DE60319617T2

DE60319617T2 - Formmasse

Info

Publication number: DE60319617T2
Application number: DE60319617T
Authority: DE
Inventors: Jeremy Brighstone Dolby
Original assignee: Gurit UK Ltd
Current assignee: Gurit UK Ltd
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-03-08
Also published as: ES2300541T3; GB0205498D0; EP1342544B1; ES2312152T3; DK1342544T3; EP1880819B1; EP1342544A1; PT1342544E; GB2388069B; GB2388069A; US20030175489A1; EP1880819A3; US8088470B2; DE60323279D1; ATE388796T1; SI1880819T1; US7964052B2; US20110111169A1; GB0305259D0; PT1880819E

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formmaterials, insbesondere jedoch nicht ausschließlich ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines (teilweise oder ganz) imprägnierten Formmaterials.
In der Vergangenheit wurden Formteile oder Formen aus einem Harzmaterial oder aus einem mit einem faserigen Verstärkungsmaterial verstärkten Harzmaterial hergestellt. Obwohl die auf diese Weise hergestellten Formprodukte zufriedenstellend waren, war es aufgrund der Schwierigkeiten beim Kontrollieren des Verhältnisses von Harz zu Verstärkungsmaterial schwierig, die Qualität der Formprodukte zu garantieren. Das Verfahren wurde daher dahingehend verfeinert, dass der Lieferant des Harzes den Hersteller der Formteile mit einem vorgefertigten imprägnierten Verstärkungsmaterial, bekannt als vorimprägniertes Formmaterial oder Prepreg versorgte, das unverändert in die Form gegeben werden konnte, und das optimale Verhältnis von Harz zu Verstärkungsmaterial für eine bestimmte Anwendung besaß.
Faserige Verstärkungsmaterialien sind in verschiedenen Formen wie Endlossträngen und im Rovinggewebe-Format erhältlich. Der Endlosstrang ist ein einzelner Endlosstrang, der bei Wicklungsanwendungen (engl.: wrapping applications) benutzt wird. Endlosstränge können auch in einem Stoffformat verwendet werden, wobei eine Vielzahl von parallelen, unidirektionalen strukturellen Fäden oder Fasern durch einen Näh- oder Strickstich zusammengehalten werden, der senkrecht zu der Achse der strukturellen Fäden verläuft.
Ein Verbundmaterial, das ein Endlosverstärkungsmaterial oder ein uniaxiales Verstärkungsmaterial umfasst, weist Hochdruck- und Hochzugfestigkeitseigenschaften in einer Richtung auf. Die Primärfasern von unidirektionalen Verstärkungsmaterialien sind üblicherweise in der 0-Grad-Richtung bezüg lich der Längsachse der Rolle, von der das Material zugeführt werden kann, angeordnet. In diesem Fall befinden sich die Fasern senkrecht zu der Längsrichtung des Stoffes, oder anders ausgedrückt, die Fasern sind in einer Richtung entlang der Rolle ausgerichtet, was als unidirektionale (UD) Kette bezeichnet wird. Die Ausrichtung der Fasern kann auch 90 Grad bezüglich der Länge der Rolle oder parallel zu der Längsrichtung des Stoffes sein, in diesem Fall wird das Material als UD Schuss bezeichnet.
Verstärkungs-Rovinggewebe wird für hochfeste Schichtpressstoffe mit Bedarf für minimale Dicke verwendet. Rovinggewebe umfasst eine Vielzahl von Endlossträngen, die in zwei Richtungen relativ zueinander laufen, und die dadurch zusammengehalten werden, dass der eine Strangensatz mit dem anderen verwoben wird. Einzelne Stränge in Rovinggewebe-Stoffen sind nicht uniaxial.
Es sind noch viel mehr Anwendungen von Verbundstoffen möglich, indem die Faserrichtungen in andere Richtungen als die 0-Grad-Richtung und die 90-Grad-Richtung bezüglich der Längsachse oder Längsrichtung des Stoffes ausgerichtet werden. Zudem erfordern einige Anwendungen eine hohe Festigkeit in mehr als einer Richtung, jedoch nicht in allen Richtungen. Daher ist ein Bedarf nach einem Verstärkungsmaterial entstanden, das unterschiedliche oder mehrere Richtungsstärke-Eigenschaften aufweist.
Multiaxiale Stoffe mit Fadenausrichtungen, die zwischen 0 Grad und 90 Grad bezüglich der Längsrichtung des Stoffes variieren können, werden von Maschinen hergestellt, die speziell zu diesem Zweck entwickelt wurden. Diese Maschinen umfassen Webmaschinen und Heftköpfe zum Zusammenfügen des Stoffes aus Schichten aus unidirektionalem Material mit Faserrichtungen, die im Allgemeinen verschieden von 0-Grad- und 90-Grad-Richtungen sind. Andere Maschi nen zur Herstellung von multiaxialen Stoffen sind allgemein als „multiaxiale Schusseintragsmaschinen" bekannt.
Beispielsweise offenbart US 4,567,738 einen strukturellen multiaxialen Stoff und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stoffes. Der strukturelle Stoff umfasst eine Vielzahl von im Wesentlichen parallelen uniaxialen strukturellen Fäden und einen Sekundärfaden oder Stützfaden bzw. Gewebe, um die strukturellen Primärfäden am Platz zu halten. Die strukturellen Fäden sind in einem Winkel schräg sowohl zu der Mittelachse des Stoffes als auch zu einer Achse senkrecht zu der Mittelachse des Stoffes angeordnet. Ein doppelt vorgespannter Stoff oder ein biaxialer Stoff wird durch Zusammennähen oder -heften (engl.: stitching) von zwei verdrehten Stoffen mit dem Sekundär-Stützfaden hergestellt. Auf diese Weise können multiaxiale Stoffe auch produziert werden, indem Schichten aus Verstärkungsmaterial mit unterschiedlichen Faserausrichtungen zusammengeheftet (engl.: stitching) werden. Das Heften (engl.: stitching) oder Nähen hält die Schichten der strukturellen Fäden zusammen and hält die Fasern in der gewünschten, vorher ausgewählten Ausrichtung. Dies ist notwendig, um zu verhindern, dass der multiaxiale Stoff während des Transports und der Bearbeitung verformt wird.
Ein derartiger multiaxialer Stoff kann als Verstärkungsmaterial verwendet werden und der multiaxiale Stoff wird dann beispielsweise in einer Prepregmaschine nach dem Heften (engl.: stitching) mit Harz imprägniert, um einen multiaxialen Prepreg herzustellen. Die Prepregmaschine trägt das Harz auf eine oder beide Seiten des multiaxialen Stoffverstärkungsmaterials auf, und das Material wird anschließend zusammengedrückt und erhitzt, um die Imprägnierung des Stoffes mit dem Harz zu ermöglichen.
An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass es während einer Zeitdauer von mindestens 20 Jahren bei der Herstellung von multiaxialen Prepregs üblich war, multiaxiale Stoffe durch Heften (engl.: stitching) einzelner Schichten aus Verstärkungsmaterial oder durch Verwenden multiaxialer Schusseintragsmaschinen herzustellen und die zusammengehefteten Stoffe (engl.: stitched fabric) anschließend in einer Prepregmaschine zu imprägnieren.
Tatsächlich haben sich in der Verbundmaterialindustrie Stoffhersteller aufgrund der mit der Produktion von multiaxialen Stoffen verbundenen hohen Kosten und dem hohen Aufwand bei der Herstellung dieser Stoffe ausschließlich auf die Produktion dieser Stoffe spezialisiert.
Da die Imprägnierung dieser herkömmlichen multiaxialen Stoffe auch relativ komplex ist, lieferten die Stoffhersteller nicht imprägnierte zusammengeheftete Stoffe (engl.: stitched fabrics) an die Harz- und Formmaterialien-Hersteller, die die Materialien anschließend imprägnierten und sie in Form von multiaxialen Prepregs an die Endbenutzer lieferten.
Die relativ lange Zulieferkette von multiaxialen Prepregs führt zu verhältnismäßig hohen Endkosten eines multiaxialen Prepreg-Materials. Bis zum heutigen Zeitpunkt findet daher die Anwendung von multiaxialen Prepregs nur in relativ kleinem Maßstab statt.
Außerdem haben bekannte multiaxiale Stoffe mehrere wesentliche Nachteile, die ihre Anwendung bis zum heutigen Zeitpunkt weiter eingeschränkt haben. Das Vorhandensein von Nähten bzw. Heftungen (engl.: stitching) oder eines Bindematerials beeinflusst die mechanischen Eigenschaften des multiaxialen Verstärkungsstoffes, da die Fasern oder Fäden durch den Vorgang des Heftens (engl.: stitching process) beschädigt oder verschoben werden können. Außerdem sind Bohren und Bearbeitung von Verbundmaterialstrukturen mit eingebundenen Nähten bzw. Heftungen (engl.: stitching) aufgrund der Erweichung der Nähte bzw. Heftungen (engl.: stitching) problematisch. Üblicherweise wird eine relativ weiche Polyesterfaser zum Heften (engl.: stitching) verwendet, die in Verbindung mit einem Verstärkungsmaterial, bei dem es sich nicht um ein Polyestermaterial handelt, die Qualität und die mechanischen Eigenschaften des ausgehärteten Materials beeinflussen kann.
Auch sind die Imprägnierungsgeschwindigkeiten von an multiaxialen Schusseintragsmaschinen produzierten Stoffen eher niedrig. Dies ist auf die feste Bündelung der Fäden in Folge des Vorgangs des Heftens (engl.: stitching) zurückzuführen. Dadurch erhöhen sich die Kosten von multiaxialen Prepregs noch weiter. Schließlich machen das Heften (engl.: stitching) und die feste Bündelung der Fasern das Material schon von sich aus steif, was die Drapierbarkeit des Materials beeinflussen kann. Dies wiederum kann das Einlegen in komplexe Formen erschweren.
US 5766534 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Harzmatrixverbundstoffes, welches die Schritte umfasst von: Herstellen eines Vorformlings, der mehrere Schichten aus Verstärkungsmaterial und einen vernetzbaren Klebrigmacher enthält, und Inkontaktbringen des Vorformlings mit einem Matrixharz.
WO 01/68341 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines feuer-modifizierten Fließes, bei dem erste und zweite Gewebe aus nicht-gewobenen (engl.: nonwoven) und oxidierten Polyacrylnitrilfasern geschichtet werden, um einen Fließ zu bilden. Danach wird Harz auf den Fließ aufgetragen. Anschließend wird der Fließ mit dem aufgetragenen Harz zerdrückt, um das Harz in den Fließ zu drücken. Schließlich wird das Harz ausgehärtet.
US 6096669 offenbart einen zur Verwendung in einem Kunstharz-Spritzpressverfahren geeigneten Vorformling, der einen oder mehrere Schichten einer nicht-gewobenen regellosen Matte und einen oder mehrere Schichten einer Serie von Tauen aus unidirektionalen Fasern, die durch ein polymeres aushärtbares Kunstharzfilmgitter zusammengehalten wird bzw. werden. Der polymere Kunstharzfilm liegt in Form eines Gitters vor, so dass nur ein Teil des Oberflächenbereichs der Fasern mit dem Kunstharzfilm in Kontakt kommt.
Es ist daher wünschenswert ein verbessertes Verfahren zur Herstellung multiaxialen Prepreg-Materials bereitzustellen und dabei die oben beschriebenen Probleme anzugehen und/oder generelle Verbesserungen anzubieten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Formmaterials wie in Anspruch 1 definiert bereitgestellt.
Auf diese Weise wird erreicht, dass die Verstärkungsschichten durch das Harz verbunden werden, wodurch Heften (engl.: stitching) oder andere Formen zum Binden der Verstärkungsschichten vor der Harz-Imprägnierung nicht mehr nötig sind. Dadurch wird die Effizienz der Herstellung von vorgefertigten Formmaterialien maßgeblich verbessert und die Kosten dieser Materialien, insbesondere multiaxialer Prepregs, wesentlich verringert.
Da das Verbinden außerdem in einem einzigen Schritt erfolgt, wobei es nicht nötig ist, die Verstärkungsschichten übereinander zu legen oder zu verbinden bevor das Harz aufgebracht wird, wird die Effizienz des Herstellungsverfahrens weiter erhöht und die Komplexität des Verfahrens maßgeblich reduziert.
Schließlich verhindern die gleichzeitig ablaufenden Schritte, in denen die noch nicht verbundenen Schichten aus Verstärkungsmaterial miteinander in Kontakt gebracht und die einzelnen Verstärkungsschichten imprägniert werden, eine Verformung der Verstärkungsmaterialschichten und, was noch wichtiger ist, eine Verformung der ausgewählten oder gewünschten Faserausrichtung des Verstärkungsmaterials während der Herstellung des vorgefertigten Formmaterials.
Das Harzmaterial hat im Wesentlichen zwei Funktionen: es verbindet die einzelnen Verstärkungsschichten um das vorgefertigte Formmaterial herzustellen und es hält die Ausrichtung der Verstärkungsfasern jeder einzelnen Verstärkungsschicht aufrecht.
Insbesondere „lockere Stoffe", wie nachfolgend beschrieben, z. B. unidirektionale Verstärkungsstoffe, werden während der Bearbeitung, des Transports, des Heftens (engl.: stitching) und der Imprägnierung leicht verformt, wobei einzelne Fasertaue verschoben werden können. Das hat eine reduzierte mechanische Leistung des ausgehärteten Prepreg-Produkts zur Folge, das in diesen Stoffen eingebunden ist. Durch den gleichzeitig ablaufenden Schritt, in dem die Schichten verbunden und imprägniert werden, um die Schichten durch das Harz binden, wird dieses wesentliche Problem bewältigt.
Die Imprägnierung der Verstärkungsschichten kann die Schritte umfassen von Pressen des Harzes in das Verstärkungsstoffmaterial, wobei das Harz weiter erhitzt werden kann. Das fördert das Fließen des Harzes in die Fasern, da die Viskosität des Harzes mit zunehmender Temperatur abnimmt.
Im Zusammenhang mit der Anmeldung bezieht sich der Begriff „einzelne Schichten" darauf, dass die Schichten getrennt sind und vor der Imprägnierung der Schichten nicht in irgendeiner Weise zusammengefügt oder verbunden werden und getrennt bleiben.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Harzmaterial auf mindestens eine der aneinandergrenzenden Flächen des faserigen Verstärkungsmaterials aufgetragen, um ein teilweise imprägniertes vorgefertigtes Formmaterial herzustellen. Gemäß dieser Ausführungsform wird das Harz auf eine Innenfläche des Verstärkungsmaterials aufgetragen. Es kann genügend Harzmaterial auf die Innenfläche des Verstärkungsmaterials aufgetragen werden, um das Material vollständig zu imprägnieren.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das Harzmaterial auf die Außenfläche oder -flächen der äußeren Verstärkungsschicht oder -schichten aufgetragen und das Verstärkungsmaterial wird innen mit dem Harzmaterial imprägniert um die Schichten aus Verstärkungsmaterial zu verbinden und so das Formmaterial herzustellen. Die Verstärkungsmaterialschichten können auf diese Weise ganz oder teilweise imprägniert werden.
Gemäß einer Ausführungsform können die Verbindungsmittel eine Prepregmaschine umfassen und die einzelnen Schichten können der Prepregmaschine zugeführt werden, um das mit Harz imprägnierte Formmaterial herzustellen. Im Zusammenhang mit dieser Anmeldung ist jede Vorimprägnierungsmaschine, wie die Maschinen, die üblicherweise bei der Herstellung von imprägnierten Formmaterialien benutzt werden, zur Herstellung des Formmaterials geeignet, ohne dass ein Heften (engl.: stitching) der Verstärkungsstoffschichten oder alternative Bindemittel nötig sind bevor die Imprägnierung erfolgt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Harzmaterial auf jede Verstärkungsschicht aufgetragen werden. Das Verstärkungsmaterial kann ein faseriges Material mit unidirektionalen Fasern umfassen. Geeignete Mittel können bereitgestellt werden, die den Verlauf der Fasern oder Fäden ausrichten ehe das Harzmaterial auf das Verstärkungsmaterial aufgebracht wird.
Durch Ausüben einer Form von Spannung oder Kraft auf den Stoff können die Fasern oder Fäden des Verstärkungsstoffes in eine gewünschte Richtung oder in einen gewünschten Winkel bezüglich der Längsrichtung des Stoffes oder der Längsachse der Verbindungsmittel bewegt werden. Dies wird häufig als Verdrehen bezeichnet. Die Ausrichtungsmittel können Mittel zum Verdrehen des Verstärkungsmaterials vor dem Aufbringen des Harzmaterials umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verstärkungsmaterial ein unidirektionales faseriges Verstärkungsmaterial mit einer Kette und einem Schuss umfassen. Der Schuss kann durch die strukturellen Fasern gebildet werden, die senkrecht zu der Richtung der Kette ausgerichtet sein können. Die Kette oder das Stützgewebe können sich in Längsrichtung des Verstärkungsstoffes erstrecken. Das Verstärkungsmaterial kann den Verbindungsmitteln in einer zu der Kette ungefähr parallelen Richtung zugeführt werden. Alternativ kann das Material den Verbindungsmitteln in einem ausgewählten Winkel bezüglich der Verbindungsmittel zugeführt werden, um die Richtung des Schusses zu verdrehen oder auszurichten.
Gemäß der Erfindung hält die von Natur aus gegebene Klebrigkeit des Harzmaterials das Verstärkungsmaterial zusammen, wodurch das Formmaterial gebildet wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das Verstärkungsmaterial teilweise mit dem Harzmaterial imprägniert. Dies ermöglicht das Ablassen von sich zwischen und innerhalb der Schichten befindenden Gasen aus dem Formmaterial während der Bearbeitung des Formmaterials.
Die Vorrichtung zur Herstellung eines vorgefertigten Formmaterials, das ein Verstärkungsmaterial und ein Harzmaterial umfasst, hat Mittel zum Verbinden der Verstärkungsschichten durch Imprägnieren des Harzmaterials in das Verstärkungsmaterial, um das Formmaterial herzustellen, wodurch es nicht mehr nötig ist, irgendwelche zusätzlichen Bindemittel zum Verbinden der einzelnen Verstärkungsschichten vor dem Imprägnieren vorzusehen.
Die Vorrichtung kann Zufuhrmittel (wie Rollen oder Verfahrschlitten (engl.: carriages)) zum Zuführen des faserigen Verstärkungsmaterials umfassen, wobei die Zufuhrmittel in einem geeigneten Abstand zu den Verbindungsmitteln vorgesehen sind, damit keine Bindemittel (wie Nähte bzw. Heftungen (engl.: stitching)) mehr nötig sind, um die relative Anordnung der einzelnen Verstärkungsschichten zueinander aufrechtzuerhalten und/oder die Fasern einer Verstärkungsschicht zusammenzuhalten. Wie oben erwähnt, kann durch eine Reduzierung der Bearbeitung und des Transports des Verstärkungsmaterials ein Formmaterial hergestellt werden, bei dem die Harzmatrix die einzelnen Stoffschichten verbindet und hält und die Ausrichtung der Fasern von jeder Schicht aufrechterhält. Indem die Zufuhrmittel relativ nah zu den Verbindungsmitteln angeordnet werden, wird daher die Bearbeitung, die Lagerung und der Transport des Verstärkungsstoffes minimiert, so dass sich der Stoff nicht verformt. Der Abstand zwischen den Zufuhrmitteln und den Verbindungsmitteln ist derart, dass eine Verformung des Verstärkungsmaterials verhindert wird. Vorzugsweise wird das Verstärkungsmaterial direkt in die Verbindungsmittel geführt.
Die Vorrichtung kann Mittel zur Ausrichtung des Verlaufs der Fasern des Verstärkungsmaterials umfassen. Die Ausrichtungsmittel können ein Verdrehmittel zum Verdrehen des Verstärkungsmaterials vor dem Aufbringen des Harzmaterials umfassen. Die Ausrichtungsmittel können Auswahlmittel zum Auswählen der Ausrichtung des Verstärkungsmaterials vor der Imprägnierung umfassen. Die Ausrichtung der Fasern mindestens einer der Verstärkungsschichten kann sich von der einer anderen Verstärkungsschicht unterscheiden. Auf diese Weise kön nen die mechanischen Eigenschaften des ausgehärteten Formmaterials an eine bestimmte Anwendung angepasst werden.
Die Vorrichtung kann Stoff-Spannungsmittel zum Spannen der Verstärkungsstoffschicht umfassen. Die Verstärkungsschicht kann gespannt werden, um ein Verdrehen des Materials zu ermöglichen. Ein Verdrehen kann herbeigeführt werden, indem die Zufuhrvorrichtung des Verstärkungsmaterials in einem Winkel bezüglich der Längsachse der Verbindungsmittel angeordnet wird. Auf diese Weise können die Verstärkungsfasern in einem gewünschten Verlauf ausgerichtet werden. Das Material kann mittels Rollen gespannt oder verdreht werden und/oder durch Anordnung der Verbindungsmittel in einem Winkel bezüglich der Längsachse der Verbindungsmittel. Nach dem Spannen des Materials durch Zuführung des Materials in die Verbindungsmittel wird das Material verdreht und der Schuss wird in einem gewünschten Winkel bezüglich der Längsrichtung des vorgefertigten Formmaterials angeordnet.
Die Ausrichtung der Fasern kann irgendwo zwischen einem Winkel von –90 Grad bezüglich der Längsrichtung der Verstärkungsstoffschicht und einem Winkel von +90 Grad bezüglich der Längsrichtung der Verstärkungsstoffschicht variieren (irgendwo zwischen einem Punkt, der parallel zu der Längsachse einer Rolle ist, von der das Material zugeführt werden kann, und einem Punkt, der senkrecht zu der Längsachse einer Rolle ist, von der das Material zugeführt werden kann). Vorzugsweise befindet sich die Faserausrichtung in einer unidirektionalen Verstärkungsschicht des Formmaterials in einem Winkel von –45 Grad and die Faserausrichtung in einer anderen unidirektionalen Schicht in einem Winkel von +45 Grad (d. h. in Ausrichtungen wie in 1 gezeigt).
Es werden also gemäß der Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Formmaterials, eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formmaterials und ein Formmaterial bereitgestellt.
Multiaxiale, mehrschichtige vorgeformte mit Harz imprägnierte Formmaterialien, die einzelne Schichten aus einem Verstärkungsstoff umfassen, werden herkömmlicherweise durch Imprägnieren von vorher verbundenen Schichten aus Verstärkungsstoffen hergestellt. Die Schichten werden durch Nähte bzw. Heftungen (engl.: stitching) oder alternative Bindemittel vorher verbunden oder zusammengefügt. Da die Herstellung von mehrschichtigen Stoffen komplex ist, erhöht die Produktion von multiaxialen Stoffen auf Grundlage von herkömmlichen Techniken die Kosten solcher Prepregs.
Wir haben festgestellt, dass nicht imprägnierte oder trockene multiaxiale, mehrschichtige vorgeformte Formmaterialien, die einzelne noch nicht verbundene oder noch nicht zusammengefügte Schichten umfassen, direkt mit einem Harzmaterial imprägniert werden können, wobei das Harz die einzelnen Verstärkungsstoffschichten bindet. Dadurch sind zusätzliche Bindungstechniken wie Nähte bzw. Heftungen (engl.: stitchings) oder Harz-Bindemittel nicht mehr nötig. Wir haben ferner herausgefunden, dass das Harzmaterial im Wesentlichen zwei Funktionen hat: es verbindet die einzelnen Verstärkungsschichten, um das vorgefertigte Formmaterial herzustellen und es hält die Ausrichtung der Verstärkungsfasern jeder einzelnen Verstärkungsschicht aufrecht.
Wir haben auch herausgefunden, dass kein Binden mehr nötig ist (zum Beispiel durch Heften (engl.: stitching)), um die einzelnen Schichten vor der Imprägnierung zu verbinden, wenn Bearbeitung und Transport der einzelnen Verstärkungsstoffe oder Schuss-Vorläufer reduziert werden, da die reduzierte Behandlung eine Verformung der Stoffe verhindert.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verstärkungsmaterial, das in dem resultierenden Formmaterial eingebunden ist, aus zwei oder mehreren im Wesentlichen parallelen uniaxialen Stoffen bestehen, die ein Stützgewebe bzw. eine Kette und einen Schuss umfassen. Diese Stoffe werden im Allgemeinen als „Schuss-Vorläufer" bezeichnet, da die strukturellen Fasern im Allgemeinen in einem 90-Grad Winkel zu der Webrichtung (engl.: web direction) angeordnet sind. Die Schuss-Vorläufer können v. a. an Webmaschinen aber auch an Schusseintragsmaschinen oder ähnlichen Maschinen produziert werden. Wie untenstehend beschrieben, haben Webmaschinen gegenüber multiaxialen Schusseintragsmaschinen den Vorteil, dass größere Faserbündel benutzt werden können. Auch sind an Webmaschinen produzierte Schuss-Vorläufer im Allgemeinen kostengünstiger.
Das faserige Verstärkungsmaterial kann Fasern aus Polyester, Glas, Kohlenstoff, Aramid und anderen Polymermaterialien, einschließlich Verbindungen dieser Materialien, umfassen. Das faserige Material kann auch natürliche faserige Materialien wie Jute umfassen, die entweder mit künstlich hergestellten Materialien verbunden sein können oder nicht.
Die nicht imprägnierten oder harzfreien Materialien können auf einem Verfahrschlitten (engl.: carriage) oder einer Rolle zugeführt werden. Das faserige Verstärkungsmaterial kann Fasern in einer zur Mittelachse des Verfahrschlittens (engl.: carriage) oder der Rolle, auf denen das Material zugeführt wird, senkrechten Richtung umfassen.
Bei einer Ausführungsform kann eine leichte Kettfaser benutzt werden, um den Schuss-Vorläufer mit Integrität zu versehen (engl.: to provide integrity to the weft precursor). Diese Kette kann im gewobenen Zustand aus Leinenbindung, Körperbindung oder einem anderem Webstil bestehen. Die als Kette eingebundene Faser kann vorzugsweise aus dem gleichen Material sein wie der Schuss. Für einige Anwendungen kann die benutzte Kettfaser ein ähnliches Flächengewicht (Masse des Stoffes per Fläche [kg/m2]) oder ein höheres Flächengewicht als der Schuss haben. Die Kettfasern in dem Schuss-Vorläufer sorgen für Spannungsstärke und Steifigkeit, um die Bearbeitung des Stoffes durch Imprägnieren z. B. durch eine herkömmliche Prepregmaschine zu ermöglichen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann die Harzmaterialmatrix, die die einzelnen Verstärkungsschichten verbindet, aus Duroplast oder thermoplastischem Polymermaterial wie Epoxid, Vinylester, Polyester, Phenol, BMI, Acryl, Polyimid oder ähnlichem bestehen. Die Fasern können nach der Bearbeitung vollständig, teilweise oder gar nicht imprägniert sein. Eine Vielzahl von Faserausrichtungen (die sich üblicherweise von +20 Grad zu +90 Grad und –90 Grad zu –20 Grad bezüglich der Längsrichtung oder Rolle erstrecken) ist durch Ändern der Winkel der Verfahrschlitten (engl.: carriages) möglich. Es können mehr als zwei Verfahrschlitten (engl.: carriages) verwendet werden, um Materialien mit drei oder mehr Achsen herzustellen. Zusätzliche von einem Träger, Gestell oder Gatter zugeführte Fäden können dem Verdrehungs- und Imprägnierungs-(Prepreg-)Prozess gleichzeitig zugeführt werden, um das Material mit einer 0 Grad-Verstärkung zu versehen.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann jede einzelne Verstärkungsschicht jeweils weitere mehrere Verstärkungsstoffschichten umfassen, die durch jedes geeignete Mittel einschließlich Heften (engl.: stitching) und/oder Imprägnieren der weiteren Schichten durch ein Verfahren und/oder eine Maschine, wie oben beschrieben, verbunden werden können. Dies ermöglicht die Herstellung großer Verbindungen von vorgefertigten Formmaterialien durch anschließende Imprägnierung.
Im Allgemeinen kann unidirektionales (UD) Schuss-Vorläufer-Verstärkungsmaterial verdreht werden bevor es mit anderen Verstärkungsschichten verbunden wird. Dies kann auf verschiedene Weisen umgesetzt werden. Die Abwickelstationen oder Zufuhrstationen, die den UD Schuss-Vorläufer zuführen, können schräg zu der Hauptachse der Prepregmaschine angeordnet sein. Alternativ können mehrere Rollen oder andere geeignete Mittel unterschiedliche Spannungen auf beide Seiten des UD Materials ausüben, was zu einer Verdrehung des Materials führt.
Das oben beschriebene Verfahren und die Bearbeitung haben viele bedeutende Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger vorgefertigter Formmaterialien.
Ein bedeutender Vorteil ist, dass die Kosten der Herstellung von mehrschichtigen vorgefertigten Materialien oder mehrschichtigen Prepregs erheblich reduziert werden, da es, wie oben beschrieben, durch das Verfahren nicht mehr nötig ist, die Schichten zu verbinden bevor die Imprägnierung erfolgt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Verflechtung der Fasern gleichzeitig mit dem Imprägnierungs- oder Prepreg-Prozess.
Ein weiterer Vorteil ist, dass zur Produktion eines gewebten (engl.: woven) Schuss-Vorläufers größere Faserbündel mit höherer Tex-Zahl verwendet werden können als die Faserbündel, die üblicherweise eingebunden werden, um einen Stoff mit ähnlichem Flächengewicht an einer multiaxialen Schusseintragsmaschine zu produzieren (die Einheit „Tex" wird üblicherweise verwendet, um die Masse des Fadens in Gramm pro 1000 m anzugeben). Wir haben festgestellt, dass es keine Begrenzung für das Flächengewicht des Stoffes, der nach dem hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wird, gibt. Aufgrund der flachen und gut verteilten Fasern in einem gewebten (engl.: woven) Schuss-Vorläufer wird eine gute Abdeckung ohne Lücken erzielt. In multiaxialen Schusseintragsmaschinen werden teurere Fasern mit niedrigerer Tex-Zahl verwendet, um den gleichen Grad an Faserabdeckung zu erhalten. Auch ist die Produktion von Schuss-Vorläufern an Webmaschinen im Allgemeinen kostengünstiger als an multiaxialen Schusseintragsmaschinen.
Außerdem erhöhen sich die Imprägnierungsgeschwindigkeiten erheblich. Fäden in mehrschichtigen Stoffen, die an multiaxialen Schusseintragsmaschinen produziert werden, werden während des Vorgangs des Heftens (engl.: stitching) üblicherweise fest gebündelt. Dies führt zu einer Abnahme der Imprägnierungsgeschwindigkeit. Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kein Heften (engl.: stitching) erfolgt, kann das Formmaterial in einer viel höheren Produktionsgeschwindigkeit imprägniert werden, was eine Reduzierung der Herstellungskosten dieser Materialien zu Folge hat. Auch weist das multiaxiale Material der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem herkömmlichen mehrschichtigen Prepreg bei ähnlichen Imprägnierungsgeschwindigkeiten eine höhere Qualität auf. Ein weiterer Vorteil ist, dass jegliches Heften (engl.: stitching) entfällt. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften und die Bearbeitungseigenschaften des bearbeiteten Materials maßgeblich verbessert.
Der Einschluss von Nähten bzw. Heftungen (engl.: stitching) und insbesondere von Polyesternähten bzw. -heftungen (engl.: polyester stitching yarn) in multiaxialen Schusseintragsmaschinen wird weithin als störend und unerwünscht angesehen. Bohren und Bearbeitung von Verbundmaterialstrukturen mit eingebundenen Polyesternähten bzw. -heftungen (engl.: polyester stitching) ist aufgrund der Erweichung der Polyesternähte bzw. -heftungen (engl.: polyester stitching) problematisch. Außerdem befinden sich in dem ausgehärteten multiaxialen Material häufig Hohlräume um die Bindungspunkte herum. Das beeinflusst die bautechnischen Eigenschaften des Materials. Außerdem werden Hohlräume durch das durch das Heften (engl.: stitching) verursachte Bündeln der Fasern verursacht, was zu einer weniger einheitlichen Faserschicht im Vergleich zu dem Prepreg gemäß einer Ausführungsform der Erfindung führt.
Gemäß dem Verfahren der Erfindung produzierte Materialien weisen bessere Eigenschaften bezüglich der Formanpassungsfähigkeit in komplexen Krümmungen (engl.: complex tooling curvatures) in einem Formverfahren auf. Das Nichtvorhandensein von Nähten bzw. Heftungen (engl.: stitching) und anderen Bindemitteln ermöglicht eine bessere Anpassung des Materials an die Form und Krümmung von komplexen Formen.
Die Erfindung wird nun nur anhand eines Beispiels and mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung eines biaxialen vorgefertigten Formmaterials.
Die Vorrichtung 10 ist dazu ausgebildet, ein biaxiales vorgefertigtes Formmaterial, umfassend ein Harzverstärkungsmaterial und zwei Schichten 14, 16 eines Verstärkungsmaterials, herzustellen. Die Vorrichtung 10 umfasst ein Mittel zum Verbinden der einzelnen Schichten 14, 16 in Form einer Prepregmaschine 18. Die Prepregmaschine 18 führt die gleichzeitig ablaufenden Schritte durch, in denen die Verstärkungsschichten und das Harzmaterial miteinander in Kontakt gebracht werden und die Verstärkungsschichten imprägniert werden, um dabei die Verstärkungsschichten zu verbinden und das Formmaterial 12 herzustellen. Durch die direkte Imprägnierung der Verstärkungsschichten 14, 16 ist es nicht mehr nötig, irgendwelche zusätzlichen Bindemittel wie Bindematerialien oder Nähte bzw. Heftungen (engl.: stitchings) vor der Imprägnierungsphase vorzusehen.
Jede Verstärkungsstoffschicht 14, 16 wird auf einer Rolle oder einem Verfahrschlitten (engl.: carriage) 20, 22 zugeführt und umfasst im Wesentlichen parallele uniaxiale Fasern. Die Fasern sind parallel zu der Längsachse der Rolle oder des Verfahrschlittens (engl.: carriage) 20, 22 (UD Schuss) und senkrecht zu der Längsrichtung des Stoffes angeordnet. Die uniaxialen Fasern werden von einem Gewebe in Form von leichten Kettfasern getragen. Diese Stoffe werden häufig als „lockere Stoffe" bezeichnet, da die Ausrichtung der Fasern oder Fäden leicht geändert werden kann, indem eine Spannung auf den Stoff ausgeübt wird.
Die Rollen 20, 22 sind jeweils in Winkeln von +45 Grad und –45 Grad bezüglich der Mittelachse 24 der Maschine 18 angeordnet. Die Zuführung des Stoffes 14, 16 in die Maschine 18 spannt den Stoff, was zur Folge hat, dass der Stoff 14, 16 sich verdreht, so dass sich die Ausrichtung der Fasern in einem –/+45-Grad-Winkel bezüglich der Längsachse 24 der Maschine 18 befindet. Wenn andere Faserwinkel erforderlich sind, können die Rollen in verschiedenen Winkeln bezüglich der Zuführung der Maschine 18 ausgerichtet werden. Alternativ kann der Stoff durch Anwendung von alternativen Spannungsmitteln wie abgewinkelten Führungsrollen (hier nicht gezeigt) verdreht werden. Dadurch ist es nicht mehr nötig, dass die Verfahrschlitten (engl.: carriages) in spezifischen Winkeln angeordnet werden.
Während des Betriebs werden die Verstärkungsstoffschichten 14, 16 von ihren jeweiligen Rollen 20, 22 abgewickelt und die Schichten 14, 16 werden über die Primär-Quetschrollen (nicht gezeigt) der Maschine 18 in die Imprägnierungs- oder Prepregmaschine 18 geführt. Die erste Schicht 14 wird in einem 45-Grad-Winkel bezüglich der Mittelachse der Maschine 18 und die zweite Schicht 16 wird in einem Winkel von –45 Grad bezüglich der Mit telachse 24 der Maschine 18 abgewickelt. Wenn die Stoffe 14, 16 ihre jeweiligen Verfahrschlitten (engl.: carriages) verlassen, verdrehen sich die Fasern in einen Winkel, der von dem Winkel des Verfahrschlittens (engl.: carriages) bezüglich der Mittelachse 24 der Maschine 18 bestimmt wird. Die getrennten Schichten 14, 16 bewegen sich anschließend in dem gewünschten Winkel durch den Imprägnierungsprozess, wobei die Richtung der Prepreg-Herstellung durch den Pfeil 26 angezeigt wird. Aufgrund des Drucks während des Imprägnierungsverfahrens wird die Genauigkeit der Faserausrichtung aufrechterhalten. Auf diese Weise wird das vorgefertigte Formmaterial hergestellt. Die Harzmatrix hält die Fasern danach aufgrund ihrer charakteristischen Viskosität bis zur Endnutzung des vorgefertigten Formmaterials in den gewünschten Winkeln aufrecht.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines vorgefertigten Formmaterials (12) umfassend mehrere Schichten eines mit Harz imprägnierten Verstärkungsmaterials, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Vorsehen einzelner Schichten eines faserigen Verstärkungsmaterials (14, 16), b) Vorsehen eines Harz-Verstärkungsmaterials; c) Vorsehen von Verbindungsmitteln (18) zum Verbinden der Schichten; und d) Verbinden der einzelnen noch nicht verbundenen Schichten aus Verstärkungsmaterial miteinander, dadurch gekennzeichnet, dass die noch nicht verbundenen faserigen Verstärkungsschichten (14, 16) nicht imprägniert sind; und das Verfahren zusätzlich umfasst, dass e) in einem einzigen Schritt die noch nicht verbundenen Verstärkungsschichten (14, 16) miteinander in Kontakt gebracht werden, während gleichzeitig die einzelnen Verstärkungsschichten mit dem Harzmaterial imprägniert werden, um die Schichten zu verbinden und das vorgefertigte Formmaterial (12) herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Harzmaterial auf wenigstens eine der Verbindungsflächen des faserigen Verstärkungsmaterials (14, 16) aufgebracht wird, um ein teilweise imprägniertes vorgefertigtes Formmaterial herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Harzmaterial auf die Außenfläche bzw. die Außenflächen der äußeren Verstärkungsschicht oder Verstärkungsschichten (14, 16) aufgebracht und das Verstärkungsmaterial (14, 16) nach innen hin mit dem Harzmaterial imprägniert wird, um die Verstärkungsschichten (14, 16) zu verbinden und so das vorgefertigte Formmaterial herzustellen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Harzmaterial in der Form einer einzelnen Harzschicht aufgebracht wird und das Verfahren einen Schritt umfasst, in dem die noch nicht miteinander verbundenen Harzschichten mit den noch nicht verbundenen Schichten aus Verstärkungsmaterial (14, 16) in Kontakt gebracht werden, um die Schichten zu verbinden und das Formmaterial (12) herzustellen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere Verstärkungsschicht bzw. Verstärkungsschichten (14, 16) ein unidirektionales faseriges Verstärkungsmaterial umfasst bzw. umfassen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Ausrichtung der Verstärkungsfasern durch das Harzmaterial aufrechterhalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren einen Schritt umfasst, in dem ein Mittel zur Ausrichtung des Verlaufs der Fasern vorgesehen wird, wobei das Verfahren zusätzlich einen Schritt umfasst, in dem die Fasern ausgerichtet werden, ehe die Schichten zur Herstellung des Formmaterials (12) miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Ausrichtungsmittel ein Verdrehmittel zum Verdrehen des Verstärkungsmaterials (14, 16) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gleichzeitig ablaufenden Schritte, in denen die noch nicht verbundenen Verstär kungsschichten (14, 16) miteinander in Kontakt gebracht und die einzelnen Verstärkungsschichten (14, 16) mit dem Harzmaterial imprägniert werden, um das Formmaterial (12) herzustellen, eine Verformung der Verstärkungsmaterialschichten (14, 16) verhindern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die noch nicht verbundenen Verstärkungsschichten (14, 16) mit einem Abstand zu dem Verbindungsmittel vorgesehen sind, wodurch es nicht mehr nötig ist, die relative Anordnung der einzelnen Verstärkungsschichten (14, 16) zueinander und/oder die Ausrichtung der Fasern in den einzelnen Verstärkungsschichten (14, 16) durch Bindemittel aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es aufgrund des einzelnen Verbindungsschrittes nicht mehr nötig ist, irgendwelche zusätzlichen Bindemittel zum Verbinden der einzelnen Verstärkungsschichten (14, 16) vor dem Imprägnieren vorzusehen.