DK173554B1

DK173554B1 - Fremgangsmåde til støbning af komplekse genstande

Info

Publication number: DK173554B1
Application number: DK199000046A
Authority: DK
Inventors: John Reginald Newton
Original assignee: 3 D Composites Ltd
Priority date: 1987-07-10
Filing date: 1990-01-09
Publication date: 2001-03-12
Also published as: AU609163B2; NO900091L; BR8807608A; DK4690D0; NO900091D0; DE3879704T2; CA1326117C; WO1989000495A1; JP2802430B2; EP0365579B1; EP0365579A1; CN1018900B; IN171714B; ATE87261T1; JPH03503866A; DK4690A; DE3879704D1; AU1987988A; CN1031046A; ES2011487A6

Description

i DK 173554 B1

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til støbning af komplekse genstande eller komposit-artikler ud fra en hærdelig harpiks. En almindelig metode til at støbe komposit-artikler, kendt under betegnelsen 5 harpiksoverføringstøbeprocessen, går ud på at anbringe en struktur af armeringsfibre, f.eks. glas, carbon eller aramid, i en støbeform og derefter at indsprøjte en flydende har piks i formen, således at harpiksen trænger ind i hele armeringsstrukturen. Derpå hærdes harpiksen 10 til dannelse af en harpiks/fiber-komposit med gode mekaniske egenskaber og forholdsvis lav vægt. De endelig mekaniske egenskaber afhænger af arten af armeringsfibre og den anvendte harpiks. Et konventionelt arrangement for overføring af harpiks fra en sprøjtestøbemaskine til 15 fibrene i en støbeform er vist på fig. 1 af tegningen.

Dysen fra sprøjtestøbemaskinen fastspændes til injektionsporten i støbeformen, og harpiks under tryk indføres fra sprøjte støbemaskinen ind imellem armeringsfibrene fra injektionsporten. I forbindelse med 20 store støbninger kan der anvendes flere porte, men derved opstår problemer, da harpiksen hærder i fødesystemet, og der må tilvejebringes midler til at fjerne den hærdede harpiks.

25 I de senere år er der sket en betydelig forøgelse af mulighederne for komplekse støbninger fremstillet ved harpiksoverføringsstøbningsprocessen ved indføring af tre forme, som muliggør samling af komplekse konfigurationer af armeringsfibre samtidig med f.eks. anvendelsen af ind-30 satse af opskummet plastmateriale. Cyklustiderne er normalt temmelig lange, og kompleksitetsgraden er begrænset, fordi fiberarmeringen hindrer strømning, og dette er hovedbegrænsningen for en ellers alsidig proces.

35 Kompositstrukturer af fibre i en polymer matriks medfører lav vægt, høj styrke i forbindelse med mange konstrukti- 2 DK 173554 B1 onsproblemer, og anvendelsen er hurtigt voksende, især til militære formål og i automobil- og flyvemaskineindu-strirne. Kompositter, typisk af glas- eller carbonfibre i forbindelse med termohærdende eller termoplastiske 5 polymere matrikser, har en trækstyrke, der kan sammenlignes med stålets, massefylder i området fra 20% til 25% af stålets og et lavt elasticitetsmodul. Det er det lave modul, som er et af hovedproblemerne for konstruktørerne, der må kompensere ved at forøge tværsnitsarealet 10 for at opnå højere værdier af momentet for arealet. Meget ofte er meget store forhøjelser nødvendige for at opnå tilsvarende stivhed sammenlignet med stål, og dette kræver komplekse og ofte tredimensionelle strukturer.

15 Komplekse tredimensionelle strukturer er derfor noget konstruktøren må anvende for at opfylde strukturelle krav til produktet. Disse er dog Ikke 1 teknisk henseende lette at producere eller er prohibitivt kostbare som følge af de nødvendige lange cyklustider.

20

Af disse grunde er der et behov for en forbedret form for støbningsproces, der kan anvendes til komposit-artikler, og som vil reducere cyklustiderne og dermed omkostningerne ved produktion af komplekse strukturer.

25 Den foreliggende opfindelse har til formål at tilvejebringe en sådan forbedret metode.

Opfindelsen angår således nærmere betegnet en fremgangsmåde til støbning af komplekse genstande eller 30 komposit-artikler til anvendelse som struktur-elementer, der har et fiberholdigt lag, hvori der indsprøjtes en hærdelig harpiks eller lignende, og en kernedel, og fremgangsmåden er ejendommelig ved det i den kendetegnende del af krav 1 angivne.

35 DK 173554 B1 3

Anvendelsen af en eller flere kanaler i en kerne, som ellers er uigennemtrængelig for harpiks, gør det muligt for harpiksen at blive ført hvorhen det er nødvendigt under hensyn til støbeformens udformning, selv om der kun 5 anvendes en enkelt injektionsdyse for harpiksen. Det foretrækkes, at injektionsdysen indføres i en eller flere kanaler i kernen. Laget vil ofte have form af en "hud", der omgiver kernen, og i dette tilfælde foretrækkes det, at dysen indsættes gennem huden på artiklen, der skal 10 støbes, ind i kanalen. Efter afslutning af injektionscyklus fjernes dysen, før harpiksen hærder, og injektionsporten tilproppes. Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen er det muligt at producere meget komplekse strukturer med reduceret cyklustid.

15

Hovedfunktionen af kernen er normalt at holde huden på plads og forhindre harpiksen i at fylde hulrummet inden for huden. Ethvert vilkårligt materiale, der kan modstå de opståede kræfter, når støbeformen lukkes og 20 injektionstrykket opstår, vil i almindelighed være egnet.

Der anvendes således kerner af forholdsvis massive støbninger, der sædvanligvis består af et opskummet plastmateriale med lukkede celler, f.eks. opskummet polyurethan eller polyester, der på grund af lethed og 25 billighed er hensigtsmæssige, Kernen kan dog bestå af et vilkårligt andet ønsket materiale, såsom gips, træ, voks eller lignende. Kernematerialer bestående af voks kan fjernes efter støbning ved udsmeltning. Hule polymere kerner, der kan sættes under tryk, gør det muligt at 30 støbe sådanne komponenter som brændstoftanke til dannelse af kompositartiklen. hvis genstanden er forholdsvis tynd, og der ikke er behov for nogen kerne til ovennævnte formål, kan "kernen" simpelthen være til stede for at definere en eller flere kanaler i fiberlaget.

35 4 DK 173554 B1

Selv om omtalen ovenfor angår en "harpiks", vil det forstås, at fremgangsmåden ifølge opfindelsen er lige så anvendelig sammen med andre former for støbe-kompositter, f.eks. matriks-kompositter af metal, hvor keramiske fibre 5 er indført i en støbeform, og smeltet metal indsprøjtes i hulrummet indeholdende de keramiske fibre. Udtrykket "harpiks" skal forstås i denne sammenhæng.

Ud over eller i stedet for at anvende kanaler i kernen, 10 kan kanaler tilvejebringes i fibrene, som udgør huden eller skallen. Disse kan bestå af fysiske kanaler, f.eks. rør indført heri, huller skåret gennem fiberlaget, eller de kan fortrinsvis være inkorporeret i fiberlagets vævning. F.eks. kan en række eller rækker af kæde- eller 15 skudgarn fjernes fra vævet, så der opstår et mellemrum, der i realiteten tilvejebringer en kanal. I stedet kan individuelle eller et lille antal kæde- eller skud-tråde være væsentlig smallere end hovedgarnet, således at der igen opstår et tomrum, der virker som en kanal til ind- 20 føring af harpiks. Det foretrækkes dog især i sidstnævnte tilfælde at anvende sådanne kanaler i tilknytning til kanaler dannet i støbekernen. Det er egenskaberne for de anvendte fibre som armering for kompositmaterialerne, der udgør deres relative stivhed, som sikrer at sådanne 25 hulrum eller kanaler, der er indvævet, opretholder deres integritet under støbebetingelserne. Graden af kompakthed og den kendsgerning, at fibrene er indesluttet i støbeformen, fremhæver denne egenskab.

30 For at producere komposit-produkter, der kan betragtes som struktur-elementer, det vil sige sådanne som har en høj styrke i forhold til vægten og er i stand til at erstatte stål-komponenter, skal følgende kriterier normalt opfyldes. Disse består i, at armerings fibrene er lange og 35 fortrinsvis kontinuerte, at orientering af fibrene er mulig, og at fibertætheden er høj, og fortrinsvis udgør 5 DK 173554 B1 at størrelsesordenen 605% efter vægt af den støbte del af kompositten eller derover.

Til opnåelse af ovennævnte er det nødvendigt at pakke fi-5 brene i støbeformen meget tæt. Dette vil i betydelig grad begrænse strømmen af harpiks, og derfor vil, for egnede mængder af harpiksfibre, hulrummene derimellem være så små, at de kan betragtes som kapillære. Som følge deraf vil hulrummene begrænses af lovene for væskestrømning, 10 som gælder for kapillærer. Dette betyder simpelthen, at overfladespændingskræfterne bliver mere væsentlige end det anvendte tryk til at drive den polymere gennem fiberlaget og dermed vil disse kontrollere hastigheden for væskestrømmen.

15

Det kan vises, at når den indre diameter af et glasrør bliver lille, vil den kraft, der kan påføres en væske deri, blive meget lille og grænse til 0. Dette skyldes, at den påførte kraft er en funktion af tryk gange areal, 20 og da arealet reduceres med kvadratroden af diameteren, vil arealet, når diameteren formindskes, mindskes endnu hurtigere. Den viskøse modstand mod strømning gennem et snævert rør fremgår af følgende formel: 25 Ppstrykt ^ Pc'verfladesp«ndtri.j — Pviskos modstand·

Hvis Ppitrykt er lille, det vil sige hvis den effektive diameter er lille, kan den ignoreres, og derved gælder: 30 4 T Cos Θ - 32 μίν 0 + d d2 hvor 35 v = væskehastighed T = overfladespænding 6 DK 173554 B1 9 = kontaktvinkel d = diameter af rør 1 = længde af rør g = viscositet 5

Ved at løse for v,

Td Cos Θ V = 8 μΐ 10 I enhver given situation vil T, d, og 0 være konstant, og derfor er strømningshastigheden for harpiksen omvendt proportional med viskositeten og rørlængden. Der er begrænsninger med hensyn til hvad der kan opnås ved sænk-15 ning af viskositeten for et givet materiale. I tilfælde af polymere kan opvarmning reducere viskositeten, men kun i begrænset grad. Hvis derfor v, væskehastigheden, skal være så høj som muligt, skal 1, rørlængden, holdes på et minimum. Det er tilvejebringelsen af kanaler ved frem-20 gangsmåden ifølge opfindelsen, som gør det muligt at holde 1 på et minimum i fiberlaget.

Endnu en betragtning er følgende. Når en injektionsdyse for harpiks kommer i berøring med fiberarmeringslaget vil 25 det kun være det areal af kapillærerne indenfor fiberlaget, som vender ind imod dysearealet, der er tilgængeligt for overførsel af væske i fibrene. På grund af arten af fiberlaminaterne, vil i realiteten hovedparten af væsken, som træder ind i laminatet, gøre det via kapillærer, som 30 findes ved dysens omkreds. Der findes derfor en cirkulær indtrængningslinie, gennem hvilken væsken træder ind i fiberlaminatet, og det er længden af denne linje, der bliver mere betydningsfuld end dysearealet. Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen, hvorved der anvendes 35 kanaler af den nærmere i det efterfølgende beskrevne art, vil indtrængningslinierne være effektivt meget lange.

7 DK 173554 B1

Dette vil igen forøge strømningshastigheden i fiberstrukturen i overensstemmelse med forklaringen ovenfor. Kanalerne, der anvendes til at lede harpiksen gennem kompositten til støbeformen må have tilstrækkeligt store 5 dimensioner til at undgå begrænsning af strømningshastigheden som følge af betingelserne for kapillær strømning, for at gøre det muligt for harpiksen hurtigt at ledes igennem kompositten til dannelse af komplekse tredimensionelle artikler ved meget reducerede 10 cyklustider. Endvidere er det ikke nødvendigt at anvende højtryk ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen. Det fremgår af den ovennævnte redegørelse, at selv høje tryk ikke i væsentlig grad vil reducere cyklustiderne, hvis betingelser for kapillær strømning eksisterer. Endvidere 15 kræver højtrykmassive støbeforme og tilhørende udstyr og vil derfor forøge støbningsomkostningerne. Typisk vil fremgangsmåden ifølge opfindelsen anvende tryk på højst 6 bar, og ofte vil trykket være mindre end 3 bar.

20 Opfindelsen vil blive beskrevet i det efterfølgende ved hjælp af et eksempel og med henvisning til tegningen, hvori fig. 1 er et skematisk tværsnit af en støbeform, der an-25 vendes til konventionel overføringsstøbning, fig. 2 er et tilsvarende billede som i fig. 1 af en støbeform, som er tilpasset til anvendelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen, 30 fig. 3 er en skematisk gengivelse af en kompleks form, der kan produceres ifølge den foreliggende opfindelse, fig. 4 viser et udsnit af en form, der illustrerer en an-35 den udførelsesform for opfindelsen, og 8 DK 173554 B1 fig. 5 er et udsnit af en form, der illustrerer en anden type kanal.

Med henvisning til tegningen, især figurerne 2 og 3, ses 5 at en støbeform 10 til fremstilling af en form som vist på fig. 2 omfatter Øvre og nedre formhalvdele 12, 14, der er delt ved 16 og har en enkelt injektionsport 18. Den for harpiks uigennemtrængelige kerne 20, der f.eks. består af opskummet plastmateriale med lukkede celler, 10 placeres i formhulrummet, der f.eks. kan være omgivet af lag af armeringsfibre, såsom af glas, carbon eller kev-lar, som vil danne et overfladelag på den færdige komposit på tilsvarende måde som ved konventionelle støbningsprocesser. Ifølge den foreliggende opfindelse 15 har kernen 20 dog et hulrum af kanaler 22, centralt beliggende mellem det Øvre overfladelag 24 og det nedre overfladelag 26.

En injektionsdyse 28 er således indrettet, at den kan 20 føres gennem injektionsporten 18 i kanalen 22. Injektion af harpiks i kanalen 22 sikrer, at det fordeles jævnt mellem det Øvre 24 og nedre 26 overfladeflade samtidig. Sidekanaler (ikke vist) fordelt omkring skillelinien 16 sikrer, at den af harpiks fortrængte luft kan forlade 25 formhulheden.

Den forholdsvis simple foranstaltning at tilvejebringe kanalen 22 inde i kernen 20 sikrer, at harpiksen samtidig ledes til det Øvre og nedre overfladelag 24, 26 og 30 reducerer den maksimale længde, som harpiksen skal strømme gennem overfladelagene til omkring formens bredde eller radius. Da bredden af kanalen er større end dysens udledningsdiameter, og da der nu er to udløb til fiberlaget istedet for et, vil indtrængningslinien være betyde-35 ligt forøget - med omkring en faktor på 4 - og derved muliggøre indsprøjtning af harpiksen i fiberlaget med en 9 DK 173554 B1 hastighed, der er fire gange så stor. Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen og under anvendelse af en enkelt injektionsdyse 28 er der således opnået en betydelig forbedring frem for at have to injektionsdyser, en på hver » 5 side af støbeformen, som kunne have været anvendt ved konventionelle harpiksoverføringsstøbningsmetoder med deraf følgende forøgelse af pris og kompleksitet. Hvis det ønskes at reducere cyklustiderne yderligere, kan der anvendes flere kanaler, f.eks. af den på fig. 5 viste 10 type, som skal beskrives i det efterfølgende. Forbedringer af harpiksoverføringshastigheden kan være flere størrelsesordener større, end det er muligt at opnå ved konventionelle metoder.

15 Så snart injektionen af harpiksen er afsluttet, bliver injektionsdysen 28 fjernet, og porten 18 bliver tilproppet, hvorefter harpiksen hærdes eller bringes til at hærde. Afformning på konventionel måde producerer en genstand, der af udseende ikke adskiller sig fra en tilsva-20 rende genstand produceret ved en konventionel støbning, og dog er injektionstiden betydelig reduceret i forhold til den nødvendige tid, hvis der ikke var tilvejebragt J nogen kanaler.

25 På fig. 3 er illustreret et støbt produkt af en forholdsvis kompleks form, som kun vanskeligt eller slet ikke ville kunne støbes tilfredsstillende ved konventionelle metoder. Produktet 30 består af en opskummet kerne 32 og et ydre overfladelag 34. Kernen 32 har et vertikalt 30 kanalsystem 36 og fire horisontale kanalsystemer 38 forbundet hermed. Kanalsystemerne 36, 38 sikrer, at harpiksen, der leveres fra en enkelt injektionsdyse anbragt i kanalsystemet 36 vil føres til de fjerneste dele af formen og dermed sikre en ensartet og hurtig 35 indsprøjtning af harpiks. Naturligvis er harpikshærdning i kanalsystemerne 36, 38 efter indsprøjtningen ikke nogen 10 DK 173554 B1 ulempe - således som det ville have været, hvis harpiksen, som skulle hærdes i kanalerne eller forbindelsesgangene tilvejebragt eksternt for produktet, hvorfra det skulle renses ud før den næste 5 støbningsprocedure.

En særlig fordel ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen går ud på, at det er muligt at foretage eksperimenter for at finde den optimale form for kanal-systemet på meget 10 billig måde. Hvis man i en konventionel støbeform skulle finde frem til, at den form, som skal støbes, er for kompleks for en enkel indføring af harpiks, må der enten skæres yderligere indførselsporte eller ydre kanaler eller kanalerne i støbeformen. Dette er naturligvis 15 tidsrøvende og kostbart, især hvis flere udformninger skal afprøves, før den optimale er fundet. Ved fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse kan kanalerne blot blive udskåret i plastmaterialet, som udgør den opskumme de kerne, hvilket er langt simplere, 20 hurtigere og billigere. Den optimale konfiguration kan derfor findes hurtigt og billigt. Man har til rådighed en empirisk statistisk teknik til udformning af optimal form, hvilket kan benyttes til at udforme kanalerne, kendt som "Taguchi"-metoden. Fremgangsmåden ifølge 25 opfindelsen kan udmærket anvendes i forbindelse hermed, eftersom konfigurationen kan udføres hurtigt og billigt. Kanalnetværket kan modelleres på en computer, og strømningsegenskaberne kan simuleres for at opnå den optimale udformning.

30

Medens udtrykket "kanaler" har været anvendt i den foreliggende beskrivelse vil det forstås, at passagerne for harpiksstrømmen ikke nødvendigvis behøver at være fuldstændigt indesluttede i kernen. Nogle eller alle kanaler 35 kan således ligge i overfladen af støbeformen og være begrænset af armeringsfibrene, der udgør overfladelaget.

DK 173554 B1 11

En sådan konfiguration er illustreret på fig. 5. I et sådant tilfælde foretrækkes det, at "kanalerne” er tilstrækkelige snævre, således at overfladedelene ikke afbøjer eller forvrænger dem. Stivheden af de anvendte 5 fibre gør det muligt at slå bro over en snæver åbning. Kanalerne formes stadig i kernen og ikke i selve formen, således at fordelene ved opfindelsen stadig realiseres. Sådanne overfladekanaler kan hensigtmæssigt have form af en vifte eller et væv af indbyrdes forbindende kanaler og 10 kan være forbundet til et eller flere interne kanaler. Kanaler af den på fig. 5 viste type gør det muligt at fordele harpiksen gennem artiklen samtidig med at der tilvejebringes indtrængningslinier for harpiksen ind i fiberstrukturen. Kanaler inkorporeret i vævet af 15 strukturen udviser samme egenskab.

Med henvisning til fig. 4 er illustreret en udførelses form, ved hvilken et kanalsystem 40 effektivt er dannet inde i fiberlaget 24. 1 dette tilfælde omfatter 20 kanalsystemet 40 en rørformet kerne med en serie udgangsporte 42 for at gøre det muligt for harpiksen at diffundere ind i fiberlaget 24 langs dettes længde såvel som ved hver ende.

25 Selvom fremgangsmåden er beskrevet i relation til harpiksoverføringsstøbning vil det forstås, at den i sin bredere anvendelsesform kan bruges ved enhver støbeproces, der anvender en indre kerne til begrænsning og fordeling af en hærdelig komposition alene til specifikke 30 områder. Fremgangsmåden ifølge opfindelsen er særlig velegnet til at producere genstande, der er beskrevet og beskyttet ved EP Bl nr. 0147050, men er ikke begrænset hertil.

35 12 DK 173554 B1

EKSEMPEL

For at støbe et dæksel til et mandehul i overensstemmelse med ovennævnte Europapatent anvendtes en støbeform med 5 nominelle dimensioner 600 mm x 600 mm x 76,5 mm. I denne blev placeret 13 kerner af polyurethanskum med lukkede celler, omgivet af glasfiberlag til dannelse af tilnærmelsesvis 62 vægt-% af kompositdelen af det færdige dæksel .

10

Den centrale kerne blev udstyret med et kanalsystem svarende til det på fig. 2 viste, og harpiks blev indsprøjtet i kanalsystemet, således at den samtidig kunne løbe ind i toplaget og bundlaget af formen. 10 kg 15 isophthalsyrepolyesterharpiks blev indsprøjtet i løbet af 7 min ved en temperatur ved 4 0 °C. Efter hærdning og afformning og var produceret et stærkt sammenhængende produkt, som kunne bære den vægt, der kræves for et dæksel til et mandehul. Dette produkt kunne ikke 20 fremstilles tilfredsstilende ved realistiske støbningstider ved anvendelse af konventionelle metoder.

Hvis kanal-netværket udvides ved tilvejebringelse af 4 overfladekanaler i hver af øverste og nederste flade af kernen 20, førende til den centrale kanal 22, vil 25 indsprøjtningstiden kunne reduceres yderligere til omkring 2 min.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen tilvejebringer således en simpel, forholdsvis billig og hurtig metode til at 30 producere relativ komplekse former ved harpiksindsprøj tning.

Claims

13 DK 173554 B1

1. Fremgangsmåde til støbning af komplekse genstande el ler komposit-artikler til anvendelse som struktur-elementer, der har et fiberholdigt lag, hvori der indsprøjtes en hærdelig harpiks eller lignende, og en kernedel, kendetegnet ved, at der tilvejebringes en eller 10 flere kanaler i kernen eller fiberlaget, og at harpiksen indsprøjtes direkte i kanalen eller kanalerne ved indføring af en dyse gennem en port i kanalen eller kanalerne, således at harpiksen hurtigt overføres til alle dele af laget, hvorpå dysen fjernes fra porten, som 15 tilproppes, før harpiksen hærder eller bringes til at hærde.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at kernen består af et for harpiks uigennemtrænge- 20 ligt opskummet plastmateriale.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kendetegnet ved, at mindst en kanal findes i kernen.

4. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 1-3, ken detegnet ved, at mindst en kanal er tilvejebragt i fiberlaget.

5. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 1-4, k e n -30 detegnet ved, at kanalerne findes i overfladen af kernen i støbeformen og er begrænset af armeringsfiberla-get, der udgør overfladen eller huden. 1 Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 1-5, k e n -35 detegnet ved, at fibrene i laget består af glas, carbon, aramid eller lignende. 14 DK 173554 B1

7. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 1-6, kendetegnet ved, at kernen omfatter et opskummet polyester- eller polyurethanplastmaterialW med lukkede 5 celler.

8. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 1-7, kendetegnet ved, at fibertætheden i den støbte del af den dannede komposit udgør mindst 60 vægt-%. 10

9. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 1-8, kendetegnet ved, at fibrene er lange og fortrinsvis kontinuerte.

10. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 1-9, ken detegnet ved, at kanalerne tilvejebringer en eller flere indtrængningslinier i laget. 20