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Dokumentenidentifikation DE19853709C1 10.02.2000
Titel Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen bzw. Kunststoffbauteilen nach einem modifizierten RTM-Verfahren
Anmelder Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 53175 Bonn, DE;
Invent GmbH, 38100 Braunschweig, DE
Erfinder Kleineberg, Markus, 30966 Hemmingen, DE;
Nickel, Jörg, 38104 Braunschweig, DE;
Pabsch, Arno, 38110 Braunschweig, DE;
Sigle, Christof, 38104 Braunschweig, DE;
Schöppinger, Carsten, 38259 Salzgitter, DE
Vertreter Einsel, M., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 38102 Braunschweig
DE-Anmeldedatum 20.11.1998
DE-Aktenzeichen 19853709
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 10.02.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.02.2000
IPC-Hauptklasse B29C 70/48
IPC-Nebenklasse B29C 70/42   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft ein modifiziertes Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen bzw. Kunststoffbauteilen durch Imprägnierung eines vorgeformten trockenen Fasermaterials mit Harz in einer Form, wobei die Evakuierung der Form und die Injektion des Harzes über eine einzige Leitung möglich ist, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und Mittel, mit denen Gaseinschlüsse in dem imprägnierten Fasermaterial verhindert werden können.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Bauelementen aus Faserverbundwerkstoffen, wobei ein vorgeformtes trockenes Fasermaterial in eine Form eingebracht und in der Form mit einem reaktiven Harz bzw. Harzgemisch imprägniert wird.

Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren mit dem Gaseinschlüsse in dem Fasermaterial vermieden werden können sowie ein Mittel hierfür.

Die Herstellung leistungsfähiger Faserverbundwerkstoffe durch Imprägnierung eines trockenen Fasermaterials mit einem Harz und Aushärten des Harzes in einer Form, wobei die Form zur Verbesserung der Laminatqualität vor der Harzinjektion evakuiert werden kann, ist an sich bekannt.

Derartige Fasenverbundwerkstoffe, wie sie zum Beispiel für die Luftfahrt und den Kfz-Bau eingesetzt werden, werden zur Zeit vorwiegend über zwei Verfahren, der sogenannten Prepreg-Technik oder diverser RTM(Resin Transfer Moulding)-Verfahren, hergestellt.

Bei der Prepreg-Technik erfolgt die Bauteilherstellung mit Hilfe von vorgefertigten, bereits mit Harz durchtränkten Faserhalbzeugen, sogenannten Prepregs. Die dabei verwendeten Faserhalbzeuge werden mit Harz getränkt und bis zur endgültigen Verwendung gekühlt gelagert.

Zur Herstellung einer Verbundstruktur nach diesem Verfahren werden die einzelnen Prepregs, aus denen der Verbund aufgebaut wird, in einem Formwerkzeug abgelegt und anschließend mit einer perforierten Trennfolie abgedeckt. Darüber werden sogenannte Auffang- bzw. Absauggewebelagen aufgebracht, die zum einen den bei der Verpressung des Prepreg-Stapels austretenden Harzüberschuß aufnehmen und zum anderen die gleichmäßige Verteilung des Vakuums und das Absaugen von Lufteinschlüssen und anderer Stoffe ermöglichen. Dieser ganze Stapel wird schließlich mit einer Folie luftdicht verschlossen und in einem Autoklaven unter Druck und Temperatur fertig ausgehärtet.

Vorteilhaft ist hier, daß die Faserausrichtung der Prepregs, aus denen der Verbund aufgebaut wird, exakt ausgerichtet werden kann, und sich die Fasereigenschaften dadurch optimal ausnutzen lassen, so daß Verbundwerkstoffe mit gleichmäßig guter Qualität hergestellt werden können. Jedoch erfordert die exakte Ausrichtung der Prepregs einen hohen manuellen Aufwand. Von Nachteil ist weiter, daß die bereits mit Harz getränkten Prepregs bei tiefen Temperaturen gelagert werden müssen, um so die kontinuierlich fortschreitende Aushärtung des Harzes bzw. Alterung zu verlangsamen, wobei die Lagerhaltung an sich und insbesondere gekühlte Lagerhaltung die Fertigungskosten erhöht. Zudem ist die Haltbarkeitsdauer der Prepregs aufgrund der durch die Kühlung lediglich verlangsamten Aushärtung in den meisten Fällen auf einen Zeitraum von weniger als einem Jahr begrenzt.

Für die Fertigung nach dem RTM-Verfahren wird in einem ersten Schritt ein der Kontur des gewünschten Bauteils entsprechender Vorformling aus trockenem Fasermaterial hergestellt und in eine steife RTM-Form eingebracht. Nach dem Einlegen des Vorformlings wird die Form geschlossen und das vorbereitete Harz mit Überdruck in die Form injiziert. Zur Vermeidung von Lufteinschlüssen und zur Gewährleistung einer verbesserten Verteilung des Harzes kann die Form vor der Injektion evakuiert werden (vacuum assisted resin injection-Verfahren).

Verglichen mit der Prepreg-Technologie zeichnet sich das RTM-Verfahren durch die Verwendung von kostengünstigen Faser- und Harzmaterialien sowie durch die freie Kombinierbarkeit der Komponenten aus. Dadurch kann mit dem Verfahren eine sehr große Flexibilität erzielt werden. So können hochreaktive Harzgemische eingesetzt werden, die die Taktzeiten für den Injektionsvorgang auf wenige Minuten verkürzen, oder es können für temperaturkritische Anwendungen besonders temperaturbeständige Matrix-Systeme eingesetzt werden.

Jedoch ist der apparative Aufwand relativ hoch, da für die Erzeugung des Vakuums und die Injektion des Harzes jeweils separate Leitungen erforderlich sind, die in Abständen ausgetauscht werden müssen, da sich ausgehärtetes Harz darin absetzt. Zudem kann es an Stellen, an denen Harzfließfronten im Fasermaterial zusammentreffen, zu Gaseinschlüssen kommen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein- neues kostengünstiges und weitgehend automatisierbares Fertigungsverfahren für Hochleistungsverbundwerkstoffe, das auch für die Herstellung von großflächigen Bauteilen geeignet ist, zur Verfügung zu stellen, welches insbesondere in Kombination mit ungetränkten Fasermaterialien verbesserte Möglichkeiten hinsichtlich Herstellung, Konstruktion und Gestaltung neuartiger Konzepte aus faserverstärkten Verbundstoffen unter besonderer Berücksichtigung einer einfachen Handhabung und besonderen Eignung für eine Serienfertigung bietet, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen bzw. -teilen zur Verfügung zu stellen, das mit einem geringen Aufwand an Leitungen und Anschlüssen eine sichere Prozeßführung mit kontrollierter Harzausbreitung ermöglicht und bei dem darüber hinaus der Anfall von nicht wieder verwendbaren Komponenten wie Leitungen mit ausgehärtem Harz, minimiert und folglich die Wirtschaftlichkeit verbessert werden kann.

Weiter ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mittel zur Verfügung zu stellen, mit dem Gaseinschlüsse, insbesondere auch in großflächigen Kunststoffbauteilen, vermieden werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1, 10 und 19. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweils davon abhängigen Unteransprüche.

Die Erfindung betrifft ganz allgemein eine Fortentwicklung des bekannten RTM- Verfahrens.

Für das erfindungsgemäße Verfahren wird z. B. wie bei bekannten RTM-Verfahren das zu formende Fasermaterial in eine Form eingebracht und das reaktive Harzgemisch, mit dem das Fasermaterial imprägniert werden soll, in die Form eingeleitet.

Erfindungsgemäß erfolgt die Evakuierung der Form und Injektion des Harzes jedoch über eine einzige Leitung, die wahlweise mit einer Drucksenke, z. B. Vakuumpumpe, oder einem Vorratsbehälter für das Harz verbindbar ist.

Durch die Verwendung einer einzigen Leitung für die Evakuierung und Injektion des Harzes läßt sich der apparative Aufwand sowie der Anfall an mit Harz verstopften Teilen, die entweder gereinigt oder ausgetauscht werden müssen, erheblich verringern.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform können auf dem Fasermaterial, insbesondere an den Stellen, an den Harzfließfronten zusammentreffen, Mittel (nachfolgend lokale Kavitäten genannt) vorgesehen sein, die Gaseinschlüsse und Verunreinigungen, die sich entlang der Fließfronten angesammelt haben, aus dem Fasermaterial heraus in sich aufnehmen können.

Für das erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtung kann prinzipiell auf an sich bekannte Formen zurückgegriffen werden wie sie für das RTM-Verfahren oder die Prepreg-Technik verwendet werden.

Geeignete Formen umfassen ein vergleichsweise starres formgebendes Werkzeug, auf das das zu formende Fasermaterial abgelegt wird, ein vergleichsweise flexibles Formteil, mit dem die Form vakuumdicht verschlossen werden kann, und Anschlüsse für eine Injektions- und Vakuumleitung.

Eine ausführliche Beschreibung einer gattungsgemäßen form sowie von geeigneten Verfahrensparametern, insbesondere Druck etc., wie sie prinzipiell auch für die vorliegende Erfindung angewendet werden können, findet sich z. B. in der WO 97/12754.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung während der Injektionsphase;

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt der Vorrichtung während der Evakuierungsphase;

Fig. 3 in Vergrößerung einen Querschnitt durch eine Stelle der in Fig. 1 gezeigten Form mit lokaler Kavität;

Fig. 4 eine Spannvorrichtung zum vakuumdichten Verschließen des Vorratsbehälters für das Harz; und

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Spannvorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsform zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens (nachfolgend auch Single-Line-Injektion (SLI)- Verfahren bezeichnet) weist eine Form 2 auf, die in einen Druckbehälter 1 - hier einen Autoklaven - eingebracht ist.

Zur Verdeutlichung des Versuchaufbaus ist in Fig. 1 lediglich das formgebende Werkzeug 3 der Form 2 dargestellt und das flexible Formteil mit dem üblicherweise die Form vakuumdicht verschlossen werden kann, ist weggelassen.

Das formgebende Werkzeug 3 ist entsprechend der Kontur der äußeren Oberfläche eines zu fertigenden Bauteils geformt, wobei die Oberflächengüte des Werkzeuges für die Oberflächengüte des Bauteils bestimmend ist. Das Werkzeug sollte aus einem formstabilen Material wie Blech oder auch Kunststoffen bestehen. Für komplexere Strukturen hat sich faserverstärkter Kunststoff bewährt, der beispielsweise auf einem Muster des Bauteils abgeformt werden kann.

Das Werkzeug kann massiv oder als dünnwandige Schale ausgeführt sein, da es im wesentlichen nur durch das Eigengewicht belastet wird.

Die Formstabilität kann zudem durch Stützen oder Auflagen 5, auf denen das formgebende Werkzeug 3 ruht, gewährleistet oder unterstützt werden.

Bei großflächigen Bauteilen, z. B. solchen mit großer Längserstreckung, kann das formgebende Werkzeug 3 auch aus mehreren Einzelelementen zusammengesetzt sein, die nebeneinander auf ein Stützgerüst befestigt sein können. Da die Verbindungen dabei im wesentlichen nur durch das Gewicht der Form und des Bauteils bzw. des Fasermaterials belastet sind, genügen im allgemeinen einfache Klebverbindungen.

Zur besseren Verteilung des Harzes können auf dem Fasermaterial 4 Leitungselemente 6 mit Öffnungen für den Harzaustritt vorgesehen sein, die nach dem Imprägnieren und Aushärten wieder von dem Fasermaterial 4 entfernt werden.

Über die Lage dieser Leitungselemente 6 auf dem Fasermaterial 4 läßt sich der Verlauf der Fließfronten des Harzes durch das Fasermaterial 4 bestimmen und beeinflussen.

Zum Verschließen der Form 2 wird auf das formgebende Werkzeug 3, nachdem auf diesem das Fasermaterial 4 sowie die Leitungselemente 6 und gegebenenfalls eine oder mehrere lokale Kavitäten 7 zur Aufnahme von Gaseinschlüssen aufgebracht worden sind, ein vergleichsweise flexibles Formteil - in der Figur nicht gezeigt - aufgelegt, das an den Rändern mit dem formgebenden Werkzeug vakuumdicht verbindbar ist. Beispielsweise kann das flexible Formteil dabei das formgebende Werkzeug 3 über- und untergreifen. Die Dichtung im Randbereich kann durch einen Siegel- oder Klebstreifen erfolgen. Im einfachsten Fall kann das flexible Formteil eine entsprechend dem äußeren Umfang des Werkzeuges 3 zugeschnittene Folie sein, die auf der Oberfläche des Werkzeuges 3 mit Siegel- oder Klebstreifen abgedichtet sein kann.

Das flexible Formteil ist vorzugsweise elastisch verformbar und kann beispielsweise aus einem elastopolymeren Werkstoff bestehen. Besonders geeignet sind Werkstoffe, die durch das Harz nicht benetzbar sind wie z. B. Silicongummi.

Durch das flexible Formteil können auch komplexe Strukturen wie Vorsprünge, Rippen, Kreuzungspunkte von Vorsprüngen etc. abgebildet werden. Dazu können die Bereiche komplexer Strukturen als gesonderte Formelemente vorgefertigt werden und dann mit ebenen Folien oder ausreichend flexiblen Platten z. B. durch Anvulkanisierung, zu dem fertigen flexiblen Formteil verbunden werden.

Das Fasermaterial 4 kann vor dem Einlegen in die Form 2 konfektioniert und entsprechend den geforderten Festigkeitseigenschaften des gewünschten Bauelements als sogenannte Fasergelegegarnitur vorgefertigt werden.

Zur Ausbildung von komplexen Strukturen wie Vorsprüngen können entsprechend geformte Faserstreifen auf das ebene Fasermaterial 4 aufgesetzt und durch Nadeln, Nähen oder dergleichen befestigt werden. Im folgenden wird allgemein der Begriff Fasermaterial verwendet.

Durch Evakuierung oder Teilevakuierung der Form 2 vor dem Einbringen der geschlossenen Form in den Druckbehälter 1 kann die feste und rutschsichere Anlage des Fasermaterials 4 und des flexiblen Formteils an dem formgebenden Werkzeug 3 gesichert werden.

Zur Herstellung des Bauteils wird die wie vorstehend beschrieben vorbereitete Form 2 in den Druckbehälter 1 gebracht. Anschließend wird in der Form 2 das gewünschte Endvakuum hergestellt und in dem Druckraum des Druckbehälters ein geeigneter Druck aufgebaut.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Evakuierung der Form sowie die Injektion des Harzes über eine einzige Leitung 8 (nachfolgend Injektions- und Evakuierungsleitung bzw. IuE-Leitung bezeichnet).

Diese IuE-Leitung 8 ist einerseits über einen Anschluß am Druckbehälter 1 mit dem Leitungselement 6 und andererseits wahlweise mit einer Drucksenke 11 z. B. einer Vakuumpumpe, oder einem Vorratsbehälter 10 für das zu injizierende Harz verbunden.

Der Druckbehälter 1 ist über eine Drucktransferleitung 9 mit dem Vorratsbehälter 10 verbindbar.

In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind die Drucktransferleitung 9 und die IuE-Leitung 8 mit derselben Drucksenke 11 verbindbar. Zur Evakuierung des Forminnenraumes wird die Verbindung der IuE-Leitung 8 zum Vorratsbehälter 10 unterbrochen und die Verbindung zur Drucksenke 11 geöffnet.

Die Evakuierung des Forminnenraums erfolgt bis zu einem Unterdruck, der für die Imprägnierung des Fasermaterials mit dem Harzgemisch geeignet ist. Der in der Form 2 hergestellte Unterdruck sollte kleiner als 50 hPa (vorzugsweise zwischen 10 und 1 hPa) sein, was einem technischen Vakuum entspricht.

Im Betrieb wird in den Druckraum des Druckbehälters 1 ein geeigneter Druck aufgebaut, der beispielsweise in der Größenordnung von 0,3 bis 1,0 MPa, und insbesondere bei etwa 0,6 MPa liegen sollte; ein Druck von 0,6 MPa = 6 bar entspricht damit dem zulässigen Innendruck von Großautoklaven, wie sie in der Luftfahrtindustrie eingesetzt werden.

Nach Erreichen der Enddrücke in dem Forminnenraum und in dem Druckbehälter wird die Verbindung der Drucktransferleitung 9 und der IuE-Leitung 8 zur Drucksenke unterbrochen und es erfolgt in einer zweiten Stufe die Injektion des Harzes.

Zur Vorbereitung der Injektion wird zunächst das Harz bzw. Harzgemisch in den Vorratsbehälter 10 eingebracht und der Behälter z. B. mit einem Deckel 13 vakuumdicht verschlossen.

Der Vorratsbehälter 10 wird ebenfalls evakuiert, wobei der Unterdruck im Behälter zur Entgasung des Harzes vor der Injektion genutzt werden kann.

Um die Temperatur des Harzes zu kontrollieren, kann der Behälter oder Topf 12, der das Harz enthält, bzw. der gesamte Vorratsbehälter 10, isoliert und/oder beheizt werden.

Der Deckel 13 verfügt über Anschlüsse 14 und 15 für die IuE-Leitung 8 und die Drucktransferleitung 9, über die die Verbindung des Vorratsbehälters 10 mit der Form 2 einerseits und dem Druckbehälter 1 andererseits hergestellt werden kann.

Zur Injektion des Harzes wird die IuE-Leitung über den Anschluß 14 in dem Deckel 13 in den Harzbehälter 12 geschoben und der Vorratsbehälter 10 mit Druck beaufschlagt. Zweckmäßigerweise erfolgt die Druckbeaufschlagung des Vorratsbehälter 10 mit dem Druckbehälterdruck. Mit der Druckbeaufschlagung beginnt der Injektionsvorgang.

Der Druck in dem Vorratsbehälter 10 kann über einen Druckminderer 18 in der Drucktransferleitung 9 geregelt werden.

Die Anschlüsse 14 und 15 für die IuE-Leitung 8 und die Drucktransferleitung 9 können beliebig ausgestaltet sein, solange der Vorratsbehälter 10 vakuumdicht verschließbar ist.

Wie in Fig. 1 gezeigt kann der Anschluß 14 für die IuE-Leitung 8 als Schiebehülse mit einer Schwingklappe ausgestaltet sein.

Der Anschluß 15 für die Drucktransferleitung 9 kann eine einfache Öffnung in dem Deckel 13 sein, die die Drucktransferleitung aufnehmen kann. Hierbei kann die Verbindung zwischen Drucktransferleitung und Vorratsbehälter auf einfache Weise durch einen Absperrmechanismus 16, z. B. einen Absperrhahn, unterbrochen werden, wobei der Absperrmechanismus an geeigneter Stelle in der Drucktransferleitung 9 positioniert ist, z. B. wie in Fig. 1 gezeigt wenig oberhalb des Deckels 13.

In der in Fig. 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für das erfindungsgemäße SLI-Verfahren ist der Anschluß 14 mit der Drucktransferleitung 9 und über diese mit der Drucksenke 11 verbindbar. Die Verbindung der Drucksenke 11 zum Anschluß 14 oder zum Druckbehälter 1 kann über einen Regelmechanismus 17, zum Beispiel einen Mehrweghahn, geregelt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, wie sie in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, ist der Vorratsbehälter 10 beweglich in eine Spannvorrichtung eingebracht.

Diese Spannvorrichtung umfaßt einen oberen Abschluß 26, der den Deckel für den Vorratsbehälter bildet und die Anschlüsse 14 und 15 beinhaltet, sowie ein Bodenteil, das einen beweglichen Stempel 25 und einen unteren Abschluß 28 aufweist.

In der in Fig. 4 gezeigten Spannvorrichtung steht der Raum 29 zwischen dem Stempel 25 und dem unteren Abschluß 28 über eine Leitung 27 sowohl mit der Drucktransferleitung 9 und damit mit der Drucksenke 11, als auch mit dem als Schiebehülse ausgestalteten Anschluß 14 für der IuE-Leitung 8 in Verbindung.

Fig. 5 zeigt eine Ausgestaltung in der der Raum 29 über die Drucktransferleitung 9 mit dem Druckbehälter 1 verbunden werden kann. Dabei kann in die Leitung 27 ein Regelmechanismus, z. B. ein Umschalthahn, eingebracht sein.

Die Seitenteile der Spannvorrichtung sind so ausgestaltet, daß der Vorratsbehälter 10 ohne weiteres aus der Spannvorrichtung entnommen werden kann. Beispielsweise kann zu diesem Zweck zumindest ein Seitenteil offen ausgestaltet sein.

Wird nun an den Raum 29 Vakuum angelegt oder herrscht Druckausgleich zwischen dem Behälterinnenraum und dem Raum 29 (wie in Fig. 5 gezeigt), senkt sich der Stempel 25 und der Vorratsbehälter 10 kann aus der Spannvorrichtung herausgenommen und z. B. mit Harz gefüllt werden.

Zum vakuumdichten Verschließen des Vorratsbehälters 10 wird der Raum 29 mit Druck beaufschlagt, so daß sich der Stempel 25 hebt und der Vorratsbehälter 10 an den oberen Abschluß 26 der Spannvorrichtung gepreßt wird.

Zur sicheren Abdichtung kann eine Dichtung, z. B. eine O-Ringdichtung, zwischen dem Rand des Vorratsbehälters 10 und dem oberen Abschluß 26 vorgesehen sein.

Vorzugsweise erfolgt die Druckbeaufschlagung mit dem Druckbehälterdruck.

Um eine sichere Abdichtung zu gewährleisten, muß die Druckkraft, die auf den Stempel 25 einwirkt, größer sein als die Druckkraft, die durch den Druck in dem Vorratsbehälter 10 während der Injektionsphase ausgeübt wird.

In der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung wird dies dadurch bewirkt, indem die Querschnittsfläche des Raumes 29 bzw. des Stempels 25 größer gewählt wird, als die Querschnittsfläche des Vorratsbehälters.

Die einzelnen Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend anhand der Fig. 1 und 2 genauer erläutert.

In der in Fig. 2 gezeigten 1. Stufe, der Evakuierungsphase, ist der Vorrichtungsaufbau so eingestellt, daß die Vorrichtung über die IuE-Leitung direkt evakuiert wird, indem der Absperrhahn 16 geschlossen und der Regelmechanismus 17 auf Vakuum gestellt wird.

In diesem Zustand kann der Deckel 13 des Vorratsbehälters 10 vom Behälter 10 entfernt werden, ohne die Evakuierung der Vorrichtung zu beeinträchtigen.

Nachdem anschließend der Vorratsbehälter 10 evakuiert und ein Druckausgleich zwischen Behältertopf und Deckel 13 durch Öffnen des Absperrhahns 16 hergestellt worden ist, kann die IuE-Leitung 8 über den Anschluß 14, z. B. einer Schiebehülse mit Schwingklappe, in das Harz geschoben werden.

Während der in Fig. 1 gezeigten 2. Stufe, der Injektionsphase, wird die Verbindung zur Drucksenke unterbrochen und der ggf. über den Druckminderer 18 reduzierte Druckbehälterdruck in den Vorratsbehälter 10 geleitet.

Aufgrund der Druckdifferenz wird das Harz nun über die IuE-Leitung in die Form 2 gepreßt und verteilt sich über die Leitungselemente 6 auf dem Fasermaterial 4.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ohne weiteres automatisiert werden, indem z. B. die Verfahrensparameter wie Injektionsdruck und Druckbehältereinstellungen über den Harzvorrat im Vorratsbehälter 10 gesteuert werden.

Die Änderung des Harzvorrats kann z. B. durch einfaches Wiegen verfolgt werden, indem z. B. der Vorratsbehälter 10 auf eine Waage 19 gesetzt wird.

Beispiele für denkbare und sinnvolle Verfahrensvarianten können wie folgt sein:

  • - Injektionsdruck maximal zu Beginn der Injektionsphase, wenn der Vorratsbehälter maximal gefüllt ist;
  • - Injektionsdruck verringern bis der Harzfluß zum Stillstand kommt, wenn die erforderliche Harzmenge injiziert ist;
  • - Aushärtungsprozeß im Autoklaven einleiten, wenn der Injektionsvorgang abgeschlossen ist;
  • - Injektionsvorgang stoppen (Reduktion des Injektionsdruckes) bevor der Vorratsbehälter leer ist, um die Gefahr der Luftinjektion zu beseitigen.

Der Prozeß kann auf diese Weise nach einem vorgegebenen Programmschema ohne weitere Intervention von Bedienungspersonal ablaufen.

Aufgrund des Vakuums in der Form kann das Harz normalerweise das Fasermaterial 4 problemlos ohne Ausbildung von Gas- oder Lufteinschlüssen durchtränken.

Jedoch kann in dem Vakuum an der freien Oberfläche der Fließfront des Harzes, an der allein das Vakuum auf das Harz-Härter-Gemisch einwirkt, Härter ausgasen und der ausgegaste Härter entlang der Harzfließfront zu Gaseinschlüssen führen. Entlang der Fließfronten sammeln sich auch Verunreinigungen, die in dem Fasermaterial vorhanden sein können, eingeschlossene Restluft, Dampf, z. B. aus Feuchtigkeitsrückständen, Styrol etc.

Solange die Harzströme so geführt werden können, daß die Fließfronten in den Randbereichen des Fasermaterials 4 enden, stellt dies an sich kein Problem dar, solange diese Randbereiche bei der Endbearbeitung des Faserverbundelementes einfach entfernt werden können.

Treffen jedoch Fließfronten innerhalb des Fasermaterials 4 aufeinander, kommt es an diesen Stellen zur Ansammlung von Gaseinschlüssen und Verunreinigungen, die die Eigenschaften des fertigen Verbundelements maßgeblich beeinträchtigen können.

Es wurde gefunden, daß derartige Einschlüsse durch ein erfindungsgemäß speziell konzipiertes Mittel 7, den sogenannten lokalen Kavitäten, aus dem Fasermaterial 4 entfernt werden können.

Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen lokalen Kavität 7 ist in Fig. 3 gezeigt. Prinzipiell umfaßt die erfindungsgemäße lokale Kavität 7 einen Untergrund 20, der auf dem Fasermaterial 4 aufliegt, und auf dem Untergrund 20 aufgebracht ein Material 21 zum Aufnehmen der Gaseinschlüsse 22, wobei das Material 21 über mindestens eine Öffnung 23 in dem Untergrund 20 mit dem Fasermaterial 4 in Verbindung steht.

Je nach Bedarf werden eine oder mehrere lokale Kavitäten 7 auf dem Fasermaterial 4 an ausgezeichneten Stellen, an denen Harzfließfronten zusammentreffen, aufgebracht.

Der Verlauf des Harzstromes und damit der Fließfronten kann über die Anordnung der Leitungselemente 6 gezielt gesteuert werden, so daß die Stellen in dem Fasermaterial 4, an denen Harzfronten zusammentreffen, ohne weiteres bestimmt werden können.

Die Abmessungen der lokalen Kavität 7 sind an sich nicht kritisch, üblicherweise wird ihre Ausdehnung jedoch örtlich begrenzt.

Trifft wie in Fig. 3 gezeigt, eine Harzfließfront 24 auf eine lokale Kavität 7, fließt ein Teil des Harzstromes durch die Öffnung 23 in das Material 21 zur Aufnahme der Gaseinschlüsse 22 und führt dabei Gaseinschlüsse und sonstige Verunreinigungen mit, die sich an der Harzfließfront angesammelt haben. Die lokale Kavität 7 stellt somit eine Gasblasenfalle für Gaseinschlüsse, Verunreinigungen etc. dar.

Im einfachsten Fall kann der Untergrund 20 eine gelochte Folie sein, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist. Die Anzahl der Öffnungen in dem Untergrund 20 kann nach Bedarf in Abhängigkeit der Größe der lokalen Kavität 7 gewählt werden.

Vorzugsweise sind die Öffnungen 23 so angeordnet, daß ein Rückfluß der Gaseinschlüsse 22 etc. aus der lokalen Kavität 7 in das Fasermaterial 4 verhindert wird. Beispielsweise kann/können die Öffnung(en) 23 mittig angeordnet sein, so daß der Strom der Gaseinschlüsse 22 in den Randbereichen der lokalen Kavität eingeschlossen wird.

Der Untergrund kann aus einem beliebigen Material bestehen, das vorzugsweise durch das Harzgemisch nicht benetzbar sein sollte. Beispiele für geeignete Materialien sind Metall, Kunststoff, Gewebe usw.

Das Material zur Aufnahme der Gaseinschlüsse 22 kann ein beliebiges Fasermaterial, z. B. ein Faservließ, sein. Vorzugsweise wird ein Material gewählt, dessen Fließwiderstand für das Harz geringer ist als der Fließwiderstand des Fasermaterials 4. Der geringere Fließwiderstand fördert den Eintritt der Harzfließfront und damit der Gaseinschlüsse in die lokale Kavität 7.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die lokale Kavität 7 als gelochte Folientasche ausgebildet.

Wie vorstehend bereits gesagt, wird eine geeignete Anzahl an lokalen Kavitäten 7 auf das Fasermaterial 4 an den Stellen aufgebracht, an denen Fließfronten verlaufen bzw. zusammentreffen.

Nach Beendigung der Imprägnierung des Fasermaterials 4 mit dem Harz und der Aushärtung des Harzes werden die lokalen Kavitäten 7 nach Öffnen der Form 2 einfach von dem ausgehärteten faserverstärkten Verbundelement abgenommen. Mögliche Unebenheiten auf der Oberfläche des Verbundmaterials, die durch das Entfernen der lokalen Kavität 7 entstehen können, sind für die Qualität des Verbundteils nicht von Bedeutung, da die lokalen Kavitäten 7 zweckmäßigerweise auf der Seite des Fasermaterials 4 aufgebracht werden, die die Rückseite des zu erzeugenden Verbundteils bildet, und die Güte des fertigen Verbundteils durch die Beschaffenheit der Seite des Fasermaterials 4 bestimmt wird, die dem formgebenden Werkzeug 3 zugewandt ist.

Die lokale Kavität 7 zur Entfernung von Gaseinschlüssen aus mit Harz zu durchtränkenden Fasermaterialien 4 kann für jedes RTM-Verfahren bzw. Vorrichtung eingesetzt werden.

Es hat sich insbesondere auch für das vorstehend beschriebene Single-Line- Injektion-Verfahren bewährt, da bei diesem Verfahren die Evakuierung des Forminnenraumes sowie die Harzzufuhr über eine einzige Leitung erfolgt und demgemäß nicht die Möglichkeit besteht, Gaseinschlüsse gegebenenfalls über eine separate Vakuumleitung zu entfernen.

Bei herkömmlichen RTM-Vorrichtungen, die mit separaten Injektions- und Evakuierungsleitungen ausgestattet sind, besteht zwar prinzipiell die Möglichkeit Gaseinschlüsse über die Vakuumleitung zu entfernen, jedoch muß dabei aufgepaßt werden, daß kein Harz in die Vakuumleitung gezogen wird und zudem eignet sich diese Methode nicht für Gaseinschlüsse im Inneren des Fasermaterials an Stellen, an denen Harzfließfronten zusammentreffen.

Bezugszeichenliste

1Druckbehälter

2Form

3formgebendes Werkzeug

4Fasermaterial

5Stütze/Auflage

6Leitungselement

7lokale Kavität

8Injektions- und Evakuierungsleitung (IuE-Leitung)

9Drucktransferleitung

10Vorratsbehälter

11Drucksenke

12Harzbehälter

13Deckel

14Anschluß für IuE-Leitung

15Anschluß für Drucktransferleitung

16Absperrmechanismus

17Regelmechanismus

18Druckminderer

19Harzwaage

20Untergrund der lokalen Kavität

21Material zur Aufnahme von Gaseinschlüssen und Verunreinigungen

22Gaseinschlüsse

23Öffnung

24Harzflußfront

25Stempel

26oberer Abschluß

27Leitung

28unterer Abschluß

29Hohlraum zwischen Stempel und unterem Abschluß

30flexibles Formteil


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen durch Injektion eines Harzes in eine Form (2) mit einem formgebenden Werkzeug (3), zur Aufnahme eines Fasermaterials (4) und einem flexiblem Formteil zum vakuumdichten Abdichten der Form (2), wobei die geschlossene Form (2) in einen Druckbehälter (1) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (2) mit einer kombinierten Injektions- und Evakuierungsleitung (8) versehen ist, und der Druckbehälter (1) mit einer Drucktransferleitung (9) versehen ist, wobei die Form (2) über die kombinierte Injektions- und Evakuierungsleitung (8) wahlweise mit einem Vorratsbehälter (10) zur Aufnahme des Harzes und einer Drucksenke (11) verbindbar ist, der Druckbehälter (1) mit dem Vorratsbehälter (10) verbindbar ist und der Vorratsbehälter (10) über Anschlüsse (14, 15) mit der Injektions- und Evakuierungsleitung (8) und der Drucktransferleitung (9) verbindbar ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß (14) für die Injektions- und Evakuierungsleitung (8) als Schiebehülse ausgestaltet ist.
  3. 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß (15) der Drucktransferleitung (9) durch einen in der Drucktransferleitung vorgesehenen Absperrmechanismus (16) verschließbar ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucktransferleitung (9) mit einem Druckminderer (18) versehen ist.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (10) während der Evakuierung des Forminnenraumes bei geschlossenen Anschlüssen (14, 15) von der Vorrichtung abnehmbar ist.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (10) mit einer Waage (19) verbunden ist.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (10) mit einer Heizvorrichtung ausgestattet ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (10) zum vakuumdichten Verschließen beweglich in eine automatische Spannvorrichtung integriert ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung einen beweglichen Stempel (25) aufweist, mit dem der Vorratsbehälter (10) gegen einen oberen Abschluß (26) zum vakuumdichten Verschließen des Vorratsbehälters (10) pressbar ist.
  10. 10. Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen durch Injektion eines Harzes in eine Form (2), wobei ein formgebendes Werkzeug (3), auf das ein Fasermaterial (4) abgelegt ist, mit einem flexiblen Formteil vakuumdicht abgedichtet wird, die geschlossene Form (2) in einem Druckbehälter (1) eingebracht wird und der Druckbehälter über eine Drucktransferleitung (9) wahlweise mit einem Vorratsbehälter (10) für das Harz oder einer Drucksenke (11) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektion des Harzes und die Evakuierung der Form (2) über eine kombinierte Injektions- und Evakuierungsleitung (8) erfolgt.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Stufe die Injektions- und Evakuierungsleitung (8) zur Evakuierung der Form (2) mit einer Drucksenke verbunden wird und in einer zweiten Stufe die Injektion eines Harzes oder Harzgemisches erfolgt, indem nach Erreichen des Endvakuums in der Form (2) die Verbindung zur Drucksenke (11) unterbrochen wird und die Injektions- und Evakuierungsleitung (8) mit dem Vorratsbehälter (10), der das Harz enthält, verbunden wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (1) mit einem über dem Atmosphärendruck liegenden Druck beaufschlagt wird.
  13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Druckbehälter (1) eine erhöhte Temperatur herrscht.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (10) mit Druck beaufschlagt wird und der auf den Vorratsbehälter (10) einwirkende Druck über einen Druckminderer (18) in der Drucktransferleitung (9) kontrolliert wird.
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (10) vor der Druckbeaufschlagung evakuiert wird.
  16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Fasermaterial (4) mindestens ein Mittel zur Aufnahme von Gaseinschlüssen (lokale Kavität (7)) aus dem Fasermaterial während der Imprägnierung mit dem Harz vorgesehen wird.
  17. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Aufnahme von Gaseinschlüssen (lokale Kavität (7)) auf dem Fasermaterial (4) in Bereichen angeordnet ist, an denen die Fließfronten des Harzes während des Injektionsvorganges in dem Fasermaterial (4) zusammentreffen.
  18. 18. Verfahren nach einem Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Entfernen von Gaseinschlüssen (lokale Kavität (7)) nach dem Aushärten des Harzes von dem imprägnierten Fasermaterial (4) entfernt wird.
  19. 19. Mittel zum Entfernen von Gaseinschlüssen aus Fasermaterialien während der Imprägnierung mit einem Harz, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel einen Untergrund (20) mit mindestens einer Öffnung (23) und auf dem Untergrund (20) aufgebracht ein Material (21) zur Aufnahme der Gaseinschlüsse (22) aufweist.
  20. 20. Mittel nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (21) zur Aufnahme der Gaseinschlüsse (22) ein Faservließ ist.
  21. 21. Mittel nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (21) zur Aufnahme der Gaseinschlüsse (22) einen Fließwiderstand für das Harz hat, der geringer als der Fließwiderstand des Fasermaterials (4) ist.
  22. 22. Mittel nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Untergrund (20) aus einer gelochten Folie gebildet ist.
  23. 23. Mittel nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Untergrund (20) aus einem Metall, einem Kunststoff oder einem Gewebe besteht.
  24. 24. Mittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel als gelochte Tasche ausgebildet ist.






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