DE69725540T2

DE69725540T2 - Gerät zur Herstellung von Verbundkörpern

Info

Publication number: DE69725540T2
Application number: DE69725540T
Authority: DE
Inventors: Lisa B. 03034 Candia Hanusiak; Jeffrey M. 01824 Chelmsford Parnell; Steven R. 03038 Derry Spear; William M. 03034 Candia Hanusiak; Charles R. 03038 Derry Rowe
Original assignee: Atlantic Research Corp
Current assignee: Atlantic Research Corp
Priority date: 1996-11-22
Filing date: 1997-11-14
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2017-11-15
Also published as: EP1386680B1; DE69735862T2; EP0849020A3; DE69735861D1; ES2239296T3; DE69732869T2; ES2264754T3; DE69732869D1; EP1386680A1; JPH10249950A; EP1386678A1; US6217310B1; US6077066A; CN1077037C; KR19980042640A; JP4718571B2; ES2261872T3; DE69735862D1; KR100263459B1; JP2008179152A

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugvorrichtung zur Herstellung von Verbundstoffen und insbesondere auf ein Werkzeug, das den herzustellenden Verbundwerkstoff umschließt und ihn während der Verarbeitungsschritte beim Herstellen, beispielsweise dem Ausgasen und dem Verfestigen, festhält.
Technischer Hintergrund
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Verbundwerkstoffe, die Faserschichten und eine Matrix umfassen, miteinander zu verfestigen, indem der Verbundwerkstoff zunächst ausgegast und dann verfestigt wird. Diese Art von Verbundwerkstoffen ist in 1 dargestellt, wobei der Verbundwerkstoff mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. Der Verbundwerkstoff 10 umfasst eine Reihe geschichteter Fasern 1, die von einer Matrix 3 umgeben sind.
Typischerweise werden die Fasern 1 und die Matrix 3 durch einen Klebstoff 5 in etwas zusammengehalten, das üblicherweise als Vorformling bezeichnet wird, siehe 2, Bezugszeichen 20. Die Klebstoffe 5 sind üblicherweise organische Materialien, die in einem Lösungsmittel gelöst wurden. Der Vorformling 20 wird in ein Werkzeug eingesetzt und dann mit Vakuum beaufschlagt, um jegliche Feuchtigkeit in dem Vorformling 20 sowie die organischen Materialien des Klebstoffs 5 zu entfernen. Beim Ausgasen werden das Wasser und die Klebstoffe durch Erhitzen des Vorformling auf die geeignete Verdampfungstemperatur verdampft.
Eines der Probleme eines Werkzeugs gemäß dem Stand der Technik besteht in diesem Zusammenhang darin, dass es nicht möglich ist, das verdampfte Wasser und die Klebstoffe zu entfernen, während der Verbundwerkstoff festgehalten wird, um anschließend verfestigt werden zu können. Bei einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik unterliegt der Verbundwerkstoff einem Verschieben, welches die Ausrichtung und die Beabstandung der darin befindlichen verstärkenden Materialien, beispielsweise die Fasern 1 in dem Verbundstoff 10 aus 1, stört. Bei Vorliegen dieser Störung weist der verfestigte Verbundwerkstoff Produkteigenschaften auf, die geringer sind als erwünscht.
Demzufolge hat sich ein Bedarf entwickelt, eine verbesserte Werkzeugsvorrichtung zu schaffen, die es nicht nur ermöglicht, das verdampfte Wasser und die Klebstoffe zu entfernen, sondern darüber hinaus auch den Vorformling während des Ausgasens und Verfestigens festhält.
Als Reaktion auf diesen Bedarf schafft die vorliegende Erfindung eine Werkzeugvorrichtung, die die Nachteile der oben diskutierten Vorrichtung nach dem Stand der Technik überwindet. Demzufolge weist gemäß der Erfindung die erfindungsgemäße Werkzeugvorrichtung Merkmale auf, die nicht nur ein Ausgasen ermöglichen, sondern den Verbundwerkstoff auch festhalten, so dass der Verbundstoff sowohl einem Ausgasen als auch einem Verfestigen unterzogen werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Demzufolge ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Werkzeugvorrichtung zur Herstellung von Schicht- oder Verbundwerkstoffen zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Werkzeugvorrichtung zu schaffen, die den auszugasenden und zu verfestigenden Verbundwerkstoff unter Verwendung von Mitteln zum Anlegen von Druck auf den Verbundwerkstoff während des Ausgasens und Vertestigens umhüllt.
Darüber hinaus ist es noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Werkzeugvorrichtung zu schaffen, die das Evakuieren eines Werkzeugvorrichtungshohlraums zum Ausgasen erleichtert.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die den Luftdruck als Belastung in Kombination mit der Evakuierung dazu verwendet, um den auszugasenden und anschließend zu verfestigenden Verbundwerkstoff festzuhalten oder zu sichern.
US-A-5 370 760 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen keramischen Bauteils, das einen Schritt der Vorbereitung einer Gesenkform mit einem oberen Stempel, einer Basis mit einem Rahmen und einer Basisplatte, sowie einen Schritt eines Vakuumverpackens der mit einem Keramikverbund beladenen Form mittels eines Beutels umfasst. Dieses Verfahren verhindert es, dass die leitenden Filme aufgrund des durch die Druckdifferenz zwischen den Bereichen, die mit den leitenden Filmen ausgestattet sind, und den Bereichen, die nicht mit den leitenden Filmen ausgestattet sind, verursachten Fließens von Keramik auf die peripheren Kantenbereiche des Keramikverbunds hin aus der ausgerichteten Stellung heraus verschoben werden.
Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit fortschreitender Beschreibung derselben verdeutlicht.
Zum Erreichen der vorgenannten Aufgaben und Vorteile schafft die vorliegende Erfindung in ihrem weitesten Sinn eine Vakuumwerkzeugvorrichtung, die einen flexiblen Beutel verwendet, wobei der flexible Beutel aus einem metallischen Material besteht, das einen geringen Gasanteil in den Zwischenräumen aufweist. Der Beutel bindet einen Hohlraum, dessen Größe dazu ausgelegt ist, einen ein organisches Material enthaltender Verbundwerkstoff, der einem Ausgasen und Verfestigen unterzogen werden soll, aufzunehmen. Der Beutel weist eine Dicke und eine Flexibilität auf, die es dem Luftdruck ermöglichen, den Verbundwerkstoff in seiner Position zu halten, wenn der Hohlraum mit einem Vakuum beaufschlagt wird. Die Werkzeugvorrichtung enthält weiterhin wenigstens eine Evakuierungsöffnung in dem Beutel, um ein Evakuieren des Hohlraums zu ermöglichen. Der Beutel ist entlang seiner Peripherie mit Ausnahme der einen oder mehreren Evakuierungsöffnungen verschlossen.
Die Evakuierungsöftnung umfasst eine Verrohrung, die an dem flexiblen Beutel angeschlossen ist.
Der Hohlraum, der den Verbundwerkstoff zum Evakuieren aufnimmt, wird durch einen Rahmen, Stempel, einen einhüllenden Beutel sowie eine oder mehrere Evakuierungsöffnungen gebildet. Der Rahmen umgibt den auszugasenden und zu verfestigenden Verbundwerkstoff. Die Stempel sorgen für eine Belastungskraft/Haltekraft auf der Oberseite und Unterseite des Verbundwerkstoffs. Der einhüllende Beutel bildet zusammen mit dem Rahmen den Hohlraum, der sowohl den Verbundwerkstoff als auch die Stempel für das Evakuieren umschließt. Die Evakuierungsöftnungen können als Teil des Rahmens ausgebildet sein, um den Hohlraum zu evakuieren. Der Rahmen kann auch einen oder mehrere Abstandshalter umfassen, üblicherweise in der Anordnung eines Bilderrahmens, die eine Einstellung der Dicke der Werkzeugvorrichtung zur Anpassung an die Dicken der Stempel sowie der Vor- und Enddicke des herzustellenden Verbundwerkstoffs ermöglichen.
Es sind mechanische Lastbeaufschlagungsmittel in Verbindung mit einem oder beiden Stempeln sind vorgesehen, um die Last auf den Verbundwerkstoff während des Evakuierens einzustellen. Diese mechanischen Lastbeaufschlagungsmittel werden in der Vorrichtung entsprechend der dritten Ausführungsform verwendet.
Kurzbeschreibung der Figuren
Im Folgenden wird auf die Figuren der Erfindung Bezug genommen. Es zeigen
1 eine Schnittansicht eines Verbundwerkstoffs, der zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung angepasst werden kann;
2 eine Schnittansicht eines Vorformling des Verbundwerkstoffs aus 1;
7a eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung;
7b eine Aufsicht auf die in 7a dargestellte Ausführungsform; und
9 eine Schnittansicht einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
In ihrem weitesten Sinn schafft die erfindungsgemäße Werkzeugvorrichtung eine Möglichkeit, einen Verbundwerkstoff während des Ausgasens und des sich anschließenden Verfestigens in seiner Position zu halten. In einem Raum, der den Verbundwerkstoff umgibt, wird ein Vakuum erzeugt, so dass der auf den Verbundwerkstoff wirkende Luftdruck, ein angelegter Gasdruck, eine mechanische Belastung oder eine Kombination derselben diesen festhalten. Der entweder aus dem Luftdruck, dem angelegten Gasdruck oder der mechanischen Belastung resultierende Druck hält den Verbundwerkstoff während des Ausgasens und des sich anschließenden Verfestigens in seiner Position. Demzufolge wird jede Bewegung von präzise ausgerichteten Verbundwerkstoffkomponenten sowohl während des Ausgasens als auch während des Verfestigens vermieden, wodurch ein Verbundstoff von hoher Qualität erzeugt wird.
Es sollte klar sein, dass es sich bei dem Verbundwerkstoff, der zur Verwendung mit der erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung angepasst werden kann, um jeden bekannte Verbundwerkstoff handeln kann, der einem Ausgasen und einem Verfestigen unterzogen wird. Typischerweise enthalten diese Verbundwerkstoffe ein verstärkendes Material, welches eine Faser, Draht, Pulver oder Ähnliches sein kann. Die verstärkenden Materialien können Kohlenstoff, Siliziumkarbid, Bor, Aluminiumoxid, Graphit oder Siliziumnitrid enthalten. Üblicherweise werden die verstärkenden Materialien mit einer Matrix kombiniert, die metallisch oder nicht metallisch sein kann. Typische Beispiele für Matrixmaterialien beinhalten Aluminium, Magnesium, Titanlegierungen oder Ähnliches. Es sollte klar sein, dass die erfindungsgemäße Werkzeugsvorrichtung nicht auf eine bestimmte Art von Verbundwerkstoff beschränkt ist.
Die Techniken, die zum Ausgasen oder Vertestigen des Verbundwerkstoffs verwendet werden, wenn dieses in die erfindungsgemäße Werkzeugvorrichtung eingebracht wurde, sind ebenfalls die herkömmlichen Techniken und müssen zum Verständnis der Erfindung nicht weiter beschrieben werden. Jede herkömmliche Art einer Verarbeitung durch Ausgasen und/oder Verfestigen kann mit der erfindungsgemäßen Werkzeugsvorrichtung angewendet werden.
Für diese Anwendung wird unter einen "Material mit niedrigem Gasanteil in den Zwischenräumen" ein Material verstanden, das weniger als 2000 ppm an Gesamtgehalt reaktiven Gases beinhaltet. Typischerweise umfassen diese reaktiven Gase Sauerstoff, Stickstoff, kohlenstoffhaltige Gase sowie Wasserstoff oder wasserstoffhaltige Gase. Das Material der erfindungsgemäßen Werkzeugsvorrichtung sollte ein Material mit niedrigem Gasanteil in den Zwischenräumen sein, so dass der Verbundwerkstoff beim Beaufschlagen des Materials mit einem Vakuum nicht durch ein Gas, das in dem Beutel- oder dem Rohrmaterial enthalten ist, negativ beeinflusst wird.
Typischerweise liegt die Dicke der einhüllenden Beutel im Bereich von 0,002 Inch bis 0,060 Inch (0,00512 cm bis 0,1536 cm), vorzugsweise im Bereich von 0,005 Inch bis 0,03 Inch (0,0128 cm bis 0,0768 cm).
Vorzugsweise sollte der einhüllende Beutel die folgenden Eigenschaften aufweisen:

1. Bei Raumtemperatur hinreichend geschmeidig sein, um sich um das herzustellende Produkt herum zu formen,
2. mit einem niedrigen Gasanteil in den Zwischenräumen verfügbar sein,
3. mit sich selber sowie mit dem Material der Ausgas-Rohre verschweißbar sein,
4. das Material des Produkts nicht verschmutzen oder mit diesem eine Legierung eingehen,
5. im geeignete Dickenbereich (0,002 Inch bis 0,006 Inch (0,00512 cm bis 0,1536 cm)) verfügbar sein, und
6. der Verarbeitungstemperatur des Produktes widerstehen können, ohne zu reißen oder rissig zu werden.

Die Anforderungen an das Material der Evakuierungsrohre sind die folgenden:

1. bei Raumtemperatur hinreichend geschmeidig sein, um flach gemacht werden zu können, ohne rissig zu werden,
2. mit einem niedrigen Gasanteil in den Zwischenräumen verfügbar sein,
3. mit sich selber sowie mit dem Material des Beutels verschweißbar sein,
4. mechanisch verarbeitet werden können, beispielsweise zur Ausbildung einer Diffusionsverbindung mit sich selbst heiß oder kalt quetschverbunden werden können, und
5. der Verarbeitungstemperatur des Produktes widerstehen können, ohne zu reißen oder rissig zu werden.

Typischerweise wird das Evakuierungsrohr an ein Stück des Beutelmaterials angeschweißt, und daraufhin der Verbundwerkstoff auf diesem Stück zentriert. Dann wird das zweite Stück des Beutelmaterials mit dem ersten Stück und dem Evakuierungsrohr verschweißt. Der einhüllende Beutel muss nach dem Schweißen Heliumlecksicher sein, damit das Werkzeug korrekt funktioniert.
Sind der einhüllende Beutel und das Evakuierungsrohr Helium-lecksicher ausgebildet, wobei der Evakuierungsbeutel einen Hohlraum für den Verbundwerkstoff bildet, wird der Verbundwerkstoff einem Ausgasen unterzogen, um jeglichen Klebstoff, Feuchtigkeit oder Ähnliches aus diesem zu entfernen. Beim Evakuieren des umhüllenden Beutels veranlasst der auf den umhüllenden Beutel wirkende Luftdruck den Beutel dazu, sich um den Verbundwerkstoff herumzuformen, wobei er dieses in seiner Stellung festklemmt. Folglich wird der Verbundwerkstoff fest gehalten und während des Schritts des Ausgasens kann kein Verschieben seiner Komponenten auftreten.
Obwohl Schweißen als eine Möglichkeit zum Herstellen des Hohlraums für den Verbundwerkstoff offenbart wird, kann jegliche Möglichkeit dazu verwendet werden, um den lecksicheren Hohlraum zur Aufnahme des Verbundwerkstoffs herzustellen.
Bezugnehmend auf die 7a und 7b ist eine Ausführungsform der Erfindung im allgemeinen durch das Bezugszeichen 80 gekennzeichnet und umfasst einen Rah men 81, ein Paar Stempel 83, einen einhüllenden Beutel 85 und Evakuierungsrohre 87. Alle Materialien dieser Ausführungsform bestehen aus einem Material mit einem niedrigen Gasanteil in den Zwischenräumen, beispielsweise einem 620 Stahl oder einem vakuumausgegasten 1018 Stahl.
Der Rahmen 81 kann ein einzelnes Materialstück sein, das den Verbundwerkstoff 33 umgibt, er kann jedoch auch aus vier individuellen Stücken bestehen, die entlang der Außennähte miteinander verschweißt sind.
Die Stempel 83 können aus geschichteten dünnen Platten oder aus einem einzelnen Stück Plattenmaterial bestehen. Die einhüllenden Beutel 85, typischerweise 0,120 Inch (0,3072 cm) dick, können ebenso aus mehreren Schichten bestehen, die entlang der Kante des Beutels miteinander verschweißt sind. Die Vakuumsrohre 87 sind nahtlose, dickwandige Rohre, die mit dem Rahmen verschweißt sind. Der Rahmen 81 umfasst weiterhin einen Durchgang 89, der ein Evakuieren des durch den Rahmen 81 und den einhüllenden Beutel 85 gebildeten Hohlraums 91 ermöglicht.
Die Vorrichtung 80 kann weiterhin einen oder mehrere Streifen von bahnförmigen Material 93 enthalten, die in Art eines Bilderrahmens angeordnet sind und sich zwischen dem Rahmen 81 und dem Beutel 85 befinden. Die Streifen 93 sind ihrer Dicke und Anzahl nach so gemacht, dass sie den Dicken der Stempel 83 entsprechen. Natürlich kann der Beutel 95 auch ohne die Abstandshalter 93 an den angemessen groß ausgebildeten Rahmen 81 geschweißt werden, falls dies erwünscht ist.
Die Größe der Vorrichtung 80 hängt von der Anzahl und den ursprünglichen bzw. endgültigen Dicken des herzustellenden Verbundwerkstoffs 33 ab. Es wird die gesamte ursprüngliche Stapeldicke und endgültige Stapeldicke inklusive der Stempel und jeglicher Abstandshalter mit einberechnet. Die Dicke des Rahmens wird so gewählt, dass zwischen dem Rahmen und dem Stempel eine minimale Überschneidung besteht.
Die Anforderungen an den Rahmen, den Stempel, den Beutel und die Evakuierungsrohre sind dieselben wie oben dargestellt, mit der Ausnahme, dass der Beutel nicht die oben genannte Geschmeidigkeit benötigt.
Gemäß dieser Ausführungsform wird während des Ausgasens durch den Rahmen, der den Verbundwerkstoff 33 umgibt, und die Stempel, die für eine Belastung auf der Oberseite und/oder Unterseite sorgen, verhindert, dass sich der Verbundwerkstoff 33 während des Ausgasens bewegt. Der Rahmen 81 verhindert eine Bewegung durch sein den Verbundwerkstoff umgebendes, physikalisches Vorhandensein wobei dies vom Stempel aufgrund des über den einhüllenden Beutel 85 auf ihn wirkenden Luftdrucks erreicht wird.
Nach dem Ausgasen werden die Evakuierungsrohre 87 quetschverbunden und versiegelt, um das Vakuum im Inneren des Werkzeugs aufrechterhalten.
Bezugnehmend auf 9 wird eine Abänderung der vierten Ausführungsform im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 110 bezeichnet. In dieser Ausführungsform kann eine Klemmkraft auf die Stempel 83 ausgeübt werden, wobei die Klemmkraft unabhängig von der indizierten Kraft des Luftdrucks eingestellt werden kann. Genauer gesagt werden gebogene Metallbleche 111, üblicherweise 0,030 Inch (0,0768 cm) dick, zwischen den Stempeln 83 und den äußeren Beuteln 85 positioniert. Die gebogenen Metallbleche 111 werden so angeordnet, dass sie eine konstante Federkraft auf die Stempel ausüben, einen direkten Kontakt zwischen den äußeren Beuteln und den Stempeln jedoch verhindern. In dieser Ausführungsform kann das Volumen 91 wie in der in 7a dargestellten Ausführungsform bei gleichzeitigem Anlegen einer mechanischen Kraft auf die Stempel 83 durch die gebogenen Metallbleche 92 evakuiert werden. Es sollte klar sein, dass die Dicke des Biechmaterials geändert werden kann, um auf wohlbekannte Weise die angelegte Federkraft zu verändern.
Folglich wurde die Erfindung in Form von bevorzugten Ausführungsformen offenbart, die jede einzelne die Aufgaben der vorliegenden Erfindung, wie sie zuvor stehend festgelegt wurden, erfüllen und eine neue und verbesserte Vakuumwerkzeugvorrichtung zum Ausgasen und Verfestigen von Verbundwerkstoffen schaffen.
Natürlich können durch den Fachmann verschiedene Änderungen, Modifikationen und Abweichungen von der Lehre der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden, ohne vom gewollten Gedanken und Umfang derselben abzuweichen. Dementsprechend soll die vorliegende Erfindung nur durch die beiliegenden Ansprüche beschränkt sein.

Claims

Vakuumswerkzeugvorrichtung (80, 110) für einen Verbundwerkstoff (33) mit a) einen Rahmen (81) mit einer derartigen Größe, dass er den Verbundwerkstoff am Umfang umgibt, b) einem Paar Stempel (83) mit einer derartigen Größe, dass sie mit der oberen und der unteren Oberfläche des Verbundwerkstoffs in Kontakt stehen, c) einhüllenden Schichten (85), die an dem Rahmen angebracht sind, wobei die einhüllenden Schichten und der Rahmen einen Hohlraum (91) bilden, der die Stempel und den Verbundwerkstoff beinhaltet, d) mindestens einer Evakuierungsöffnung (87), die mit dem Hohlraum für dessen Evakuierung in Verbindung steht, wobei auf die einhüllenden Schichten und die Masse der Stempel einwirkender Luftdruck den Verbundwerkstoff während des Evakuierens an seiner Stelle hält, und e) einer Einrichtung (111) zum Ausüben einer Kraft auf mindestens einen der Stempel, die unabhängig von der Kraft des Luftdrucks einstellbar ist, wobei die Einrichtung, die die Kraft ausübt, innerhalb des Hohlraums und zwischen einer der einhüllenden Schichten und einem der Stempel in dessen Nähe angeordnet ist.
Werkzeugsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens einer Evakuierungsöffnung ein Rohr ist, das mit einem in dem Rahmen befindlichen Durchgang (89) verbunden ist, der mit dem Hohlraum (91) in Verbindung steht.
Werkzeugsvorrichtung (80, 110) nach Anspruch 1, die ferner mindestens einen Abstandshalter (93) aufweist, der zwischen dem Rahmen und einer entsprechenden einhüllenden Schichten (85) angeordnet ist, wobei der Abstandshalter, der Rahmen (81) und die einhüllenden Schichten im Hohlraum (91) bilden.
Werkzeugvorrichtung (80, 110) nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (111), die die Kraft ausübt, eine Feder ist.
Werkzeugvorrichtung (80, 110) nach Anspruch 4, wobei die Feder eine gebogene Blattfeder aus Metall ist.
Werkzeugvorrichtung (80, 110) nach Anspruch 1, die ein Paar der Einrichtungen (111), die die Kraft ausüben, aufweist, wobei jede dieser Einrichtungen, die die Kraft ausüben, gegen einen jeweiligen Stempel (83) positioniert ist.