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Dokumentenidentifikation DE69217953T2 10.07.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0595959
Titel VERFAHREN ZUM FORMEN UND VERFESTIGEN EINER MIT FÜLLSTOFFEN VERSTÄRKTER KUNSTHARZSTRUKTUR
Anmelder E.I. du Pont de Nemours & Co., Wilmington, Del., US
Erfinder PRINCIPE, Frank, Santo, Hockessin, DE 19707, US
Vertreter Abitz & Partner, 81679 München
DE-Aktenzeichen 69217953
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 24.07.1992
EP-Aktenzeichen 929161552
WO-Anmeldetag 24.07.1992
PCT-Aktenzeichen US9206060
WO-Veröffentlichungsnummer 9301925
WO-Veröffentlichungsdatum 04.02.1993
EP-Offenlegungsdatum 11.05.1994
EP date of grant 05.03.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.07.1997
IPC-Hauptklasse B29C 33/52
IPC-Nebenklasse B29C 41/40   B29C 67/00   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen und Verfestigen von faserverstärkten Verbundstrukturen mit sich hindurchstreckenden hohlen Abschnitten oder Kanälen.

Die Ausbildung von qualitätsvollen, komplexen und dimensionsgenauen hohlen Abschnitten in Verbundteilen auf der Basis von Harz, die mit Fasern, wie Glas, Quarz und Kohlenstoffasern, verstärkt sind, war durch das Verhalten des Kernmaterials beschränkt. In einigen Fällen sind Gipskerne für normale Handhabungsvorgänge zu brüchig. Dies kann ein besonderes Problem sein, wenn dünne Kernquerschnitte betroffen sind. Gummi hat Temperaturbegrenzungen und kann keinen dimensionsgenauen hohlen Abschnitt bilden. Metallkerne, wie Stahl oder Aluminium, können nicht aus komplex geformten hohlen Abschnitten unter Bedingungen entfernt werden, die schwach genug sind, um eine übermäßige Verschlechlerung des Verbundmaterials auf Harzbasis zu vermeiden. Bi/Sn oder Sn/Pb, die allgemein als Leichtschmelzlegierungen bezeichnet werden, erzeugen bekanntlich Kerne mit verhältnismäßig niedrigem Schmelzpunkt, die ihrerseits für den Spritzguß von hohlen Kunststoffbauteilen verwendet werden können. Zusätzlich können diese Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt ausgeschmolzen werden, um sehr komplexe und dimensionsgenaue Kanäle oder Hohlformen zu bilden, ohne den physikalischen Eigenschaften des Kunststoffmaterials zu schaden (DE-A-2 251 435). Diese niedrig schmelzenden Legierungen sind jedoch als Kerne für Polymerprepregs nicht von Nutzen, die bei hohen Temperaturen im Bereich von mindestens ungefähr 315 ºC (600 ºF) bis höchstens ungefähr 370 ºC (700 ºF) aushärten und schließlich bei Temperaturen von 370 ºC (700 ºF) bis ungefähr 400 ºC (750 ºF) nachhärten.

Zusätzlich werden faserverstärkte Harzstrukturen zu vielen komplexen Formen geformt, wobei in einigen Fällen diese Formen Kanäle enthalten, die das Verfestigen dieser Strukturen während ihres Aushärtungszyklus' erschweren. Diese Strukturen werden für gewöhnlich durch Wickeln eines Prepregs um einen oder mehrere Kerne gebildet, die dann an einem Stahldorn befestigt und in einem Autoclaven angeordnet werden zum Aushärten unter vorgegebenen Temperaturen und Drücken. Was die Verfestigung während des Aushärtungszyklus' so schwierig macht, ist die Bildung von Spalten zwischen den umwickelten Kernen aufgrund des für den Zusammenbau erforderlichen Spiels und der Tatsache, daß sich die Stahldorne mit zunehmender Temperatur ausdehnen, was die Spalte zwischen den umwickelten Kernen vergrößert. Zusätzlich gehen mit steigender Temperatur aus dem Prepregmaterial flüchtige Stoffe verloren und verringern somit dessen Dicke. Alle diese drei Faktoren tragen zu einem gering verfestigten Produkt bei.

Zusammenfassung der Erfindung

Zum vollständigen Verfestigen des Prepregs einer Verbundstruktur nut Kanälen innerhalb der Struktur während des Aushärtungszyklus' muß das Ausmaß der Kernausdehnung etwas größer als die Dornausdehnung sein, um die Spaltzunahme auszugleichen, die durch die Ausdehnung des Dorns und den Verlust an flüchtigen Stoffen aus dem Prepregmaterial verursacht wird, und um jegliches Spiel zwischen den umwickelten Kernen nach dem Zusammenbau auszugleichen. Das Ausmaß der Wärmeausdehnung, das vom Kernmaterial benötigt wird, um eine Verfestigung des Prepregs sicherzustellen, hängt von diesen Faktoren und von der maximalen Aushärtetemperatur der Verbundstruktur ab. Ein Weg dies zu erzielen, besteht im Vorsehen von mehreren Metallegierungsformen, die die Ausbildung der Kanäle definieren, und im Abdecken der Metallegierungsformen mit einem warmaushärtbaren Prepregverbundmaterial mit einer vorgegebenen Aushärtetemperatur. Die mit dem Prepregmaterial bedeckten Metallegierungsformen werden auf einem Dorn seitlich nebeneinander angeordnet. Der Dorn und die Metallegierung haben unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) des Metallegierungskerns größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Dorns ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kern eine Zink/Aluminiumlegierung, deren Wärmeausdehnungskoeffizient ungefähr dreimal so groß wie derjenige des Dorns ist. Der Metallegierungskern hat eine Schmelztemperatur oberhalb der minimalen Aushärtetemperatur des Prepregmaterials. Eine freie Bewegung zwischen den mit Prepregverbundmaterial bedeckten Metallegierungskernen und dem Dorn ist eingeschränkt. Die einheitliche Struktur wird auf die vorgegebene Aushärtetemperatur erhitzt, um das Prepregverbundmaterial vollständig auszuhärten und zu verfestigen. Wenn di Metallegierungskerne nach dem Aushärten im Autoclaven nicht geometrisch in der Struktur verriegelt sind, können sie durch Herausziehen oder -drücken entfernt werden. Für den Fall, daß die Metallegierungskerne durch Krümmungen der Kanäle und durch variierende Querschnitte in der Struktur verriegelt sind, können die Kerne unter Zurücklassung der fertigen Hohlstruktur ausgeschmolzen werden.

Geeignete Prepregmaterialien sind Polyimid-Harze auf Basis von 2,2-Bis (3', 4'-dicarboxyphenyl)-hexafluorpropan/p- Phenyldiamin/m-Phenylendiaminmischungen (z.B. Avimid N), Pyromellitdiethylester-disäure/1,4-Bis(4-aminophenoxy)- 2-phenylbenzol-Mischungen (z.B. Avimid K), 3,3',4,4'- Benzophenontetracarbonsäure-dimethylester-disäure/4,4'- Methylendianilin/Bicyclo[2.2.1.]hept-5-en-2,3-dicarbonsäure- monomethylester-Mischungen (z.B. PMR-15), und die Dimethylester-disäure-Derivate von 2,2-Bis(3',4'-dicarboxyphenyl) hexafluorpropandianhydrid gemischt mit p-Phenylendiamin und Bicyclo[2.2.1.]hept-5-en-2,3-dicarbonsäure-monomethylester (z.B. AF-R-700A und B, PMR-II-30 und PMR-II-50), verstärkt mit Fasern, wie Kohlenstoff-, Glas-, Quarz- und Aramidfasern.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Schrägansicht einer gemäß dem Verfahren der Eifindung gebildeten Verbundstruktur;

Fig. 2 ist ein Aufriß im Querschnitt der Anordnutig zur Herstellung der Struktur von Fig. 1;

Fig. 3 ist eine vergrößerte auseinandergezogene Ansicht eines Segments der in Fig. 2 gezeigten Anordnung.

Detailbeschreibung der dargestellten Ausführungsform

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung ist gemäß Fig. 1 die zur Darstellung gewählte Ausführungsform eine vollrunde Rohrleitung 10 mit einer Mehrzahl von Kanälen 12, die zwischen den Innen- und Außenflächen 14 bzw. 16 der Rohrleitung verteilt sind. Die Herstellung dieser Rohrleitung umfaßt eine Montage von Teilen auf einem Dorn zur Bildung einer Struktur gefolgt von Aushärten und Nachhärten der gebildeten Struktur. Im einzelnen enthält gemäß Fig. 2 der Aufbau der Struktur einen Dorn 20, der aus einer Länge eines Kohlenstoffstahlrohrs mit gegebenem Durchmesser D hergestellt ist, auf dem Metallegierungskerne 22 befestigt werden. Jeder Kern 22 wird mit einem Prepregmaterial 24 umwickelt. Die umwickelten Formen sind so ausgebildet, daß sie sich an die Krümmung des Dorns anpassen. Eine mehr ins Detail gehende Beschreibung des Aufbaus bezieht sich auf Fig. 3, wo eine Lage 26 aus einem faserverstärkten Harzprepreg um den Dorn 20 gewickelt wird, um die Innenfläche 14 der Rohrleitung 10 zu bilden. Der Metallegierungskern 22 wird mit einem faserverstärkten Harzprepregmaterial 28 umwickelt. Nachdem die umwickelten Kerne am Dorn befestigt sind, wird eine äußere Deckschicht 30 um all die Formen des Dorns gewickelt zur Bildung der Außenfläche 16 der Rohrleitung 10.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Metallegierungskern vorzugsweise eine von Eastern Alloys Inc. hergestellte Zink/Aluminiumlegierung #3 oder #5 mit einem CTE von ungefähr 36 µm/m/ºC (20 micro in./in./ºF).

Der Dorn besteht aus Kohlenstoffstahl mit einem CTE von ungefähr 12,6 µm/m/ºC (7 micro in./in./ºF).

Die Lagen 26 und 30 und die Umwicklungsmaterialien 28 bestehen vorzugsweise aus Avimid N Prepreg von Du Pont, das mit S2-Glasfaser von Owens Corning verstärkt ist.

Bei Beendigung des strukturellen Aufbaus wird die Anordnung in einem Beutel mit Vakuumleitungen eingeschlossen, der zum Aushärten in einem Autoclaven befestigt und plaziert wird. Der Autoclavenaushärtungszyklus dauert ungefähr 20 Stunden, und die Höchsttemperatur liegt unterhalb der Schmelztemperatur der Metallegierungskerne.

Die aus dem Dorn und dem Aufbau bestehende Anordnung wird nach dem Autoclavenaushärtungszyklus ausgepackt und zum Nachhärten in einen Ofen gegeben. Der Nachhärtungszyklus erhöht das Tg von Verbundstoffen auf der Basis von Avimid N langsam. Schließlich wird das Teil über die Schmelztemperatur der Metallegierung mit dem Ergebnis erhitzt, daß die Kerne im Ofen ausschmelzen. Wenn alternativ die Nachhärtetemperatur unter der Kernschmelztemperatur liegt, können die Kerne unter Verwendung von Induktionserhitzungstechniken entfernt werden.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Formen und Verfestigen einer Verbundstoffstruktur (10) mit darin ausgebildeten hohlen Abschnitten oder Kanälen (12), enthaltend

Vorsehen einer Mehrzahl von Metallegierungskernen (22), die die Gestalt der hohlen Abschnitte oder der Kanäle (12) bilden;

Bedecken der Metallegierungskerne (22) mit einem warmaushärtbaren Prepregverbundmaterial (24) mit einer vorgegebenen Aushärtetemperatur;

Plazieren der mit dem Prepregmaterial bedeckten Metallegierungskerne (22) seitlich nebeneinanderliegend auf einem Dorn (20), wobei der Dorn (20) und die Metallegierungskerne unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben und der Wärmeausdehnungskoeffizient der Metallegierungskerne (22) größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Dorns (20) ist, und Begrenzen der freien gegenseitigen Bewegung zwischen den mit dem Prepregverbundmaterial (24) bedeckten Metallegierungskernen (22) und dem Dorn zur Bildung einer einheitlichen Struktur (10);

Erhitzen der einheitlichen Struktur (10) auf die vorgegebene Aushärtetemperatur zum Verfestigen und Aushärten des Prepregverbundmaterials (24).

2. Verfahren nach Anspruch 1, enthaltend die zusätzlichen Schritte des Erhitzens der Metallegierungskerne (22) auf eine Temperatur zum Schmelzen der Legierung und Entleeren der geschmolzenen Metallegierung aus der einheitlichen Struktur (10).

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallegierungskerne (22) eine Zink/Aluminiumlegierung sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient der Kerne (22) ungefähr dreimal größer als Wärmeausdehnungskoeffizient des Dorns (24) ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Prepregverbundmaterial (24) aus mit Glasfasern verstärkten 2,2-Bis (3',4'- dicarboxyphenyl) hexafluorpropan/p-Phenylendiamin/m- Phenylendiamin-Mischungen besteht.







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