NL2012710C2 - Impact bestendig thermoplastisch sandwichmateriaal. - Google Patents

Description

IMPACT BESTENDIG THERMOPLASTISCH SANDWICHMATERIAAL

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een stoot-absorberend element voor een voer- of vliegtuig, in het bijzonder een automobiel of een vliegtuig. De uitvinding heeft tevens betrekking op een van een dergelijk element vervaardigd vloerpaneel of bodemplaat van een vlieg-of voertuig. De uitvinding heeft voorts betrekking op werkwijzen voor het vervaardigen van een verstevigingsstructuur voor een dergelijk stoot-absorberend element en op werkwijzen voor het vervaardigen van een stoot-absorberend element voorzien van één of meer van dergelijke verstevigingsstructuren. De onderhavige uitvinding voorts betrekking op een paneel voor omkastingen of de gehele omkasting met dergelijke panelen, waarbij het paneel een elektromagnetische (af)scherm(ings)functie (EMS) kan hebben.

In de vliegtuigindustrie is de laatste jaren een ontwikkeling in gang gezet waarbij meer en meer metalen onderdelen worden vervangen door geheel of gedeeltelijk van kunststof vervaardigde onderdelen. Toepassing van kunststof heeft verscheidene voordelen. In veel gevallen zijn kunststof onderdelen relatief licht van gewicht en produceerbaar met minder gereedschappen als metalen onderdelen. Daarnaast is de mogelijkheid van lijmverbindingen prominent aanwezig en niet te vergeten de mogelijkheid tot functie-integratie.

Kenmerkend voor een grote groep van deze kunststof onderdelen is de mogelijkheid om deze met behulp van vezels te versterken. Veel gebruikte versterkingsmaterialen zijn o.a. glas en koolstof. Dit kan in verschillende vormen worden toegevoegd, afhankelijk van het productieproces. Zo zijn er vezels met discrete lengte, eindloze vezels en breisel of weefsels.

Er zijn bijvoorbeeld vliegtuigpanelen met een sandwichstructuur bekend bestaande uit twee thermo-hardende, (vezel)versterkte, huiden met daartussenin een PU (polyurethaan) schuimlaag. Deze bekende panelen hebben echter het bezwaar dat ze uit drie verlijmde lagen bestaat en alleen " mechanisch" te bewerken zijn dmv zagen, boren, lijmen, etc. Dit komt de structuurintegriteit niet ten goede en kan, bijvoorbeeld in geval van breuk, gevaar opleveren voor de passagiers.

Tevens is een productiemethode bekend waarbij een thermoplastische sandwich kan worden gemaakt die in-situ geschuimd wordt, waarbij een homogene sandwich ontstaat, dat met behulp van (plaatselijke) verwarming tot een 3D paneel te vormen is. Ook is een methode bekend waarbij met behulp van spuitgiet techniek een sandwich te produceren is. Drijfgassen van ingebrachte materialen kunnen daarbij worden geëxpandeerd om schuim te creëren.

In tegenstelling tot de uit een thermoharder bestaande panelen, is de thermoplastische sandwich eenvoudig te recyclen. Dit is gezien de hoge materiaalprijzen een bijkomend voordeel.

Ofschoon deze thermoplastische sandwich vele voordelen heeft ten opzichte van de thermo-hardende varianten, zijn de vezelversterkingen, die toegepast worden, van nature gebaseerd op het bijdragen aan de gewichtsreductie ten opzichte van bestaande panelen.

Een nadeel van deze versterkingen is echter het gebrek aan integriteit bij een hoge of sterke energie stoot ("impact"). Vooral bij koolstof leidt dit tot een sterke versplintering van het materiaal en een grote kans op verwondingen.

Het is een doel van de uitvinding een bij voorkeur thermoplastisch sandwich materiaal te verschaffen waarin tenminste één van de hierboven genoemde bezwaren volgens de stand van de techniek is ondervangen.

Het is tevens doel van de uitvinding een werkwijze te verschaffen voor het vervaardigen van een van een dergelijke verstevigingsstructuur voorzien thermoplastisch sandwichmateriaal.

Het is voorts een doel van de uitvinding een werkwijze te verschaffen voor het vervaardigen van een van een dergelijke verstevigingsstructuur voorzien impactbestendig paneel.

Daarnaast kan het een doel van de uitvinding zijn om een werkwijze te verschaffen voor het vervaardigen van een behuizingspaneel of zelfs een behuizing uit bijna of helemaal uitsluitend dergelijke panelen, bij voorkeur met een elektromagnetische afschermfunctie, ook wel "Electro-Magnetic Shielding" (EMS) genoemd. De panelen en / of resulterende behuizingen kunnen eveneens deel of object zijn van de onderhavige uitvinding, of slechts een verschijningsvorm daarvan.

Het streven naar gewichtsbesparing in de vliegtuig- en automobielindustrie heeft ertoe geleid dat er steeds meer kunststoffen worden toegepast.

Om aan de hoge mechanische sterkte- en stijfheidseisen te voldoen worden er vezelversterkingen gebruikt. Deze vezels kunnen zich ten opzichte van elkaar onderscheiden door het type vezel, de lengte en de verschijningsvorm, d.w.z. als discrete lengte, als uni-directionele vezel of in weefselvorm van welke aard dan ook.

Een veel voorkomend nadeel van deze vezelversterkingen is het feit dat de sterkte en stijfheid weliswaar zijn toegenomen, maar de brosheid (brittle failure) eveneens. In andere woorden, de integriteit (het bij elkaar blijven van de belastte delen) van het geheel is afgenomen.

Uit eerdere octrooien is bekend dat door middel van metaalweefseis, -koorden e.d. deze integriteit verbeterd kan worden.

De hiervoor gebruikte processen zijn o.a. compression-en injection molding. Een handicap bij deze processen is het optreden van afschuifspanningen tijdens het vloeien van het materiaal. Hiervoor zijn relatief dure inslagdraden noodzakelijk bij de fabricage van het weefsel. STAND DER TECHNIEK: EP-1996388 betreft thermoplastisch materiaal met een ingebedde verstevigingslaag van bijvoorbeeld metaalbreisel of -weefsel, welke verstevigingslaag is ingebed in een thermoplastisch polymeer materiaal.

Uit de gepubliceerde octrooiaanvraag EP-0636463 is het bekend om in een tussenproduct 1 een geïmpregneerde schuimfolie 4 aan te brengen tussen twee of meer weefselhuiden 2, 3, het samenstel te verwarmen en, na het bereiken van de gewenste temperatuur, de geïmpregneerde schuimfolie 4 in het geheel op laten schuimen door een pers, met het tussenproduct 1 daarin, langzaam te openen. Dit levert sandwich panelen 6 op met een opgeschuimde laag 5 en aan ten minste één zijde daarvan een huidlaag 2 of 3. Deze stand der techniek is weergegeven in Figuur IA.

DE UITVINDING

Volgens de uitvinding wordt aan het pakket ten minste één versterkingslaag toegevoegd. Hierdoor ontstaat een plaatmateriaal met een verhoogde impact bestendigheid tegen belasting op één of beide zijden. Dit is getoond in de bijgevoegde doorsnede-aanzichten in de figuren IB - 1D, waarin eigenschappen, elementen, aspecten en componenten kunnen zijn aangeduid met dezelfde referentie nummers als die in Figuur IA. Specifieke voorkeursuitvoeringsvormen zijn gedefinieerd in afhankelijke conclusies, en worden hieronder beschreven.

In de tekening toont:

Figuur IA een voorbeeld van de bekende techniek; en

Figuren IB - 1D diverse uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding;

Figuren 2A en 2B schematisch aanzichten van mogelijk productieprocessen;

Figuren 3A en 3B diverse aanzichten van onderling verschillende uitvoeringsvormen van uit de productieprocessen resulterende producten; en

Figuren 4A - 4D een uitvoeringsvorm tonen met een plaatselijke (in het midden bijv.) krachtdoorleiding.

Figuur 1B toont een uitvoeringsvorm van een tussenproduct 7 van twee huidlagen 2, 3 en een tussengelegen opschuimbare laag 4, en met een versterkingslaag 8 dicht tegen één van de huidlagen 2 of 3, en een resulterend product 9 met opgeschuimd materiaal in de tussenlaag 5, na toepassing van de werkwijze volgens de utvinding en het opschuimen van het materiaal in de opschuimbare laag 4.

Figuur 1C toont een variant van een tussenproduct 10 met de versterkingslaag 8 centraal tussen de huidlagen 2, 3 en in de opschuimbare laag 4 resp. opgeschuimde laag 5 in eindproduct 11.

Figuur 1D toont een uitvoeringsvorm van een tussenproduct 13 met twee versterkingslagen 8, 12, elk tegen een huidlaag 2, 3, zowel in het tussenproduct 13 als in een uiteindelijk product 14. Opgemerkt wordt dat aanvullend in deze uitvoeringsvorm een schuimlaag kan zijn aangebracht tussen de huidlagen 2, 3 en de direct daaronder of -achter (van buitenaf gezien) versterkingslaag 8, in het bijzonder, doch niet uitsluitend, voor het geval twijfel bestaat aan een adequate hechting van de huidlagen 2, 3 direct op of aan de versterkingslaag, hetgeen zou kunnen worden verbeterd, in het bijzonder doch niet uitsluitend wanneer de versterkingslagen 8 zijn gevormd door kale staalkoorden of deze kale staalkoorden omvatten. Dit kan evenzeer het geval zijn in de uitvoeringsvorm van figuur 1B, waar ook een versterkingslaag 8 achter of direct tegen de huidlaag 2 is aangebracht en waartussen bij eventuele voorkeur een opschuimbare of opgeschuimde laag kan worden aangebracht ten behoeve van hechting van de versterkingslaag met eventueel staalkoorden daarin en de betreffende huidlaag 2.

Een aanvullend verkregen, andere eigenschap van het nieuwe resulterende veelal plaatvormige materiaal met metaal in het materiaal van de versterkingslaag is een elektromagnetische afscherming (EM shielding).

De basis van de vinding is gelegen in een op in situ opschuimen gebaseerd systeem, zoals bekend uit EP-0636463, waarnaar hierin kan zijn gerefereerd als het FITS systeem. Dat betreft een thermoplastisch schuim.

Matrix materiaal is thermoplast PEI (polyetherimide), maar daarvoor in de plaats kunnen ook amorfe of kristallijne thermoplasten zoals o.a. PA, PP of welke andere thermoplast dan ook zijn toegepast. Onder invloed van een fysisch of chemisch schuimmiddel of blaasmiddel in de desbetreffende folie kan het matrixmateriaal opschuimen volgens de op in-situ opschuimen gebaseerde techniek, waarbij ter referentie naar EP-0636463 wordt verwezen ter illustratie van bekende schuim middelen, welke (en andere) schuim middelen hierin zijn opgenomen door verwijzing hierin naar EP-0636463.

Voorbeelden van materialen in de versterkingslaag 8 zi jn: staalkoorden; aramide; polyester; en metaalweefsels/breisels uit staal, koper, etc. Belangrijk is hierbij dat de koorden een minimale afstand hebben van elkaar, die o.a. bepaald wordt door de dikte van de schuimlaag, het vermogen van op te schuimen materiaal om goed te hechten aan de versterkingslaag om hier goed doorheen te penetreren tijdens het opschuimen daarvan, et cetera. Bepalend voor onder meer verder een sterkte van een resulterend product is namelijk een voldoende hechtingsoppervlak van het schuim aan de buitenhuiden 2, 3.

Het is mogelijk, dat in de praktijk een totale dikte van opschuimbare folie eenzelfde dikte moet hebben als de dikte van de versterkingslaag 8, bij voorbeeld omdat anders niet een afdoende druk op de folie kan worden uitgeoefend en in een dusdanig geval folie kan beginnen te schuimen, bij indien dit een gering verschil is weet ik niet wat er gebeurt maar is het groter dan kan dat de vorming van het schuim zeer waarschijnlijk sterk beïnvloeden en daarmee de mechanische eigenschappen van het schuim.

In een toepassing met koorden kunnen deze variëren in lengte, dikte (aantal mono-filamenten), aantal, structuur, en andere eigenschappen, mede of geheel afhankelijk van beoogde toepassingen. Dergelijke toepassingen kunnen zijn: impactgevoelige panelen in vliegtuigen impactgevoelige onderdelen in auto's structureel basismateriaal voor de automobielindustrie. Elektromagnetisch konstruktie materiaal.

In figuur 2A is een mal 15 getoond met daarin een pakket 10, zoals dat van Figuur 1C. De mal 15 omvat bovenste malhelft 17, 18 en onderste malhelft 16, 19. Elke malhelft 17, 18 en 16, 19 omvat een centraal deel 16, 17 en ten minste één of meer dan één randdeel 18, 19. met dubbele pijlen is weergegeven, dat centrale maldelen 16, 17 en raddelen 18, 19 afzonderlijk te bewegen zijn.

Vanuit de situatie met de mal 15 in een geopende toestand wordt het pakket 10 gelegd of samengesteld in de mal 15. Volledigheidshalve wordt hier opgemerkt, dat zo'n pakket 10 bij voorkeur ten minste één huidlaag 2 of 3 en een versterkingslaag 8 omvat, met tot aan de randen van het pakket 10 ook opschuimbaar materiaal, zoals ook weergegeven met de referentienummers voor de opgeschuimde laag of lagen 5 in figuren 3A en 3B.

Vervolgens vindt het verwarmen van het pakket plaats, om in het bijzonder het opschuimbare materiaal van de lagen 4 te verwarmen. Dit kan via directe of indirecte verwarming van de maldelen, 16, 17, 18, 19 en in een gesloten toestand van de mal 15.

Vervolgens worden de centrale delen 16, 17 van de mal 15 geleidelijk geopend, om de opschuimbare lagen 4 op te schuimen en de opgeschuimde lagen 5 in figuur 1C te vormen. Daarbij blijven de randdelen 18, 19 van de mal gesloten of dicht, zodat de opschuimbare laag in een randstrook 20 van het pakket 10 en het uiteindelijke product 11 in figuur 1C geen kans krijgt op te schuimen. Op en dusdanige wijze krijgt de randstrook 20 (niet getoond in Figuur 1C) een compacte en dichte vorm, die uitermate geschikt is om gaten (niet getoond) in aan te brengen, bijvoorbeeld door te boren, welke gaten kunnen dienen voor montage en/of assemblage van de producten 11.

In een uitvoeringsvorm van de producten 21 in Figuur 3A is een randstrook 22 aan de onderzijde van het product 21 flush met centraler gelegen delen daarvan. Dit is te bewerkstelligen door het centrale maldeel 16 een eenheid te maken met het randdeel 19 of de randdelen 19, of door het centrale maldeel 16 stil te houden ten opzichte van de randdelen 18, 19, wanneer het tegenover gelegen centrale maldeel 17 weg wordt bewogen van het pakket om de opschuimbare laag ruimte te bieden om op te schuimen.

In een andere uitvoeringsvorm van een product 23 is een randstrook 24 centraal gelegen ten opzichte van de dikte van het product 23. Dit is te bewerkstelligen door de tegenover elkaar gelegen centrale maldelen 16, 17 tegengestelde bewegingen te laten doorlopen, nadat de mal 15 is gesloten en het pakket 10 is verwarmd, zodat de opschuimbare lagen 4 in figuur 1C in beide richtingen ten opzichte van de centraal gelegen versterkingslaag 8 kunnen opschuimen. De randstrook 24 is ook hierbij dicht en compact, omdat de randdelen 18, 19 van de mal gesloten blijven tijden het opschuimen van de opschuimbare lagen 4.

Het is mogelijk dat sommige huidmaterialen van huiden 2, 3 tijdens het opschuimen van het opschuimbare materiaal zijdelings terug kunnen trekken vanuit een klemwerking van de randdelen 18, 19, als deze materialen niet oprekken in een proces zoals dat in samenhang met figuren 2A en 2B is beschreven, ondanks klemkracht daarop tussen klemmende randdelen 18, 19. In dergelijke gevallen kan het mogelijk zijn om eerst een volledig plaatelement 11 te vormen, zoals in figuur 1B, en daarna randen van de gevormde plaat 9, 11 of 14 te comprimeren, waarbij opgeschuimd materiaal tussen de versterkingslaag 8 en de huidlagen 2 weer wordt gecomprimeerd. Hiertoe kan de mal van figuren 2A en 2B zodanig worden gebruikt, dat de randdelen eerst tijdens het opschuimen mee bewegen met de centrale delen 16, 17 en dan terug op elkaar worden bewogen als de centrale delen van elkaar af blijven staan. Een andere inrichting kan hiertoe ook worden gebruikt.

In figuren 4A - 4D is aangegeven hoe een plaatselijke (in het midden bijv.) krachtdoorleiding 31 zou kunnen worden gemaakt. Hiertoe moet eerst een klem of pers 25 worden gebruikt om plaat 11 een in het bijzonder opgeschuimd materiaal 5 daarin lokaal te comprimeren. Daartoe kan in de klem of pers 25 een soort kruis 30 zijn aangebracht, zoals in figuur 4E is getoond ter zijde van figuur 4A, om een lokale verzwakking te maken als aanvulling op de compressie van het opgeschuimde materiaal 5, en om de huiden 2, 3 mee te laten geven (waartoe verwarming toegepast zou kunnen worden). Bij het vormen van een gat 28 kan eerst een verwarmde doorn 26 door de lagen van de plaat 11 worden gestoken, waarmee te bewerkstelligen is dat de staaldraden of andere elementen of componenten van de versterkingslaag 8 iets uit elkaar wijken. Om daarbij nog een verbeterde veiligheid tegen corrosie te verkrijgen, in het bijzonder in geval van staaldraden, indien toegepast in de versterkingslaag 8, zou rondom het gat een laagje PEI 27 -schematisch in figuur 4C weergegeven als een aan te brengen druppel 27 - kunnen worden aangebracht middels bijvoorbeeld spuitgieten of een willekeurige andere manier, om een rand 29 om en in gat 28 te vormen, en daarmee ook de krachtdoorleiding 31 te verwezenlijken met een corrosie bescherming.

Inslagdraden van de versterkingslaag 8 kunnen bestaan uit iedere kunststof die te weven is, zoals polyester, PA, PP, PEI, Aramide, etc. In tegenstelling tot een GMT variant is hier geen sprake van dwarskrachten.

Een voordeel van de toepassing als EMS is het feit dat door de plaat haaks om te zetten, er een "naadloze" afscherming kan worden gevormd.

In een niet getoonde uitvoeringsvorm kan een enkele van de huidlagen 2, 3 zijn toegepast, met de versterkingslaag 8 - centraal in de opgeschuimde laag 4 zoals in figuur 1C, en/of - tegen de enkele huidlaag 2 of 3, zoals weergegeven in figuur 1B, en/of - in de plaats van ten minste één van de huidlagen 2, 3, waarbij de versterkingslaag 8 gelijktijdig kan dienen als versterkingslaag 8 en huidlaag 2, 3. Ook een laag met traditioneel huidmateriaal 2, 3 en een daarin geïntegreerde versterkingslaag 8 is mogelijk binnen het kader van de onderhavige uitvinding.

Claims (15)

1. Een tussenproduct, omvattende ten minste één huidlaag, en een opschuimbare laag, verder omvattende een versterkingslaag, welke is ingebed in de opschuimbare laag of tussen de opschuimbare laag en de huidlaag.

2. Een product, omvattende van ten minste één huidlaag, en een opgeschuimde laag, verder omvattende een versterkingslaag, welke is ingebed in de opgeschuimde laag of tussen de opgeschuimde laag en de huidlaag.

3. Een product volgens conclusie 2, omvattende een randstrook, waar opschuimbaar materiaal gecomprimeerd is.

4. Een werkwijze voor het uit een tussenproduct volgens conclusie 1 vervaardigen van een product volgens conclusie 2, omvattende het opschuimen van de opschuimbare laag in het tussenproduct, bijvoorbeeld door verwarming daarvan.

5. De werkwijze volgens conclusie 4, waarbij het tussenproduct ten minste één rand omvatten, en de werkwijze het inklemmen omvat van de rand.

6. De werkwijze volgens conclusie 5, waarbij het inklemmen van de rand omvat: het aangrijpen van een samenstel van ten minste de opschuimbare of de opgeschuimde laag, de versterkingslaag en de ten minste ene huidlaag.

7. Een voertuig, zoals een auto of een vliegtuig, omvattende ten minste één product volgens conclusie 2 of 3.

8. Een tussenproduct of een product of een voertuig of een werkwijze volgens een betreffende van de voorgaande conclusies, waarbij de versterkingslaag metaal omvat.

9. Het tussenproduct of product of voertuig of de werkwijze volgens conclusie 8, waarbij de versterkingslaag een set koorden of een weefsel / breisel omvat van metaaldraden.

10. Het tussenproduct of product of voertuig of de werkwijze volgens conclusie 8 of 9, waarbij het weefsel / breisel een metaal omvat uit de groep, welke ten minste omvat: staal, koper en RVS.

11. Het tussenproduct of product of voertuig of de werkwijze volgens conclusie 5, 6 of 7, waarbij ten minste één van de ten minste ene huidlaag en de opschuimbare of opgeschuimde laag thermoplastisch is.

12. Het tussenproduct of product of voertuig of de werkwijze volgens ten minste één van de voorgaande conclusies 8 - 11, waarbij een elektromagnetische schermlaag is aangebracht.

13. Het tussenproduct of product of voertuig of de werkwijze volgens conclusie 12, waarbij de schermlaag is gevormd door de versterkingslaag.

14. Het tussenproduct of product of voertuig of de werkwijze volgens ten minste één van de voorgaande conclusies 8-13, waarbij het opschuimbare of opgeschuimde materiaal ten minste omvat: een fysisch of chemisch schuimmiddel of blaasmiddel en één of meer dan één van de materialen uit de groep, omvattende amorfe en kristallijne materialen, thermoplastische materialen, polyether imide, poly-urethaan, poly-propyleen en poly-amide, et cetera.

15. Het tussenproduct of product of voertuig of de werkwijze volgens ten minste één van de voorgaande conclusies 8 - 14, waarbij de opgeschuimde laag lokaal is gecomprimeerd, langs ten minste één van: een rand; en een hoek, en optioneel een doorgang of andere krachtgeleiding bevat.