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Dokumentenidentifikation DE10358295A1 19.05.2005
Titel Leichtbau-Verbundmaterial sowie Verfahren zu dessen Herstellung
Anmelder Euro-Composites S.A., Echternach, LU
Erfinder Bottler, Oliver, Dipl.-Ing. Dipl.-Chem., Echternach, LU;
Freres, Patrick, Dr.-Ing., Echternach, LU
Vertreter Meissner, Bolte & Partner, 81679 München
DE-Anmeldedatum 12.12.2003
DE-Aktenzeichen 10358295
Offenlegungstag 19.05.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.05.2005
IPC-Hauptklasse B32B 27/04
IPC-Nebenklasse B32B 5/18   B32B 3/12   B32B 21/00   B32B 7/00   B29C 70/36   B32B 27/12   B32B 15/08   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Leichtbau-Verbundmaterial mit einem Leichtbau-Trägermaterial (12) und einer an mindestens einer der beiden Flachseiten des Trägermaterials (12) vorgesehenen Deckschicht (34). Zwischen der Flachseite des Trägermaterials (12) und der Deckschicht (34) ist eine harzundurchlässige Trennschicht (16) vorgesehen. Die Deckschicht (34) ist aus einem Fasermaterial (20) gebildet, welches in einem auf der Trennschicht (16) ausgehärteten Harzmaterial (32) eingebettet ist. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Verbundmaterials.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Leichtbau-Verbundmaterial gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 27 zur Herstellung eines derartigen Leichtbau-Verbundmaterials.

Flächige Leichtbau-Verbundmaterialien der eingangs genannten Art sind bekannt und kommen in verschiedensten technischen Anwendungsbereichen, wie der Luft- und Raumfahrt, dem Schiffs- oder Kraftfahrzeugbau, zum Einsatz.

Als Träger- oder Kernmaterial werden bei den bekannten Verbundmaterialien, auch Verbundwerkstoffe bzw. Materialverbund genannt, vorzugsweise flächige, vorgeformte oder verformbare Leichtbaumaterialien, beispielsweise aus Schaumstoff, aus Hölzern mit geringer Dichte oder Materialien mit Wabenstrukturen, verwendet. Um diese Leichtbaumaterialien für die Herstellung von Sandwich-Bauteilen einzusetzen, ist es üblich, an zumindest einer der Oberflächen des Trägermaterials eine Deckschicht vorzusehen. Hierdurch wird die Festigkeit des Verbundmaterials erhöht, während das Verbundmaterial selbst ein geringes Gewicht aufweist, so dass die Vorteile einer Sandwichstruktur (Verhältnis Festigkeit/Gewicht) genutzt werden können. Als Deckschichten werden beispielsweise Folien oder Faserverbundwerkstoffschichten verwendet, die an der Flachseite des Trägermaterials, beispielsweise durch Kleben, nachträglich befestigt werden.

Nachteilig an den bekannten Leichtbau-Verbundmaterialien sowie den Verfahren zu deren Herstellung ist, dass bei der Herstellung der bekannten Verbundmaterialien die Ausbildung von Faserverbundwerkstoffen, welche aus in Harzen eingebettetem Fasermaterial bestehen, unmittelbar auf das Trägermaterial allenfalls sehr eingeschränkt möglich ist, wenn als Trägermaterial eine offene Schaumstoff- oder Wabenstruktur verwendet wird.

Die Faserverbundwerkstoffe müssen vielmehr zunächst getrennt vom Trägermaterial gefertigt werden, beispielsweise in Form sogenannter Prepregs, d.h. mit Harz preimpregnierte Gewebe oder Gelege, und können erst in einem weiteren Verfahrensschritt mit dem Trägermaterial verbunden werden. Dies ist insbesondere von Nachteil, wenn die Oberfläche des flächigen Trägermaterials nicht plan verläuft, sondern, wie beispielsweise bei Bootskörpern, einen dreidimensionalen Verlauf zeigt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Leichtbau-Verbundmaterial bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbau-Verbundmaterials anzugeben, bei dem bzw. durch dessen Einsatz auch offenporige Trägermaterialien, wie Schaumstoffe oder Wabenstrukturen, mit einem Faserverbundwerkstoff unmittelbar versehen werden können.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Leichtbau-Verbundmaterial mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Ferner löst die Erfindung die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 27 zur Herstellung eines Leichtbau-Verbundmaterials.

Der Erfindung liegt als ein wesentlicher Gedanke zugrunde, durch den Einsatz einer harzundurchlässigen Trennschicht, welche zwischen dem Trägermaterial und der Deckschicht vorgesehen wird, Verfahren, insbesondere industriell angewendete Verarbeitungsverfahren, mit denen ein Faserverbundwerkstoff unmittelbar auf dem Träger- oder Kernmaterial erzeugt werden kann, für offenporige Trägermaterialien, wie offene Wabenstrukturen oder offenporige Schaumstoffe verwendbar zu machen.

So sind als bekannte Verfahren für diesen Anwendungsbereich das Vakuuminfusionsverfahren, das Vakuuminjektionsverfahren, das RTM-Verfahren (RTM = Resin Transfer Moulding) sowie Abwandlungen von diesen Verfahren zu nennen, denen gemeinsam ist, unter Einsatz von Druck, d.h. Unterdruck oder Überdruck, flüssiges Harz in zum Beispiel ein Faser- oder Vliesmaterial einzubringen, das bereits auf dem mit der Deckschicht zu versehenen Trägermaterial plaziert ist. Bisher werden diese bekannten Verfahren zur Herstellung von Verbundmaterialien dann eingesetzt, wenn das Träger- oder Kernmaterial an den mit der Deckschicht zu versehenen Oberflächen keine offene Struktur aufweist, oder Voll-Laminate ohne Kernmaterialien hergestellt werden sollen.

Mit Hilfe der harzundurchlässigen Trennschicht, die zwischen dem eigentlichen Trägermaterial und der Deckschicht angeordnet ist, wird bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials erreicht, dass das flüssige Harz bei der Fertigung der Deckschicht nicht in das Trägermaterial eindringen kann und dieses zumindest teilweise ausfüllt. Vielmehr kann das Harz, in dem das Fasermaterial eingebettet ist, zur Ausbildung der Deckschicht unmittelbar auf dem Trägermaterial aushärten, so dass auch nichtplane Oberflächenverläufe des Trägermaterials auf einfache und elegante Weise mit einer Deckschicht aus Faserverbundmaterial versehen werden können.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen sowie den Unteransprüchen ersichtlich.

So wird bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundmaterials vorgeschlagen, ein flaches Trägermaterial einzusetzen, dessen beide Flachseiten als Oberflächen in erfindungsgemäßer Weise mit einer Trennschicht und einer Deckschicht versehen werden. Hierdurch wird erreicht, dass das Trägermaterial von beiden Flachseiten her verschlossen ist und als Sandwich-Material ausgebildet wird. Es ist jedoch auch denkbar, nur eine der beiden Flachseiten mit dem erfindungsgemäßen Schichtaufbau zu versehen, während die andere Flachseite in herkömmlicher Weise versiegelt ist, beispielsweise durch Verwendung einer aufgeklebten Folie.

Die Trennschicht ist vorzugsweise aus einer Polymerfolie gebildet, welche auf die Oberfläche des Trägermaterials aufgebracht ist. Als Folie eignet sich insbesondere eine Folie aus einem thermoplastischen Kunststoff, da diese einfach zu verarbeiten ist und mit vergleichsweise geringem Aufwand an den Oberflächenverlauf angepaßt werden kann.

Um eine besonders gute Verbindung der Deckschicht mit der Trennschicht zu erreichen, wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundmaterials vorgeschlagen; als Trennschicht ein Gewebe, ein Gelege, ein Geflecht, ein Gewirk, ein Gestrick oder ein Vlies einzusetzen. Die Dicke der Trennschicht ist hierbei so bemessen, dass das flüssige Harz beim Erzeugen der Deckschicht zwar gegebenenfalls in die Trennschicht eindringt, durch diese jedoch nicht bis zum Trägermaterial gelangt. Auf diese Weise ist die Trennschicht durch das Harz mit dem Fasermaterial der Deckschicht verbunden, sobald das Harz ausgehärtet ist. Hierdurch ergibt sich eine besonders gute Verbindung der Deckschicht mit der Trennschicht.

Des weiteren wird vorgeschlagen, falls notwendig, in der Oberfläche des Trägermaterials und der Trennschicht definierte Öffnungen, vorzugsweise in Form von Lochbohrungen, und/oder gegebebenfalls auch Schlitzkanäle vorzusehen. Hierdurch kann das Harz durch die Öffnungen und/oder die Schlitzkanäle in das Trägermaterial eindringen, wodurch das Fließverhalten des Harzes an der Ober- und Unterseite des Faser- oder Vliesmaterials verbessert wird. Ferner füllen sich die Öffnungen mit Harz, so dass nach dem Aushärten des Harzes zusätzlich Harzkanäle durch das Kernmaterial gebildet sind, die eine zusätzliche Stabilität für das fertige Verbundmaterial bewirken.

Das Gewebe, Gelege, Geflecht, Gewirk, Gestrick oder Vlies ist vorzugsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff oder einem Fasermaterial gefertigt ist, wobei das Kunststoff- oder Fasermaterial bevorzugt zumindest annähernd dieselben physikalischen Eigenschaften hinsichtlich des Elastizitätsmoduls oder der temperaturabhängigen Ausdehnungskoeffizienten hat, wie das Fasermaterial der Deckschicht.

Gegebenenfalls ist es auch denkbar, die Trennschicht aus einem Material auszubilden, das sich nach dem Aushärten des Harzes ganz oderteilweise aufgelöst hat.

Des weiteren ist es denkbar, sowohl die als Folie ausgebildete Trennschicht als auch die als Gewebe, Gelege, Geflecht, Gewirk, Gestrick oder Vlies ausgebildete Trennschicht aus Kunststoffen zu fertigen. Als Material hierfür eignen sich alle zu Folien oder Fasern zu verarbeitende Polymere. Besonders bevorzugt sind als Polymere Polyester, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polypropylen, Polyamid, Polycarbonat, Polyacryl, Polyacrylnitril, Polytetrafluorethylen oder Gemische aus diesen Kunststoffen.

Bei einer alternativen Ausführungsform dient als Trennschicht eine Schaumstofflage oder eine Schaumstofffolie. Auch hier besteht, ähnlich wie bei der glatten Folie, der Vorteil, dass sich die Schaumstofflage oder Schaumstofffolie an die Oberfläche des Trägermaterials gleichmäßig anschmiegen kann. Des weiteren besteht darüber hinaus der Vorteil, dass die Schaumstofflage oder Schaumstofffolie zu einer erhöhten Wärmedämmung beim erfindungsgemäßen Verbundmaterial führt. Das Schaumstoffmaterial der Schaumstofflage oder der Schaumstofffolie kann dabei geschlossenporig oder auch offenporig ausgebildet sein.

Die Schaumstofflage oder die Schaumstofffolie kann aus allen zu Schäumen zu verarbeitenden Materialien gefertigt sein. Bevorzug ist sie aus Polyurethan, linearem oder vernetztem Polyvinylchlorid, Polyetherimid, Polymethacrylimid, einem Phenolharz, einem Epoxidharz oder aus einem Gemisch von zumindest zwei der zuvor genannten Kunststoffe gefertigt.

Des weiteren wird bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundmaterials vorgeschlagen, als Trennschicht eine Metallfolie, vorzugsweise aus Aluminium, Stahl, Bronze oder Kupfer, einzusetzen. Auch eine dünne Bleifolie ist als Trennschicht geeignet. Durch den Einsatz einer Metallfolie als Trennschicht wird erreicht, dass das erfindungsgemäße Verbundmaterial eine abschirmende Wirkung beispielsweise gegenüber elektromagnetischen Wellen aufweist, so dass die Trennschicht eine Doppelfunktion erfüllt, nämlich einerseits ihre erfindungsgemäße Verwendung, ein Eindringen von flüssigem Harz in die das Trägermaterial zu verhindern, und andererseits ihre Wirkung als Abschirmung.

Um die Trennschicht am Trägermaterial zu befestigen, wird vorgeschlagen, zwischen der Trennschicht und dem Trägermaterial eine erste Klebeschicht vorzusehen. Die Klebeschicht wird beispielsweise in Form einer Klebefolie auf dem Trägermaterial aufgebracht. Anschließend wird die Trennschicht, beispielsweise ein Trenngewebe, auf die Klebefolie aufgelegt und mit dieser verklebt.

Des weiteren wird vorgeschlagen, zusätzlich oder alternativ auch zwischen der Trennschicht und der Deckschicht eine Klebeschicht vorzusehen. Mit dieser Klebeschicht kann das Fasermaterial, mit dem die Deckschicht gebildet werden soll, vor dem Aufbringen des flüssigen Harzes an der Trennschicht in einer definierten Lage gehalten werden. Außerdem dient diese Klebeschicht als zusätzliche Verklebungsmöglichkeit zwischen Trennschicht und Deckschicht.

Die Klebeschicht bzw. die Klebeschichten sind vorzugsweise als ein Klebefilm auf Basis eines Epoxidharzes, eines Polyesterharzes, eines Phenolharzes, eines Vinylesterharzes, eines Acrylharzes, eines Acrylatklebstoffes oder eines Silans ausgebildet. Es können jedoch auch Klebefilme eingesetzt werden, die auf Basis eines Gemisches von mindestens zwei der zuvor genannten Harze gebildet sind.

Um den Herstellungsprozeß zu vereinfachen, wird ferner vorgeschlagen, die Klebeschicht bzw. die Klebeschichten bereits vorab auf der Trennschicht vorzusehen, da auf diese Weise ein getrenntes Aufbringen der Klebeschichten von der Trennschicht entfallen kann. So wird beispielsweise vorgeschlagen, wenn als Trennschicht eine Kunststoff- oder Metallfolie zum Einsatz kommt, die Folie an der Vorder- und gegebenenfalls Rückseite vorab mit einem Klebefilm zu versehen.

Als Fasermaterial für die Deckschicht dient vorzugsweise ein Gewebe, ein Gelege, ein Geflecht, ein Gewirk, ein Gestrick, ein Vlies oder ein Hybridmaterial, da diese Art Faserrimaterial vom flüssigen Harz gleichmäßig durchtränkt werden kann und nach dem Aushärten des Harzes der Deckschicht, je nach verwendeter Systemkombination, eine hohe mechanische Festigkeit bei gleichzeitig hervorragenden elastischen Eigenschaften verleiht.

Um die mechanischen Eigenschaften des Fasermaterials gezielt zu beeinflussen, werden für diese Arten von Fasermaterial vorzugsweise Materialien verwendet, die Glasfasern, Carbon-Fasern, Aramid-Fasern, Keramik-Fasern, Metall-Fasern und/oder Metalldrähte aufweisen. Alternativ werden für diese Arten von Fasermaterial auch Materialien eingesetzt, welche auf thermoplastischen Kunststoffen oder Elastomeren basieren.

Als Harzmaterial, in dem das Fasermaterial eingebettet ist, wird vorzugsweise ein Epoxidharz, ein Polyesterharz, ein Phenolharz, ein Vinylesterharz, ein Acrylharz, ein Silan oder ein Gemisch mindestens zwei dieser Harze verwendet, da diese Harze gut verarbeitbar sind und vergleichsweise schnell aushärten.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundmaterials weist das Trägermaterial eine vorzugsweise gleichmäßige, gegebenenfalls auch harzgetränkte Wabenstruktur auf. Durch die gleichmäßige Wabenstruktur wird eine besonders hohe mechanische Festigkeit insbesondere in Längsrichtung der einzelnen Waben bei geringem spezifischen Gewicht erreicht. Die Waben verlaufen hierbei vorzugsweise mit ihren Längsrichtungen etwa lotrecht zur Trenn- und Deckschicht.

Die Wabenstruktur kann aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium, gebildet sein. Für Einsatzzwecke, bei denen das Gewicht des Verbundmaterials im Vordergrund steht, werden Wabenstrukturen aus Papier oder Pappe als Trägermaterial vorgeschlagen. Diese aus Papier oder Pappe gebildeten Wabenstrukturen können zusätzlich mit Fasern verstärkt sein. So werden besonders bevorzugt Wabenstrukturen aus Papier oder Pappe für das erfindungsgemäße Verbundmaterial eingesetzt, bei denen das Papier- oder Pappmaterial mit Aramid-Fasern, insbesondere Nomex®-Fasern oder Kevlar®-Fasern, Polyesterfasern, PVC-Fasern Polyacrylfasern, Polypropylenfasern oder einem Gemisch aus mindestens zwei dieser Faserarten ergänzt ist. Die Wabenstrukturen können gegebenenfalls zusätzlich mit Harz getränkt sein. Des weiteren kann die Wabenstruktur aus einem Kunststoffmaterial gefertigt sein. Ferner ist es denkbar, dass in die Wabenstruktur ein Füllmaterial, beispielsweise Mikroballons, gefüllt ist.

Zusätzlich wird vorgeschlagen, anstelle einer Wabenstruktur als Trägermaterial ein vorzugsweise offenporiges Schaumstoffmaterial einzusetzen. Die Verwendung von Schaumstoffmaterial als Trägermaterial ist besonders dann von Vorteil, wenn das Verbundmaterial eine hohe Wärmedämmwirkung aufweisen soll. Das Schaumstoffmaterial ist hierbei vorzugsweise aus Polyurethan, linearem oder vernetztem Polyvinylchlorid, Polyetherimid, Polymethacrylimid, Phenolharz, Epoxidharz oder Gemischen derselben gefertigt. Es ist jedoch auch denkbar, aus Metall aufgeschäumte Schaumstoffmaterialien zu verwenden.

Ferner wird ein erfindungsgemäßes Leichtbau-Verbundmaterial vorgeschlagen, bei dem das Trägermaterial aus Balsa-Holz gefertigt ist.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung gemäß Anspruch 27 ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbau-Verbundmaterials, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbau-Verbundmaterials, wie es zuvor beschrieben worden ist. So soll das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellende Verbundmaterial ein Leichtbau-Trägermaterial, eine auf mindestens einer der Oberflächen des Trägermaterials vorgesehene Deckschicht aus einem in einem Harzmaterial eingebetteten Faser- oder Vliesmaterial und eine zwischen dem Trägermaterial und der Deckschicht angeordnete harzundurchlässige Trennschicht aufweisen.

Zur Herstellung dieses Verbundmaterials wird zunächst auf die zu beschichtende Oberfläche des Trägermaterials die Trennschicht aufgebracht. Anschließend wird auf die Trennschicht das Fasermaterial der Deckschicht aufgebracht. Das Fasermaterial wird anschließend mit einem flüssigen Harz getränkt, das zur Bildung der Deckschicht auf der Trennschicht aushärtet.

Zum Tränken des Fasermaterials mit dem flüssigen Harz wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante die sich ergebende Anordnung aus Trägermaterial, Trennschicht und Fasermaterial in einen abgeschlossenen Raum eingesetzt. In den abgeschlossenen Raum wird das flüssige Harz geleitet, das in das auf der Trennschicht aufgebrachte Fasermaterial eindringt. Die Trennschicht verhindert dabei, dass das flüssige Harz in das Trägermaterial eindringt. Sobald das flüssige Harz zumindest soweit ausgehärtet ist, dass sich die Gestalt der Deckschicht, die aus dem in dem ausgehärteten Harz eingebetteten Faser- oder Vliesmaterial gebildet ist, nicht mehr ändert, kann das Verbundmaterial dem abgeschlossenen Raum entnommen werden.

Um das Eindringen des flüssigen Harzes in das Fasermaterial zu beschleunigen, wird bei einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, das flüssige Harz unter Druck in den abgeschlossenen Raum einzubringen. Das flüssige Harz kann hierzu mit einem Druck in einem Bereich von etwa 0,2 bis 8 bar in den abgeschlossenen Raum gefördert werden. Der Druck kann jedoch auch höher sein, wenn die Form dem Förderdruck standhält.

Der abgeschlossene Raum wird bei einer Variante des Verfahrens, insbesondere wenn das Verfahren zur Massenfertigung von Verbundmaterialien eingesetzt werden soll, durch eine feste Form aus mindestens zwei Formteilen gebildet, deren Innenkonturen der späteren Außenkontur des fertigen Bauteils entsprechen. Die Anordnung aus Trägermaterial, Trennschicht und Fasermaterial wird in die offene Form eingelegt, die Form anschließend geschlossen und das flüssige Harz unter Druck in die Form eingefüllt. Nach dem Aushärten des Harzes entspricht die Außenkontur des Verbundmaterials der durch die Form vorgegebenen Gestalt. Zum Aushärten des Harzes wird die Form zumindest abschittsweise erwärmt.

Alternativ ist es auch möglich, in der geschlossenen Form einen Unterdruck zu erzeugen, der vorzugsweise einem etwa 55- bis 95-prozentigen Vakuum entspricht. Anschließend wird das flüssige Harz mit geringem Überdruck in die geschlossene Form geleitet.

Bei einer alternativen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der abgeschlossene Raum durch eine Folie gebildet, unter der die Anordnung positioniert wird. Die Luft in dem abgeschlossenen Raum unter der Folie, in dem sich die Anordnung befindet, wird anschließend abgepumpt, so dass unter der Folie ein Unterdruck erzeugt wird. Dieser entspricht vorzugsweise einem etwa 55- bis 95-prozentigen Vakuum. Anschließend wird das Harz mit Umgebungsdruck unter die Folie geleitet.

Alternativ ist es auch möglich, die komplette Anordnung aus Trägermaterial, Trennschicht und Fasermaterial zum Tränken des Fasermaterials mit flüssigem Harz in ein Harzbad zumindest abschnittsweise einzutauchen, sofern das Trägermaterial, beispielsweise eine Wabenstruktur, an den Stellen, an den es in das Harzbad eingetaucht wird, nach außen hin durch die Trennschicht abgedeckt ist.

Haftet die Trennschicht nicht in ausreichendem Maß an der Oberfläche des Trägermaterials an, oder ist die Trennschicht mit keiner zusätzlichen Klebeschicht versehen, wird ferner vorgeschlagen, vor dem Aufbringen der Trennschicht auf die Flachseite des Trägermaterials eine Klebeschicht aufzubringen, auf welche wiederum die Trennschicht aufgelegt wird.

In entsprechender Weise wird bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, vor dem Aufbringen des die Deckschicht bildenden Fasermaterials auf die Trennschicht eine Klebeschicht aufzubringen, auf welche wiederum das Fasermaterial aufgebracht wird.

Um eine möglichst gleichmäßige und schnelle Aushärtung des flüssigen Harzes zu erreichen, wird bei einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens der abgeschlossene Raum unter Unter- oder Überdruck gesetzt. Dies ist einerseits möglich in dem bei Verwendung einer geschlossenen Form in der Form ein entsprechender Überdruck -erzeugt wird, der beispielsweise bei etwa 2 bar liegt. Wird dagegen eine Vakuumfolie verwendet, wird der Unterdruck unter der Folie über einen vorgegebenen Zeitraum aufrechterhalten.

Um das bereits ausgehärtete Harz nachzuhärten, wird ferner vorgeschlagen, die Anordnung aus Trägermaterial, Trennschicht und Fasermaterial nach dem Aushärten des Harzes einer Wärmebehandlung zu unterziehen, bei der die Anordnung über einen vorgegebenen Zeitraum auf eine Temperatur in einem Bereich von etwa 50°C bis 200°C erwärmt wird. Hierdurch wird das Aushärten des Harzes weiter beschleunigt. In Abhängigkeit von dem jeweils verwendeten Harz kann es durch die zusätzliche Wärmebehandlung noch zu einer weiteren Vernetzung des Harzes kommen, wodurch die Festigkeit des als Deckschicht dienenden Faserverbundmaterials weiter erhöht wird.

Um das Nachhärten gezielt auf das jeweilige Harz einzustellen, wird ferner, je nach verwendeter Materialkombination, vorgeschlagen, die Wärmebehandlung in zwei Schritten zu vollziehen, wobei die Anordnung in dem ersten Wärmebehandlungsschritt über einen vorgegebenen ersten Zeitraum auf eine Temperatur von etwa 50°C bis 90°C und in dem zweiten Wärmebehandlungsschritt über einen vorgegebenen zweiten Zeitraum auf eine Temperatur von etwa 100°C bis 200°C erwärmt wird.

Nachfolgend wird der Erfindung anhand einer Verfahrensvariante unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

1 einen ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer, geschnittener Darstellung, in dem auf ein Trägermaterial beidseitig Klebefilme aufgebracht werden;

2 einen zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer, geschnittener Darstellung, in dem auf die Klebefilme beidseitig eine Trennfolie aufgebracht wird;

3 einen dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer, geschnittener Darstellung, in dem auf jede Trennfolie ein zweiter Klebefilm aufgebracht wird;

4 einen vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer, geschnittener Darstellung, in dem auf die beiden Klebefilme jeweils ein Fasermaterial in Form eines Polyestervlieses aufgebracht wird;

5 einen fünften Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer, geschnittener Darstellung, in dem die Anordnung aus Trägermaterial, Klebeschichten, Trennfolien und Fasermaterial unter eine Vakuumfolie gelegt und ein flüssiges Harz eingefüllt wird; und

6 eine geschnittene Darstellung des fertigen Verbundmaterials.

In den 1 bis 5 sind die verschiedenen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials 10 dargestellt.

In dem in 1 dargestellten, ersten Verfahrensschritt wird zunächst auf die beiden Flachseiten eines Trägermaterials 12, im vorliegenden Fall eine phenolharzgetränkte Wabenstruktur, welche mit Aramid-Fasern, insbesondere Nomex®-Fasern, verstärkt ist, jeweils eine Klebeschicht 14 aufgelegt. Bei der Klebeschicht 14 handelt es sich um eine Epoxidharzklebeschicht, welche von Hand auf der jeweiligen Flachseite des Trägermaterials 12 positioniert wird.

In einem zweiten Verfahrensschritt, der in 2 gezeigt ist, werden die beiden Klebefolien 14 mit einem Heizluftfön kurz erwärmt, bis die Oberfläche klebrig ist. Anschließend wird auf jede Klebeschicht 14 eine Trennschicht 16, die zuvor oberflächengereinigt wurde, aufgelegt und mit der Klebeschicht verklebt. Als Trennschicht 16 wird im vorliegenden Fall eine Polyesterfolie verwendet.

In einem dritten Verfahrensschritt, der in 3 gezeigt ist, wird auf jede der beiden Trennschichten 16 eine weitere Klebeschicht 18 aufgebracht, bei der es sich beispielsweise um eine Epoxidharzklebeschicht handelt, welche von Hand auf die jeweilige Trennschicht 16 aufgelegt wird. Anschließend werden auch hier die Klebeschichten 18 mit einem Heizluftfön soweit erwärmt, bis deren Oberflächen klebrig sind.

4 zeigt einen vierten Verfahrensschritt, in dem auf die beiden Klebeschichten 18 jeweils ein Fasermaterial 20 in Form eines Polyester-Vlieses aufgelegt und mit den Klebeschichten 18 verklebt wird.

Die so gebildete Anordnung 22 aus Trägermaterial 12, Klebeschichten 14, Trennschichten 16, Klebeschichten 18 und Fasermaterial 20 wird anschließend von einer Vakuumfolie 24, beispielsweise einer Silikonfolie oder einer Elastomerfolie, bedeckt, wie in 5 dargestellt ist, welche an ihren Rändern durch eine umlaufende Dichtung 26 gegenüber der Umgebung abgedichtet ist. Anstelle der einzelnen Vakuumfolie 24 kann auch eine mehrfach verwendbare Silikonfolie bzw. eine Silikonabdeckhaube zum Einsatz kommen. Anschließend wird unter der Vakuumfolie 24 ein Unterdruck erzeugt, der etwa einem 75- bis 90-prozentigem Vakuum entspricht, wie durch den Pfeil 28 angedeutet ist. Sobald ein ausreichender Unterdruck in dem abgeschlossenen Raum 30 unter der Vakuumfolie 24 wirkt, wird ein flüssiges Harz 32, beispielsweise ein Epoxidharz unter die Vakuumfolie 24 eingebracht, wie durch den Pfeil angedeutet ist.

Das flüssige Harz 32 dringt in das an den beiden Flachseiten gehaltene Fasermaterial 20 ein und durchtränkt dieses, wobei insbesondere die beiden Trennschichten 16 verhindern, dass das Harz 32 in die Wabenstrukturen des Trägermaterials 12 eindringt.

Werden die mit dem Trägermaterial 12 verklebten Trennschichten 16 mit definierten Lochbohrungen versehen, bilden sich an diesen Stellen Harzkanäle durch das Trägermaterial 12 aus, welche von der einen Flachseite zur anderen Flachseite des Trägermaterials 12 verlaufen (nicht dargestellt).

Sobald das flüssige Harz 32 ausgehärtet ist, wird unter der Vakuumfolie 24 bei Raumtemperatur ein Unterdruck aufrechterhalten, der einem etwa 75- bis 95-prozentigem Vakuum entspricht, durch den das Aushärten des Harzes 32 weiter beschleunigt wird. Dieser Vorgang wird als Kaltaushärten bezeichnet.

Nach einem vorgegebenen Zeitraum von beispielsweise 12 Stunden wird die Anordnung 22 nach dem Kaltaushärten zwei Nachhärteschritten unterzogen, in denen die Anordnung 22 zunächst in einem Ofen über einen Zeitraum von 2 Stunden bei etwa 80°C warmbehandelt wird. Anschließend wird die Anordnung 22 über einen Zeitraum von etwa 1 Stunde bei etwa 120°C durchgehärtet. Es ist jedoch zu bemerken, dass die Dauer der Nachhärtung vom verwendeten Harz abhängig ist.

Nach dem Durchhärten ist das Leichtbau-Verbundmaterial 10 fertiggestellt, wie es in 6 gezeigt ist, bei dem das im ausgehärteten Harz 32 eingebettete Fasermaterial 20 als Faserverbundmaterial jeweils die Deckschicht 34 bildet, welche über die Klebeschicht 18, die Trennschicht 16 und die Klebeschicht 14 fest mit dem Trägermaterial 12 verbunden ist.

In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die verwendeten Materialien nochmals aufgelistet, wobei auch eine abgewandelte Ausführungsform aufgeführt ist.

Tabelle 1: zwei Ausführungsbeispiele, die nach dem zuvor beschriebenen Verfahren gefertigt wurden

Die beiden beschriebenen Ausführungsbeispiel stellen nur zwei Varianten einer Vielzahl von möglichen Kombinationen der verschiedenen Materialien dar. Des weiteren kann zwischen den verschiedenen Verfahren, nämlich dem Vakuuminfusionsverfahren, dem Vakuuminjektionsverfahren oder dem RTM-Verfahren (RTM = Resin Transfer Moulding) unterschieden werden, welche zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials eingesetzt werden können.

So wird beim Vakuuminfusionsverfahren die zuvor beschriebene Vakuumfolie 24 eingesetzt, unter der ein Unterdruck erzeugt wird, welcher einem etwa 55- bis 95-prozentigem Vakuum entspricht.

Das flüssige Harz 32 wird unter die Vakuumfolie 24 geleitet, wobei der in dem abgeschlossenen Raum 30 unter der Vakuumfolie 24 wirkende Unterdruck das Harz 32 in das Fasermaterial 20 zieht.

Beim Vakuuminjektionsverfahren wird anstelle der Vakuumfolie eine feste Gegenform verwendet, die mit Hilfe eines Unterdrucks, welcher einem etwa 55- bis 95-prozentigem Vakuum entspricht, verschlossen wird. Das flüssige Harz 32 wird mit einem geringem Überdruck in die Form injiziert wird.

Mit dem RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) können qualitativ sehr hochwertige Verbundmaterialien gefertigt werden, die beidseitig eine glatte Sichtoberfläche haben. Bei dem RTM-Verfahren wird die Anordnung 22 zwischen eine steife Unterform und eine steife Oberform gelegt und die beiden Formen verschlossen.

Anschließend wird das flüssige Harz 32 mit einem Druck von etwa 0,2 bis 8 bar in die geschlossene Form eingespritzt.

In der nachfolgenden Tabelle 2 sind die verschiedenen Verfahrensparameter, welche bei den verschiedenen Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials eingestellt werden, nochmals aufgelistet.

Tabelle 2: Verfahrensparameter für die verschiedenen Verfahren

Die angegebenen Werte stellen Erfahrungswerte dar, die jedoch vom jeweils zu fertigenden Bauteil abhängig sind. In der Tabelle 3 sind weitere Kombinationen von Materialien unterschiedlicher erfindungsgemäßer Verbundmaterialien aufgelistet, die sich als besonders vorteilhaft herausgestellt haben.

Tabelle 3: Verschiedene Ausführungsbeispiele mit unterschiedlichen Materialkombinationen

Wie der Tabelle 3 zu entnehmen ist, sind die unterschiedlichsten Materialkombinationen möglich, wobei die Trennschicht 16 gegebenenfalls auch so ausgebildet sein kann, dass sie gleichzeitig sowohl als Trennschicht 16 als auch als Klebeschicht 14 zum Trägermaterial 12 und als Klebeschicht 18 zum Fasermaterial 20 dienen kann (vgl. fünftes Beispiel).

Aufgrund der Kombinationsmöglichkeiten, sind jedoch auch weitere Varianten möglich. Beispielsweise kann die Trennschicht 16 auch in Form einer dünnen Metallfolie ausgebildet sein.

10Verbundmaterial 12Trägermaterial 14Klebeschichten 16Trennschichten 18Klebeschichten 20Fasermaterial 22Anordnung 24Vakuumfolie 26Dichtung 28Vakuum 30abgeschlossener Raum 32Harz 34Deckschicht

Anspruch[de]
  1. Leichtbau-Verbundmaterial mit einem Leichtbau-Trägermaterial (12) und einer an mindestens einer Oberfläche des Trägermaterials (12) vorgesehenen Deckschicht (34), dadurch gekennzeichnet,

    dass zwischen der Oberfläche des Trägermaterials (12) und der Deckschicht (34) eine harzundurchlässige Trennschicht (16) vorgesehen ist, und

    dass die Deckschicht (34) aus einem Faser- oder Vliesmaterial (20) gebildet ist, welches in einem auf der Trennschicht (16) ausgehärteten Harzmaterial (32) eingebettet ist.
  2. Leichtbau-Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (12) flächig ist und an jeder seiner Flachseiten die Trennschicht (16) und die Deckschicht (34) vorgesehen ist.
  3. Leichtbau-Verbundmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (16) eine Polymerfolie ist.
  4. Leichtbau-Verbundmaterial nach mindestens einem Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (16) als eine Folie aus einem thermoplastischen Kunststoff gefertigt ist.
  5. Leichtbau-Verbundmaterial nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (16) ein Gewebe, ein Gelege, ein Geflecht, ein Gewirk, ein Gestrick oder ein Vlies ist.
  6. Leichtbau-Verbundmaterial nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Oberfläche des Trägermaterials (12) und in der Trennschicht (16) definierte Öffnungen, vorzugsweise in Form von Lochbohrungen, und/oder Schlitzkanäle vorgesehen sind, durch die das Harzmaterial (32) beim Auftragen auf das Faser- oder Vliesmaterial (18) in das Trägermaterial (12) zumindest teilweise eingedrungen ist.
  7. Leichtbau-Verbundmaterial nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (16) aus einem thermoplastischen Kunststoff oder einem Fasermaterial gefertigt ist.
  8. Leichtbau-Verbundmaterial nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (16) aus Polyester, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polypropylen, Polyamid, Polycarbonat, Polyacryl, Polyacrylnitril, Polytetrafluorethylen oder Gemischen derselben gefertigt ist.
  9. Leichtbau-Verbundmaterial nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (16) eine Schaumstofflage oder eine Schaumstofffolie ist.
  10. Leichtbau-Verbundmaterial nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstofflage oder die Schaumstofffolie aus Polyurethan, linearem oder vernetztem Polyvinylchlorid, Polyetherimid, Polymethacrylimid, einem Phenolharz, einem Epoxidharz oder Gemischen derselben gefertigt ist.
  11. Leichtbau-Verbundmaterial nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (16) eine Metallfolie, vorzugsweise aus Aluminium, Stahl, Bronze oder Kupfer, ist.
  12. Leichtbau-Verbundmaterial nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Trennschicht (16) und dem Trägermaterial (12) eine erste Klebeschicht (14) vorgesehen ist.
  13. Leichtbau-Verbundmaterial nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Trennschicht (16) und der Deckschicht (34) eine zweite Klebeschicht (12) vorgesehen ist.
  14. Leichtbau-Verbundmaterial nach mindestens einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebeschicht (14, 18) bzw. die Klebeschichten (14, 18) ein Klebefilm auf Basis eines Epoxidharzes, eines Polyesterharzes, eines Phenolharzes, eines Vinylesterharzes, eines Acrylharzes, eines Acrylatklebstoffes, eines Silans oder auf Basis von Gemischen derselben ist bzw. sind.
  15. Leichtbau-Verbundmaterial nach mindestens einem der Ansprüche 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebeschicht (14, 18) bzw. die Klebeschichten (14, 18) auf der Trennschicht (16) vorgesehen ist bzw, sind.
  16. Leichtbau-Verbundmaterial nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fasermaterial (20) für die Deckschicht (34) ein Gewebe, ein Gelege, ein Geflecht, ein Gewirk, ein Gestrick, ein Vlies oder ein Hybridmaterial dient.
  17. Leichtbau-Verbundmaterial nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial (20) Glasfasern, Carbon-Fasern, Aramid-Fasern, Keramik-Fasern, Metall-Fasern und/oder Metalldrähte aufweist.
  18. Leichtbau-Verbundmaterial nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial (20) auf Basis eines thermoplastischen Kunststoffes oder auf Basis eines Elastomers gefertigt ist.
  19. Leichtbau-Verbundmaterial nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Harzmaterial (32), in dem das Fasermaterial (20) eingebettet ist, ein Epoxidharz, ein Polyesterharz, ein Phenolharz, ein Vinylesterharz, ein Acrylharz, ein Silan oder ein Gemisch von mindestens zwei der Harze ist.
  20. Leichtbauverbundmaterial nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass dem Harzmaterial Additive, Füllstoffe und/oder Farbstoffe zugesetzt sind.
  21. Leichtbau-Verbundmaterial nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (12) eine vorzugsweise gleichmäßige Wabenstruktur aufweist.
  22. Leichtbau-Verbundmaterial nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (12) eine Wabenstruktur aus Metall, vorzugsweise einer Wabenstruktur aus Aluminium, oder eine Wabenstruktur aus Papier, Pappe oder Kunststoff ist.
  23. Leichtbau-Verbundmaterial nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (12) aus einem vorzugsweise harzgetränktem Wabenmaterial ist, das Aramid-Fasern, insbesondere Nomex®-Fasern oder Kevlar®-Fasern, Polymerfasern, vorzugsweise Polyesterfasern, PVC-Fasern Polyacrylfasern, Polypropylenfasern, oder ein Gemisch aus mindestens zwei dieser Faserarten enthält.
  24. Leichtbau-Verbundmaterial nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (12) ein vorzugsweise offenporiges Schaumstoffmaterial ist.
  25. Leichtbau-Verbundmaterial nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaumstoffmaterial aus Polyurethan, linearem oder vernetztem Polyvinylchlorid, Polyetherimid, Polymethacrylimid, Phenolharz, Epoxidharz oder Gemischen derselben gefertigt ist.
  26. Leichtbau-Verbundmaterial nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (12) aus Balsa-Holz gefertigt ist.
  27. Verfahren zur Herstellung eines flächigen Leichtbau-Verbundmaterials, aufweisend ein Leichtbau-Trägermaterial (12), eine auf mindestens einer der Oberflächen des Trägermaterials (12) vorgesehene Deckschicht (34) aus einem in einem Harzmaterial (32) eingebetteten Fasermaterial (20) sowie eine zwischen dem Trägermaterial (12) und der Deckschicht (34) angeordnete harzundurchlässige Trennschicht (16), wobei bei dem Verfahren:

    – zunächst auf die zu beschichtende Oberfläche des Trägermaterials (12) die Trennschicht (16) aufgebracht,

    – anschließend auf die Trennschicht (16) das Fasermaterial (20) der Deckschicht (34) aufgebracht,

    – das Fasermaterial (20) mit einem flüssigen Harz (30) getränkt, und

    – das flüssige Harz (30) in dem auf der Trennschicht (12) aufgebrachten Fasermaterial (20) zur Bildung der Deckschicht (34) zumindest teilweise ausgehärtet wird.
  28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (22) aus Trägermaterial (12), Trennschicht (16) und Fasermaterial (20) in einem abgeschlossenen Raum (30) angeordnet, zum Tränken des Fasermaterials (20) mit Harzmaterial (32) in den abgeschlossenen Raum (30) flüssiges Harz (32) eingebracht, und die Anordnung (22) aus Trägermaterial (12), Trennschicht (16) und mit Harz (32) durchtränktem Fasermaterial (20) nach einem zumindest anfänglichen Aushärten des Harzes (32) aus dem abgeschlossenen Raum (30) entnommen wird.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Harz (32) unter Druck in den abgeschlossenen Raum (30) eingebracht wird.
  30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Raum (30) durch eine geteilte Form definiert ist, in die die Anordnung (20) eingelegt wird.
  31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Form zum Aushärten des Harzes (32) zumindest abschnittsweise erwärmt wird.
  32. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass der abgeschlossene Raum (30) durch eine Folie (24) gebildet wird, unter der die Anordnung (20) positioniert wird, und dass unter der Folie (24) ein Unterdruck erzeugt wird.
  33. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 27 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Trennschicht (16) auf die Flachseite des Trägermaterials (12) eine Klebeschicht (14) aufgebracht wird, auf welcher wiederum die Trennschicht (16) aufgelegt wird.
  34. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 27 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen des die Deckschicht (34) bildenden Fasermaterials (20) auf die Trennschicht (16) eine Klebeschicht (18) aufgebracht wird, auf welche wiederum das Fasermaterial (20) aufgebracht wird.
  35. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 28 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Harz (32) im Fasermaterial (20) im Raum (30) aushärtet.
  36. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 27 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (22) nach dem Aushärten des Harzes (32) einer Wärmebehandlung unterzogen wird, bei der die Anordnung (22) über einen vorgegebenen Zeitraum auf eine Temperatur in einem Bereich von etwa 50°C bis 200°C erwärmt wird.
  37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in zwei Schritten vollzogen wird, wobei die Anordnung (22) in dem ersten Wärmebehandlungsschritt über einen vorgegebenen ersten Zeitraum auf eine Temperatur von etwa 50°C bis 90°C und in dem zweiten Wärmebehandlungsschritt über einen vorgegebenen zweiten Zeitraum auf eine Temperatur von etwa 100°C bis 200°C erwärmt wird.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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