DE102008058940B4

DE102008058940B4 - Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes, textiles Halbzeug sowie dessen Herstellung hierfür

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Publication number: DE102008058940B4
Application number: DE102008058940.3A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Filsinger; Dr. Luinge Hans; Georg Wachinger
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2018-02-15
Anticipated expiration: 2028-11-26
Also published as: DE102008058940A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes durch Infiltration eines textilen Halbzeuges (10; 10a) mit einem durch chemische Reaktion aushärtbaren Harzsystem und Ablaufenlassen der chemischen Reaktion, wobei ein aus mehreren gestapelten Lagen von flächigen Einzelhalbzeugen (12; 12a) zusammengesetztes Halbzeug (10; 10a) verwendet wird, welches einen Härter umfassend einen Katalysator und/oder ein Edukt der chemischen Reaktion enthält, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Stapelung von hinsichtlich der Art und/oder Konzentration des Härters unterschiedlichen Einzelhalbzeuglagen (12; 12a) der Härter über das Volumen des Halbzeuges (10; 10a) betrachtet ungleichmäßig verteilt angeordnet ist, wobei das Halbzeug (10; 10a) wenigstens einen Bereich (24a) aufweist, der frei von dem Katalysator und/oder frei von dem Edukt ist und an welchem durch druckunterstützte Aneinanderfügung eine nachträgliche Anbindung eines weiteren mit einem Harzsystem infiltrierten Werkstoffbereiches (26a) erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes durch Infiltration eines textilen Halbzeuges mit einem durch chemische Reaktion aushärtbaren Harzsystem und Ablaufenlassen der chemischen Reaktion. Ferner betrifft die Erfindung ein hierfür geeignetes textiles Halbzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbzeuges.
Derartige Herstellungsverfahren für Faserverbundwerkstoffe sowie hierfür geeignete textile Halbzeuge sind aus dem Stand der Technik bekannt und beispielsweise zur Fertigung von Strukturbauteilen in der Fahrzeugtechnik oder der Luft- und Raumfahrttechnik vorteilhaft einsetzbar.
Ein Faserverbundwerkstoff ist ein Mischwerkstoff, der im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten besteht, nämlich einer Matrix und darin eingebetteten Fasern. Bei dem hier interessierenden Herstellungsverfahren wird das Fasermaterial durch das „textile Halbzeug” bereitgestellt. Bekannte Halbzeuge bestehen beispielsweise aus einem Gewebe, Geflecht, Gelege oder Vlies aus Fasermaterial (z. B. Einzelfasern oder Roving). Das Matrixmaterial des Werkstoffes entsteht als Produkt einer chemischen Reaktion eines dem Halbzeug zuvor in flüssiger bzw. zähflüssiger Form zugeführten Harzsystems (z. B. Kunstharz auf Epoxidbasis), welches bei der chemischen Reaktion aushärtet (z. B. Vernetzungsreaktion eines Epoxidharzsystems).
Bekannte Herstellungsverfahren für Faserverbundwerkstoffe weisen eine Reihe von Nachteilen auf, insbesondere im Zusammenhang mit der Zufuhr („Infiltration”) des Harzsystems in das Halbzeug. Beispielsweise besteht für gängige Harzsysteme ein Zielkonflikt hinsichtlich der Temperatur des Harzsystems bei seiner Infiltration bzw. der Temperatur, bei welcher die Infiltration stattfindet. Einerseits kann mit einer erhöhten Temperatur sehr vorteilhaft die Viskosität des Harzsystems reduziert und somit die Fließgeschwindigkeit durch das Halbzeug erhöht werden, wobei jedoch andererseits eine erhöhte Temperatur oftmals zu einer schnelleren Aushärtereaktion führt und somit die zur Infiltration zur Verfügung stehende Zeit erheblich verringert wird. Letzteres stellt ein gravierendes Problem bei der Infiltration von relativ großen Halbzeugen dar, in welchen das zugeführte Harzsystem relativ lange Wege zurücklegen muss, um eine einwandfreie (vollständige) Infiltration des gesamten Halbzeugvolumens zu erzielen.
Zur Initiierung der chemischen Reaktion ist es bekannt, dem verwendeten Harzsystem erst unmittelbar vor dem Infiltrationsvorgang einen „Härter” umfassend einen Katalysator und/oder ein Edukt der chemischen Aushärtereaktion beizumischen („catalytic curing” bzw. „co-reactive curing”). Sobald dies geschehen ist „läuft die Uhr” und es steht nurmehr eine begrenzte Zeit für den Infiltrationsvorgang zur Verfügung, bis das Harz zumindest teilweise (oder vollständig) aushärtet, was den Infiltrationsfluss des Harzes beenden würde.
In der DE 10 2006 023 865 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils beschrieben, insbesondere zur Bildung relativ dickwandiger Faserverbundbauteile. Das Verfahren beinhaltet ein Stapeln mehrerer Faserwerkstofflagen zu einem ersten Stapel, Zugeben eines aushärtbaren Matrixwerkstoffes und zumindest Teilaushärten des Stapels. Als Faserwerkstofflagen können textile Halbzeuge wie Matten, Gelege, Gewebe, Geflechte oder Prepregs verarbeitet werden. Der aushärtbare Matrixwerkstoff kann durch ein Vakuuminfusionsverfahren infiltriert werden.
Die US 2002/0198342 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundwerkstoffes. Bei dem Verfahren kommt eine reaktive Flüssigkeit zum Einsatz, die in eine Form gegeben wird. Auf einem Verstärkungsmaterial, gebildet durch Verstärkungsfasern, in der Form befindet sich ein Aktivator, der als ein Katalysator wirken kann.
In der US 6,447,705 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundpreforms beschrieben, wobei ein Katalysator in einem Preform-Binderharz vorgesehen ist. Fasern, etwa als Textil, Matte oder unidirektionales Tape, werden mit einem Katalysator-Harz-Gemisch versehen und später in einer geschlossenen Form imprägniert.
Die WO 96/37354 A2 beschreibt ein mit einem „tackifier” versehenes Fasersubstrat. Das Substrat wird in eine Form eingebracht, in die dann ein Matrixharz injiziert wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes der eingangs genannten Art eine vorteilhafte Anbindung eines weiteren Werkstoffbereiches zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Faserverbundherstellungsverfahren nach Anspruch 1, ein Halbzeug nach Anspruch 7 bzw. ein Halbzeugherstellungsverfahren nach Anspruch 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung ermöglicht bei einer Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes der eingangs genannten Art eine gewisse „Steuerung” des Aushärtvorganges.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes wird ein Halbzeug verwendet, welches einen Härter umfassend einen Katalysator und/oder ein Edukt der chemischen Reaktion enthält.
Die bisher übliche und problematische Beimischung eines Härters vor der Infiltration kann im Rahmen der Erfindung entfallen. Bei der Erfindung kommt das Harzsystem während des Infiltrationsvorganges mit einem Härter in Kontakt, welcher erst bei bereits im Halbzeug befindlichen Harz dessen Aushärtereaktion initiiert und/oder beschleunigt.
Es kann vorgesehen sein, dass das zur Infiltration verwendete Harzsystem keinen Härter enthält, also weder einen Katalysator noch ein Edukt der chemischen Aushärtereaktion.
Oftmals (abhängig von dem konkret verwendeten Harzsystem) ist es erforderlich, bei der chemischen Reaktion mehr oder weniger exakte „stöchiometrische Verhältnisse” einzuhalten. Um eine solche Stöchiometrie besser sicherstellen zu können, ist es im Allgemeinen zweckmäßig, wenn das zur Infiltration verwendete Harzsystem mengenmäßig (z. B. gewichtsmäßig) bereits wenigstens einen Großteil der Edukte der betreffenden chemischen Reaktion enthält. Insbesondere kann das infiltrierende Harzsystem bereits im Wesentlichen die gesamte Menge der betreffenden Edukte enthalten. In diesem Fall enthält der im Halbzeug enthaltene Härter eine vergleichsweise geringe Eduktmenge oder im Wesentlichen gar kein Edukt, jedoch einen Katalysator der betreffenden Reaktion.
Als Harzsystem können prinzipiell alle aus dem Bereich der Faserverbundtechnologie an sich bekannten Harzsysteme („Reaktionsharze”) verwendet werden, insbesondere katalytisch beschleunigte Harzsysteme, wobei jedoch der entsprechende Katalysator nicht wie üblich vor dem Infiltrationsvorgang beigemischt wird sondern in das Halbzeug eingebracht wurde. Alternativ oder zusätzlich zu einem Katalysator enthält das Halbzeug ein Edukt der chemischen Reaktion.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Harzsystem ein Epoxidharzsystem verwendet wird. Selbstverständlich sind für die Erfindung im Prinzip auch andere reaktive Materialen zur Schaffung der Faserverbundmatrix einsetzbar, wie z. B. Vinylesterharze, Cyanatharze, Phenolharze, Benzoxazinharze oder dergleichen.
Insbesondere zur Fertigung von Faserverbundwerkstoffen bzw. Faserverbundbauteilen in der Fahrzeugtechnik oder der Luft- und Raumfahrttechnik ist es von Vorteil, dass bei der Erfindung z. B. für die Luftfahrtindustrie amtlich zugelassene Epoxidharzsysteme eingesetzt werden können, z. B. auf Basis von Glycidylderivaten von Bisphenol A oder Bisphenol F (z. B. Diglycidylether-Bisphenol-A oder -F), 4-Aminophenol, Methylendianilin oder Phenolnovolaken, oder z. B. aliphatische Glycidylether oder cycloaliphatische Epoxidharze.
Als katalytische Härter kommen z. B. nukleophile Substanzen wie z. B. tertiäre Amine (z. B. Trimethylamin) oder Imidazol in Betracht. Des Weiteren auch elektrophile Substanzen, oder auch Cyanamid-Derivate wie z. B. Dicyandiamid.
Abgesehen von dem Eintrag eines Härters kann hinsichtlich der Herstellung und Gestaltung des Halbzeuges ebenfalls vorteilhaft auf an sich bekannte Herstellungsverfahren bzw. Gestaltungen zurückgegriffen werden (z. B. Gewebe, Geflecht, Gelege, Vlies etc.). Das Halbzeug kann z. B. Glasfasern, Kohlenstofffasern, synthetische Kunststofffasern, Stahlfasern oder Naturfasern enthalten.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Halbzeug aus mehreren gestapelten Lagen von flächigen Einzelhalbzeugen zusammengesetzt (z. B. „drapiert”) ist. In an sich bekannter Weise können bei einer derartigen Stapelung auch so genannte Binderlagen zwischen einander benachbarten Einzelhalbzeugen eingelegt werden, um eine besonders innige Verbindung im Helbzeug zu erzielen, was z. B. für vor oder nach dem Infiltrationsvorgang in eine bestimmte Form zu bringende Halbzeuge („Preforms”) von Vorteil ist.
Da durch die vorliegende Erfindung der Zielkonflikt zwischen der Verarbeitungsdauer (durch Infiltrationswege bzw. Bauteilgröße) und Reaktivität (Aushärtezeit) erheblich entschärft oder sogar beseitigt ist, eignet sich die Erfindung insbesondere zur Herstellung von relativ großen Faserverbundbauteilen bzw. Vorformlingen („Preforms”) für solche Bauteile, etwa mit wenigstens einer linearen Ausdehnung von mehr als 1 m oder bei flächigen Bauteilen einer Bauteilfläche von mehr als 1 m².
Mit der Erfindung wird erreicht, dass das Harz während des Infiltrationsvorganges zunächst relativ reaktionsträge ist und somit auch über weitere Strecken (längere Zeit) dem Halbzeug (z. B. Preform) zugeführt werden kann. Erst wenn das Harz mit der oder den Stellen des Halbzeuges in Kontakt kommt, an denen sich Härter befindet, wird die chemische Reaktion zum wenigstens teilweisen Aushärten (Vernetzung) angestoßen und/oder beschleunigt. In einem besonders einfachen Beispiel ist der Härter über das Volumen des Halbzeugs betrachtet gleichmäßig verteilt. Erfindungsgemäß ist jedoch vorgesehen, dass der Härter über das Volumen des Halbzeuges betrachtet ungleichmäßig verteilt angeordnet ist. Diese Maßnahme ist in zweierlei Hinsicht interessant:
Zum einen kann damit der Zeitaufwand für die Infiltration (und gegebenenfalls nachfolgende Formgebung des infiltrierten Halbzeuges, z. B. in einem Formwerkzeug) auf ein Optimum verringert werden. Hierfür können diejenigen Bereiche des Halbzeuges, welche während des Infiltrationsvorganges erst relativ spät von dem zufließenden Harz erreicht werden, mit einer höheren Konzentration (allgemein: wirksameren Zusammensetzung) des Härters versehen werden als diejenigen Stellen, mit denen das zufließende Harz früher in Kontakt tritt.
Zum anderen kann eine ungleichmäßige Verteilung des Härters auch dazu genutzt werden, in einem oder mehreren Bereichen ein Aushärten zu verzögern bzw. bei den vorgegebenen Infiltrationsbedingungen (Temperatur und Druck) praktisch ganz zu vermeiden. Diese nicht ausgehärteten Bereiche können sehr vorteilhaft bei einer anschließenden Weiterverarbeitung des Halbzeuges zur Anbindung eines weiteren Werkstoffbereiches genutzt werden (z. B. „Co-Bonding-Verfahren”). Die letztendlich vollständige Aushärtung kann in diesem Fall zu einem späteren Zeitpunkt z. B. thermisch bewirkt werden, etwa in einem ohnehin vorgesehenen separaten „Aushärteschritt”, bei welchem das infiltrierte Halbzeug einer Temperatur ausgesetzt wird, welche erheblich über der Infiltrationstemperatur liegen kann.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der ungleichmäßigen Härterverteilung ist vorgesehen, dass das Halbzeug wenigstens einen Bereich aufweist, der im Wesentlichen frei von dem Katalysator und/oder frei von dem Edukt ist. In diesem Bereich ergibt sich vorteilhaft eine maximale Reaktionsverzögerung bzw. Vermeidung der Aushärtung. Falls dies einer anschließenden Anbindung eines weiteren Werkstoffbereiches dient, so ist der Bereich in der Umgebung desjenigen Oberflächenbereiches des Halbzeuges vorzusehen, an welchem die Anbindung erfolgen soll. Die übrigen Halbzeugbereiche können hierbei z. B. einen gleichmäßig verteilten Härter aufweisen.
Wenn das Halbzeug, wie erfindungsgemäß vorgesehen, wenigstens einen Bereich aufweist, der im Wesentlichen frei von dem Katalysator und/oder frei von dem Edukt ist, so ist gemäß einer gegebenenfalls zweckmäßigen Weiterbildung vorgesehen, dass diese(r) Bereich(e) nach der Infiltration zunächst noch weiterbehandelt wird (werden). Als solche Weiterbehandlung ist z. B. denkbar, dass derartige Bereiche zunächst von dem infiltrierten Harz befreit werden (z. B. durch Auswaschen), und sodann erneut mit einem anderen Harz aufgefüllt werden (gegebenenfalls mit sogleich beigegebenem Härter). Dies kann z. B. im Rahmen eines „Co-Bonding”-Verfahrens geschehen, bei welchem ein weiterer Werkstoffbereich an das Halbzeug angeformt wird. Bei einem hierbei nachträglich eingebrachten (zweiten) Härter kann es sich z. B. um eine Substanz handeln, welche bei höheren Temperaturen oder einer anderen Form von Energieeinbringung aktiviert wird.
Für die Einbringung des Härters in das im Rahmen der Erfindung verwendete textile Halbzeug ergeben sich vielfältige Möglichkeiten.
In einer Ausführung ist beispielsweise vorgesehen, dass das Halbzeug zunächst in an sich bekannter Weise hergestellt wird, etwa als mehrere jeweils flächige textile Halbzeuglagen, welche in geeigneter Weise (etwa unter Berücksichtigung einer gewünschten Faserart, Faserorientierung etc.) vor der Infiltration gestapelt werden, wobei diese einzelnen Halbzeuglagen und/oder der daraus gebildete Stapel sodann einer Weiterverarbeitung unterzogen wird, bei welcher der Härter hinzugefügt wird.
Der Härter kann z. B. in granularer Form (Pulver) oder auch in flüssiger bzw. pastöser Form zugegeben werden. Wenn einzelne Halbzeuglagen vor deren Stapelung jeweils mit dem Härter versehen werden, so besitzt dies den Vorteil, dass hinsichtlich der Art und/oder Konzentration des Härters unterschiedliche Einzellagen hergestellt werden können, und somit durch entsprechende Stapelung ein gewünschtes „Profil der Härterverteilung” im resultierenden Halbzeugstapel ausgebildet werden kann. Mit anderen Worten kann durch entsprechende Vorbehandlung der Einzellagen und geeignete Stapelung im Prinzip eine beliebige gewünschte Verteilung des Härters (dessen Art, Wirksamkeit, Konzentration etc.) im zu infiltrierenden Halbzeugstapel geschaffen werden.
In einer sehr einfachen Ausführungsvariante werden noch unbehandelte (d. h. ohne Härter versehene) Halbzeuglagen auf einer Formoberfläche eines Infiltrationswerkzeuges gestapelt und hierbei sogleich mit dem Härter versehen, z. B. direkt bepulvert. Gewünschtenfalls kann die Menge der Bepulverung von Lage zu Lage variiert werden. Anstatt eines Pulvers könnte hierbei selbstverständlich auch ein flüssiger oder pastöser Härter auf jede Lage aufgebracht werden. Flüssige oder pastöse Härter, enthaltend einen Katalysator und/oder ein Edukt, können auch in verdünnter Konzentration auf die jeweiligen Lagen bzw. ein Lagenpaket aufgebracht werden.
Gemäß einer für eine gleichmäßige Härterverteilung geeigneten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die einzelnen Halbzeuglagen oder ein daraus als gebildetes Halbzeug insgesamt mit dem Härter versehen wird, z. B. besprüht wird oder in ein Bad mit dem Härter in flüssiger Form oder als Emulsion getaucht wird (gegebenenfalls mit nachfolgender Trocknung).
Falls das Halbzeug mit wenigstens einer so genannten „Binderlage” hergestellt wird, welche für eine gute Haftung zweier benachbarter Einzellagen sorgt, so kann der Härter auch als Bestandteil des verwendeten Binders vorgesehen sein. Mit der Integration einer oder mehrerer solcher Binderlagen kommt der Härter dann gewissermaßen „automatisch” in das Halbzeug. Jede Binderlage kann, wie an sich aus dem Stand der Technik bekannt, zur Schaffung oder Verbesserung einer Haftung zwischen einander benachbarten Einzellagen des Halbzeuges dienen, und kann bei der Erfindung einen wesentlichen Anteil eines Katalysators und/oder eines Eduktes der chemischen Reaktion enthalten. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Edukt (falls im Halbzeug vorhanden) im Wesentlichen vollständig in der bzw. den Binderlagen des Halbzeuges enthalten ist und/oder der Katalysator (falls im Halbzeug vorhanden) im Wesentlichen vollständig in der bzw. den Binderlagen des Halbzeuges enthalten ist.
In einer anderen Ausführung ist vorgesehen, dass bereits das zur Fertigung des Halbzeuges verwendete linienförmige Fasermaterial (Einzelfasern oder Roving) mit dem Härter versehen wird, insbesondere z. B. als Faserbeschichtung bzw. Rovingbeschichtung (oder infiltriert in das Roving). Zu diesem Zweck kann das Fasermaterial z. B. durch ein Tauchbad enthaltend den Härter gezogen (und gegebenenfalls nachfolgend getrocknet) werden, bevor es zur Fertigung des Halbzeuges weiterverarbeitet wird (z. B. durch Weben oder Flechten etc.). Mit dieser Ausführung lässt sich vorteilhaft eine sehr präzise Dosierung des Härters erzielen, sei es für ein vorbestimmtes „Härterprofil” im Halbzeug oder einer Halbzeuglage, oder sei es für eine äußerst gleichmäßige Verteilung des Härters über die gesamte Fläche des mit dem derart behandelten Fasermaterial hergestellten Halbzeuges.
Es soll nicht ausgeschlossen sein, dass die beiden vorstehend erläuterten Ausführungen, wonach der Härter dem bereits fertiggestellten Halbzeug (oder flächigen Lagen davon) zugegeben wird, oder bereits vor der Herstellung des Halbzeuges dem hierfür verwendeten linienförmigen Fasermaterial zugegeben wird, miteinander kombiniert werden.
Hinsichtlich der Infiltration des Halbzeuges mit dem Harzsystem kann vorteilhaft auf an sich bekannte Verfahren zurückgegriffen werden (z. B. RTM, DP-RTM, VAP, VARI etc.). Die Infiltration und eine nachfolgende, zumindest teilweise Aushärtung (und gegebenenfalls Kompaktierung und/oder Formung) können z. B. in ein und demselben Werkzeug (bzw. Vakuumaufbau) durchgeführt werden.
Ein Unterschied zwischen derartigen an sich bekannten Infiltrationsverfahren und der bei der Erfindung vorgesehenen Infiltration besteht dann darin, dass das verwendete Halbzeug ein Mittel (Härter) enthält, welches den Aushärtprozess initiiert und/oder beschleunigt. Außerdem können bei der erfindungsgemäßen Gestaltung des Verfahrens vorteilhaft auch Harzsysteme mit einer an sich (z. B. bei Lagerungstemperatur) relativ hohen Viskosität verwendet werden, wobei die Infiltration dann bei einer relativ hohen Temperatur erfolgen sollte (zur Verringerung der Viskosität).
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass durch die Anwesenheit des Härters im Halbzeug der Aushärtungsgrad zum Zeitpunkt des Abschlusses des Infiltrationsvorganges bereits nach weniger als 60%, insbesondere weniger als 30% derjenigen Zeitspanne erreicht wird, welche ohne die Anwesenheit des Härters im Halbzeug hierfür erforderlich wäre (bei ansonsten gleichen Bedingungen).
Das erfindungsgemäße textile Halbzeug enthält einen Härter umfassend einen Katalysator und/oder ein Edukt der chemischen Reaktion.
Soweit oben beschriebene Besonderheiten des Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes eine besondere Gestaltung des verwendeten Halbzeuges involvieren, so können diese Gestaltungen, einzeln oder in Kombination miteinander, als Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Halbzeuges vorgesehen sein.
Diesbezüglich sei erwähnt, dass das erfindungsgemäße Halbzeug aus mehreren gestapelten Lagen von flächigen Einzelhalbzeugen zusammengesetzt ist, der Härter über das Volumen des Halbzeuges betrachtet ungleichmäßig verteilt angeordnet ist, und das Halbzeug wenigstens einen Bereich aufweist, der im Wesentlichen frei von dem Katalysator und/oder frei von dem Edukt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen jeweils schematisch dar:
1 eine Seitenansicht eines aus mehreren Faserlagen gebildeten textilen Halbzeuges zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes, sowie Diagramme zur Veranschaulichung der räumlichen Verteilung (hier: Konzentration c) eines im Halbzeug enthaltenen Härters (gleichmäßig verteilt),
2 einen Infiltrationsvorgang gemäß eines Vakuuminfusionsverfahrens zur Infiltration des Halbzeuges von 1 mit einem Harz,
3 den in 1 enthaltenen Diagrammen ähnliche Diagramme für ein weiteres Beispiel (mit ungleichmäßiger Verteilung bzw. Konzentration c des Härters),
4 eine der 2 ähnliche Darstellung zur Veranschaulichung einer Weiterverarbeitung eines infiltrierten Halbzeuges gemäß einem Ausführungsbeispiel,
5 eine der 3 entsprechende Darstellung der räumlichen Härterverteilung für das Ausführungsbeispiel von 4 (mit einem härterfreien Teilbereich),
6 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Fertigung eines mit einem Härter versehenen Halbzeuges gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels, und
7 eine entsprechende Darstellung gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels.
Die 1 und 2 veranschaulichen ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils durch Infiltration eines textilen Halbzeuges 10 mit einem durch chemische Reaktion aushärtbaren Harzsystem (hier: z. B. Epoxidharzsystem) und Ablaufenlassen der chemischen Reaktion (hier: Vernetzung des Epoxidharzes).
Im dargestellten Beispiel ist das Halbzeug 10 aus aufeinander gestapelten Einzelhalbzeugen 12 gebildet, die jeweils z. B. als Kohlenstofffasergewebezuschnitte vorgesehen sind.
Eine Besonderheit des Halbzeuges 10 besteht darin, dass dieses einen Härter in Form eines Katalysators (hier z. B. Imidazol oder dergleichen) enthält, der in Pulverform beispielsweise während des Stapelns der Halbzeuglagen 12 zwischen einander benachbarten Lagen 12 durch direktes Bepulvern eingebracht wurde.
Der Katalysator wirkt zur Initiierung und/oder Beschleunigung der chemischen Reaktion (Vernetzung), durch welche das zugeführte Harzsystem sich verfestigt (teilweise aushärtet), sobald es mit dem Katalysator in Kontakt kommt. Der Katalysator stellt einen „Härter” dar, welcher alternativ oder zusätzlich auch ein Edukt der betreffenden chemischen Reaktion (Komponente eines Reaktionsharzsystems) enthalten könnte.
Im dargestellten Beispiel besitzt der im Halbzeug 10 enthaltene Katalysator eine einheitliche chemische Zusammensetzung und ist vollkommen gleichmäßig im gesamten Volumen des Halbzeuges 10 verteilt (Abgesehen von den auf eher mikroskopischer Skala vorhandenen Verteilungsfluktuationen, die sich allein aus der Granularität des als Pulver zugegebenen Katalysators ergeben).
In 1 ist die gleichmäßige Verteilung des Katalysators durch zwei grafische Auftragungen einer (räumlichen) Katalysatorkonzentration c gegen Ortskoordinaten x und z symbolisiert. Wie aus der Figur ersichtlich, soll x eine der lateralen Richtungen des Halbzeuges 10 (in der Ebene der Halbzeuglagen 12 liegend) bezeichnen, wohingegen z die „Dickenrichtung” (in Stapelrichtung verlaufend) bezeichnen soll. Auf Grund der zweidimensionalen Darstellung der 1 und 2 ist die zweite laterale Richtung (y) in diesen Figuren nicht eingezeichnet. Sie verläuft orthogonal zur Zeichenebene bzw. orthogonal zu den Richtungen x und z.
Die beiden in 1 ersichtlichen Diagramme bzw. Auftragungen der Katalysatorkonzentration c sollen veranschaulichen, dass für irgendein Koordinatenpaar y, z innerhalb des Halbzeugvolumens (symbolisiert durch y = y₀ und z = z₀) die Konzentration c unabhängig von x ist, und ebenso für ein beliebiges Koordinatenpaar x, y innerhalb des Halbzeugvolumens (x = x₀ und y = y₀) die Konzentration c unabhängig von z ist.
In 2 ist stark schematisiert ein Vakuumaufbau umfassend eine Harzzuleitung 16, ein Verteilermedium 18 und ein Werkzeug 20 dargestellt, wobei das Halbzeug 10 (Stapel aus Einzelhalbzeuglagen 12) zwischen dem Verteilermedium 18 (z. B. Vlies mit niedrigem Strömungswiderstand) und einer Formfläche des Werkzeugs 20 eingefügt ist.
Zur Infiltration des Harzsystems (vgl. Pfeile in 2) wird ein zumindest das Verteilermedium 18 und das Halbzeug 10 enthaltendes Volumen evakuiert, so dass das über die Zuleitung 16 einströmende Harz in das Verteilermedium 18 und von dort aus weiter in das Halbzeug 10 „eingesaugt” wird (durch den atmosphärischen Luftdruck hineingedrückt wird).
Optional kann das Harz auch mit einem erhöhten Druck an der Zuleitung 16 bereitgestellt werden.
Die Evakuierung des Volumens, in welches das Harz einströmt, kann z. B. durch Abdeckung der Komponenten 18, 10 und gegebenenfalls 20 mittels einer luftdichten Folie und Anschluss einer Vakuumpumpe an das damit abgedeckte Volumen bewerkstelligt werden.
Derartige Vakuuminfusionsverfahren sind als solche aus dem Stand der Technik sehr vielfältig bekannt und bedürfen daher an dieser Stelle keiner näheren Erläuterung. Lediglich beispielhaft sei hierzu auf die DE 100 13 409 C1 und die DE 101 40 166 A1 verwiesen, in denen derartige, im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft verwendbare Injektionsverfahren bzw. Verfahrensdetails beschrieben sind.
Entlang des Verteilermediums 18 kann frisches, reaktionsträges Harz mit relativ niedriger Viskosität und somit relativ rasch zu den noch nicht getränkten Bereichen gefördert werden. In den bereits durchtränkten Bereichen des Halbzeuges 10 hat die Aushärtereaktion des Harzes demgegenüber bereits eingesetzt.
In 2 ist außerdem durch eine unterschiedlich dichte Schraffur bzw. eine Schattierung die fortschreitende Aushärtereaktion angedeutet. Die Figur ist eine „Momentaufnahme” zu einem Zeitpunkt, zu welchem bereits ein Großteil des Volumens des Halbzeuges 10 mit dem flüssigen bzw. zähflüssigen Harz infiltriert ist. Lediglich ein in der Figur ganz rechter bzw. rechts unten befindlicher Volumenbereich des Halbzeuges 10 ist noch nicht infiltriert.
Der Volumenbereich des Halbzeuges 10, welcher der Harzzuleitung 16 unmittelbar benachbart ist (in der Figur links oben), wird zuerst infiltriert. Weiter rechts bzw. weiter unten befindliche Bereiche werden später von dem zuströmenden Harz erreicht. In der „Momentaufnahme” von 2 ist daher die Aushärtereaktion umso weiter fortgeschritten, je weiter links bzw. je weiter oben sich der entsprechende Bereich befindet. Bereiche mit weiter fortgeschrittener Aushärtereaktion sind in 2 dichter schraffiert bzw. dunkler dargestellt.
Mit dem beschriebenen Beispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes bzw. des hierfür verwendeten Halbzeuges 10 lassen sich beispielsweise folgende Vorteile erzielen: Kurze Zykluszeiten und niedrige Aushärtetemperaturen bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen in Infiltrations-/Injektionstechnik, Infiltration großer Strukturen mit schnell härtenden Harzsystemen, Infiltration von hochviskosen Harzsystemen (z. B. entsprechend modifiziert) durch die Möglichkeit, die beim Infiltrationsvorgang vorhandene Viskosität durch Erhöhung der Infiltrationstemperatur (Temperatur des Halbzeuges und/oder des zufließenden Harzes) in den erforderlichen Viskositätsbereich zu senken, ohne die Aushärtereaktion damit zu beschleunigen.
3 veranschaulicht anhand von Diagrammen einer Härterkonzentration c in Abhängigkeit von Raumkoordinaten x und z (ähnlich den Auftragungen in 1) eine Modifikation, die darin besteht, dass die Härterkonzentration c über das Volumen des Halbzeuges 10 betrachtet nicht konstant ist. In 3 ist beispielsweise eine in positiver x-Richtung wie auch in negativer z-Richtung zunehmende Härterkonzentration c veranschaulicht. Mit einer solchen ungleichmäßigen Verteilung des Härters über das Volumen des Halbzeuges 10 lässt sich z. B. erreichen, dass beim Inkontakttreten des infiltrierenden Harzsystems mit verschiedenen Bereichen eine verschiedenartig (z. B. verschieden rasch) ablaufende Aushärtereaktion erfolgt. Damit kann die Aushärtereaktion vorteilhaft gewissermaßen raumabhängig und somit noch genauer „gesteuert” werden.
Beispielsweise kann mit einer geeigneten ungleichmäßigen Verteilung eines Katalysators im Volumen eines Halbzeuges 10 der in den 1 und 2 dargestellten Art erreicht werden, dass eine vorbestimmte Zeitdauer nach Abschluss des eigentlichen Infiltrationsvorganges ein einheitlicher Aushärtegrad in allen Bereichen des Halbzeuges vorliegt. Zu diesem Zeitpunkt kann dann z. B. eine noch weitere, „vollständige” Aushärtung durch entsprechende Temperierung erfolgen. Diese Temperierung kann in der Praxis bei einer Temperatur bzw. mittels Temperaturzyklen mit Maximaltemperaturen erfolgen, die größer als die Infiltrationstemperatur gewählt sind (oder bei niedrigeren Temperaturen, die jedoch für eine relativ lange Zeitdauer gehalten werden). Diese finale Aushärtung kann im gleichen Werkzeug (wie für die Infiltration) oder – bevorzugt – in einem anderen Werkzeug erfolgen. Vor der finalen Aushärtung kann ein Formungs- oder Umformschritt vorgesehen sein, der beispielsweise im Infiltrationswerkzeug bewerkstelligt werden kann.
In einer Weiterbildung der vorstehend erläuterten ungleichmäßigen Verteilung des Härters über das Volumen des Halbzeuges ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens ein Bereich des Halbzeuges im Wesentlichen frei von dem Katalysator und/oder frei von dem Edukt ist. Eine derartige Weiterbildung ist in 4 veranschaulicht.
Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Beispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Beispiele verwiesen.
4 zeigt ein Halbzeug 10a, welches wie bei den oben bereits beschriebenen Beispielen von einem Stapel einzelner flächiger Halbzeuglagen 12a (und einem in der Figur nicht dargestellten) Härter gebildet ist.
Ein in 4 gestrichelt symbolisierter Bereich 24a des Halbzeuges 10a ist frei von dem Härter, welcher lediglich außerhalb des Bereiches 24a, gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt, vorgesehen ist.
Es sei angenommen, dass das Halbzeug 10a bereits mit dem Harzsystem infiltriert wurde, z. B. in der oben mit Bezug auf die 2 beschriebenen Weise. Das nach Abschluss dieser Infiltration aus dem hierfür verwendeten Werkzeug entnommene Halbzeug 10a ist dann mangels Härter im Bereich 24a zu einem wesentlich geringerem Grad als die übrigen Halbzeugbereiche ausgehärtet.
Der Bereich 24a befindet sich an einer in der 4 unten befindlichen Oberfläche des Halbzeuges 10a und wird im dargestellten Ausführungsbeispiel zur Anformung eines weiteren Werkstoffbereiches 26a genutzt. Dieser zusätzliche Werkstoffbereich 26a ist im dargestellten Ausführungsbeispiel wie der Werkstoffbereich 10a als mit einem Harzsystem infiltriertes textiles Halbzeug ausgebildet, welches wie in 4 ersichtlich zusammen mit dem Halbzeug 10a in ein geeignet ausgebildetes weiteres Werkzeug 28a verbracht wird.
In diesem Werkzeug 28a erfolgt eine druckunterstützte Aneinanderfügung der Werkstoffkomponenten 10a und 26a und eine thermisch bewirkte vollständige Aushärtung der Harzsysteme in beiden Komponenten 10a und 26a. Die zuvor nur kaum erfolgte Aushärtung des Matrixmaterials im Bereich 24a sowie bevorzugt auch im Bereich des anzuformenden Werkstoffbereiches 26a gewährleistet hierbei eine besonders innige Verbindung zwischen den aneinandergefügten Komponenten 10a und 26a.
5 veranschaulicht in einer Darstellung ähnlich der 3 eine ortsabhängige Konzentration c des im Halbzeug 10a befindlichen Härters. Symbolisiert ist, dass in dem oberflächennahen Bereich 24a (z ungefähr 0, x ungefähr x, und y ungefähr y,) des Halbzeuges 10a die Konzentration c Null ist.
Mit einem Herstellungsverfahren bzw. Halbzeug der mit den 4 und 5 veranschaulichten Art lassen sich vorteilhaft Faserverbundkomponenten mit wenigstens einem am Ende der Infiltration nicht oder nicht wesentlich ausgehärteten Bereich herstellen, der für einen anschließenden Integrationsschritt in einem „Co-Bonding”-Verfahren genutzt wird. Die gemäß dieser Weiterbildung vorhandenen, nicht mit Härter versehenen Stellen würden dann in einem ersten Härtezyklus nicht mit Aushärten und können somit vorteilhaft für einen weiteren Integrationsschritt zur Verfügung stehen und verbesserte Eigenschaften der Fügestelle bewirken (z. B. Fügung von Versteifungsprofilen auf einem schalenförmigen Faserverbundbauteil).
Wie es oben bereits erwähnt wurde, können zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes prinzipiell alle herkömmlichen Halbzeuge herangezogen werden, die jedoch spätestens unmittelbar vor der Infiltration des Harzsystems mit einem Härter (Katalysator und/oder Edukt) ausgestattet werden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die für die Erfindung wesentliche Integration eines Härters in das Halbzeug bereits bei dessen Herstellung zu berücksichtigen und den Härter bereits in diesem Stadium zu integrieren.
Die 6 und 7 veranschaulichen zwei derartige Möglichkeiten zur Integration des Härters bereits bei der Herstellung des textilen Halbzeuges.
6 zeigt im oberen Teil eine Vorratsrolle 32b, von welcher ein linienförmiges Fasergebilde 34b (z. B. Roving) abgezogen und durch eine Beschichtungsstation 36b gezogen wird. Die Beschichtungsstation 36b dient zur Beschichtung des Fasergebildes 34b mit dem Härter und kann beispielsweise durch ein Tauchbad mit nachfolgender Trocknungseinrichtung gebildet sein. Das beschichtete Fasergebilde 38b, welches die Beschichtungsstation 36b verlässt, wird auf eine Vorratsrolle 40b aufgewickelt.
6 zeigt im unteren Teil, wie sodann das mit dem Härter beschichtete linienförmige Fasergebilde 38b zusammen mit weiteren linienförmigen Fasergebilden (ebenfalls mit Härter beschichtet oder unbeschichtet) durch eine Verarbeitungsstation 42b in ein flächiges Fasergebilde 44b verarbeitet wird, welches auf eine Vorratsrolle 46b aufgewickelt wird. Bei der Verarbeitungsstation 42b kann es sich z. B. um eine Webmaschine oder Flechtmaschine von an sich bekannter Art handeln, welche die zugeführten linienförmigen Fasergebilde zu dem flächenförmigen Fasergebilde 44b verarbeitet.
Zuschnitte des flächigen Fasergebildes 44b können sodann z. B. als die bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgesehenen Einzelhalbzeuglagen 12 bzw. 12a verwendet werden, um Faserverbundbauteile herzustellen.
Alternativ oder zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Beschichtung des linienförmigen Fasergebildes vor der Bildung des flächigen Halbzeuges kommt auch in Betracht, die Beschichtung des bereits in flächiger Form ausgebildeten Halbzeuges mit dem Härter vorzusehen, wie dies in 7 veranschaulicht ist.
7 zeigt eine Vorratsrolle 48c, von welcher ein herkömmliches, flächiges textiles Halbzeug 50c (z. B. Gewebe) abgezogen und durch eine Beschichtungsstation 36c geführt wird, in welcher das Gebilde 50c mit dem Härter beschichtet wird. Auch diese Beschichtungsstation 36c kann z. B. von einem Tauchbad, gegebenenfalls mit anschließender Trocknungseinrichtung, gebildet sein. Das die Bearbeitungsstation 36c verlassende und somit beschichtete Halbzeug 52c wird sodann auf eine Vorratsrolle 54c aufgewickelt.
Zuschnitte des flächigen Fasergebildes 52c können sodann wieder z. B. in der oben bereits beschriebenen Art (als Halbzeuglagen 12 bzw. 12a) verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes durch Infiltration eines textilen Halbzeuges (10; 10a) mit einem durch chemische Reaktion aushärtbaren Harzsystem und Ablaufenlassen der chemischen Reaktion, wobei ein aus mehreren gestapelten Lagen von flächigen Einzelhalbzeugen (12; 12a) zusammengesetztes Halbzeug (10; 10a) verwendet wird, welches einen Härter umfassend einen Katalysator und/oder ein Edukt der chemischen Reaktion enthält, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Stapelung von hinsichtlich der Art und/oder Konzentration des Härters unterschiedlichen Einzelhalbzeuglagen (12; 12a) der Härter über das Volumen des Halbzeuges (10; 10a) betrachtet ungleichmäßig verteilt angeordnet ist, wobei das Halbzeug (10; 10a) wenigstens einen Bereich (24a) aufweist, der frei von dem Katalysator und/oder frei von dem Edukt ist und an welchem durch druckunterstützte Aneinanderfügung eine nachträgliche Anbindung eines weiteren mit einem Harzsystem infiltrierten Werkstoffbereiches (26a) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Harzsystem, mit dem das Halbzeug (10; 10a) infiltriert wird, ein Epoxidharzsystem verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Halbzeug (10; 10a) Binderlagen enthält, die bei der Stapelung zwischen einander benachbarten Einzelhalbzeuglagen (12; 12a) eingelegt wurden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Faserverbundbauteil mit wenigstens einer linearen Ausdehnung von mehr als 1 m oder einer Bauteilfläche von mehr als 1 m² hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Bereich (24a) nach der Infiltration von dem infiltrierten Harzsystem, mit dem das Halbzeug (10; 10a) infiltriert wurde, befreit und sodann mit einem anderen Harzsystem aufgefüllt wird, bevor der weitere Werkstoffbereich (26a) angebunden wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Infiltration des Halbzeuges (10; 10a) mittels eines Vakuuminfiltrationsverfahrens durchgeführt wird.
Textiles Halbzeug (10; 10a) zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes durch Infiltration des Halbzeuges (10; 10a) mit einem durch chemische Reaktion aushärtbaren Harzsystem und Ablaufenlassen der chemischen Reaktion, wobei das Halbzeug (10; 10a) aus mehreren gestapelten Lagen von flächigen Einzelhalbzeugen (12; 12a) zusammengesetzt ist und einen Härter umfassend einen Katalysator und/oder ein Edukt der chemischen Reaktion enthält, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Stapelung von hinsichtlich der Art und/oder Konzentration des Härters unterschiedlichen Einzelhalbzeuglagen (12; 12a) der Härter über das Volumen des Halbzeuges (10; 10a) betrachtet ungleichmäßig verteilt angeordnet ist, wobei das Halbzeug (10; 10a) wenigstens einen für eine nachträgliche Anbindung eines weiteren mit einem Harzsystem infiltrierten Werkstoffbereiches (26a) durch druckunterstützte Aneinanderfügung vorgesehenen Bereich (24a) aufweist, der frei von dem Katalysator und/oder frei von dem Edukt ist.
Textiles Halbzeug (10; 10a) nach Anspruch 7, wobei das Halbzeug (10; 10a) wenigstens eine Binderlage enthält und wobei der Härter wenigstens teilweise in der wenigstens einen Binderlage enthalten ist.
Verfahren zur Herstellung eines textilen Halbzeuges (10; 10a) nach Anspruch 7 oder 8 durch Stapeln mehrerer Lagen von flächigen Einzelhalbzeugen (44b; 52c), wobei die hinsichtlich der Art und/oder Konzentration des Härters umfassend einen Katalysator und/oder ein Edukt der chemischen Reaktion unterschiedlichen Einzelhalbzeuglagen (44b; 52c) jeweils aus wenigstens einem linienförmigen Fasergebilde (34b) hergestellt werden, wobei das linienförmige Fasergebilde (34b) mit dem Härter beschichtet wird, bevor die betreffende Einzelhalbzeuglage (44b) gebildet wird, und/oder eine Beschichtung der bereits aus einem linienförmigen Fasergebilde (34b) flächig ausgebildeten Einzelhalbzeuglage (50c) mit dem Härter erfolgt, derart, dass der Härter über das Volumen des Halbzeuges (10; 10a) betrachtet ungleichmäßig verteilt angeordnet wird und das Halbzeug (10; 10a) wenigstens einen für eine nachträgliche Anbindung eines weiteren mit einem Harzsystem infiltrierten Werkstoffbereiches (26a) durch druckunterstützte Aneinanderfügung vorgesehenen Bereich (24a) aufweist, der frei von dem Katalysator und/oder frei von dem Edukt ist.