DE602004006560T2

DE602004006560T2 - Verfahren zum Beschichten einer Verbundwerkstoffstruktur mit einer mehrachsigen kristallinen thermoplastischen Beschichtung

Info

Publication number: DE602004006560T2
Application number: DE200460006560
Authority: DE
Inventors: Don Dimarzio; Charles Weizenecker; Steve Chu; Dom Anton
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2024-03-23
Also published as: HK1070620A1; DE602004006560D1; ES2285362T3; US20040234707A1; ATE362844T1; US20050181181A1; EP1479516A1; US20070170618A1; EP1479516B1

Description

TECHNISCHER BEREICH DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich generell auf den Bereich der Materialkonstruktion und genauer, auf ein Verfahren zur mehrachsigen kristallinen thermoplastischen Beschichtung von Verbundwerkstoffstrukturen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Verbundwerkstoffstrukturen sind in vielen Industrien für viele Anwendungen erwünscht. Die Luftfahrtindustrie beispielsweise nutzt Verbundwerkstoffstrukturen extensiv, da Verbundwerkstoffe unter anderen erwünschten Attributen Festigkeit-zu-Gewicht-Verhältnisse aufweisen. Auf Grund der ständig wachsenden Anwendungen von Verbundwerkstoffstrukturen durch die gesamte Industrie suchen die Hersteller kontinuierlich nach besseren und ökonomischeren Wegen zur Fertigung von Verbundwerkstoffstrukturen.
Verbundwerkstoffstrukturen, die für das Exterieur von Schiffen und Flugzeugen eingesetzt werden, können auf Grund von Angriffen durch Umgebungsbedingungen und Erosion signifikanten Abbau und Beschädigung erfahren. Diesbezüglich sind derartige Strukturen kontinuierlich der Oxidation, Feuchtigkeit, Zersetzung, Salz-Spray, UV-Bestrahlung, Chemikalien, hohen und niedrigen Temperaturen und anderem ausgesetzt, die bewirken können, dass solche Strukturen mit der Zeit erheblichen Abbau und Beschädigung erfahren. Als eine Folge hiervon müssen strukturelle Komponenten ständig repariert oder ersetzt werden, um die Möglichkeit zu vermeiden, dass ein bestimmtes Schiff oder ein Flugzeug dauerhaft beschädigt, wenn nicht zerstört wird.
Um zu versuchen, die Beschädigung, die durch Ermüdung und durch Aussetzen von Umweltbedingungen auf solche Verbundwerkstoffe und metallische Komponenten verursacht wird, zu verhindern, wurde eine Vielzahl von Mitteln und Verfahren zur Anwendung der selben auf solche Komponenten entwickelt, um ihre Lebensdauer zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermoplastischen Beschichten von Verbundwerkstoffstrukturen, wie definiert in dem anhängendem Anspruch 1 und 2, umfassend das Auftragen einer kristallinen mehrachsig orientierten thermoplastischen Schicht auf eine Arbeitsoberfläche eines Werkzeugs. Eine Schicht des Verbundwerkstoffmaterials wird auf die kristalline mehrachsig orientierte thermoplastische Schicht aufgetragen, und die kristalline mehrachsig orientierte thermoplastische Schicht und die Schicht von Verbundwerkstoffmaterial werden bei einer spezifischen Temperatur und einem Druck in einem Autoklaven parallel gehärtet. Die Erweichungstemperatur der kristallinen mehrachsigen orientierten thermoplastischen Schicht ist nicht wesentlich größer als die Härtungstemperatur des Verbundwerkstoffmaterials.
Ein technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung umfasst das verbesserte Anpassen des Thermoplasten an eine komplexe oder andernfalls nicht flache Form der Arbeitsoberfläche des Werkzeugs, während eine Aushärtetemperatur, die niedrig genug ist, um keine Beschädigung der gemeinsam gehärteten Verbundwerkstoffschicht zu verursachen, gehalten wird.
Ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung schließt ein, dass die kristalline mehrachsig orientierte thermoplastische Schicht eine gleichmäßiger verteilte Zugfestigkeit auf den Verbundwerkstoff verteilt. Kristalline Thermoplasten zeigen außerdem eine niedrige Wasser- und Gaspermeabilität und eine große Widerstandsfähigkeit gegenüber Erosion und Verschleiß.
Noch ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung umfasst eine verbesserte Gleichmäßigkeit in der Textur und Dicke der thermoplastischen Beschichtung.
Weitere technische Vorteile sind für den Fachmann leicht offensichtlich aus den folgenden Figuren, Beschreibungen und Ansprüchen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Um ein vollständigeres Verständnis der Erfindung zu erlangen und um weitere Merkmale und Vorteile darzulegen, wird nun Bezug auf die folgende Beschreibung genommen, in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in denen:
1A–1D Blockdiagramme sind, die ein Verfahren zur kristallinen mehrachsigen thermoplastischen Beschichtung einer Verbundwerkstoffstruktur in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen; und
2 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zur kristallinen mehrachsigen thermoplastischen Beschichtung einer Verbundwerkstoffstruktur in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1A–1D sind Blockdiagramme, die ein Verfahren zur mehrachsigen thermoplastischen Beschichtung von Verbundwerkstoffstrukturen in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darlegen. 1A illustriert eine Metallgießform oder „Werkzeug" 10 mit einer Arbeitsoberfläche 12 in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Arbeitsoberfläche 12 gibt die gewünschte Form und/oder Konturen der äußeren Oberfläche einer endgültigen Verbundwerkstoffstruktur wieder und kann aus irgendeinem geeigneten Material geformt sein, wie beispielsweise Aluminium oder Stahl. Das Werkzeug 10 kann jedoch auch aus anderen geeigneten Materialien wie beispielsweise Keramik gefertigt sein. Die Arbeitsoberfläche 12 kann im Wesentlichen flach sein oder kann Verbundwerkstoffkrümmungen umfassen oder andernfalls nicht flach sein. In einer speziellen Ausführungsform ist die Arbeitsoberfläche 12 mit Frekote^TM, Teflon^TM oder einer anderen geeigneten Beschichtung zum Auslösen (nicht explizit gezeigt) beschichtet.
1B illustriert eine thermoplastische Schicht 14, die auf die Arbeitsoberfläche 12 des Werkzeugs 10 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebracht ist. In einer speziellen Ausführungsform umfasst die Schicht 14 einen extrudierten thermoplastischen Film. Extrudierte thermoplastische Filme können uniaxial oder multiaxial sein. Uniaxiale Filme haben eine molekulare Orientierung in eine überwiegende Richtung, und mehrachsige Filme haben eine molekulare Orientierung in zwei oder mehrere Richtungen. Uniaxiale Filme haben häufiger eine größere Zugfestigkeit oder Reißfestigkeit in eine Richtung, die parallel zu der Richtung der molekularen Orientierung ist, können jedoch eine niedrigere Zugfestigkeit aufweisen und leichter in Richtung quer zu der Orientierung reißen. Eine kristalline mehrachsige orientierte Schicht wie die, die in U.S. Patent 6,132,668 beschrieben ist, kann eine gleichmäßigere Zugfestigkeit aufweisen. In einem Ausführungsbeispiel umfasst Schicht 14 eine kristalline mehrachsige orientierte thermoplastische Schicht. In einem speziellen Ausführungsbeispiel umfasst Schicht 14 einen extrudierten Film aus Flüssigkristallpolymer („LCP") mit einer molekularen Orientierung in zwei Richtungen (eine „biaxial-orientierte LCP" oder „biaxiale LCP").
Ein Verfahren zum Erhitzen der thermoplastischen Beschichtung zusammen mit dem Verbundwerkstoff kann als „Parallelhärten" bezeichnet werden. Wie nachfolgend detaillierter unter Bezug auf 1C und 1D beschrieben wird, kann eine mehrachsige orientierte thermoplastische Schicht 14 in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung parallel gehärtet werden mit einer Verbundwerkstoffschicht 16. Die Lehren der vorliegenden Erfindung merken an, dass Erhitzen eines thermoplastischen beschichteten Verbundwerkstoffmaterials eine Temperatur bei oder nahe der Erweichungstemperatur der thermoplastischen Schicht das gewünschte Ergebnis ergeben kann, dass die thermoplastische Schicht veranlasst wird, sich besser der Form der Verbundwerkstoffoberfläche anzupassen und zu einer thermoplastischen Beschichtung zu führen, die eine gleichmäßigere Textur und Dicke aufweist. Dieser Effekt kann besonders hervorgehoben werden, wenn die Form des gewünschten Verbundwerkstoffs komplexe Kurven einschließt.
Viele Thermoplaste haben jedoch eine Erweichungstemperatur, die wesentlich größer ist als die Härtetemperatur des Verbundwerkstoffmaterials. Erhitzen des thermoplastisch beschichteten Werkstoffmaterials bei einer Temperatur, die wesentlichen größer ist als die Härtetemperatur des Verbundwerkstoffs, kann zu einer hitzeinduzierten Beschädigung der Verbundwerkstoffschicht führen.
Die Lehren der vorliegenden Erfindung erkennen ferner, dass eine kristalline mehrachsige orientierte thermoplastische Schicht 14, die eine Erweichungstemperatur hat, die nicht wesentlich größer ist als Aushärtetemperatur des Verbundwerkstoffs, es gestattet, dass die Schicht 14 sich mit der Verbundwerkstoffschicht 16 verbindet, um eine komplexe oder anders gesagt nicht flache Form der Arbeitsoberfläche 12 während des Erhärtens zu bilden, während eine Aushärtetemperatur aufrecht erhalten wird, die niedrig genug ist, um nicht Beschädigung der Verbundwerkstoffschicht 16 zu verursachen. „Wesentlich" in diesem Kontext meint etwa 5,5 °C. In einer speziellen Ausführungsform kann die Schicht 14 Vektran^TM biaxial orientiertes Flüssigkristallpolymer mit einer Schmelztemperatur von etwa 428 bis 446 °C und einer Erweichungstemperatur von etwa 110 °C bis 120 °C aufweisen, das erhältlich ist bei Foster-Miller, Inc. In einer speziellen Ausführungsform kann die Schicht 14 eine Dicke von näherungsweise von 0,050 mm–0,0760 mm (0,002–0,003 Inches) haben. Die Erweichungstemperatur und die Dicke der Schicht 14 können auf geeignete Weise in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung variieren.
In 1C wird eine Schicht 16 von Verbundwerkstoffmaterial mittels Prepreg, Nassauflegen oder anderen geeigneten Verfahren auf die thermoplastische Schicht 14 aufgetragen. Das Verbundwerkstoffmaterial kann aus Graphit oder Glasfaser verstärktem Epoxid oder anderen geeigneten Materialien beschaffen sein. Die Verbundwerkstoff/Beschichtung/Werkzeuganordnung 18 wird dann unter Verwendung eines Ofens, Autoklaven oder einer anderen geeigneten Vorrichtung ausgehärtet. In einer speziellen Ausführungsform, wenn die kristalline mehrschichtige orientierte thermoplastische Schicht 14 eine Erweichungstemperatur von 110 °C bis 120 °C hat, kann der Aushärteprozess bei einer Temperatur von etwa 177 °C und bei einem Druck von etwa 275 kPa–345 kPa (40–50 psi) geführt werden. In einer speziellen Ausführungsform kann der Aushärteprozess einen Autoklaven-Vakuumsackprozess, umfassen, unter Verwendung entweder eines entlüftenden oder nicht entlüftenden Aushärtezyklus'.
In 1D, unter Vervollständigung des Aushärten, wird die Schicht 16 des Verbundwerkstoffmaterials und die thermoplastische Schicht 14 aus dem Werkzeug 10 entfernt. Die thermoplastische Schicht 14 kann dann eine schützende äußere Oberfläche der Verbundwerkstoffschicht 16 bilden, und die Verbundwerkstoffschicht 16 zusammen mit der thermoplastischen Schicht 14 können auf geeignete Weise mit der äußeren Oberfläche eines Schiffs oder eines Flugzeugs verbunden werden oder anderweitig geeignet eingesetzt werden. In speziellen Ausführungsformen kann ein Adhäsiv (nicht explizit gezeigt) auf die thermoplastische Schicht 14 aufgetragen werden, bevor die Schicht 16 auf das Verbundwerkstoffmaterial aufgetragen wird. In einer noch anderen Ausführungsform kann die dem Verbundwerkstoff zugewandte Seite der thermoplastischen Schicht 14 mechanisch abgetragen werden vor oder nach Auftragen einer Schicht 14 auf das Werkzeug 10. Die Adhäsiv und/oder mechanische Abrasion kann eine Bindung zwischen der thermoplastischen Schicht 14 und der Verbundwerkstoffschicht 16 verbessern, wodurch, in speziellen Ausführungsformen, die Stärke der Struktur, welche die Schichten 14 und 16 umfasst, gesteigert wird, und wobei ferner die Leichtigkeit, mit welcher das thermoplastisch überzogene und gehärtete Verbundwerkstoffmaterial aus dem Werkzeug 10 entfernt werden kann.
2 ist ein Fließbild, welches das Verfahren zur thermoplastischen Beschichtung einer Verbundwerkstoffstruktur in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darlegt. Beginnend mit Schritt 100 wird ein Auslösemittel wie beispielsweise Teflon^TM auf die Arbeitsoberfläche 12 des Werkzeugs 10 aufgetragen.
Fortschreitend zu Schritt 102 wird biaxiales LCP oder eine andere geeignete kristalline mehrachsig orientierte thermoplastische Schicht 14 auf die Arbeitsoberfläche 12 des Werkzeugs 10 aufgetragen. Bei Schritt 104 wird eine Schicht 16 aus Verbundwerkstoffmaterial auf die thermoplastische Schicht 14 aufgetragen. Die thermoplastische Schicht 14 und die Verbundwerkstoffschicht 16 werden dann parallel gehärtet bei Schritt 106. Abschließend bei Schritt 108, werden die thermoplastische Schicht 14 und die Verbundwerkstoffschicht 16 aus dem Werkzeug 10 entfernt, was zu einer kristallinen mehrachsig orientierten thermoplastisch beschichteten Verbundwerkstoffstruktur geführt hat.

Claims

Verfahren zum thermoplastischen Beschichten einer Verbundwerkstoffstruktur, umfassend: Das Auftragen einer kristallinen mehrachsig orientierten thermoplastischen Schicht (14) auf eine Arbeitsoberfläche (12) eines Werkzeugs (10), wobei die kristalline mehrachsig orientierte thermoplastische Schicht (14) eine Erweichungstemperatur aufweist, das Auftragen einer Schicht aus aushärtbarem Verbundwerkstoffmaterial (16) auf die kristalline mehrachsig orientierte thermoplastische Schicht (14), das Erhitzen der kristallinen mehrachsig orientierten thermoplastischen Schicht (14) und der Schicht des Verbundwerkstoffmaterials (16) auf eine Aushärttemperatur, um die Schicht des Verbundwerkstoffmaterials auszuhärten, wobei die Erweichungstemperatur der thermoplastischen Schicht nicht mehr als 5,5 °C über der Aushärttemperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die kristalline mehrachsig orientierte thermoplastische Schicht ein Flüssigkristallpolymer (14) ist, welches eine Erweichungstemperatur von etwa 100 °C bis 120 °C aufweist, und wobei das Erhitzen der kristallinen mehrachsig orientierten Flüssigkristallpolymerschicht (14) und der Schicht an Verbundwerkstoffmaterial (16) bei einer Temperatur von etwa 177 °C durchgeführt wird, und wobei das Verfahren ferner umfasst: das Auftragen eines Trennmittels auf eine Arbeitsoberfläche (12) des Werkzeugs (10); und das Entfernen der kristallinen mehrachsig orientierten thermoplastischen Schicht (14) und der Schicht an Verbundwerkstoffmaterial (16) von dem Werkzeug.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Arbeitsoberfläche (12) des Werkzeugs (10) nicht flach ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, ferner umfassend das Auftragen eines Haftzusatzes auf die kristalline mehrachsig orientierte thermoplastische Schicht (14), bevor die Schicht an Verbundwerkstoffmaterial (16) aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Auftragen eines Trennmittels auf die Arbeitsoberfläche (12), bevor die kristalline mehrachsig orientierte thermoplastische Schicht (14) aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, wobei das Ablegen einer kristallinen mehrachsig orientierten thermoplastischen Schicht (14) das Auftragen einer kristallinen mehrachsig orientierten thermoplastischen Schicht (14) mit einer dem Werkzeug zugewandten Oberfläche und einer dem Verbundwerkstoff zugewandten Oberfläche umfasst, und ferner umfassend das Abschleifen der dem Verbundwerkstoff zugewandten Oberfläche der kristallinen mehrachsig orientierten thermoplastischen Schicht (14), bevor die Verbundwerkstoffschicht (16) aufgetragen wird.
Verfahren nach irgend einem der Ansprüche 1, 5 oder 6, ferner umfassend das Auftragen eines Haftzusatzes auf die kristalline mehrachsig orientierte thermoplastische Schicht (14), bevor die Schicht von Verbundwerkstoffmaterial (16) aufgetragen wird.
Verfahren nach irgend einem der Ansprüche 1 oder 5 bis 7, ferner umfassend das Entfernen der kristallinen mehrachsig orientierten thermoplastischen Schicht (14) und der Schicht an Verbundwerkstoffmaterial (16) von dem Werkzeug (10).
Verfahren nach irgend einem der Ansprüche 1 oder 5 bis 8, wobei das Auftragen der kristallinen mehrachsig orientierten thermoplastischen Schicht (14) das Auftragen einer kristallinen mehrachsig orientierten thermoplastischen Schicht (14) umfasst, die ein Flüssigkristallpolymer aufweist.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 oder 5 bis 9, wobei das Auftragen der kristallinen mehrachsig orientierten thermoplastischen Schicht (14) das Auftragen einer kristallinen mehrachsigen orientierten thermoplastischen Schicht (14) umfasst, die eine biaxial orientierte thermoplastische Schicht aufweist.
Verfahren nach irgend einem der Ansprüche 1 oder 5 bis 10, wobei das Auftragen der kristallinen mehrachsig orientierten thermoplastischen Schicht (14) das Auftragen einer kristallinen mehrachsig orientierten thermoplastischen Schicht (14) mit einer Erweichungstemperatur von etwa 110 °C bis 120 °C umfasst.
Verfahren nach irgend einem der Ansprüche 1 oder 5 bis 11, wobei das gleichzeitige Aushärten der kristallinen mehrachsig orientierten thermoplastischen Schicht (14) und der Schicht an Verbundwerkstoffmaterial (16) das Erhitzen der kristallinen mehrachsig orientierten thermoplastischen Schicht (14) und der Schicht an Verbundwerkstoffmaterial (16) bei einer Temperatur von etwa 177 °C umfasst.
Verfahren nach irgend einem der Ansprüche 1 oder 5 bis 12, wobei die Arbeitsoberfläche (12) nicht flach ist.