DE19813104A1 - Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von FaserverbundbauteilenInfo
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Abstract
Die Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen aus in einer evakuierbaren Vakuumfolie befindenden, eine Fasern umfassende sogenannte Preform (4) und einem Matrixmaterial (3), wobei zwischen dem herzustellenden Faserverbundbauteil und der Vakuumfolie (13) eine poröse Membran (6) angebracht wird, deren Poren derart dimensioniert sind, daß man Luft ungehindert entweichen läßt und das flüssige Matrixmaterial (3) zurückhält.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen
aus in einer evakuierbaren Vakuumfolie befindenden eine Fasern umfassende
sogenannte Preform und einem Matrixmaterial.
Faserverbundbauteile haben sowohl hinsichtlich ihrer produzierten Mengen als
auch ihrer vielfältigen Einsatzgebiete in den letzten Jahren außerordentlich stark
an Interesse gewonnen. Ausschlaggebend dafür sind zweifelsohne die große Viel
falt der Verarbeitungs- und Gestaltungsmöglichkeiten, sowie die Wirtschaftlich
keit bei der Fertigung von Formteilen. Durch den flüssigen Aggregatzustand des
Matrixmaterials ist eine vielseitige und komplizierte Formgebung ohne großen
Energieaufwand möglich, was eine einfachere Verarbeitung ermöglicht als bei
der Umformung von festem Halbzeug. Die Temperaturbelastung von Maschinen
und Werkzeug ist bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen um ein viel
faches geringer als bei der Verarbeitung flüssiger Metalle. Mit einem geringen
Aufwand an Kraft und Material können große Formteile ohne Schwierigkeiten
hergestellt werden.
Aus Otto Schwarz: "Glasfaserverstärke Kunststoffe", Vogel Verlag, Würzburg
(1975) geht ein Gummisack-Vakuumverfahren zur Herstellung von
Faserverbundbauteilen als bekannt hervor, bei dem das formgebende Werkzeug,
die Preform und das Matrixmaterial unter einer elastischen Folie aus Gummi,
Polyethylen oder Polyvinylalkohol angebracht sind, und die Folie beim Anlegen
eines Unterdrucks über eine Vakuumpumpe, die Preform samt Matrixmaterial bis
zum Abschluß der Härtung auf das formgebende Werkzeug preßt. Das
formgebende Werkzeug kann dabei durchaus mehrteilig sein und aus mehreren
Druckstücken bestehen, wie das bei bestimmten Formgebungen der Fall sein
muß. Typisch für dieses Verfahren ist der Rand der Anordnung, in dem die
Spannvorrichtung für die Folie und die Ablaufrinnen für das Matrixmaterial samt
Entlüftungsstutzen untergebracht sind. Außerdem können zwischen
formgebendem Werkzeug und herzustellendem Faserverbundbauteil Trennmittel
eingesetzt werden, die das Ablösen des fertigen Faserverbundbauteils vom
Werkzeug erleichtern.
Nachteilig wirkt sich bei diesem Verfahren aus, daß bei niedrigviskosen Matrix
materialien Lufteinschlüsse nicht verhindert werden können. Außerdem muß mit
einem Überschuß an Matrixmaterial gearbeitet werden, da dieses beim evakuie
ren über den Entlüftungsstutzen in die Ablaufrinnen für das Matrixmaterial ge
langt und nicht mehr zum Infiltrieren der Preform genutzt werden kann. Bei
mehrteiligen formgebenden Werkzeugen, bei denen verschiedene Druckstücke
zwischen herzustellendem Faserverbundbauteil und Folie eingesetzt werden,
kommt es zu deren Benetzung mit flüssigem Matrixmaterial, wodurch die Druck
stücke nach der Herstellung des Faserverbundbauteils mit großem Arbeitsauf
wand wieder gereinigt werden müssen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Her
stellung von Faserverbundbauteilen aus in einer evakuierbaren Vakuumfolie be
findenden, eine Fasern umfassende sogenannte Preform und einem Matrix
material, dahingehend weiterzuentwickeln, daß auch bei niedrigviskosen Ma
trixmaterialien Lufteinschlüsse verhindert werden können und somit eine bessere
Laminatqualität herbeigeführt werden kann.
Zur Lösung der Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfin
dungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem herzustellendem Faser
verbundbauteil und der Vakuumfolie eine poröse Membran angebracht wird,
deren Poren derart dimensioniert sind, daß man die Luft ungehindert entweichen
läßt und das flüssige Matrixmaterial zurückgehalten wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, Faserverbundbauteile auch mit
niedrigviskosen Matrixmaterialien herzustellen, ohne daß Lufteinschlüsse im
Faserverbundbauteil entstehen. Außerdem ist kein Überschuß an Matrixmaterial
erforderlich, da die poröse Membran zwar die Luft auf dem Infiltrationsbereich,
der durch die enganliegende Vakuumfolie nicht größer ist als das zu fertigende
Faserverbundbauteil, entweichen läßt, das Matrixmaterial aber zurückgehalten
wird, wodurch es nicht vor dem Entlüftungsstutzen in Ablaufrinnen aufgefangen
werden muß und nicht mehr für den Infiltrationsvorgang zur Verfügung steht.
Des weiteren können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Hilfsstoffe wie z. B.
Druckstücke von mehrteiligen formgebenden Werkzeugen ohne Verlust ihrer
Aufgabe auch außerhalb der porösen Membran angebracht werden, wodurch sie
nicht mit dem flüssigen Matrixmaterial benetzt werden, was den Reini
gungsaufwand der Werkzeuge nach der Herstellung des Faserverbundbauteils
minimiert.
Vorteilhaft gestaltet sich die Verwendung von porösen Membranen, deren Poren/
Öffnungen einen Durchmesser zwischen 1 µm und 5 µm, insbesondere einen
Durchmesser von 3 µm aufweisen. Die Festlegung der Bereichsgrenzen der
Durchmesser ist nur als bevorzugte Angabe anzusehen, nicht jedoch als eine
Beschränkung der Erfindung. Die genaue Größe hängt ab vom Benetzungs
verhalten der verwendeten Matrixmaterialien und angewendeten Folien.
Als poröse Membranen kommen bevorzugt dünne Polyurethan-Folien (PU-Fo
lien) oder dünne Teflon-Folien (PTFE-Folien) in Betracht, die sich sehr gut der
Kontur des herzustellenden Faserverbundbauteils anpassen und somit einen op
timalen Herstellungsprozeß gewährleisten.
Vorteilhaft werden PU- oder PTFE-Folien mit einer Dicke im Bereich zwischen
10 µm und 60 µm verwendet. Bei derartigen Folien bedingt deren Herstellungs
prozeß die Erzeugung von Poren der beim Einsatz dieser Materialien gewünsch
ten Porengröße, so daß kein zusätzlicher Arbeitsschritt notwendig ist, um die Fo
lie mit den Poren zu versehen, wodurch der Aufwand minimiert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden zwischen der porösen Membran und der Vakuumfolie Gewebe und/oder
Vliese eingelegt, um nach der Herstellung des Faserverbundbauteils bei der De
montage der Anordnung das Ablösen der Vakuumfolie von der porösen Mem
bran zu erleichtern. Ebenfalls ist es bei der Verwendung von mehrteiligen Werk
zeugen vorteilhaft, die Druckstücke auf die eingebrachten Vliese und/oder Ge
webe zu legen, so daß die Druckstücke zwar formgebend auf das herzustellende
Faserverbundbauteil wirken, nicht aber mit dem Matrixmaterial in Verbindung
kommen, wodurch sie vor einem weiteren Einsatz nicht gereinigt werden müssen.
In manchen Fällen werden die Druckstücke aber bevorzugt zwischen poröser
Membran und herzustellendem Faserverbundbauteil eingesetzt. Dies ist vor allem
dann von Vorteil, wenn die unter den Druckstücken angebrachte poröse Mem
bran bei einer komplizierten Formgebung des Faserverbundbauteils Falten wirft
und somit die Oberfläche schädigen würde.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens befindet sich zwi
schen der porösen Membran und dem Faserverbundbauteil ein Gewebe und/oder
Vlies, so daß ein Verkleben der Membran mit dem Matrixmaterial erschwert
wird.
Eine Vereinfachung kann herbeigeführt werden, wenn an Stelle der eingesetzten
Vliese und/oder Gewebe bevorzugt Verbundmaterialien eingesetzt werden, bei
denen die Vliese und/oder Gewebe auf die poröse Membran auflaminiert werden.
Bei dieser Ausgestaltungsform wird ein Arbeitsschrift eingespart, da sowohl das
Vlies/Gewebe als auch die poröse Membran gleichzeitig auf die Preform aufge
bracht werden.
Für das Einbringen der Preform und des Matrixmaterials stehen mehrere Mög
lichkeiten zur Verfügung. Vorteilhaft wird die Preform als Faserhalbzeug und das
Matrixmaterial in flüssiger Form eingebracht (Resin Infusion). Es können aber
auch Gründe in Form von speziellen Materialien vorliegen, die es notwendig
machen, die Preform als Faserhalbzeug und das Matrixmaterial in Form von
Filmen unter bzw. auf der Preform (Resin Film Infusion) oder die Preform mit
dem Matrixmaterial als vorimprägniertes Faserhalbzeug (Prepregs) einzusetzten.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer in einer Zeichnung dargestellten
Ausführungsform näher beschrieben, aus der sich weitere Einzelheiten, Merk
male und Vorzüge ergeben.
Die Figur zeigt den Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Herstellung einer mit
einem Profil versteiften Platte durch Resin-infusion.
Bei diesem Verfahren wird auf einer Grundplatte 1 eine Dichtung 2 (General
Sealants GS#100) entsprechend der Größe des herzustellenden Faserverbund
bauteils aufgebracht. In diesen Bereich wird das auf ca. 70° erwärmte flüssige
Matrixmaterial 3 (Epoxidharz Ciba RTM6) gegossen. Dessen Masse errechnet
sich anhand der Preform 4 aus der Masse der Fasern mF, der Masse der Matrix
mH, der Dichte der Fasern ρF, der Dichte der Matrix ρH, dem angestrebten
Faservolumenanteil ϕF und dem Matrixvolumenanteil ϕH zu:
Durch den Einsatz der porösen Membran wird ein Entweichen des Matrixmate
rials aus dem Infiltrationsraum unterbunden, so daß über den gegebenen Zusam
menhang die benötigte Menge an Matrixmaterial exakt bestimmt werden kann
und ein Verlust nicht einkalkuliert werden muß.
In der dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei der auf das Matrix
material 3 und innerhalb der Dichtung 2 aufgesetzten Preform 4 um ein vernähtes
Kohlefaser-Multiaxialgelege mit einer Dichte der Kohlefasern von 1,78 g/cm3.
Über der Preform 4 wird innerhalb der Dichtung 2 eine Lage Abreißgewebe 5
angebracht. Dies erleichtert nach Beendigung des Herstellprozesses das Ablösen
des Faserverbundbauteils von den restlichen aufgebrachten Lagen, ist aber für das
Herstellverfahren nicht unbedingt notwendig.
Der Reaktionsraum der Imprägnierung wird anschließend durch die poröse
Membran 6, eine Polyurethan-Folie der Dicke 55 µm abgeschlossen, in dem
diese über die Preform 4 und das Abreißgewebe 5 gelegt und auf der Dichtung 2
angeklebt wird.
Auf der porösen Membran 6 wird ein Vlies 7 angebracht, welches das Abnehmen
der darauffolgenden Komponenten der Vorrichtung nach der Herstellung des
Faserverbundbauteils erleichtert. Auch hier ist, wie beim Abreisgewebe 5, eine
Anordnung ohne Vlies 7 möglich. Auch der Einsatz eines Laminats, bei dem das
Vlies 7 und die poröse Membran 6 einen festen Verbund bilden, ist möglich.
Auf das Vlies 7 werden in der beschriebenen Ausführungsform fünf Druckteile 8,
9, 10, 11, 12 des mehrteiligen formgebenden Werkzeugs derart aufgebracht, daß
die Form des herzustellenden Faserverbundbauteils durch den zwischen der
Grundplatte 1 und den fünf Druckteilen 8 bis 12 gegebenen Raum definiert ist.
Durch die Anordnung der Druckstücke 8 bis 12 außerhalb der porösen Membran
6 kommen diese bei der Infiltrierung nicht mit dem Matrixmaterial 3 in Be
rührung, so daß eine Reinigung nach der Herstellung des Faserverbundbauteils
entfällt. Bei komplexen Geometrien der herzustellenden Faserverbundbauteile
können auch Umstände vorliegen, die es notwendig machen, alle oder nur be
stimmt Druckteile zwischen Preform 4 und poröser Membran 6 anzubringen.
Zur Evakuierung des Aufbaus wird eine ein Anschlußstück 14 zu einer Vakuum
pumpe aufweisende Vakuumfolie 13 über den bisherigen Aufbau gelegt, mittels
eines Dichtbandes 16 (General Sealants GS#100) derart auf der Grundplatte 1
befestigt, daß durch die Vakuumfolie 13 und die Grundplatte 1 ein gasdichter
Raum entsteht.
Der gesamte Aufbau wird mit einer an das Anschlußstück 14 angeschlossenen
Vakuumpumpe evakuiert und in einem Autoklaven über einen den verwendeten
Materialien angepaßten Temperatur-Vakuum-Zyklus infiltriert und ausgehärtet.
Dabei gewährleistet das Vlies 7 zwischen der porösen Membran 6 und der Va
kuumfolie 13 den Transport der in der Preform 4 befindlichen Luft zur Vakuum
pumpe.
Bei der dargestellten Ausführungsform wurde die sogenannte Resin Infusion-Me
thode angewendet, bei der neben der Preform 4 das Matrixmaterial 3 in flüssiger
Form eingesetzt wird. Natürlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf
diese Methode beschränkt. Vielmehr kann es auch bei der sogenannten Resin
Film Infusion-Methode und bei der Verwendung von Prepregs eingesetzt werden.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen aus in einer
evakuierbaren Vakuumfolie befindenden eine Fasern umfassende sogenannte
Preform (4) und einem Matrixmaterial (3), dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem herzustellenden Faserverbundbauteil und der Vakuumfolie (13)
eine poröse Membran (6) angebracht wird, deren Poren derart dimensioniert sind,
daß man Luft ungehindert entweichen läßt und das (flüssige) Matrixmaterial (3)
zurückhält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Größe der Poren/Öffnungen in der porösen Membran (6) in einem Bereich von
1 µm bis 5 µm, bevorzugt 3 µm eingestellt wird.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Polyurethan-Folie (PU-Folie) oder
eine Teflon-Folie (PTFE-Folie) als poröse Membran (6) eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dicke der Folie zwischen 10 µm und 60 µm liegt.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen poröser Membran (6) und
Vakuumfolie (13) (ein) Gewebe und/oder (ein) Vlies(e) (7) und/oder (ein)
Druckstück(e) (8, 9, 10, 11, 12) eingebracht wird/werden.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen poröser Membran (6) und her
zustellendem Faserverbundbauteil (ein) Gewebe (5) und/oder (ein) Vlies(e)
und/oder (ein) Druckstück(e) eingebracht wird/werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gewebe und/oder das Vlies als fester Verbund mit der porösen Membran (6),
d. h. als Laminat, eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Preform (4) als Faserhalbzeug und
das Matrixmaterial (3) in flüssiger Form oder die Preform (4) als Faserhalbzeug
und das Matrixmaterial (3) als Film oder die Preform (4) als mit Matrixmaterial
(3) vorimpregnierte Faserhalbzeuge sogenannte Prepregs eingesetzt wird.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19813104A DE19813104A1 (de) | 1998-03-25 | 1998-03-25 | Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen |
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Publications (1)
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|---|---|
| DE19813104A1 true DE19813104A1 (de) | 1999-09-30 |
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