DE102006044486B4

DE102006044486B4 - Verfahren zur Herstellung einer Randabdichtung einer Sandwichplatte mit einer Füllmasse mit einem thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterial

Info

Publication number: DE102006044486B4
Application number: DE102006044486A
Authority: DE
Inventors: Berend Dipl.-Ing. Schoke
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2026-09-22
Also published as: DE102006044486A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Randabdichtung einer Sandwichplatte (5) mit beidseitig auf einer Kernstruktur (6) aufgebrachten Deckschichten (7, 8) im Bereich mindestens einer Schnittkante (9, 10) der Sandwichplatte (5) umfassend die folgenden Schritte:
a) Einbringen einer Füllmasse (1) im Bereich der Schnittkante (9, 10), wobei die Füllmasse (1) eine mit einem thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterial gebildete Harzmatrix (2) mit einer Vielzahl von darin eingebetteten Glashohlkugeln (3) aufweist und die Glashohlkugeln (3) mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung (4) versehen sind, und
b) Erhitzen der Glashohlkugeln (3) mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes (12) zur Aushärtung der Füllmasse (1), wobei die Aushärtung der Füllmasse (1) in einem Zeitraum zwischen 1 s und 10 s erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Randabdichtung einer Sandwichplatte mit einer Füllmasse mit einer mit einem thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterial gebildeten Harzmatrix und einer Vielzahl von darin eingebetteten Glashohlkugeln.
Das Interieur von Flugzeugen wird zum überwiegenden Teil mit faserverstärkten Kunststoffmaterialien gebildet. Für Boden- und Wandverkleidungsplatten werden beispielsweise vielfach Sandwichplatten mit einer Kernstruktur und diese beidseitig bedeckende Deckschichten eingesetzt, die hohe mechanische Festigkeiten bei einem gleichzeitig geringen Gewicht aufweisen.
Die Sandwichplatten müssen in der Regel nach dem standardisierten Herstellungsprozess für den konkreten Anwendungsfall auf Maß gebracht, das heißt zugeschnitten werden. Entlang der Schnittkanten liegt die Kernstruktur, beispielsweise eine Honigwabe, jedoch frei. Aus ästhetischen und auch aus technischen Gründen, beispielsweise um das Eindringen von schädlicher Feuchtigkeit und Fremdkörpern in die Kernstruktur zu vermeiden, müssen die Schnittkanten versiegelt bzw. abgedichtet werden.
Für eine Versiegelung kommen Füllmassen mit thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterialien in Betracht, die nach dem Auftragen und Glätten ausgehärtet werden.
Für optimale mechanische Eigenschaften einer Sandwichplatte ist eine mechanisch hinreichend feste Haftung der Füllmasse an der Kernstruktur und/oder den Deckschichten erforderlich, wobei gleichzeitig eine gewisse Elastizität der Füllmasse zu fordern ist, um beispielsweise einer Rissbildung oder einer Ablösung von den Deckschichten vorzubeugen. Darüber hinaus sollen die Füllmassen eine möglichst geringe Dichte aufweisen, um das Gewicht zu reduzieren.
Auch bei der Anordnung von Befestigungselementen in Sandwichplatten kommen Füllmassen zum Einsatz, um die Verankerung und damit eine Kraftüberleitung von dem Befestigungselement in die Kernstruktur und/oder auf die Deckschichten zu ermöglichen.
Bekannte Füllmassen zur Versiegelung bzw. Randabdichtung von Sandwichplatten werden beispielsweise mit thermisch aushärtbaren Epoxydharzen auf Ein- oder Zweikomponentenbasis hergestellt, die mit Glashohlkugeln als Füllstoff versetzt sind. Die in die Epoxydharzmatrix eingebetteten Glashohlkugeln reduzieren das Raumgewicht der Füllmasse, ohne jedoch deren Druckfestigkeit zu verringern oder das Brandverhalten negativ zu beeinflussen. Die Füllmassen sollen darüber hinaus bei Raumtemperatur eine hinreichend lange Lagerfähigkeit aufweisen, gleichzeitig aber im Bedarfsfall hinreichend schnell aushärtbar sein.
Aus der DE 40 06 353 C2 ist ein Radomwerkstoff in Sandwichbauweise mit Deckschichten aus Faserverbundwerkstoff und mindestens einem Kern aus einer Kunststoffmatrix mit darin eingebetteten Füllkörpern bekannt. Als Füllkörper für den Kern werden leitfähige oder durch eine Beschichtung leitfähig gemachte Kugeln mit geringem Durchmesser, die jeweils voll oder hohl sein können, verwendet. Als Matrix für den Kernwerkstoff werden sowohl Duroplaste als auch Thermoplaste vorgeschlagen.
Die JP 02255787 A betrifft ein antistatisches Dichtungsmaterial. Das Dichtungsmaterial wird in einer Ausführungsvariante mit einem Epoxydharz gebildet, in das hohle, mikroskopisch kleine Glaskügelchen mit einem Durchmesser zwischen 10 und 500 μm Durchmesser als Füllmaterial eingelagert sind. Die Glaskügelchen sind mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen, die zum Beispiel aus TiO₂, SnO₂ oder ZnO bestehen kann.
Aus der EP 0 162 979 A1 sind elektrisch leitfähige, innen hohle Glaskügelchen mit sehr geringem Durchmesser, so genannte ”Mikroballons”, bekannt. Die Kügelchen mit einem Durchmesser von bevorzugt weniger als 50 μm werden in einer Ausführungsvariante mit elektrisch leitfähigem Silber beschichtet und in eine Epoxydharzmatrix zur Herstellung eines Gussteils eingebettet.
Die EP 1 278 211 A1 betrifft ebenfalls eine leitfähige Zusammensetzung mit Mikrokörpern. Die aus der Zusammensetzung wird mit einem aushärtbaren Polymer zubereitet, in das elektrisch leitfähige und gegebenenfalls hohle Partikel eingelagert werden. Die Partikel werden vorab mit einer Metallbeschichtung versehen, die eine hinreichend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Die Zusammensetzung wird ausgehärtet und stellt ein elektrisch leitfähiges Polymer dar. Als Polymer wird zum Beispiel ein Silikongummimaterial verwendet. In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, die Partikel vor der Metallisierung der Oberfläche mit einem Silikon-Polymer zu beschichten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Randabdichtung einer Sandwichplatte mit einer Füllmasse zu schaffen, die einerseits eine hinreichend lange Lagerfähigkeit bei Raumtemperatur aufweist, die andererseits aber im Bedarfsfall eine schnelle Aushärtung erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass die Glashohlkugeln eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweisen und die Glashohlkugeln mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes zur Aushärtung des thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterials erhitzbar sind, kann die Füllmasse im Bedarfsfall in sehr kurzer Zeit ausgehärtet werden, da die zur Aushärtung erforderliche Wärme nicht mehr von Außen zugeführt wird, sondern unmittelbar im Inneren der Füllmasse durch die Glashohlkugeln mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung erzeugt wird. Andererseits ist die Füllmasse bei Raumtemperatur (nahezu) unbegrenzt lagerfähig und verarbeitbar, da bei dieser niedrigen Temperatur praktisch keine Vernetzungsreaktionen erfolgen. Die Polymerisation und damit der eigentliche Aushärtungsvorgang wird erst dann gestartet, wenn die Füllmasse einem geeigneten elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird. Als elektromagnetische Wechselfelder kommen zum Beispiel niederfrequente Magnetfelder einer Spule oder auch Mikrowellen mit geeigneter Wellenlänge in Betracht. Nach dem Entfernen des elektromagnetischen Wechselfeldes erfolgt auch bei Raumtemperatur in der Regel noch eine Nachhärtung.
Infolge des von Außen zur Aushärtung an die Füllmasse angelegten elektromagnetischen Wechselfeldes werden in der leitfähigen Beschichtung der Glashohlkugeln Wirbelströme indu ziert, die durch den Ohmschen Widerstand der Beschichtung eine entsprechende Verlustwärme erzeugen. Die hierdurch bedingte gleichmäßige Wärmeerzeugung unmittelbar in der Füllmasse selbst erlaubt eine sehr schnelle Aushärtung der Füllmasse. Dennoch kann die Füllmasse bei Raumtemperatur nahezu beliebig lange gelagert und verarbeitet werden, da unterhalb der Aushärtungstemperatur praktisch keine Aushärtungsreaktionen erfolgen. Eine thermische Beeinflussung der nicht leitenden Deckschichten und/oder Kernstruktur der Sandwichplatte wird durch den induktiven Aushärtungsprozess nahezu vollständig vermieden. Die Füllmasse kann hierbei mit thermisch aushärtbaren duroplastischen Harzsystemen auf einer Einkomponenten- oder einer Zweikomponentenbasis gebildet werden. Gleichzeitig weist die Füllmasse eine geringe Dichte bei dennoch ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften auf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sind in den weiteren Patentansprüchen dargelegt.
In der Zeichnung zeigt:
1 einen stark vergrößerten Querschnitt durch die Füllmasse mit einer Vielzahl von elektrisch leitend beschichteten Glashohlkugeln und
2 einen Querschnitt durch eine Sandwichplatte mit einer mittels der Füllmasse gebildeten Randabdichtung im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der Zeichnung weisen gleiche konstruktive Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
Die 1 zeigt einen stark vergrößerten schematisierten Querschnitt durch die Füllmasse 1.
Eine Harzmatrix 2 ist mit einem thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterial gebildet. Die Harzmatrix 2 der Füllmasse 1 kann beispielsweise mit einem thermisch aushärtbaren Epoxydharz, Polyesterharz, Phenolharz, BMI(Bismaleimid)-Harz oder dergleichen gebildet sein. In der Matrix 2 der Füllmasse 1 sind eine Vielzahl von mikroskopisch kleinen Glashohlkugeln als Füllstoff eingelagert, von denen lediglich eine, für die übrigen Glashohlkugeln repräsentative, die Bezugsziffer 3 trägt. Die Glashohlkugeln verringern die Dichte der Füllmasse 1, ohne deren Druckfestigkeit oder Feuerfestigkeit negativ zu beeinträchtigen.
Die Glashohlkugel 3 weist – wie die restlichen Glashohlkugeln auch – eine elektrisch leitfähige Beschichtung 4 auf. Die elektrisch leitfähige Beschichtung 4 umschließt die Glashohlkugel 3 vollständig. Die elektrisch leitfähige Beschichtung 4 ist bevorzugt mit einem Titanoxid, insbesondere mit Titan(II)-oxid (TiO), mit Titan(III)-oxid (Ti₂O₃) oder mit Titan(IV)-oxid (TiO₂), gebildet. Alternativ kann die Beschichtung 4 auch mit anderen elektrisch leitfähigen Materialien, wie zum Beispiel mit einem dünnschichtigen Metallüberzug, einer Metallbedampfung oder dergleichen, gebildet sein. Weiterhin können zur Ausbildung der leitfähigen Beschichtung auch halbleitende Materialien, wie zum Beispiel Zinkoxid, verwendet werden. Die Glashohlkugeln 3 weisen einen Durchmesser von weniger als 10 μm auf und sind in der dichtest möglichen Kugelpackung innerhalb der Matrix 2 angeordnet, um ein möglichst geringes Raumgewicht der Füllmasse 1 zu erreichen. Die Beschichtung 4 der Glashohlkugeln 3 weist eine äußerst geringe Schichtdicke auf, die in Abhän gigkeit vom Durchmesser der Glashohlkugeln 3 eine Materialstärke von bis 1 μm erreichen kann. Bei einem bevorzugten Durchmesser der Glashohlkugeln 3 von 1 μm beträgt eine Stärke der Beschichtung 4 in der Regel nur wenige 1/10 μm.
Die elektrisch leitfähige Beschichtung 4 der Glashohlkugeln 3 ermöglicht deren Erhitzung in einem von außen angelegten elektromagnetischen Wechselfeld. Hierdurch wird die Füllmasse 1 von innen heraus nahezu schlagartig zumindest auf eine zur Aushärtung erforderliche Aushärtungstemperatur T_Aushärtung gebracht. Die Füllmasse 1 lässt sich somit innerhalb eines Zeitintervalls von 1 bis 10 Sekunden zumindest soweit aushärten, um eine ausreichende Anfangsfestigkeit zu erreichen.
Nach der induktiven Aushärtung der Füllmasse 1 schließt sich eine Abkühlphase an, in der die Füllmasse 1 wieder auf Raumtemperatur abkühlt. Gegebenenfalls laufen nach dem Abschluss der Abkühlphase auch bei Raumtemperatur noch Restaushärtungsprozesse ab, nachdem der eigentliche Aushärtungsvorgang mittels des von außen angelegten elektromagnetischen Feldes einmal initiiert wurde.
Das elektromagnetische Wechselfeld kann beispielsweise mit einer Zylinderspule erzeugt werden, die von einem Wechselstrom geeigneter Frequenz und Stromstärke durchflossen wird. Der eingesetzte Wechselstrom erreicht eine Frequenz von bis zu 10 MHz, bei einer Generatorleistung der Wechselspannungsquelle in einer Größenordnung von bis zu 10 kW, wodurch gegebenenfalls auch ein mobiler Einsatz der Spulenanordnung noch möglich ist. Im Falle eines stationären Einsatzes, bei spielsweise bei einer kontinuierlichen Sandwichplattenfertigung, können auch höhere Generatorleistungen zum Einsatz kommen. Das elektromagnetische Wechselfeld kann auch mit einer Ringspule (kurze Zylinderspule) erzeugt werden. Alternativ ist eine Aushärtung durch die Anwendung von Mikrowellenstrahlung auf die Füllmasse 1 möglich. Die räumliche Ausdehnung des elektromagnetischen Wechselfeldes muss hierbei stets etwas größer sein, als ein von der Füllmasse 1 eingenommener Bereich, um eine ausreichende Durchwärmung der auszuhärtenden Füllmasse 1 zu gewährleisten.
Die 2 zeigt ein typisches erfindungsgemäßes Verfahren für die Füllmasse in Form der Ausbildung einer Randabdichtung eines Sandwichplattenabschnitts.
Eine Sandwichplatte 5 mit einer Kernstruktur 6 sowie beidseitig aufgebrachten Deckschichten 7, 8, beispielsweise eine Bodenplatte, eine Innenverkleidungsplatte für die Passagierkabine eines Flugzeugs oder dergleichen, weist zwei Schnittkanten 9, 10 auf, die beim Herausschneiden der Sandwichplatte 5 aus einer großflächigen, gegebenenfalls endlos gefertigten Sandwichplatte entstehen. Die vordere und die hintere, verdeckte Schnittkante sind nicht mit einer Bezugsziffer versehen.
In den Bereich der Schnittkante 10 der Sandwichplatte 5 ist die Füllmasse 1 zur Bildung einer Randabdichtung eingebracht worden, während die Schnittkante 9 noch unversiegelt ist. Die Einbringung bzw. das Einstreichen der Füllmasse 1 in die Schnittkanten 9, 10 und die Glättung der Füllmasse 1 kann beispielsweise mittels einer an einem nicht dargestellten Handhabungsgerät angeordneten Spritzvorrichtung und einem nachgeführten Spachtel erfolgen. Für die Qualität einer mit der Füllmasse 1 gebildeten Randabdichtung bzw. Randversiegelung ist eine gute Haftung der Füllmasse 1 an den Deckschichten 7, 8 sowie der Kernstruktur 6 von entscheidender Bedeutung. Das für die Füllmasse 1 eingesetzte Harzsystem muss demzufolge mit dem für die Deckschichten 7, 8 bzw. der Kernstruktur 6 verwendeten Harzsystem abgestimmt sein.
Die Aushärtung der Füllmasse 1 erfolgt mittels der schematisch dargestellten Spulenanordnung 11, mittels derer ein auf die räumliche Erstreckung der Füllmasse 1 lokal begrenztes elektromagnetisches Wechselfeld 12 im Bereich der rechten Schnittkante 10 erzeugbar ist.
Das elektromagnetische Wechselfeld 12 induziert Wirbelströme in der leitfähigen Beschichtung 4 der Glashohlkugeln 3. Diese nicht dargestellten Wirbelströme fließen auf kreisförmigen Bahnen innerhalb der leitfähigen Beschichtung 4 und erzeugen durch deren Ohmschen Widerstand eine Verlustwärme, die die Glashohlkugeln 3 auf eine Temperatur aufheizen, die oberhalb einer minimalen Aushärtungstemperatur des für die Harzmatrix 2 verwendeten thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterials liegt. Die Harzmatrix 2 der Füllmasse 1 wird bevorzugt mit einem thermisch aushärtbaren Epoxydharz auf einer Zweikomponentenbasis gebildet, dessen Aushärtungstemperatur T_Aushärtung zwischen 60°C und 220°C liegt. Andere thermisch aushärtbare duroplastische Harzsysteme können gleichfalls verwendet werden.
Die Spulenanordnung 11 weist einen Spulenkern 13 mit einer in etwa u-förmigen Querschnittsgeometrie auf. Auf dem Spulenkern 13 ist eine Wicklung 14 angeordnet, in die ein Wechselstrom mit einer ausreichenden Stromstärke und geeigneter Frequenz zur Erzeugung des elektromagnetischen Wechselfeldes von einem nicht dargestellten Generator eingespeist wird. Abweichend von der gezeigten Spulenanordnung 11, die mit relativ niederfrequenten Wechselströmen mit einer Frequenz von bis zu 10 MHz gespeist wird, kann zur lokalen Aushärtung der Füllmasse 1 beispielsweise ein höherfrequentes Mikrowellenfeld mit einer geeigneten Frequenz, beispielsweise in einer Größenordnung von bis zu 3 GHz, und Intensität zum Einsatz kommen.
Die Füllmasse 1 ist mittels der Spulenanordnung 11 so schnell aushärtbar, dass die Spulenanordnung 11 vorzugsweise unmittelbar mit an dem Handhabungsgerät angeordnet ist. Ein Zeitraum von 1 bis 10 Sekunden ist für die Aushärtung der Füllmasse 1 vollkommen ausreichend. Das Handhabungsgerät, beispielsweise in der Form bekannter Standardindustrieroboter mit einer Vielzahl von Freiheitsgraden, führt in einer bevorzugten Ausführungsform die Spritzvorrichtung, den Spachtel und die Spulenanordnung 11 um die Schnittkanten 9, 10 sowie die parallel zur Zeichenebene verlaufende vordere und hintere Schnittkante der Sandwichplatte 5 mit einer für die Aushärtung ausreichenden Geschwindigkeit entlang, so dass eine zeitsparende und vollautomatische Kantenversiegelung der Sandwichplatte 5 weitgehend unabhängig von der jeweiligen Umfangskontur mit der Füllmasse 1 möglich ist. In der Darstellung der 2 bewegt sich die Spulenanordnung 11 senkrecht in die Zeichenebene hinein.
Die induktiv schnell aushärtbare Füllmasse 1 ermöglicht somit die kontinuierliche Randabdichtung von Sandwichplatten, die zum Beispiel aus einer großflächigen Sandwichplatte bzw. aus einer kontinuierlich (endlos) gefertigten Sandwichplat te, beispielsweise zur Herstellung von großformatigen Fußbodenplatten oder Innenverkleidungsplatten für die Ausstattung von Passagierkabinen von Flugzeugen, ausgeschnitten werden. Die Füllmasse erlaubt neue Fertigungsverfahren bei zugeschnittenen Sandwichplatten für Innenbauteile von Passagierflugzeugkabinen, in dem beispielsweise das Einbringen und Glätten der Füllmasse zur Herstellung der Kantenversiegelung nahezu zeitlich mit der Aushärtung durch das elektromagnetische Wechselfeld erfolgen. Die Füllmasse ist gleichermaßen zur beschleunigten Anbindung von Befestigungsmitteln in Bohrungen von Sandwichplatten geeignet.

1: Füllmasse
2: Harzmatrix
3: Glashohlkugel
4: leitfähige Beschichtung
5: Sandwichplatte
6: Kernstruktur
7: Deckschicht
8: Deckschicht
9: Schnittkante
10: Schnittkante
11: Spulenanordnung
12: elektromagnetisches Wechselfeld
13: Spulenkern
14: Wicklung

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Randabdichtung einer Sandwichplatte (5) mit beidseitig auf einer Kernstruktur (6) aufgebrachten Deckschichten (7, 8) im Bereich mindestens einer Schnittkante (9, 10) der Sandwichplatte (5) umfassend die folgenden Schritte: a) Einbringen einer Füllmasse (1) im Bereich der Schnittkante (9, 10), wobei die Füllmasse (1) eine mit einem thermisch aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterial gebildete Harzmatrix (2) mit einer Vielzahl von darin eingebetteten Glashohlkugeln (3) aufweist und die Glashohlkugeln (3) mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung (4) versehen sind, und b) Erhitzen der Glashohlkugeln (3) mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes (12) zur Aushärtung der Füllmasse (1), wobei die Aushärtung der Füllmasse (1) in einem Zeitraum zwischen 1 s und 10 s erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spritzvorrichtung mittels eines Handhabungsgeräts zum Auftragen der Füllmasse (1) um die Schnittkanten (9, 10) herumgeführt und die Füllmasse (1) mittels eines am Handhabungsgerät angeordneten Spachtels geglättet und die Füllmasse (1) mittels einer am Handhabungsgerät angeordneten Spulenanordnung (11) zur Erzeugung des elektromagnetischen Wechselfeldes (12) ausgehärtet wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Glashohlkugeln (3) zur Aushärtung der Füllmasse (1) mittels des elektromagnetischen Wechselfeldes (12) zumindest bis auf eine Aushärtungstemperatur T_Aushärtung des du roplastischen Kunststoffmaterials der Harzmatrix (2) erhitzt werden.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllmasse (1) mit einem elektromagnetischen Wechselfeld (12) von bis zu 5 GHz ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das duroplastische Kunststoffmaterial der Harzmatrix (2) ein Epoxydharz, ein Polyesterharz, ein Phenolharz oder ein BMI-Harz ist.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Glashohlkugeln (3) mit einem Titanoxid zur Herstellung der leitfähigen Beschichtung (4) beschichtet sind.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Glashohlkugeln (3) mit einem Metall zur Herstellung der leitfähigen Beschichtung (4) beschichtet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllmasse (1) mit Glashohlkugeln (3) gebildet wird, die einen Durchmesser von weniger als 10 μm, insbesondere einen Durchmesser von 1 μm, aufweisen.