DE60010643T2

DE60010643T2 - Formverfahren mit hoher Leistung

Info

Publication number: DE60010643T2
Application number: DE60010643T
Authority: DE
Inventors: Nicolas Denis Weibel; Martyn Douglas Wakeman; Pascal Vuilliomenet; Jan-Anders Edvin Manson
Original assignee: ECOLE POLYTECH; Ecole Polytechnique Federale de Lausanne EPFL
Current assignee: ECOLE POLYTECH; Ecole Polytechnique Federale de Lausanne EPFL
Priority date: 2000-01-21
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2020-01-22
Also published as: DE60010643D1; ATE266513T1; EP1118444B1; EP1118444A1; ES2221609T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Formen eines Teiles, indem ein formbares Material in eine Form eingeführt wird, die Form wenigstens bis auf eine Temperatur, bei der der Werkstoff geformt werden kann, aufgeheizt wird, die Form abgekühlt wird und das genannte Teil von der Form abgestreift wird.
Zur Zeit sind starke Aktivitäten vorhanden, die auf die Entwicklung von Verfahrenstechniken zu einer kosteneffektiven Produktion von komplex geformten Teilen aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen gerichtet sind. Die Verwendung von thermoplastischen Harzen als Matrizen für faserverstärkte Verbundwerkstoffe führt zu einer hohen Bruchfestigkeit und zu einer Bruchdehnung, relativ kurzen Verfahrensarbeitszeiten, eine lange Standzeit der Rohmaterialien, einer Reparaturfähigkeit und Wiederverwertbarkeit. Jedoch ist die kommerzielle Nutzung von thermoplastischen Verbundwerkstoffen aufgrund der hohen Viskositäten während der Bearbeitung beschränkt, was die Imprägnierung des Stärkungsfaser-Netzwerkes relativ langsam macht und daher zu langen Verfahrensarbeitszeiten führt. Die Verfahrensarbeitszeit wird als die Zeit definiert, die nötig ist, die verstärkenden Fasern aufzuheizen, zu imprägnieren, zu konsolidieren und den Verbundwerkstoff danach abzukühlen. Tatsächlich liegen die Viskositäten von geschmolzenen thermoplastischen Materialien zwischen etwa 100 Pas bis 5000 Pas, was im Vergleich zu Viskositäten unterhalb von 10 Pas für Duroplaste sehr hoch ist. Die direkte Schmelzimprägnierung ist aufgrund dieser ho hen Viskositäten problematisch. Verfahren, die reaktive Kettenverlängerungen nach der Imprägnierung enthalten, können aufgrund der hierbei enthaltenen chemischen Reaktionen zeitaufwendig sein.
Die US 5, 051, 226 offenbart ein Verfahren zum Aushärten von faserverstärkten, mit einer Harzmatrix versehenen Verbundmaterialien, wobei das noch nicht gehärtete Verbundmaterial auf einer Gipsform im Wesentlichen in der gewünschten Form positioniert wird. Das Material wird dann ausgehärtet, indem es zusammen mit der Form in ein Flüssigkeitsheizbad für eine vorbestimmte Zeit eingetaucht wird, die ausreichend ist, um einen Fluss des Harzes vor dem Festwerden und Aushärten des Verbundmateriales vorzusehen. Während das Material in das Bad eingetaucht ist, wird es durch den Umgebungsdruck verpresst.
Mehrere Autoren haben Fertigungsverfahren vorgeschlagen, die auf verschiedenen Vorformen basieren, die für eine innige Vermischung der einzelnen Stoffe vor dem Schmelzen und der In-situ Imprägnierung von Verstärkungsfasern beim Schmelzen eines thermoplastischen Harzes entwickelt wurden.
Die US 5,910,361 (von Guevel et al.) offenbart ein Hybridgarn, das aus einer innigen Mischung von gesponnenen Garnen aus Verstärkungsfasern und gesponnenen Garnen aus thermoplastischen Matrixfasern hergestellt wird. Die gesponnenen Garne werden durch Aufbrechen der Multifilamente mit graduellem Strecken erhalten. Nach dem Strecken werden die parallelen Fasern vollständig mit einem thermoplastischen Fasernetz umhüllt.
Die Erfinder verwendeten geflochtene textile Vorformen, die auf solchen gestreckt/gebrochenen zusammengemischten oder Hybridgarnen basieren, um Scherverformungen und Falten während eines Formverfahrens mit aufblasbarer Blase (bladder inflation moulding process BIM) zu minimieren. Hohlteile mit variierendem Querschnitt und konkaven und konvexen scharfen Winkeln wurden hiermit erfolgreich produziert (N.D. Weibel et al., Proceeding of the 20^th International SAMPE conference, Apr. 13–15, 1999). Indem das Heizpress-Heizverfahren und eine maschinell bearbeitete Aluminiumform mit minimaler Masse verwendet wurden, war es möglich, Heizraten von 1,3°C/s zu erreichen, sodass Verfahrensarbeitszeiten von ungefähr 3 Minuten erreicht wurden.
Um in Großserienindustrien wettbewerbsfähig zu sein, müssen Verbundmaterialien kosteneffektiv verarbeitet werden, um ähnliche Arbeitszeiten wie bei traditionellen Materialien, wie z.B. Metallen, annähernd zu erreichen. Es ist daher ein primäres Ziel der Erfindung, ein oben beschriebenes Formverfahren weiter zu verbessern, um hohle komplex geformte thermoplastische Verbundwerkstoffteile häufig in weniger als einer Minute bearbeiten zu können.
Die Erfinder hatten die Meinung, dass die Imprägnierungsphase weniger als 30 Sekunden und sogar weniger als 10 Sekunden, abhängig von Druck und Temperatur und der Teiledicke erfordern sollte, und dass die beschränkenden Faktoren dieser Technik die Heiz- und Abkühlraten sind, soweit die Verfahrenszeit betroffen ist. Um die oben genannten Beschränkungen zu überwinden, wurde ein neues Heizverfahren entwickelt. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird eine Form durch Eintauchen in ein flüssiges Heizbad aufgeheizt, das auf einer Temperatur oberhalb der niedrigsten Temperatur gehalten wird, bei der das Material geformt werden kann.
Vorzugsweise wird das flüssige Heizbad auf einer Temperatur gehalten, die 20°C bis 150°C oberhalb dem üblichen Verfahrenstemperaturbereich des formbaren Materials liegt. Die Temperatur des Heizbades wird ausgewählt, indem insbesondere die thermische Stabilität der einzelnen Komponenten des formbaren Materials und die Notwendigkeit, die Viskosität während des Prozesses zu reduzieren, berücksichtigt werden.
Das Heizverfahren gemäß der Erfindung basiert auf der Leitfähigkeit einer Flüssigkeit und der Konvektion und weniger auf einer Leitfähigkeit von Festkörpern.
Die Abkühlrate kann erhöht werden, indem die Form durch Abschrecken in einem flüssigen Abschreckbad abgekühlt wird.
Da die Wärmeübertragung auf dem Kontakt der Form mit einer Flüssigkeit beruht, ist es nicht notwendig, die äußere Oberfläche der Form für einen engen Kontakt mit einer korrespondierenden Oberfläche einer Heizplatte maschinell zu bearbeiten. Die Form kann dünnwandig sein, um die Wärmeübertragungsrate zu verbessern.
Um die Wärmeübertragung weiter zu verbessern, ohne exzessive Temperaturen innerhalb der Form zu erreichen, kann man in einer Variante des Prozesses nach dem Eintauchen in das Heizbad und vor dem Abschrecken die Form das thermische Gleichgewicht außerhalb der Bäder erreichen lassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das flüssige Heizbad ein Bad eines geschmolzenen Metalles, das thermisch und chemisch stabil ist und eine exzellente Wärmeübertragung liefert.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung ist die Flüssigkeit, die zum Aufheizen der Form ausgewählt wurde, reines Zinn. Zinn (Sn) hat einen Schmelzpunkt von 232 °C und eine Dichte von 7,3g/cm³. Es ist nicht toxisch und hat eine hohe Oberflächenspannung, sodass das Benetzen der Formoberfläche reduziert wird. Die relativ hohe Dichte von Zinn liefert einen hohen Wärmegehalt des Mediums (240 J. kg^–1K^–1). Zinn hat eine relativ hohe Leitfähigkeit von 30,2 W.m^–1·K^–1 für flüssiges Zinn bei seinem Schmelzpunkt und 59,6 W.m^–1·K^–1 für festes Zinn bei der gleichen Temperatur. Auf diese Weise liefert der kombinierte Effekt von Konvektion und Leitfähigkeit eine exzellente Wärmeübertragung. Zinndämpfe bei 300°C werden mit einer extrem niedrigen Rate von 10^–21 kg m^–2Sec^–1 erzeugt und der Sättigungsdruck liegt bei 1, 3×10^–14 Pa. Damit wird die Sicherheit der Arbeiter im Bereich einer solchen Heizeinheit gewährleistet.
Der Durchschnittsfachmann erkennt, dass das Verfahren gemäß der Erfindung für das Formen von Teilen aus jedem formbaren thermoplastischen Material oder einem Duroplast angewendet werden kann. Es ist sehr vorteilhaft zum Bearbeiten von hohlen komplex geformten Teilen aus Verbundwerkstoffen und insbesondere aus thermoplastischen Verbundstoffen.
Das Heizverfahren gemäß der Erfindung ist geeignet, um Formen beliebiger Form und Größe aufzuheizen. Dünnwandige Formen werden bevorzugt. Insbesondere bevorzugt wird die Verbindung eines flüssigen Heizbades und eines BIM-Verfahrens.
Materialformen, die diskontinuierliche oder kontinuierliche Zufallsphasen allein oder in Kombination mit einem thermoplastischen Matrixmaterial mit verschiedenen Verstärkungsfaserarchitekturen einschließlich Zufallsgraden oder verschiedenen Graden von ausgerichteten Verstärkungsfasern kombinieren, könnten zunächst für dieses Heizverfahren und des Weiteren für diesen Formprozess berücksichtigt werden. Geeignete Zusammensetzungen von Materialien mit einer geeigneten Mischqualität von Verstärkung und Matrix, die zunächst für das Heizverfahren und anschließend für das Formverfahren verwendet werden, schließen Werg oder Garne, Bänder, Geflechte, Gewebe, Gestricke und andere textile Verfahren ein, die geeignet sind, miteinander vermischte Verstärkungsfasern und eine Matrix zu bearbeiten und zu kombinieren. Es können Materialien in einem nicht festen Zustand und/oder einem teilweise festen Zustand und/oder einem vollständig festen Zustand verwendet werden, in denen das Material flexibel für den Formprozess ist, wenn die Kombination des Materials für die Matrix und die Verstärkungsfasern gemäß der Erfindung auf eine Formtemperatur aufgeheizt wird.
Techniken, um Verstärkungsfasern und thermoplastische Matrixmaterialien sowohl mit kontinuierlichen als auch diskontinuierlichen Faserlängen zu kombinieren, die zum Aufheizen gemäß dieser Erfindung geeignet sind, schließen u.a. ein: Schmelzimprägnierung, Folienstapelung, Imprägnierung mit einem Lösungsmittel, Zusammenmischen, Pulverimprägnierung mit wässrigen Schlämmen und elektrostatischen Beschichtungsverfahren, pulverimprägnierte Fasern mit einer ungeschmolzenen Schicht um das pulverimprägnierte Bündel für textile Verfahren, Standardgewebe, die mit Pulver imprägniert sind, um ein Halbfertigprodukt zu formen, die Verwendung von existierenden Textilprozesstechniken, die auf Wirkware aus aufgesplitteten Polymerfolien mit Schusseintrag von Verstärkungsfasern angewendet werden, multi-axiale Wirkware mit Schusseintrag von Verstärkungsfasern und thermoplastischen Matrixbändern, Zusammenweben von Garnen aus zwei Fasern in eine Form, die gute Tucheigenschaften aufweist, Verwenden einer Polymerfaser, die um ein Bündel von Verstärkungsfasern mit einstufiger Matrixtechnik gewoben wird, Verstärkungs- und Matrixgarne, die bei der Herstellung des Gewebestoffes vermischt werden, um stoffartige durch Nähbinden verfestigte Gewebe zu erzeugen, Aufheizen von Fasern, die mit Monomeren imprägniert sind, die in-situ polymerisieren, um den Verbundwerkstoff zu bilden, Gradbeschichtungsverfahren, um Verstärkungsfasern oder Bündel aus Fasern mit einer Matrix zu beschichten, Ziehstrangpressen gemeinsam von Fasern und Matrixmaterialien und jedes andere solcher Verfahren, mit denen die erforderliche Kombination von Fasern und Matrix in einer Form zwischen vollständig festen und nicht festen Zuständen erreicht werden.
Zusammengemischte Materialien, die das bevorzugte Material für diesen Formprozess sind, können entweder direkt, wie in den US-Patenten 5,011,523 und US 5,316,561 beschrieben, gebildet werden, wobei die Verstärkungsfa sern aus dem geschmolzenen Zustand durch einen Stempel gezogen werden, wo die verstärkenden Glasfasern mit einem Ziehwerk kombiniert werden, aus dem die thermoplastische Matrix extrudiert und mechanisch auf die Glasfasern gezogen werden, oder indirekt gebildet werden, indem die Fasern und die Matrixfasergarne ( US 5,241,731 ) in offene Bänder aufgeteilt werden, wobei die Matrixfasern elektrisch aufgeladen und dann in ein flaches offenes Bündel über einen Bandstab zu dem Mischstab gezogen werden, wobei das Kohlenstofffasergarn mit einem Luftvorhang in ein offenes flaches Band geöffnet wird, das dann mit dem PEEK-Band (Poly-Ether-Ether-Keton) an dem Mischstab kombiniert wird, oder in dem hier dargestellten Beispiel des verwendeten Materials, um die Erfindung zu illustrieren, indem gestreckte und aufgebrochene Kohlenstofffasern (80mm Durchschnittslänge) mit PA 12-Stapelfasern vermischt werden, wobei eine Textilspinntechnik ( US 4,825,635 ) mit Zugabe eines Hüllfasermaterials ( US 5,910,361 ) verwendet wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für einen Durchschnittsfachmann aus der detaillierten Beschreibung von Materialien und Formen, die zum Ausführen der Erfindung geeignet sind, und von Anwendungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich, in denen
1 Beispiele von Vorformen aus Verbundwerkstoffen zeigt, die oben diskutiert wurden und aus dem Stand der Technik bekannt sind.
2 eine schematische Ansicht einer BIM-Anordnung gemäß dem Stand der Technik ist.
3 eine schematische Ansicht eines Zinnbades ist.
4a eine Form aus rostfreiem Stahl zeigt, die zur Ausführung der Erfindung verwendet wird.
4b eine Aluminiumform zeigt, die zur Ausführung der Erfindung verwendet wird.
5a ein Diagramm zeigt zum Vergleich der Arbeitszeiten von BIM-Teilen, die mit unterschiedlichen Heizeinheiten bearbeitet wurden.
5b ein Diagramm zeigt zum Vergleich der Arbeitszeiten von BIM-Teilen, die mit unterschiedlichen Heizeinheiten bearbeitet wurden.
6 eine schematische Ansicht des Streck-Brechschrittes von Verstärkungsfasern zeigt.
7 eine schematische Ansicht zum Vermischen von Werg zeigt.
8 eine schematische Ansicht eines Schrittes zum Verflechten zu einer Vorform zeigt, die zum Herstellen von rohrförmigen Teilen verwendet wird.
9 ein Diagramm zeigt, das die Entwicklung des Leergehaltes über die Verfestigungszeit für unterschiedliche Temperatur- und Druckbedingungen darstellt.
1 zeigt verschiedene Arten von Vorformen bzw. Vorformlingen aus thermoplastischen Verbundwerkstoffen, die im Stand der Technik bekannt sind:

(a) ist ein vorimprägniertes Werg, bei dem 1.1 eine thermoplastische Matrixschicht ist, die Verstärkungsfasern 1.2 umgibt;
(b) ist eine Vorform aus einem Folienstapel, bei der sich thermoplastische Folien 1.3 mit Verstärkungsfasergewebe 1.4 abwechseln;
(c) ist ein Bündel 1.6 aus Verstärkungsfasern, die mit einem thermoplastischen Pulver 1.5 imprägniert sind;
(d) zeigt ein Faserbündel 1.8, das mit einem thermoplastischen Pulver 1.7 imprägniert und durch eine thermoplastische Schicht 1.9 umgeben ist;
(e) zeigt nicht zusammengemischte Garne aus thermoplastischen Fasern 1.10 und Verstärkungsfasern 1.11;
(f) zeigt ein zusammengemischtes Garn aus thermoplastischen Fasern 1.12 und Verstärkungsfasern 1.13;

Auf der Basis der Darcy-Formel kann gezeigt werden, dass die Imprägnierungszeit t_imp angenähert durch die Beziehung timp ≅ (ηx2/kP) gegeben ist, wobei η die Viskosität des Harzes, x die Entfernung, k die Permeabialität und P der Druck ist. Die Fließdistanz x hängt direkt von der Geometrie der Vorform ab.
Vorformen aus Garnen (c), (d) und (f) lassen kurze Imprägnierungszeiten erwarten. Bei mit Pulver imprägnierten Fasern, wie diese in den 1(c) und 1(d) gezeigt sind, liegt der Hauptvorteil darin, dass fast jedes Matrixmaterial in Form von Teilchen durch Mahlen erzeugt werden kann. Auf der anderen Seite sind die Diffusionsentfernungen größer als für gemischte Garne, die in 1(f) gezeigt sind. Aus diesem Grunde scheinen minimale Imprägnierungszeiten mit gemischten Garnen erreichbar zu sein.
Das zusammengemischte Garn kann in verschiedene gewünschte Formen, Blätter, Rohre und dergleichen gewebt oder geflochten werden.
Um Hohlformen aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen zu erzeugen, wird üblicherweise eine Blase verwendet, die mit Druckluft aufgeblasen wird. Wenn der Vorformling aus gestrecktem und vermischtem Garn entweder als Strang oder angenähert in die Gestalt des Teiles gewoben oder geflochten ist, wird ein Ballon oder ein Schlauch, die sogenannte Blase, aus Polymermaterial oder Silikongummi in die Vorform vor deren Ablage in der Form planiert. Die Form ist maschinell auf die exakte Gestalt des Teiles bearbeitet, um Nachbearbeitungen des Teiles nach dem Abstreifen des Teiles von der Form möglichst zu vermeiden.
4a zeigt eine Form aus rostfreiem Stahl, um die Wanddicke auf 2,5mm zu reduzieren und einen Innendruck von 10 bar auszuhalten. Das Foto zeigt eine Halbschale 4a.4 der Form, das Schließsystem 4a.1, die Blase 4a.2, die in der Form plaziert ist, und eine Druckschleuse 4a.3.
4b zeigt eine Form aus Aluminium, um eine schnelle Wärmeübertragung durch die Form zu erreichen, mit einer Wanddicke von 10mm, um die Dichtheit der geschlossenen Form zu verbessern. Die Form besteht aus zwei Halbschalen 4b.1 mit Löchern 4b.2 längs der Längsränder der Halbschalen, um das System mit Bolzen abzuschließen. Ein metallischer Druckschlauch 4b.4 kann in die Form plaziert werden, die mit einer Druckschleuse 4b.3 versehen ist.
3 ist eine schematische Ansicht eines Zinnbades, das mit flüssigem Zinn 3.2 gefüllt ist und mit Heizelementen 3.1 versehen ist, die in das Zinn eintauchen.
Beispiel 1: Herstellung eines gemischten Garnes
Ein gemischtes Garn aus Kohlenstofffasern (TENAX HTA 5411) und Polyamid-l2-Fasern (EMS Chemie) wurde mit einem Volumenanteil von 56% der Kohlenstofffasern vorbereitet. Um eine innige Mischung der Bestandteile sicherzustellen, wurde ein Verfahren ähnlich dem in der US 5,910,316 offenbarten verwendet. In einem ersten Schritt wird der Kohlenstoffstrang gestreckt und gebrochen, wie dieses schematisch in 6 dargestellt ist; entsprechend der tangentialen Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den zwei Gruppen von Walzen (V1 gegenüber V2) und der Entfernung L, kann die Verteilung der Faserlängen gesteuert werden. Nach dieser Operation sind die Fasern noch ausgerichtet und die meisten ihrer Fehler werden durch Aufbrechen an ihren weichesten Punkten eliminiert. Die Matrixfasern werden auf die gleiche Weise präpariert.
In einem zweiten Schritt werden beide Bestandteile in der gewünschten Gewichtsbeziehung zusammengebracht, um einen gemischten Strang zu bilden, wie dieses in 7 dargestellt ist. Acht nicht vermischte Stränge mit einem Strangdurchmesser D und einer Länge L werden von acht Spulen zusammengebracht und um einen Faktor acht gestreckt. Dies ergibt einen Strang mit einem gleichen Durchmesser D wie der der ungemischten Stränge, jedoch mit einer Länge 8 L und achtfach durchmischt. Dieser Schritt wird zweimal wiederholt, um schließlich ein Mischungsverhältnis von 64 zu erreichen, und ergibt den sogenannten gemischten oder gestreckt gemischten bzw. Hybrid-Strang.
In einem letzten Schritt wird der gemischte Strang in ein gemischtes Garn überführt, indem eine Matrixfaser verwendet wird, die schraubenförmig um den Strang gedreht wird.
Danach kann das gemischte Garn in die Gestalt des gewünschten Vorformlings gewebt oder geflochten werden.
Beispiel 2: Formen eines Rohres aus Verbundwerkstoff durch BIM-Technik mit Aufheizen durch Leiten eines Feststoffes
Das gemischte Garn 8.2 aus Beispiel 1 wird zu einem rohrförmigen Vorformling 8.1 geflochten, und zwar mit Flechtwinkeln von ± 20°, ausgehend von Spulen 8.3, wie dieses mit 8.4 in 8 dargestellt ist. Zwei Schichten der Vorform werden um eine Blase plaziert und dann in eine Form des in 2 dargestellten Typs eingesetzt.
Für diese Technik wird die Form aus zwei Aluminiumhälften 2.4 gefertigt, die miteinander verschraubt werden, um eine gute Wärmeleitung zu erreichen, wobei sie gleichzeitig bis 12 bar Innendruck aushalten. Der Druck P wird durch die Blase 2.1, ein Rohr aus Silikongummi aufgebracht, das ausreichend ausdehnbar ist, um die Innenfläche der Form zu erreichen und das die Prozesstemperatur aushält. Das gemischte Garn, das in eine rohrförmige Gestalt 2.2 geflochten wurde, wird um die Blase plaziert und dann in die Form eingesetzt. Die Form ist geschlossen, die Blase unter Druck. Die Dimension der geflochtenen Vorform 2.2 ist 25mm, der Innendurchmesser der Form ist 30mm. Der Innendruck P wird durch das Rohr aus Silikongummi der Blase 2.1 aufgebracht. Die Vorform 2.2 dehnt sich daher bis zu den Formen in der Oberfläche, sobald der Druck in der Blase aufgebracht wird. Hierdurch werden Falten vermieden und eine gleichförmige Wanddicke des Teiles erreicht. Die Form wird dann zwischen zwei heiße Platten 2.3 mit einer Temperatur von 400°C plaziert und verpresst, um die Wärmeübertragung auf die Form zu beschleunigen, und dadurch aufgeheizt, um das thermoplastische Harz zu schmelzen. Nach einigen Minuten, sobald die thermoplastische Schmelze um die Fasern geflossen und eine kontinuierliche Phase gebildet ist, wird die Form aus dem Zwischenraum zwischen den Heizplatten herausgezogen und mit Wasser abgeschreckt. Nach wenigen Sekunden kann das Teil von der Form abgestreift werden.
Es wurde gezeigt (N. Bernet et al. J of composite materials, 33, 8, 1999), dass der Leergehalt ein repräsentativer Parameter für das Erreichen der Verfestigung des geformten Teiles ist.
9 zeigt die Entwicklung des gemessenen Leergehaltes (unter Verwendung von ASTM D–792) für ein gemischtes Garn aus geflochtenen PA 12-Kohlenstofffasern, die nach Bearbeiten bei verschiedenen Temperatur- und Druckbedingungen bei 200°C und 5 bar bzw. 240°C und 10 bar verfestigt wurden. Diese Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, einen Leergehalt von weniger als 1 % zu erreichen, d.h., ein Werkstück mit guten mechanischen Eigenschaften, und zwar mit Verfestigungszeiten von weniger als 2 Minuten bzw. 40 Sekunden bei relativ niedrigen Prozesstemperaturen und Prozessdrücken.
In den 5a und 5b zeigt die Kurve (A) die Entwicklung der Temperatur an der Innenwand der Form über die Zeit. Da der Schmelzpunkt von Polyamid 12 178°C beträgt, zeigt die Kurve A, dass die Imprägnierungsphase selbst weniger als 30 Sekunden erfordert.
Diese Ergebnisse zeigen, dass komplex geformte Teile erfolgreich in Arbeitszeiten von weniger als 3 Minuten erzeugt werden können.
Aus diesen Ergebnissen geht auch hervor, dass der beschränkende Faktor für eine Serienproduktion in Arbeitszeiten von weniger als 1 Minute die Aufheizrate ist.
Beispiel 3: Blaseninflationsformen mit flüssiger konvektiver Aufheizung; Form aus rostfreiem Stahl
Das Rohmaterial des Verbundwerkstoffes und die Blase sind die gleichen wie in den Beispielen 1 und 2.
Die Form, die die gleichen inneren Dimensionen wie in Beispiel 2 aufweist, besteht aus zwei Halbschalen aus rostfreiem Stahl, die eine Wanddicke von 2,5mm aufweist und einen Innendruck von mindestens 10 bar aushält. 4 zeigt ein Foto einer Halbschale, der Blase und des Schließsystemes der Form.
Das Aufheizen basiert auf einer konvektiven Wärmeübertragung in Flüssigkeit, in dem die geschlossene Form aus rostfreiem Stahl in flüssiges Zinn, das auf 325°C aufgeheizt wird, für 15 Sekunden eingetaucht wird. Die Temperatur wird mit Hilfe eines Thermoelements gemessen, das an die Innenseite der Form angelegt wird, und ist dargestellt durch die Kurve C in 5a.
Zum Erreichen der Wärmeübertragung wird die Form aus dem Zinnbad nach 15 Sekunden herausgenommen. An der äußeren Oberfläche der Form haftet kein flüssiges Zinn an. In diesem Moment liegt die Innenfläche der Form auf 250°C und die Außenfläche auf 325°C. Die Form wird in der Umgebungsatmosphäre für 25 Sekunden gehalten. 40 Sekunden nach dem Beginn des Arbeitszyklus erreicht die Form eine Gleichgewichtstemperatur von etwa 300°C. Abkühlen erfolgt dann in weiteren 15 Sekunden durch Eintauchen in ein Wasserbad. Die Verfestigungszeit ist für diesen Zyklus 25 Sekunden, wie dieses in 5a durch die Kurve C gezeigt ist.
Damit ist die gesamte Prozesszeit etwa 60 bis 65 Sekunden.
Der Fachmann wird insbesondere bemerken, dass die Schmelztemperatur von PA 12 an der inneren Fläche der dünnwandigen Form aus rostfreiem Stahl, die durch ein Zinnbad bei 325°C aufgeheizt wurde, innerhalb etwa 10 Sekunden erreicht wird, wobei die gleiche Temperatur innerhalb der Aluminiumform, die durch Heizplatten bei 400°C aufgeheizt wurde, in etwa 90 Sekunden erreicht wird.
Beispiel 4: Blaseninflationsformen mit konvektiver Aufheizung in einer Flüssigkeit; Aluminiumform
Das Ausgangsmaterial des Verbundwerkstoffes und die Blase sind die gleichen wie in den Beispielen 1 und 2.
Die Form ist die in 4b gezeigte Form mit den gleichen inneren Dimensionen wie im Beispiel 2 und hergestellt aus zwei Aluminiumhalbschalen, um die Wanddicke auf 10mm zu reduzieren und einen Innendruck von mindestens 10 bar auszuhalten.
Das Aufheizen basiert wiederum auf einer konvektiven Wärmeübertragung in einer Flüssigkeit, indem die geschlossene Aluminiumform in flüssiges Zinn, das auf 300°C aufgeheizt wurde, für 10 Sekunden eingetaucht wird. Die Temperatur wird mit einem Thermoelement gemessen, das an der Innenwand der Form plaziert wird, und ist durch die Kurve B in 5b dargestellt.
Um die Wärmeübertragung zu erreichen, wird die Form aus dem Zinnbad nach 10 Sekunden herausgenommen. An der äußeren Oberfläche der Form bleibt kein Zinn haften. In diesem Moment liegt die Oberfläche der Form auf einer Temperatur von 170°C und die äußere Oberfläche auf einer Temperatur von 300°C. Die Form wird in der Umgebungsatmosphäre für 10 Sekunden gehalten. 20 Sekunden nach dem Beginn des Prozesszyklus erreicht die Form eine Gleichgewichtstemperatur von ungefähr 235°C. Eine Abkühlung wird dann in weiteren 15 Sekunden durch Eintauchen in ein Wasserbad durchgeführt. Die Verfestigungszeit ist für diesen Zyklus 10 Sekunden, wie in 5b durch die Kurve B dargestellt.
Damit ist die gesamte Zeit für den Prozesszyklus ungefähr 35 Sekunden.
Natürlich können andere Prozessparameter gewählt werden, wenn andere Polymermaterialien als PA 12 bearbeitet werden oder wenn andere Geometrien für die Teile und/oder Formen verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Formen eines Teiles, indem ein formbarer Werkstoff in eine Form (4.4, 5.1) eingeführt wird, die Form wenigstens bis auf eine Temperatur, bei der der Werkstoff formbar ist, aufgeheizt wird, die Form abgekühlt wird und das genannte Teil der Form entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der formbare Werkstoff auf eine Blase angeordnet wird, dass die Blase und der formbare Werkstoff in die Form eingeführt werden, und dass das Formen gemäß einem Formverfahren mit aufblasbarer Blase ausgeführt wird, wobei die Form durch Eintauchen in ein flüssiges Bad (3, 2), das auf einer Temperatur gehalten wird, welche höher ist als die tiefste Temperatur, bei der der Werkstoff formbar ist, aufgeheizt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form (4.4, 5.1) durch Abschrecken in einem flüssigen Abschreckbad abgekühlt wird, und dass zwischen dem Eintauchen in das Heizbad und in das Abschreckbad man die Form das thermische Gleichgewicht außerhalb der Bäder erreichen lässt.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizbad ein flüssiges Metall enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Zinn ist.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form eine dünnwandige Metallform ist, wobei die Dicke der Wände so ausgewählt wird, dass sie dem inneren Druck der sich unter Druck befindenden Blase standhalten.
Anwendung eines Verfahrens gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5 zum Formen von Verbundwerkstoffen.
Anwendung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff ein thermoplastisches Harz und Verstärkungsfasern einbegreift.
Anwendung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff zu gemischten Fäden aus thermoplastischen Fasern und Verstärkungsfasern strukturiert ist.