DE69816021T2

DE69816021T2 - Verbesserungen in bezug auf druckübertrager zur benutzung in der herstellung von verbundwerkstoffkomponenten

Info

Publication number: DE69816021T2
Application number: DE69816021T
Authority: DE
Inventors: Roger Mark Estate SLOMAN
Original assignee: Advanced Composites Group Ltd
Current assignee: Cytec Industrial Materials Derby Ltd
Priority date: 1997-05-03
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2018-05-01
Also published as: US6350115B1; EP0928241B1; DE69816021D1; ES2202845T3; EP0928241A1; WO1998050214A1; GB9709011D0; AU7223398A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Druckübertragungsvorrichtungen zur Verwendung bei der Herstellung von Verbundkomponenten. Der hier verwendete Ausdruck "Druckübertragungsvorrichtung" soll auf Abdeckglieder und dergleichen Bezug nehmen, die verwendet werden, um das Anlegen von Druck an Verbundkomponenten während ihrer Formgebung in einem Werkzeug zu ermöglichen. Der Ausdruck beinhaltet Druckplatten, Druckverstärker und wiederverwendbare Gummisäcke bzw. Gummibeutel.
Derartige Druckübertragungsvorrichtungen sind z. B. aus der EP-A-0318415 und der EP-A-0491646 bekannt.
Die Verwendung von Druckplatten, Druckverstärkern und Gummisäcken zum Herstellen glatter Oberflächen auf Verbundkomponenten ist normale Praxis. Druckplatten und/oder Druckverstärker können aus einem Elastomermaterial gefertigt sein und ermöglichen das Anlegen eines passenden Drucks an das Laminat, um eine relativ glatte Oberfläche auf der Sackseite zu erzeugen. Im Falle von Druckverstärkern erfolgt deren Anwendung hauptsächlich bei nach innen gekehrten Merkmalen auf der nicht-geformten Seite der Komponente. Die Druckplatten bestehen aus einer elastomerischen Folie bzw. einem elastomerischen Bogenmaterial, die bzw. das durch ein auf eine Faser pre-imprägniertes Harz verstärkt ist. Der Nachteil dieser Druckplatten aus vollständig formuliertem Foliengummi bzw. Bogenmaterial-Gummi besteht darin, dass sie bei hohen Temperaturen (größer als 100°C) ausgehärtet werden müssen. Einige verstärkte Druckplatten weisen auch den Nachteil auf, dass das Elastomermaterial dazu neigt, sich von der Faserverstärkung abzulösen, während andere zu ungewünschten Kontaminationsproblemen führen können.
Die Ausdrücke "teilweise ausgehärtet" oder "teilweise aushärtbar" bedeuten in der hier verwendeten Form bei Bezugnahme auf eine aushärtbare Komponente, dass diese soweit ausgehärtet oder aushärtbar ist, dass die Komponente von einer Form, einem Werkzeug oder einer Formvorrichtung entfernt werden kann (die eine hohe Temperaturfähigkeit haben können oder nicht, das heißt in der Lage sein können, Temperaturen von mehr als 100°C zu überstehen oder nicht), und dann gehandhabt und weiterverarbeitet werden können (einschließlich einer weiteren Aushärtungsstufe höherer Temperatur, ohne an der Komponente Schaden zu verursachen. Des weiteren beinhaltet der Ausdruck "Elastomermaterial" die Vorläufer solcher Materialien, wie z. B. wollständig formulierte Polymermaterialien, die nach einer teilweisen oder vollständigen Aushärtung bzw. Vernetzung elastomere Eigenschaften aufweisen. Das Polymermaterial kann als Folie oder als Bogenmaterial vorliegen.
Gemäss einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Druckübertragungsvorrichtung zur Verwendung bei der Herstellung von Verbundkomponenten bereitgestellt, um das Anlegen von Druck an die Verbundkomponenten während ihrer Formgebung in einem Werkzeug zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Elastomermaterial aufweist, das bei einer Temperatur unterhalb von 100°C zumindest teilweise aushärtbar bzw. vernetzbar ist.
Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Druckübertragungsvorrichtung einen inneren Bereich aus einer Verstärkung und einen äußeren Bereich aus einem Elastomermaterial auf, wobei das Elastomermaterial bei einer Temperatur von unterhalb 100°C zumindest teilweise aushärtbar ist.
Vorzugsweise weist die Verstärkung ein Harzmaterial auf, das bei einer Temperatur von unterhalb 100°C aushärtbar ist.
Vorzugsweise ist das Elastomermaterial teilweise oder zumindest teilweise bei 20 bis 70°C, vorzugsweise 65°C, aushärtbar. Zweckmäßigerweise wird das Elastomermaterial während einer Zeitdauer von 14 Stunden teilweise ausgehärtet.
Wünschenswerterweise wird das Elastomermaterial bei einer erhöhten Temperatur weiter ausgehärtet, um einen Zustand von im wesentlichen vollständiger Aushärtung zu erreichen. Vorzugsweise liegt die erhöhte Temperatur im Bereich von 170 bis 185°C. Vorzugsweise kann das Elastomermaterial bei einer Temperatur von etwa 175°C weiter ausgehärtet werden. Zweckmäßigerweise wird das Elastomermaterial während einer Zeitdauer von mindestens zwei Stunden weiter ausgehärtet.
Vorzugsweise ist das Elastomermaterial ein Silikon-Elastomer, ein Acrylat oder ein Fluoroelastomer.
Gemäss einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Druckübertragungsvorrichtung zur Verwendung bei der Herstellung von Verbundkomponenten bereitgestellt, wobei die Druckübertragungsvorrichtung einen inneren Bereich aus einer aushärtbaren Verstärkung und einen äußeren Bereich aus Elastomermaterial aufweist, wobei die aushärtbare Verstärkung auf Fasern preimprägniertes Harz aufweist, das bei einer Temperatur von unterhalb 100°C zumindest teilweise aushärtbar ist.
Vorzugsweise erfolgt eine Aushärtung oder zumindest teilweise Aushärtung bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur des Aushärtens oder teilweisen Aushärtens der aushärtbaren Verstärkung. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass das Harz vor dem Elastomer aushärtet oder teilweise aushärtet, wodurch eine Schrumpfung des Elastomers verringert wird.
Vorzugsweise ist das Elastomermaterial bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 70°C, vorzugsweise bei 65°C, zumindest teilweise aushärtbar. Vorzugsweise ist das Elastomermaterial während einer Zeitdauer von 14 Stunden teilweise aushärtbar.
Wünschenswerterweise ist das Elastomermaterial weiter aushärtbar, um einen Zustand vollständiger Aushärtung bei einer Temperatur im Bereich von 170 bis 165°C zu erreichen. Vorzugsweise kann das Elastomermaterial bei einer Temperatur von 175°C weiter ausgehärtet werden. Zweckmäßigerweise ist das Elastomermaterial während einer Zeitdauer von zwei Stunden weiter aushärtbar.
Die Druckübertragungsvorrichtung kann einen inneren Bereich aus einer aushärtbaren Prepreg-Verstärkung und einen äußeren Bereich aus Elastomermaterial aufweisen, wobei die aushärtbare Prepreg-Verstärkung in Form von mit Harz pre-imprägnierten Fasern vorliegt, die eine Vielzahl von Zwischenräumen bestimmt, während das Elastomermaterial des äußeren Bereichs im wesentlichen die Zwischenräume ausfüllt.
Dies hat den Vorteil, dass das Elastomer mit den Fasern fest verbunden wird, wodurch jegliche Ablösung der mit Harz preimprägnierten Fasern von dem Elastomer unterdrückt wird.
Vorzugsweise liegt die Druckübertragungsvorrichtung in Form einer Druckplatte oder eines Druckverstärkers vor, um beim Anlegen von Druck auf Oberflächen einer gegossenen oder geformten Komponente verwendet zu werden. Die Erfindung eignet sich be sonders zur Verwendung mit Gießverfahren oder Formverfahren, bei denen die Verwendung eines an das gegossene bzw. geformte Material angelegten Sackes vorkommt, z. B. unter Verwendung von Vakuumsäcken.
Gemäss einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum Aushärten einer Druckübertragungsvorrichtung bereitgestellt, wobei eine Druckübertragungsvorrichtung, wie oben beschrieben, bereitgestellt wird und anschließend ein mindestens teilweises Aushärten der Druckübertragungsvorrichtung bei einer Temperatur von nicht mehr als 100°C erfolgt, während sie in einer Form abgestützt ist.
Die Druckübertragungsvorrichtung kann bei einer Temperatur im Bereich von 60 bis 70°C (ungefähr 140 bis 160°F), vorzugsweise bei 65°C (ungefähr 150°F) teilweise ausgehärtet werden. Zweckmäßigerweise wird die Druckübertragungsvorrichtung während einer Zeitdauer von im wesentlichen mindestens 14 Stunden teilweise ausgehärtet. Die Druckübertragungsvorrichtung kann innerhalb von 14 Stunden teilweise ausgehärtet werden.
Wünschenswerterweise wird nach dieser teilweisen Aushärtung die Druckübertragungsvorrichtung bei einer Temperatur im Bereich von 170 bis 185°C (ungefähr 340 bis 365°F) weiter ausgehärtet. Vorzugsweise wird die Druckübertragungsvorrichtung bei einer Temperatur von etwa 175°C (ungefähr 350°F) weiter ausgehärtet. Die Druckübertragungsvorrichtung kann somit während einer Zeitdauer von mindestens etwa zwei Stunden weiter ausgehärtet werden. Die Druckübertragungsvorrichtung kann somit innerhalb von zwei Stunden weiter ausgehärtet werden.
Das Elastomermaterial kann ein Silikon-Elastomer sein.
Durch geeignete Auswahl des Harzes und Elastomermaterials führt die Niedertemperatur-Aushärtung der Druckübertragungsvorrichtung zu einem Aushärten oder teilweisen Aushärten, bevor das Elastomer vollständig ausgehärtet ist. Dies hat den Vorteil, dass eine Schrumpfung des Elastomers minimiert wird. Ein weiterer Vorteil der Niedertemperatur-Aushärtung (das heißt weniger als 100°C) besteht darin, dass sie an einem Werkzeug stattfinden kann, das nur solche niedrigen Temperaturen überstehen kann. Der Schritt des weiteren Aushärtens der Druckübertragungsvorrichtung verleiht dem Elastomermaterial die benötigten Eigenschaften, um die Druckübertragungsvorrichtung in die Lage zu versetzen, ihre Funktion durchzuführen.
Es wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben, wobei:
1 eine schematische Darstellung einer Druckübertragungsvorrichtung in Form einer Druckplatte während ihrer Verwendung zeigt;
2 eine schematisch Darstellung einer Druckübertragungsvorrichtung in Form eines Druckverstärkers während seiner Verwendung zeigt;
3 eine nicht-maßstabsgetreue Verstärkung mit von Harz preimprägnierten Fasern zeigt, die Zwischenräume bestimmen; und
4 eine ähnliche Ansicht wie 3 ist, jedoch ein Elastomer in den Zwischenräumen zeigt.
In 1 ist ein Prepreg-Schichtmaterial bzw. Prepreg-Lagenmaterial 10 gezeigt, das zur Bildung einer Verbundkomponente verwendet wird. Das Prepreg-Schichtmaterial ist auf einem Werkzeug 12 angeordnet, wobei eine Druckplatte 14 auf das Schichtmaterial 10 aufgelegt ist. Die Druckplatte 14 umfasst einen inneren Bereich 16 aus einer Faserverstärkung und einen äußeren Bereich 18A, 18B aus einem Elastomermaterial 18. Bei der Bildung der Verbundkomponente wird ein Vakuumsack oder eine Vakuumfolie 19 über dem Schichtmaterial 10 und der Druckplatte 14 angeordnet. Es wird Luft aus dem Vakuumsack 19 entfernt, wodurch der Luftdruck den notwendigen Druck zum Formen erzeugt und auch Wärme in der üblichen Art und Weise zugeführt wird.
Die Faserverstärkung 16 umfasst gewobene Fasern 20, die eine netzartige Struktur mit Zwischenräumen 22 bestimmen (siehe 3). Die Zwischenräume 22 werden, wie in 4 gezeigt, mit dem Elastomermaterial 18 gefüllt, das die äußeren Bereiche 18A, 18B bestimmt. Die Verstärkung 16 kann aus einer oder mehreren Schichten der gewobenen Fasern 20 bestehen.
Die Druckplatte 14 wird zunächst verarbeitet, um sie, wie in den vorhergehenden beiden Absätzen beschrieben, verwendbar zu machen, indem man die Druckplatte 14 bei einer Temperatur von weniger als etwa 75°C zumindest 14 Stunden lang während einer ersten Aushärtungsstufe teilweise aushärtet, wobei die Druckplatte auf einer Form abgestützt ist, die nicht in der Lage sein muss, während des Prozesses hohe Temperaturen (z. B. über 100°C) zu überstehen. Die erste Aushärtungsstufe bewirkt eine teilweise oder vollständige Aushärtung des Harzes und eine teilweise Ausshärtung des Elastomermaterials 18. Dies minimiert die Schrumpfung des Elastomermaterials 18. Nach der ersten Aushärtungsstufe wird die Druckplatte 14 dann während einer zweiten Aushärtungsstufe mindestens zwei Stunden lang bei einer Temperatur von etwa 174°C weiter ausgehärtet, um das Harz und das Elastomermaterial vollständig auszuhärten, so dass die Druckplatte 14 die passenden Eigenschaften entwickelt, die man von einer Druckplatte 14 normalerweise erwartet (siehe weiter unten). Diese zweite Stufe erfordert nicht notwendigerweise die Verwendung einer Form zum Abstützen der Druckplatte.
Das Harz und das Elastomermaterial werden somit ausgewählt, um eine partielle Aushärtung bei einer niedrigen Temperatur, das heißt unterhalb von 100°C, zu ermöglichen.
Wie man in 1 sieht, kann sich eine Falte 24 in dem Prepreg-Schichtmaterial 10 bilden, wo aneinandergrenzende Lagen überlappen, sowie an anderen Orten. Die Verwendung einer Druckplatte 14 unterstützt das Ausglätten oder das Verhindern der Bildung solcher Falten 24.
Die Druckplatte kann eine mikroporöse Membran 118 haben, die auf ihrer Seite neben dem Schichtmaterial 10 angeordnet ist, um das Entfernen von Gasen zu erleichtern, die durch das Harz während des Aushärtungsprozesses abgegeben werden. Alternativ könnte eine feste undurchlässige Folie, z. B. aus HALAR, anstelle der mikroporösen Membran verwendet werden. Die Folie kann in Form eines mit der Druckplatte verbundenen Films vorliegen.
In 2 ist ein Werkzeug 12 in seinem Eckbereich 22 gezeigt, wo das Prepreg-Schichtmaterial 10 einen konkaven Bereich 24 bestimmt. Ein Druckverstärker 26 ist in dem konkaven Bereich 24 angeordnet, um zu gewährleisten, dass dort der richtige Druck angelegt wird.
Der Druckverstärker 26 wird auf ähnliche Art und Weise wie die oben beschriebene Druckplatte gebildet, wobei ähnliche Aushärtungs- und Nachaushärtungs-Temperaturen verwendet werden.
Bei einer Abwandlung kann die Verstärkung bei der Druckplatte oder die dem Druckverstärker weggelassen werden. Bei der Abwandlung werden die Druckplatte und der Druckverstärker in der oben beschriebenen Art und Weise hergestellt, das heißt sie werden bei einer Temperatur von unterhalb 100°C auf einer Form teilweise ausgehärtet, die nicht in der Lage sein muss, Temperaturen von mehr als 100°C zu überstehen, so dass sie z. B. aus Holz, Gips oder einem anderen geeigneten, leicht bearbeitbaren Material hergestellt werden kann, wobei jedoch nach der anfänglichen Aushärtungsstufe die Druckplatte und der Druckverstärker von der Form entfernt wird zur weiteren Aushärtung zu einem vollständig oder beinahe vollständig ausgehärteten Zustand bei einer erhöhten Temperatur von beispielsweise 175°C. Wie zuvor kann die anfängliche Aushärtungszeit 14 Stunden und die Nachaushärtungszeit zwei Stunden betragen.
Bei einer weiteren Abwandlung der vorliegenden Erfindung kann die Druckübertragungsvorrichtung die Form eines Vakuumsacks haben, das heißt ein Sack, der in dem einfachsten Beispiel aus zwei Folien bzw. Lagen aus Elastomermaterial gebildet ist, die um den Randbereich der Folien bzw. des Lagenmaterials versiegelt oder versiegelbar sind, um einen Sack zu bilden, der nach Ausstattung mit normalen Unterstützungsanschlüssen etc. in einem Vakuumsack-Gießverfahren verwendet werden kann. Bei dieser Abwandlung wird der Vakuumsack wie zuvor aus zwei Folien oder Lagen eines vollständig formulierten Polymermaterials gebildet, aus denen der Sack hergestellt wird, wenn das Material in einem nicht-ausgehärteten bzw. nicht-vernetzten Zustand ist (Beispiele geeigneter Materialien sind weiter unten aufgeführt). Der Sack kann während der anfänglichen Aushärtungsstufe ausgehärtet werden, die z. B. über 14 Stunden hinweg bei Temperaturen unterhalb 100°C und typischerweise bei 65°C durchgeführt wird, woraufhin der Sack bei Bedarf vollständig ausgehärtet bzw. vernetzt werden kann, wobei er z. B. einem weiteren 2-stündigen Aushärtungszyklus bei einer erhöhten Temperatur von beispielsweise 175°C ausgesetzt wird. Standardmäßige Vakuumsack-Anbringungen, z. B. Vakuumanschlüsse, Versiegelungen, die sich öffnen lassen, etc., können vor der anfänglichen Aushärtung angebracht werden oder, wenn dies zweckmäßig ist, vor der Nachaushärtung, das heißt nach der anfänglichen Aushärtung.

Beispiele der Eigenschaften geeigneter Elastobermaterialien 18 sind weiter unten aufgeführt. Beispiel 1 Physikalische Eigenschaften

Form:	weich und unformbar mit geringastmöglicher Klebrigkeit.
Farbe:	königsblau.
Dicke:	0,060'', (60 mils), andere Dicke ist verfügbar.
Breite:	bis zu 50'', Kalanderwalzen.

Eigenschaften nach Aushärtung bzw. Vernetzung

Durometer	70 (nominal)
Zugfestigkeit	1000+ (psi)
Bruchdehnung	350+ (%)
Modul bei 100%	505 (psi)
Modul bei 300%	940 (psi)
Reißfestigkeit	160+ (ppi)
Kompressions-Set Haftung Temperaturbeständigkeit	30 (%) (22 Stunden bei 350°F) exzellent (co-vernetzt mit LTM-Prepreg) 450°F bis 500°F (bei vollständiger Vernetzung)

Beispiel 2 Physikalische Eigenschaften

Form:	weich und umformbar mit geringstmöglicher Klebrigkeit.
Farbe:	klar.
Dicke:	0,085'', (85 mils), andere Dicken stehen zur Verfügung.
Breite:	bis zu 50'', Kalanderwalzen.

Eigenschaften nach Aushärtung bzw. Vernetzung

Durometer	40 (nominal)
Zugfestigkeit	1510+ (psi)
Bruchdehnung	925+ (%)
Modul bei 100%	300 (psi)
Modul bei 300%	300 (psi)
Reißfestigkeit	150+ (ppi)
Kompressions-Set	TBD
Temperaturbeständigkeit	450°F bis 500°F, (bei vollständiger Vernetzung)

Es können zahlreiche Abwandlungen durchgeführt werden, ohne dass man den Bereich der in den beigefügten Ansprüchen definierten Erfindung verlässt.

Claims

Druckübertragungsvorrichtung zur Verwendung bei der Herstellung von Verbundkomponenten, um das Anlegen von Druck an die Verbundkomponenten während ihrer Formgebung in einem Werkzeug zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Elastomermaterial aufweist, das bei einer Temperatur unterhalb von 100°C zumindest teilweise aushärtbar ist.
Druckübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckübertragungsvorrichtung einen inneren Bereich aus einer Verstärkung (16) und einen äußeren Bereich aus einem Elastomermaterial (18) aufweist, wobei das Elastomermaterial (18) bei einer Temperatur von unterhalb 100°C zumindest teilweise aushärtbar ist.
Druckübertragungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung ein Harzmaterial (16) aufweist, das bei einer Temperatur von unterhalb 100°C aushärtbar ist.
Druckübertragungsvorrichtung zur Verwendung bei der Herstellung von Verbundkomponenten, um das Anlegen von Druck an die Verbundkomponenten während ihrer Formgebung in einem Werkzeug zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckübertragungsvorrichtung einen inneren Bereich aus einer aushärtbaren Verstärkung (16) und einen äußeren Bereich aus Elastomermaterial (18) aufweist, wobei die aushärtbare Verstärkung (16) auf Fasern pre-imprägniertes Harz aufweist, das bei einer Temperatur von unterhalb 100°C zumindest teilweise aushärtbar ist.
Druckübertragungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomermaterial (18) bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur des Aushärtens oder teilweisen Aushärtens der aushärtbaren Verstärkung (16) aushärtet oder zumindest teilweise aushärtet.
Druckübertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomermaterial (18) bei 20 bis 70°C, vorzugsweise bei etwa 65°C, zumindest teilweise aushärtbar ist.
Druckübertragungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomermaterial weiter aushärtbar ist, um einen Zustand im wesentlichen vollständiger Aushärtung bei einer Temperatur von mindestens 170°C, vorzugsweise mindestens 175°C, zu erreichen.
Druckübertragungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomermaterial (18) während einer Zeitdauer von 14 Stunden teilweise aushärtbar ist.
Druckübertragungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastormermaterial (18) für eine Zeitdauer von mindestens 2 Stunden weiter aushärtbar ist.
Druckübertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomermaterial (18) ein Silikon-Elastomer, ein Acrylat oder ein Fluoroelastomer ist.
Druckübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die aushärtbare Verstärkung (16) eine Prepreg-Verstärkung ist, die eine Vielzahl von Zwi schenräumen (22) bestimmt, wobei das Elastomermaterial (18) des äußeren Bereichs im wesentlichen die Zwischenräume (22) ausfüllt.
Verfahren zum Aushärten einer Druckübertragungsvorrichtung, gekennzeichnet durch das Bereitstellen einer Druckübertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und anschließendes mindestens teilweises Aushärten der Druckübertragungsvorrichtung bei einer Temperatur von nicht mehr als 100°C, während sie auf einer Form abgestützt ist.