DE69735861T2

DE69735861T2 - Gerät zur Herstellung von Verbundkörpern

Info

Publication number: DE69735861T2
Application number: DE69735861T
Authority: DE
Inventors: Lisa B. Bridgeport Hanusiak; Jeffrey M. Chelmsford Parnell; Steven R. Derry Spear; William M. Bridgeport Hanusiak; Charles R. Wheeling Rowe
Original assignee: Atlantic Research Corp
Current assignee: Atlantic Research Corp
Priority date: 1996-11-22
Filing date: 1997-11-14
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2017-11-15
Also published as: EP0849020A3; EP1386679A1; ES2239296T3; ES2264754T3; US6077066A; CN1187419A; DE69735862D1; DE69732869D1; ES2261872T3; CN1077037C; EP1386678B1; DE69732869T2; KR19980042640A; EP0849020B1; JP2008179152A; US6217310B1; KR100263459B1; EP1386680B1; DE69735862T2; EP1386679B1

Description

Gebiet die Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugvorrichtung zur Verbundherstellung und insbesondere ein Werkzeug, welches das herzustellende Verbundmaterial einkapselt und während der Schritte des Herstellungsverfahrens, wie z.B. des Entgasens und Verfestigens, an Ort und Stelle hält.
Hintergrund der Erfindung
Es ist nach dem Stand der Technik bekannt, Verbundmaterialien, die Faserschichten und eine Matrix umfassen, miteinander zu verfestigen, indem zunächst ein Entgasen des Verbundmaterials und anschließend eine Verfestigung erfolgt. Diese Art von Verbundmaterial ist in 1 gezeigt, wobei das Verbundmaterial mit dem Bezugszeichen 10 angegeben ist. Das Verbundmaterial 10 umfasst mehrere geschichtete Fasern 1, die von einer Matrix 3 umgeben sind.
Typischerweise werden die Fasern 1 und die Matrix 3 durch ein Klebemittel 5 zusammengehalten, was typischerweise als Rohmaterial ("green form"), das in 2 durch das Bezugszeichen 20 angegeben ist, bezeichnet wird. Die Klebemittel 5 sind üblicherweise organische Materialien, die in einem Lösungsmittel gelöst sind. Das Rohmaterial 20 wird in einem Werkzeug angeordnet und einem Vakuum ausgesetzt, um alle Feuchtigkeit in dem Rohmaterial 20 sowie das organische Material des Klebemittels 5 zu entfernen. Bei dem Entgasungsvorgang verflüchtigen sich das Wasser und die Klebemittel infolge des Erhitzens des Rohmaterials auf die entsprechende Verflüchtigungstemperatur.
Die US-A-5 236 646 offenbart eine Vakuum-Werkzeugvorrichtung zur Herstellung von Verbundmaterialien.
Eines der Probleme bei dem Werkzeug nach dem Stand der Technik betrifft in diesem Zusammenhang die nicht vorhandene Möglichkeit, das verflüchtigte Wasser und die Klebemittel zu entfernen, während das Verbundmaterial an Ort und Stelle gehalten wird, so dass es anschließend verfestigt werden kann. Bei der Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist das Verbundmaterial einer Verschiebung unterworfen, durch welche die Orientierung und der Abstand der Verstärkungsmaterialien darin, wie z.B. der Fasern 1 in dem Verbundmaterial 10 in 1 verändert werden. Durch diese Veränderung besitzt das verfestigte Verbundmaterial weniger als die gewünschten Produkteigenschaften.
Folglich besteht ein Bedürfnis nach einer verbesserten Werkzeugvorrichtung, bei der nicht nur das verflüchtigte Wasser und die Klebemittel entfernt werden können, sondern auch das Rohmaterial während des Entgasens und der Verfestigung an Ort und Stelle gehalten werden kann.
In Antwort auf dieses Bedürfnis schafft die vorliegende Erfindung eine Werkzeugvorrichtung, welche die Nachteile der zuvor beschriebenen Vorrichtung nach dem Stand der Technik beseitigt. D.h., dass gemäß der Erfindung die Werkzeugvorrichtung Merkmale umfasst, die nicht nur eine Entgasung ermöglichen, sondern auch das Verbundmaterial an Ort und Stelle halten, so dass das Verbundmaterial sowohl einer Entgasung als auch einer Verfestigung unterzogen werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Werkzeugvorrichtung zur Herstellung von geschichteten Materialien oder Verbundmaterialien zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Werkzeugvorrichtung zu schaffen, die das zu entgasende und zu verfestigende Verbundmaterial unter Verwendung von Mitteln zur Druckbeaufschlagung des Verbundmaterials während des Entgasens und des Verfestigens einkapselt.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Werkzeugvorrichtung zu schaffen, die das Entleeren eines Hohlraums der Werkzeugvorrichtung zur Entgasung erleichtert.
Es ist weiterhin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die atmosphärischen Druck als Druckmittel im Zusammenhang mit der Entleerung nutzt, um ein Verbundmaterial, das entgast und anschließend verfestigt werden soll, zu halten oder zu fixieren.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus deren Beschreibung.
Um die zuvor genannten Aufgaben und Vorteile zu erfüllen, schafft die vorliegende Erfindung in ihrem weitesten Sinn eine Vakuum-Werkzeugvorrichtung gemäß dem Anspruch 1, die einen flexiblen Beutel verwendet, wobei der flexible Beutel aus einem metallischen Material mit einem geringen Interstitialgasgehalt besteht. Der Beutel bildet einen Hohlraum, der so bemessen ist, dass er ein ein organisches Material enthaltendes Verbundmaterial aufnehmen kann, welches der Entgasung und Verfestigung unterzogen werden soll. Der Beutel hat eine Dicke und eine Flexibilität, die es dem atmosphärischen Druck ermöglichen, das Verbundmaterial an Ort und Stelle zu halten, wenn der Hohlraum einem Vakuum ausgesetzt wird. Die Werkzeugvorrichtung umfasst darüber hinaus wenigstens einen Entleerungsanschluss in dem Beutel, um eine Entleerung des Hohlraums zu ermöglichen. Der Beutel ist entlang seines Umfangs mit Ausnahme eines oder mehrerer Entleerungsanschlüsse abgedichtet.
Der Entleerungsanschluss umfasst eine Rohrleitung, die an dem flexiblen Beutel befestigt ist.
Der Entleerungsanschluss kann eine Öffnung in dem Beutel umfassen, wobei die Öffnung ein Mittel zum Verbinden der Öffnung mit einer Vakuumquelle umfasst. Bei dieser Ausführungsform ist darüber hinaus ein Schnellverbinder vorgesehen, der das Verbinden des Innenraums des Beutels mit der Vakuumquelle erleichtert.
Der Hohlraum, der das Verbundmaterial zur Entleerung aufnimmt, wird von einem Rahmen, Plungerkolben, einem Einkapselungsbeutel und einem oder mehreren Entleerungsanschlüssen gebildet. Der Rahmen umgibt das zu entgasende und zu verfestigende Verbundmaterial. Die Plungerkolben üben eine Lastkraft/Haltekraft auf die obere Seite und auf die untere Seite des Verbundsmaterials aus. Der Einkapselungsbeutel bildet zusammen mit dem Rahmen den Hohlraum, der das Verbundmaterial sowie die Plungerkolben zur Entleerung umgibt. Die Entleerungsanschlüsse können als Teil des Rahmens gebildet sein, um den Hohlraum zu entleeren. Der Rahmen kann darüber hinaus einen oder mehrere Abstandshalter umfassen, die üblicherweise in Form eines Bilderrahmens vorgesehen sind, durch welche eine Einstellung der Dicke derart erfolgen kann, dass die Werkzeugvorrichtung die Dicke des Plungerkolbens sowie die Dicke des Rohmaterials und des endgültigen Verbundmaterials, das hergestellt wird, aufnehmen kann.
Die zuvor beschriebene Werkzeugvorrichtung wird zusammen mit einem weiteren Einkapselungsbeutel verwendet. Bei dieser Ausführungsform wird einer der Plungerkolben in einem Einkapselungsbeutel angeordnet, der anschließend über Entleerungsanschlüsse mit der Vakuumquelle verbunden wird. Der Hohlraum, der entleert wird, wird unter Druck gesetzt, wobei der Druck in diesem Hohlraum mit dem in den entleerten Einkapselungsbeutel eingeschlossenen Plungerkolben zusammenarbeitet, um das Verbundmaterial während des Entgasens und des Verfestigens an Ort und Stelle zu halten.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird auf die Zeichnungen der Erfindung Bezug genommen, in denen:
1 eine Ansicht im Schnitt eines Verbundmaterials ist, das bei der erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung verwendet werden kann;
2 eine Ansicht im Schnitt einer „green form" des Verbundmaterials in 1 ist; und
8 eine Ansicht im Schnitt einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die erfindungsgemäße Werkzeugvorrichtung schafft in ihrem weitesten Sinn eine Möglichkeit, um ein Verbundmaterial während des Entgasens und des anschließenden Verfestigens an Ort und Stelle zu halten. Ein Vakuum wird in einem Raum erzeugt, der das Verbundmaterial umgibt, so dass ein atmosphärischer Druck, ein aufgebrachter Gasdruck, eine mechanische Last oder eine Kombination aus diesen, der bzw. die auf das Verbundmaterial aufgebracht wird, dieses an Ort und Stelle hält. Durch den Druck der Atmosphäre, den aufgebrachten Gasdruck oder die mechanische Last wird das Verbundmaterial während des Entgasens und des anschließenden Verfestigens an Ort und Stelle gehalten. Folglich wird jede Bewegung von genau ausgerichteten Komponenten des Verbundmaterials während des Entgasens sowie des Verfestigens vermieden, so dass ein qualitativ hochwertiges Verbundmaterial entsteht.
Man beachte, dass das Verbundmaterial, das mit der erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung verwendet werden kann, jedes bekannte Verbundmaterial sein kann, das einem Entgasen und Verfestigen unterzogen wird. Typischerweise umfassen diese Verbundmaterialien ein Verstärkungsmaterial, das entweder eine Faser, ein Whisker, ein Pulver oder dergl. sein kann. Die Verstärkungsmaterialien können Karbon, Siliziumcarbit, Bor, Aluminiumoxid, Graphit, Siliziumnitrit umfassen. Üblicherweise werden die Verstärkungsmaterialien mit einer Matrix kombiniert, die metallisch oder nicht metallisch sein kann. Typische Beispiele für Matrixmaterialien sind Aluminiumoxid, Magnesium, Titanlegierungen oder dergl.. Man beachte, dass sich die Werkzeugvorrichtung der Erfindung nicht auf irgendein spezielles Verbundmaterial beschränkt.
Die Techniken, die zur Entgasung oder Verfestigung des in der erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung angeordneten Verbundmaterials angewendet werden, sind ebenfalls nach dem Stand der Technik bekannt und erfordern daher keine weitere Beschreibung zum Zwecke des Verständnisses der Erfindung. Jedes herkömmliche Verfahren zur Entgasung und/oder zur Verfestigung kann bei der erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung verwendet werden.
Bei der vorliegenden Anmeldung hat ein "Material mit geringem Interstitialgasgehalt" weniger als insgesamt 2.000 ppm eines darin enthaltenen reaktiven Gases. Typischerweise umfassen diese reaktiven Gase Sauerstoff, Stickstoff, kohlenstoffenthaltende Gase und Wasserstoff oder wasserstoffenthaltende Gase. Das Material der erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung sollte ein Material mit einem niedrigen Interstitialgasgehalt sein, so dass, wenn das Material einem Vakuum ausgesetzt wird, das Verbundmaterial nicht durch irgendeinen in dem Beutel oder dem Rohrmaterial enthaltenen Gas nachteilig beeinflusst wird.
Typischerweise haben die Einkapselungsbeutel eine Dicke von 0,002 bis 0,060, vorzugsweise von 0,005 bis 0,03 Zoll. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Einkapselungsbeutel um seinen Rand herum, mit Ausnahme der Stelle, an der das Entleerungsrohr befestigt ist, vakuumverschweisst. Vor dem Verschweißen des Entleerungsrohres an dem Beutel wird das Rohr an einem Ende davon abgeflacht, so dass der Abschnitt des Rohres, der sich in dem Beutel befindet, den Beutel während der anschließenden Bearbeitung nicht zerreißt.
Vorzugsweise weist der Einkapselungsbeutel die folgenden Eigenschaften auf:

1. Ausreichende Verformbarkeit bei Raumtemperatur, um ihn um den herzustellenden Gegenstand anordnen zu können;
2. verfügbar mit einem niedrigen Interstitialgasgehalt;
3. verschweißbar mit sich selbst und mit dem Entgasungsrohrmaterial;
4. verunreinigt nicht das Material des Produkts oder verbindet sich nicht mit diesem;
5. verfügbar in einem geeigneten Dickenbereich (von 0,002 bis 0,060 Zoll); und
6. kann der Herstellungstemperatur des Produkts ohne ein Zerreißen oder eine Rissbildung standhalten.

Die Anforderungen an das Entleerungsrohrmaterial sind wie folgt:

1. Ausreichende Verformbarkeit bei Raumtemperatur, um es ohne eine Rissbildung abzuflachen;
2. verfügbar mit einem niedrigen Interstitialgasgehalt;
3. verschweißbar mit sich selbst und dem Beutelmaterial;
4. mechanisch bearbeitbar, wie z.B. Warm- und Kaltpressen, um eine Diffusionsverbindung mit sich selbst zu bilden; und
5. in der Lage, den Herstellungstemperaturen des Produkts ohne ein Zerreißen oder eine Rissbildung standzuhalten.

Typischerweise wird das Entleerungsrohr an einem Teil des Beutelmaterials verschweißt, woraufhin das Verbundmaterial an diesem Teil zentriert wird. Der zweite Teil des Beutelmaterials wird anschließend mit dem ersten Teil und dem Entleerungsrohr verschweißt. Der Entleerungsbeutel muss, wenn er verschweißt ist, heliumdicht sein, damit das Werkzeug präzise funktioniert.
Wenn der Einkapselungsbeutel und das Entleerungsrohr heliumdicht gebildet sind, wobei der Entleerungsbeutel einen Hohlraum für das Verbundmaterial bildet, wird das Verbundmaterial einer Entgasung unterzogen, um irgendwelche Klebemittel, Feuchtigkeit oder dergl. aus diesem zu entfernen. Wenn der Einkapselungsbeutel entleert wird, bewirkt der atmosphärische Druck auf den Einkapselungsbeutel, dass sich der Beutel um das Verbundmaterial legt, wodurch dieses an Ort und Stelle fixiert wird. Folglich wird das Verbundmaterial festgehalten, so dass eine Verschiebung dessen Komponenten während des Entgasungsschrittes nicht möglich ist.
Obwohl das Verschweißen als ein Mittel zur Bildung des Hohlraums für das Verbundmaterial offenbart ist, können sämtliche bekannte Mittel verwendet werden, um den dichten Hohlraum zur Aufnahme des Verbundmaterials zu bilden.
In Bezug auf 8 ist die Ausführungsform der Erfindung allgemein mit dem Bezugszeichen 100 angegeben. Bei dieser Vorrichtung befindet sich das Verbundmaterial 33 wieder zwischen dem Rahmen 81' und den Plungerkolben 83. Bei dieser Ausführungsform ist ein zweiter Einkapselungsbeutel 95 an dem Rahmen 81' angeordnet, um den Plungerkolben 83 zu umgeben. Der Rahmen 81' weist einen Durchgang 89' auf, der den Hohlraum, der von dem Einkapselungsbeutel 95 gebildet wird, mit dem Vakuumrohr 87 verbindet.
Der äußere Beutel 85 ist über den inneren Beutel 95 verschweißt und hat Anschlüsse 97, die entweder ein Entleeren oder ein unter Druck setzen des Volumens 99 zwischen den Beuteln 85 und 95 ermöglichen.
Der innere Beutel 95 muss darüber hinaus die zuvor angegebenen Erfordernisse des Beutelmaterials erfüllen. Der äußere Beutel sollte die Erfordernisse des zuvor spezifizierten Beutels erfüllen, wobei sowohl der innere als auch der äußere Beutel heliumdicht sind. Bei dieser Ausführungsform sollte zwischen dem inneren und dem äußeren Beutel ein Abstand vorhanden sein, da das Volumen 99 auf den atmosphärischen Druck durch das innere Gas während des Entgasens unter Druck gesetzt wird. Durch dieses unter Druck setzen wird das Festhalten des Verbundmaterials 33 an Ort und Stelle während des Entgasens mit dem Plungerkolben 83 und das Entleeren des Beutels 95 unterstützt.
Es wurde eine Erfindung anhand derer bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, die jede und alle der zuvor angegeben Aufgaben der vorliegenden Erfindung erfüllen und eine neuartige und verbesserte Vakuum-Werkzeugvorrichtung zur Entgasung und Verfestigung von Verbundmaterialien schaffen.
Selbstverständlich können verschiedene Veränderungen, Modifizierungen und Abwandlungen der Lehren der vorliegenden Erfindung von dem Fachmann auf diesem Gebiet durchgeführt werden, ohne deren Schutzumfang zu verlassen. Dementsprechend wird die vorliegende Erfindung nur durch den Wortlaut der beigefügten Ansprüche festgelegt.

Claims

Vakuum-Werkzeugvorrichtung (100) für ein Verbundmaterial (33), umfassend: a) einen Rahmen (81'), der so bemessen ist, dass er das Verbundmaterial in Umfangsrichtung umgibt, b) ein Paar von Plungerkolben (83), die so bemessen sind, dass sie die obere und untere Oberfläche des Verbundmaterials berühren, c) einen flexiblen Einkapselungsbeutel (95) mit einem Hohlraum, wobei einer der Plungerkolben in dem Hohlraum angeordnet ist, wobei der andere der Plungerkolben einen Teil des Rahmens bildet, d) Einkapselungsbleche (85), die am Rahmen befestigt sind, wobei die Einkapselungsbleche und der Rahmen einen weiteren Hohlraum, der die Plungerkolben, den Einkapselungsbeutel und das Verbundmaterial enthält, bilden, e) einen ersten Entleerungsanschluss (87), der mit dem Hohlraum über einen Durchgang in dem Rahmen in Verbindung steht, f) einen zweiten Anschluss (97) in Verbindung mit dem anderen Hohlraum, und g) wobei der Hohlraum entleert werden kann und der andere Hohlraum unter Druck gesetzt werden kann, damit der Einkapselungsbeutel den einen Plungerkolben direkt berühren und Druck auf diesen aufbringen kann, um das Verbundmaterial während einem Vakuumentgasen desselben an Ort und Stelle zu halten.
Werkzeugvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der erste Entleerungsanschluss (87) eine Rohrleitung ist, die mit einem Durchgang (89') in dem Rahmen, der mit dem Hohlraum in Verbindung steht, verbunden ist.
Werkzeugvorrichtung (100) nach Anspruch 1, ferner umfassend zumindest einen Abstandshalter (93), der zwischen dem Rahmen (81') und einem entsprechenden Einkapselungsblech (85) angeordnet ist, wobei der Abstandshalter, der Rahmen und die Einkapselungsbleche den weiteren Hohlraum bilden.