolzenem oder durch Hitze geschädigtem Thermoplastkunststoff verringert werden.
Des Weiteren kann lokale Überhitzung des Werkzeugs von der thermischen Sprühpistole reduziert werden, was dazu führt, dass die Beschädigung und Verformung des Werkzeugs während der Aufbringung des Thermoplastkunststoffs vermieden werden. Solch eine Verringerung kann die Integrität irgendeiner Ablösebeschichtung, die auf dem Werkzeug aufgebracht ist, bewahren, wodurch die Einfachheit der Entnahme des mit dem Thermoplastkunststoff beschichteten Verbundwerkstoffs aus dem Werkzeug nach dem Aushärtschritt gesteigert wird (nachfolgend beschrieben).
In einer besonderen Ausführungsform kann die Schicht 14 eine Dicke von etwa 0,005 Zoll aufweisen. Die Dicke der Schicht 14 kann jedoch geeignet gemäß den diversen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung abweichen.
Wie in 1C gezeigt ist, wird eine Schicht 16 des Verbundwerkstoffs als ein Prepreg, feuchte Auflage oder gemäß einem anderen geeigneten Verfahren auf die Schicht aus dem Thermoplastkunststoff 14 aufgebracht. Der Verbundwerkstoff kann faserverstärkte Polymere oder andere geeignete Materialien beinhalten. Die Anordnung aus Verbundwerkstoff/Beschichtung/Werkzeug wird dann im Ofen/Autoklaven unter Verwendung herkömmlicher Verfahrensbedingungen gehärtet. Nach Abschluss des Härtens kann die mit dem Thermoplastkunststoff beschichtete Verbundwerkstoffkonstruktion dem Werkzeug 10 entnommen werden.
Wie in 1D gezeigt ist, werden die Schicht 16 aus dem Verbundwerkstoff und die Schicht 14 aus dem Thermoplastkunststoff aus dem Werkzeug 10 entfernt. Die Schicht aus Thermoplastkunststoff 14 kann dann eine äußere Schutzschicht der Verbundwerkstoffschicht 16 bilden, und die Verbundwerkstoffschicht 16 kann dann zusammen mit der Schicht aus Thermoplastkunststoff 14 auf geeignete Weise an einer Außenfläche eines Wasser- oder Luftfahrzeugs befestigt werden oder anderweitig geeignet verwendet werden. In besonderen Ausführungsformen kann ein Klebstoff (nicht explizit dargestellt) auf die Schicht aus Thermoplastkunststoff 14 aufgebracht werden, bevor die Schicht 16 aus Verbundwerkstoff 16 aufgebracht wird. Durch den Klebstoff kann die Bindung zwischen der Schicht aus Thermoplastkunststoff 14 und dem Verbundwerkstoff gesteigert werden, wodurch in besonderen Ausführungsformen die Festigkeit der die Schichten 14 und 16 aufweisenden Konstruktion und ferner die Leichtigkeit, mit der der mit dem Thermoplastkunststoff bedeckte und gehärtete Verbundwerkstoff aus dem Werkzeug 10 entnommen werden kann, gesteigert werden.
2 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren für die Beschichtung einer Verbundwerkstoffkonstruktion mit Thermoplastkunststoff gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Beginnend mit Schritt 100 wird ein Ablösemittel, wie etwa Teflon^TM, auf die Arbeitsfläche 11 des Werkzeugs 10 aufgebracht. In Schritt 102 wird das Werkzeug 10 erwärmt. In einer besonderen Ausführungsform, bei der der Thermoplastkunststoff, der auf das Werkzeug 10 aufzubringen ist, LCP beinhaltet, kann das Werkzeug 10 auf eine Temperatur von etwa 190°C erwärmt werden.
Beim Übergang zum Schritt 104 wird LCP oder ein anderer geeigneter Thermoplastkunststoff thermisch versprüht, um eine Schicht aus Thermoplastkunststoff 14 auf dem erwärmten Werkzeug 10 aufzutragen. In Schritt 106 wird eine Schicht 16 aus dem Verbundwerkstoff auf die Schicht aus Thermoplastkunststoff 14 aufgebracht. Die Schicht aus Thermoplastkunststoff 14 und die Schicht aus dem Verbundwerkstoff 16 werden dann im Schritt 108 gehärtet. Abschließend werden in Schritt 110 die Schicht aus Thermoplastkunststoff 14 und die Schicht aus Verbundwerkstoff 16 aus dem Werkzeug 10 entfernt, um eine mit einem Thermoplastkunststoff beschichtete Verbundwerkstoffkonstruktion zu ergeben.
Obwohl eine Ausführungsform der Erfindung und deren Vorteile im Detail beschrieben werden, kann ein Fachmann diverse Abwandlungen, Ergänzungen und Auslassungen vornehmen, ohne dadurch von der Lehre und dem Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche vorgegeben sind, abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Beschichtung von Verbundwerkstoffkonstruktionen mit Thermoplastkunststoff, umfassend: Erwärmen eines Werkzeugs (10), worin das Erwärmen des Werkzeugs (10) das Erwärmen des Werkzeugs (10) auf eine erste Temperatur umfasst; Erwärmen eines Thermoplastkunststoffs (9) auf eine zweite Temperatur zum thermischen Versprühen des Thermoplastkunststoffs (9), wobei die zweite Temperatur um weniger als etwa 100°C höher ist als die erste Temperatur; Auftragen einer Schicht aus dem Thermoplastkunststoff (14) auf das erwärmte Werkzeug (10) durch thermisches Sprühen des Thermoplastkunststoffs (9) auf das erwärmte Werkzeug (10); Aufbringen einer Schicht aus einem Verbundwerkstoff (16) auf die Schicht aus dem Thermoplastkunststoff (14); und Härten der Schicht aus dem Thermoplastkunststoff (14) und der Schicht aus dem Verbundwerkstoff (16).
Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner umfassend: Entfernen der Schicht aus dem Thermoplastkunststoff (14) und der Schicht aus dem Verbundwerkstoff (16) aus dem Werkzeug (10).
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Thermoplastkunststoff (9) ein Flüssigkristallpolymer beinhaltet.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: Aufbringen eines Ablösemittels auf das Werkzeug (10) vor dem thermischen Versprühen des Thermoplastkunststoffs (9).
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: Aufbringen eines Klebstoffs auf die Schicht aus Thermoplastkunststoff (14) vor dem Aufbringen der Schicht aus dem Verbundwerkstoff (16).
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Erwärmung des Werkzeugs (10) das Aufbringen einer Heizdecke über das Werkzeug (10) beinhaltet.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Erwärmung des Werkzeugs (10) das Verbinden eines Heizelements mit dem Werkzeug (10) beinhaltet.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Werkzeug (10) ein internes Heizelement beinhaltet und die Erwärmung die Zuführung von Energie zum internen Heizelement beinhaltet.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das thermische Versprühen eines Thermoplastkunststoffs (9) das thermische Versprühen eines Thermoplastkunststoffs (9) mit einer Schmelztemperatur von etwa 288°C beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 3 oder gemäß einem Anspruch, der direkt oder indirekt von Anspruch 3 abhängig ist, worin das Erwärmen des Werkzeugs (10) das Erwärmen des Werkzeugs (10) auf eine Temperatur zwischen etwa 177°C und etwa 205°C beinhaltet.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Erwärmen des Werkzeugs (10) das Erwärmen einer Arbeitsfläche (11) des Werkzeugs (10) auf eine im Wesentlichen gleichförmige Temperatur beinhaltet.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Erwärmen des Werkzeugs (10) das Erwärmen des Werkzeugs (10) auf eine Temperatur über etwa 177°C beinhaltet.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Erwärmen des Werkzeugs (10) das Erwärmen des Werkzeugs (10) auf eine Temperatur von etwa 190°C beinhaltet.