DE69815734T2

DE69815734T2 - Verfahren zur Herstellung von hohlen Präzisionskörpern aus Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE69815734T2
Application number: DE69815734T
Authority: DE
Inventors: Jean-Louis Robert Marcel Castanie; Eric Celerier; Alain François Goncalves
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1997-03-06
Filing date: 1998-03-05
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2018-03-06
Also published as: EP0865892A1; CA2232097A1; ES2202765T3; FR2760398A1; JP3798143B2; FR2760398B1; US6290889B1; CA2232097C; JPH10291258A; EP0865892B1; DE69815734D1

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von hohlen Werkstücken aus geschichtetem Verbundwerkstoff mit in eine Matrix aus polymerisiertem organischem Harz eingebetteten Verstärkungsfasern. Sie bezieht sich insbesondere auf Verfahren zur Herstellung von Werkstücken, die gute Eigenschaften bezüglich Festigkeit, Genauigkeit und Temperaturverhalten aufweisen.
Die geschichteten Verbundwerkstoffe mit in eine Matrix aus polymerisiertem Harz eingebetteten Verstärkungsfasern werden wegen ihres hervorragenden Festigkeit/Masse-Verhältnisses insbesondere in der Luftfahrttechnik geschätzt, und man ist bestrebt, Metalllegierungen, wenn möglich durch sie zu ersetzen, insbesondere im Fall von Werkstücken, die aus dünnen Wänden zusammengesetzt sind und die herkömmlicherweise durch Gießen oder Tiefziehen hergestellt werden.
So versucht man, Teile von Turbomaschinen, insbesondere von Flugzeug-Turbomotoren, z. B. Gehäusearme von Niederdruckverdichtern oder hohle Schaufeln von Niederdruckverdichtern, herzustellen, die aus dünnen Wänden zusammengesetzt sind, die mit Öffnungen versehene, d. h. nicht vollständig geschlossenen Hohlräume, bilden und umschließen. Diese Werkstücke müssen aus einem Stück bestehen, um Verbindungszonen zu vermeiden, die die Ursache von Schwachstellen sein können. Diese Werkstücke müssen außerdem präzise sein und eine gute Oberflächenbeschaffenheit haben, um Nachbearbeitungen zu vermeiden. Diese Werkstücke müssen erhöhten Temperaturen widerstehen können, und ihr Herstellungspreis muß mit dem gleichwertiger Werkstücke aus Metall vergleichbar oder niedriger sein.
Man kennt das Verfahren "resin transfert molding" oder RTM, das darin besteht, in einer Gießform mit der Form des fertigen Werkstücks Verstärkungsfasern anzuordnen, sehr flüssiges Harz unter Druck in die Gießform einzuspritzen und das unter Druck gehaltene Harz zu polymerisieren. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung von präzisen und widerstandsfähigen Werkstücken mit sehr verschiedenartigen Formen. Die benutzten Harze haben jedoch keine gute Temperaturbeständigkeit, so daß die Benutzung des Verfahrens auf Werkstücke beschränkt ist, die kalt bleiben müssen.
Die Harze, die höhere Temperaturbeständigkeit besitzen, haben kein ausreichendes Fließvermögen vor der Polymerisation. Aus diesem Grund muß man bei der Herstellung von geschichteten hohlen Werkstücken mit diesen Harzen:

– Gewebe- oder Faserschichten mit dem Harz vorimprägnieren,
– einen Kern herstellen, der ggf. zerstört werden kann,
– den Kern mit einer aufblasbaren Elastomer-Blase umschließen,
– die Gesamtanordnung aus Kern + Blase mit den vorimprägnierten Gewebe- oder Faserschichten umhüllen, d. h. die Schichten um diese Gesamtanordnung herum anordnen und so den Verbundwerkstoff bilden,
– die Gesamtanordnung aus Kern + Blase + Verbundmaterial in einer Gießform anordnen, die die äußere Form des fertigen Werkstücks hat,
– die Blase aufblasen,
– das Harz polymerisieren,
– die Blase entlüften und entformen,
– den Kern herausziehen oder zerstören,
– die Blase herausziehen.

Bei diesem Verfahren ermöglicht das Aufblasen der Blase gleichzeitig:

– das Verbundmaterial gegen die Wand der Gießform anzudrücken,
– das Verbundmaterial zu komprimieren und fließen zu lassen, um die Porositäten zu verringern, die aus zwischen den Faserschichten eingefangenen Luftblasen und von gasförmigen Ausströmungen des Harzes während der Polymerisation stammen, das überschüssige Harz herauszutreiben und so die Faserdichte zu erhöhen. Üblicherweise wird eine Kompression vorgenommen, die 20% der Wanddicke entspricht.

Man erkennt, daß bei einem solchen Verfahren nur diejenige Oberfläche des Werkstücks genau ist, die mit der Wand der Gießform in Kontakt steht. Die Oberfläche, die mit der Blase in Kontakt steht, ist hingegen unregelmäßig und rauh und folgt den unvermeidlichen Heterogenitäten der Drapierung der Verstärkungsfasern. Man könnte umgekehrt daran denken, das Verbundmaterial auf dem Kern zu komprimieren, diese Lösung würde jedoch ein inakzeptables Knicken der Verstärkungsfasern hervorrufen, wodurch die Festigkeit des Werkstücks herabgesetzt würde.
Ein erstes Problem besteht infolgedessen darin, ausgehend von vorimprägnierten Fasern oder Geweben, hohle Werkstücke mit variabler Form herzustellen, deren innere und äußere Oberflächen genau und glatt sind, ohne daß die Verstärkungsfasern geknickt werden.
Die Polymerisation des Harzes wird von einer Abgabe an gasförmigen Bestandteilen und von einer Volumenverringerung des Harzes begleitet. Beide Erscheinungen führen dazu, den hergestellten Verbundwerkstoff porös zu machen. Diese Porosität kann reduziert, jedoch nicht beseitigt werden, indem man Mittel zum Evakuieren der Gase vorsieht und den Verbundwerkstoff während der Polymerisation, wenn das Harz noch nicht ausgehärtet ist, komprimiert, wobei diese Kompression vorzugsweise ein erhebliches Verformen oder Fließen des Verbundwerkstoffs bewirken soll. Die Restporosität setzt die Festigkeit des fertigen Werkstücks herab. Ein zweites Problem besteht darin, die Porosität des Verbundwerkstoffs allgemein zu verringern und insbesondere zu diesem Zweck das Fließen des Verbundwerkstoffs während der Polymerisation zu verstärken.
Wenn die Hohlräume über zu kleine Öffnungen nach außen münden, was oft der Fall ist, können die Kerne nur entfernt werden, indem das Material zerstört wird, aus dem sie bestehen. Zu diesem Zweck sind Werkstoffe im Handel, die in die gewünschte Form gegossen werden können und anschließend, nachdem das Werkstück gegossen wurde, in Wasser oder mit einem Lösungsmittel gelöst werden können. Derartige Kerne sind jedoch für den vorliegenden Fall nicht zweckmäßig, weil die Herstellung von präzisen Innenflächen eine zentripetale Kompression des Verbundwerkstoffs auf dem Kern erfordern würde, wobei die oben beschriebenen Nachteile auftreten. Ein drittes Problem besteht infolgedessen darin, die Kerne nach dem Gießen des Werkstücks zu entfernen.
Ein Hindernis für die Verwendung solcher Verbundmaterialien sind die im Vergleich zu gleichwertigen Werkstücken aus Metalllegierungen höheren Herstellkosten. Diese höheren Kosten entstehen insbesondere durch die zahlreichen Handgriffe, die bei der Fabrikation erforderlich sind. Es ist deshalb wünschenswert, die Komplexität des Herstellungsverfahrens nicht zu vergrößern.
Durch das Patent FR 2 562 834 ist ein Gießverfahren für hohle Werkstücke aus einem polymerisierten Faser-Harz-Verbundwerkstoff bekannt, das eine äußere Gießform und einen Kern aus einem Silikon-Elastomer benutzt, wobei dieses Material einen sehr großen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Bei einem derartigen Verfahren komprimiert der Kern während des Heißpolymerisationszyklus den Verbundwerkstoff unter der Einwirkung der Wärmeausdehnung des Silikon-Elastomers gegen die Wand der Gießform. Ein solches Verfahren ermöglicht die Erzielung genauer innerer und äußerer Oberflächen, wobei das so hergestellte Verbundmaterial jedoch eine nicht vernachlässigbare Porosität besitzt. Aus diesem Grund und zur Erzielung von homogenen und glatten Oberflächen schlägt das Patent auf Seite 8, Zeilen 1 bis 5 außerdem die Verwendung eines Anstrichs oder eines Gel-Überzugs vor.
Durch das Patent GB 2 154 286 ist auch ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt zur Herstellung von hohlen Schaufeln aus Verbundwerkstoff, der aus in einer Ma trix aus polymisierbarem Harz eingebetteten Verstärkungsfasern besteht. Dieses Verfahren benutzt insbesondere Kerne aus Süikonkautschuk und eine zweiteilige Gießform, deren Innenwände während der Polymerisation einander angenähert werden können, um das Harz zu komprimieren. Das Entfernen der Kerne erfolgt einfach dadurch, daß man sie zu einer Öffnung an einem Ende der Schaufel drückt, wobei das Werkstück mit einer ausreichend großen Öffnung konzipiert ist, so daß die Kerne dort hindurchtreten können. Dieses Patent ermöglicht also kein einfaches Herausziehen der Kerne, wenn die Öffnungen des Werkstücks klein sind.
Durch das Patent US 4 388 263 ist auch ein Verfahren bekannt zum Gießen von hohlen Werkstücken aus einem Verbundwerkstoff, der aus in einer Matrix aus polymerisierbarem Harz eingebetteten Fasern besteht, wobei dieses Verfahren wärmeausdehnbare Kautschukblöcke benutzt, um das Komprimieren und das Entgasen von Verstärkungsrippen im Innern des Werkstücks herbeizuführen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 1.
Man erkennt, daß die Oberflächen des Werkstücks, die mit den Wänden der Gießform in Kontakt stehen, genau sind, wobei die Gießform per Definition starr ist, da die Wände der Gießform am Ende ihrer Annäherung präzise positioniert sind. Mit diesem Verfahren läßt sich eine typische Genauigkeit von 0,05 mm erreichen. Dieselben Oberflächen sind sehr glatt, und die Porosität des Materials selbst ist sehr gering, da die Wände der Gießform unter diesen Bedingungen ihren eigenen Oberflächenzustand auf das Werkstück reproduzieren.
Man erkennt, daß das gleiche für die Oberflächen der Werkstücke gilt, die mit den Kernen in Kontakt stehen. Da das Silikon-Elastomer, das die Kerne bildet, per Definition weich ist, ist die Genauigkeit dieser Oberflächen zwar geringer. Sie bleibt jedoch gut, da der Verbundwerkstoff sich gegen die Wände der Gießform abstützt.
Man erkennt außerdem, daß eine Expansion der Kerne durch Wärmeausdehnung des Silikon-Elastomers, aus denen sie bestehen, notwendig ist, um die Verstärkungsfasern wieder zu spannen, die andernfalls unter der Wirkung der zentripetalen Kompression, die durch das Annähern der Wände der Gießform erzeugt wird, geknickt würden.
Man erkennt schließlich, daß diese doppelte Wirkung, nämlich gleichzeitig zentripetal durch die Annäherung der Wände der Gießform und zentrifugal durch die Expansion der Kerne, ein starkes Fließen des Verbundwerkstoffs hervorruft, durch das die Porosität des Verbundwerkstoffs herabgesetzt wird.
Man kann erkennen, daß bei dem Verfahren gemäß der Erfindung die Kompression nicht mehr an eine Expansion durch Wärmeausdehnung der Kerne aus Silikon-Elastomer gebunden ist, wie bei dem Patent FR 2 562 834, da die Wärmeausdehnung der Kerne kein Komprimieren des Verbundwerkstoffs gegen die Wände der Gießform bewirkt, sondern daß diese Wände aufgrund der Tatsache, daß der vorspringende Teil der Gießform in den rückspringenden Teil gleitet, zurückgedrückt werden. Um diese Kompression zu erreichen, muß man z. B. mit Hilfe einer Presse eine äußere Kraft auf die Gießform ausüben oder den Druck des Autoklaven erhöhen.
Da das Harz während seiner Polymerisation eine Ausgasungsphase und eine Härtungsphase durchläuft, die durch eine Phase getrennt sind, in der das Harz noch flüssig, also komprimierbar ist, wird die Kompression vorzugsweise zwischen der Ausgasungsphase und der Härtungsphase durchgeführt. Eine solche Anordnung bewirkt, daß eine größere Menge an Harz im Innern der Gießform gehalten wird, und hat zur Folge, daß die Porosität des so gewonnenen Verbundwerkstoffs reduziert wird. Das Harz verbleibt nämlich in der Gießform, da es am Beginn des Polymerisationszyklus und insbesondere während der Ausgasung nicht mehr komprimiert wird. Da die Kompression mit einer größeren Harzmenge in der Gießform durchgeführt wird, werden die im Innern der Gießform stagnierenden Gase leicht ausgetrieben. Diese beiden Faktoren wirken zusammen, um die Porosität des gewonnenen Verbundwerkstoffs zu reduzieren.
Die Temperatur beim Übergang des Harzes aus dem plastischen Zustand in den festen Zustand sei mit T1 bezeichnet. Der einschlägige Fachmann wird dem Kern bei dieser Temperatur T1 oder einer etwas niedrigeren Temperatur als T1 die Form und Abmessungen des zu erzeugenden Hohlraums geben, ggf. korrigiert um die Wärmeausdehnung des polymerisierten Verbundwerkstoffs, die sehr gering bleibt und in der Größenordnung von 1,10^–6/°C liegt. Dies hat zur Folge, daß die Hohlräume zu Beginn der Aushärtung des Harzes die geforderten Abmessungen haben. Die Abmessungen des Kerns im kalten Zustand werden dann berechnet, indem man auf die Abmessungen im warmen Zustand einen Koeffizienten anwendet, der der Wärmeausdehnung des Silikon-Elastomers zwischen der Temperatur T1 und der Umgebungstemperatur entspricht, wobei das Elastomer selbst üblicherweise durch Kaltpolymerisation gewonnen wird. Man erreicht so typischerweise eine Genauigkeit von 0,1 mm.
Die Härte des Elastomers ist nicht kritisch. Der einschlägige Fachmann kann sich damit begnügen, ein Elastomer mit ausreichender Härte, wenigstens gleich 30 Shore A, zu wählen, damit eventuelle Verformungen des Kerns mit der geforderten Genauigkeit des Werkstücks im Einklang stehen. Falls erforderlich, kann man die Härte eines Elastomers durch einen Zuschlag an Mikrokugeln, z. B. aus Glas, erhöhen.
Die Wahl eines Silikon-Elastomers mit einer Zersetzungstemperatur T2, die unter der Temperatur T3 für das vollständige Aushärten des Harzes durch Polymerisation liegt, bewirkt, daß der Silikon-Elastomer-Kern während des Gießvorgangs unter der Einwirkung der Temperatur zerfällt, auf die das Verbundmaterial im Verlauf der Polymerisation gebracht wird. Das den Kern bildende Material kann dann nach dem Gießvorgang durch einfaches Waschen mit Wasser, oder auch durch Schaben oder Bürsten, leicht aus dem Hohlraum entfernt werden, wodurch das zweite Problem gelöst wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wählt man ein Silikon-Elastomer, dessen Zersetzungstemperatur T2 zwischen T1 und T3 liegt. Dies hat zur Folge, daß die Kerne ihren festen Zustand solange beibehalten, wie die Hohlräume noch nicht die geforderten Abmessungen aufweisen, und daß die Kerne anschließend, wenn das Verbundmaterial selbst in den festen Zustand übergegangen ist, zerfallen, um nicht Gefahr zu laufen, daß in dem Werkstoff Risse entstehen.
Es ist auch vorteilhaft, die Kerne durch Stäbe aus einem widerstandsfähigeren Material, z. B. einer Metalllegierung, zu verstärken, um eine eventuelle Verformung der Kerne während des Umhüllens oder während des Gießvorgangs zu verhindern. Die Verstärkungsstäbe ragen vorzugsweise über den Kern hinaus und stützen sich in der Gießform ab, um die Genauigkeit der Positionierung der Kerne in der Gießform und damit die Genauigkeit der Positionierung der Hohlräume des Werkstücks zu gewährleisten.
Zum besseren Verständnis der Erfindung und zur deutlicheren Herausstellung der mit ihr verbundenen Vorteile, wird im folgenden anhand der anliegenden Figuren ein detailliertes Ausführungsbeispiel beschrieben.
1 zeigt in einem Transversalschnitt einen Gehäusearm des Niederdruckverdichters eines Flugzeug-Turbomotors während des Gießvorgangs. wobei sind die Dicken des Arms und der Faserschichten zur besseren Verdeutlichung vergrößert dargestellt,
2 zeigt in einem Längsteilschnitt nach der Linie AA den Endbereich des Gehäusearms während des Gießvorgangs.
Zunächst sei auf 1 Bezug genommen. Das Werkstück 1 ist dünn und langgestreckt und besitzt zwei dünne Seitenteile oder Flanken 2, 3, die an dem hinteren Ende 4 und an dem vorderen Ende 5 zusammenlaufen. In der Mitte des Werkstücks 1 verbindet eine Rippe 6 die Flanken 2 und 3 ebenfalls miteinander, um ihre Festigkeit zu erhöhen und auch die Fe stigkeit des Werkstücks 1 zu erhöhen. Die mit der Rippe 6 verbundenen Flanken 2, 3 begrenzen zwei langgestreckte Hohlräume 7. Die Innenflächen des Werkstücks 1, die die Hohlräume 7 bilden, sind mit 8 bezeichnet. Die Außenflächen des Werkstücks 1 sind mit 9 bezeichnet. Während des Gießvorgangs werden die Hohlräume 7 jeweils durch einen Kern 10 aus Silikon-Elastomer geformt. Da diese Kerne 10 lang und dünn sind, werden sie jeweils von einem Metallstab 12 verstärkt, der sie in Längsrichtung durchdringt, wobei diese Stäbe einen stark abgeflachten rechteckigen Querschnitt haben, dessen Ränder 12a abgerundet sind. Der Silikonkern 10 wird durch Extrudieren mit einem Hohlraum 13 in der Form des Stabs 11 erzeugt, gefolgt von einem Zuschnitt auf die in 2 mit L bezeichnete Länge.
Man führt dann den Stab 11 in den Hohlraum 13 des Kerns 10 ein, was selbst bei der geringen Elastizität des Kerns 10 keinerlei Schwierigkeiten bereitet. Anschließend umhüllt man die Kerne 10 mit einer oder mehreren Schichten 15 aus harzgetränkten Fasern. Man ordnet dann die umhüllten Kerne 10 + 15 seitlich nebeneinander an und umhüllt anschließend die Gesamtanordnung mit einer oder mehreren Schichten 16 aus harzgetränkten Fasern, um das Werkstück zu bilden.
Man legt dann die Gesamtanordnung 10 + 15 + 16 in den rückspringenden Teil 21 einer Gießform 20, deren Bodenwandung 22 die Form der Außenfläche der Flanke 2 des Werkstücks 1 hat. Die Bodenwandung 22 grenzt an zwei Seitenwände 23a, 23b an, die zueinander parallel sind und in konisch erweiterten Seitenwänden 24a bzw. 24b übergehen, die jeweils in eine Stützfläche 25a bzw. 25b übergehen. Die Gießform 20 besitzt außerdem einen vorspringenden Teil oder Stempel 26, dessen Endbereich 27 eine Wand mit der Form der Außenfläche der Flanke 3 des Werkstücks 1 bildet, wobei diese Wand 27 an zwei Seitenwände 28a, 28b angrenzt, deren Form zu derjenigen der Wände 23a, 23b komplementär ist. Der Stempel 26 ist mit seinen Wänden 28a, 28b mit geringem Spiel gleitbar zwischen den Wänden 23a, 23b montiert, die seine Führung gewährleisten. Die Seitenwände 28a, 28b gehen in Stützflächen 29a bzw. 29b über, die an den Stützflächen 25a, 25b des rückspringenden Teils 21 zur Anlage kommen. Die Gesamtanordnung wird von einer Filzschicht 30 und einer dichten, weichen Umhüllung oder einem Beutel 31 umschlossen, der über einen Anschlußstutzen 32 mit einer Unterdruckluftquelle 33 verbunden ist. Das Ganze ist zwischen zwei Platten 34, 35 einer nicht dargestellten Heißpresse angeordnet.
Es sei nun auf 2 Bezug genommen. Die Enden 12b der Stäbe 11 ragen auf jeder Seite aus dem Kern 10 hervor und sind zwischen zwei Backen 40, 41 gefaßt, die über eine Trennfläche 42 miteinander in Kontakt kommen, wobei diese Backen durch Schrauben 43 miteinander verbunden sind. Die Blöcke 40, 41 sind in einem Hohlraum 44 der Gießform 20 angeordnet, der nach außen mündet, wobei der Hohlraum 44 eine zur Form der Backen 40, 41 komplementäre Form mit einem Spiel e von etwa 0,2 mm hat. Das Innere des Hohlraums 44 weist zwei Schultern 45 auf, die eine Positionierung der Backen 40, 41 in Längsrichtung ermöglichen. Der Mündungsbereich des Hohlraums 44 ist mit einem Filzkissen 46 ausgefüllt. Man erkennt, daß das Spiel e die Masse des Verbundwerkstoffs 15, 16 mit dem Filz 46 in Verbindung bringt und ermöglicht, daß überschüssiges Harz ausgebracht werden kann, wobei ein ausreichend großer Innendruck beibehalten werden kann. Das nicht dargestellte andere Ende der Gesamtanordnung ist zu dem in 2 dargestellten Ende symmetrisch. Der Abstand zwischen dem Backenpaar 40, 41 und dem nicht dargestellten Backenpaar am anderen Ende ist gleich der Länge L des Kerns 10.
Im vorliegenden Fall betehen die Kerne 10 aus einem Silikon-Elastomer mit einer Härte 70 Shore A mit einer Zersetzungstemperatur T2 von 290°C und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 400 × 10^–6/°C. Man benutzt in diesem Beispiel Kohlefasern, deren Wärmeausdehnungskoeffizient bis 300°C etwa gleich Null ist. Diese Fasern liegen als Gewebe vor und sind mit einem heißpolymerisierbaren Harz "PMR 15" vorimprägniert, wobei "PMR 15" eine Marke des Unternehmens FIBERITE-USA ist. Die Übergangstemperatur T1 vom plastischen Zustand in den festen Zustand beträgt bei diesem Harz 280°C, und die Aushärtungstemperatur T3 des Harzes ist gleich 320°C.
Das Verfahren zur Herstellung des Werkstücks 1 umfaßt die folgenden wesentlichen Arbeitsschritte:

a) Formung der Kerne 10 durch Extrudieren und Zuschnitt auf die Länge L,
b) Einführen eines Metailstabs 11 in jeden Kern 10, wobei die Enden 12b der Stäbe 11 auf jeder Seite des Kerns 10 herausstehen,
c) Umhüllen der Kerne 10 mit wenigstens einer Schicht 15 aus harzgetränkten Fasern,
d) Ergreifen und Zusammenführen der Gesamtanordnungen aus Stäben 11 + Kernen 10 + vorimprägnierten Schichten 15 zwischen die Backen 40, 41 durch ein Ende 12b der Stäbe 11 und Spannen der Backen 40, 41 mit Hilfe der Schrauben 43,
e) Wiederholen des Vorgangs mit einem zweiten Backenpaar 40, 41 an dem anderen Ende 12b der gleichen Stäbe 11,
f) Umhüllen der so gebildeten Einheit mit wenigstens einer Schicht 16 aus harzgetränkten Fasern,
g) Einsetzen der Gesamtanordnung in den rückspringenden Teil 21 der Gießform 20 und Verschließen der Gießform 20 mit dem vorspringenden Teil 26,
h) Anordnen der Filzkissen 46 am Eingang der Hohlräume 46 der Gießform 20, anschließend Anordnen der Filzschicht 30 und des dichten Beutels 31 mit dem Anschlußstutzen 32 um die Gießform 20 und Anordnen der Gesamtanordnung zwischen den Platten 34, 35 der nicht dargestellten Heißpresse.

Der thermische Zyklus ist der Polymerisationszyklus des Harzes. Der Temperaturanstieg wird von der Ausdehnung der Kerne 10 und dem Annähern der Wände 22 und 27 der Form 20 aneinander und relativ zu den Kernen 10 begleitet, wodurch die Schichten 15, 16 aus vorimprägnierten Fasern komprimiert werden. Das Annähern der Wände 22 und 27 erfolgt durch das Verschieben des Stempels 26 zwischen den Wänden 23a, 23b des rückspringenden Teils 21 der Gießform 20, bis die Stützflächen 25 und 29 miteinander in Kontakt kommen, wodurch die Wände 22 und 27 der Gießform zueinander und relativ zu den Kernen 10 präzise positioniert werden und die Präzision und die Qualität der Außenflächen der beiden Flanken 2 und 3 sowie die Präzision der Abmessungen und der Positionierung der Hohlräume 7 relativ zu den Flanken 2 und 3 gewährleistet wird. Das Verschieben erfolgt unter der kombinierten Wirkung des von den Platten 34 und 35 der Heißpresse ausgeübten Drucks und des atmosphärischen Drucks, der auf den auf Unterdruck gesetzten Beutel 31 einwirkt.
Unter der Wirkung des Drucks tritt das überschüssige Harz durch das zwischen den Backen 40, 41 und den Wänden der Hohlräume 44 belassene Spiel e in die Holräume 44 um die Backen 40, 41 aus und sammelt sich in den Filzkissen 46. Falls dies notwendig ist, kann der einschlägige Fachmann auch zusätzliche nicht dargestellte Hohlräume in der Gießform vorsehen, um das überschüssige Harz aufzunehmen.
Unter der Wirkung der Polymerisation setzt das noch flüssige Harz Gase frei, die unbedingt ausgetragen werden müssen, um die Porositäten des Verbundwerkstoffs zu eliminieren. Dieses Austragen wird dadurch erleichtert, daß der Beutel 31 von dem Anschlußstutzen 32 aus in Unterdruck gesetzt wird, wobei dieser Unterdruck sich durch den zwischen dem Beutel 31 und der Gießform 20, zwischen den Wänden 23ab und 28ab und durch die Filzkissen 46 und das Spiel e bis zu dem Harz überträgt.
Man kann in den Backen 40, 41 vorzugsweise auch mehrere konische Löcher 47 anbringen, die das Verbundmaterial mit den Filzkissen 46 in Verbindung setzen, um das Austragen des überschüssigen Harzes und der Gase zu erleichtern. Die Konizität der Löcher 47 erleichtert das Herausnehmen des ausgehärteten Harzes nach dem Formvorgang.
Wenn die Temperatur T des Verbundwerkstoffs die Übergangstemperatur T1 = 280°C zwischen dem plastischen Zustand und dem festen Zustand erreicht hat, haben die Silikon-Elastomer-Kerne 10 durch Wärmeausdehnung die Abmessungen der Hohlräume 7 und damit den Zustand erreicht, der die Genauigkeit gewährleistet. Bei T > T1 widersetzt sich der von den Wandungen 22, 27 der Gießform 20 gehaltene verfestigte Verbundwerkstoff einer Ausdehnung der Kerne 10, deren Material beginnt, sich zu vernetzen. Wenn die Temperatur T die Zersetzungstemperatur T2 = 290°C des Elastomers erreicht hat, beginnen die Kerne 10 zu zerfallen und üben keinen Druck mehr auf das Verbundmaterial aus. Die Polymerisation kann dann bis zu der Aushärtungstemperatur T3 = 320°C des Harzes fortschreiten.
Die Gesamtanordnung wird dann warm entformt, damit die Gießform 20, die sich mit der Verringerung der Temperatur zusammenzieht, den Verbundwerkstoff nicht zerquetscht, der nun verfestigt und ausgehärtet ist. Anschließend zerbricht oder entnimmt man die überschüssigen Harzmassen, demontiert die Backen 40, 41, zieht die Stäbe 11 heraus und beseitigt das zerkleinerte Material der Kerne 10 im Innern der Hohlräume 7 mechanisch durch irgend ein beliebiges mechanisches, nichtabrasifes Mittel, wie Ausschaben, Ausblasen oder Auswaschen.
Mit einem solchen Verfahren wurde ein Gehäusearm einer Turbomaschine mit einer Länge L = 400 mm und einer Breite von 12 mm mit einer Dicke der Flanken 2, 3 von 2 mm als Gießrohling gewonnen mit einer geometrischen Genauigkeit von 0,05 mm für die mit Hilfe der Wände der Gießform gebildeten Flächen und einer geometrischen Genauigkeit von 0,1 mm für die mit Hilfe der Kerne gebildeten Flächen, wobei die genannten Außen- und Innenflächen vollkommen glatt waren und die mechanischen Nachbearbeitungen auf das Entgraten des ausgehärteten Harzes entlang der Austrittslinien für das überschüssige Harz sowie auf das Bohren von Befestigungslöchern an den Enden des Werkstücks 1 beschränkt bleiben. Die Porosität des Verbundwerkstoffs wurde auf 2% zurückgeführt.
Das Werkstücks 1 kann aufgrund des benutzten Harzes bis zu einer Betriebstemperatur von 280°C eingesetzt werden und temporär eine Temperatur aushalten, die bis 325°C reicht.
Die Erfindung ist nicht auf das vorangehend vorgestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern deckt auch die Varianten ab, die im Bereich des herzustellenden Werkstücks und der Mittel zu seiner Durchführung vorgenommen werden können.
So können offensichtlich je nach Art des herzustellenden Werkstücks die Zahl und die Form der Kerne variieren, und die Löcher, durch welche die Hohlräume münden, können eine gegenüber den Hohlräumen reduzierte Abmessung haben. Die Benutzung der Stäbe 11 ist nicht erforderlich, wenn die Kerne 10 kurz sind und deshalb kaum auf Biegung beansprucht werden. Man benutzt dann ein härteres Elastomer, um eventuelle Verformungen der Kerne zu verhindern.
Für den Fall, daß das Werkstück 1 nur einen Hohlraum aufweist, braucht man im Grenzfall nur eine Schicht aus harzgetränkten Fasern zu verwenden. im Fall von abgeplatteten Werkstücken erfolgt die zentripetale Kompression über die Flanken 2, 3 des Werkstücks 1.
Im vorliegenden Beispiel werden die Wände der Hohlräume von parallelen geometrischen Linien gebildet, so daß Kerne 10 direkt durch Extrudieren und Zuschneiden auf die Länge L gewonnen werden können. In dem Fall von Hohlräumen mit allgemeinerer Form, z. B. in Tonnenform, wird der Kern 10 durch Gießformen gewonnen. Man erkennt, daß die Metallstäbe 11 weggelassen werden können, wenn die Kerne 10 eine gedrungene Form haben, wobei der Kern 10 durch die Wahl eines Elastomers mit größerer Shore-Härte A oder durch den Einschluß von Mikrokugeln in das Elastomer versteift werden kann.
Die Löcher, die die Hohlräume mit dem Außenraum in Verbindung setzen, können verringerte Abmessungen haben, weil die Kerne während des thermischen Polymerisationszyklus zerfallen, wodurch anschließend das Entnehmen des Materials vereinfacht wird, aus dem sie bestehen.
Die gemeinsame Anwendung des unter Druck gesetzten Beutels 31 und der Heißpresse ermöglicht es, einen Druck von 8 Bar zu erreichen, der für das Komprimieren des in diesem Beispiel benutzten Harzes erforderlich ist. Man kann auch eine gewöhnliche Presse und eine z. B. mit elektrischen Widerständen beheizte Gießform benutzen. Für den Fall, daß das Harz lediglich einen Druck von weniger als einem Bar erfordert, kann diese Kompression ohne Presse, ausschließlich unter der Einwirkung des atmosphärischen Drucks, erreicht werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von hohlen Körpern aus geschichtetem Verbundwerkstoff mit in eine Matrix aus heißpolymerisiertem Harz eingebetteten Verstärkungsfasern, wobei der Hohlkörper (1) mindestens eine Vertiefung (7) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden wichtigen Arbeitsschritte aufweist: a) Formung eines Kerns (10) in Form der Hohlräume (7) des Körpers (1), b) Bedecken der Kerne (10) mit mindestens einer Schicht aus mit heiß polymerisierbarem Harz imprägnierten Verstärkungsfasern (15, 16) zur Bildung des Verbundwerkstoffes, c) Anordnen der Gesamtanordnung aus Kern (10) und vorimprägnierten Fasern (15, 16) in einer Gießform (20), d) Kompression, Polymerisation, Abstreifen des Körpers (1) und Rückziehen der Kerne (10), mit den folgenden Besonderheiten: a) die Kompression erfolgt durch Annähern der Wände (22, 27) der Gießform (20) gegen die Kerne (10) um simultan die Innenflächen (8) und Außenflächen (9) zu formen und um ein ausreichendes plastisches Fliessen des Harzes während der Polymerisation hervorzurufen, b) die Gießform (20) weist ein rückspringendes Teil (21) auf, das eine der Wände (22) aufweist, wobei die Gießform (20) ferner ein vorspringendes Teil (26) aufweist, dass in dem rückspringenden Teil (21) gleitet, wobei das rückspringende Teil (21) und das vorspringende Teil (26) Anlageflächen (25, 29) aufweisen, die hochgenau die Wände (22, 27) zwischen sich und den Formen (10) positionieren, wobei die Annäherung der Wände (22, 27) durch das Verschieben des vorspringenden Teils (26) in dem rückspringenden Teil (21) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Kerne (10) wärmedehnbar aus Silikon-Elastomer bestehen, um die Verstärkungsfasern während der Polymerisation zu spannen, b) das Silikon-Elastomer der Kerne (10) eine Zersetzungstemperatur T2 aufweist, die niedriger ist, als die Temperatur T3 der vollständigen Polymerisation des Harzes, um die Kerne (10) während des Gießens des Körpers zu zerlegen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Harz während seiner Polymerisation eine Phase der Gasabgabe und eine Phase der Verfestigung aufweist, die durch eine Phase getrennt sind, während der das Harz noch flüssig ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompression zwischen der Phase der Gasabgabe und der Phase der Verfestigung erfolgt, um eine sehr wesentliche Menge des Harzes im Inneren der Form zu halten.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Temperatur T1 des Übergangs vom plastischen Zustand zum festen Zustand des Harzes die Kerne (10) aus Silikon-Elastomer die Abmessungen der Vertiefungen (7) des Körpers (1) bei dieser Temperatur T1 haben, um den Vertiefungen (7) die Abmessungen zu geben, die am Ende der Verfestigung des Harzes erforderlich sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Silikon-Elastomer eine Zersetzungstemperatur besitzt, die zwischen der Temperatur T1 des Übergangs vom plastischen Zustand zum festen Zustand des Harzes und der Temperatur T3 der vollständigen Polymerisation des Harzes liegt, um die Kerne (10) in festem Zustand zu halten, solange nicht die Vertiefungen in die erforderlichen Dimensionen geformt worden sind und um anschließend die Kerne (10) zu zerlegen, während der Verbundwerkstoff in den festen Zustand übergeht.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (10) durch Stäbe (11) aus widerstandsfähigerem Material verstärkt sind, um die Verformung der Kerne (10) während der Aufbringung des Verbundwerkstoffes (15, 16) oder der Gießformung zu vermeiden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstäbe (11) über die Kerne (10) hinausragen und in der Form (2) aufliegen um die Präzision der Positionierung der Kerne (10) in der Gießform (20) sicherzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren mindestens zwei Kerne (10) verwendet, dadurch gekennzeichnet, dass a) jeder Kern (10) mit mindestens einer Schicht aus Verbundwerkstoff (15) getrennt versehen wird, b) anschließend die beschichteten Kerne (10 + 15) vereinigt werden und die so erhaltene Anordnung durch mindestens eine Schicht des Verbundwerkstoffes (16) bedeckt wird.