SE501085C2 - Metod för tillverkning av kroppar av fiberkompositer - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 35 501 085 3, formen fylles genom att en flytande polymer injiceras i verktyget, genom ett eller flera ingöt, varvid verktyget avluftas, genom en eller flera avluftningspunkter, 4, polymermaterialet härdas i verktyget, 5, verktyget öppnas och den formade detaljen avformas.

Processen ställer krav pä det polymera matris materialets fysikaliska egenskaper och pä god kontroll över deras för- ändring under härdningssteget. Formfyllnads kravet innebär att det flytande polymera matrismaterialet mäste uppvisa en tillräckligt lag viskositet och bibehälla denna till dess att hela formverktyget fyllts trots att härdningen ibland päbörjas redan under formfyllnaden. Samtidigt bör den forma- de detaljen efter avslutad formfyllnad snabbt nä en styvhet, genom att härdning när en sädan nivä, sä att detaljen kan avlägsnas ur verktyget utan nägon förlängd uppehällstid och avformas varigenom en hög produktivitet uppnäs.

RTM-verktyg bestär av tvá eller fler verktygsdelar som vid formfyllnad och härdning definierar ett formrum med detal- jens geometri. Verktyget är alltid anordnat att innefatta minst ett ingöt för tillförsel av det flytande polymera mat- ris materialet och minst en avluftningsport för evakuering av i vertyget vid formfyllnaden befintlig luft. Positione- ring och utformning av ingöt och avluftningspunkter är helt avgörande för att uppnä en god formfyllnad. Det är vanligt att genom avluftningsportarna applicera ett undertryck i verktyget för att öka tryckdifferensen mellan ingöt och flödesfront och därmed minska tiden för formfyllnad.

Användning av vakuum, undertryck, sänker vanligen ocksa halten av luftinneslutningar, porer.

Typisk pressas det polymera matris materialet in genom ingö- tet med ett lägt tryck, injiceringstryck, 0.1 - 1 MPa, vilket innebär att den verktyget sammanhällande kraften, läskraften kan begränsas. Samtidigt innebär det att de kraf- ter som verkar pà verktygsytorna blir läga varigenom goda geometriska toleranser kan erhällas även med relativt enkla verktygskonstruktioner. Detta sammantaget innebär att inves- 10 15 20 25 30 35 501 085 teringskostnaderna för RTM processen ar laga vid en jämfö- relse med andra processer för formning av fiberkompositer, speciellt processer för formning av högpresterande fiber- kompositer.

Formfyllnaden är ett mycket kritiskt processteg under vilket det krävs att den i formrummet placerade fiberarmeringen fylls ut fullständigt utan att luftinneslutningar, porer, kvarstár i den formade detaljen. Dessutom krävs att form- fyllnadstiden är kort för att uppná hög produktivitet.

Fullständig utfyllnad av formrummet och av den sà kallade fria volymen i fiberarmeringen uppnás enklast vid enkla och symmetriska geometrier och med en i formrummet jämnt förde- lad fiberhalt i hela fiberarmeringen. För mer komplexa geo- metrier eller vid en fiberarmering med varierande fiberhalt eller en i formrummet ojämnt fördelad fiberarmering ar det ofta svart att uppnà en god formfyllnad och/eller làg por- halt.

Formfyllnad, porhalt och fyllnadstid pâverkas sáledes av ett flertal mer eller mindre samverkande parametrar, sàsom inji- ceringstryck, undertryck i verktyget, det polymera matris materialets viskositet, dess vätningsegenskaper relativt fiberarmering och verktygets ytor, injiceringstracka och fiberarmeringens permeabilitet.

Vidare kan formfyllnad och formfyllnadstid förändras genom val av formfyllnadsstrategi. Tvà principiellt olika strate- gier är vanligen förekommande: A. Punktinjicering, varmed avses att ett eller flera ingöt placeras nära detaljens centrum och att flödesfronten propagerar frán ingötet/ingöten i alla riktningar ut mot detaljens kanter där avluftning sker genom en eller flera avluftningsportar.

B. Kantinjicering, varmed avses att ett eller flera ingöt placeras längs en eller flera av formrummets kanter via en ingöts- eller fördelningkanal. Nar fördelningskanalen anord- 10 15 20 25 30 35 501 085 nas att tillföra polymer genom ingöt vilka väsentligen är placerade längs en kant eller sidoyta, propagerar flödes- fronten under formfyllnaden i en riktning frän denna kant eller sidoyta mot den eller de motsatta sidoytor där avluft- ning sker. När fördelningskanal och ingöt anordnas att till- föra polymer frán de kanter eller sidoytor vilka utgör de- taljens yttre begränsningsyta eller periferi propagerar flö- desfronten under formfyllnaden frán periferin mot centrum där avluftning sker.

Generellt gäller att kantinjicering ger kortare fylltid än punktinjicering för samma detalj och med samma processpara- mêtrar .

Fiberarmeringens genomsläpplighet, permeabiliteten, är av avgörande betydelse för formfyllnadstiden. Permeabiliteten i armeringen bestäms främst av volymshalten fiber i fiberarme- ringen. Höga fiberhalter vilket förekommer i högpresterande polymera fiberkompositer ger ett stort motständ för den fly- tande polymermassan, hartset, att impregnera fiberarmeringen varigenom fyllnadstiden blir oacceptabelt läng. Vid läng fyllnadstid pâverkas även härdningen pä ett negativt sätt eftersom härdförloppet mäste anpassas för att uppfylla kravet pä lág hartsviskositet under väsentligen hela form- fyllnadstiden. För manga hartsmaterial kan kraven pà bibe- hallen làg viskositet under en läng formfyllnadstid för att säkerställa god fyllnad och lág porhalt ej kombineras med kraven pä ett snabbt härdförlopp i ett efterföljande härd- steg utan vanligen mäste man kompromissa mellan dessa krav.

Härigenom erhälls vanligen, vid ett konstant injicerings- tryck, en minskning av flödesfrontens hastighet sä att den totala formfyllnadstiden är proportionell mot kvadraten pá injiceringssträckan. Härigenom erhäller stora detaljer orim- liga formfyllnadstider om inte ett stort antal ingöt kan anordnas för att avkorta nödvändiga injicerings längder. Ett stort antal ingöt komplicerar och fördyrar dock verktygen.

Ett ändamäl med den uppfunna metoden är att erbjuda en pro- cess under vilken ett flytande polymermaterialet med minime- 10 15 20 25 30 35 H31 085 rad formfyllnadstid tillföres och fyller en av ett hälrum i ett formverktyg definierad form och impregnerar en i nämnda form anordnad förform av fiberarmering. Vidare erbjuder den uppfunna metoden en fullständig formfyllnad med minimerad porhalt och en kvalitetsmässigt repeterbar formfyllnad under kontrollerbara betingelser.

UPPFINNINGEN Vid framställning av polymera fiberkomposit kroppar med RTM- teknik anordnas ett formverktyg att definiera ett formrum, varefter en förformad fiberarmering placeras i formrummet innan ett flytande harts av ett làgvisköst polymermaterial tillföres formrummet. Formrummet fylles väsentligen helt med polymermaterial varvid nämnda fiberarmering impregneras väsentligen fullständigt av polymermaterialet. När polymer- materialets viskositet genom härdning har höjts till att ge den formade kompositkroppen en styvhet som tilläter att den formade fiberkompositkroppen kan hanteras avformas den.

Enligt det uppfunna förfarandet tillföres formrummet under formfyllnaden harts genom en eller flera i fiberarmeringen anordnade centralt placerade injiceringskanaler, varvid nämnda harts införes i gjutformen genom ett i injicerings- kanalens ingötssida anordnat ingötshäl och injiceringskana- len under formfyllnaden förlängs kontrollerat för att styra tillförseln av harts sä att hartsets flödesfront, under det att formrummet fylles och fiberarmeringen impregneras med harts, propagerar väsentligen parallellt med nämnda injice- ringskanals axel genom formrummet, allteftersom injicerings- kanalen förlängs in i formrummet.

Den uppfunna metoden är speciellt lämplig vid tvä typer av kompositprodukter för vilka bada den förformade fiberarme- ringen innefattar hálrum vilka resulterar i hälkroppar eller detaljer innefattande säväl armerade som oarmerade partier, sandwichkonstruktioner. Företrädesvist anordnas väsentligen cylindriska injiceringskanaler i nämnda oarmerade hälrum. med Injiceringskanalen kan definieras av ett rör, en liner, för hartset permeabla väggar eller formas av fiberarmeringen 10 15 20 25 30 35 5Û1 085 eller som ett hälrum i en för hartset permeabel kärna. Inji- ceringskanalen kan vara rak och cylindrisk men även anordnas med konturer vilka följer den formade kroppens geometri.

Detta uppnäs i en utföringsform av uppfinningen genom att en kolv anordnas i nämnda injiceringskanal och när harts under formfyllnaden tillföres genom ett ingötshäl i injiceringska- nalens ena ände utdrages eller pressas kolven ut ur sin in- skjutna position genom ett i injiceringskanalens andra ände anordnat häl varigenom injiceringskanalens förlängs under formfyllnaden och hartsets flödesfront propagerar väsentli- gen parallellt med nämnda injiceringskanals axel.

Samma effekt uppnäs när nämnda kolv i en annan utföringsform av uppfinningen anordnas i form av en slang vilken under formfyllnaden vränges ut och in och utdrages ur injicerings- kanalen genom ett i den ingötshälet motstàende änden av injiceringskanalen anordnat häl.

Enligt ytterligare en utföringsform av uppfinningen anordnas nämnda kolv tvädelad med en inre stationär axel, vilken kvarstannar i formrummet under formfyllnaden, för att mini- mera injiceringskanalens volym, och en yttre koncentriskt med nämnda axel anordnad hylsa vilken under formfyllnaden pä ovan nämnda sätt pressas eller utdrages ut ur ett häl anord- nat i den ingötshàlet motstàende änden av injiceringskana- len.

Vid framställning av polymera fiberkompositer enligt det uppfunna förfarandet minimeras formfyllnadstiden genom att under hela formfyllnadstiden avständet frän fritt flytande harts i injiceringskanalen till flödesfronten som propagerar genom fiberarmeringen är litet och konstant vilket i jämfö- relse med konventionell RTM-teknik kraftigt reducerar form- fyllnadstiden vid; - stora och/eller länga kroppar, - kroppar med hög fiberhalt, - matrispolymerer med hög visositet. 10 15 20 25 30 35 .501 085 Dessutom erhålles genom det korta avståndet från fritt fly- tande harts i injiceringskanal till flödesfronten genom fiberarmeringen som erhålles med uppfunna förfarandet en god kontroll över formfyllnadsförloppet vilket härigenom styres med kolvens rörelser.

Med det uppfunna förfarandet erhålles en materialtillförsel vilken under formfyllnaden sker kontrollerat från injice- ringskanalen eller kanalerna i kroppens inre vilket är gynn- samt för att undvika luftinneslutningar och andra inhomoge- niteter som kan hänföras till stört materialflöde genom fiberarmeringen.

Det uppfunna förfarandet år mycket fördelaktigt för till- verkning av långa hålade produkter såsom högprestanda rör, liksom för integrerad tillverning av komplexa detaljer, såsom tillverk- rör med integrerade flänsar och för drivaxlar, ning av styrytor inklusive axel och infästning, i ett steg.

Det uppfunna förfarandet är också mycket värdefullt för tillverkning av kompositer med högviskösa matrissystem såsom högtemperaturbeständiga härdplaster, höghållfasta härdplas- ter och termoplaster.

FIGURER Uppfinningen ska i det följande förklaras mer ingående och exemplifieras med ett antal föredragna utföringsformer under hänvisning till bifogade figurer. Figur 1 visar ett förfa- rande enligt uppfinningen där flödesfrontens utbredning styres med hjälp av en i injiceringskanalen anordnad kolv. I figur 2 visas en utföringsform där flödesfrontens utbredning styres genom att en i injiceringskanalen anordnad slang under formfyllnad vränges ut och in och utdrages ur injice- ringskanalen. Figur 3 visar en utföringsform genom vilken injiceringskanalens volym minimeras under formfyllnaden. 10 15 20 25 30 35 501 085 FIGURBESKRIVNING Vid framställning av en polymer kompositkropp med RTM-teknik enligt en utföringsform av det uppfunna förfarandet, vilken visas i figur 1. placeras en förformad fiberarmering 11 i ett formverktyg 12. I fiberarmeringen 11 har en cylindrisk injiceringskanal 13 anordnats. En kolv 14 har inskjutits i injiceringskanalen 13 genom ett häl 15 i formverktyget 12.

Kolven 14 fyller i inskjutet läge upp väsentligen hela injiceringskanalens 13 volym och kan obehindrat förflyttas i injiceringskanalen 13. Ett ingötshäl 16 är anordnat i form- verkyget 12 och mynnar i injiceringskanalens 13 ena ände, ingötssidan 17, medan kolvens utloppshäl 15 är anordnat i injiceringskanalens andra ände 18. Avluftningspunkter, icke visade, anordnas sàsom fallet är vid konventionell tillverk- ning enligt RTM-teknik utifrän detaljens geometri. Harts tillföres under formfyllnaden genom det i injiceringskana- lens 13 ingötsida 17 anordnade ingötshälet 16 med ett kont- rollerat tryck och flöde. Vid formfyllnadens början upptar kolven 14 väsentligen hela injiceringskanalens 13 volym.

Kolven 14 förflyttas därefter kontrollerat sä att en flödes- front 19 bildas vilken under formfyllnaden propagerar med ett konstant och litet förspräng, X, relativt den av kolvens förflyttning styrda förlängningen av injiceringskanalen 13.

Flödesmotständet i injiceringskanalen 13 är litet och för- sumbart relativt flödesmotstàndet i den förformade fiberar- meringen ll vilket medför att tryckfallet i injiceringskana- len 13 är litet under formfyllnaden. Tryckdifferensen mellan injiceringskanalen 13 och flödesfronten 19 är hela tiden stor och konstant vilket är liktydigt med att harts tillfö- res genom ett ingöt vilket väsentligen följer flödesfronten 19 under dess propagering längs injiceringskanalen 13 under form fyllnaden. Denna stora tryckdifferens över en kort sträcka upprätthälles under väsentligen hela formfyllnaden.

När väsentligen hela fiberarmeringens 11 fria volym har ersatts med polymermaterial avslutas formfyllnaden med att kolven 14 förflyttas tillbaka till utgångsläget, vilket tömmer injiceringskanalen 13 med ett omvänt flöde ut genom 10 15 20 25 30 35 501 085 ingötshålet 16. Därefter vidtar härdningsteget under vilket polymermateria-lets styvhet höjes med för aktuellt polymer- material relevant teknik. När den formade kompositkroppen uppnått tillräcklig styvhet avformas med vid konventionell tillverkning medelst RTM-teknik vedertagna metoder.

Kolvfunktionen kan som framgår av den i figur 2 visade utfö- ringsformen uppnås med en vrängd slang. En förformad fiber- armering 21 placeras i ett formverktyg 22. I en i fiberarme- ringen 21 anordnad injiceringskanal 23 införes genom ett hål 25 i formverktyget 22 en slang 24. Slangen 24 som i sin in- skjutna ände 241 är vrängd och tillsluten fyller vid form- fyllnadens början, genom att ett inre övertryck appliceras i slangen 24, väsentligen hela injiceringskanalens 23 volym.

En inuti slangen 24 anordnad stäng eller lina 242 fästes i den vrängda änden 241. Genom att nämnda stång 242 under formfyllnaden drages ut genom hålet 25 vränges slangen 24 ut och in och drages likaså ut ur injiceringskanalen 23 genom hålet 25. Härigenom förlängs under formfyllnaden, som på ovan beskrivet sätt sker genom att harts tillföres genom ingötshålet 26. 29 kontrollerat propagerar väsentligen parallellt med injiceringskanalen 23 så att flödesfronten injiceringskanalen på samma sätt som under den tidigare beskrivna utföringsformen. Denna utföringsform är speciellt fördelaktig genom att ingen rörelse sker i gränsytan 244 mellan injiceringskanalens inneryta 231 och slangen 24.

Vidare medges att injiceringskanalens 24 geometri kan väljas fritt. Det inre övertryck som appliceras i slangen 24 balanseras mot det använda ingötstrycket i hartset för att förhindra att slangen 24 kollapsar. Efter avslutad formfyll- nad trycksättes åter slangen så att vrängningen succesivt återgår under det att överskottet av harts i injiceringska- nalen 23 pressas tillbaka genom ingotshålet 26. Det inre övertrycket i slangen 24 behålles under det efterföljande härdningsteget vilket liksom avformning utföres på tidigare angivet sätt med vedertagna metoder.

Injiceringskanalens volym minimeras under formfyllnaden vid användning av den i figur 3 visade utföringsformen av upp- 10 15 20 25 30 10 501 085 finningen. En förformad fiberarmering 31 placeras i ett formverktyg 32. I en i fiberarmeringen 31 anordnad injice- ringskanal 33 införes en tvädelad kolv 34a, 34b genom ett häl 35 i formverktyget 32. Kolven innefattar en stationär axel 34a, och en kring denna axel koncentriskt anordnad hylsa 34b vilken löper längs hela injiceringskanalens 33 längd. Hylsan 34b fyller i inskjutet läge upp väsentligen hela injiceringskanalens 33 volym och kan obehindrat för- flyttas 33. För att uppnà fullgod tätning anordnas utanför hylsan 34b ett i figur tätningskikt 34c, vilket är stationärt förankrat i kolven 34a, det avtätar injiceringskanalen 33. längs den stationära axeln 34a i injiceringskanalen staionärt flexibelt koncentriskt tätningsskikt 34c, 3 visad som en slang. Hylsan 34b löper mellan detta och kolven 34a för att pressa ut tätningskiktet sa att Ett ingötshál 36 är anordnat i formverkyget 32 och mynnar i injiceringskanalens 33 ena ände, ingötssidan 37, medan hylsans utloppshäl 35 är anordnat i injiceringskanalens andra ände 38. Harts tillfö- res under formfyllnaden genom det i injiceringskanalens 33 ingötsida 37 anordnade ingötshälet 36 med ett kontrollerat tryck och flöde. Vid formfyllnadens början upptar hylsan 34b väsentligen hela injiceringskanalens 33 volym. Hylsan 34b förflyttas därefter kontrollerat sä att en flödesfront 39 pä ovan beskrivet sätt bildas och under formfyllnaden kontrol- lerat propagerar väsentligen parallellt med injiceringskana- len 33 axel genom formrummet. När väsentligen hela fiberar- meringens 31 fria volym har ersatts med polymermaterial av- slutas formfyllnaden med att hylsan 34b förflyttas tillbaka till utgängsläget, vilket tömmer injiceringskanalen 33 med ett omvänt flöde ut genom ingötshàlet 36. Därefter härdas och avformas den formade kompositkroppen pä tidigare beskrivet sätt.

Claims (4)

10 15 20 25 30 35 11 501 085 PATENTKRAV

1. Sätt att framställa kroppar av polymer fiberkomposit i ett formverktyg vilket anordnas att definiera ett formrum, där en förformad fiberarmering placeras i formrummet varef- ter ett flytande harts av ett lägvisköst polymermaterial tillföres formrummet sä att formrummet väsentligen fylles med polymermaterial och nämnda fiberarmering impregneras väsentligen fullständigt av polymermaterial under formfyll- naden varefter polymer materialets viskositet höjes sä att kroppen erhäller en styvhet där den formade fiberkomposit kroppen kan avformas, kännetecknat av - att nämnda harts tillföres formrummet genom en eller flera i fiberarmeringen (ll,2l,3l, 41, 51) anordnade injicerings- (l3,23,33,43,53). - att nämnda harts infores i gjutformen genom ett i injice- kanaler ringskanalens ingötssida (l7,27,37) anordnat ingötshäl (16, 26,36) och - att injiceringskanalen, under formfyllnaden, kontrollerat förlängs för att styra tillförseln av harts sä att hartsets flödesfront väsentligen parallellt med nämnda injiceringskanals axel (l9,29,39,49,59) under formfyllnaden propagerar genom formrummet.

2. Sätt enligt patentkrav 1, kännetecknat av att en kolv (14,24,34) anordnas i nämnda injiceringskanal, varvid nämnda kolv under formfyllnaden utdrages eller pressas ut genom ett, ringskanalen, i den ingötsidan motsatta änden (l8,28,38) av injice- anordnat häl (l5,25,35) varigenom injicerings- kanalens förlängning kontrolleras och hartsets tillförsel (19,29.39) fyllnaden propagerar väsentligen parallellt med nämnda styres sä att hartsets flödesfront under form- injiceringskanals axel genom formrummet.

3. Sätt enligt patentkrav 2, kännetecknat av att nämnda kolv anordnas i form av en slang vilken under formfyllnaden vränges ut och in och utdrages genom den ingötssidan motstäende änden av injiceringskanalen. 10 501 oss Ü

4. Sätt enligt patentkrav 2, kännetecknat av att nämnda kolv anordnas tvàdelad med en inre stationär axel (34a) vilken kvarstannar i formrummet under formfyllnaden och en yttre koncentriskt med nämnda axel anordnad hylsa (34b) vilken under formfyllnaden pressas eller utdrages ut ur ett, i den ingötsidan (37) motstàende änden (38) av injiceringskanalen (33), anordnat hal (35).