DE69308208T2

DE69308208T2 - Heizvorrichtung zum thermoplastischen schweissen

Info

Publication number: DE69308208T2
Application number: DE69308208T
Authority: DE
Inventors: Geoffrey C. Madison Ct 06443 Davis; Gary J. Milford Ct 06460 Jacaruso; Allen J. Ansonia Ct 06401 Mcintire
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1992-03-30
Filing date: 1993-03-17
Publication date: 1997-06-05
Anticipated expiration: 2013-03-18
Also published as: CA2131617C; JPH07505342A; EP0633836A1; DE69308208D1; WO1993019926A1; CA2131617A1; EP0633836B1

Description

Dies ist eine Continuation-In-Part-Anmeldung der früheren mitanhängigen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 07/628 245, eingereicht am 17. Dezember 1990 mit dem Titel "Bonding of Thermoset Composite Structures".

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine bei dem Verbinden von Strukturen verwendete Heizvorrichtung, insbesondere eine Heizvorrichtung beim thermoplastischen Kleben von hitzegehärteten Verbundstrukturen.

Zugrundeliegender Stand der Technik

Hitzegehärtete Verbundstoffe haben im Bereich der Flugzeugindustrie als Baumaterial große Verbreitung gelunden. Dieser Typ von Verbundstoff kann eine Struktur geringen Gewichts mit relativ hoher Festigkeit bilden. Um eine Strukturverbindung hoher Festigkeit bei den derzeitigen hitzegeärteten Verbundstoffen zu erhalten, sind kostspielige Klebeverfahren in Kombination mit mechanischen Befestigungsmitteln erforderlich.
Ein Verfahren zum Verbinden von hitzegehärteten Verbundstrukturen besteht darin, zwischen die miteinander zu verbindenden Flächen einen Klebstoff aus einer hitzegehärteten Harzfolie einzubringen, gefolgt von dem Aufbringen von Wärme und Druck auf die Verbindungszonen. Das deutsche Patentdokument DE 3125393 A1 beschreibt ein Verfahren zum gegenseitigen Verbinden von Bauwänden (2, 3) unter Verwendung eines doppelseitigen Klebebandes (7), welches zwei Klebeschichten (9, 10) aufweist, die bei Wärme reagieren. Man kann innerhalb des Klebstoffbandes (7) zwischen den Klebstoffschichten (9, 10) ein elektrisches Heizelement (14) anordnen. Dieses Verfahren ist insofern nicht sehr praktisch, als es das Aufbringen relativ starker Hitze, beispielsweise 394 K - 450 K (250 - 350ºF) und Druck, z.B. 17,2 X 10&sub4; N/m&sub2; (25 psi) als Minimum beinhaltet, und das über längere Zeitspannen (mindestens 2 Stunden bei der Temperatur). Wärmeausdehnung kann dann zu einem Problem werden, wenn große Flächen einer Struktur erhitzt werden, wie es für dieses Verfahren erforderlich ist. Zurückzuführen ist dies auf unterschiedliche Wärmeausdehnungsraten an einzelnen Stellen, was zu Wärmespannungen führt, wenn die Struktur abkühlt, was zu Verformungen führen kann. Ein weiterer Nachteil ist der, daß hitzegehärtete Klebstoffe nur einmal verarbeitet werden können und die Bindung für Reparaturen oder Austausch von später beschädigten Teilstrukturen nicht umkehrbar ist.
Ein zweites, derzeit im Einsatz befindliches Verfahren beinhaltet das gegenseitige Befestigen von hitzegehärteten Verbundstrukturen unter Verwendung von mechanischen Befestigungsmitteln in Kombination mit bei Zimmertemperatur aushärtender hitzehärtbarer Klebepaste, die auf die Stoßflächen aufgetragen wird. Dieses Verfahren macht es erforderlich, daß die miteinander zu verbindenden Komponenten vorab zusammengesetzt werden, um Führungslöcher zu bilden, auseinandergenommen, gereinigt und für den Klebevorgang vorbereitet werden. Dann wird Klebstoff auf die Stoßflächen aufgetragen, die Komponenten werden erneut zusammengesetzt, und der Klebstoff wird ausgehärtet (üblicherweise 24 Stunden bei Zimmertemperatur). Der nächste Schritt besteht darin, für jedes Befestigungsmittel Löcher zu bohren und freizuräumen, um schließlich die Befestigungsmittel zu installieren. Dieses Verfahren ist wegen der Verwendung mechanischer Befestigungsmittel und seiner arbeitsintensiven Beschaffenheit teuer.
Eine Alternative zu diesem Verfahren besteht darin, einen Film aus thermoplastischen Klebstoff zwischen den miteinander zu verbindenden hitzegehärteten Verbundstrukturen anzuordnen. Da thermoplastischer Stoff wiederholt geschmolzen und umgeschmolzen werden kann, läßt sich der Verbindungsprozeß bei Bedarf umkehren. Unglücklicherweise haften die derzeitigen hitzegehärteten Harze chemisch nicht mit ausreichender Festigkeit an geeignetem thermoplastischen Klebstoff, um flugspezifische Anforderungen beim Verbinden von Strukturkomponenten zu erfüllen. Deshalb ist dieses Verfahren dann nicht praktikabel, wenn hochfeste Bindungen erforderlich sind.
Heizeinrichtungen für den Verbindungsprozeß sind typischerweise Geräte für die Induktionheizung oder elektrische Widerstandsheizung. Induktionsheizung ist angemessen, jedoch schwierig anzuwenden bei Reparatur- und Austauscharbeiten vor Ort. Elektrische Widerstandsheizer, typischerweise in das Bindemittel eingebettet, lassen sich zum Zweck der Reparatur und des Austausches einfacher wiederverwenden. Beispielsweise beschreibt die schweizerische Patentschrift Nr. 456,818 eine Heizeinrichtung zum Verbinden von Strukturelementen (11, 12) mit Hilfe einer mechanisch massiven Klebeverbindung. Der Klebstoff (20) ist ein thermisch aushärtbares Kunststoffmaterialgemisch, in dem ein elektrischer Leiter (21) eingebettet ist, beispielsweise ein Drahtwickel, eine Anordnung aus parallelen Drähten, oder eine Aluminiumfolie geringen Querschnitts. Der elektrische Leiter (21) kann auf beiden Seiten mit einer elektrisch isolierenden Schutzschicht (22) umgeben sein, beispielsweise einer Flachschicht aus großen Glasfasersputtem oder losem Glasfaserstoff. Die als Widerstandsheizer im Stand der Technik verwendeten Heizelemente haben allerdings Beschränkungen, wobei eine Beschränkung das Auftreten von überhitzten und kalten Stellen während des Verbindungsvorgangs ist. Die heißen und kalten Stellen sind zurückzuführen auf eine ungleichmäßige Beheizung durch das Heizelement. Das Ergebnis ist eine Beeinträchtigung der Bindequalität.

Offenbarung der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein verbessertes Verfahren zum Verbinden zweier hitzegehärteter Verbundstmkturen.
Gemäß Anspruch 1 werden hitzegehärtete Verbundstrukturen miteinander dadurch verbunden, daß thermoplastische Klebestreifen verwendet werden, die aus einer Schicht eines geeigneten thermoplastischen Materials und einer Lage einer Trockenfaserverstärkung, die teilweise in die Schicht aus thermoplastischem Material eingebettet ist, bestehen, wobei die freiliegende Trockenfaserverstärkung überzogen ist von einem hitzegehärteten Harz. Die Oberflächen der unausgehärteten hitzehärtbaren Verbundstrukturen werden dadurch vorbereitet, daß Klebestreifen mit der Seite der hitzegehärteten Harzes in Richtung der Verbundstrukturen angeordnet werden. Die Verbundstrukturen werden dann durch konventionelle Mittel zum Aushärten gebracht. Im Anschluß an das Aushärten werden die Bindeflächen (die nun mit dem thermoplastischen Klebestreifen überzogen sind) zusammengedrückt und erwärmt, um die Verbindung zu verschmelzen. Während dieses Problem wird lokal ausreichend Wärme aufgebracht, um den thermoplastischen Klebstoff ohne Beeinträchtigung der benachbarten Verbundstruktur anzuschmelzen und zu verschmelzen. Die Verbindung wird der Abkühlung überlassen, wobei die Verbundstruktur als Wärmesenke dient.
Die Schicht aus Trockenfaserverstärkung, die sowohl mit dem thermoplastischen Klebstoff als auch dem hitzegehärteten Material (während des Aushärtzyklus) eine Verbindung eingeht, stellt die Einrichtung zum mechanischen Verrasten der hitzegehärteten Verbundstruktur mit dem thermoplastischen Klebstoff dar. Dies erübrigt eine chemische Bindung, um die zwei Komponenten zu vereinen. Der Einsatz eines thermoplastischen Stoffs als Klebstoff macht es möglich, daß der Verbindungsvorgang einfach und rasch umkehrbar ist, um die hitzegehärtete Struktur zu reparieren oder auszutauschen.
Erfindungsgemäß ist die Wärmeaufbringeinrichtung ein Heizelement, bestehend aus einem Widerstandsheizmaterial, welches in die zwei Schichten des thermoplastischen Klebstoffs eingebettet ist. Die Bindeflächen werden dadurch erhitzt, daß das Heizelement zwischen die Bindeflächen der ausgehärteten Strukturen gebracht wird, auf die Verbindungsstelle Druck ausgeübt wird und elektrische Energie fließen gelassen wird, die ausreicht, um die Verbindungsstelle über die Schmelztemperatur des thermoplastischen Materials mit Hilfe des Widerstandsheizmaterials für eine Dauer zu erwärmen, die ausreicht, um die Schichten aus thermoplastischen Klebstoff zu verschmelzen. Das Heizelement verbleibt nach dem Kleben innerhalb der Verbindung und stellt einen geeigneten Mechanismus dar, um die Verbindung erneut aufzuheizen und den Bindevorgang umzukehren.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform enthält das Heizelement ein Widerstandsheizmaterial, eine Einrichtung zum Verhindern von Kurzschlüssen zwischen dem Widerstandsheizelement und den zu verbindenden Strukturen und ein Paar elektrischer Leitungen geringen Widerstands. Die Einrichtung zum Verhindern von Kurzschlüssen enthält zwei Schichten aus elektrisch isolierendem Material, die sich über einander abgewandte Seiten des Widerstandsheizmaterials erstrecken, so daß das Widerstandsheizmaterial sich zwischen ihnen befindet. Die elektrischen Leitungen verlaufen quer zur Breite des Widerstandsheizers und sind in Längsrichtung des Heizelements beabstandet und mit einer Spannungsversorgung verbunden.
Weiterhin enthält erfindungsgemäß ein Verfahren zum Erhitzen benachbarter Bindeflächen die Schritte des Anordnens des Heizelements zwischen den Bindeflächen und des Fließenlassens elektrischer Energie zwischen den elektrischen Leitungen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält ein Heizelement mehrere elektrische Leitungen, die über die Länge des Heizelements beabstandet sind, wobei jedes benachbarte Leitungspaar ein Segment des Heizelements definiert. Die mehreren elektrischen Leitungen ermöglichen ein Verfahren zum Beheizen der Segmente in sequentieller Weise, so daß die Bindeflächen mit jeweils einem Segment zu gegebener Zeit verbunden werden können.
Das grundlegende Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Einrichtung zum Verhindern von Kurzschlüssen während des Bindens leitender Stoffe. Ein weiteres Merkmal besteht in den elektrischen Leitungen geringen Widerstands, die quer zur Breite des Widerstandsheizmaterials verlaufen.
Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung ist das gleichmäßige Erhitzen der Bindelinie, was sich zum Teil aus der Einrichtung zum Verhindern von Kurzschlüssen und den elektrischen Leitungen ergibt. Die Einrichtung zum Verhindern von Kurzschlüssen gewährleistet, daß die elektrische Energie durch das Widerstandsheizmaterial fließt, und nicht durch die benachbarte Struktur. Die Einrichtung zum Verhindern von Kurzschlüssen vermeidet das Auftreten von kalten Stellen auf Grund einer elektrischen Diskontinuität, die durch Kurzschlüsse verursacht wird. Die Einrichtung zum Verhindern von Kurzschlüssen trägt auch bei zu einer gleichmäßigen Wärmeverteilung im Inneren des Heizelements, was ein Ergebnis der Wärmeisoliereigenschaften der Einrichtung ist. Die über die Länge des Heizelements verlaufenden elektrischen Leitungen lassen in gleichmäßiger Weise elektrische Energie durch das Heizelements. Dadurch, daß sie sich über die Breite des Widerstandsheizmaterials erstrecken, gewährleisten die mit dem Widerstandsheizmaterial zwischen sich verbundenen elektrischen Leitungen, daß sämtliche Bereiche des Widerstandsheizmaterials innerhalb des Wegs liegen, über den die elektrische Energie zwischen den elektrischen Leitungen fließt.
Obschon die beschriebene Erfindung besonders nützlich ist als Mittel zum Heizen während des Verbindungsvorgangs für hitzegehärtete Verbundstrukturen an Flugzeugen, so versteht sich, daß die Erfindung gleichmaßen gut geeignet ist für alle anderen Anwendungsfälle, bei denen Verbundkomponenten miteinander in einem durch Wärme aktivierten Prozeß vereint werden.
Die genannten sowie weitere Ziele, Merktnale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher im Lichte der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind:

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines thermoplastischen Klebestreifens.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines gewobenen thermoplastischen Klebestreifens.
Fig. 3a ist eine perspektivische Ansicht eines Heizelements mit teilweise weggeschnittenen Teilen, um ein Widerstandsheizmaterial und eine elektrische Isolierung darzustellen.
Fig. 3b ist eine perspektivische Ansicht eines Widerstandsheizmaterials sowie zweier Schichten einer elektrischen Isolierung.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines Paares von Bindeflächen, die zum Kleben vorbereitet sind.
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Paares hitzegehärteter Verbundstrukturen nach dem Verbinden, wobei Teile weggeschnitten sind, um die Bindeschichten darzustellen.

Bester Weg zum Ausführen der Erfindung

Nunmehr auf Fig. 1 Bezug nehmend, besteht ein thermoplastischer Klebestreifen aus einer Schicht eines halbkristallinen thermoplastischen Stoffs 12, einer Schicht aus amorphem thermoplastischen Stoff 14, einer Schicht aus einer Trockenfaserverstärkung 16 und einer Schicht aus hitzegehärtetem Harz 18.
Die Größe des Streifens 10 hängt ab von der Größe der miteinander zu verbindenden Strukturen. Beispielsweise beträgt die Dicke der Schicht aus halbkristallinem thermoplastischem Material 0,0102 cm (0,004 Zoll), die Dicke des amporphen thermoplastischen Materials beträgt 0,0076 cm (0,003 Zoll), die Dicke der Trockenfaserverstärkung beträgt 0,0152 cm (0,006 Zoll), und die Dicke der Schicht aus hitzegehärtetem Harz reicht aus, um die freiliegende Schicht der Trockenfaserverstärkung abzudecken.
Die Fertigung des Klebestreifens beinhaltet mehrere Schritte. Zuerst werden die Schichten aus halbkristallinem thermoplastischen Material 12 und dem amorphen thermoplastischen Material 14 einleitend miteinander verschmolzen, indem die Temperatur der zwei Schichten 12 und 14 über den Schmelzpunkt des halbkristallinem thermoplastischen Materials hinaus erhöht und die Schichten 12 und 11 unter einem Druck von etwa 3,45 X 10&sup4; N/m² bis 13,8 x 10&sup4; N/m² (5 bis 20 psi) zusammengepreßt werden. Da das halbkristalline thermoplastische Material einen höheren Schmelzpunkt hat als amorphes thermoplastisches Material, werden die zwei Schichten 12 und 14 innig miteinander verschmolzen.
Ein typisches halbkristallines thermoplastisches Material ist Polyetheretherketon (PEEK), welches eine Schmelztemperatur von etwa 616 K (650ºF) aufweist, ein typisches amorphes thermoplastisches Material ist Polyetherimid (PEI), welches eine Schmelztemperatur von annähernd 522 K (480ºF) aufweist. Aus anschaulichen Gründen werden PEEK und PEI in dieser Beschreibung verwendet.
Zweitens wird die Schicht aus Trockenfaserverstärkung 16 in die PEI- Schicht dadurch eingebettet, daß die Trockenfaserverstärkung 16 auf die PEI 14 aufgelegt und ein Druck aufgebracht wird, der etwa 3,45 X 10&sup4; N/m² bis 10,35 X 10&sup4; N/m² (5 bis 15 psi) beträgt, wobei der Streifen auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt von PEI, jedoch unter dem Schmelzpunkt von PEEK erhitzt wird. Da eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts von PEEK verwendet wird, dient die PEEK-Schicht 12 als Barriere und verhindert, daß die Schicht aus Trockenfaserverstärkung 16 über die PEI-Schicht hinaus eindringt. Auf diese Weise wird ein Teil der Trockenfaserverstärkung 16, der dicker ist als die PEI-Schicht 14, mit der PEI-Schicht 14 verbunden, und der Rest bleibt freiliegend (d.h. ist nicht eingebettet). Der letzte Schritt besteht darin, die freiliegende Trockenfaserverstärkung 16 mit einem hitzehärtbarem Harz 19 zu überziehen ("benetzen").
Ein altematives Verfahren zum Fertigen eines thermoplastischen Klebestreifens ist in Fig. 2 dargestellt. Ein gewobener thermoplastischer Klebestreifen 48 besteht aus Trockenfaserverstärkungslitzen 50, die mit Mischlitzen 52 verwoben sind, wobei letztere durch inniges Verschmelzen von Trockenfaserverstärkungslitzen und gesponnen thermoplastischen Filamenten hergestellt sind. Das Verweben führt zu einem Material, welches auf einer Seite vorherrschend Trockenfaserverstärkung und auf der anderen Seite vorherrschend Mischlitzen aufweist. Das verwobene Material wird auf eine Schicht 54 aus thermoplastischem Stoff aufgedrückt, die dünner ist als das gewobene Material, wobei die Seite mit den vornehmlich Mischlitzen der Seite des thermoplastischen Materials benachbart ist, und es wird ausreichend Wärme aufgebracht, um die Schicht aus thermoplastischem Material anzuschmelzen. Nach dem Abkühlen sind die Trockenfaserverstärkungslitzen mit der Schicht aus thermoplastischem Stoff verschmolzen und teilweise darin eingebettet. Die freiliegenden Trockenfaserlitzen werden dann mit hitzehärtbarem Harz überzogen.
Eine weitere (nicht dargestellte) Alternative besteht darin, Trockenfaserverstärkungslitzen mit thermoplastischen Filamenten derart zu verweben, daß ein verwobenes Material entsteht, bei dem auf einer Seite überwiegend Trockenfaserverstärkungslitzen und auf der anderen Seite eine Kombination von Trockenfaserverstärkungslitzen und thermoplastischen Filamenten vorhanden ist. Wie zuvor wird das verwobene Material auf einer Schicht aus thermoplastischem Stoff aufgedrückt, die dünner ist als das verwobene Material, wobei das verwobene Material eine Kombination aus Trockenfasem und thermoplastischen Filamenten in der Nachbarschaft der Schicht aus thermoplastischem Material ist, und es wird ausreichend Hitze zugeführt, um das thermoplastische Material anzuschmelzen. Nach dem Abkühlen sind die Trockenfaserverstärkungslitzen mit der Schicht aus thermoplastischem Material verschmolzen und teilweise darin eingebettet. Die freiliegenden Trockenfaserlitzen werden dann mit hitzehärtbarem Harz überzogen.
Auf eine unausgehärtete hitzehärtbare Verbundstruktur 19 wird ein Klebestreifen 10 aufgebracht. Der Klebestreifen wird derart plaziert, daß die Schicht der mit hitzehärtbarem Harz überzogenen Trockenfaserverstärkung 16 der Verbundstruktur 19 benachbart ist. Die Struktur 19 wird mit dem daran angebrachten Klebestreifen 10 ausgehärtet, wie es für den hitzehärtbaren Verbundstoff üblich ist, um eine Bindefläche 20 zu erhalten. Während der Aushärtung wird das hitzehärtbare Harz 18 die freiliegende Trockenfaserverstärkung 16 benetzen (imprägnieren), die dann mit der hitzehärtbaren Struktur 19 verankert wird. Auf diese Weise bildet die Trockenfaserverstärkung 16 eine mechanische Verriegelung zwischen der hitzegehärteten Struktur 19 und dem thermoplastischen Klebestreifen 10, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Die Heizeinrichtung muß den thermoplastischen Stoff der Klebestreifen 10 der beiden vorbereiteten Bindeflächen anschmelzen. Fig. 3a und 3b veranschaulichen ein Heizelement 22, welches eine Einrichtung zum Erhitzen der Bindeflächen darstellt. Das Heizelement 22 besteht aus einem Widerstandsheizmaterial 24, welches sandwichartig zwischen den beiden Schichten einer elektrischen Isolierung 25 eingeschlossen ist. Das Widerstandsheizmaterial 24 und die Schichten der elektrischen Isolierung 25 sind in einer Schicht aus thermoplastischem Klebstoff 26 eingehüllt, die kompatibel ist mit dem thermoplastischen Material der Bindeflächen. Das Widerstandsheizmaterial 24 enthält ein Paar elektrischer Leitungen 28, die sich über die gesamte Breite des Widerstandsheizmaterials 24 erstrecken und an eine elektrische Energiequelle 30 angeschlossen sind. Ferner kann das Heizelement 22 ein oder mehr Thermopaare 29 enthalten, welche die Temperatur während des Bindevorgangs überwachen.
Das Heizelement 22 wird folgendermaßen hergestellt: ein Stück einer dünnen Metalifohe wird präzise geschlitzt und ausgedehnt, um eine gitterähnliche Struktur mit mehreren offenen Flächenbereichen zu erhalten. Diese Struktur wird üblicherweise als gelochte und gestreckte Folie bezeichnet, sie ist in verschiedenen Größen im Handel erhältlich. Das Paar elektrischer Leitungen wird anschließend an jedem Ende der expandierten Folie angebracht. Die Metallfolie und die elektrischen Leitungen werden dann sandwichartig zwischen zwei Schichten aus elektrischem Isolierstoff eingefaßt. Die eingefaßte Metallfolie und die elektrische Isolierung werden dann mit einem Film aus thermoplastischem Material laminiert. Der Film aus thermoplastischem Material ist dick genug, um jegliche Lunker oder Lufttaschen in der elektrischen Isolierung oder der Metallfolie auszufüllen.
Das für die Metallfolie gewäffite Material, die Dicke und die Abmessungen des Heizelements hängen von den Erwärmungsanforderungen bei dem speziellen Anwendungsfall ab. Für den speziell in den Fig. 1 - 5 dargestellten Anwendungsfall wurde eine Folie aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke von etwa 0,0076 cm (0,003 Zoll), expandiert, um etwa eine offene Fläche von 65 % zu erhalten, erfolgreich geprüft. Obschon in den Fig. 3a und 3b als Widerstandsheizmaterial eine gelochte und expandierte Folie dargestellt ist, können auch andere Formen elektrischer Heizelementmaterialien erfolgreich sein, beispielsweise geätzte Folien, gestanzte Elemente, serpentinenförmig gewickelter Draht und dünne Metallbögen.
Die elektrische Isolierung stellt ein Mittel dar, um Kurzschlüsse während des Heizvorgangs zu unterbinden. Kurzschlüsse können dann auftreten, wenn das Trockenfaser-Verstärkungsmaterial elektrisch leitend ist, oder wenn die miteinander zu verbindenden Strukturen elektrisch leitend sind. Kurzschlüsse würden kalte Stellen während des Heizvorgangs zustandekommen lassen, die möglicherweise den hitzehärtbaren Verbundaufbau beschädigen würden. Die Schichten der elektrischen Isolierung können auch als Wärmebarriere um das Widerstandsmaterial herum genutzt werden, um dem nach außen gerichteten Wärmestrom aus dem Heizelement einen Widerstand entgegenzusetzen. Der Wärmewiderstand oder die Isolierung können die Gleichförmigkeit der Wärmeverteilung dadurch verbessern, daß die von dem Heizelement erzeugte Wärme erzwungenermaßen über das gesamte Heizelement hinweg verstreut wird.
Ein erfolgreich geprüftes Material für die elektrische Isolierung ist Glasfaserstoff. Andere Materialien können ebenfalls mit Erfolg eingesetzt werden, so zum Beispiel Kunststoffolien oder Keramikfasern. Das für die Schicht der elektrischen Isolierung gewählte Material sollte ein Material sein, welches es dem thermoplastischen Material ermöglicht, während der Laminierung des Heizelements hindurchzudringen. Darüberhinaus sollte das für die Schichten der elektrischen Isolierung gewählte Material ein solches sein, welches den Temperaturen widersteht, die bei dem Bindungsprozeß angetroffen werden.
Um eine Überhitzung der elektrischen Leitungen während des Heizvorgangs zu vermeiden, werden elektrische Leiter geringen Widerstands verwendet. Die elektrischen Leitungen verlaufen quer über die gesamte Breite der Metallfolie, um eine gleichmäßige Aufheizung über die gesamte Breite der Folie und zwischen den elektrischen Leitungen zu erreichen. Eine gleichförmige Erhitzung ist wünschenswert, um thermische Anomalien während des Bindeprozesses zu vermeiden, so z.B. überhitzte Stellen und kalte Stellen.
Obschon in den Fig. 3a und 3b mit zwei elektrischen Leitungen dargestellt, können an einem Heizelement noch mehr elektrische Leiter entlang seiner Länge angebracht sein. Diese (nicht gezeigte) Konfiguration bildet einen Mechanismus zum sequentiellen Erhitzen von Segmenten des Heizelemeents, wobei die Segmente durch benachbarte elektrische Leiter definiert werden. Ein sequentielles Erhitzen kann dann wünschenswert sein, wenn die Länge der Klebung extrem groß ist. Allerdings sollte beachtet werden, daß die elektrischen Leiter, weil sie einen geringen Widerstand aufweisen, möglicherweise zu kalten Stellen in dem Bereich in der Nachbarschaft der elektrischen Leiter führen. Wenn das Heizelement sequentiell mit Leistung versorgt wird, sollte jedes Segment des Heizelements oberhalb der Schmeltemperatur gehalten werden, so lange das benachbarte Segment auf die Schmelztemperatur erwärmt ist. Dies führt zu einer Überlappung von Temperaturen oberhalb des Schmelzpunkts um die elektrischen Leiter herum und verhindert das Auftreten einer kalten Stelle.
Ein Paar ausgehärteter Strukturen 19 und 19' wird dadurch miteinander verbunden, daß das Heizelement 22 zwischen die vorbereiteten Bindeflächen 20, 20' mit den angeklebten Klebestreifen 10, 10' plaziert wird, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Es wird ein Druck von etwa 6,90 x 10&sup4; N/m² bis 20,70 x 10&sup4; N/m² (10 bis 30 psi) auf die Verbindungsstelle aufgebracht, und mit Hilfe der elektrischen Energiequelle 30 wird elektrische Energie durch das Heizelement 22 geleitet. Die Verbindungsstelle wird über den Schmelzpunkt von PEEK erwärmt. Diese Temperatur wird über eine ausreichend lange Zeitspanne gehalten, um den thermoplastischen Klebstoff in der Verbindungsstelle zu verschmelzen.
Von den oben beschriebenen Klebestreifen wird angenommen, daß die Temperatur der Verbindungsstelle über den Schmelzpunkt von PEEK von etwa 616 K (650ºF) in etwa einer Minute angehoben werden sollte, um dann etwa 15 Sekunden lang auf dieser Temperatur zu verbleiben.
Die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs und die Dauer des Erwärmungsprozesses werden begrenzt durch die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit der Verbindungsstelle und der Struktur, um eine Beeinträchtigung der benachbarten hitzegehärteten Verbundstrukturen 19 und 19' zu vermeiden. Nach Beendigung der Zuführ elektrischer Energie kann die Verbindungsstelle abkühlen, wobei die verbundenen Strukturen 19 und 19' als Wärmesenken dienen. Der gesamte Verschmelzungszyklus sollte etwa zwei bis drei Minuten in Anspruch nehmen.
Unter gewissen Umständen kann die Verfügbarkeit der lokalen Struktur als Wärmesenke sich über die Länge der Verbindungsstelle hinweg ändern. In solchen Fällen kann ein Wärmeausgleich erforderlich sein, um eine gleichmäßige Erwärmung und ein gleichmäßiges Abkiihlen der Verbindungsstelle während des Verbindungsprozesses zu gewährleisten.
Nachdem die Abkühiperiode beendet ist, sind die beiden Strukturen in der in Fig. 5 gezeigten Weise miteinander verbunden. Die verschiedenen Schichten des thermoplastischen Klebers 32 sind miteinander verschmolzen, und die Trockenfaserverstärkung 16 ist von dem thermoplastischen Klebstoff 32 und dem hitzgehärteten Harz der hitzegehärteten Verbundstrukturen 19, 19' eingebettet und eingekapselt. Die Trockenfaserverstärkung 16 stellt eine mechanische Verriegelung zwischen dem thermoplastischem Klebstoff 32 und den hitzegehärteten Verbundstrukturen 19 und 19' dar, die für die Bindungsstärke sorgt. Das Heizelement 22 bleibt an seiner Stelle, und die elektrischen Leitungen 28, 28 bleiben an dem Heizelement 22 befestigt, um ein späteres erneutes Erwärmen der Verbindungsstelle zu ermöglichen und so eine Reparatur oder einen Austausch der verbundenen Strukturen 19, 19' zu gestatten.
Der Austauschvorgang für die verbundene Struktur wird folgende Schritte umfassen: als erstes wird die Verbindungsstelle dadurch erwärmt, daß in das Heizelement 22 genügend elektrische Energie eingespeist wird, um die Verbindungsstelle über den Schmelzpunkt des thermoplastischen Klebers zu erwärmen. Der Prozeß wird so lange aufrechterhalten werden, bis der thermoplastische Kleber angeschmolzen ist, die Verbindungsstelle wieder aufgetrennt, und die beschädigte Struktur könnte entfernt werden. Als zweites wird die Ersatzstruktur, bestehend aus einer hitzegehärteten Verbundstruktur mit flächig angebrachtem thermoplastischen Kleber in der Verbindungszone (ähnlich wie die in Fig. 4 gezeigte Anfangsstruktur) anstelle der entfernten Struktur angebracht. Drittens wird ein neues Heizelement, angeordnet in der Verbindungsstelle, durch Einspeisen elektrischer Energie in der zuvor für das Verbinden von Strukturen diskutierten Weise erwärmt. Der gesamte Austauschvorgang kann eine Sache von Minuten sein, unter der Annahme, daß eine ausgehärtete Struktur und ein neues Heizelement bereits zur Verfügung stehen.
Obschon gewisse thermoplastische Stoffe (PEEK und PEI) als für das spezielle Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 5 besonders günstig vorgeschlagen wurden, ist die Auswahl dieser Stoffe nicht begrenzt, und es sollte gesehen werden, daß auch andere thermoplastische Stoffe in gleicher Weise für die Erfindung eingesetzt werden können. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung bei Wunsch auch unter Verwendung eines einzelnen Typs eines thermoplastischen Stoffs ausgeführt werden, solange eine Schicht von teilweise freiliegender Trockenfaserverstärkung (nicht in das thermoplastische Material eingebettet) erhalten bleibt, um in die hitzehärtbare Verbundstruktur während des Auflege- und Aushärtvorgangs eingebettet zu werden.
Obschon die Erfindung in Bezug auf ihre beispielhaften Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, sollte der Fachmann sehen, daß zahlreiche Änderungen, Weglassungen und Hinzufügungen diesbezüglich möglich sind, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Verfahren zum Verbinden zweier hitzegehärteter Verbundstrukturen (19, 19') unter Verwendung eines integralen Heizelements (22), umfassend die Schritte:

Schaffen von Bindeflächen (20, 20') für die miteinander zu verbindenden hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19');

Bereitstellen des Heizelements (22) für die Einfügung zwischen die Bindeflächen (20, 20') der miteinander zu verbindenden, hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19'), beinhaltend die Teilschritte:

Verbinden mindestens eines Paares elektrischer Leitungen (28, 28) mit einem elektrischen Widerstandsheizmaterial (24), und sandwichartiges Einschließen des elektrischen Widerstandsheizmaterials (24) zwischen Schichten elektrischer Isolierung (25);

Einfügen des Heizelements (22) zwischen die Bindeflächen (20, 20') der miteinander zu verbindenden, hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19'); und

Durchleiten elektrischer Energie durch das Heizelement (22), um die hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19') miteinander zu verbinden;

dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Widerstandsheizmaterial (24), welches zwischen den Schichten elektrischer Isolierung (25) sandwichartig eingefaßt ist, eingehüllt ist in einer Schicht aus thermoplastischem Klebstoff, und daß der Schritt des Schaffens von Bindeflächen (20, 20') für die miteinander zu verbindenden, hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19') folgende Teilschritte aufweist:

teilweises Einbetten einer Trockenfaserverstärkung (16/50) in einem thermoplastischen Material (12, 14/54),

Überziehen des freiliegenden Teils der teilweise eingebetteten Trockenfaserverstärkung (16/50) mit einem hitzehärtbarem Harz (18) zum Bilden eines thermoplastischen Klebestreifens (10/48)

Anordnen des thermoplastischen Klebestreifens (10/48) in Kombination mit den hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19') derart, daß die mit dem hitzehärtbaren Harz überzogene Trockenfaserverstärkung (16/50) an der jeweiligen hitzegehärteten Verbundstruktur (19, 19') anliegt, und

Aushärten der mit dem hitzehärtbaren Harz überzogenen Trockenfaserverstärkung (16/50), um die thermoplastischen Klebestreifen (10/48) an die hitzehärtbaren Verbundstrukturen (19, 19') zu binden, wobei das thermoplastische Material (12, 14/54) der thermoplastischen Klebestreifen (10) die Bindeflächen (20, 20') der hitzgehärteten Verbundstrukturen (19, 19') definiert;

daß der Schritt des Durchleitens elektrischer Energie durch das Heizelement (22) das thermoplastische Material (12, 14/54) der thermoplastischen Klebestreifen (10/48) und den thermoplastischen Klebstoff des Heizelements (22) veranlaßt, miteinander zu verschmelzen und die Bindung zwischen den hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19') zu bilden.

2. Verfahren zum Verbinden zweier hitzegehärteter Verbundstrukturen (19, 19') unter Verwendung eines integralen Heizelements (20) nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Teilschritte des Schaffens von Bindeflächen (20, 20') für die hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19') beinhalten:

Zusammenschmelzen einer Schicht aus halbkristallinem thermoplastischen Material (12) und einer Schicht aus amorphem thermoplastischen Material (14),

teilweises Einbetten einer Trockenfaserverstärkung (16) in der Schicht aus amorphem thermoplastischen Material (14),

Überziehen des freiliegenden Teils der teilweise eingebetteten Trockenfaserverstärkung (16) mit einem hitzehärtbaren Harz (18), um einen thermoplastischen Klebestreifen (10) zu bilden,

Anordnen von thermoplastischen Klebestreifen (10) in Kombination mit den hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19') derart, daß die mit hitzehärtbarem Harz beschichtete Trockenfaserverstärkung (16) gegen die jeweilige hitzegehärtete Verbundstruktur (19, 19') anliegt, und

Aushärten der mit hitzehärtbarem Harz beschichteten Trockenfaserverstärkung (16), um die thermoplastischen Klebestreifen (10) mit den hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19') zu verbinden, wobei das halbkristalline thermoplastische Material (12) der thermoplastischen Klebestreifen (10) die Bindeflächen (20, 20') der hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19') definiert.

3. Verfahren zum Verbinden zweier hitzegehärteter Verbundstrukturen (19, 19') unter Verwendung eines integralen Heizelements (20) nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

Zusammenschmelzen von Trockenfaserverstärkungslitzen (50) und gesponnenen thermoplastischen Filamenten, um Mischlitzen (52) zu bilden,

Verweben der Mischlitzen (52) mit Trockenfaserverstärkungslitzen (50), um ein Material zu bilden, welches auf einer Seite vorherrschend eine Trockenfaserverstärkung (50) ist und auf der anderen Seite vorherrschend aus Mischlitzen (52) besteht,

Verschmelzen der Seite der Mischlitzen (52) des Materials mit einer Schicht aus thermoplastischem Material (50) derart, daß die Trockenfaserverstärkungslitzen (50) teilweise in dem thermoplastischem Material (54) eingebettet sind,

Überziehen der freiliegenden Trockenfaserverstärkungslitzen (50) des eingebetteten Materials mit einem hitzehärtbaren Harz (18), um einen gewebten thermoplastischen Klebestreifen (48) zu bilden, Zusammenfügen von gewobenen thermoplastischen Klebestreifen (48) mit den hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19') derart, daß die mit hitzehärtbarem Harz überzogenen Trockenfaserverstärkungslitzen (50) an den jeweiligen hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19') anliegen, und

Aushärten der mit dem hitzehärtbarem Harz überzogenen Trockenfaserverstärkungslitzen (50), um die thermoplastischen Klebestreifen (48) an den hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19') zu binden, wobei das thermoplastische Material (54) der gewobenen thermoplastischen Klebestreifen (48) die Bindeflächen der hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19') definiert.

4. Verfahren zum Verbinden von zwei hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19') unter Verwendung eines integralen Heizelements (20) nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Teilschritte zum Schaffen von Bindeflächen (20, 20') für die hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19') beinhalten:

Weben von Trockenfaserverstärkungslitzen (50) und thermoplastischen Filamenten, um einen Webstoff zu bilden, bei dem auf der einen Seite vornehmlich Trockenfaserverstärkungslitzen (50) und auf der anderen Seite vornehmlich thermoplastische Filamente vorhanden sind,

Verschmelzen der Seite der thermoplastischen Filamente des Webstoffs mit einer Schicht aus thermoplastischen Material (54) derart, daß die Trockenfaserverstärkungslitzen (50) teilweise in dem thermoplastischen Material (54) eingebettet sind,

Überziehen der freiliegenden Trockenfaserverstärkungslitzen (50) des eingebetteten Materials mit einem hitzhärtbarem Harz (18), um einen gewobenen thermoplastischen Klebestreifen (48) zu bilden, Zusammenfügen von gewebten thermoplastischen Klebestreifen (48) mit den hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19') derart, daß die mit dem hitzehärtbarem Harz überzogenen Trockenfaserverstärkungslitzen (50) gegen die jeweiligen hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19') anliegen, und Aushärten der mit dem hitzehärtbarem Harz überzogenen Trockenfaserverstärkungslitzen (50), um die thermoplastischen Klebestreifen (48) an den hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19') zu binden, wobei das thermoplastische Material (54) der gewobenen thermoplastischen Klebestreifen (48) die Bindeflächen (20, 20') der hitzegehärteten Verbundstrukturen (19, 19') definiert.