DE102016114523B3

DE102016114523B3 - Verfahren zur Applikation eines Lackes auf einem Formteil aus faserverstärktem Kunststoff

Info

Publication number: DE102016114523B3
Application number: DE102016114523.8A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Fischer; Susanne Kroll; Lothar Kroll; Wolfgang Nendel; Frank Schettler; Knut Sorge
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz; EAST 4D Carbon Technology GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz; EAST 4D Carbon Technology GmbH
Priority date: 2016-08-05
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2036-08-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Applikation eines Lackes auf einem Formteil aus faserverstärktem Kunststoff, das es ermöglicht, räumlich komplexe Formteile (3) – auch in Umbugbereichen – oberflächenfehlerfrei zu beschichten. Das Verfahren wird gemäß einem In-Mould-Coating Prozess durchgeführt, wobei während der Lackinjektion das Einfüllen des Lackes in das Formwerkzeug durch Anlegen eines Unterdruckes am Überlaufkanal (1.1) des Formwerkzeuges unterstützt wird; gleichzeitig erfolgt die Temperierung des Formwerkzeuges. Besonders geeignet ist das Verfahren für die Applikation von Lacken auf luftfahrtzugelassenen Leichtbaustrukturbauteilen, die mittels Harzinjektionsverfahren hergestellt wurden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Applikation eines Lackes auf einem Formteil aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere für die Beschichtung von Leichtbaustrukturbauteilen für die Luftfahrttechnik.
Die Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen mit optisch hochwertigen Oberflächen ist mit großen manuellen und zeitlichen Aufwänden verbunden. Aufgrund des unterschiedlichen Schwindungsverhaltens der Faserwerkstoffe und der Kunststoffmatrizes treten beispielsweise häufig unerwünschte Fehler wie Schrumpfmarken an Bauteiloberflächen nach der Urbauteilherstellung auf. Vor dem konventionellen Aufbringen von Lackierungen durch Sprühen müssen daher Faserverbundbauteiloberflächen meist mehrfach überschliffen und/oder ausgebessert werden. Ferner ist der manuelle Sprühprozess selbst sehr zeitaufwendig und es können Oberflächenfehler, wie zum Beispiel sogenannte Nasen, entstehen, die eine Neubeschichtung erforderlich machen.
Eine Alternative zum Sprühlackieren ist die Lackapplikation mittels In-Mould-Coating-Verfahren (IMC). Das zu beschichtende Bauteil wird in ein Werkzeug eingelegt, dessen Negativform um den Betrag der Zielschichtdicke größer ist als die Positivform des zu beschichtenden Bauteils. Der Lack wird in diese Kavität eingefüllt und härtet auf dem Bauteil aus. Da die Lackierung die Oberfläche des Werkzeuges abformt, sind mit den In-Mould-Coating-Verfahren Oberflächengüten hoher Qualität erreichbar.
Bekannt ist ein In-Mould-Coating-Verfahren für die Beschichtung von Spritzgussbauteilen unter anderem aus DE 10 2007 051 482 A1 . Zunächst werden demgemäß die Formteile durch Spritzgießen im dafür vorgesehenen Werkzeug hergestellt und anschließend im identischen Werkzeug die Kavität, die infolge der Schrumpfung des Formteils nach dem Spritzguss und/oder der Temperierung der Spritzgussform entsteht, mit einem Reaktivgemisch als Beschichtungswerkstoff gefüllt. Zur Härtung des Reaktivgemisches wird die Spritzgussform temperiert.
In DE 10 2009 013 165 A1 ist ebenfalls ein In-Mould-Coating-Verfahren offenbart, bei dem die Beschichtung im identischen Werkzeug stattfindet, welches zur Formgebung des Bauteils genutzt wird. Das Verfahren findet insbesondere Anwendung für die Lackapplikation auf Bauteilen, die aus Sheet Moulding Compounds (SMC), d. h. aus plattenförmigen, teigartigen Pressmassen aus duroplastischen Reaktionsharzen und Glasfasern, hergestellt werden.
Die Lackapplikation im In-Mould-Coating-Verfahren auf Spritzgussteilen aus thermoplastischen Werkstoffen unter hohem Einfülldruck ist weiterhin bekannt aus DE 10 2009 016 432 A1 . Als bevorzugter Beschichtungswerkstoff wird ein Polyurethanreaktionsharzgemisch verwendet.
In DE 10 2010 050 969 A1 ist ein In-Mould-Coating-Verfahren zur Beschichtung von faserverstärkten Formteilen, zum Beispiel aus unidirektionalen Carbonfasern in Harzmatrix, beschrieben. In einem Werkzeug aus zwei Hälften wird zunächst das Formteil durch Tränken einer Fasereinlage mit dem Matrixharz hergestellt. Anschließend werden die beiden Hälften des Werkzeuges soweit zueinander beabstandet, dass eine Kavität entsprechend der Zielbeschichtungsdicke entsteht; schließlich wird der Lack im fließfähigen Zustand in diese Kavität injiziert und härtet am Bauteil aus.
Ein In-Mould-Coating-Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Mikro- oder Nanostruktur ist zudem bekannt aus DE 10 2005 013 974 A1 , demgemäß ein Substrat in einer Kavität mit einem vernetzenden, insbesondere optisch transparenten Material überflutet wird, wobei eine dünne Deckschicht ausgebildet wird.
Ein ähnliches Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, umfassend ein Spritzgussbauteil und ein Polyurethan-Element, offenbart DE 10 2006 048 252 B3 . In der das Spritzgussbauteil umgebenden Kavität im Formwerkzeug wird vor dem Fluten mit Polyurethan-Material mittels einer Vakuumeinrichtung zumindest ein geringfügiger Unterdruck erzeugt.
Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist, dass es beim Einfüllen des Beschichtungswerkstoffes, insbesondere bei kleinen Zielschichtdicken und in Umbugbereichen, aufgrund einer frühzeitigen Aushärtung der Lacke zu Füllfehlern in der Kavität und folglich zu Beschichtungsfehlern kommen kann. Dies trifft vor allem für Lacksysteme mit Pigmentzusätzen zu. Dünnwandige, räumlich komplex geformte Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen können außerdem durch Anwendung hoher Einfülldrücke beim In-Mould-Coating-Verfahren deformiert oder beschädigt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein In-Mould-Coating-Verfahren bereitzustellen, mit dem es möglich ist, räumlich komplexe Formteile aus faserverstärktem Kunststoff mit Lacken bei geringen Einfülldrücken mit Zielschichtdicken von 0,2 bis 2,5 mm – auch in Umbugbereichen – oberflächenfehlerfrei zu beschichten.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren zur Applikation eines Lackes mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 1 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 beschrieben, vorteilhafte Verwendungen ergeben sich aus den Ansprüchen 5 bis 9.
Nach Maßgabe der Erfindung wird das Verfahren zur Applikation eines Lackes, d. h. zur Beschichtung, auf einem Formteil aus faserverstärktem Kunststoff gemäß einem In-Mould-Coating Prozess durchgeführt.
Zunächst wird das Formteil in ein Formwerkzeug, umfassend eine erste Formwerkzeughälfte und eine zweite Formwerkzeughälfte sowie mindestens einen Angusskanal und mindestens einen Überlaufkanal, eingelegt. Durch Schließen der Formwerkzeughälften wird das Formteil allumfänglich eingeschlossen, wobei eine Kavität zwischen Formwerkzeug und Formteil verbleibt. Die Kavität, d. h. der verbleibende Hohlraum im Formwerkzeug, entspricht dem Volumen und der Kontur der Beschichtung.
Im nächsten Schritt wird der Lack über den Angusskanal in das Formwerkzeug bis zur vollständigen Füllung der Kavität und zur mindestens teilweisen Füllung des Überlaufkanals injiziert. Vorteilhaft erfolgt die Lackinjektion mit einem Einfülldruck bis 850 kPa.
Erfindungsgemäß wird am Überlaufkanal ein Unterdruck gegenüber dem äußeren Umgebungsdruck angelegt, um die Fließbewegung des Lackes in der Kavität zu unterstützen und die Qualität der Beschichtung sicherzustellen. Für die Anwendung des Verfahrens bei normalem Umgebungsdruck beträgt der Unterdruck vorteilhaft 90 bis 100 kPa; dies entspricht einem am Überlaufkanal anliegenden Absolutdruck von bis zu 10 kPa.
Des Weiteren wird während der Lackinjektion mindestens eine der beiden Formwerkzeughälften temperiert, d. h. gekühlt oder geheizt. Das kann zum Beispiel mittels Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch ein in die Formwerkzeughälften eingebrachtes Kühlkanalsystem erfolgen.
Die Aushärtung des Lackes nach der Injektion findet im geschlossenen Formwerkzeug – vorzugsweise bei erhöhter Temperatur – unter Ausbildung der Beschichtung durch Vernetzung des Polymerfilms auf der Oberfläche des Formteils statt. Abschließend wird das Formteil nach dem Öffnen des Formwerkzeuges entnommen.
Das Aushärten im Formwerkzeug muss nicht zwingend vollständig sein; erforderlich ist die Ausbildung einer stabilen Beschichtung. So ist es zum Beispiel möglich, die Polyreaktionen im Lacksystem durch eine Nachhärtung außerhalb des Formwerkzeuges abzuschließen.
Einer der Vorteile der In-Mould-Coating-Verfahren gegenüber der Applikation durch Sprühlackieren ist, dass lösungsmittelfreie Lacke zur Anwendung kommen. Das fehlende Lösungsmittel bedingt jedoch eine vergleichsweise hohe Viskosität der bei den In-Mould-Coating-Verfahren eingesetzten Lacke.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich gegenüber den bekannten In-Mould-Coating-Verfahren dadurch aus, dass das Einfließen dickflüssiger Lacke ermöglicht ist. Die Kombination der Druckwirkung durch die Lackinjektion am Angusskanal mit der Sogwirkung durch Anlegen des Unterdrucks am Überlaufkanal bewirkt ein effektives Fließen des Lackes in der Kavität und deren vollständige Füllung mit Lack.
Zudem sammeln sich durch die Sogwirkung unerwünschte Luftblasen im überschüssigen Lackmaterial im Überlaufkanal. Luftblaseneinschlüsse in der Beschichtung auf den Formteiloberflächen werden auf diese Weise vermieden.
Eine vorzeitige Aushärtung des Lackes während der Injektionsphase kann, da die Kavität entsprechend der beabsichtigten Schichtdicke der Beschichtung nur geringe Spaltweiten aufweist, zu Blockaden innerhalb der Kavität führen. Ebenso führen frühzeitige Polymerisationsvorgänge im Lack zur Erhöhung seiner Viskosität. Durch das erfindungsgemäße Temperieren des Formwerkzeuges während der Lackinjektion werden beide Effekte verhindert und das Risiko von darauf zurückzuführenden Beschichtungsfehlern minimiert.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht durch die gezielte Beeinflussung der Randbedingungen bei der Lackinjektion die Beschichtung von Formteilen mit dünnen Lackschichten ebenso wie die fehlerfreie Lackapplikation in Umbugbereichen.
Die Anwendung geringer Einfülldrücke verhindert die Deformation filigraner Formbauteile während des Beschichtungsvorganges.
Im Weiteren wird auf spezifische Ausgestaltungen der Erfindung eingegangen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Temperatur in unmittelbar an die Kavität angrenzenden Bereichen des Formwerkzeuges während der Lackinjektion durch das Temperieren konstant im Temperaturbereich von 15 bis 30 °C gehalten wird. Dadurch bleibt die Viskosität des flüssigen Lackes in einem eng begrenzten Bereich. Durch das Einfließen des Lackes in die Kavität unter definiert gleichmäßigen Bedingungen wird das Auftreten von Beschichtungsfehlern, wie zum Beispiel Verlaufsstörungen, verhindert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Lack ein polyurethanbasiertes Lacksystem verwendet. Polyurethane sind etabliert in der Lackiertechnik. Sie zeichnen sich durch gute Haftungseigenschaften und hohe Beständigkeit gegenüber Lösemitteln, Chemikalien, Partikeln (z. B. Sand) und anderen Witterungseinflüssen aus.
Verwendet werden können weiterhin Lacke mit mikroskaligen Pigmenten aus Polytetrafluorethylen oder Kautschuk. Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind solche Lacke – trotz der viskositätserhöhenden Pigmentzuschläge – gut verarbeitbar. Gerade im Luftfahrtbereich ist es dadurch möglich, die Beschichtungen mit zusätzlichen Funktionalitäten auszustatten. Zum Beispiel können Lacke mit Pigmenten aus Polytetrafluorethylen als wasserabweisende Schichten oder Anti-Eis-Beschichtungen eingesetzt werden. Kautschukpartikel erhöhen den Erosionswiderstand der Beschichtung bei Sand- und Staubbelastung.
Ferner kann für die Applikation des Lackes ein Formwerkzeug mit einer Mikrostrukturierung auf den die Oberfläche der Beschichtung abbildenden Bereichen verwendet werden. Nach dem Lackaufbringen weist die beschichtete Formteiloberfläche bei Anwendung eines solchen Formwerkzeuges eine profilierte Feinstruktur auf. Durch die Verwendung des derart gestalteten Formwerkzeuges ist es zum Beispiel möglich, aerodynamisch wirksame Strukturen (sogenannte „riblets“) in die Lackierung zu prägen.
Das Verfahren kann insbesondere für die Beschichtung von Formteilen verwendet werden, die mittels eines Harzinjektionsverfahren (auch bekannt als Resin-Transfer-Moulding-Verfahren bzw. RTM-Verfahren) hergestellt wurden. Derart gefertigte Bauteile sind u. U. dünnwandig und besitzen nach dem Fertigungsprozess ggf. eine unregelmäßige Oberfläche. Dies ist vordergründig auf das unterschiedliche Dehnungs- und Schrumpfungsverhalten von Fasern und Harzmatrix zurückzuführen. Der Auftrag von Lacken durch Sprühen erfordert eine aufwendige mechanische Vorbereitung der Oberflächen, zum Beispiel durch Schleifen oder durch Abrasivstrahlen. Durch das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren können diese Bearbeitungsschritte entfallen bzw. minimiert werden. Gegenüber anderen bekannten In-Mould-Coating-Verfahren besitzt die Erfindung den Vorteil, dass die dünnwandigen, filigranen RTM-Formteile während der Beschichtung aufgrund der geringen Drücke, die zur Anwendung kommen, nicht deformiert oder beschädigt werden.
Besonders vorteilhaft werden in dieser Ausführungsform des Verfahrens rotationssymmetrische Formteile, die aus einer Duroplastmatrix und einer in Wickeltechnik gefertigten Einlage aus Carbon- und/oder Glasfasern hergestellt wurden, verwendet.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen
1: das offene Formwerkzeug und das Formteil vor dem Beschichten in der Schnittdarstellung,
2: das geschlossene Formwerkzeug und das Formteil vor dem Beschichten in der Schnittdarstellung,
3: das geschlossene Formwerkzeug und das Formteil nach dem Injizieren des Lackes in der Schnittdarstellung und
4: das offene Formwerkzeug und das beschichtete Formteil nach dem Beschichten in der Schnittdarstellung.
In das Formwerkzeug, bestehend aus der ersten Formwerkzeughälfte 1 und der zweiten Formwerkzeughälfte 2, wird das Formteil 3 aus faserverstärktem Kunststoff, im Ausführungsbeispiel ein Einlaufkonus eines Turbofantriebwerkes, gemäß der 1 zwischen die beiden Formwerkzeughälften 1, 2 eingelegt. Der dünnwandige Einlaufkonus wurde zuvor nach dem Harzinjektionsverfahren aus einer in Wickeltechnik gefertigten Einlage aus Carbon- und Glasfasern und einer Duroplastmatrix hergestellt.
Die erste Formwerkzeughälfte 1 weist den Überlaufkanal 1.1 und einen als Ringanguss ausgebildeten Angusskanal 1.2 auf. Des Weiteren ist das Kühlkanalsystem 1.3 in der ersten Formwerkzeughälfte 1 integriert. Die zweite Formwerkzeughälfte 2 besitzt die Dichtungslippe 2.1.
Nach dem Schließen der beiden Formwerkzeughälften 1, 2 – siehe 2 – sitzt das Formteil 3 im Konusbereich vom Spitzenbereich bis zur Dichtungslippe 2.1 auf der Formwerkzeughälfte 2 auf. Das breitere Konusende berührt die Formwerkzeughälfte 2 im Umbugbereich bis zur Dichtungslippe 2.1 nicht; hier verbleibt ein Spalt zwischen der Formwerkzeughälfte 2 und dem Formteil 3 von bis zu 0,4 mm. Zwischen der äußeren Mantelfläche des Formteils 3 und der ersten Formwerkzeughälfte 1 besitzt die Kavität 4 eine Spaltweite von 0,5 mm.
Die Injektion des polyurethanbasierten Lackes erfolgt entsprechend 3 über den Angusskanal 1.2 in das geschlossene Formwerkzeug mit einem Einfülldruck von 600 kPa; der Lack füllt die Kavität 4 aus und tritt über den Überlaufkanal 1.1 in der ersten Formwerkzeughälfte 1 aus. Eingeschlossenen Luftblasen werden mit dem ausfließenden Lack entfernt, sodass Beschichtungsfehlstellen vermieden werden. Zur Unterstützung der Fließbewegung des Lackes in der Kavität 4 wird am Überlaufkanal 1.1 ein Unterdruck von 95 kPa angelegt.
Gleichzeitig mit der Lackinjektion erfolgt die Temperierung der ersten Formwerkzeughälfte 1, indem eine Kühlflüssigkeit das Kühlkanalsystem 1.3 durchströmt. Diese Durchströmung erfolgt nach dem Gegenstromprinzip (dargestellt durch die Pfeile), d. h. die Kühlflüssigkeit strömt in entgegengesetzter Richtung zur Fließrichtung des Lackes, sodass die sich zuletzt füllenden Bereiche der Kavität 4 am stärksten gekühlt werden.
Nach der vollständigen Befüllung der Kavität 4 und der anschließenden Aushärtung des Lackes im geschlossenen Formwerkzeug werden die beiden Formwerkzeughälften 1, 2 – siehe Darstellung in 4 – getrennt und das Formteil 3 mit der Beschichtung 3.1 entnommen. Das überschüssige, am Formteil 3 anhaftende Beschichtungsmaterial aus den Bereichen des Angusskanals 1.2 und des Überlaufkanals 1.1 wird entfernt.
Bezugszeichenliste

1: Erste Formwerkzeughälfte
1.1: Überlaufkanal
1.2: Angusskanal
1.3: Kühlkanalsystem
2: Zweite Formwerkzeughälfte
2.1: Dichtungslippe
3: Formteil
3.1: Beschichtung
4: Kavität

Claims

Verfahren zur Applikation eines Lackes auf einem Formteil aus faserverstärktem Kunststoff gemäß einem In-Mould-Coating Prozess, aufweisend die Verfahrensschritte: – Einlegen des Formteils (3) in ein Formwerkzeug, umfassend eine erste Formwerkzeughälfte (1) und eine zweite Formwerkzeughälfte (2) sowie mindestens einen Angusskanal (1.2) und mindestens einen Überlaufkanal (1.1), wobei nach dem Schließen der Formwerkzeughälften (1, 2) das Formteil (3) allumfänglich eingeschlossen ist und eine Kavität (4) entsprechend dem Volumen und der Kontur der Beschichtung (3.1) verbleibt, – Injizieren des Lackes über den Angusskanal (1.2) in das Formwerkzeug bis zur vollständigen Füllung der Kavität (4) und zur mindestens teilweisen Füllung des Überlaufkanals (1.1), – Aushärtung des Lackes im geschlossenen Formwerkzeug unter Ausbildung der Beschichtung (3.1) auf der Oberfläche des Formteils (3), und – Entnehmen des beschichteten Formteils (3, 3.1) nach dem Öffnen der Formwerkzeughälften (1, 2), wobei – am Überlaufkanal (1.1) ein Unterdruck gegenüber dem äußeren Umgebungsdruck zur Unterstützung der Fließbewegung des Lackes in der Kavität (4) angelegt wird, und – während der Injektion des Lackes mindestens eine der beiden Formwerkzeughälften (1, 2) temperiert wird.
Verfahren zur Applikation eines Lackes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in unmittelbar an die Kavität (4) angrenzenden Bereichen des Formwerkzeuges während der Lackinjektion durch das Temperieren konstant im Temperaturbereich von 15 bis 30 °C gehalten wird.
Verfahren zur Applikation eines Lackes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lack mit einem Einfülldruck bis 850 kPa am Angusskanal (1.2) in das Formwerkzeug injiziert wird.
Verfahren zur Applikation eines Lackes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Überlaufkanal (1.1) ein Unterdruck von 90 bis 100 kPa erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Lack ein polyurethanbasiertes Lacksystem verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lack mit mikroskaligen Pigmenten aus Polytetrafluorethylen oder Kautschuk verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formwerkzeug mit einer Mikrostrukturierung auf den die Oberfläche der Beschichtung (3.1) abbildenden Bereichen verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein nach einem Harzinjektionsverfahren hergestelltes Teil als Formteil (3) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein rotationssymmetrisches Teil, hergestellt aus einer Duroplastmatrix und einer in Wickeltechnik gefertigten Einlage aus Carbon- und/oder Glasfasern, als Formteil (3) verwendet wird.