DE69403080T2

DE69403080T2 - Verbundgegenstand und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE69403080T2
Application number: DE69403080T
Authority: DE
Inventors: John Reginald Newton
Original assignee: 3D Composites Ltd
Current assignee: 3D Composites Ltd
Priority date: 1993-07-10
Filing date: 1994-07-07
Publication date: 1997-12-04
Anticipated expiration: 2014-07-08
Also published as: GB9314311D0; DK0708706T3; DE69403080D1; EP0708706A1; ES2104396T3; WO1995001868A1; ATE152667T1; EP0708706B1; US5855984A

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundgegenstand und ein Verfahren zum Formen von Verbundgegenständen aus faserverstärkten härtbaren Kunstharzen.
Die in unserem EP-Patent Nr. 0 147 050 beschriebenen Verbund- Schachtabdeckungen haben eine Innenstruktur, die sehr effizient ist und zu hohen Lastaufnahmeeigenschaften für das Gewicht des verwendeten Materials führt. Die Ausführung dieser Struktur beruht auf dem Konzept, zwei Platten zu verwenden, die durch Bahnen voneinander getrennt sind. Eine Struktur dieses Typs ergibt einen hohen Wert des Flächenmoments zweiten Grades relativ zu der Menge an verwendetem Material, und je größer dieser Wert ist, desto steifer ist die Struktur und desto größer ist ihr Lastaufnahmevermögen. Innerhalb der Struktur sind die Verstärkungsfasern auf eine optimierte Weise angeordnet. Das heißt, die Fasern sind so angeordnet, daß sie mit der Richtung der erwarteten Beanspruchungen übereinstimmen, die innerhalb der Struktur auftreten, wenn sie einer Last unterworfen wird.
Unsere EP-Patente Nr. 0 365 579, 0 408 639 und die FR-A-2 376 739 beschreiben Verfahren, die das Einspritzen eines Matrixharzes auf eine sehr wirksame und schnelle Weise in die komplexe dreidimensionale Struktur dieser Schachtabdek kungen gestatten, selbst wenn hohe Faservolumenfraktionen verwendet werden. Um das erforderliche Festigkeits/Gewichts- Verhältnis in lastaufnehmenden Verbundgegenständen dieses Typs zu erhalten, ist es erforderlich, sehr hohe Faservolumenfraktionen zu verwenden. Die obengenannten Schachtabdekkungen haben Faservolumenfraktionen im Bereich von 43 bis 50 %. Normalerweise ist es sehr schwierig, solche hohen Faservolumenfraktionen innerhalb von industriell akzeptablen Formzeiten einzuspritzen, so daß vor dem Verfahren unserer obengenannten EP-Patente die Größe von Verbundgegenständen, die geformt werden konnten, begrenzt war.
Schachtabdeckungen und andere lastaufnehmende Verbundgegenstände, die wie oben beschrieben hergestellt sind, sind ausgezeichnete Hochlastaufnahmestrukturen&sub1; die imstande sind, mit den bisher verwendeten, aus Metall hergestellten Alternativen zu konkurrieren. Wenn jedoch die Belastungsanforderungen weniger streng sind, beispielsweise bei Schachtabdeckungen für Fußgängerbereiche, ist es wünschenswert, die Herstellungskosten zu senken. Einen beachtlichen Anteil der Kosten bei den obengenannten Strukturen bilden die Polyurethan- Schaumstoffkerne, die verwendet werden, um die dreidimensionale Struktur zu schaffen. Es wäre daher in bezug auf Strukturen mittlerer Leistung vorteilhaft, die Polyurethankerne zu eliminieren, aber gleichzeitig die strukturellen Vorteile einer hohen Faservolumenfraktion beizubehalten.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Verbundgegenstand und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, die hinsichtlich der obigen Aspekte verbessert sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Formen eines Verbundgegenstandes durch Einspritzen eines Kunststoffmaterialharzes in Fasern innerhalb einer Form bereitgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine durchgehende Bahn aus Fasern in eine Form in einer derartigen Weise eingelegt wird, daß eine Wabenstruktur erzeugt wird, ohne daß die Bahn sich selbst kreuzt.
Der hier verwendete Begriff "Wabenstruktur" bezeichnet Räume, die von der Bahn eingeschlossen sind, wo sie sich selbst berührt, sollte aber nicht als auf solche Räume begrenzt ausgelegt werden, die hexagonal oder auch von regelmäßiger Beschaffenheit sind.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf einen durch das oben beschriebene Verfahren hergestellten Verbundgegenstand.
Bei einer bevorzugten Form des Verfahrens der Erfindung wird die Wabenstruktur auf eine Platte während des Formens auflaminiert, indem man einen flachen Flächenkörper aus Fasern angrenzend an die Wabenstruktur vorsieht und das Ganze gleichzeitig einspritzt. Falls gewünscht, kann eine Wabenstruktur auf beiden Seiten der Platte vorgesehen werden. Falls erforderlich, kann alternativ eine Platte auf jeder Seite der Wabenstruktur vorgesehen werden, in diesem Fall ist es jedoch erforderlich, Schaumstoffeinsätze zu verwenden, um ein Durchsickern des Harzes in die Zwischenräume der Wabenstruktur zu verhindern, und in diesem Fall ist der Kostenvorteil gegenüber der in dem EP-Patent Nr. 0 147 050 beschriebenen Struktur nicht so groß. Dennoch gibt es gewisse Umstände, unter denen eine solche Struktur wünschenswert ist, und sie wird vom Rahmen der vorliegenden Erfindung gedeckt.
Die die Wabenstruktur bildende faserförmige Bahn ist, wie oben erwähnt, bevorzugt über den gesamten zu formenden Gegenstand durchgehend ausgebildet. Unterbrechungen in der Bahn führen zu Schwachstellen in der geformten Struktur. Damit die Bahn durchgehend ist, muß die Art und Weise, in der sie in die Form eingelegt wird, sorgfältig überlegt werden, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Die Bahn kann im wesentlichen parallele Fasern (in ihrer Längsrichtung) enthalten oder kann bevorzugt ein Laminat aus hauptsächlich longitudinalen Fasern sein, wobei einige Fasern unter einem Winkel zu der Längsrichtung angeordnet sind, um für die Spannungsrichtung zu sorgen, die wahrscheinlich in dem fertigen Verbundgegenstand zu finden ist. Eine besonders bevorzugte Konstruktion weist 70 % von longitudinalen Fasern zusammen mit 15 % von Fasern, die unter einem Winkel von +45º zur Längsrichtung angeordnet sind, und 15 % von Fasern auf, die unter einem Winkel von -45º zur Längsrichtung angeordnet sind. Andere Konfigurationen sind selbstverständlich möglich.
Der Verbundgegenstand der Erfindung kann als einfaches Gitterwerk oder, wenn er mit einem Flächenkörper integral ist, als Bauteil, beispielsweise als Bodenplatte, verwendet werden, wo mittlere bis hohe Lastaufnahme erforderlich ist (aber nicht das sehr hohe Lastaufnahmevermögen, das für Schachtabdeckungen benötigt wird, beispielsweise die Fähigkeit, das Gewicht eines Benzintankwagens zu tragen). Bei den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die die Verwendung von Polyurethan-Schaumstoffkerneinsätzen nicht erfordern, kann der Verbundgegenstand der Erfindung für diese mittleren bis hohen Lastaufnahmeerfordernisse billiger hergestellt werden.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher beschrieben; die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 eine Teilperspektivansicht einer faserförmigen Bahn zur Verwendung bei dem Verfahren und dem Gegenstand der Erfindung;
Fig. 2 eine Teilperspektivansicht der Bahn in Form einer Wabenstruktur; und
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Bahn, die die Richtung zeigt, in der sie gelegt ist, um die Wabenstruktur aufzubauen.
Wie die Zeichnungen zeigen, besteht die erste Stufe bei der Herstellung eines Verbundgegenstandes gemäß der Erfindung darin, ein Band aus Strukturfasern herzustellen, das die Bahn 10 bilden wird. Das Band wird bevorzugt aus durchgehenden Fasern gebildet, von denen die meisten nicht gekräuselt sind, und die Fasern sind in einer Konfiguration angeordnet, die angemessen ist, die erforderlichen Festigkeitseigenschaften für die Verstärkungsbahn bereitzustellen. In Figur 1 ist eine Bahn 10 gezeigt, in der die Mehrzahl (70 %) der Fasern 12 im wesentlichen in Längsrichtung zu der Bahn 10 angeordnet ist. 15 % der Fasern 14 sind unter einem Winkel von -45º zur Längsrichtung angeordnet, und weitere 15 % der Fasern 16 sind unter einem Winkel von +45º zur Längsrichtung angeordnet. Das Band wird durch Nähen unter Verwendung beispielsweise eines Polyesterfadens zusammengehalten. Die 45º-Fasern 14, 16 bieten speziell Festigkeit gegenüber Scherkräften in der Bahn, wohingegen die Längsfasern 12 Festigkeit entlang der Länge der Bahn bieten. Die Faserdichte in der Bahn ist so angeordnet, daß eine hohe Faservolumenfraktion erhalten wird, die so ausgebildet ist, daß sie mit derjenigen des Plattenbereichs des Laminats (falls verwendet) zusammenpaßt, so daß wohl abgewogene mechanische Eigenschaften und ein gleichbleibendes Fließverhalten während des Einspritzens des Matrixharzes gewährleistet sind.
Die Bahn 10 wird in eine Hälfte einer Form, die Vertiefungen in dem gewünschten Wabenmuster (nicht gezeigt) hat, auf eine Weise eingelegt, die die gewünschte Konfiguration ergibt und gleichzeitig die Notwendigkeit irgendeiner Unterbrechung der Bahnstruktur oder irgendeines Überkreuzens der Bahn vermeidet.
Wie Figur 3 zeigt, wird dies wie folgt erreicht. Beginnend bei Punkt 1 wird das Band durch Vorrücken zu den Punkten 2, 3, 4 und dann 5 in die Form eingelegt. Die Pfeile in Figur 3 zeigen den Verlauf der Bahn. Dieses Muster wird wiederholt, bis die gesamte Wabenstruktur gelegt ist; an diesem Punkt wird das Band abgeschnitten.
Wenn der Verbundgegenstand eine integral laminierte Platte 17 (Figur 2) aufweisen soll, wird ein flacher Faserflächenkörper, der später die obere (oder untere) Platte der Struktur bildet, in die Form auf die Oberseite der Bahn 10 gelegt. Die Fasern an den Rändern der Bahn sind mit den Fasern des Plattenlaminats in direkter Berührung und werden durch Schließen der Form zu der gleichen Faservolumenfraktion zusammengepreßt. Die Fasern in dem Plattenlaminat werden, wie die Bahn auch, angeordnet, um die Last nach Maßgabe der Endanwendung der speziellen Struktur zu verteilen und zu tragen.
Nach dem Schließen der Form wird ein Matrixharz in die Struktur eingespritzt, um einen einteiligen Verbundgegenstand zu bilden. Bevorzugt erfolgt das Einspritzen gemäß einem der in unseren obengenannten EP-Patenten beschriebenen Verfahren zum Netzwerk-Spritzgießen, so daß hohe Durchflußraten während des Einspritzzyklus und die Möglichkeit zum raschen Aushärten und somit kurze Zykluszeiten erreicht werden. Wie in diesen Patenten beschrieben ist, kann eine Reihe von Matrixharzen verwendet werden, gewöhnlich werden jedoch Polyesterharze bevorzugt.
Ein Beispiel des Einspritzsystems ist wie folgt ausgebildet. Wie Figur 2 zeigt, wird Harz in eine Öffnung 18 in der Form eingespritzt, von wo es über das Verbundmaterial durch eine Verteilerleitung 20 in der Form verteilt wird. Gleichzeitig wird es auch die Verteilerleitungen 22 in der Bahnstruktur nach unten zu einer unteren Verteilerleitung 24 in der unteren Formhälfte verteilt. Auf diese Weise wird das Harz rasch über die Breite der Form sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite der Bahn 10 eingespritzt. Von dort diffundiert das Harz durch die Bahn 10 auf jede Seite, bis es die gesamte Bahn 10 vollständig benetzt hat, ohne trockene Stellen zu belassen. Danach wird das Einspritzen gestoppt und das Harz ausgehärtet, so daß der Gegenstand dann entformt werden kann. Die Verteilerleitungen 20 und 24 in der Form sollten insofern gemäß unserem EP-Patent Nr. 0 408 639 sein, als sie eine solche Größe und Orientierung haben sollten, daß keine wesentliche Verformung der Fasern in die Verteilerleitungen hinein stattfindet. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, in der oberen Formhälfte ein Brückenstück zu haben, das die Glasfasern nach unten schiebt und einen Hohlraum zu rückläßt, der die erforderliche Verteilerleitung bildet.
Wie oben erwähnt, kann der Verbundgegenstand auf verschiedene Weise abgewandelt werden. Beispielsweise kann eine Bahn auf beiden Seiten der Platte 17 vorgesehen sein, oder die Bahn kann als eigenständige Komponente hergestellt werden und würde ein ausgezeichnetes Gitterwerk ergeben. Das die Bahn 10 bildende Band kann als Wabenstruktur gewebt sein, anstatt als eine solche Struktur ausgelegt zu sein, obwohl die endgültige Faserarchitektur so bleiben würde, wie oben beschrieben ist. Die Bahn 10 kann zwischen zwei Platten angeordnet werden, indem Polyurethan-Schaumstoffeinsätze eingebaut werden, um eine Struktur zu bilden, die mit der Schachtabdeckung unseres oben erwähnten EP-Patents Nr. 0 147 050 vergleichbar ist. Der Kostenvorteil in diesem Fall ist geringer, die Struktur kann aber dennoch für gewisse Endanwendungen nützlich sein. Selbstverständlich kann der Verbundgegenstand der Erfindung in eine größere Struktur eingebaut und Teil davon sein.
Die verwendeten Fasern sind Fasern, die herkömmlich verwendet werden, um Struktur-Verbundgegenstände herzustellen&sub1; und können ohne Einschränkung Glas, Kevlar, Kohlenstoff und derglei chen aufweisen.
Die Erfindung stellt ein Verfahren und einen Gegenstand bereit, der eine ausgezeichnete lastaufnehmende Konfiguration hat. Außerdem führt die Verwendung einer orientierten durchgehenden Faserarchitektur mit einem hohen Faservolumenfraktionswert (typischerweise höher als 40 %) zu hohen Lastaufnahmefähigkeiten. Ferner ist, insbesondere dann, wenn eines unserer oben genannten Netzwerk-Spritzgießverfahren angewandt wird, die Herstellung sehr effizient, und es können sogar große Strukturen in industriell akzeptablen Formzeiten hergestellt werden.

Claims

1. Verfahren zum Formen eines Verbundgegenstandes durch Einspritzen eines Kunststoffmaterialharzes in Fasern innerhalb einer Form, dadurch gekennzeichnet, daß eine durchgehende Bahn aus Fasern in eine Form in einer derartigen Weise eingelegt wird, daß eine Wabenstruktur erzeugt wird, ohne daß die Bahn sich selbst kreuzt

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wabenstruktur auf eine Platte während des Formens auflaminiert wird, indem man einen flachen Flächenkörper aus Fasern angrenzend an die Wabenstruktur vorsieht und das Ganze gleichzeitig einspritzt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem eine Wabenstruktur auf beiden Seiten der Platte vorgesehen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die faserige Bahn, welche die Wabenstruktur bildet, während des gesamten Formvorganges des Gegenstandes durchgehend ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Bahn im wesentlichen parallele Fasern in ihrer Längsrichtung enthält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Bahn ein Laminat aus hauptsächlich longitudinalen Fasern ist, wobei einige Fasern unter einem Winkel zu der Längsrichtung angeordnet sind, um für die Spannungsrichtung zu sorgen, die wahrscheinlich in dem fertigen Verbundgegenstand zu finden ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Bahn 70% von longitudinalen Fasern zusammen mit 15% von Fasern, die unter einem Winkel von 45º zur Längsrichtung angeordnet sind, und 15% von Fasern aufweist, die unter einem Winkel von -45º zur Langsrichtung angeordnet sind.

8. Verbundgegenstand, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Gegenstand nach Anspruch 8, der als einfaches Gitterwerk verwendet wird.

10. Gegenstand nach Anspruch 8, der einen integralen Flächenkörper aufweist und als Bauwerkstoff verwendet wird, beispielsweise als Bodenplatte.