DE69108620T2 - Verfahren zur Herstellung leitender mehrschichtiger Gegenstände. - Google Patents

Verfahren zur Herstellung leitender mehrschichtiger Gegenstände.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung ist auf die Herstellung von leitfähigen Verbundgegenständen unter Verwendung eines Harzspritzpreßverfahrens gerichtet.
    • Stand der Technik
  • Flugzeugbauteile müssen aus Gründen, die mit Blitzschutz und elektromagnetischer Störung zusammenhängen, leitfähig sein. Diese Bauteile sind traditionell aus Metallen wie Stahl, Aluminium und Titan hergestellt worden. Metalle sind zwar ausgezeichnete Leiter, sie haben jedoch Dichten, die sie zur Herstellung von Leichtfahrzeugen weniger geeignet machen.
  • Infolgedessen sind alternative Materialien wie z. B. Verbundstoffe zum Konstruieren von Flugzeugteilen entwickelt worden. Verbundgegenstände können gegenwärtig durch so bekannte Verfahren wie z.B. die Herstellung von Prepregs hergestellt werden. Bei diesem Verfahren wird das Gewebe mit Harz und Katalysator getränkt, was geeignete Lagermöglichkeiten mit kontrollierten Temperaturen verlangt, um unzeitgemäßes Aushärten zu verhindern. Darüber hinaus hat das mit Harz/Katalysator getränkte Material eine begrenzte Lagerfähigkeit.
  • Harzspritzpressen (resin transfer molding oder RTM) ist ein weiteres Verfahren, das zum Herstellen von Verbundgegenständen benutzt wird. Dieses Verfahren ist in dem US-Patent Nr. 4 762 740 beschrieben, das durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. Bei RTM werden Harz und Härter, d.h. Katalysator oder Vernetzungsmittel, unmittelbar vor dem Einspritzen in ein Formwerkzeug, das einen Faservorformling enthält, miteinander vermischt. Dieses Verfahren eliminiert die Lagerfähigkeits- und Lagerungsprobleme bei der Herstellung von Prepregs, da das Harz und der Katalysator bis zum Einspritzen nicht miteinander vermischt werden. Die Prepreg-Herstellungs- und RTM-Verfahren werden zwar leichtere Gegenstände als Metalle ergeben, die warmhärtenden und thermoplastischen Harzsysteme und das Gewebematerial, die bei diesen Verfahren benutzt werden, sind jedoch entweder nichtleitfähig oder nicht leitfähig genug zum Schutz vor Blitzschlag und elektromagnetischer Störung. Infolgedessen gibt es einen Bedarf an einem Verfahren zum Herstellen von leichten, leitfähigen Gegenständen. Leitfähige Eigenschaften können Verbundgegenständen zusätzlich gegeben werden, indem ein metallisches Netz in den Gegenstand einverleibt wird.
  • Die bekannten Verfahren zum Befestigen eines trockenen metallischen Netzes an einem trockenen (nichtgetränkten) Vorformling unterliegen alle beträchtlichen Beschränkungen. Sprühklebstoffe reduzieren die Laminatfestigkeit, erzeugen unakzeptable kosmetische Oberflächen und stören den Harzfluß während des Einspritzens. Es ist nicht praktisch durchführbar, das metallische Netz im voraus zu tränken, da das als Prepreg hergestellte Netz schwierig handhabbar ist und eine begrenzte Lagerfähigkeit und Auszeit hat. Schließlich, sekundäres Verbinden des trockenen metallischen Netzes mit dem gehärteten Teil oder mechanisches Befestigen des Netzes an dein Vorformling vor dem Härten sind keine konstruktiv einwandfreien Alternativen.
  • Es besteht Bedarf an einem Verfahren zum Herstellen von flachen Gegenständen sowie von solchen mit komplexer Konfiguration, zum Verkleben eines Metalldrahtnetzes mit einem Gewebevorformling und zum Eliminieren der Lagerungs- und Lagerfähigkeitsbeschränkungen von getränktem Material.
    • Darstellung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zum Herstellen von leitfähigen Verbundgegenständen, die zur Verwendung bei Flugzeugen geeignet sind, wo die Leitfähigkeit zum Schutz gegen Blitzschlag und elektromagnetische Störung benötigt wird und wo ein niedrigerer Brennstoffverbrauch und eine höhere Leistung des Flugzeuges angestrebte Ziele sind. Darüber hinaus ist das offenbarte Verfahren speziell für Industrien geeignet, bei denen es auf hohe Produktionsleistungen bei niedrigem Kapitalinvestment in die Ausrüstung ankommt.
  • Der vorgeschlagene Prozeß beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen eines leitfähigen Verbundgegenstands, wobei von einem Faservorformling, einem metallischen Netz, einer Klebharzfolie und Einspritzharz ausgegangen wird. Ein trockener und stabilisierter Faservorformling wird auf die erste Hälfte eines zweigeteilten Harzspritzpreßwerkzeuges aufgesetzt. Klebharzstreifen, die der Form des Gegenstands, welcher hergestellt wird, angepaßt sind, werden mit herkömmlichen Schneidtechniken aus einem Klebharzfolienbogen zugeschnitten. Der Folienbogen hat Trägermaterialien auf jeder Seite, welche das Harz vor Verunreinigung schützen und für Stabilität und Handhabbarkeit sorgen. Das Trägermaterial wird von der Oberfläche der Harzstreifen entfernt, und das freigelegte klebrige Harz wird mit dem Faservorformling an einer vorbestimmten Stelle verklebt. Dieser Prozeß wird wiederholt, bis die Faservorformlingsoberfläche ausreichend Klebstoffstreifen hat, um den Drahtnetzvorformling festzuhalten. Das übrige Trägermaterial wird von den Harzstreifen entfernt, die an den Faservorformling angeklebt worden sind. Das vorgeschnittene und modellierte Metalldrahtnetz wird auf den Vorformling und das Klebharz aufgebracht, und das Metallnetz wird an dem Faservorformling befestigt.
  • Klebharzstreifen können auch benutzt werden, um irgendeine Metalldrahtnetzüberlappung zu befestigen und so eine durchgehende Metallnetzoberfläche über dem Vorformling zu gewährleisten. Wenn ein zweites Metallnetz für zusätzlichen elektrischen Schutz benutzt wird, werden Klebharzstreifen benutzt, um die beiden einander zugewandten Metallnetze aneinander zu befestigen.
  • Das Harzspritzpreßformwerkzeug wird zusammengesetzt, indem die angepaßte zweite Hälfte des Formwerkzeuges über dem Faservorformling und dem Metallnetz geschlossen wird. Ein Harz und ein Vernetzungsmittel werden vermischt und in das Formwerkzeug eingespritzt, und die Baugruppe wird gemäß den Harzspezifikationen ausgehärtet, d.h. das Aushärten kann innerhalb von 0,5 Stunden und bis zu 8 Stunden und bei Temperaturen erfolgen, die von 250 ºF bis 400 ºF reichen.
  • Dieses Verfahren ist zwar bei der Herstellung von flachen Objekten verwendbar, es ist jedoch speziell brauchbar zum Herstellen von Gegenständen mit komplexen Konfigurationen, da die Klebharzfolie die Einrichtung bildet zum Befestigen eines Metallnetzes an den verlangten gekrümmten Konfigurationen, ohne das anschließende Einspritzen eines Matrixharzes zu behindern und ohne die Laminatfestigkeit zu reduzieren.
  • Der trockene Faservorformling wird üblicherweise aus Graphitfasern, Glasfasern, Aramidfasern oder einer Kombination derselben hergestellt. Wenn das Gewebe aus Graphitfasern hergestellt wird, wird eine Glasfaserlage in das Gewebe einverleibt, die als ein elektrischer Isolator wirkt. Wenn ein flacher Gegenstand hergestellt wird, kann das Vorformlingsgewebe zu dem gewünschten Modell zusammengenäht oder -geklammert werden. Da der Faservorformling nicht mit einer Harzmatrix getränkt wird, werden die Probleme einer beschränkten Lagerfähigkeit und Lagerung bei spezifischen Temperaturen eliminiert.
  • Ein Aspekt der Erfindung richtet sich somit auf das Verfahren zum Anpassen und Befestigen eines Drahtnetzes in seiner gewünschten Form an einen bzw. einem trockenen Vorformling oder an ein bzw. einem Metallnetz. Ein klebriges Klebharz wird als Mittel benutzt, um das Drahtnetz und den trockenen Faservorformling oder zwei Metallnetze durch Kleben physikalisch zu verbinden. Während des Aushärtevorganges wird der Harzfilm chemisch mit dem eingespritzten Harz und Vernetzungsmittel vereinigt und wird zu einem Teil der ausgehärteten Harzmatrix.
  • Es ist notwendig, ein Metalldrahtnetz, -sieb oder -gewebe in das Gebilde einzuverleiben, um dem Gegenstand leitfähige Eigenschaften zu geben. üblicherweise kann ein Metalldrahtnetz aus irgendeinem Metall hergestellt werden, obgleich Aluminium, Nickel und Kupfer sowie Legierungen derselben am häufigsten benutzt werden. Ein Metallnetz hat die Form eines ebenen Bogens und läßt sich nicht ohne weiteres an eine dreidimensionale Form anpassen, sofern es nicht zugeschnitten, manipuliert und überlappt wird. überlappen und Umfalzen des Metalldrahtnetzes kann problematisch sein, da das überlappte Gebiet den Harzfluß während des Einspritzens blockieren kann, was zu einem größeren Faser/Harz-Verhältnis als bei dem übrigen Teil des Gegenstands führen kann. Bereiche mit größerem Faser/Harz-Verhältnis können Oberflächentrockenheit verursachen, die zu Rißbildung und ästhetisch minderwertigen Produkten führt.
  • Zum Minimieren von Problemen der Drahtüberlappung, die das Einspritzen des Harzes nachteilig beeinflussen können, wird das Drahtnetz in präzisen Bereichen zugeschnitten, um es dem Faservorformling anzupassen. Nachdem das Netz zugeschnitten und an die verlangte Form angepaßt worden ist, muß eine Maßnahme zum Aufrechterhalten der Konturen und der Konfiguration ergriffen werden. Darüber hinaus wird, wenn der Gegenstand, der hergestellt wird, die Einverleibung von mehr als einem Drahtnetz für zusätzlichen elektrischen Schutz verlangt, dann eine Einrichtung zum Befestigen eines zweiten Drahtnetzes an dem ersten Drahtnetz benötigt.
  • Ein Klebharz wird benutzt, um Metallnetze und Gewebevorformlinge miteinander zu verkleben. Der Klebharzfilm besteht aus einem Harz, das ein Vernetzungsmittel enthalten kann. Ein Vernetzungsmittel wird dem Klebharzfilm zugesetzt, um ihm eine gewisse Steifigkeit zu geben, wenn das Harz zu viskos ist, um in Form eines Films hergestellt werden zu können. Wenn jedoch das Klebharz kein Vernetzungsmittel enthält, muß es in dem Spritzharzsystem unter den Spritzgießbedingungen löslich sein.
  • Der Klebharzfilm kann aus einem Harzsystem hergestellt werden, das mit dem Einspritzharz identisch oder chemisch und physikalisch kompatibel ist. Das Ziel ist es, einen Gegenstand zusammenzubauen, der das Auflösen des Klebharzes in das eingespritzte Harz gestattet, ohne daß während des Aushärtens unerwünschte Nebenprodukte gebildet werden.
  • Warmhärtende Spritzharze werden üblicherweise bei diesem Verfahren benutzt. Bisphenol-A-Epoxy (BisA-Epoxy), bismaleimid-modifiziertes Epoxy (BMI-Epoxy) und Triazin, hergestellt von U.S. Polymeric in Santa Anna, CA, werden bevorzugt. Diese Harzsysteme können eine Einkomponenten- oder eine Mehrkomponentenzusammensetzung haben, die aus den oben erwähnten Systemen besteht, und können ein Vernetzungsmittel enthalten.
  • Wenn ein Vernetzungsmittel benötigt wird, wird es mit dem Harz vermischt, bevor das Harz in das Harzspritzpreßwerkzeug eingespritzt wird. Das Vernetzungsmittel kann aus einer Komponente oder aus einer Kombination von Komponenten bestehen, die aus den folgenden Klassen ausgewählt wird: organische Säuren, Anhydride, Amine und organometallische Verbindungen.
  • Dem einschlägigen Fachmann dürfte klar sein, daß die Erfindung mit Harzspritzpreßformwerkzeugen ausgeführt wird, die modellierte, zusammenpassende Formwerkzeughälften haben. Darüber hinaus kann das Verfahren zum Herstellen eines Gegenstands mit wenigstens einem Metallnetz auf verschiedene Weise- ausgeführt werden.
  • Die Menge an Klebharzfilm, die benötigt wird, um das Metalldrahtnetz an dem Vorformling zu befestigen, ist ungefähr proportional zu der Komplexität und Krümmung des Gebildes. Ein flaches Gebilde könnte erfordern, daß ungefähr 2 % der Vorformlingsoberfläche mit der Klebharzfolie bedeckt werden, wohingegen ein komplexes Gebilde verlangen könnte, daß 25 % oder mehr der Vorformlingsoberfläche bedeckt werden, um das Metalldrahtnetz zu befestigen.
  • Bei einem ersten Verfahren wird das metallische Drahtnetz auf die erste Hälfte eines zweiteiligen Harzspritzpreßwerkzeuges aufgelegt. Das freiliegende, klebrige Harz wird mit dem Drahtnetz verklebt. Ein stabilisierter Faservorformling wird auf dem Drahtnetz und dem Klebharz plaziert.
  • Ein zweites Verfahren zum Ausführen der Erfindung besteht darin, zuerst einen stabilisierten Faservorformling auf dem Werkzeug zu plazieren. Klebharzformteile werden dann an den Vorformling angeklebt, und ein modelliertes Metalldrahtnetz wird auf dem freiliegenden, klebrigen Harz und dem Vorformling plaziert.
  • Einige leitfähige Verbundgegenstände können mehr als ein metallisches Netz verlangen. In diesem Fall werden Klebharzformteile benutzt, um das erste Drahtnetz an dem Vorformling zu befestigen und um die beiden einander zugewandten Netze zu befestigen. So wird ein Vorformling auf ein Werkzeug aufgelegt, und Klebharzformteile werden an den Vorformling angeklebt. Eine Vielzahl von Klebharzformteilen wird an den Vorformling angeklebt, und ein erstes Metallnetz wird auf dem freiliegenden klebrigen Harz und dem Vorformling plaziert. Eine Vielzahl von zweiten Klebharzfolienformteilen wird an dem ersten Metallnetz befestigt. Das zweite Drahtnetz wird auf dem ersten Netz mit dem freiliegenden Harz angeordnet.
  • Ein weiteres Verfahren zum Zusammenbauen eines Gegenstands beinhaltet Plazieren eines inetallischen Netzes oder Siebes auf jeder Seite eines Gewebes und Befestigen der Netze mit klebrigen Klebharzstreifen. Dieses Schichtungsverfahren ist auch brauchbar, wenn ein Gegenstand verlangt, daß ein Gewebe auf jede Seite eines Metallnetzes geklebt wird.
  • Nachdem der Gegenstand durch irgendeines der oben beschriebenen Verfahren zusammengebaut worden ist, wird das Formwerkzeug geschlossen, und das Matrixharz wird entweder in ein ungefähr Raumtemperatur aufweisendes oder in ein vorgewärmtes Werkzeug eingespritzt. Nach dem Einspritzen wird das zusammengebaute Werkzeug zum Aushärten mit Wärme für etwa 1/2 Stunde und bis zu etwa 8,0 Stunden bei einer Temperatur zwischen etwa 250 ºF bis 400 ºF beaufschlagt.
  • Die vorstehenden und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen deutlicher werden.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 zeigt die Elemente, die benutzt werden, um einen leitfähigen Verbundgegenstand durch ein Harzspritzpreßverfahren nach der Erfindung herzustellen.
  • Fig. 2 zeigt ein überlapptes Metalldrahtnetz, das mit einem Klebharzfolienstreifen nach der Erfindung befestigt ist.
    • Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Die bevorzugte Art der Ausführung der Erfindung wird am besten unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben, die das Verfahren zum Herstellen eines Verbundgegenstands durch Plazieren des Faservorformlings auf dem Harzspritzpreßwerkzeug und Ankleben des Drahtnetzes veranschaulichen. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 wird ein Vorformlingsgewebe (3) auf das verlangte Muster zugeschnitten. Der Vorformling wird mit Graphitfasern (4) und einer äußeren Glasfaserlage hergestellt. Aus dem nach Muster zugeschnittenen Gewebe (3) ist ein Vorformlingsgebilde (5) durch herkömmliche Techniken geformt worden. Der trockene Vorformling (5) wird auf die erste Hälfte (1) eines zweiteiligen Formwerkzeuges aufgelegt. Klebharzfolie E-905HM, wie sie von U.S. Polymeric, Santa Anna, CA., geliefert wird und die aus epoxy-modifiziertem Bismaleimidharz besteht, wird entfrostet, und aus einem Folienbogen werden mit herkömmlichen Schneidtechniken Formteile (6) zugeschnitten. Die Harzfolie hat eine erste und eine zweite Trägerschicht auf jeder Seite. Eine der entfernbaren Trägerschichten (7) wird von den Klebharzsteifen (6) abgeschält, und das freiliegende, klebrige Harz (8) wird mit dem Faservorformling (3) mit leichtem Handdruck verklebt. Die Klebharzstreifen werden mit den Bereichen verklebt, die mit (9) bezeichnet sind, wo das metallische Netz (10) mit dem Faservorformling (3) verklebt werden muß. Die Bereiche, die mit dreieckförmigen Klebharzstreifen (6) bedeckt sind, veranschaulichen die Gebiete, in denen es erforderlich ist, das Drahtnetz mit dem Faservorformling zu verkleben und Bereiche zu verbinden, wo Teile des Metallnetzes einander überlappen. Ungefähr 10 % des Vorformlings werden mit den Klebharzformteilen bedeckt. Um das Fließen des eingespritzten Harzes während eines anschließenden Tränkungsschrittes zu gewährleisten, der im folgenden ausführlicher beschrieben ist, werden die Klebharzstreifen nicht mit den Faservorformlingsbereichen verklebt, die an der Einspritzöffnung (11) und den Harzüberschußaustrittsöffnungen (12) liegen, da die Fließgeschwindigkeit des Harzes nachteilig beeinflußt würde und das überschüssige Harz nicht richtig fließen würde.
  • Die zweite Trägerschicht (7) wird von den Klebharzfolienstreifen entfernt. Ein 200x200-Mesh-Aluminiumblech (10), das mit herkömmlichen Entfettungsmitteln gereinigt worden ist, wird so zugeschnitten, daß es dem Vorformlingsmuster angepaßt ist, und auf dem Faservorformling (5) plaziert. Das Drahtnetz wird mit dem freiliegenden, klebrigen Harz mit leichtem Handdruck verklebt. Fig. 2 veranschaulicht den Bereich der Drahtüberlappung (13). Die weißen Gebiete (14) zeigen den Klebharzfilm, der das Drahtnetz in seiner Lage festhält und die überlappung befestigt. In den Bereichen der Drahtüberlappung werden Klebharzstreifen benutzt, um den Draht physikalisch zu befestigen und die verlangte Konfiguration aufrechtzuerhalten.
  • Nachdem das Drahtnetz an dem Faservorformling befestigt worden ist, wird die zweite Hälfte (15) des zweiteiligen Formwerkzeuges mit der ersten Hälfte (1) zusammengebaut, und die Baugruppe wird geschlossen. Das zweiteilige Formwerkzeug wird auf 230 ºF erhitzt. Das Spritzharz E905RTMA, wie es von U. S. Polymerics in Santa Anna, CA., geliefert wird, ist ein epoxy-modifiziertes Bismaleimidmatrixharz, und dieses Harz wird mit einem Vernetzungsmittel wie E905RTMB entsprechend den Spezifikationen des Lieferanten vermischt und durch die Einspritzöffnung (11) in das Werkzeug eingespritzt. Das geschlossene Formwerkzeug wird dann zum Aushärten in einen auf 350 ºF vorgeheizten Ofen für 2 Stunden eingebracht, damit die Harze warmaushärten können.
  • Nach dem Härtevorgang wird der warmgehärtete, leitfähige Verbundgegenstand aus dem Werkzeug entnommen und einer Qualitätskontrollinspektion sowie zerstörungsfreien Tests, die auf diesem Gebiet der Technik bekannt sind, unterworfen.
  • Die Erfindung ist zwar mit Bezug auf detaillierte Ausführungsformen derselben gezeigt und beschrieben worden, dem einschlägigen Fachmann dürfte jedoch klar sein, daß verschiedene Änderungen in der Form und im Detail vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der beanspruchten Erfindung zu verlassen.

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen von leitfähigen Verbundgegenständen mit einem Harzspritzpreßprozeß unter Verwendung einer Klebharzfolie, die kompatible chemische und physikalische Eigenschaften mit einem Spritzharz sowie eine erste und eine zweite klebrige Oberfläche hat, beinhaltend:
a. Plazieren eines Faservorformlings auf der ersten Hälfte eines zweiteiligen Harzspritzpreßwerkzeuges;
b. Ankleben von Formteilen der Klebharzfolie an den Faservorformling;
c. Plazieren eines nach Muster zugeschnittenen Metalldrahtnetzes auf dem Faservorformling;
d. Ankleben des Metallnetzes an die freiliegende, klebrige Klebharzoberfläche;
e. Zusammenbauen einer zweiten Hälfte des Harzspritzpreßwerkzeuges mit der ersten Hälfte des Harzspritzpreßwerkzeuges;
f. Einspritzen eines Matrixharzes und eines Vernetzungsmittels in das zusammengebaute Harzspritzpreßwerkzeug;
g. Erhitzen des zusammengebauten Harzspritzpreßwerkzeuges, um das Harz und das Klebharz zu härten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter beinhaltend zwischen den Schritten d und e:
Ankleben von Formteilen des klebrigen Klebharzes an das erste Metallnetz;
Verbinden eines zweiten Metallnetzes mit dem ersten Metallnetz.
3. Leitfähiger Verbundgegenstand, hergestellt durch das Verfahren nach Anspruch 1.
4. Verfahren zum Herstellen von leitfähigen Verbundgegenständen durch einen Harzspritzpreßprozeß unter Verwendung einer Klebharzfolie, die kompatible chemische und physikalische Eigenschaften mit einem Spritzharz sowie eine erste und eine zweite klebrige Klebstoffoberfläche hat, beinhaltend:
a. Plazieren eines nach Muster zugeschnittenen Metallnetzes auf der ersten Hälfte eines zweiteiligen Harzspritzpreßwerkzeuges;
b. Ankleben von Formteilen des klebrigen Klebharzes an das Metallnetz;
c. Plazieren eines Faservorformlings auf dem Metallnetz;
d. Ankleben des Faservorformlings an die klebrige Klebharzoberfläche;
e. Zusammenbauen der ersten Hälfte des Harzspritzpreßwerkzeuges mit der zweiten Hälfte des Harzspritzpreßwerkzeuges;
f. Einspritzen eines Matrixharzes und eines Vernetzungsmittels in das zusammengebaute Harzspritzpreßwerkzeug;
g. Erhitzen des zusammengebauten Harzspritzpreßwerkzeuges zum Härten des Harzes und des Klebharzes.
5. Verfahren nach Anspruch 4, weiter beinhaltend zwischen den Schritten b und c:
Ankleben von Formteilen des klebrigen Klebharzes an das erste Metallnetz;
Verbinden eines zweiten Metallnetzes mit dem ersten Metallnetz.
6. Leitfähiger Verbundgegenstand, hergestellt durch das Verfahren nach Anspruch 4.
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