DE60216108T2

DE60216108T2 - Vorrichtung zur herstellung von verbundstrukturen und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE60216108T2
Application number: DE60216108T
Authority: DE
Inventors: Steve Palmdale SLAUGHTER; C. John Santa Clarita FISH
Original assignee: Lockheed Corp; Lockheed Martin Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 2001-08-01
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2022-08-01
Also published as: US20030025232A1; DE60216108D1; US20040032062A1; EP1412118B1; WO2003022493A2; AU2002362289A1; EP1412118A2; CA2453411C; CA2453411A1; US7147448B2; WO2003022493A3; US6630095B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiete der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Gebiet von Herstellungsvorrichtungen für die Erzeugung von Verbundstrukturen unter Verwendung von vakuumgestützten Abformtechniken mit Harzübergang. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung, bei welcher ein Harzverteilungssystem den Harzfluss in die Schichtung von faserigem Material steuert, bis das Verteilungsmedium im Wesentlichen mit Harz gefüllt ist, bevor das Harz in die Schichtung eingegossen ist.
Beschreibung zugehöriger Technik
Das vakuumgestützte Formverfahren mit Harzübergang (VARTM = vacuum assisted resin transfer molding) ist in der Technik bekannt. Allgemein ausgedrückt wird ein Material eines beliebigen, nicht imprägnierten Faserstoffes und/oder einer Struktur in Lagen oben auf eine Form gelegt. Eine Vakuumtasche wird um die Schichtung gelegt und mit der Form versiegelt. Eine Ablöselage kann oben auf der Schichtung und zwischen den Lagen und der Formoberfläche angeordnet werden, um sicher zu stellen, dass die Vakuumtasche von dem fertigen Teil abgenommen und das Teil von der Form entfernt werden kann. Harz wird in die Vakuumtasche eingeführt, während ein Vakuum unten von der Schichtung gezogen bzw. gesaugt wird. Dies lässt das Harz durch die Schichtung fließen. Danach wird der Harzfluss angehalten, und das Harz wird in dem Aufbau gehärtet. Hierfür kann es erforderlich sein, dass das Harz auf Aushärtungstemperatur erwärmt wird. Um eine gleichmäßige Verteilung des Harzes in die Schichtung hinein sicher zu stellen, wird ein Harzverteilungsmedium oben auf die Schichtung gelegt, welches so gestaltet ist, dass es das Harz veranlasst, sich gleichmäßig dort zu verteilen, ohne von Harz entblößte Bereiche zu belassen.
Viele Arten von Harzverteilung sind vorgeschlagen worden: z.B. das US-Patent Nr. 4 132 755 Process for Manufacturing Resin-Impregnated, Reinforced Articles Without The Presence of Resin Fumes (Verfahren zur Herstellung von harzimprägnierten, verstärkten Gegenständen ohne die Gegenwart von Harzabgasen) von J. Johnson. Johnson beschreibt die Verwendung eines perforierten Films zwischen der Schichtung und der Vakuumtasche. Harz wird von oben durch die Vakuumtasche durch den perforierten Film und in die Schichtung hinein zugeführt. Eine Feder ist am Umfang der Schichtung aber unter dem perforierten Film angeordnet. Die Feder ist an eine Vakuumleitung angekoppelt, wodurch ein Kanal derart geschaffen wird, dass das Harz leichter in die Schichtung überführt werden kann. Diese Veröffentlichung ist für die Beschreibung der Verwendung eines perforierten Film und die Verwendung einer Feder von Interesse, um einen Kanal zu den perforierten Filmen vorzusehen. Es ist jedoch ein spezieller perforierter Film erforderlich, und es gibt noch das Problem sicherzustellen, dass das Harz alle Teile des perforierten Films erreicht. Das japanische Patent Nr. 60-83826 beschreibt die Verwendung eines Drahtnetzes als Verteilungsmittel in einem vakuumgestützten Formverfahren. Ein Drahtnetz kann jedoch nicht notwendigerweise passend zu einem komplex konturierten Teil hergestellt werden. Ferner kann ein offenes Netz die Möglichkeit erlauben, dass Harz zu frei in die Schichtung hineinfließt, bevor das Drahtnetz mit Harz gefüllt wird, so dass die Schichtung nahe dem Einlassrohr gefüllt wird und weiter weg von dem Einlassrohr ein von Harz entblößter Bereich erzeugt wird.
US-Patent Nr. 2 913 036 Process and Apparatus For Molding Large Plastic Structures (Verfahren und Vorrichtung zum Abformen großer Kunststoffstrukturen) von G.H. Smith beschreibt die Verwendung von Kanälen, die auf der Schichtung angeordnet werden, um als Harzverteilungsbahnen zu wirken und auf dem fertigen Teil zu Verstärkungen zu werden. Es ist unüblich bei Teilen, die nicht eine Verstärkung erfordern.
US-Patent Nr. 4 902 215 Plastic Transfer Molding Techniques For The Production Of Fiber Reinforced Plastic Structures (Abformtechniken mit Kunststoffübergang für die Erzeugung von faserverstärkten Kunststoffstrukturen) von W. H. Seamann. Allgemein ausgedrückt weist die Ausführungsform des Verteilungsmediums zwei Teile auf: Im Abstand angeordnete Leitungen und eine Reihe von erhabenen Säulen. Im Einzelnen kann das Verteilungsmedium ein kreuz- und querverlaufendes Muster von Monofilamenten mit erhabenen Segmenten an der Schnittstelle der Monofilamente haben; eine Reihe von im Abstand angeordneten Bändern, die eine Gitterstruktur bilden; oder einen gestrickten Stoff mit erhabenen Segmenten haben, welche Bereiche erhöhter Masse sind. Eine Mittelleitung in der Form einer Feder ist über der Ablöselage angeordnet und steht in Verbindung mit der Harzeinlassöffnung und dient als mittlere Verteilungsleitung. Von Interesse ist auch US-Patent 5 052 906 Plastic Transfer Molding Apparatus For The Production Of Fiber Reinforced Plastic Structures (Abformvorrichtung mit Kunststoffübergang für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffstrukturen) von W. H. Seemann, bei welchem die Verwendung von Verteilungsmitteln offenbart ist, welche in dem Patent '215 auf beiden Seiten der Schichtung beschrieben sind. Diese Verteilungsmedien sind spezielle Produkte und können die Herstellungskosten ungebührlich anheben.
Patent Nr. 5 403 537 Method For Forming composite Structures (Verfahren zum Bilden von Verbundstrukturen) von E. C. Seal, et al. beschreibt ein Verfahren, bei welchem Mehrfachlagen von Faserverstärkungen in eine gewünschte Konfiguration auf einem Stützwerkzeug ange ordnet werden, wobei eine der Faserverstärkungslagen eine Harzträgerstruktur bestimmt (Verteilungsmedium), welches sich über den Umfang der Lagen erstreckt. Die Lagen von Faserverstärkungen und das Werkzeug werden mit einer flexiblen Lage abgedeckt, um eine Hülle zu bilden, welche die Faserverstärkungen einhüllt. Eine Vakuumquelle führt Luft aus der Umhüllung ab. Harz wird in die Umhüllung und Faserverstärkungen eingeführt unter Verwendung eines Fließweges durch die eine Lage, die als Harzträgerlage verwendet wird. Nachdem die Faserverstärkungen imprägniert wurden, wird der Harzfluss angehalten, und das Harz wird ausgehärtet. Was tatsächlich passiert, ist, dass eine zusätzliche Faserlage zu den Faserverstärkungen hinzugegeben wird, welche denjenigen Teil ausmachen, welcher sich darüber hinaus erstreckt sowie über Fließkanäle am Umfang des Werkzeuges. Bei einer Ausführungsform wird diese Extrafaserlage durch eine Freigabe- oder Ablöselage von dem "Teil" getrennt. Bei einer zweiten Ausführungsform ist die Faserlage mit dem Teil ganzheitlich. Dieses Verteilungsmedium ist für die Verwendung in einem Verfahren ausgestaltet, wo das Harz aus den Umfangsrändern der Schichtung eingeführt wird.
US-Patent Nr. 6 048 488 One Step Resin Transfer Of Multifunctional Composites Consisting Of Multiple Resins (Einstufiger Harzübergang von multifunktionalen Verbundstrukturen, bestehend aus Mehrfachharzen) von B. K. Fink, et al. offenbart ein System, bei welchem ein Paar von Vorformlingen mit unterschiedlichen Permabilitäten in einer von einer Trennlage getrennten Form eingebaut wird. Unterschiedliche Harze werden in jeden Vorformling durch das vakuumgestützte Harzübergangsverfahren eingespritzt. Der Kniff, dieses Verfahren zum Arbeiten zu bringen, ist die Verwendung einer Trennlage mit einer niedrigeren Permeabiltät als die jedes der Faserformlinge.
Das FASTRAC-System, welches von dem US Army Research Laboratory (Forschungslabor der US-Armee) entwickelt wurde, ist auch von Interesse. Das FASTRAC-System verwendet eine Doppeltasche in einem Taschenkonzept. Beide Taschen werden an die Formoberfläche gesiegelt, wobei sich die Schichtung innerhalb der inneren Tasche befindet. Die äußere Tasche schließt Vorsprünge ein. Zuerst wird ein Vakuum aus dem Raum zwischen der inneren und äußeren Tasche gezogen. Hierdurch werden die Vorsprünge in die innere Tasche gedrückt und erzeugen ein Muster von Kanälen. Ein Vakuum wird dann aus dem Raum zwischen der Formoberfläche und der inneren Tasche gezogen. Das Harz fließt dann durch die Kanäle in die Schichtung. Somit wirkt die innere Tasche wie ein Harzverteilungsmedium. Diese Vorrichtung erfordert eine spezielle, ggf. kundenspezifische Vakuumtasche, wodurch die Herstellungskosten steigen können.
Daher ist es ein primärer Aspekt der Erfindung, eine Vorrichtung für die Herstellung von Verbundteilen durch das VARTM-Verfahren vorzusehen.
Ein anderer primärer Aspekt der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zur Herstellung von Verbundteilen durch das VARTM-Verfahren, welches Teile bei niedrigeren Kosten erzeugt.
Es ist ein weiterer primärer Aspekt der Erfindung, eine Vorrichtung für die Herstellung von Verbundteilen durch das VARTM-Verfahren vorzusehen, wobei ein verbessertes Harzverteilungssystem verwendet wird.
Es ist weiterer Aspekt der Erfindung, ein verbessertes Harzverteilungssystem für das VARTM-Verfahren vorzusehen.
Ein noch weiterer Aspekt der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Harzverteilungssystems für das VARTM-Verfahren, welches gut zur Verfügung stehende Materialen verwendet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffstrukturen sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben. Im einzelnen weist die Vorrichtung eine für ein Fluid undurchlässige äußere Schicht mit einem Harzeinlass auf. Eine Form ist eingeschlossen mit einer Oberfläche, auf welcher eine Schichtung aus einer oder mehreren Lagen eines Fasermaterials abgestützt werden kann und über welche die für das Fluid undurchlässige äußere Schicht angeordnet werden kann, wobei ihre Randbegrenzungen auf der Formoberfläche zur Bildung einer Kammer versiegelt sind. Eine Vakuumauslassöffnung ist zum Ziehen eines Vakuums auf die Kammer vorgesehen. Ein Harzverteilungssystem ist zwischen der Schichtung und der für Fluid undurchlässigen Schicht angeordnet und weist ein Harzverteilungsmedium auf für die Aufnahme von Harz aus der Einlassöffnung sowie eine Harzeingrenzungslage zwischen dem Harzverteilungsmedium und der Schichtung. Die Harzeingrenzungslage verhindert, dass Harz aus dem Harzverteilungsmedium in die Schichtung hineinfließt, bevor das Harzverteilungsmedium im Wesentlichen mit Harz gefüllt ist.
Die Harzeingrenzungs- bzw. Harzsicherheitslage kann eine Klebstofflage aufweisen mit einem Schmelzpunkt unter der Aushärtungstemperatur des Harzes derart, dass das Harz aus der Einlassöffnung unter Füllen derselben in das Harzverteilungsmedium hineinfließen kann und nach Erwärmen des Harzes auf Aushärtetemperaturen schmilzt, wobei das Harz die Möglichkeit hat, durch das Verteilungsmedium zu fließen. Eine zweite Version der Eingrenzungs- bzw. Sicherheitslage weist eine Lage eines perforierten, wärmeschrumpffähigen Materials auf, welches eine Vielzahl von Durchgangslöchern hat. Die Löcher sind so groß, dass das Harz nicht leicht durch diese hindurchfließt, aber nach Erwärmen in Richtung auf die Harzaushärtetemperatur die Lage schrumpft, wobei die Löcher veranlasst werden, größer zu werden, und das Harz die Möglichkeit erhält, aus dem Harzverteilungsmedium zu der Schichtung zu fließen.
Eine dritte Version der Eingrenzungslage weist eine Materiallage auf mit vielen durchgehenden Löchern, die so groß sind, dass das Harz dort nicht hindurchfließt, wenn ein Vakuum zu der Auslassöffnung auf einem ersten Niveau gezogen ist, und dort hindurchfließt, wenn ein Vakuum von der Auslassöffnung bei einem höheren zweiten Niveau gezogen wird. Eine für Harz poröse Ablöselage befindet sich manchmal zwischen der Eingrenzungsschicht und der Schichtung sowie der Schichtung und der Formoberfläche. Im Einzelnen weist das Verfahren zum Bilden faserverstärkter Kunststoffstrukturen folgende Schritte auf:

1) Anordnen eines Fasermaterials auf einer Formoberfläche unter Erzeugung einer Schichtung;
2) Anordnen eines Harzverteilungsmediums über der Harzeingrenzungslage;
3) Anordnen einer für Fluid undurchlässigen äußeren Schicht über dem Fasermaterial und dem Harzverteilungsmedium und Verschließen seiner Begrenzungsränder an der Formoberfläche unter Bildung einer Kammer;
4) Eingießen von Harz in die Kammer;
5) Ziehen eines Vakuums aus der Kammer;
6) Im Wesentlichen verhindern, dass Harz in die Schichtung eintritt, bevor das Harzverteilungsmedium vollständig mit Harz gefüllt ist – dies wird dadurch erreicht, das man eine Harzeingrenzungslage zwischen das Harzverteilungsmedium und die Schichtung anordnet;
7) Nachdem im Wesentlichen Füllen des Harzverteilungsmaterials mit Harz es dem Harz Erlauben, von dem Verteilungsmedium zur Schichtung überzugehen;
8) Aushärten des Harzes – dies erfordert meist die Erwärmung des Harzes;

Die neuen Merkmale, welche für die Erfindung kennzeichnend sind, sowohl hinsichtlich ihrer Organisation als auch des Betriebsverfahrens verstehen sich zusammen mit weiteren Gegenständen und Vorteilen derselben aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen, in welchen als Beispiel die derzeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht sind. Es soll jedoch ausdrücklich verstanden werden, dass die Zeichnungen zu Zwecken der Darstellung und nur der Beschreibung vorgesehen sind und nicht als Definition der Grenzen der Erfindung gedacht sind.
Kurze Bezeichnung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht der Vorrichtung zur Herstellung von Verbundteilen.
2 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der in 1 veranschaulichten Vorrichtung.
3 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Eingrenzungs- bzw. Sicherheitslage, wobei die Eingrenzungslage aus Klebstoff hergestellt ist.
4 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Eingrenzungslage, die aus einem perforierten, wärmeschrumpffähigen Material hergestellt ist.
5 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Eingrenzungslage, die aus einem stark perforierten Material hergestellt ist.
5A ist eine vergrößerte Teilansicht der 5
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 weist die allgemein mit der Bezugszahl 10 bezeichnete Vorrichtung eine Form 12 mit einer Formoberfläche 14 auf. Zu Illustrationszwecken ist eine flache Formoberfläche 14 gezeigt, die Formoberfläche könnte aber auch eine gekrümmte Gestalt haben. Fasermaterial, wie z.B. gewebte Glasfaser, Graphit oder ein anderes Verbund-Verstärkungsmaterial wird auf die Formoberfläche 14 gelegt, um, was gewöhnlich eine "Schichtung" oder "Vorformling" 16 genannt wird, die bzw. der aus Lagen 16A, 16B, 16C und 16D dargestellt wird, zu bilden. Ablöselagen 18A und 18B sind manchmal erforderlich, um auf jeder Seite der Schichtung 16 angeordnet zu werden.
Die Ablöselagen 18A und 18B sind in typischerweise aus einem Material hergestellt, wie z.B. einem porösen TEFLON^® (beschichtete Glasfaser, die so porös ist, dass das Harz leicht hindurch gelangen kann und nicht an der Formoberfläche 14 oder der Schichtung 16 haften bleibt, wenn das Harz aushärtet). Ein geeignetes Ablöselagen-Material ist Release Ease (leichte Freigabe) 234TFP, welches von der Fa. Airtech Products, Incorporated in Huntington Beach, California, hergestellt wird.
Oben auf der Ablöselage 18B ist ein Harzverteilungssystem 20 angeordnet mit einem Harzverteilungsmedium 22 und einer Harzeingrenzungslage 24, welche beide nachfolgend ausführlich diskutiert werden. Eine undurchlässige Schicht 26, die allgemein eine Vakuumtasche oder ein Vakuumbeutel genannt wird, die eine Harzeinlassöffnung 28 hat, wird über der zusammenge bauten Schichtung 16, den Ablöselage 18A und 18B und dem Harzverteilungssystem 20 angeordnet und wird an seinen Begrenzungsrändern 30 mittels eines Dichtungsbandes 32 unter Bildung einer Kammer 34 an der Formoberfläche 14 verschlossen. Ein geeigneter Typ von Dichtungs- bzw. Siegelungsmittel ist Tacky Tape^TM, welches von der Fa. Schnee-Moorehead, Irving, Texas, hergestellt wird. Eine Vakuumöffnung 35 ist zwischen der Formoberfläche 14 und einem Begrenzungsrand 30 der undurchlässigen Schicht 26 eingebaut.
Ein bevorzugtes Material für die undurchlässige Schicht 26 ist imprägniertes Nylon, welches von zahlreichen Lieferanten erhalten werden kann, wie z.B. der zuvor erwähnten Airtech Products. Das Harzverteilungsmedium 22 kann ein beliebiges der zuvor diskutierten Konzepte des Standes der Technik sein, bevorzugt wird aber UV-stabilisiertes, gestricktes Monofilament-Polyäthylen hoher Dichte: Z.B. SolarGuard^TM, welches von der Fa. Roxford Fordell Company in Greenville, South Carolina, hergestellt wird. Ein anderes geeignetes Produkt ist Colbond 7004, welches von der Fa. Colbond, Incorporated, Enka, North Carolina, hergestellt wird. Colbond ist ein regellos ausgerichtetes, in der Wärme geschmolzenes Monofilament-Material. Es wird bemerkt, dass die Verwendung der Form 14, der Ablöselagen 18A und 18B, des Harzverteilungsmediums 22 und der undurchlässigen Schicht 22 alle im Stand der Technik bekannt sind. Das neue Merkmal ist die Verwendung der Eingrenzungs- bzw. Sicherheitslage 24 in Kombination mit dem Harzverteilungsmedium 22. Im Betrieb lässt man Harz in die Einlassöffnung 28 fließen, während aus der Auslassöffnung 34 ein Vakuum gezogen wird. Hierdurch wird veranlasst, dass die undurchlässige Schicht um das Verteilungsmedium 22 herum nach unten zusammenfällt. Gäbe es kein Verteilungsmedium 22, würde das Harz schwerlich die Schichtung 16 vollständig auffüllen, und es gäbe von Harz entblößte Bereiche, oder es würde sogar Leerstellen in der fertigen Verbundstruktur geben. Mit einem Harzverteilungsmedium 22 fließt jedoch das Harz in diesem und verteilt sich leicht über die ganze Oberfläche der Schichtung 16, wodurch das Risiko von Leerstellen und dergleichen erheblich verringert wird.
Die Harzeingrenzungslage 24 ist so gestaltet, dass sichergestellt wird, dass das Harzverteilungsmedium 22 durchweg mit Harz im Wesentlichen gefüllt wird, bevor das Harz in die Schichtung 16 eintritt. Die Harzeingrenzungslage 24 kann eine Anzahl unterschiedlicher Konzepte aufweisen. Ein bevorzugtes Konzept ist in 3 dargestellt, bei dem eine Harzeingrenzungslage eine Klebestoffschicht 24A ist mit einem Schmelzpunkt, der niedriger ist als die Aushärtetemperatur des Harzes, welches zum Imprägnieren der Schichtung 16 verwendet wird. Eine geeignete Klebstoffschicht 24A ist Blue Max Tak Tu on Reemay (ein nicht gewebter Polyesterflor), der von der Fa. The Blue Max Company in Anaheim, California hergestellt wird. Ein bei niedriger Temperatur schmelzendes Harz 36 wird auf ein sehr poröses Flormaterial 37 angewendet.
Unter Bezugnahme auf 4 ist eine andere bevorzugte Harzeingrenzungslage 24 eine Schicht aus wärmeschrumpffähigem Material 24B mit einer Vielzahl von durchgehenden Löchern 40. Ein zweckmäßiges, wärmeschrumpffähiges Material ist Intercept Shrink film, welches von der Fa. FPM, Incorporated, Brownstone, Maine, hergestellt wird. Wenn die Vorrichtung 10 auf Aushärttemperaturen erwärmt wird, schrumpft die Schicht 24B, und die Löcher 40 nehmen an Größe erheblich zu, wie mit gestrichelten Linien gezeigt und mit der Bezugszahl 40' bezeichnet ist.
Eine andere Lösung für den Aufbau der Eingrenzungslage ist in 5 und 5A veranschaulicht und mit der Bezugszahl 24C bezeichnet. Die Eingrenzungslage 24C ist ein poröser Film 42 und wird mit sehr eng beabstandeten Perforationen 44 verwendet. Die Größe der Perforationen wird so ausgewählt, dass ein Harzfluss durch die Eingrenzungslage verhindert oder weitgehend reduziert wird. Die Berechnung der Perforationsgröße der Harzeingrenzungslage 24C kann leicht erhalten werden. Für eine Harzlage über der Harzeingrenzungslage 24C ist der hydrostatische Druck an der Lage durch folgende Gleichung gegeben: PH = ρ·hg,wobei ρ die Dichte des Harzes ist, h die Tiefe (Höhe) des Harzes ist und g die Gravitationskonstante ist.
Der "Überschussdruck", der von der Oberflächenspannung des Harzes und den Öffnungen (Perforationen) in der Harzeingrenzungslage 24C entwickelt ist, kann ausgedrückt werden als: PE = 2T/d,wobei: T ist die Oberflächenspannung des Harzes, und d ist der Perforationsdurchmesser (kreisförmige Perforation wird angenommen).
Die übergeordnete bzw. Steuergleichung für die Harzeingrenzung setzt den hydrostatischen Druck gleich dem Überschussdruck: ρ·hg = 2T/d.
Typische Harzeigenschaften sind:
ρ = 1265 kg/m³ (siehe Composite Airframe Structures, Niu)
T = 0,032 N/m (siehe msu. edu für Derakane 411 C-50)
Die maximale Perforationsgröße, welche den hydrostatischen Druck überwindet, ist dann:
d = 2T/(ρ·hg) = 2(0,032)/(1265 × h × 9,8)
d = 0,000005163/h Meter
Verwendet man eine typische Dicke eines Harzverteilungsmediums, dann wird die Harzhöhe 0,00635 m (0,25 in) und die maximale Perforationsgröße ist:
dmax = 8,13 × 10^–4 Meter (0,032 Zoll)
Für dickere Harzverteilungsmedien nimmt die maximale Perforationsgröße ab. Perforationen, die größer als dieser Maximalwert sind, enthalten während des Eingießens das Harz nicht. Ähnlich kann die minimale Perforationsgröße dadurch geschätzt werden, dass man den Überdruck der Summe des hydrostatischen Druckes und des Vakuumdruckes in der Taschenanordnung gleich setzt: ρ·hg + PV = 2T/dwobei PV in der Größenordnung von einer Atmosphäre liegt. Auf Meereshöhe beträgt PV etwa 100 kPa und beherrscht die linke Seite der obigen Gleichung. Die minimale Perforationsgröße wird dann geschätzt auf:
dmin = 2T/PV = 2(0,032)/(100 × 103)
dmin = 6,4 × 10^–7 Meter (2,5 × 10^–5 Zoll)
Perforationen, die kleiner als dieser Minimalwert sind, erlauben es nicht, dass das Harz durch die Harzeingrenzungslage 24C unter Vakuumdruck hindurchgelangt. Die Perforationsgröße der Harzeingrenzungslage 24C wird dann eingegrenzt durch:
6,4 × 10^–7 Meter < d < 8,13 × 10^–4 Meter
(2,5 × 10^–5 Zoll < d < 0,032 Zoll)
Geeignetes Material für die Eingrenzungslage 24C ist Easy Gardner Tree Wrap mit runden Löchern mit einem Durchmesser 0,015 Zoll oder Easy Gardner Weed Block mit quadratischen Löchern einer ähnlichen Größe. Beide dieser Materialien werden von der Fa. Easy Gardner, Incorporated, Waco, Texas, hergestellt. Dieses Berechnungsverfahren kann für die Gestaltung der Perforationen in der Eingrenzungslage 24B verwendet werden, die aus wärmeschrumpffähigem Material hergestellt wird.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf besondere Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Ausführungsformen nur der Illustration dienen, denn es gibt zahlreiche Variationen und Modifikationen, die von dem Fachmann in der Technik vorgenommen werden können. Die Erfindung ist somit als nur durch den Geist und den Geltungsbereich der anliegenden Ansprüche begrenzt auszulegen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Erfindung ist in der Industrie für die Herstellung von Verbundstrukturen anwendbar.

Claims

Vorrichtung (10) zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffstrukturen mit: einer für Fluid undurchlässigen äußeren Schicht (26), einem Harzeinlaß (28) in der für Fluid undurchlässigen äußeren Schicht (26), einer Formoberfläche (14), auf welcher eine Schichtung (lay-up) (16) einer oder mehrerer Lagen (16A, 16B, 16C, 16D) eines faserigen Materials gehalten werden kann und über der die für Fluid undurchlässige äußere Schicht (26) angeordnet werden kann, deren Ränder (30) zur Bildung einer Kammer (34) auf der Formoberfläche (14) an der Begrenzung abgedichtet (32) sind, und einem Vakuumauslaß (35) zum Ziehen eines Vakuums auf die Kammer (34) und einem Harzverteilungssystem (20) für die Anordnung zwischen der Strukturschichtung (16) und der für Fluid undurchlässigen Schicht (26), wobei das Harzverteilungssystem (20) aufweist: ein Harzverteilungsmedium (22) für die Aufnahme von Harz aus der Einlaßöffnung (28), wobei das Harzverteilungsmedium (22) eine erste Hauptseite hat, welche der undurchlässigen Schicht (26) zugewandt ist, und eine zweite Hauptseite hat, welche der Strukturschichtung (16) zugewandt ist; gekennzeichnet durch an die zweite Seite des Harzverteilungsmediums (22) gekoppelte Mittel (24), um zu verhindern, daß Harz aus dem Harnerteilungsmedium (22) in die Schichtung (16) fließt, bis das Harnerteilungsmedium (22) im wesentlichen mit Harz gefüllt ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei das Mittel (24) eine Schicht aus Klebstoff (24A) aufweist, die mit der zweiten Hauptseite des Harzverteilungsmediums (22) verbunden ist und einen Schmelzpunkt unter der Aushärttemperatur des Harzes hat; derart, daß das Harz in das Harzverteilungsmedium (22) aus der dieses füllenden Einlaßöffnung (28) fließen gelassen werden kann und nach dem Erwärmen des Harzes auf Aushärttemperaturen schmelzen kann, so daß das Harz die Möglichkeit erhalten kann, durch das Verteilungsmedium (22) zu fließen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei das Mittel (24) eine Schicht aus wärmeschrumpffähigem Material (24B) aufweist, durch welches eine Vielzahl von Löchern (40) hindurchgeht, die eine solche Größe haben, daß das Harz bei Umgebungstemperaturen nicht leicht durch diese hindurchfließt und nach Erwärmen auf die Harzaushärttemperatur hin das wärmeschrumpffähige Material (24B) schrumpft und die Löcher (40') veranlaßt, daß ihre Größe zu nimmt und das Harz die Möglichkeit erhält, aus dem Harzverteilungsmedium (22) zu der Schichtung (16) zu fließen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei das Mittel (24) eine Materialschicht (24C) aufweist mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern (44), die eine solche Größe haben, daß das Harz nicht durch diese hindurchfließt, wenn ein Vakuum mit einer ersten Geschwindigkeit zu der Auslaßöffnung (35) gezogen wird, und durch diese fließt, wenn ein Vakuum mit einer höheren zweiten Geschwindigkeit aus der Auslaßöffnung (35) gezogen wird.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4, ferner mit einer Ablöselage (18B, 18A), die für Harz porös ist, unter Anordnung zwischen den Mitteln (24) und der Schichtung (16) sowie der Schichtung (16) und der Formoberfläche (14).
Verfahren zum Bilden von faserverstärkten Kunststoffstrukturen mit den Schritten: Anordnen von faserigem Material (16A, 16B, 16C, 16D) auf einer Formoberfläche (14) unter Erzeugen einer Schichtung (lay-up) (16); Anordnen eines Harzverteilungsmediums (22) über der Schichtung (16); Anordnen einer für Fluid undurchlässigen äußeren Schicht (26) über der Schichtung (16) und des Harzverteilungsmediums (22) unter Abdichtungen seiner Begrenzungsränder (30) mit der Formoberfläche (14) zur Bildung einer Kammer (34); Einführen von Harz in die Kammer (34); Ziehen eines Vakuums aus der Kammer (34); gekennzeichnet durch das im wesentlichen Verhindern, daß Harz in die Schichtung (16) eintritt, bis das Harzverteilungsmedium (22) im wesentlichen mit Harz gefüllt ist; nach dem im wesentlichen Füllen des Harzverteilungsmediums (22) mit Harz Erlauben, daß das Harz von dem Verteilungsmedium (22) zu der Schichtung (16) übergeht; und Erwärmen des Harzes auf Aushärttemperaturen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das im wesentlichen Verhindern, daß Harz in die Aufschichtung (16) eintritt, bis das Harzvereilungsmedium (22) im wesentlichen mit Harz gefüllt ist, den Schritt aufweist, eine Harzeingrenzungslage (24) zwischen dem Harzverteilungsmedium (22) und der Schichtung (16) anzuordnen, um zu verhindern, daß Harz aus dem Harzverteilungsmedium (22) in die Schichtung (16) fließt, bis das Harzverteilungsmedium (22) im wesentlichen mit Harz gefüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Eingrenzungslage (24) eine Klebstofflage (24A) ist, die mit dem Harzverteilungsmedium (22) verbunden ist und einen Schmelzpunkt unter der Aushärttemperatur des Harzes hat; derart, daß das Harz in das Harzverteilungsmedium (22) hinein unter Füllen desselben fließen gelassen werden kann und nach Erwärmen des Har zes auf Aushärttemperaturen schmilzt, wobei dem Harz die Möglichkeit gegeben wird, durch die Schichtung (16) zu fließen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Harzeingrenzungslage (24) eine wärmeschrumpffähiges Material (24B) mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern (40) ist, die eine Größe derart haben, daß das Harz bei Umgebungstemperaturen nicht leicht durch die Löcher fließt und nach Erwärmen auf die Harzaushärttemperatur hin das wärmeschrumpffähige Material (24B) schrumpft und die Löcher (40') veranlaßt, die Größe zu erhöhen, wobei es dem Harz erlaubt wird, aus dem Harzverteilungsmedium (22) zu der Schichtung (16) zu fließen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Harzeingrenzungslage (24) eine Vielzahl von Durchgangslöchern (44) hat mit einer Größe derart, daß das Harz nicht durch diese fließt, wenn ein Vakuum zu der Auslaßöffnung (35) mit einer ersten Geschwindigkeit gezogen wird, und durch diese fließt, wenn ein Vakuum mit einer höheren zweiten Geschwindigkeit aus der Auslaßöffnung gezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, 8, 9 oder 10, ferner mit dem Schritt des Anordnens einer Ablöselage (18B, 18A), die für Harz durchlässig ist, unter Anordnen zwischen der Eingrenzungsglage (24) und der Schichtung (16) sowie zwischen der Schichtung (16) und der Formoberfläche (14).