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Dokumentenidentifikation DE60018455T2 12.01.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001235672
Titel DOPPELFOLIEN VAKUUMINJEKTIONSVERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES VERBUNDWERKSTOFFES UND DAMIT HERGESTELLTER VERBUNDWERKSTOFF
Anmelder The Boeing Company, Seattle, Wash., US
Erfinder WALDROP, C., John, St. Peters, US;
HARSHMAN, Bruce, Wentzville, US;
BURKETT, R., William, St. Louis, US;
TEGELER, F., Alan, O'Fallon, US;
SESTI, J., Carmine, St. Peters, US;
WEINMAN, P., Wes, Brighton, US
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Kraus & Weisert, 80539 München
DE-Aktenzeichen 60018455
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 07.12.2000
EP-Aktenzeichen 009920075
WO-Anmeldetag 07.12.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/US00/33163
WO-Veröffentlichungsnummer 0001041993
WO-Veröffentlichungsdatum 14.06.2001
EP-Offenlegungsdatum 04.09.2002
EP date of grant 02.03.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.01.2006
IPC-Hauptklasse B29C 31/00(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen von Verbundstoffen und die auf diese Weise hergestellten Produkte, insbesondere Flüssigformungsprozesse einschließlich einer vakuumunterstützen Harztransferformung (vacuum-assisted resin tranfer molding, VaRTM) oder Harzinfusion.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Seefahrt-, Automobil-, Lastkraftwagen-, Eisenbahn-, Luft- und Raumfahrt-, Verteidigungs-, Freizeit- und Erholungs-, Chemie-, Infrastrukturindustrie und andere ziehen Verbundstoffmaterialien in Betracht, um ihre einzigartigen Eigenschaften auszunutzen, insbesondere korrosionsfrei oder korrosionsbeständig zu sein und ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht zu besitzen. Verbundstoffe sind auch beständig gegenüber Ermüdung einem chemischen Angriff. Sie bieten ein hohes Festigkeits- und Steifigkeitspotenzial bei leichtgewichtigen Komponenten. Es besteht jedoch ein Bedarf, Verbundstoffherstellungsprozesse zu entwickeln, welche die Kosten von Verbundstoffen, insbesondere großen Strukturen, drastisch reduzieren, während sie ihre hohe Festigkeit und Steifigkeit beibehalten.

Harzimprägnierte faserige Materialien (Prepregs) werden allgemein von Hand oder durch eine Maschine unter Verwendung von Band, Faserwerg oder Gewebe auf einem Formungsdorn angeordnet („aufgelegt"). Verbundstoffe sind auch unter Verwendung einer Filamentwicklung hergestellt worden. Eine Verdichtung ist zwischen Lagen in einem Laminat erforderlich, um Luft zu entfernen, bevor die Auflagen vakuum-eingesackt werden (d.h. in einer inerten Atmosphäre unter Vakuum eingeschlossen werden, um während der Aushärtung des Harzes abgegebene flüchtige Stoffe herauszuziehen) und in Autoklaven oder Pressen verfestigt werden, um Komponenten mit einem hohen Faservolumen zu erreichen. Die Prepreg-Materialien sind typischerweise teuer (insbesondere diejenigen, welche eine Hochmodul-Karbonfaser verwenden). Die Prepreg-Rohmaterialien haben begrenzte Haltbarkeiten, weil die Harze bei Umgebungstemperatur mit langsamen Raten reagieren („avancieren"). Ein Avancieren des Harzes beeinträchtigt nachteilig die Eigenschaften des resultierenden Verbundstoffes. Arbeiten mit einem Prepreg führt auch häufig zu einem beträchtlichen Materialausschuss.

Die Autoklaven und Pressen, welche zur Verfestigung verwendet werden, sind teure Kapitalgegenstände, welche die fertigungsbedingten Endkosten des Verbundstoffes weiter erhöhen. Die Prozessierung muss zentralisiert und in Chargen durchgeführt werden, wo der Autoklav oder die Presse installiert ist. Ein Beladen und Entladen des Autoklaven (ein unter Druck stehender Hochtemperaturofen) werden gewöhnlich zu den durchsatzbegrenzenden Schritten. Der Ort des Autoklaven bestimmt, wo die Verbundstoffe hergestellt werden, so dass die Flexibilität des Prozesses beeinträchtigt wird. Eine fest zugeordnete Arbeiterschaft und Einrichtung, welche sich auf den Autoklaven konzentrieren, sind erforderlich.

Wie erwähnt weisen die Prepregs eine begrenzte Haltbarkeit auf. Bei einigen Formulierungen wird das Harz als ein Lack oder Firnis, welcher die monomeren Reaktanten enthält, die in dem Verbundstoff das gewünschte Polymer erzeugen, auf die Faser aufgetragen (d.h. Prepregs vom PMR-Typ). Bei anderen Formulierungen ist das Harz ein Polymer mit relativ niedrigem Molekulargewicht, welches sich während der Aushärtung quervernetzt, um das gewünschte Polymer zu bilden. Das Harz wird in seinem unvollständigen Zustand gehalten und verwendet, so dass es eine Flüssigkeit bleibt, und auf die Faser oder das Gewebe imprägniert werden kann. Eine Reaktion der monomeren Reaktanten oder eine Quervernetzung des Polymers (d.h. sein Avancieren) vor dem vorgesehenen Aushärtungszyklus beeinflusst nachteilig die Qualität des Verbundstoffes.

Flüssigformungstechniken, wie zum Beispiel eine Transferformung, eine Harzfilminfusion, eine Harztransferformung und ein Structural-Reaction-Injection-Molding (SRIM) erfordern typischerweise teuere angepasste Metallformen und Pressen oder Autoklaven mit hoher Presskraft. Mit diesem Prozessen hergestellte Teile sind allgemein in der Größe und Geometrie beschränkt. Die herkömmlichen Flüssigformungsharze gewährleisten nicht die nötigen Eigenschaften für viele Anwendungen der Verbundstoffe.

Eine Feuchtauflageprozessierung bei offener Form kann große Verbundstoffe unter Verwendung eines Flüssigformungsprozesses mit minimaler Kapitalausstattung und einseitiger Werkzeugbestückung herstellen und kann häufig preisgünstigere Materialien als Prepregs verwenden. Die Qualität und Gleichmäßigkeit des Produkts variiert jedoch beträchtlich, und die besten Verbundstoffe sind nach wie vor von vergleichsweise niedriger Qualität. Der Prozess neigt auch dazu, unfreundlich zu sein und weist für die Arbeiter, wegen ihres Risikos einer Exposition gegenüber den Lösungsmitteln und Harzen, Gefahren auf.

Die europäische Patentanmeldung 0348831-A2 stellt einen Prozess zum Herstellen von vergleichsweise dünnen und großen Teilen aus einem synthetischen Material bereit. Eine Armierung wird zwischen einer ersten und einer zweiten Folie angeordnet, und die Folien werden an ihren Kanten verbunden. Ein Vakuum wird verwendet, um die erste Folie zu halten und darin Kanäle bereitzustellen, und anschließend wird das Material in die Armierung eingeführt.

Das US-Patent Nr. 5,129, 813 stellt einen Vakuumsack bereit, welcher aus einem Film oder einer Folie hergestellt ist. In den Film oder die Folie wird ein dreidimensionales Muster eingeprägt, welches eine Vielzahl von miteinander verbundenen Kanälen definiert. Die Deformationen ermöglichen es, die Atmosphäre innerhalb des Vakuumsacks schneller und vollständiger zu entfernen.

Das US-Patent Nr. 5,427,725 stellt einen Prozess bereit, um einen Matrixverbundstoff herzustellen. Ein Substrat wird mit einem ein Harz umfassenden Tackifier verstärkt, um eine formbare Vorform auszubilden. Dem ersten Schritt folgt ein Hinzufügen eines Matrixharzes und ein gemeinsames Aushärten bzw. Mitaushärten des Tackifiers und des Matrixharzes, um einen Verbundstoff auszubilden.

Unser Prozess einer Doppelsackvakuuminfusion (DBVI) löst eine Anzahl von Problemen, auf welche bei zuvor entwickelten, nicht auf einem Autoklaven beruhenden Einzelsack-Flüssigformungstechniken, wie zum Beispiel denjenigen Prozessen, welche in den US-Patenten 4,902,215 (Seemann) und 4,942,013 (Palmer) beschrieben sind, gestoßen wird. Bei der Seemann-Einzelsacktechnik wird ein bevorzugter Fluss und Druck in dem Flussmedium oberhalb der Faservorform herbeigeführt. Die Antriebskraft ist eine Druckdifferenz oder ein Kopfdruck, welcher in erster Linie erzeugt wird, indem der Druck innerhalb des Sacks unter Verwendung einer Vakuumpumpe verringert wird. Der atmosphärische Druck auf die Harzzufuhr drückt durch ein Einlassrohr Harz in den Sack. In den Sack eintretendes Harz begegnet dem Flussmedium, welches verwendet wird, um das Harz zu der darunter liegenden Faservorform zu führen. Harz fließt seitlich durch das Flussmedium über die Vorform und anschließend nach unten in die Vorform. Die Vorform hat die niedrigste Flusspermeabilität (d.h. den höchsten Widerstand gegenüber dem Harzfluss).

Sobald das flüssige Medium (d.h. 'Harz') in die Vorform gezogen wird (d.h. fließt), haben wir beobachtet, dass der Einzelsack dazu neigt, hinter der Wellenfront (d.h. dem vordersten Abschnitt des Harzes, welches innerhalb des Sacks in die Vorform fließt) zu relaxieren. Wir glauben, dass wenn das Flussmedium voll oder teilweise voll mit Harz ist, der Sack langsam relaxiert und sich von dem Flussmedium wegbewegt, vermutlich weil der Fließweg des geringsten Widerstands zu einem Weg über das Flussmedium zwischen dem Flussmedium und dem darüber liegenden Sack wird. Eine Relaxation erhöht das eingeschlossene Volumen um die Vorform, welche mit Harz gefüllt wird. Je weiter entfernt von der Vorderkante der Wellenfront, desto mehr neigt der Sack dazu, zu relaxieren. Wir haben beobachtet, dass in Bereichen, wo der Sack relaxiert hat, der Verbundstoff ein niedrigeres Faservolumen, eine schlechte Faservolumenkontrolle und schlechtere mechanische Eigenschaften als erwünscht aufweisen kann, weil überschüssiges Harz das vergrößerte Volumen gefüllt hat. Die Sackrelaxation kann eine Veränderung in der geplanten Dicke des Verbundstoffes hervorrufen, so dass in örtlich begrenzten Gebieten, wo die Relaxation stattgefunden hat, der Verbundstoff dicker als geplant ist.

In der folgenden Diskussion werden wir die Seemann- und Palmer-Prozesse mit unserem bevorzugten erfindungsgemäßen Doppelsackprozess vergleichen.

Unser bevorzugter Doppelsackvakuuminfusionsprozess umgeht die Probleme von Seemann (Einzelsack), indem der innere und äußere Vakuumsack unabhängig die Harzzufuhr kontrollieren. Der Doppelsack gewährleistet einen Druckkisseneffekt. Die Überlauf- und Belüftungsabschnitte sind vollständig isoliert. Bei diesem Ansatz ist der Sack niemals in der Lage, hinter der Wellenfront zu relaxieren, und die resultierenden Verbundstoffe weisen im Durchschnitt höhere Faservolumina auf (mit einer genaueren Kontrolle) und haben bei Vorformen mit konstanter Dicke eine gleichmäßig Dicke. Unser Prozess beseitigt die Sackrelaxationsdefekte, welche wir bei dem Seemann-Prozess beobachten.

Während der Relaxation beobachten wir, dass sich Harz innerhalb des Sacks ansammelt. Beim Drücken auf die Ansammlung, fühlen einen weichen, schwammigen, lockeren Bereich, welcher sich von der Griffigkeit, wo Relaxation nicht auftritt, unterscheidet. Der Sack dehnt sich aus und das Volumen unter dem Sack erhöht sich. Bei Relaxationsbedingungen haben wir beobachtet, dass ein unter Druck Setzen der Harzzufuhr über den atmosphärischen Druck die Relaxation erhöht, so dass das Phänomen mit der Druckdifferenz und der Antriebskraft für den Harzfluss verknüpft zu sein scheint, wie wir es erwarten würden. Hinzufügen eines zweiten Vakuumsacks (von dem ersten Sack durch eine Entlüftung getrennt) erschwert es dem „Doppelsack" zu relaxieren. Daher können wir, um das Harz zu bewegen eine höhere Druckdifferenz verwenden, als sie am besten bei einem Einzelsack eingesetzt werden könnte. Der „Doppelsack" wird zu einem Mittel, um Fluss über das gefüllte Flussmedium zu reduzieren, weil der Vakuumsack effektiv dicker ist. Der „Doppelsack" gewährleistet auch eine erhöhte Vakuumintegrität, weil er einen redundanten zweiten Sack bereitstellt, um jeglichen Undichtigkeiten in dem ersten Sack zu begegnen.

Bei Boeings Prozess einer „Controlled Atmosphere Pressure Resin Infusion" (CAPRI) steuern Jack Woods et al. die Druckdifferenz, indem der Druck in dem Harzzufuhrbehälter unter den atmosphärischen reduziert wird. Bei dem CAPRI-Prozess evakuiert eine Vakuumpumpe das Volumen unter dem Vakuumsack, während gleichzeitig der Druck über dem Zufuhrharz erhöht wird. Für eine Druckdifferenz zum Antreiben der Harzinfusion von 15 Zoll Hg (~0,5 atm) könnte der Druck in dem Vakuumsack 20 Zoll Hg unter dem atmosphärischen und 5 Zoll Hg in dem Zuführungsgefäß betragen.

Der Palmer-Prozess versuchte durch Anordnen eines undurchlässigen Films zwischen dem Flussmedium und der Entlüftung innerhalb des Einzelsacks, die Überlauf- und die Entlüftungsabschnitte zu isolieren. Unglücklicherweise ermöglichte diese Technik keine vollständige Isolierung. Sobald das flüssige Medium das Vakuumende der Anordnung erreicht hatte, waren das Flussmedium und die Entlüftung verbunden. Als Ergebnis begann das Harz, die Entlüftung zu benetzen und über die Membran zurück in Richtung der Harzquelle zu fließen, weil dieser Weg eine höhere Permeabilität als ein Fluss nach unten durch die Vorform aufwies.

Unser bevorzugter 'Doppelsack'-Prozess ermöglicht den Faservolumenprozentanteil oder -anteil in dem Verbundstoff auf 5–10% mehr zu steigern als wir es mit den Einzelsacktechnologien von Seemann und Palmer erreichen konnten. Ein vergrößertes Faservolumen ist entscheidend um einen Verbundstoff mit Luft- und Raumfahrtqualität zu erreichen, welcher Eigenschaften aufweist, die konkurrenzfähig zu herkömmlich zur Vakuumsack/Autoklav-Prepreg-Technologien sind, welche üblicherweise in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden. Luft- und Raumfahrt-Verbundstoffe weisen überlegene „spezifische Festigkeiten" auf, welche erreicht werden, indem der Faservolumenanteil optimiert wird (so groß wie möglich gemacht wird). Luft- und Raumfahrt-Verbundstoffe weisen überlegene „spezifische Festigkeiten" auf, welche erreicht werden, indem der Faservolumenanteil optimiert wird (so groß wie möglich gemacht wird). Unser Prozess erreicht ein Zielfaservolumen innerhalb einer engen Toleranz von akzeptablen Faservolumina, indem das Vakuum des inneren und äußeren Sacks während der Infusion reguliert wird. Unter Verwendung von thermischen Endphaseninfusionsstrategien verbessert unser Prozess Vorformeinschluss, Fluidabzug, thermisches Vakuumverdichten und Echtzeit-Massenbilanzkontrolle. Unser Prozess besitzt eine äußerst hohe Vakuumintegrität.

Bei jeglichem Vakuumimprägnierungsprozess ist die Vakuumintegrität entscheidend, um gleichbleibend Verbundstoffe mit hoher Qualität herzustellen. Undichtigkeiten in den Einsackungsabdichtungen, Harzöffnungen oder Vakuumöffnungen ermöglichen, dass Luft in den Sack eintritt. Luft bewirkt, dass die Vorformen sich aufblähen, und reduziert den Faservolumenanteil, indem die Abstände zwischen den Fasern vergrößert werden. Mit undichten Säcken hergestellte Verbundstoffe weisen typischerweise eines oder mehrere der folgenden Probleme auf: einen hohen Hohlraumanteil, Oberflächenporosität, niedrige Faservolumina oder übermäßige Dicke. Häufig müssen Teile ausgesondert werden; sie können nicht repariert werden.

Bei der Vakuumsackprozessierung wird eine Seite der Struktur mit Werkzeugen versehen und die andere ist zumindest zum Teil durch die Einsackungsmaterialien definiert, welche über der Auflage verwendet werden. Eine sackseitige Rauigkeit und Markierungen sind ein häufiges Problem, welches bei einer Prepreg-Prozessierung und bei Sack-Flüssigformungsprozessen angetroffen werden. Druckkissen und Verstärker werden häufig auf der Sackseite des Laminats verwendet, um den Oberflächenabschluss zu verbessern. Diese Oberflächenverbesserungen sind jedoch bei dem Palmer- oder Seemann-Prozess aufgrund der verwendeten Flussmedien nicht besonders effektiv. Das grobe knotige Flussmedium und die Sackabstandmaterialien, welche in dem Seemann-Prozess beschrieben sind, führen sogar beim Vorhandensein eines Abziehlagenseparators zu sackseitigen Markierungen auf den Teilen. Markierungen treten aufgrund von räumlich begrenztem hohen Druck an den Maschenknoten oder Sackabständen mit relativ niedrigem Druck in umgebenden Gebieten auf. Die ungleichmäßige Druckverteilung erzeugt eine vergleichsweise klumpige sackseitige Oberfläche. Faservolumen und Faseranteil variieren.

Palmer verwendet Glasüberlaufgewebe, um einen Teil seines Flussmediumpacks auszubilden. Schichten von trockenem Glasgewebe neigen dazu, sich unter Vakuum zu bündeln, verziehen und überbrücken, was schwerwiegende Markierungsprobleme sogar auf einfachen geometrischen Teilkonfigurationen hervorruft, nicht zu erwähnen die Komplikationen, welche bei komplexeren Anordnungen auftreten.

Bei dem Seemann-Prozess verwendet, um einen schnellen lateralen Fluss zu erreichen, erzeugen dicke Flussmedien und Sackabstände relativ große Volumina, welche sich letztendlich mit überschüssigem Harz füllen. Bei dem Prozess von Palmer saugt das Flussmedium, die dicken Glaspacks, und auch der Glasüberlauf überschüssiges Harz auf. Palmer verliert auch Harz, wenn es wie diskutiert hinter das Ende der Infusion fließt und in die Entlüftung einzieht. Wir streben danach, den Harzausschuss zu minimieren.

Bei unserem bevorzugten Prozess, werden Harzverluste in dem Flussmedium aufgrund seines flachen Profils und des vergleichsweise kleinen offenen Volumens reduziert. Unser Prozess ermöglicht auch eine einfache Rückgewinnung und Wiederverwendung von abgeführtem Harz ohne das Risiko einer Sackrelaxation oder das Erfordernis einer kontinuierlichen Harzabführung mit frischem Harz, um schwierige Vorformen zu infundieren. Unser bevorzugter Prozess spart Harz und reduziert messbar Kosten, wenn mit teuren Harzsystemen gearbeitet wird, wie es für Luft- und Raumfahrtanwendungen üblich ist.

Weder Seemann noch Palmer beschreiben, wie komplexe Baugruppen, wie zum Beispiel konturierte Hüllen mit Lamellenversteifungen, bei welchen die Leitungsführungserfordernisse komplex sind, herzustellen sind. Jede Versteifung erfordert eine aktive Vakuumleitung, welche an der Oberseite der Versteifung angebracht ist, um das Harz in die Versteifung herein zu ziehen. Wenn eine große Anzahl von Versteifungen vorhanden ist, wird die Leitungsführung schnell kompliziert. Jede Verbindung erfordert fehlerlose Nähte zu dem Sack, um die Vakuumintegrität zu erhalten. Bei unserem Prozess können einige Versteifungen effektiv infundiert werden, ohne aktive Vakuumleitungen zu verwenden. Geneigte Infusionen, bei welchen das Harz an dem untersten Punkt eingeführt und die Vorform hinauf zu dem höchsten Punkt gezogen wird, können effektiv Versteifungen durchtränken, welche in der Flussrichtung und in einigen Fällen anderen Richtungen verlaufen, wie es bei unseren TYCORETM-Sandwichplatten demonstriert wurde.

Unser Prozess kann auch passive Vakuumkammern (PVC) innerhalb des inneren Sacks installieren. Perforierte Rohre, spiralförmig geschnittene Rohre, Federn oder andere offene Behälter werden oberhalb der Versteifungen oder anderer Bereiche, wo Fluss erwünscht ist angeordnet (E, 8 oder 9). Das Harz oder die Flüssigkeit wird in diese Kammern gezogen, bis sie sich füllen. Die PVCs gewährleisten auch eine gewisse Abführungsfähigkeit zum Entfernen von Luft aus den Vorformen.

Mit „Durchtränken" meinen wir eine Infusion der gewünschten Menge von Harz in die Vorform, um das gewünschte Faservolumen in dem Verbundstoff zu erreichen.

Der Seemann- und Palmer-Prozess kann Teile mit annähernd unbegrenzter Länge produzieren, sind jedoch hinsichtlich der Teilbreite begrenzt. Der Prozess von Seemann kann allgemein breite einfache Hüllen produzieren, weil Seemann Flussmedien verwendet, welche hohe Permeabilität und Sackabstände aufweisen. Der Prozess von Palmer ist in gewisser Weise stärker eingeschränkt, weil er auf einem Kantenzuführungsverfahren beruht und Flussmedien geringerer Permeabilität verwendet. Bei einer gewissen Breite erfordern jedoch sowohl der Seemann- als auch der Palmer-Prozess zusätzliche Zuführungsleitungen, um einen Harzwiderstand und Druckabfall in dem System zu reduzieren, insbesondere wo der Fluss auf einer Hülle mit Versteifungen unterbrochen ist. Versteifungen erzeugen Drosselpunkte, wenn das Harz quer oder in einem Winkel bezüglich der Richtung der Versteifung fließt. Aufgrund von Werkzeugbestückungseinschränkungen, Abmessungskontrollerfordernissen und Formdiskontinuitäten muss Sorge getragen werden, dass die Flussmediummaterialien an Versteifungspositionen richtig positioniert werden.

Eine Vielzahl von Trockenvorformen sind verfügbar, um infundierte Komponenten zu konstruieren. Sowohl Seemann als auch Palmer verwenden Trockenvorformen. Die Optionen beinhalten Standardgewebe, Kettenwirkmaterialien, 3D-Flechtmaterialien, 3D-Gewebematerialien, Z-Pinning-Vorformen, Endlosfasermatten und Schnittfaservorformen. Viele Trockenvorformmaterialien sind brüchig, werden bei einfachen gewöhnlichen Herstellungsvorgängen leicht verzerrt, beschädigt oder ausgefranst. Verschiedene Lagenabnahmen, das Maßschneidern von Teilen und Endformen sind bei komplexen aus Trockenvorformen hergestellten Fertigteilen schwer zu erreichen. Trockenvorformen neigen auch dazu, eine übermäßige Größe zum Auflegen von komplexen Formen zu besitzen, bei welchen die Größe minimiert werden muss, um Faltenbildungs- und Einsackungsprobleme zu beseitigen. Das Problem zu verstärkend, können Schichten der Trockenmaterialien aufgrund ihrer schlechten Anhaftung an anderen trocken Lagen oder anderen Materialien schlecht verdichtet und verfestigt werden. Eine Offline-Einzelteilvorformherstellung ist ineffektiv. Diese Eigenschaften machen es schwierig, wenn nicht gar unmöglich, Trockenvorformen bei vielen komplexen Anwendungen zu verwenden. Daher werden Tackifier- oder Bindemitteltechnologien zum Behandeln von Trockenvorformen mit Harz notwendigerweise Schlüsselelemente von annähernd jedem Flüssigformungstechnologiesystem. Das Bindemittel darf den Harzfluss oder die Vorformverfestigung nicht einschränken, muss kompatibel mit dem Infusionsharz sein und darf keinen Festigkeitsverlust hervorrufen. Der Prozess eines Aufbringens eines Bindemittels oder Tackifiers ruft eine Vorform hervor, welche ähnlich zu denjenigen ist, welche bei einer herkömmlichen Harztransferformung verwendet werden.

Bei unserem bevorzugten Prozess haben wir wiederum einen einzigartigen Sprühimprägnierungsprozess entwickelt, um das Bindemittel oder den Tackifier auf die Trockenfaservorform aufzubringen, um eine hohe Klebrigkeit bei einem niedrigen Bindemittelgehalt zu erzeugen. Ein erwünschter Bindemittelgehalt reicht von ungefähr 1 bis 10 Gew.-% (d.h. des Gewichts), liegt jedoch typischerweise zwischen 3 bis 7 Gew.-%. Der gewünschte Gewichtsprozentanteil hängt von dem Gewicht und der Dicke der Vorform und dem natürlichen oder inhärenten Klebrigkeitsgrad in dem Bindemittel ab.

Ein Hinzufügen von Lösungsmittel zu den halbfesten viskosen Flüssigformungsharzen, welche als Bindemittel verwendbar sind, produziert Bindemittellösungen, welche zum Sprühen geeignet sind. Die Lösungsmittel sollten eine Raumtemperaturklebrigkeit aufweisen und mit dem ausgewählten Infusionsharz kompatibel sein. Für Cyanatester-Infusionsharze verwenden wir typischerweise den halbfesten Cyanatesterharz M-20 von CIBA, welcher bei Raumtemperatur extrem klebrig ist. Einige halbfeste Harze ohne Raumtemperaturklebrigkeit können verwendet werden, wenn sie beim Erhitzen eine Klebrigkeit entwickeln, zum Beispiel das Bismaleimid-Harz 5250-4-RTM. Die Lösungen erfordern unter Umständen Katalysatoren zur Harzaktivierung. Für latentere bzw. trägere SprühFormulierungen können die Katalysatoren aus dem Mischung weggelassen werden oder darin verringert werden, um Verdichtungsvorgänge bei höherer Temperatur zu ermöglichen, ohne nachteilig den Aushärtungsgrad des Bindemittels zu erhöhen. Die Bindemittelanteile können an den Lagenkanten erhöht werden, um eine größere Abmessungsintegrität und weniger Kantenausfransen zu gewährleisten. Das Bindemittel könnte für eine verbesserte Beschädigungstoleranz und ballistische Empfindlichkeit auch thermoplastische oder gummibasierte Härtungswirkstoffe enthalten.

Die bevorzugten Bindemittelformulierungen haben typischerweise hohe oder sehr hohe Harz-Feststoffanteile von 80% des Gewichts oder mehr. Das Lösungsmittel oder der Träger kann ein MEK, ein MIBK, ein anderes organisches Lösungsmittel, welches in der Lage ist, ein halbfestes Harz zu lösen, oder unter Umständen Wasser sein. Die Lösungsmittelflüchtigkeit kann verändert werden und verwendet werden, um die Klebrigkeit zu steuern oder einzustellen und die Trocknungszeit und die Aushärtungstemperatur oder ein Aushärtungszyklusprofil zu verändern. Ein hoher Feststoffanteil, hohe Sprühviskositäten und Trockenfilmsprühparameter werden in Kombination verwendet, um kleine Harzflecken auszubilden, welche auf der freiliegenden Oberfläche der Vorform ruhen. Die bevorzugten Sprühparameter minimieren die Lösungsmittelemissionen, erhöhen die Transfereffektivitäten, ermöglichen eine Automatisierung und erhalten eine maximale Vorformklebrigkeit mit dem geringsten Ausmaß an deponiertem Harz und Verlust an Vorformpermeabilität.

Mit diesen mit Bindemittel beschichteten (d.h. klebrig gemachten) Vorformen haben wir die Fähigkeit demonstriert, komplexe Strukturen herzustellen, wie zum Beispiel Versteifungen mit sich überschneidenden Lamellen, Pi(☐)-Verbindungsversteifungen und komplexe konturierte Hüllen mit gekrümmten Lamellenversteifungen. Die Bindemitteltechnologie ermöglicht es, bestimmte Merkmale, wie zum Beispiel Lamellenversteifungen, direkt zu formen. Eine Raumtemperaturverdichtung mit Vakuumsack kann weiche, biegsame, klebriggemachte Vorformen hervorbringen. Eine erwärmte Vakuumverdichtung kann halbsteife Vorformen hervorbringen, welche für einen Präzisionsbeschnitt mit genauer Tolerierung geeignet sind.

Bei den Seemann- und Palmer-Prozessen muss das Harz unmittelbar nach der Infusion des Teils geliert werden. Wenn man das Vakuum an dem Teil aktiv lässt, wird während der Gelierung Harz aus der Quelle durch die Vorform gezogen. Die Harzzufuhr muss angeschlossen bleiben, um zu vermeiden, dass das Teil an Harz verarmt wird. Für die meisten Harze wird eine Gelierung thermisch initiiert. Ein Aufheizen des Teils, um das Harz in der Vorform zu gelieren, erhitzt auch das Volumenharz, was zu einem gefährlichen exothermen Zustand einschließlich der Entwicklung von toxischem Rauch führen kann.

Wenn man die Vakuum- und Zuführungsleitungen für das Volumenharz vor dem Erhitzen der Vorform schließt, könnten Undichtigkeiten bewirken, dass Luft in die Entlüftung leckt. Dieses Lecken verursacht häufig fehlerhaft Teile, welche einen hohen Hohlraumanteil aufweisen. Das Teil kann sich aufblähen, so dass Komponenten mit einem niedrigen Faservolumen oder noch typischer solche, welche Hohlräume oder eine Porosität aufweisen, erzeugt werden. Der Palmer-Prozess erfordert eine annähernd sofortige Gelierung, jedoch erzeugt eine schnelle Gelierung häufig spröde Harzgerüste. Viele übliche Harze, wie zum Beispiel bei niedriger Temperatur aushärtende Epoxidharze für Hochtemperaturanwendungen, können nicht schnell geliert werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um einen Flüssigformungsprozess zum kostengünstigen Herstellen von Qualitätsverbundstoffstrukturen gemäß Anspruch 1 und um einen durch einen solchen Prozess erhaltenen Verbundstoff. Sie fällt in die Kategorien einer Harztransferformung (resin transfer molding, RTM), insbesondere einer vakuumunterstützten RTM (vacuum-assisted RTM, VaRTM). Die einfache Werkzeugbestückung, die minimalen Kapitelerfordernisse, die Fähigkeit, Chargen zu prozessieren, die hohe Ausbeute, und die Fähigkeit, komplexe Formen zu formen, machen den Prozess attraktiv. Zum Herstellen einer Struktur für Luft- und Raumfahrt verspricht er, ein ökonomischer Prozess zu sein, welcher insbesondere für große Strukturen einschließlich Flügelkästen und Ähnliches geeignet ist. Die vorliegende Erfindung ist gut mit anderen Zukunftstechnologien, wie zum Beispiel eine Heftung, eine Z-Richtungsverstärkung (Z-pinning), Elektronenstrahlaushärtung, 3-D-Verwebung und Niedrigtemperaturaushärtung, abgestimmt. Sie erfordert keinen Autoklav, keine angepasste Werkzeugbestückung oder große Pressen.

Eine hohe Vakuumintegrität mit einem Doppelsacksystem gemäß unserer Gestaltung hilft dabei, gleichbleibend hochqualitative Verbundstoffe mit niedrigem Hohlraumanteil, minimaler Oberflächenporosität, hervorragender Dickenkontrolle und hohen Faservolumenanteilen hervorzubringen. Der Doppelsack verbessert die Steifigkeit des Einsackungsmaterials, um eine Relaxation hinter der Wellenfront zu vermeiden, wodurch die Infusion von hohlraumfreien Verbundstoffen, welche die für Luft- und Raumfahrtanwendungen erwünschten hohen Faservolumina aufweisen, ermöglicht wird. Ein effektives Kontrollieren der Relaxation bedeutet, dass wir eine höhere Druckdifferenz (differential pressure, DP) als Antriebskraft für den Harztransfer verwenden können. Aufgrund der größeren Antriebskraft können wir schneller infundieren oder können viskosere Harze verwenden. Wir streben Faservolumenanteile von mehr als 50% an.

Eine Harzwellenfrontkontrolle erzeugt saubere Infusionen ohne Oberflächenporosität, Hohlräume, trockene Flecken oder harzreiche Bereiche. Seemann verwendet große Flussmedien, um das Harz zu der darunter liegenden Vorform zu leiten, und Sackabstände. Das Medium und die Abstände erzeugen einen hochpermeablen Raum für eine schnelle seitliche Harzmigration in dem Sack. Die Infusionsgeschwindigkeit kann jedoch zu Lufteinschlüssen oder Oberflächenporositätsdefekten oder Hohlräumen führen, wenn das Harz nach unten durch die Dicke der Vorform perkoliert.

Ein seitlicher Fluss kann eine nach unten gerichtete Benetzung der Vorform übersteigen, was Luft in Taschen einschließt. Hinter der Wellenfront eingeschlossene Luft ist schwierig aus dem infundierten Teil zu entfernen. Eine Blasenbildung beim Austritt von Luft kann es schwierig machen, einen Endpunkt für die Infusion festzulegen.

Der Schlüssel zu erfolgreichen Infusionen ist nicht die Geschwindigkeit, mit welcher die Vorform infundiert wird, sondern vielmehr die Qualität der Infusion. Ein Beibehalten einer kontrollierten Wellenfront mit Flussmedien niedrigerer Permeabilität über der Vorform ergibt sauberere Infusionen. Die Flussmedien, welcher wir zur Verwendung bevorzugen, sollten es dem Harz ermöglichen, seitlich langsam genug zu fließen, so dass das Harz gleichmäßig nach unten durch die Vorform fließen kann, um die Vorform mit einem keilförmigen Flussprofil zu durchtränken und vollständig zu füllen. Bei einer kontrollierten Flussfront ist die Harzfront auf der Sackseite der Vorform nur 5 oder 8 cm (2 oder 3 Zoll) vor der Harzfront auf der Werkzeugseite der Vorform, wenn angenommen wird, dass das Flussmedium nur auf der Sackseite der Vorform angeordnet ist und die Infusion einen seitlichen Fluss durch das Medium gefolgt von einem nach unten gerichteten Fluss, um die Vorform zu füllen, beinhaltet. Wir bevorzugen es, die relative Permeabilität des Flussmediums auf diejenige der Vorform einzustellen, um diese geordnete, wenn auch relativ langsame, Infusion zu erreichen.

Unser einzigartiges Flussmedium aus TEFLON-imprägniertem Glas mit offenem Gewebe (Taconic 7195) kontrolliert die Flussfront, weil es dünn ist, eine geringe Permeabilität aufweist und seine Füllfasern Flusswehre ausbilden. Neben dem Kontrollieren des Harzflusses dient das Medium dazu, eine Anzahl von anderen Problemen zu lösen. Dieses Medium kann eine Aussetzung von Temperaturen bis zu 315°C (600°F) widerstehen und ist chemisch inert. Es ist kontaminationsfrei und weist hervorragende Ablösungseigenschaften auf. Es ist leicht verfügbar, hat ein vergleichsweise niedriges Potenzial für Defekte durch Fremdobjekte und minimiert aufgrund seines flachen Profils das Sackvolumen. Mit seiner steifen jedoch biegsamen Eigenart reduziert oder beseitigt es Markierungen auf der Sackseite des Laminats.

Eine Möglichkeit, eine verbesserte Flusskontrolle zu erreichen, verwendet Einsackungsmaterialien mit einer hohen Dehnung (über 500%) und einem vergleichsweise niedrigen Modul, wie zum Beispiel Einsackungsfilme aus STRETCHLON 700 Polyester und STRETCHLON 800 Nylon. Einsackungsmaterialien mit einer hohen Dehnung machen es leichter, mit vergleichsweise wenig Sackfalten einfache und komplexe Vorformen einzusacken. Vorformbereiche unter Sackfalten neigen dazu, eine vergleichsweise hohe Permeabilität aufzuweisen, und können zu einem unerwünschten Kanalisieren von Harz entlang dieser Sackfalten führen. Daher verbessert ein Minimieren von Sackfalten mit Einsackungsmaterialien hoher Dehnung die Flussfrontkontrolle.

Eine weitere Möglichkeit verwendet Gum-Rubber-Dichtungen um den Außenbereich des Teils herum. Ohne eine Kantendichtung oder bei festen Kantendichtungen tritt aufgrund der hohen Permeabilität, welche in den Lücken besteht, die typischerweise zwischen der Vorform, dem Sack und der festen Dichtung angetroffen werden, eine Kanalisierung an den Kanten der Vorform auf. Bei Verwendung von Säcken mit hoher Dehnung und Gum-Rubber-Dichtungen zusammen mit oder ohne thermische Vakuumzyklen kann eine gute Abdichtung zwischen der Kante der Vorform, dem Sack und den Dichtungen erreicht werden. Das Gum-Rubber bewegt sich viskoelastisch, so dass es alle die Lücken füllt, welche andernfalls an der unregelmäßigen Kante einer trockenen oder mit Bindemittel versehenen Vorform (d.h. einer Vorform, welche Fasern aufweist, die mit einem Bindemittel oder Tackifier beschichtet sind, oder diese enthält) bestehen. Es wurde herausgefunden, dass Gum-Rubber-Dichtungen besonders nützlich sind, wenn man es mit dicken Vorformen zu tun hat, wo große Sackdiskontinuitäten an der Kante des Teils bestehen. Eine Sacküberbrückung an diesen Positionen ermöglicht eine übermäßige Kanalisierung. Gum-Rubber-Dichtungen arbeiten jedoch derart, dass sie die Kante effektiv abdichten, den Sackübergang erleichtern und die Effekte einer Kantenverjüngung an der Vorform aufgrund von Sackverspannungen reduzieren.

Eine zweiseitige Vakuumabziehtechnik verhindert effektiv eine Kanalisierung, welche aus einer Anzahl von Gründen auftreten kann. Wenn Harz entlang einer Kante des Teils kanalisiert wird, kann das potenziell „fatale" Problem einfach korrigiert werden, indem das Vakuumrohr auf der kanalisierten Seite abgeklemmt wird und die Vakuuminfusion mit der gegenüberliegenden Vakuumleitung in einem aktiven Modus fortgesetzt wird.

Ein weiteres Verfahren, für welches es sich erwiesen hat, dass es eine Kanalisierung verhindert, besteht darin, Vorformen bei einer geneigten Ausrichtung zu infundieren, wobei das Harz bei der niedrigsten Höhe zugeführt wird und sich nach oben durch die Vorform bewegt, wobei bei der höchsten Höhe Vakuumdurchlässe positioniert sind. Bei diesem Verfahren hilft die Schwerkraft dabei, ein konstantes Fluidniveau in der Vorform beizubehalten und widersteht zumindest teilweise dem Harzfluss. Einige Vorformen, wie zum Beispiel mehrachsige Kettenwirkvorformen mit gebündelten unidirektionalen Fasern, können natürlich auftretende Permeabilitätsvariationen aufweisen, welche eine schlechtere Flusskontrolle bewirken können, als bei Vorformen, welche gleichmäßigere Materialien verwenden, wie zum Beispiel Satingewebe mit Harness 5 und 8.

Ein vor der Infusion verwendeter thermischer Vakuumzyklus minimiert ebenfalls die Kanalisierung. Hier wird die Vorform auf eine Dicke innerhalb von ungefähr 10% mehr als ihre Enddicke verdichtet (d.h. komprimiert, während Luft von zwischen den Lagen entfernt wird). In ähnlicher Weise fällt der Modul des Sacks bei erhöhter Temperatur ab, wo er sich leichter ausdehnt. Wenn sich der Sack ausdehnt, passt er immer besser zu dem darunter liegenden Vorformmaterial, was alle außer den schwerwiegendsten Sacküberbrückungen beseitigt. In Fällen von schwerwiegenden Sacküberbrückungen, wie zum Beispiel bei Diskontinuitäten um Werkzeugbestückungselemente für sackseitige Versteifungen, verwenden wird Gum-Rubber-Dichtungen entweder zwischen dem inneren und äußeren Sack oder direkt innerhalb des inneren Sacks an der Diskontinuität, um beim Überbrücken der Lücke zu helfen. Ein Beseitigen von Sacküberbrückungen vermeidet eine Kanalisierung und harzreiche Bereiche, welche sich an den überbrückten Stellen entwickeln würden.

Mit der Verwendung von halbbrettigen, eng gewobenen TEFLON-imprägnierten Glasfasermaterialien, wie zum Beispiel Taconic 7195 oder ChemFab CHEMGLAS 1589, als separate Lage oder Flussmedium können wir Sackmarkierungen reduzieren oder im Wesentlichen vermeiden. Das flache Profil minimiert das Volumen und ermöglicht eine bessere Konturierung bezüglich mehrerer Lagen von Glasgewebematerialien. Die gleichmäßige enge Gewebekonstruktion unseres Flussmediums führt im Vergleich zu knotigen Maschenmaterialien oder Sackabstandmaterialien zu einer gleichmäßigeren Druckbeaufschlagung über die Vorform. Das flache Profil und die Gleichmäßigkeit des Gewebes unseres Flussmediums ermöglicht es auch, Druckkissen oder Verstärker effektiv über dem Flussmedium zu verwenden, um die Gleichmäßigkeit der Teiloberfläche zu verbessern. Die halbbrettige Eigenart des Flussmediums dient dazu, Falten des Sacks und der Entlüftung sogar bei Abwesenheit von Druckverstärkern oder Druckkissenplatten durch Pufferung daran zu hindern, in das infundierte Teil übertragen zu werden. Wenn unser Flussmedium in Verbindung mit thermischen Vakuumzyklen, Säcken hoher Dehnung und Gum-Rubber-Dichtungen um größere Diskontinuitäten herum verwendet wird, werden sogar auf komplexen Teilen Markierungen im Wesentlichen vermieden. Markierungen können eine lokale durch Verspannungskonzentration verursachte Abschwächung des Verbundstoffs bewirken.

Bei unserem Prozess hat eine Airweave N-10 Entlüftung zwischen unserem inneren und äußeren Sack eine Tendenz, Teildiskontinuitäten zu überbrücken und Bereiche mit übermäßigem Volumen einzufalten. Um eine optimale Anpassung zwischen dem Teil und der Vorform zu erreichen, werden die Entlüftung und der äußere Sack über dem inneren Sack mit Vakuum angeordnet, um die Entlüftung vorübergehend aufzusetzen. Der äußere Sack und die Entlüftung werden entfernt. Die Entlüftung wird dann gewöhnlich geschnitten und durchstoßen, um eine perfekte Passung zu ermöglichen. Die Entlüftung, elastomere Materialien, welche den äußeren Sack bilden, und das Entlüftungsnetzwerk können gewöhnlich wiederverwendet werden.

Daher produzieren die bevorzugten Ausführungsbeispiele unseres Prozesses Verbundstoffe mit niedrigen Hohlraumanteilen, einer minimalen Oberflächenporosität, einer hervorragenden Dickenkontrolle und einem hohen Faservolumen. Der bevorzugte Prozess gewährleistet eine hohe Vakuumintegrität, vermeidet eine Harzkanalisierung und schlechte Wellenfrontkontrolle. Er reduziert im großen Ausmaß sackseitige Markierungen. Er reduziert die Leitungsführungskomplexität und verbessert die Herstellung von großen Verbundstoffen. Schließlich reduziert unser bevorzugter Prozess den Harzausschuss.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt die bevorzugten Merkmale unseres Doppelsack-Vakuuminfusionssystems, wobei die Säcke teilweise weggeschnitten sind.

2 ist eine typische Querschnittsansicht unseres Doppelsack-Vakuuminfusionssystems, welche allgemein entlang der Linie A-A von 1 durchgeführt ist.

3 ist eine isometrische Ansicht einer bevorzugten angepassten Rohrverkleidung.

4 veranschaulicht ein System zum Konvertieren einer Vakuumleitung in eine Zuführungsleitung, ohne Luft in die Infusion einzuführen.

5 ist ein robotisches Sprühsystem zum Aufbringen eines Bindemittels oder Tackifiers auf eine Vorform.

6 ist eine isometrische Ansicht einer bevorzugten Klemme, um die Vakuumrohre zu halten, so dass eine Vakuumintegrität sichergestellt wird.

7 zeigt die typische Leitungsführung, welche zum Infundieren einer mit einem I-Balken versteiften Platte verwendet wird.

8 ist ein schematischer Einsackungsquerschnitt der Infusion einer in 7 dargestellten, mit einem I-Balken versteiften Platte.

9 veranschaulicht eine typische Leitungsführung zum Infundieren einer Vorform mit sich überschneidenden Lamellen.

10 ist ein schematischer Einsackungsquerschnitt der Infusion der Vorform mit sich überschneidenden Lamellen, ähnlich zu 8.

11 ist ein schematischer Einsackungsquerschnitt für eine mit einem Träger versteifte Schichtplatte.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Unser Flüssigformungsprozess und -system produziert bei niedrigen Kosten Verbundstoffstrukturen mit hervorragender Qualität. Eine einfache Werkzeugbestückung, minimale Kapitalerfordernisse, eine Chargenprozessierungsfähigkeit, hohe Ausbeuten, eine Fähigkeit zu komplexen Formungen und andere Prozessierungsmerkmale machen ihn zu einem außergewöhnlich ökonomischen Verfahren zur Verbundstoffherstellung. Zusätzlich zu der Erschwinglichkeit des Prozesses ist er auf bewundernswerte Weise an andere fortgeschrittene Verbundstofftechnologien angepasst, wie zum Beispiel eine Heftung, ein Z-pinning, Elektronenstrahlaushärtung, 3-D-Gewebe und Niedrigtemperaturaushärtung. Der bevorzugte Prozess ist insbesondere geeignet, große Strukturen herzustellen. Solche Strukturen haben eine Fläche von 14–19 m2 (150–200 Quadratfuß) oder mehr, wie zum Beispiel ein Flügelkasten, ein Busaufbau oder ein Bootsrumpf. Der Prozess ist auch insbesondere geeignet, große Strukturen, welche einen sehr komplexen versteiften Aufbau aufweisen (was im Luft- und Raumfahrtbereich üblich ist, um das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht zu maximieren) und andere einzigartige Produkte, welche unter Verwendung von bekannten Verbundstoffprozessierungstechnologien schwierig, wenn nicht gar unmöglich, herzustellen sind, herzustellen.

Der bevorzugte Prozess der vorliegenden Erfindung ist bestrebt:

  • 1. signifikant die Verbundstoffherstellungskosten zu reduzieren, indem günstigere Rohmaterialien verwendet werden, eine Teilintegration ermöglicht wird, Kapitalerfordernisse reduziert werden, Werkzeugbestückungskosten verringert werden und die Arbeitszykluszeit beschleunigt wird;
  • 2. die Exposition von Arbeitern gegenüber gefährlichen Materialien zu reduzieren;
  • 3. für Luft- und Raumfahrtverbundstoffe erforderliche hohe Faservolumina beizubehalten und die mit derzeitigen Prepreg-Prozessierungstechniken verknüpfte Qualität zu erreichen;
  • 4. die Entwicklung von einzigartigen zuvor unerreichbaren fortgeschrittenen Verbundstoffstrukturen zu ermöglichen; und
  • 5. einfach an praktisch jedem gewünschten Ort mit minimalen Investitionen einsetzbar zu sein.

Ein Ausführungsbeispiel unseres Doppelsack-Vakuuminfusionsprozesses ist in 1 und 2 dargestellt. Fortgeschrittene Prozessierungskonzepte sind in 36 dargestellt. Ein Doppelsackprozess verbessert die Vakuumintegrität (wünschenswert für große Infusionen) und reduziert eine Bewegung des Einsackungsmaterials weg von der Vorform hinter der Wellenfront (d.h. eine „Relaxation"), wie es mitunter bei einem Einzelsack auftritt. Die grundlegenden Prozessierungsschritte sind:

  • 1. Werkzeugauswahl und Vorbereitung
  • 2. Vorformherstellung
  • 3. Einsackung und Leitungsführung
  • 4. Vakuumtrocknung (optional)
  • 5. Infusion der Vorform
  • 6. Harzaushärtung
  • 7. Entformung
  • 8. Nachhärtung (optional)
  • 9. Beschnitt und Inspektion

Wir werden jeden dieser Schritte separat mit einer gewissen Genauigkeit diskutieren.

Werkzeugauswahl und Vorbereitung

Metall, Verbundstoffe, monolithisches Graphit, kunststoffüberzogenes Gips, Holz, Schaum, Elastomere, Modellkarton, Glas oder andere Materialien für die Werkzeugbestückung können die erforderliche Vakuumintegrität gewährleisten. Undichte Werkzeuge sind nicht akzeptabel, weil Luft während des Infusionsschritts in die Vorform und das Harz eintritt. Die resultierenden Teile würden eine Porosität oder Hohlräume aufweisen. Materialien, welche empfindlich gegenüber einer Undichtigkeit sind, müssen vor der Verwendung geeignet abgedichtet werden. Die Werkzeuge sind typischerweise einseitig, jedoch können auch angepasste Werkzeuge verwendet werden. Teile können bezüglich der inneren Formungslinie oder der äußeren Formungslinie in männlichen oder weiblichen Werkzeugen bearbeitet werden. Wir bevorzugen weibliche Formen, welche bezüglich der äußeren Formungslinie bearbeitet sind, um einen besseren Oberflächenabschluss zu gewährleisten. Formen dieses Typs ermöglichen gemeinsame Aushärtungsprozesse zum Einbeziehen von internen Versteifungselementen, wie zum Beispiel Längsprofilen, Rahmen, Holmen und anderen Merkmalen, in die Struktur bei minimalen Werkzeugbestückungserfordernissen. Eine Außenformungslinienwerkzeugbestückung dieses Typs ermöglicht auch eine Formung von Schwellen für Zugangstüren in die Hüllen an den gewünschten Positionen.

Werkzeugsbestückungsdetails zum Einbeziehen von internen Merkmalen in das geformte Teil werden typischerweise erreicht, indem Blöcke aus Aluminium oder anderen geeigneten Materialien, welche für die Vorform gewünschte Versteifungselemente einschließen, verwendet werden. Diese Werkzeugsdetails ermöglichen sogar in bequemer Weise eine Verfestigung und einen Endbeschnitt von einigen dieser Vorformmerkmalen, bevor die Merkmale in der Form installiert werden. Die Möglichkeit, diese Versteifungselemente vorzeitig zu verfestigen, erleichtert das Vorformauflegen, reduziert die Gesamtzykluszeit und ermöglicht es, Präzisionsmerkmale herzustellen, ohne eine Beschädigung an der darunter liegenden Hülle zu riskieren.

Geteilte elastomere Hutdorne, welche verwendet werden, um konturierte Lamellen herzustellen, können in unserem Prozess geformt werden. Die flachen Hutdorne werden gegossen oder mit einem Wasserstrahl aus einer Gummiplatte ausgeschnitten. Weil die Dornhälften aus einem elastomeren Material hergestellt sind, können die flachen Abschnitte in kurvige Konturen gezwungen werden. Wenn die Hutdornabschnitte das Vorformmaterial einschließen, kann die Anordnung in einer Weise, welche eine Lückenbildung vermeidet, in die Hüllenkontur gezwungen werden. Diese Technik löst effektiv einige Zusammenbau- oder Verbindungsprobleme, auf welche bei einer steiferen, präzisionsbearbeiteten Metallwerkzeugbestückung getroffen werden kann.

Obwohl sie wenigstens vier Mal teurer sind als eine ähnliche Aluminiumwerkzeugbestückung, ermöglichen PYREX-Glasprojektplatten und -werkzeugbalken eine direkte visuelle Beobachtung der Harzflussfront, wenn die Vorform infundiert wird. Die Vorderkante einer Harzwellenfront weist einen sich mit einem niedrigen Winkel verjüngenden Querschnitt durch die Vorformdicke auf. Der Infusionsprozess durchläuft einen zyklischen Füll- und Ableitungsprozess, wenn die Flussrate in den Vakuumrohren nicht vor einem endgültigen Rohrverschluss auf eine niedrige Rate reguliert wird. Eine Glaswerkzeugbestückung ist nützlich, um den Infusionsprozess zu studieren und zu lernen ihn zu kontrollieren, weil die Werkzeugbestückung eine visuelle Überprüfung während des gesamten Prozesses ermöglicht. Eine Glaswerkzeugbestückung ist jedoch wahrscheinlich für viele Herstellungsprozesse nicht praktikabel.

Beim Herstellen von komplexen Mithärtungsteilen, muss die interne Werkzeugbestückung für die Versteifungselemente aufgrund von typischen Grenzflächenerfordernissen zu anschließenden Teilen präzise in der Form positioniert werden. Verschiedene Techniken können verwendet werden, um die Werkzeugbestückung präzise zu positionieren, einschließlich entfernbarer Werkzeuganschläge, Stiften in Abfallbereichen oder Bolzenpositionen, Ausrichtungsführungen oder Hochleistungsseltenerdmagnete zum Halten der Werkzeugbestückung in Position. Komplexe Mithärtungsteile können mit einer hervorragenden Abmessungskontrolle der verschiedenartigen Teilmerkmale hergestellt werden.

Bei der Vorbereitung eines Werkzeugs zur Teilauflage und Einsackung bringen wir FREKOTE 700 NC oder einen anderen geeigneten Ablösungswirkstoff auf, um sicherzustellen, dass das geformte Teil nicht an der Form anhaftet. Wir positionieren die Dichtungen für den inneren und äußeren Sack, welche sauber, frei von Auftrag aus vorherigen Durchläufen und vor allem vor Ablösungswirkstoffverunreinigung geschützt sein müssen. Um die Dichtungspositionen des inneren und äußeren Sacks an dem Werkzeug vor einer Ablösungswirkstoffverunreinigung zu schützen, bringen wir ein einen Zoll breites Haftklebeband an den Dichtungspositionen als Maske auf das Werkzeug auf, bevor die Ablösungsbeschichtung aufgebracht wird. Sobald das Basiswerkzeug losgelöst ist, wird das Haftklebeband entfernt, um verunreinigungsfreie Dichtungspositionen freizugeben. Eine Lösungsmittelreinigung und/oder eine leichte Abrasivhonung kann für die Werkzeugoberflächen nach mehreren Verwendungen erforderlich sein.

Auf Hochglanz-Verbundstoffwerkzeugen, bevorzugen wir es, das Werkzeug an den Dichtungspositionen leicht anzuschleifen, um eine bessere Dichtmittelanhaftung zu erreichen. Falls erwünscht, können wir auch inverse Maskierungstechniken verwenden, um das Werkzeug nur an den Sackdichtungspositionen anzuschleifen.

Um Wirbelmuster in der Ablösungsschicht und eine mögliche Ablösungswirkstoffübertragung von dem Werkzeug auf das geformte Teil zu minimieren, sollte der Ablösungswirkstoff von Hand abgewischt werden, bis sich das gesamte Lösungsmittel verflüchtigt hat. Ein Wischen vermeidet den „Kaffeefleck"-Effekt, bei welchem sich Ablösungspartikel an den Kanten der Schlieren ansammeln, wenn das Lösungsmittel sich verflüchtigt.

Vorformherstellung Vorformmaterial

Unser Prozess kann im Wesentlichen mit allen Vorformmaterialen verwendet werden, einschließlich Fasern aus Quarz, PAN-basiertem Kohlenstoff, Pitch-basiertem Kohlenstoff, Glas, Siliziumcarbid, Bor, organische, metallische, keramische und andere Fasern. Swirl-Matten, gerichtete Schnittfasern, Schnittgewebe, unidirektionale Kettenwirkwaren, traditionelle bidirektionale Gewebe, triaxiale Gewebe, mehrachsige Kettenwirkwaren, 2D- und 3D-Flechtmaterialien, 3D-gewebtes Material, trockene oder mit Bindemittel versehene (d.h. klebrig gemachte) Filamentwicklungen, zugpositionierte Isogrids, Hybride, geheftete Verstärkungen und Z-Pinning-Verstärkungen sind nur einige der Vorformmöglichkeiten. Schichtstrukturen mit Schaum, geheftetem Schaum, eingekapseltem Wabenmaterial, klebefolienversiegeltem Wabenmaterial und Kernen aus syntaktischem Schaum können ebenfalls hergestellt werden. Es kann auch möglich sein, Strukturen mit geeignet behandelten Metalleinsätzen zu infundieren, um Hybridlaminate, wie zum Beispiel die Ti/Gr-Materialien von Boeing, herzustellen. Perforierte oder nicht perforierte geätzte Titanfolien können mit Verbundstoffvorformen geschichtet werden, um hohe Lasten tragende Positionen herzustellen, an welchen Verbundstoffe andernfalls versagen könnten. Verbundstoffe mit hoher Beanspruchbarkeit, wie zum Beispiel Helikopter-Spundwände oder pyrotechnisch genutzte Raketenflügel sind Beispiele, wo eine lokale oder isolierte Titaneinfügung vorteilhaft eingesetzt werden könnte.

Wir können auch spezialisierte Materialien in die Struktur integrieren, wie zum Beispiel lichtbogengeschmolzene Beschichtungen, Regenerosionsmaterialien, leitfähige Masseplatten, leitfähige Maschen, Widerstandsplatinen, Applikationen, Mikrochips, MEMS, Keramiken, Antennen, Sensoren oder Filme.

Das Erfordernis für Vorformbindemittel oder -tackifier

Handhabung, Schneiden, Formen und Verfestigen von Trockenfaservorformen zu Präzisionsstrukturen kann schwierig sein. Der angetroffene Schwierigkeitsgrad ist abhängig von dem Ausgangsmaterial für die Vorform, dem Auflageprozess und den hergestellten Formen. Einige stabile Vorformmaterialien (wie zum Beispiel 3D-Gewebe, geheftete Vorformen, mehrachsige Kettenwirkwaren, stark vorgeleimte Gewebe und enge dünne Gewebe) können bei einfachen Strukturen ohne Bindemittel oder Tackifier verwendete werden. Andere Vorformen (wie zum Beispiel 5HS-Gewebe, 8HS-Gewebe, offene Einfachgewebe, unidirektionale Maschen und gerichtete Schnittmatten) werden gewöhnlich mit Bindemitteln oder Tackifiern stabilisiert, um einen Faserverlust zu vermeiden, ein automatisiertes NC-Schneiden zu ermöglichen, bei maßgeschneiderten Auflagen scharfe Schneidelinien zu erzeugen und eine übermäßige Materialverzerrung bei einer normalen Handhabung zu vermeiden.

Die Auflagetechnik spielt auch eine Rolle beim Bestimmen des Bedarfs an Tackifiern. Filamentwicklungszylinder und/oder Druckgefäße mit Trockenfasern würden zu stabilen Vorformen führen, welche erfolgreich infundiert werden könnten. Geflochtene Röhren und andere Formen würden in vielen Fällen ohne Bindemittel stabile Vorformen sein. Gewickelte oder faserig angeordnete Isogrids würden wahrscheinlich auch stabile Vorformen sein. Ein Vorformauflegen von Hand erfordert allgemein ein mit einem Bindemittel versehenes Material, sowie es auch eine komplexe Wicklung oder Verflechtung von nicht kreisförmigen geschlossenen Körpern tut.

Um einfach flache Platten oder leicht konturierte Hüllen ohne Lagenmaßschneiderung zu produzieren, können fast alle Vorformmaterialien können ohne Bindemittel verwendet werden. Komplexe Formen, wie zum Beispiel Radome, Heckkonusse, integral versteifte Hüllen, tiefe Strukturen, multidirektional versteifte Komponenten oder der Aufbau von hochgradig maßgeschneiderten Strukturen erfordern Tackifier für eine Materialanhaftung an der Werkzeugbestückung, eine verbesserte Verfestigung oder Verdichtung, einen verbesserten Beschnitt und eine bessere Abmessungskontrolle.

Neuartige Bindemittel-Sprühaufbringungsmaterialien und -prozesse

Unsere bevorzugten Bindemittelmaterialien und -prozesse haben sich aus vorherigen Arbeiten, um spezialisierte Prepregs unter Verwendung eines „Sprühimprägnierungsprozesses" herzustellen, entwickelt. Um dem Gewebe Bindemittel hinzuzufügen, wird das faserige Material mit einer geprägten Polyethylenunterlage darunter, um eine Verunreinigung zu vermeiden, auf Tischen ausgerollt. Das Gewebe wird allgemein derart ausgerichtet, dass die Kett- und Füllfasern gerade und senkrecht zueinander sind. Eine Bindemittellösung wird dann auf die freiliegende Seite des Gewebes gesprüht, obwohl beide Seiten besprüht werden können, wenn dies erwünscht ist. Das Sprühmittel kann aus einer Handpistole oder für eine präzisere Aufbringung aus einer robotisch angebrachten Pistole aufgebracht werden. Die Sprühparameter werden derart eingestellt, dass feine, gleichmäßig verteilte Harztropfen auf der Oberfläche der Vorform deponiert werden, während versucht wird, eine Dochtwirkung auf das Harz in die Vorform hinein zu minimieren. Harztropfen auf der Oberfläche des Gewebes anstelle einer gleichförmigen Harzverteilung in der Vorform maximieren eine Zwischenlagen- und Werkzeuganhaftung, während Verluste hinsichtlich Vorformpermeabilität, Aufbringungszeit und Bindemittelgehalt minimiert werden.

Unsere bevorzugte Bindemittellösung ist typischerweise ein solvatisiertes halbfestes Polymer, welches mit dem nachfolgend in die Vorform zu infundierenden Harz kompatibel ist. Diese halbfesten Materialien haben typischerweise Umgebungsviskositäten zwischen 250.000 und 1.000.000 Centipoise. Das halbfeste Material sollte eine hohe Klebrigkeit bei Raumtemperatur aufweisen oder sollte in der Lage sein, bei leichter Erhitzung eine Klebrigkeit zu entwickeln. Darüber hinaus sollte das halbfeste Material sich ohne eine deutliche zusätzliche Aushärtung verflüssigen, wenn es während eines Vakuumaustrocknungsprozesses erhitzt wird. Eine Verflüssigung des aufgebrachten Bindemittels bei Erwärmung ermöglicht es dem Bindemittel, durch Dochtwirkung in die Vorform gezogen zu werden, wenn eine Klebrigkeit nicht mehr von Bedeutung ist, um eine geeignete Positionierung zu erreichen. Die Dochtwirkung des Bindemittels in die Vorform während sie sich unter einem Druck des Sacks befindet, ermöglicht eine weitere Verfestigung der Auflage. Wenn das Harz seinen Aushärtungsgrad während des erwärmten Vakuumaushärtungsvorgangs oder während möglicher Infusionsvorgänge bei erhöhter Temperatur nicht merklich erhöht, kann es in der Lage sein, sich chemisch mit dem Infusionsharz zu verbinden oder darin gelöst zu werden. Bindemittelsysteme, welche vor der Infusion deutlich avancieren (d.h. entweder teilweise aushärten oder beginnen sich querzuvernetzen) können nur relativ schwache mechanische Bindungen zu dem Infusionsharz entwickeln. Es wurde gezeigt, dass Bindemittel mit hohen Aushärtungsgraden einige Verbundstoffeigenschaften um bis zu 10% verschlechtern.

Wir bevorzugen das 5250-4-RTM BMI(Bismaliemid)-Harz von Cytec Fiberite als Bindemittel für Infusionen mit 5250-4-RTM BMI. Solche Infusionen erfordern jedoch hohe Temperaturen, was ihre Schwierigkeit erhöht. Wir bevorzugen den halbfesten Cyanatester(CE)-Harz M-20 von CIBA als Bindemittel für Infusionen mit Cyanatestermaterialien, wie zum Beispiel EX-1545, EX-1545-1 und EX-1510 von Bryte Technologies. Für Infusionen mit epoxybasierten Harzen bevorzugen wir epoxidharzbasierte halbfeste Bindemittel, wie zum Beispiel PR 500, 3501-6, 3502, 977-3 und FM 300.

Eine typische katalysierte Formulierung der M-20-Cyanatesterbindemittellösung beinhaltet: halbfestes M-20-Material 78,597 Gew.-% Kobalt-Acetylacetonat (CoAcAc) 0,086 Gew.-% Dinonylphenol 1,572 Gew.-% MEK 19,745 Gew.-%

Um die M-20-Bindemittellösung herzustellen, werden das CoAcAc, das Dinonylphenol und eine kleine Menge MEK für mehrere Stunden mit einem Magnetrührer in einem geschlossenen Behälter gemischt. Die lange Mischzeit ist erforderlich, um das CoAcAc in Lösung zu bringen. Dieses organometallische Salz weist relativ niedrige Löslichkeitsraten auf und erfordert eine erhebliche Zeit, um sich zu lösen. Das halbfeste M-20-Harz wird dann in einem Konvektionsofen auf zwischen 120 und 150°F erwärmt. Bei diesen Temperaturen wird das M-20 im unkatalysierten Zustand ausreichend flüssig, um aus seinem Behälter im Wesentlichen ohne Harzavancierung im Aushärtungsgrad abgegeben zu werden. Sobald das Harz abgebeben ist wird der Großteil des MEK-Lösungsmittels dann dem M-20-Harz hinzugefügt. Das Harz wird in einem abgedichteten pneumatischen Mischbehälter, welcher eine Lösungsmittelverflüchtigung verhindert, in dem MEK gelöst. Sobald das M-20 gleichmäßig gelöst ist, wird die Katalysatorlösung aus CoAcAc, Dinonylphenol und MEK der Basismischung hinzugefügt. Die Lösung wird dann in demselben abgedichteten Behälter für mehrere Stunden gemischt, um den Katalysator zu vermengen und weiter zu lösen, während eine Lösungsmittelverflüchtigung verhindert wird. Die resultierende Lösung ist dunkelgrün und hat eine Haltbarkeit von wenigstens einem Monat, wenn sie verschlossen bei Raumtemperatur ohne Feuchtigkeitsaussetzung gelagert wird. Ein Scheitern, das M-20 unter Erwärmung aus seinem Behälter abzugeben, kann zu einer Kristallisierung der Bindemittellösung führen. Eine Kristallisierung wird auf einfache Weise erfasst, indem beobachtet wird, dass die Lösung eine leicht erbsengrüne Farbe aufweist.

Eine vereinfachte und möglicherweise verbesserte M-20-Bindemittellösung scheint technisch möglich zu sein. Ein unkatalysierter M-20-Cyanatester kann bei Temperaturen oberhalb von 120°C (250°F) thermisch ausgehärtet werden. Da die Cyanatesterinfusionsharze typischerweise bei 175°C (350°F) und höherer Temperatur ausgehärtet werden und Nachaushärtungen häufig erforderlich sind, könnte eine M-20-Aushärtung bei Abwesenheit jeglichen Katalysators erwartet werden. Der für die Cyanatesterinfusionsharze verwendete Katalysator kann wahrscheinlich auch das M-20-Bindemittelharz katalysieren, da sie auf einer ähnlichen Chemie beruhen und das Verhältnis von Infusionsharz zu Bindemittelharz relativ hoch ist. Eine Infusionsharzkatalyse des Bindemittelharzes scheint wahrscheinlich zu sein, da die Infusionsharze die kleinen M-20-Harzinseln lösen können und eine erhebliche statische Durchmischung auftritt, wenn das Infusionsharz durch die Vorform perkoliert. Die Kombination von thermischer Aushärtung von M-20 und eine Infusionsharzkatalyse des Bindemittels legt nahe, dass die Bindemittellösungen ohne die Hinzufügung des Dinonylphenols und der CoAcAc-Katalysatoren formuliert werden können.

Ein Eliminieren dieser Komponenten aus der Bindemittellösung hat verschiedene potenzielle Vorteile. Die Bindemittellösung kann deutlich schneller hergestellt werden (möglicherweise in einem Zehntel der Zeit), als es derzeit erforderlich ist, um die katalysierte Version herzustellen. Die resultierende Lösung weist wahrscheinlich eine sehr viel längere Topfzeit auf, möglicherweise so viel wie sechs Monate. Die mit Bindemittel versehenen Vorformen sollten bezüglich der katalysierten Version verlängerte Verarbeitungszeiten bei Raumtemperatur und längere Haltbarkeiten in der Lagerung aufweisen. Das latentere bzw. trägere Material würde auch dazu neigen, weniger als die katalysierte Version zu avancieren, wenn es thermischen Verdichtungszyklen oder thermischen Vakuumsaustrocknungsprozessen ausgesetzt wird. Der reduzierte Aushärtungsgrad bedeutet, dass das Bindemittel sich leichter mit dem Infusionsharz vermischen kann. Bindemittel mit niedrigem Aushärtungsgrad sollten die Vorform niemals in einem schlecht verfestigten Zustand festsetzen, welcher verhindern würde, dass höhere Faservolumina während des DBVI-Prozesses erreicht werden.

Eine typische Formulierung für die 5250-4-RTM BMI-Bindemittellösung ist: 5250-4-RTM-BMI-Harz 80 Gew.-% MEK 20 Gew.-%

Um diese Bindemittellösung zu formulieren, wird das 5250-4-RTM-BMI-Harz erhitzt und typischerweise unter Verwendung eines Graco-Hot-Melt-Dispensers erhitzt und aus einem Kanister von 19 l (5 Gallon) abgegeben. Das Harz wird vor der Abgabe auf zwischen 110°C (230°F) und 132°C (270°F) erwärmt. Bei diesen Temperaturen wird das BMI über eine Zeitspanne von ungefähr drei Stunden langsam avancieren. Da der Abgabevorgang in weniger als 15 Minuten abgeschlossen werden kann, tritt eine unbedeutende Harzavancierung auf. Auch während des thermischen Vakuumaustrocknungszyklus ist die Avancierung unbedeutend. Sobald das Harz in ein Vakuummischgefäß abgebeben wurde und leicht abgekühlt ist, wird dem Harz MEK-Lösungsmittel hinzugefügt. Das Harz wird unter Verwendung eines pneumatisch angetriebenen Rührers in einem abgedichteten Behälter in dem Lösungsmittelträger gelöst. Ein pneumatisches Rühren wird verwendet, um potenziell explosive Zustände zu vermeiden, welche bei elektrischen Mischern auftreten könnten. Sobald das Harz aufgelöst ist, ist die BMI-Bindemittellösung verwendungsbereit.

Ein weiterer Ansatz zum Herstellen von 5250-4-RTM-BMI-Bindemittellösungen ist es, Harz unter Verwendung der Hot-Melt-Abgabetechnik in einen 1-Gallon-Kanister abzugeben. Das Harz wird dann für eine Wiederverfestigung auf Raumtemperatur abgekühlt. Keramik- oder Edelstahlkugeln werden dem Kanister beigefügt. Der Kanister wird abgedichtet und für eine kurze Zeitspanne auf einer Rollkugelmühle oder in einem Farbschüttler positioniert. Der Stoß der Kugeln bewirkt, dass das spröde halbfeste Harz sich in ein feines Puder mit einem sehr viel größeren Volumenfaktor pulverisiert. Das gemahlene Harz kann verschlossen und gefroren in dem Kanister gehalten werden, bis es zum Herstellen einer Bindemittellösung benötigt wird, oder kann sofort verwendet werden. Ein Vergrößern der Oberfläche des Harzes ermöglicht es dem MEK-Lösungsmittel, das Bindemittel Harz schneller zu lösen als es mit einem einfachen pneumatischen Mischen von einem großen Teil von volumenverfestigtem Harz mit Lösungsmittel möglich ist. Sobald das Lösungsmittel hinzugefügt ist, ist nur ein geringes zusätzliches Mischen erforderlich. Die Lösung kann durch Einwegfilter gefiltert werden, um die Mahlkugeln und mögliche andere Fremdobjekte zu entfernen.

Obwohl die angegebenen Formulierungen die Verwendung von MEK zum Lösen des Harzes spezifizieren, können andere Lösungsmittel oder Verdünnungsmittel, wie zum Beispiel Aceton, N-Methylpyrrolidinon (NMP), Methylisobutylketon (MIBK), Wasser, reaktive Verdünnungsmittel und andere, verwendet werden. Verdünnungsmittelveränderungen können verwendet werden, um Sprüheigenschaften zu modifizieren und eine Raumtemperaturklebrigkeit von aufgesprühten halbfesten Bindemittelharzen niedriger Klebrigkeit zu erhöhen. Eine Lösungsmittelrückhaltung in dem aufgesprühten Bindemittel kann durch die Verwendung von Lösungsmitteln niedrigerer Flüchtigkeit (d.h. Lösungsmitteln mit niedrigerem Dampfdruck bei Raumtemperatur) oder Lösungsmitteln, welche eine höhere Affinität für das gegebene Harzmaterial aufweisen, erreicht werden. Das in dem aufgebrachten Bindemittel zurückgehaltene Lösungsmittel plastifiziert das Harz und erhöht typischerweise die Raumtemperaturklebeeigenschaften von Harzen niedriger Klebrigkeit. Das Lösungsmittel in den mit Bindemittel versehenen Vorformmaterialen kann nachfolgend vor einer Harzinfusion während der erwärmten Vakuumaustrocknungsvorgänge entfernt werden.

Die halbfesten Polymeranteile in den Bindemittellösungen liegen typischerweise in dem Bereich von 70–90 Gew.-% und sind allgemein 80 Gew.-%. Die Sprühmittelviskositäten liegen im Bereich zwischen 100 und 500 Centipoise. Die Bindemittellösungen sind erheblich dicker als viele Sprühmaterialien. Die höheren Viskositäten und die hohen Feststoffanteile dienen dazu, Übertragungseffizienzen zu maximieren, eine Tröpfchenverteilung anstelle einer feinen Benetzung zu erreichen, Lösungsmittelemissionen zu minimieren und eine Harzmigration und Durchtränkung des Gewebes zu vermeiden. Wenn sich die Lösungen von der Pistole zu der Oberfläche der Vorform bewegen, verflüchtigt sich Lösungsmittel (Weichmacher) und das verbleibende Harz wird viskoser, da es weniger Weichmacher aufweist. Die dicken Tröpfchen können nicht merklich durch Dochtwirkung in das Gewebe gezogen werden, wenn sie es berühren. Die Transfereffizienzen sind bei typischen luftunterstützten luftlosen Sprühprozessen in der Größenordnung von 50–60%. Diese Effizienzen können potenziell durch die Verwendung von elektrostatischen Flüssigsprühtechnologien auf über 90% erhöht werden.

Die Bindemittelanteile auf dem Gewebe liegen typischerweise im Bereich zwischen 1 und 10 Gew.-%, obwohl 3–7 Gew.-% typischer ist. Gewebe mit geringerem Gewicht, wie zum Beispiel 5HS, benötigen im Allgemeinen einen höheren Bindemittelanteil als dickere Vorformen, wie zum Beispiel mehrachsige Kettenwirkwaren, weil die Klebrigkeit stärker von der Oberfläche als von dem Volumen oder Gewicht der Vorform abhängt. Vorformen mit einem Bindemittelanteil von mehr als 15 Gew.-% können eine Durchtränkung erfahren und während der Harzinfusion Permeabilitätsprobleme hervorrufen.

Vorformmaterialien werden typischerweise als Platten mit Bindemittel versehen. Sobald der Hauptteil des Lösungsmittels sich nach der Aufbringung verflüchtigt hat, wird dann ein Polyethylenfilm über der mit Bindemittel versehenen Vorform angeordnet. Die Polyethylenfolien können manuell mit Vorlagen oder mit automatisierten numerisch gesteuerten Messern auf großen Vakuumunterlagen geschnitten werden, um die erforderlichen Lagen herzustellen. Das mit Bindemittel versehene Material kann manuell auf Kartonröhren mit großem Durchmesser aufgewickelt werden, mit Mil-B-131-Säcken versiegelt werden und in einem Gefriergerät, welches bei einer Temperatur von ungefähr –18°C (0°F) gehalten wird, untergebracht werden. Bevor mit Bindemittel versehenes Material aus Mil-B-131-Gefiersäcken zur Verwendung entfernt wird, muss das Material auf Umgebungsbedingungen aufgewärmt werden, um zu vermeiden, dass Wasser auf der mit Bindemitteln versehenen Vorform kondensiert.

Anstelle von Vorformplatten können einzelne Materiallagen mit Bindemittel versehen werden, wenn es gewünscht ist, Bindemittel zu sparen. Eine genaue Passung für die Lagen kann mitunter besser bei Auflageformen erreicht werden, welche Trockengewebe ohne Bindemittel verwenden. Bindemittel kann nach der Formung aufgebracht werden, um Anhaftung an der darunter liegenden Form oder den darunter liegenden Lagen zu unterstützen. Eine Verwendung von Trockengewebe ist insbesondere hilfreich, wo flache Muster nicht entwickelt wurden und eine Trial-and-Error-Zusammenfügung mit enger Tolerierung erforderlich ist.

Die Bindemittelmaterialien und -prozesse wurden hauptsächlich für eine Offline-Sprühmittelaufbringung auf Vorformmaterialien entwickelt. Jedoch können die Bindemittelmaterialien und der Sprühmittelaufbringungsprozess während einer Vorformauflage verwendet werden. Wenn zusätzliche Klebrigkeit in einem gegebenen Bereich benötigt wird, kann das benötigte Bindemittel lokal aufgebracht werden. Vorformauflagen von ersten Lagen auf einer konturierten Werkzeugsbestückung, Lagenverbindungen mit Stoßfugen, eingebettete Sensoren und ein Halten in Position von Versteifungseinzelteilen sind Beispiele, wo eine Inline-Aufbringung von Bindemittel innerhalb der Form hilfreich ist. Bei trockenen gewickelten oder geflochtenen Strukturen könnte die Vorform periodisch auf den Dornen klebrig gemacht werden, wenn das faserige Material aufgetragen wird. Dies zu tun, würde das Erfordernis, Bindemittel auf individuelles Endloswergmaterial aufzubringen, vermeiden und würde es ermöglichen, das Wergmaterial ohne eine Gefrieraufbewahrung, Haltbarkeitsbegrenzungen oder Gummierung von Fördereinrichtungen zu verwenden. Wergunterbrechungen auf Towpreg-Rollen können einhergehen mit einer übermäßigen Klebrigkeit zwischen den Rollenwicklungen. Ein etwas geringerer Grad an Unterbrechungen kann auch bei mit Bindemittel versehenem Werg auf Rollen erwartet werden. Somit kann, indem Bindemittel anstelle auf das auf der Rolle verpackte Werg auf das Wergmaterial auf dem Dorn aufgebracht wird, Faserbruch vermieden werden, während dennoch eine Vorformstabilität gewährleistet wird. Offene Werghohlräume, auf welche bei Towpregs getroffen wird, können vermieden werden, wenn trockene oder mit Bindemittel versehene gewickelte oder geflochtene Vorformen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Prozesses infundiert werden. Mit einer Feuchtwicklung und einer Feuchtflechtung verknüpfte Schwierigkeiten werden ebenfalls vermieden.

Für ein robotisches Aufsprühen des Bindemittels auf die Vorform (5) wird die Bindemittellösung in ein Druckgefäß 501 mit einer entfernbaren Polyethylendeckschicht gefüllt. Der Deckel 502 wird angebracht und druckdicht arretiert. Ein Fluidzufuhrschlauch 503 wird mit dem Aufnahmerohr 504 innerhalb des Druckgefäßes verbunden. Stickstoff oder trockene Luft mit geregeltem Druck wird durch eine Leitung 505 eingeführt, um das Gefäß unter Druck zu setzen und Harz in das Aufnahmerohr und die Leitung zu drücken. Das Druckgefäß hat Druckentlastungsventile, um eine übermäßige Druckbeaufschlagung zu vermeiden und Druck aus dem Gefäß zu entlassen, um Harz zu entfernen oder hinzuzufügen. Ein Regler ist nahe der Pistole 506 installiert, um den Druck des zugeführten Fluids zu regeln. Ein Regeln des Fluiddrucks an der Pistole steuert die Volumenflussrate durch die Sprühdüse der Pistole. Ein Installieren des Reglers nahe der Pistole vermeidet jeglichen Druckabfalleinfluss von Schlauchlänge, Schlauchdurchmesser oder Roboterarmhöhe. Eine Düsenregelung ist auch erforderlich, um Flussraten zu kontrollieren. Leichte Herstellungsvariationen hinsichtlich der Düsenöffnung können zu unterschiedlichen Flüssigkeitsflussraten führen. Düsen eines gegebenen Typs werden untersucht und auf Gleichförmigkeit überprüft und werden ausschließlich zum Aufsprühen des Tackifier-Harzes verwendet. Eine Düsenregelung und Fluiddruckregulierung an der Pistole wirken zusammen, um gleichbleibende und wiederholbare Volumenflussraten durch die Düse zu ergeben. Der Druck zur luftunterstützten Zerstäubung durch Leitung 507 wird ebenfalls reguliert und kontrolliert, um eine gleichbleibende Sprühverteilung aus der Düse zu ergeben.

Der Roboter 508 trägt die Pistole und ist dazu programmiert, sich mit einem konstanten Abstand von der Vorform 509 und einer kontrollierten Geschwindigkeit über der Vorform zu verschieben. Das Spray aus der Düse weist typischerweise eine flache Fächerform auf. Das meiste des Sprühmaterials wird in der Mitte des Fächers deponiert, wobei an den Fächerkanten abnehmende Mengen abgegeben werden. Um diese nicht gleichmäßige Verteilung in dem Sprühfächer zu kompensieren, ist der Roboter dazu programmiert, benachbarte Durchläufe überlappen zu lassen, um die Verteilung auszugleichen. Eine typische Durchlaufschrittweite beträgt ¼ Fächerbreite.

Eine Verbindung der Steuerungen miteinander führt zu einer gleichbleibenden, gleichmäßigen Bindemittelaufbringung auf die Vorform. Qualitätsüberprüfungstests werden in der Startphase des Prozesses durchgeführt, um zu gewährleisten, dass das Bindemittel wie gewünscht abgegeben wird. Störgrößen können die verwirklichten Bindemittelanteile beeinflussen. Um Störungen zu kompensieren, kann die Robotergeschwindigkeit angepasst werden. Der Roboter kann unter Verwendung einer geeigneten Sprühkabine, Roboterarmreichweite und seitlichen Roboterbewegung Platten von mit Bindemittel versehenen Vorformen mit bis zu 1,5 m (60 Zoll) Breite und 6 m (20 Fuß) Länge herstellen.

Große Mengen von aufgerollten oder aufgewickelten Breitgewebe-Vorformmaterialien könnten ökonomisch mit Bindemittel versehen werden. Ein System mit Zuführungs- und Aufnahmerollen, einem Sprühbereich und einem Lösungsmittelverflüchtigungsbereich können bei geringen Kosten mit Bindemittel versehene Materialien mit kunststoff- oder papierhinterlegten Decklagen oder unter Umständen ohne Decklagen effizient produzieren.

Mitgehärtete Verbundstoffstrukturen bedürfen eines Erhöhens der Abzieh- und Abscherfestigkeitswerte zwischen den Versteifungselementen und darunter liegenden Hülle. Bei hohen Festigkeiten sind „Chicken-Befestigungsmittel" gewöhnlich nicht erforderlich. Ein Beseitigen von Befestigungsmittelinstallationen führt zu deutlichen Kostenreduktionen. Klebstoffe mit einer hohen Abziehfestigkeit, welche zwischen der Hülle und den Versteifungselementen angeordnet werden, maximieren Festigkeitswerte zwischen Hülle und Versteifung. Robuste Bindemittelharze mit hoher Abziehfestigkeit können voraussichtlich zur lokalen Anwendung in diesen kritischen Bereichen entwickelt werden. Die Bindemittel würden den Effekt des Klebstofffilms nachbilden, jedoch die erforderliche Permeabilität für einen Infusionsharzfluss gewährleisten.

Die meisten Bindemitteltechnologien verwenden derzeit pulverisierte Harze, welchen es an Raumtemperaturklebrigkeit fehlt. Obwohl sie bei Erwärmung klebrig sind, sind die Topfzeiten dieser Bindemittel bei erhöhten Infusionstemperaturen allgemein kurz. Die Bindemittel können in ihrer Aushärtung soweit avancieren, dass sie sich nicht mit dem Infusionsharz chemisch verbinden oder darin lösen können, so dass der primäre Verbindungsmechanismus dazu neigt, eher mechanisch als chemisch zu sein. Pulverbindemittel bieten sich nicht für eine gleichmäßige Verteilung auf der Vorform an. Eine Pulveranhaftung an der Vorform kann vergleichsweise schwach sein, was zu einem Materialverlust und einer Fremdmaterialpulverablagerung in dem Auflagebereich führt. Darüber hinaus ist es schwierig, die tatsächlich Menge von deponiertem Pulver zu kontrollieren. Eine elektrostatische Pulverdeposition bringt überschüssiges Pulver auf, welches vor der Verwendung von der Vorform abgeschüttelt werden muss. Die Pulverdepositionen streben einem natürlichen Bindemittelanteilniveau zu, welches schwierig auf wünschenswertere Niveaus zu ändern ist. In vielen Fällen können die schlechten Fließeigenschaften dieser pulverisierten Systeme die Verfestigung verhindern, welche erforderlich ist, um Faseranteile mit „Luft- und Raumfahrtqualität" zu erreichen. Niedrige Raumtemperaturklebrigkeit, geringe Anhaftung an der Vorform, ein FOD-Potenzial, schlechte chemische Bindung, unzulängliche Bindemittelanteilkontrolle, schwierige Automatisierung, Vorformverfestigungseinschränkungen und andere Bedingungen machen eine Verwendung von pulverisierten Bindemitteln deutlich weniger erstrebenswert. Wir bevorzugen Bindemittellösungen und Bindemittel-Flüssigsprühtechniken.

Vorformzusammenbau und -aufbau

Bei dem Auflageprozess von Hand besteht eine fertiggestellte Vorform typischerweise aus mehreren Lagen aus faserigen Materialen, welche geschnitten, in den gewünschten Ausrichtungen gestapelt und verdichtet sind. Vorformunterbaugruppen können offline für eine spätere Installation in der endgültigen Vorform hergestellt werden. Die Vorformen können mit Trockenfasermaterialien oder für eine verbesserte Integrität und Verfestigung mit Bindemittel versehenen Materialien zusammengefügt werden. Fertiggestellte Vorformen können abhängig von den Teilanforderungen aus Trockenfasermaterialien, mit Bindemittel versehenen Fasermaterialien oder einer Kombination aus trockenem und mit Bindemittel versehenem Material hergestellt sein. Die Vorformen können auch eine große Vielfalt von anderen Materialien beinhalten, einschließlich Schäumen, Wabenmaterial, Prepregs, Klebstofffilmen, Metallen, Keramiken, Sensoren und anderen Spezialmaterialien.

Allgemein gesprochen muss bezüglich traditioneller Prepreg-Materialien beim Handhaben von trockenen oder mit Bindemittel versehenen Vorformen mehr Vorsicht ausgeübt werden. Andererseits erfordern trockene oder mit Bindemittel versehene Vorformen typischerweise weniger Vakuumverdichtungsschritte als Prepregs. Für einfach Geometrien kann der gesamte Stapel von zusammengefügten Vorformmaterialschichten auf einmal bei Raumtemperatur vakuumverdichtet werden. Wenn die Teilkomplexität, Konturierung, Merkmale und Dickenmaßschneiderung zunehmen, sind zusätzliche Vakuumverdichtungsschritte während des Vorformzusammenfügens erforderlich.

Mit Bindemittel versehene Materialien werden bei Raumtemperatur vakuumverdichtet, um „weiche Bindemittelvorformen" herzustellen. Typischerweise müssen weiche Bindemittelvorformen für eine Aufrechterhaltung der Form auf dem Formungswerkzeug verbleiben, können jedoch unter Umständen für Endformungsvorgänge präzisionsbeschnitten werden. Die verfestigten „weichen Bindemittelvorformen" neigen dazu, eine gewisse Rückfederung aufzuweisen, und neigen dazu, sich leicht in der Dicke auszudehnen, wenn sie aus einem Vakuumsack entfernt werden. Das Ausmaß von „Rückfederung" nach einer Verfestigung ist abhängig von der Bindemittelklebrigkeit, dem Bindemittelanteil und anderen Faktoren.

Mit Bindemittel versehene Materialien können auch bei höheren Temperaturen vakuumverdichtet werden, um „halbsteife Vorformen" herzustellen. Die während des erwärmten Verdichtens erzeugte Steifigkeit resultiert aus einem Avancieren des Bindemittels im Aushärtungsgrad und/oder einer Lösungsmittelentfernung. Diese halbsteifen Vorformen, welche eine zusätzliche Steifigkeit und Stabilität aufweisen, ermöglichen einen vereinfachten Präzisionsbeschnitt. Details können bei vorsichtiger Handhabung aus der unterstützenden Werkzeugbestückung entfernt werden. Weniger Verdichtungswerkzeuge sind erforderlich, um in den Abmessungen stabile halbsteife Vorformen herzustellen, welche vorübergehend gelagert werden können. Die halbsteifen Vorformen bleiben permeabel und können effektiv mit Harz infundiert werden.

Die endgültige zusammengefügte Vorform sollte in den meisten Fällen vor den Einsackungs- und Leitungsführungsvorgängen, welche zur Harzinfusion erforderlich sind, verdichtet werden. Diese abschließende Vorformverdichtung ermöglicht es den Lagen, sich zu glätten und ohne Kantendichtungsbeeinträchtigung in der Ebene zu wachsen, und gewährleistet einen besseren Anfangspunkt zum Auflegen der Komponenten des inneren Sacks.

Einsacken und Leitungsführung

Unser bevorzugter „Doppelsack"-Prozess führt zu einer überlegenen Vakuumintegrität. Die Dichtung des inneren Sacks ist von dem äußeren Sack bedeckt. Der innere Sack kann sich nicht so einfach von der Dichtung des inneren Sacks lösen, da er von dem äußeren Sack in Position gehalten wird. Darüber hinaus ist der innere Sack vollständig isoliert und eingeschlossen, um ihn gegenüber einer Beschädigung zu schützen. Wenn sich eine kleinere Undichtigkeit in dem inneren Sack entwickelt, wird das System weiter funktionieren, da ein Vakuum innerhalb des äußeren Sacks verhindert, dass Luft in den inneren Sack eintritt.

Um eine noch bessere Vakuumintegrität zu erreichen, sind die Dichtungen sowohl des inneren als auch des äußeren Sacks allgemein mit Haftklebebändern festgeklebt, um eine Sackablösung zu verhindern. Ein erwärmter Vakuumaustrocknungsprozess wird unter Umständen verwendet, um die Gum-Rubber-Dichtungen teilweise offline vor der Flüssigkeitsinfusion auszuhärten. Eine Vorhärtung macht die Dichtung robuster. Wenn eine Undichtigkeit vor den Infusion erfasst wird, kann sie einfach repariert werden, ohne das Teil zu beeinträchtigen. Eine Dichtungsfehlfunktion kann unerwartet während des anfänglichen Erwärmens auftreten, wenn das Gum-Rubber sich aufgrund der Wärme und bevor es ausreichend Zeit gehabt hat, deutlich auszuhärten, weich wird. Unter Verwendung eines erwärmten Vakuumaustrocknungsprozesses vor dem Infundieren des Harzes, werden die klebrigen Gum-Rubber-Dichtungen getestet und durch Aushärtung an die Säcke gebunden, so dass es unwahrscheinlich ist, dass eine Dichtungsfehlfunktion während der Flüssigkeitsinfusion auftritt. Das Aushärten der elastomeren Dichtungen macht sie auch weniger empfänglich gegenüber einem Harzangriff und einer möglichen Verunreinigung des Harzes und der Vorform. Neben der Verbesserung der Dichtungsintegrität dient der erwärmte Vakuumaustrocknungsprozess dazu, jegliche flüchtige Substanzen in der Vorform zu entfernen, positioniert die Säcke und verbessert eine Verfestigung vor dem Infusionsschritt.

Eine vereinfachte Leitungsführung, um Harz und Vakuum bereitzustellen, verringert Vakuumundichtigkeiten. Ein bevorzugter Ansatz zur Anschlussanordnung ist es, Harz und Vakuum dem Teil mit Rohren zuzuführen, welche durch die Gum-Rubber-Sackdichtungen laufen. Bei einer Rohrzuführung durch die Dichtung sind keine Spezialanschlussstücke erforderlich, und keine Werkzeuglochungen sind erforderlich, welche die Werkzeugverwendung für andere Anwendungen begrenzen könnten. Eine Vielfalt von Rohrleitungen kann verwendet werden. Die Rohrleitungen müssen jedoch chemisch inert sein, in der Lage sein, der thermischen Prozessierung zu widerstehen, nicht unter Vakuum kollabieren und eine effektive Dichtung mit dem Gum-Rubber-Dichtmittel, durch welches sie verlaufen, gewährleisten. Die Rohrleitungen sollten auch ausreichend biegsam sein, um wiederholt extern abgeklemmt zu werden, ohne zu brechen. Sie sollten ein ausreichendes wiederholbares Gedächtnis haben, um wieder eine offene Position zu erlangen, nachdem externe Klemmen entfernt wurden, so dass Ventile in der Leitung und zusätzliche Anschlussstücke nicht erforderlich sind. Die Rohrleitungen sollten klar (optisch transparent) oder zumindest durchscheinend sein, um eine direkte Beobachtung des Harzflusses zu ermöglichen. Polyethylen-, Polypropylen-, Nylon- und TEFLON-Rohrleitungen erfüllen die meisten der Erfordernisse, jedoch haben wir herausgefunden, dass die TEFLON-Rohrleitungen optimal zur Handhabung von Harzen höherer Temperatur, welche bei 350°F oder darüber aushärten, sind. TEFLON-Rohrleitungen beinhalten ETCFE-, PTFE-, FEP- und PFA-Typen von Fluoropolymeren. Bei unserem verbesserten Prozess maximiert eine sparsame chemische Ätzung der TEFLON-Rohre eine Anhaftung der Gum-Rubber-Dichtungen an den Rohren. Unter Verwendung eines Hochtemperatur-Thermoprozesses und eines einstellbaren Klemmwerkzeugs, um mögliche Undichtigkeiten, welche daraus resultieren, dass sie Rohrleitungsdrücke durch die weichen Gum-Rubber-Dichtungen schneiden, zu minimieren, flachen wir auch die Rohre an den Dichtungspositionen elliptisch ab.

Externe Beanspruchungen auf die Harz- und Vakuumanschlussvorrichtungen können ebenfalls Undichtigkeiten verursachen. Diese Beanspruchungen können während Handhabungs-, Klemm-, oder Ventilierungsvorgängen eingeführt werden. Unser bevorzugter Prozess verwendet Zugentlastungsvorrichtungen, welche an die Rohrleitungen angebracht sind, wenn sie die Dichtung des äußeren Sacks verlassen, um die kritischen Grenzflächen zwischen Dichtung und Rohr vor einer übermäßigen Belastung zu schützen. Nicht einmal eine missbräuchliche Rohrhandhabung wird die Dichtungsintegrität verschlechtern.

Einige Flüssigkeiten (d.h. Harze), welche in die Vorformen infundiert werden, sind ausreichend reaktiv, um den inneren Sack aggressiv anzugreifen, wenn sie sich in direktem Kontakt mit den Einsackungsmaterialien befinden. Um einen solchen Angriff und nachfolgenden Vakuumverlust zu verhindern, positionieren wir einen inerten Barrierenfilm, wie zum Beispiel FEP A4000 oder WL5200 (von Airtech Int'l.) zwischen dem Flussmedium und dem inneren Sack. Eine Harzrückhaltung in der Vorform durch Gum-Rubber-Dichtungen vereinfacht auch ein Auflegen des Barrierenfilms und verhindert ein Angreifen des inneren Sacks an dem Umfang des inneren Sacks, wo er nicht mit dem Barrierenfilm geschützt ist.

Die hohe Vakuumintegrität, welche mit unserem Prozess erreichbar ist, hilft dabei, gleichbleibend Verbundstoffe mit niedrigen Hohlraumanteilen, minimaler Oberflächenporosität, hervorragender Dickenkontrolle und hohen Faservolumen herzustellen.

Um eine einfach flache Platte herzustellen, wird die vakuumsackverdichtete Vorform optimal eingesackt und angeschlossen wie es in 1 und 2 dargestellt ist. Sackdichtmittel 2 und 3 für den inneren und äußeren Sack wird auf dem Werkzeug 1 in Bereichen, welche vor dem Ablösungswirkstoff maskiert sind, angeordnet, so dass die Säcke idealerweise um 7,62 cm (3 Zoll) beabstandet sind. In ähnlicher Weise sollten Abstände einer Dichtung des inneren Sacks und eines Kantendamms oder Vorformabstände ebenfalls ungefähr 7,62 cm (3 Zoll) betragen. Dieser Abstand schützt den inneren Sack 62 (2) bei Verwendung im Zusammenhang mit einer inerten Barrierenfilmdecklage 61 vor einem möglichen Angreifen des Sacks durch chemisch aggressive Harzsysteme. Viele Gum-Rubber-Sackdichtmitteloptionen, wie zum Beispiel Scheene Morehead 5127, sind kommerziell verfügbar. Die Papierabdeckung auf der Oberseite des Dichtmittels wird als Schutz vor einer Kontamination in Position gelassen, bis die Säcke oder Rohrleitungen installiert sind. Beim Installieren des Dichtmittels wird sorgfältig vorgegangen, um ein Einschließen von Luft zwischen dem Dichtmittel und dem Werkzeug zu vermeiden. Das Dichtmittel wird mit dem oberen Deckpapier in Position gewalzt, um die Dichtungspositionierung zu verbessern, während eine Dichtungsverunreinigung vermieden wird. Dichtmittel müssen innerhalb der zugewiesenen Haltbarkeit verwendet werden und vor der Verwendung vor einer Aussetzung gegenüber Feuchtigkeit oder Lösungsmittel bewahrt werden. Alte Dichtmittel können eine unzureichende Klebrigkeit aufweisen und können aufgrund von absorbierter Feuchtigkeit oder Lösungsmitteln während der Aushärtung des Teils aufschäumen. Beide Phänomene reduzieren die kritische erforderliche Dichtungsintegrität.

Ein fein gewebtes poröses Ablösungslagenmaterial 59 wird auf die verdichtete Vorform 51 gelegt (2). Das Ablösungslagenmaterial kann Polyester, Nylon, mit einem geeigneten Ablösungswirkstoff, wie zum Beispiel FREKOTE beschichtetes Glas oder TEFLON-imprägnierte Glasfaser sein. Typischerweise wird TEFLON-imprägnierte Glasfaser, wie zum Beispiel CHR3, verwendet, weil sie überlegene Ablösungseigenschaften und einen ausgezeichneten Oberflächenabfluss aufweist. Ablösungslagenmaterialien sind allgemein weniger als 127 &mgr;m (0,005 Zoll) dick und sind noch typischer 50–76 &mgr;m (0,002–0,003 Zoll) dick. Die Ablösungslage wird allgemein ¼ Zoll von den zwei Seiten der Vorform, welche parallel zu der Flussrichtung verlaufen, beendet, obwohl andere Abstände möglich sind. Die Ablösungslage auf der Harzzufuhr- und der Vakuumabzugseite der Vorform können bündig mit den Enden der Vorform sein oder können sich leicht über das Ende hinaus erstrecken, in welchem Fall sie unter oder über die spiralartig aufgewickelten Federn 5 und 6 (1) gesteckt werden.

Ein Flussmedium 60 wird dann über die Ablösungslage 59 gelegt (2). Das Flussmedium sollte ein flachprofiliges Material sein, welches eine hohe gleichmäßige Permeabilität bezüglich der Vorform aufweist, wie zum Beispiel Glasfaser mit offenem Gewebe, Rastermaterial, gewebte metallische Raster oder Schnittglasmatten. Das Medium sollte sich für eine Konturierung drapieren, ein Kontaminationspotenzial gegenüber dem Infusionsharz aufweisen, eine geeignete Steifigkeit aufweisen, um Sackmarkierungen auf dem Teil zu verhindern, und den erforderlichen Aushärtungszyklus überstehen. TEFLON-imprägnierte Glasfasermaterialien mit offenem Gewebe, wie zum Beispiel Taconics 7195 oder ChemFab CHEMGLAS 1589 funktionieren besonders gut als Flussmediummaterial. TEFLON-imprägnierte Glasfasermaterialien sind ungefähr 500 &mgr;m (0,020 Zoll) dick, weisen eine gleichmäßige gewebte Struktur auf, sind chemisch inert und sind widerstandsfähig gegenüber Temperaturen bis zu 315°C (600°F). Ihre in gewisser Weise brettige (steife) Eigenheit ermöglicht eine Konturierung und Verbiegung, dient jedoch auch dazu, Sackmarkierungen zu verhindern. Ihre Permeabilität hilft dabei, die Infusionsharzwellenfront zu kontrollieren und verhindert eine Ausbildung von eingeschlossenen Hohlräumen während der Infusion, kann jedoch Probleme für Infusionen bei Harzen bereiten, welche sehr hohe Viskositäten oder begrenzte Verarbeitungszeiten vor einer Verdickung aufweisen. Um die Permeabilität des Mediums zu erhöhen, während dennoch die Eigenheiten einer gleichmäßigen Zuführung und reduzierter Markierungen beibehalten werden, können Materialien mit einer höheren Permeabilität über den TEFLON-imprägnierten Glasfasern angeordnet werden. Eine Möglichkeit ist es, brettigeres Taconics 8308 oder einfach ein weiteres Taconics 7195 über dem Taconics 7195 zu verwenden, um eine stärker permeable Flussmediumkombination zu erzeugen, welche die Infusionsraten dramatisch beschleunigen und eine Prozessierung von viskoseren Harzsystemen ermöglichen wird.

Das Flussmedium wird typischerweise direkt über der Ablösungslage angeordnet und wird an den Enden unter die spiralförmig aufgewickelten Federn 5 und 6 gesteckt. Das Einstecken ermöglicht eine gute Harzzufuhrkopplung von der Feder in das Flussmedium und ermöglicht es auch, dass die Feder nach der Aushärtung leicht von dem Teil entfernt werden kann, ohne Kantendelaminierungen zu bewirken. Das Flussmedium kann auf der Vorform vor der Vakuumabzugfeder beendet werden, um die Wellenfront zu begradigen und eine geringfügige Harzkanalisierung zu korrigieren. Die Harzgeschwindigkeit der Wellenfront wird aufgrund des höheren Widerstands reduziert, wenn sie auf den Abfall bzw. die Flanke des Flussmediums trifft.

Diese Geschwindigkeitsreduzierung in den kanalisierten Bereichen ermöglicht es, dass nacheilende Abschnitte der Wellenfront noch in dem Flussmedium die kanalisierten Bereiche einholen können, so dass die Wellenfront gleichmäßig durch das Flussmedium fortschreitet und die spiralförmig aufgewickelte Feder zur gleichen Zeit erreicht.

Spiralförmig aufgewickelte Stahlfedern (901 & 902, 9), welche zur Harzzuführung und zum Abzug aus den Enden der Vorform verwendet werden, werden typischerweise an den langen Kanten der Vorform angeordnet, um eine Harzflusslänge durch die Vorform zu minimieren. Die Federn werden gewöhnlich unmittelbar benachbart zu der Kante der Vorform positioniert, können jedoch auch an den Enden auf der Vorform angeordnet werden, wenn für das Endteil Beschnittbestimmungen mit mehr Abfall gegeben sind. Die Federn haben im Wesentlichen dieselbe Länge wie die Kante der Vorform. Weil bisweilen Schmiermittel verwendet werden, um beim Aufwickeln der Federn zu helfen und eine Korrosion zu verhindern, müssen sie mit einem Lösungsmittel, wie MEK, in einem Spülgefäß gereinigt, dampfentfettet oder alkalisch gereinigt werden, um eine mögliche Kontamination zu vermeiden. Die Federn können ausgeglüht sein oder aus weicheren Metallen, wie zum Beispiel Aluminium oder Kupfer, hergestellt sein.

Weil ein Harzabzug nicht die Harzzufuhr übersteigen sollte, werden an der Zuführungsseite der Vorform typischerweise größere, weiter gewickelte Federn verwendet als an der Vakuumseite. Einige typischer Federspezifikationen für die Zuführungs- und Vakuumseite der Vorform sind: Zuführung 9,5 mm (3/8 Zoll) Außendurchmesser, Federstahldraht mit 0,8 mm (0,032 Zoll) Durchmesser, 10 Umwicklungen/Zoll, wärmebehandelt Vakuum 6,4 mm (¼ Zoll) Außendurchmesser, Federstahldraht mit 0,8 mm (0,032 Zoll) Durchmesser, 15 Wicklungen/Zoll, wärmebehandelt

Es wurde herausgefunden, dass Stahlfedern den Aushärtungstemperaturerfordernissen widerstehen und unter dem Vakuumsackdruck nicht kollabieren. Die Spiralkonfiguration der Harzzufuhr- und Abzugvorrichtungen erzeugt eine sanft konturierte Vorformkante. Gebohrte Rohrleitungen, spiralförmig geschnittene Rohrleitungen, spiralförmig aufgewickelte Metallbänder oder kleine Ketten können anstelle von Federn verwendet werden. Aufgrund von möglichen durchgehenden Reaktionen mit katalysiertem wärmehärtendem Harz im Volumen können die zulässigen Durchmesser der Federn dahingehend eingeschränkt werden, dass sie nicht über ungefähr 13 mm (½ Zoll) Außendurchmesser wachsen.

Nachdem die Zuführungs- und Vakuumabzugfedern installiert wurden, wird die Vorform 51 (2) vorzugsweise entlang der Kante mit einem Gum-Rubber-Dichtmittel 52 abgedichtet. Das Gum-Rubber sollte unter dem Sackdruck verformbar sein, jedoch nach wie vor ein vergleichsweise geringes Fließvermögen aufweisen, um eine merkliche Migration in die Vorform und die Federn zu vermeiden. Das typischerweise verwendete Dichtmittel ist AirDam 1B von Airtech International. Dieses Dichtmittel ist 0,5 mm (3/8 Zoll) breit und ungefähr 4,8 mm (3/16 Zoll) dick. Feine, gemahlene Glasfasern werden für eine Reduktion des Fließvermögens in das Dichtmittel eingearbeitet. In einigen Fällen verwenden wir das Dichtmittel AirDam I mit einem höheren Fließvermögen. Das Dichtmittelband wird in langen Streifen in Schichten aufgestapelt, so dass es in etwa der Dicke der Vorform entspricht. Eine übermäßige Dichtmitteldicke kann bewirken, dass der innere Sack die Vorform um ihren Umfang herum überbrückt. Eine unzulängliche Dichtmitteldicke kann in extremen Fällen in der Vorform eine Kantenverjüngung aufgrund von örtlich begrenzten Sackbeanspruchungen bewirken.

Sobald sie in Streifen zu der richtigen Dicke oder Höhe aufgestapelt sind, werden die zwei Seiten und die Oberseite des Dichtmittels in einen inerten, leichtgewichtigen, ausdehnbaren Ablösungsfilm, wie zum Beispiel A4000 oder Wrightlon 5200 eingewickelt. Die freiliegende Unterseite ermöglicht es dem Dichtmittel, an dem Werkzeug 50 zu sitzen und ihm gegenüber abzudichten (2). Bei nur drei Seiten auf dem Dichtmittel, welche mit Ablösungsfilm bedeckt sind, ist es in der Lage, sich nach außen auszudehnen, um eine gute Dichtung mit den unregelmäßigen Seiten der Vorform zu bilden. Der enge Kontakt der mit Ablösungsfilm bedeckten Dichtung mit den Seiten der Vorform verhindert eine Harzkanalisierung während der Infusion. Der Ablösungsfilm begrenzt einen übermäßigen Dichtmittelfluss, verhindert eine Verunreinigung des Infusionsharzes und der Vorform mit Dichtmittel und schützt die Grenzfläche zwischen Werkzeug und Kantendichtmittel vor einem möglichen Harzangriff.

Ein durchgängiger Streifen von mit einem Ablösungsfilm bedecktem Dichtmittel wird eng um den Umfang der Vorform gelegt, um das Infusionsfluid zurückzuhalten, bis es während der Aushärtung verfestigt wird. Ein Zurückhalten des Harzes ist wesentlich, um ein Entweichen von Harz und einen Verlust von hydrostatischem Druck an dem Teil zu vermeiden, insbesondere zwischen den Zeitpunkten, an welchen die Vakuum- und Zufuhrrohrleitung abgeklemmt und abgeschnitten wird und das Harz endgültig geliert oder sich verfestigt.

Unter Umständen passt der innere Sack 62 oder die Barrierenfilmdeckschicht 61 um die Vorformanordnung herum, so dass eine Kanalisierung verhindert wird, und gewährleistet das erforderliche Zurückhalten von Fluid ohne die Kantendichtungen. Wir bevorzugen es, Gum-Rubber-Kantendichtungen zu verwenden, insbesondere für dicke Vorformen, welche große Sackdiskontinuitäten an den Kanten aufweisen, wenn die Viskosität des infundierten Harzes während der Aushärtung deutlich abfällt, oder für eine Rückhaltung von Fluid bei geneigten oder vertikalen Infusionen.

Unser Prozess verwendet elastische angepasste Rohrverkleidungen (CTFs, conformal tube fairings) mit konstantem Querschnitt bei breiten oder großen versteiften Vorformen. Das flache Profil der verjüngten CTFs minimiert Einsackungsprobleme und potenzielle Markierungen, insbesondere wenn sie über einem halbbrettigen Flussmedium angeordnet werden. Die CTFs können geformt, in Platten gegossen und mit einem Wasserstrahl geschnitten werden, um die gewünschten Schrägen zu erzeugen, oder können in einfachen Formen oder Pressformen in eine Gestalt extrudiert werden. Da diese CTFs aus elastischen Materialien hergestellt sind, können flache Allzweck-CTFs hergestellt werden, so dass sie zu den meisten konturierten Hüllenoberflächen passen. Eine typischer, bevorzugte CTF ist in 3 dargestellt.

Um die CTFs beim Herstellen breiter Baugruppen zu unterstützen, konvertieren wir, wenn die Infusion fortschreitet, Vakuumleitungen in Zuführungsleitungen, ohne Luft in den Sack einzuführen und ohne Markierungen zu erzeugen. Ein Vakuumrohr, welches zum Beispiel an einer Versteifung angebracht ist, kann verwendet werden, um diese Versteifung zu infundieren, und danach in eine Zuführungsleitung für die nächste Infusionsbucht oder den nächsten Infusionsabschnitt konvertiert werden (4). Diese Konvertierung zwischen Zuführung und Vakuum verwendet ein T- oder Y-Anschlussstück. Ein Zweig der T-Verbindung ist mit einer Harzzufuhr verbunden, kann jedoch mit einem Ventil abgeklemmt oder verschlossen werden, während der andere Zweig offen gelassen und mit dem Vakuumabflusstank verbunden wird. Sobald Harz beginnt, die Vakuumleitung zu füllen und das T-Anschlussstück ohne Blasen durchläuft, wird das Rohr, welches aus dem Sack austritt, verschlossen und der Zweig zu der Harzzufuhr wird geöffnet. Das Zuführungsrohr füllt sich mit Harz und führt Luft aus allen Rohrleitungen ab. Sobald die Rohre gefüllt sind, wird die Vakuumleitung, welche zu dem Abflusstank führt, geschlossen und das aus dem Sack austretende Rohr wird geöffnet, was es einer neuen Harzzufuhr ermöglicht, die Vorform zu versorgen.

Die Rohrleitungen 8 werden in die erforderlichen Längen geschnitten, um die Zuführungs- und Vakuumabzugfedern mit der Harzbehälterquelle 14 bzw. dem Vakuumabflusstank 9 (1) zu verbinden. TEFLON-Rohrleitungen, welche aus FEP, ETCFE, PTFE oder PFA hergestellt sind, können für Harze, welche zwischen 120°C (250°F) und 315°C (600°F) aushärten, verwendet werden. Preisgünstigere Rohrleitungen sind für Aussetzungen gegenüber niedrigeren Temperaturen verfügbar.

Ein Ende jedes Rohrs 8 wird in ein Ätzmittel (wie zum Beispiel Tetraetch von Gore Industries) eingetaucht, um Fluor von dem TEFLON abzulösen, so dass eine chemisch reaktive Oberfläche erzeugt wird, welche aggressiv an dem Dichtmittel anhaftet. Nach dem Eintauchen in Ätzmittel werden die Rohre mit Wasser gespült und getrocknet. Die geätzten Rohre bleiben für ausgedehnte Zeitspannen chemisch aktiv und können unbegrenzt gelagert werden, wenn sie in abgedichteten Säcken trocken und von einer Aussetzung gegenüber ultraviolettem Licht ferngehalten werden. Rohrleitungsinnen- und Außendurchmesser für sowohl die Zuführungs- als auch Vakuumleitungen sind typischerweise 6,4 mm (0,25 Zoll) bzw. 9,5 mm (0,375 Zoll), jedoch sind andere Durchmesserkombinationen möglich. Zuführungsrohre mir kleinerem Innendurchmesser können eine Harzzufuhr in die Vorform einschränken. Rohre mit größerem Innendurchmesser sind teurer und können zu unkontrollierten exothermischen Bedingungen aufgrund einer übermäßigen Harzmasse führen. Eine Wanddicke der Rohrleitung kann reduziert werden, jedoch leidet das Rohrgedächtnis für eine externe Ventilierung. Dünnwandige Rohre kollabieren bei erhöhten Temperaturen.

Sobald die Rohre geätzt wurden, werden Abstände von den Enden der Federn zu den Sackdichtmittelpositionen bestimmt. Die Rohrleitungen werden, wo sie eine Grenzfläche mit dem Dichtmittel ausbilden, in 1 oder 2 Zoll breite Bänder abgeflacht. Ein Abflachen der Rohre in diesen Bereichen erhöht die Dichtmittelhalterungsfläche und führt zu einer geringeren Schneidewirkung durch das Dichtmittel, wenn die Vorform eingesackt wird und das Dichtmittel weich wird. Ein Erwärmen tritt über den gesamten Prozess während des Vakuumaustrocknens, der Infusionen und des Aushärtens auf. Die Rohre werden mit einer Standardheizpistole auf ungefähr 315°C (600°F) oder höher erwärmt und dann in einer Schraubzwinge komprimiert. Die Schraubzwinge hat einen Anschlag, welcher auf eine gewünschte Dicke eingestellt ist, um ein Kollabieren des Rohrs zu vermeiden und die Rohre wiederholbar auf dieselbe Dicke abzuflachen. Die Rohre können nach dem Abflachen in Wasser abgeschreckt werden und getrocknet, oder auf Raumtemperatur luftgekühlt werden.

Die geätzten Enden der Rohre sind vorzugsweise mit Klebstoffbandwicklungen, wie zum Beispiel FLASHBREAKER, KAPTON oder anderem hochtemperaturresistenten Band an den Federn 5 und 6 angebracht. An der Vakuumseite ist jede Feder um einen kurzen Abstand in die Verbindungsrohre, welche mit den entsprechenden Anschlussdurchmessern versehen sind, eingefügt. Die abgeschnittenen Enden der Zuführungsfeder sind in Richtung der Mitte der Feder gebogen, um ein mögliches Durchstechen des Sacks zu vermeiden. Wenn die Rohre und Federn zusammengefügt werden, wird das Deckpapier über den Sackdichtungen an den Rohrleitungspositionen aufgerissen und abgezogen, um das Dichtmittel freizulegen. Die Rohre und Federn werden direkt über das Sackdichtmittel gesetzt.

Rohr-Zugentlastungsvorrichtungen 25 werden installiert. Diese U-förmigen Kanäle 25 (6) weisen eine Kanaltiefe auf, welche geringer ist als der Außendurchmesser des zugehörigen Rohres, um eine leichte Presspassung zu erzeugen. Eine Rohrreibung und die großen Querschnitte der Rohre außerhalb der Kanäle verhindern eine Bewegung in den kritischen Sackdichtungspositionen.

Gewöhnlich positionieren wir einen chemisch resistenten, leichtgewichtigen, dehnbaren äußeren Film 64, wie zum Beispiel A4000 von Airtech International oder Wrightlon 5200-FEP TEFLON-Film, über der Baugruppe, um für Infusionen, welche bei Temperaturen unterhalb von 175°C (350°F) ablaufen, einen zusätzlichen Schutz für den inneren Sack 62 vor einem Harzangriff, einem Durchstoßen des Sacks oder einem Entweichen von Harz hinter die Kantendichtung zu gewährleisten. Ein solcher Film deckt die gesamte Vorformauflage und Kantendichtung ab und verläuft bis dicht an die Dichtung des inneren Sacks. Für Aushärtungen bei niedrigerer Temperatur können Polyethylen- oder Polypropylenfilme verwendet werden.

Wenn das Harz sehr aggressiv ist, kann es sich hinter die Kante des Schutzfilms bewegen und den Sack angreifen, solange nicht zusätzliche Filmstreifen oder -rahmen an der Innenseitenkante der Dichtung 56 des inneren Sacks installiert werden. Diese Filmstreifen überlappen typischerweise den inerten Basisbarrierenfilm 61 um 25–76 mm (1–3 Zoll), um den Fließweg für das Harz zum Erreichen des inneren Sacks 62 einzuschränken und zu verengen.

Der innere Sack 62 ist allgemein ein Einweg- oder Verbrauchsfilm oder -elastomer. Für lange Produktionsläufe, insbesondere von komplexen Strukturen, können jedoch angepasste, vorgeformte, wiederverwendbare elastomere Säcke, welche aus Silikonen, Fluorosilikonen, Fluorel, Nitrilgummi oder anderen elastomeren Materialien hergestellt sind, bevorzugt sein. Der Sack 62 sollte flexibel sein und eine hohe Dehnungsfähigkeit mit einem relativ geringen Modul aufweisen, um ein Einsacken von komplexen Teilen zu vereinfachen, welche um die Vorform herum vakuumgeformt werden können, sogar wo sie überbrückt sind. Eine Sacküberbrückung kann über die Vorform an Diskontinuitäten auftreten. Ein niedriger Modul reduziert örtliche begrenzte Sackbelastungen auf die Vorform, welche andernfalls eine Verjüngung, Verzerrung oder Vorformbeschädigung verursachen können. Eine Gestaltung des Sacks, so dass er mit der Kontur der Vorform übereinstimmt, minimiert harzreiche Bereiche in den fertiggestellten Teilen, Harzkanalisierung und eine Kantenverjüngung aufgrund von sackinduzierten Belastungen. Obwohl er bei Raumtemperatur steif ist, kann der Film ausreichend flexibel werden, wenn er für eine Vakuumaustrocknung, Infusion oder Aushärtung erwärmt wird. Standardnylonsäcke für eine Prepreg-Material-Prozessierung bei 175°C (350°F) werden funktionieren, sind jedoch aufgrund ihrer relativ niedrigen äußersten Dehnung (200–300%) und hohen Steifigkeit nicht optimal. Einsackungsfilme aus STRETCHLON 700 Polyester und STRETCHLON 800 Nylon von Airtech International sind überlegen, weil sie sich über 500% ausdehnen können und flexibler als die Standardnylonfilme sind. Ein VACPAC-Polyurethanfilm von Richmond Products ist effektiv bei Niedriegtemperaturaushärtungen unterhalb von 38°C (160°F), weil er einen extrem niedrigen Modul bei Raumtemperatur und eine äußerste Dehnung, welche sich 1000% annähert, aufweist. Für Aushärtungen bis zu 315°C (600°F) können spezielle FEP-basierte Einsackungsfilme, wie zum Beispiel VB3 von ChemFab anstelle von polymidbasierten Filmen, wie zum Beispiel KAPTON oder THERMALIMID, verwendet werden. Dieses FEP-Einsackungsmaterial weist eine Dehnung von mehr als 500% auf, wenn es auf einer Seite geätzt wird.

Zum Einsacken von komplexen Formen dehnen wir Einwegfilme auf Vorlagenwerkzeugen bei erhöhten Temperaturen. Diese gedehnten Säcke sind einfach zu verwenden und wiederverwendbaren, geformten Gummisäcken beim Herstellen von komplexen Fertigteilen überlegen.

Wiederverwendbare, geformte Gummisäcke werden allgemein aus Gum-Rubber-Folienbahnen hergestellt, welche gespleißt, über einem Vorlagenwerkzeug miteinander versäumt und zur Aushärtung erwärmt werden. Die Vorlage kann darauf eingebettete oder eingeprägte Muster aufweisen, um Kanäle oder Flussmerkmale direkt in dem Sack zu erzeugen, in derselben Weise, wie es Seemann vorschlägt. Typischerweise werden diese Gummisäcke behandelt, um eine Harzablösung nach der Aushärtung zu ermöglichen, um ein Angreifen des Sacks zu reduzieren und um die Dichtmittelanhaftung in ausgewählten Bereichen, insbesondere um die Kante herum, zu verbessern. Als Versuch, eine Schrumpfung nach dem Aushärten zu kontrollieren, können Verbundstoffmaterialien in die Säcke eingearbeitet werden.

Geformte Gummisäcke sind erheblich teurer als Einwegeinsackungsfilme, jedoch neigen die Säcke dazu, schneller als man erwarten würde nachzulassen. Ablösungsdecklagen sind häufig an dem geformten Gummi angebracht, jedoch können sie sich ablösen und spinnenartige Falten auf der Sackformungsfläche erzeugen. Nahtdefekte oder Sackrisse können auftreten.

Ein Herstellen der Vorlagenform kann schwierig sein. Sie muss dazu bemessen sein, der hohen Sackschrumpfung, welche nach der Aushärtung auftritt, Rechnung zu tragen. Nichtsdestotrotz schrumpfen die Säcke weiter über wiederholte Aushärtungszyklen, was zu einer immer schlechteren Anpassung an die Vorform führt. Das Zusammenfügungsproblem wird verstärkt, weil die Gummisäcke eine sehr viel höhere Steifigkeit und Belastung auf die vergleichsweise unstabile Vorform aufweisen als Einwegfilmsäcke. Eine gewaltsame Anpassung der Säcke kann sogar zu einer Bewegung oder Beschädigung der Vorform führen. Bei der richtigen Sorgfalt können die Säcke nur ungefähr 100 Aushärtungszyklen bei 175°C (350°F) widerstehen, jedoch versagen sie häufig in weniger als 10 Zyklen.

Der innere Sack 62 wird mit Übergröße bezüglich der innerhalb der Dichtung 56 des inneren Sacks enthaltenen Fläche zugeschnitten. Das Schutzpapier wird von der Oberseite des Dichtmittels des inneren Sacks entfernt. Der innere Sack wird auf das Dichtmittel gesetzt. Überschüssiges Material außerhalb des Umfangs der Dichtung wird zurückgeschnitten, und dann wird ein Klebstoffband 58 (2), wie zum Beispiel FLASHBREAKER 1 von Airtech International, verwendet, um den Einsackungsfilm an das Werkzeug 50 zu kleben, um die Vakuumintegrität zu erhöhen und ein Ablösen des Sacks zu minimieren.

Nachdem der innere Sack 62 installiert ist, wird das Zuführungsrohr extern mit einer Zange abgeklemmt. Das Ende des Zuführungsrohrs wird ebenfalls vorübergehend mit einem Gum-Rubber-Dichtmittel, wie zum Beispiel demjenigen, welches für die Sackdichtungen 55 und 56 verwendet wurde, verschlossen. Kappen und Hülsen werden auf die Vakuumrohre 8 geschoben. Die Enden der Vakuumrohre werden in die Anschlussstücke 16, welche in dem Vakuumabflusstank 9 installiert sind, geschoben. Die Enden der Rohre sind in einer ausreichenden Tiefe positioniert, so dass das Harz in den entfernbaren Stahlkanister 10 ausläuft. Mit den Vakuumrohren in der richtigen Tiefe werden die Kappen auf die Anschlussstücke geschraubt, um die Hülsen auf den Rohren zu stauchen, was eine Dichtung bezüglich des Vakuumabflusstanks 9 erzeugt. Gum-Rubber-Dichtmittel wird um die Anschlusstücke und Kappen gewickelt, um eine zusätzliche Dichtungsintegrität an dem Rohr bezüglich der Abflusskanisterverbindungen zu gewährleisten.

Eine Vakuumquelle 11 wird mit dem Abflusstank 9 verbunden, um ein Vakuum in den installierten inneren Sack 62 zu ziehen. Die Vakuumleitung weist typischerweise an beiden Enden Schnellverbindungsanschlusstücke auf, welche es ermöglichen, sie einfach an den Abflusstank und die Vakuumquelle anzubringen. Sobald der Sack mit Vakuum festgezogen wurde, wird das Vakuumniveau mit einem Vakuummessgerät oder Vakuummessfühler 12 überprüft. Wenn das Teil ein offensichtlich niedriges Vakuumniveau aufweist, wie es von dem Messgerät oder Signalen von der Vakuumpumpe angezeigt wird, werden der Sack und die Verbindungen mit einem Leckdetektor überprüft, bis die Undichtigkeit gefunden und repariert ist. Mit einer hocheffizienten Vakuumpumpe sollte das Vakuumniveau 95 kPa (28 Zoll Hg) übersteigen. Ein Vakuum von mehr als 98 kPa (29 Zoll Hg) wird bevorzugt, weil es eine zusätzliche Vorformverdichtung gewährleistet.

Eine Entlüftung 63 vom Typ AIRWEAVE N-10 oder SUPERWEAVE UHT 800 (2) wird über dem inneren Sack angeordnet und erstreckt sich nahe an aber nicht in Kontakt mit dem Dichtmittel 55 des äußeren Sacks. Die Entlüftung kann Glasfasergewebe, Glasfasermatten, Flussmedium oder Stahlwolle (für eine Infrarot-Flussfronterfassung) sein.

Ein äußerer Sack 64 wird über der Entlüftung 64 in einer ähnlichen Weise wie der innere Sack 62 installiert. Der äußere Sack wird an dem Werkzeug 50 mit dem Dichtmittel 55 und Klebstoffband 57 abgedichtet. Um ein Vakuum in den Hohlraum zwischen dem inneren und äußeren Sack einzubringen, wird typischerweise ein Anschlussstück 20 durch den Sack verwendet, obwohl auch Rohre durch das Werkzeug oder durch die Dichtung verwendet werden könnten. Das Anschlussstück ist mit einem Vakuumschlauch 13 verbunden, welcher an beiden Enden mit Schnellverbindungsanschlussstücken ausgestattet ist. Die Vakuumintegrität des äußeren Sacks wird in derselben Weise überprüft wie bei dem inneren Sack.

Das Vakuumniveau des inneren Sacks sollte gleich oder besser als das Vakuumniveau zwischen dem inneren und äußeren Sack sein, so dass von der zwischen dem inneren und äußeren Sack definierten Kammer ein Druck auf den inneren Sack ausgeübt wird. Diese Situation tritt natürlicherweise auf, wenn sowohl der innere als auch der äußere Sack mit derselben Vakuumquelle verbunden sind. Wenn das Vakuumniveau des äußeren Sacks das Vakuumniveau des inneren Sacks übersteigt, kann bei einer weniger effektiven Verdichtung der Vorform der innere Sack leicht verschoben werden.

Vakuumaustrocknung

Sobald die Vorform eingesackt und angeschlossen ist, bevorzugen wir es allgemein, die Vorform unter Vakuum zu erwärmen, um sie zu trocknen. Wir können den Trocknungsschritt in einem Konvektionsofen, auf Heizplatten oder auf erwärmten Vakuumverdichtungstischen, wie zum Beispiel denjenigen, welche von Brisk Heat hergestellt werden, abschließen. Eine Verdichtung verfestigt die Vorform, treibt flüchtige Substanzen aus, welche in der Vorform oder den Einsackungsmaterialien eingeschlossen sein können, und verteilt durch Kapillarwirkung schmelzbare Bindemittel gleichmäßig in die Vorform. Die inneren und äußeren Dichtungen werden durch ihre weichste kritische Stufe avanciert, wo sie mit größter Wahrscheinlichkeit Undichtigkeiten entwickeln. Die Dichtmittelbindung an den Säcken verbessert sich durch den Gummiaushärtungsprozess, was eine verbesserte Vakuumintegrität gewährleistet. Wenn sich eine Undichtigkeit während der kritischen weichen Phase in dem Gum-Rubber-Dichtmittel entwickeln sollte, hat dies keine Folgen, da das Infusionsharz nicht anwesend ist. Bei erhöhter Temperatur entdeckte Undichtigkeiten können einfach repariert werden und die Zuverlässigkeit in die Sackintegrität wird erhöht. Ein Austrocknen hilft dabei, die Kantendichtmittel zu positionieren und formt durch Vakuum die Einsackungsmaterialien an die Vorformmaterialien, wodurch eine bessere Anpassung hervorgerufen wird. Diese Anpassungsverbesserung hilft dabei, eine mögliche Harzkanalisierung und Überbrückung zu vermeiden, welche die Ausbildung von harzreichen Bereichen in dem Verbundstoff ermöglichen würden.

Der bevorzugte Temperaturzyklus für die Vakuumaustrocknung hängt von den Vorformmaterialien in dem Einsackungssystem ab. Bei einer typischen Infusion werden das Werkzeug, die Vorform und die Einsackungsmaterialien schnell auf 120°C (250°F) erwärmt, bei dieser Temperatur für eine Stunde gehalten und auf die Infusionstemperatur abgekühlt. Für geheftete Vorformen und 3-D-gewebte Vorformen ist der Verlauf wegen der hydroskopischen Eigenheit der organischen Heftfasern und der Wasserschmierstoffe, welche bei einem 3-D-Webeprozess mit Karbonfasern verwendet werden, normalerweise zwei Stunden bei 175°C (350°F). In einigen Fällen, wie zum Beispiel bei Vorformen, welche Kerne aus syntaktischem Schaum beinhalten, ist eine Erwärmung nicht erlaubt, weil sie den Schaum schmelzen und zerstören würde. Bindemittel spielen auch eine signifikante Rolle beim Bestimmen des geeigneten Austrocknungsvorgangs. Für „weiche" mit einem Cyanatester-Bindemittel versehene Vorformen, bei welchem das Bindemittel stärker in dem Infusionsharz löslich ist, kann der Zyklus eine Stunde bei 71°C (160°F) oder eine halbe Stunde bei 93°C (200°F) sein. Dieser Zyklus weist eine ausreichend hohe Temperatur auf, um das Bindemittelmaterial zu schmelzen, um verbleibende Trägerlösungsmittel auszutreiben und das Bindemittel durch Dochtwirkung in die Vorform zu ziehen. Diese Temperatur ist niedrig genug, ein deutliches Avancieren im Aushärtungsgrad zu vermeiden. Für „halbsteife" Vorformen, welche mit katalysiertem M-20-Cyanatester-Bindemittel versehen sind, kann der Zyklus eine Stunde bei 120°C (250°F) sein. Die erwärmten Vakuumaustrocknungszyklen variieren, haben jedoch im Allgemeinen positive Effekte auf den Gesamtinfusionsprozess.

Infusion der Vorform

Das ausgewählte Harz wird eine Anzahl der für den Infusionsprozess ausgewählten Prozessierungsparameter vorschreiben, einschließlich der Mischungs- und Abgabetechniken, Infusionstemperatur, Flusslängen, Arbeitszeiten, Temperaturkontrollgrad, Flusslängen und Auswahl des Flussmediums.

Bevorzugte Harze aus einer Prozessierungsperspektive haben einige oder alle der folgenden Eigenschaften:

  • a. Lange Topfzeiten bei der Infusionstemperatur (mehrere Sunden oder mehr), um komplexe Infusionen zu ermöglichen und Einschränkungen bei der zeitlichen Steuerung zu verringern;
  • b. 1- oder 2-teilige Harze für ein einfaches Mischen;
  • c. können für ein Arbeiten außerhalb eines Ofens, Benutzerkomfort, eine verbesserte Prozesskontrolle, schnellere Prozessierung mit einfacherer und weniger Ausstattung bei Raumtemperatur gemischt und infundiert werden, ermöglichen vereinfachte Echtzeitmassenbilanzen und können leichter für Wiederverwendungstechniken angepasst werden;
  • d. weisen eine Viskosität im Bereich von 100–350 Centipoise auf, um eine schnelle Infusion ohne Kanalisierung und vereinfachte Leitungsführungserfordernisse für die Herstellung von großen Teilen zu ermöglichen;
  • e. können ohne Gefahr von gefährlichen exothermen Bedingungen in großen Chargen gemischt werden;
  • f. sind nicht toxisch und nicht krebserregend;
  • g. können bei Raumtemperatur im ungemischten Zustand gelagert werden, um das Erfordernis für ein Auftauen und Gefriergeräte zu beseitigen;
  • h. sind für eine verringerte Zykluszeit und einen größeren Ofendurchsatz schnell aushärtend;
  • i. haben für ein verbessertes Durchtränken eine geringe Oberflächenspannung;
  • j. geben unter Hochvakuum keine flüchtigen Substanzen und andere Gase ab;
  • k. weisen eine niedrige Reaktionswärme auf, um die Herstellung von dicken Teilen zu ermöglichen;
  • l. Härten bei niedrigen Temperaturen aus, um kostengünstigere Vorlagenherstellungswerkzeuge zu ermöglichen;
  • m. sind kompatibel mit Einsackungsmaterialien, um das Risiko eines Vakuumdefekts, welcher dadurch entsteht, dass das Harz die Säcke angreift, zu minimieren;
  • n. sind wiederverwendbar, um Abfall zu verringern;
  • o. sind kostengünstig mit einer Hochtemperaturleistungsfähigkeit für anspruchsvolle Anwendungen;
  • p. ermöglichen eine Infusion bei minimaler Viskosität in einem Endphasenszenario, um Faservolumina zu erhöhen und die Wahrscheinlichkeit eines Verlustes von hydrostatischem Druck während der Aushärtung zu verringern;
  • q. sind während der Lagerung amorph (kristallisieren nicht);
  • r. gelieren nicht, bevor sie auf eine maximale Aushärtungstemperatur erhitzt werden, um Werkzeugbelastungen auf frisch gelierte komplexe Komponenten zu beseitigen;
  • s. besitzen von Charge zu Charge gleichbleibende und wiederholbare Gelierzeiten.

Bevorzugte Harze beinhalten EX-1510 und EX-1534 von Bryte Technologies, Cyanatester, das anhydridbasierte Epoxidharz SI-ZG 5A von ATARD Laboratories und das 823-Epoxidharz von Cytec-Fiberite. Bevorzugte Harze sind bei Raumtemperatur Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität und erfordern zur Infusion folglich kein Erwärmen. Einige Harze, wie zum Beispiel das 8611 von Ciba Geigy sind bei Raumtemperatur dicke viskose Flüssigkeiten (zwischen ungefähr 1.000–10.000 Centipoise) und müssen auf vergleichsweise niedrige Temperaturen erwärmt werden (typischerweise zwischen 38–71°C (100–160°F)), um eine akzeptable Viskosität zu erreichen (weniger als 0,4 Pa·s–1 (400 Centipoise)). Andere Harze, wie zum Beispiel das PR 500 von 3M und das 5250-4-RTM von Cytec Fiberite sind bei Raumtemperatur halbfeste Materialien und müssen bei vergleichsweise hohen Temperaturen geschmolzen werden, um in einem akzeptablen Viskositätsbereich zu infundieren. Wir vermeiden die Verwendung von Harzen, welche kurze Topfzeiten oder übermäßig lange Kurvenwinkel aufweisen. Wir vermeiden auch Harze, welche unter Mikrorissbildung leiden, wenn sie ausgehärtet werden.

Eine Harzchargenpräparation für die Flüssigmaterialien mit niedriger Viskosität ist vergleichsweise leicht und einfach. Die Komponenten werden zusammen auf eine Präzisionswaage abgegeben, für mehrere Minuten mit einem offenen pneumatisch angetriebenen Rührer gemischt und dann in einem Vakuumglockengefäß oder Ähnlichem für 5–10 Minuten entlüftet. Wenn ein Vakuummischer verfügbar ist, kann das Harz gleichzeitig gemischt und entlüftet werden. Viskositätsüberprüfungen können mit einem Viskosimeter vom Brookefield-Typ durchgeführt werden.

Für viskose Flüssigkeiten muss das Mischen auf einer Heizplatte mit einem nachfolgenden Entlüften in einem Vakuumofen, um eine Abkühlung zu vermeiden, durchgeführt werden. Die Misch-, Erwärmungs- und Entlüftungsvorgänge sollten ebenfalls in einem doppelwandigen Vakuummischer, welcher mit Heizfähigkeiten ausgestattet ist, durchgeführt werden. Eine sorgfältige Temperaturüberwachung ist üblicherweise erforderlich, um eine gleichmäßige gewünschte Temperatur in dem Gemisch zu etablieren und mögliche gefährliche exotherme Bedingungen zu vermeiden.

Halbfeste Materialien werden am effektivsten unter Verwendung eines Graco-Hot-Melt-Dispensers abgegeben und erwärmt. Diese Harze werden normalerweise in Vakuumöfen entlüftet, um eine Kühlung zu minimieren.

Sobald das Harz gemischt, erwärmt (falls erforderlich) und entlüftet ist, kann die Masse des in das System zu füllenden Harzes bestimmt werden. Die Menge von für eine Infusion erforderlichem Harz ist typischerweise die Summe des zum Füllen der Rohre, der Vorform und des Flussmediums erforderlichen Harzes, zuzüglich einer zusätzlichen Arbeitsmenge zwischen 400 und 1.000 g. Die Menge des erforderlichen Überschusses hängt von der Teilkonfiguration, der Anzahl von Zufuhrbehältern und davon ab, ob Rückführungstechniken verwendet werden.

Weil der Doppelsackvakuuminfusionsprozess für das Harz ein System mit geschlossenem Kreislauf aufweist, können Massenbilanzen durchgeführt werden, um den Harzanteil oder das Faservolumen eines gegebenen Teils vor dem Aushärten abzuschätzen.

Das Gewicht der Vorform kann direkt gemessen oder aus bekannten Vorformlagenflächen und nominalen Flächengewichten abgeschätzt werden. Mit den Gewichten und der Dichte (d.h. dem spezifischen Gewicht) des Harzes und der Vorform können der Harzgehalt und das Faservolumen leicht bestimmt werden.

Unter Verwendung von Präzisionswagen an dem Zufuhrbehälter 14 und dem Abflusskanister 10 können Massenflussraten, Fluidgeschwindigkeiten, eine prozentuale Vorformfüllung und Faservolumina in jeder Stufe der Infusion bestimmt werden. Damit die Abflussanzeige richtig arbeitet und eine ausreichende Empfindlichkeit aufweist, muss sie mit Vakuumdichtungen, um die Energiezufuhr und Rückführung zu den Datenaufnahmeeinrichtungen zu führen, innerhalb des Vakuumabflussbehälters positioniert werden.

Wenn das Harz bei einer erhöhten Temperatur auf ein heißes Werkzeug infundiert werden muss, muss der Vorgang in einem Ofen durchgeführt werden, oder das Werkzeug und/oder Harz muss erwärmt werden. Für eine Umgebungsprozessierung kann die Infusion an praktisch jeder zweckmäßigen Stelle oder direkt in dem Ofen durchgeführt werden. Wenn die Infusion außerhalb des Ofens durchgeführt wird, wird die Prozessierungskapazität maximiert. Wenn Infusionen außerhalb des Ofens durchgeführt werden, ist es wichtig, dass das Vakuumniveau in dem äußeren Sack während des Überführens von der Infusionsstelle zu dem Ofen zur Aushärtung nicht abnimmt.

Um die Infusion zu beginnen, wird das Ende der Zuführungsleitung 8 mit einem Rohrschneider abgeschnitten, um den Abschnitt des Rohres mit dem Dichtmittelstöpsel zu entfernen. Eine externe Einschnürungsvorrichtung ist auf dem Zuführungsrohr installiert, um die Flussrate des Harzes in der anfänglichen Phase der Infusion zu verringern. Ohne diese Einschränkung der Zufuhr neigt das Harz dazu, zu schnell in das Teil zu schießen und kann Hohlräume hinter der Wellenfront einschließen, welche schwierig zu entfernen sind. Das Ende des Zuführungsrohrs wird in dem Zufuhrbehälter 14 nahe der Basis positioniert und wird befestigt. Die Zufuhr kann um einen Winkel gekippt sein, wobei das Zuführungsrohr an der niedrigsten Stelle positioniert ist, um die Menge von Harz zu minimieren, welche erforderlich ist, um zu verhindern, dass Luft in das Rohr und die eingesackte Vorform eintritt. Um den Fluss einzuleiten, wird das Metallblech oder die Schweißklemme entfernt. Nach einigen Infusionsminuten wird die Einschränkungsvorrichtung normalerweise von dem Zuführungsrohr entfernt, um die Infusionsrate zu beschleunigen.

Die Zufuhr kann unterhalb des niedrigsten Teils der Vorform positioniert sein. Eine Zuführung in die Vorform mit positivem Druck bewirkt, dass sich der innere Sack nahe der Zuführungsfeder ausbeult. Die Vakuumrohre sollten sich andererseits über die Vorform erheben, um dabei zu helfen, einen hydrostatischen Druck auf das Fluid aufrechtzuerhalten und einen Harzabfluss aus der Vorform in den Abflusskanister zu minimieren. Obwohl Vorformen erfolgreich in der horizontalen Ausrichtung infundiert werden können, ist es häufig zu bevorzugen, in einer geneigten oder vertikalen Orientierung mit der Zufuhr an dem untersten Ende und dem Vakuumabzug an dem höchsten Ende zu infundieren. Geneigte oder vertikale Ausrichtungen neigen dazu, bei Harzsystemen mit niedriger Viskosität und in Vorformen mit hohen Variationen in der Permeabilität Kanalisierungseffekte zu verringern. Diese Ausrichtungen können auch verwendet werden, um eine andernfalls notwendige Leitungsführung zu vermeiden.

Wenn die Infusion fortschreitet, verlangsamt sich die Infusionsrate allmählich. Die Infusionsrate fällt aufgrund des ansteigenden Widerstands und Druckabfalls, wenn das Fluid die Vorform benetzt. Mit einer einzigen Flussmediumschicht infundiert eine einzige Zuführungsleitung oder -feder effizient 0,9–1,2 m (linear 3–4 Fuß) einer Vorform in ungefähr einer Stunde. Die Flusslängen können so groß sein wie 1,5–1,8 m (5–6 Fuß), bevor eine zusätzliche Zuführungsleitung erforderlich ist.

Wenn Harz das Vakuumende der Vorform erreicht, füllt das Harz die Vakuumrohre und fällt dann kaskadenartig in den Abflusskanister 10. Weil die Vakuumrohrleitungen bezüglich der Vorform eine sehr hohe Permeabilität aufweisen, kann die vollständig benetzte Vorform lokal am Vakuumende entleert werden, was zu einem Verlust von hydrostatischem Druck auf das Harz in der Vorform führt. Wenn sich die Vorform entleert, nimmt der Harzfluss in die Vakuumrohrleitung ab. An einem gewissen Punkt übersteigt die Harzzufuhr in die Vorform den Abfluss und die Vorform beginnt, sich wieder zu füllen. Der Prozess eines Füllens und Entleerens der Vorform lokal am Vakuumende der Vorform wird wiederholt durchlaufen, bis aktive Maßnahmen ergriffen werden. Eine Blasenbildung in dem Vakuumrohr ist häufig mit diesem Phänomen verknüpft. Die Rate der Blasenbildung steigt an, wenn sich die Vorform entleert, und nimmt ab, wenn sich die Vorform füllt.

Wenn die Zuführungs- und Vakuumrohrleitungen abgeklemmt und abgeschnitten werden, wenn die Vorform einen niedrigen hydrostatischen Harzdruck aufweist oder teilweise gefüllt ist, wird das resultierende Teil eine Oberflächenporosität und in schwereren Fällen eine innere Porosität aufweisen. Diese Defekte werden sich typischerweise am Vakuumende der Vorform befinden. Folglich ist es wesentlich, die Leitungen zu schneiden, abzuklemmen und abzudichten, wenn die Vorform voll ist.

Die Vakuumleitungen sollten auf eine annähernd geschlossene Position gedrosselt oder gesperrt werden, bis die Massenflussrate von Harz durch die Vorform der Massenflussrate in dem Vakuumrohr entspricht. In dem gedrosselten Zustand übersteigt die Harzzufuhr in die Vorform und die Rohre die Abzugfähigkeit stromabwärts vom Drosselungspunkt. Folglich wird sich die Vorform vollständig füllen. Wenn sich die Vorform füllt, werden die Massenflussraten in der Vorform letztendlich abnehmen, so dass sie der Massenflussrate jenseits des Drosselungspunkts entsprechen. Sobald dieser quasistatische Zustand, in welchem die Zufuhr- und Abzugraten gleich sind, erreicht ist, und die Vorform voll ist, lässt die mit dem Füll- und Entleerungsphänomen verknüpfte Blasenbildungswirkung nach. Das Vakuumrohr zwischen der Vorform und dem Rohrdrosselungspunkt füllt sich schließlich mit blasenfreiem Harz. Das System erreicht normalerweise einen quasistatischen Zustand nach ungefähr 15 Minuten einer Prozessierung mit gedrosseltem Fluss.

Externe Klemmen werden typischerweise verwendet, um den Fluss zu drosseln, jedoch können auch interne Stöpsel, Düsen, gesinterte Metalle/Keramiken, Filter, Zweipositions-Kugelventile oder Präzisionsdosierungsventile verwendet. In dem Fall eines Zweipositions-Kugelventils würde die offene Position einen vollständigen uneingeschränkten Fluss ermöglichen. In der geschlossenen Position hat das Kugelventil eine kleine Öffnung, welche einen begrenzten Fluss ermöglicht. Selbstverständlich sind Variationen dieses Konzepts möglich, um die gleichen Ergebnisse zu erreichen. Die Stöpsel, Düsen, Filter und gesinterten Materialien können als ein Verfahren, die Vorrichtungen zu halten, in dem Rohr zwischen den Abdruckflächen der komprimierten Dichtung positioniert werden.

Ein anderer Ansatz, welcher verwendet werden kann, um eine Vorformentleerung zu vermeiden, ist es, das Vakuum an dem inneren Sack zu regulieren. Ein Verringern des Vakuumniveaus verringert die Flussraten in den Rohren. Die Vorform hat eine geringere Neigung, sich zu entleeren, insbesondere für viskosere Harze, welche eine ausreichende Steifigkeit aufweisen, um sich als eine durchgängige Ansammlung durch die Vorform zu bewegen. Das Harz weist auch eine geringe Neigung auf, sich in einzelne Fluidkörper aufzuteilen. Bei Verwendung dieses Ansatzes wird das Vakuumniveau des inneren Sacks typischerweise von 98+ kPa (29+ Zoll Hg) auf 75–91 kPa (22–27 Zoll Hg) abgesenkt. Kurz nach dem Absenken des Vakuumniveaus wird die Blasenbildung wie bei den Drosselungsvorrichtungen aufhören. Ein Problem bei diesem Ansatz ist, dass sich aufgrund des verringerten Vakuums der innere Sack in Richtung des äußeren Sacks bewegt. Die Bewegung verringert die Vorformverdichtung und produziert letztendlich Verbundstoffe mit niedrigerem Faservolumen.

Nachdem die Vorform vollständig mit Harz gefüllt ist und die Harzflussrate konstant ist, werden die Zuführungs- und Vakuumrohre gleichzeitig mit Metallblech oder Schweißzangen abgeklemmt und verschlossen. Die Vakuumquelle wird von dem Abflussbehälter getrennt. Sowohl die Vakuumrohre als auch das Zuführungsrohr werden nahe den Schweißzangen abgeschnitten. Das Harz in den Vakuumrohren wird in den Abflusstank gesaugt, und das Harz in dem Zuführungsrohr entleert sich in den Zufuhrbehälter. Der Prozess führt zu einer vollständigen Harzrückgewinnung und ermöglicht es, zeitnahe Massenbilanzen durchzuführen. Die Enden der abgeschnittenen Vakuumrohre und des Zuführungsrohrs werden mit Klebstoffband abgedichtet und dann mit Vakuumsack-Dichtmittelband umwickelt. Die Rohrdichtungen sind einfach eine redundante Maßnahme, um zu vermeiden, dass Luft in dem Fall, dass die Schweißzangen dabei versagen, den inneren Sack von atmosphärischem Druck zu isolieren, Luft in den inneren Sack eintritt. Vor einem Aushärtungsbeginn wird der Großteil des Harzes in dem Zuführungskanister und dem Abflusskanister aus dem Ofen entfernt, um eine unerwünschte gefährliche exotherme Reaktion zu vermeiden. In ähnlicher Weise werden alle anderen Werkzeuge und Verbrauchsmaterialien vor dem Schließen des Ofens für eine Aushärtung entfernt.

Unser bevorzugter Prozess ermöglicht eine Harzwiederverwertung oder -rückführung. Bei einigen komplexen Infusionen, wo beispielsweise separate Wellenfronten zusammenlaufen, kann es sein, dass zusätzliches Harz aus der Vorform abgeführt werden muss, um eingeschlossene Luft oder Hohlräume zu entfernen. Eine Harzrückführung anstelle eines durchgängigen Abführens minimiert den Harzabfall und die Kosten. Bei einer Rückführung wird überschüssiges Harz typischerweise in das System gefüllt, um ein vernünftiges Arbeitsvolumen zu haben. Dem Harz wird ermöglicht, sich in dem Abflusskanister anzusammeln. Sobald das Harz in dem Zufuhrbehälter beginnt, wenig zu werden, werden die Zuführungs- und Vakuumrohre zugeklemmt. Die Vakuumzufuhr an den Abflusskanister wird unter Verwendung der Schnellverbindungsanschlussstücke gelöst und das Vakuum wird entlassen. Bei entlassenem Vakuum kann der Deckel auf dem Abflussbehälter entfernt werden und Harz aus den Rohren in den Behälter entleert werden. Das Harz in dem Abflussbehälter wird in den Zufuhrbehälter überführt. Eine ausreichende Zeit, gewöhnlich ungefähr 5 Minuten, wird bereitgestellt, um es mitgeführter Luft zu ermöglichen, aus dem Harz zu perkolieren, bevor der Fluss wieder eingeleitet wird. Der Abflusstank wird wieder zusammengefügt und mit einer separaten isolierten Vakuumpumpe evakuiert, um jegliche mögliche Vakuumabnahme in dem äußeren Sack zu vermeiden. Sobald der Tank auf dem ursprünglichen Vakuumniveau ist, werden alle Rohrklemmen gleichzeitig gelöst, was den Fluss wiederherstellt. Der Prozess kann wiederholt werden, bis alle Hohlräume und Blasen aus der Vorform entfernt sind. An diesem Punkt kann die Infusion beendet werden.

Eine Infusion und Aushärtungsprozessierung von Chargen ist möglich. Die einzige potenzielle Einschränkung ist die Anzahl von infundierten Teilen, mit welchen der Ofen beladen werden kann. Wenn Teile seriell infundiert werden, kann ein überschüssiges Arbeitsharz von jeder zuvor abgeschlossenen Infusion verwendet wie es ist werden oder mit jungfräulichem Harz für nachfolgende Infusion vermischt werden.

Wie zuvor beschrieben kann zum Beispiel ein auf einer Versteifung angebrachtes Vakuumrohr verwendet werden, um diese Versteifung zu infundieren, und danach in eine Zuführungsleitung für die nächste Infusionsbucht oder den nächsten Infusionsabschnitt konvertiert werden (4). Diese Konvertierung zwischen Zuführung und Vakuum verwendet ein T- oder Y-Anschlussstück. Ein Zweig der T-Verbindung ist mit einer Harzzufuhr verbunden, kann jedoch mit einem Ventil abgeklemmt oder verschlossen werden, während der andere Zweig offengelassen und mit dem Vakuumabflusstank verbunden wird. Sobald Harz beginnt, die Vakuumleitung zu füllen und das T-Anschlussstück ohne Blasen durchläuft, wird das aus dem Sack austretende Rohr verschlossen und der Zweig zu der Harzzufuhr geöffnet. Die Zuführungsleitung füllt sich mir Harz und führt Luft aus allen Rohrleitungen ab. Sobald die Rohre gefüllt sind, wird die zu dem Abflusstank führende Vakuumleitung verschlossen und das aus dem Sack austretende Rohr wird geöffnet, was es einer neuen Harzzufuhr ermöglicht, die Vorform zu versorgen.

Unser Prozess könnte verwendbar sein, um Kohlenstoff/Kohlenstoff- und Keramikmatrix-Verbundstoffe durch mehrfache Infusionen, Aushärtungen und Verdichtung desselben Vorformmaterials zu produzieren.

Harzaushärtung

Sobald die Infusion abgeschlossen ist, muss ein hohes Vakuum in dem äußeren Sack der infundierten Vorform über den gesamten Aushärtungszyklus, insbesondere unmittelbar vor und während einer Harzgelierung, beibehalten werden. Ein Vakuumverlust während dieser kritischen Stufe bewirkt, dass der innere Sack relaxiert, was das Volumen in dem inneren Sack erhöhen wird. Die infundierte Vorform wird sich aufblähen, weil Harz nicht in das geschlossene System hinzugefügt werden kann, das Aufblähen reduziert den hydrostatischen Druck, was eine Oberflächenporosität und Hohlräume, eine verringerte Vorformverdichtung und niedrigere Faservolumina hervorruft.

Aufgrund der kritischen Eigenschaft des Vakuumniveaus des äußeren Sacks, verwenden wir Vakuummessfühler, Datenerfassungseinrichtungen und Labview-Software, um den Druck durchgängig während der Aushärtung zu überwachen. Ofen- und Werkzeugtemperaturen werden ebenfalls durchgängig aufgenommen und in Echtzeit angezeigt. Aufgrund der Gefahr für die Vakuumintegrität werden keine Überwachungsthermoelemente in den Sack eingeführt. Beobachtungsfenster in dem Ofen sind wünschenswert, um die im Gange befindliche Aushärtung zu beobachten.

Unser Prozess wurde in erster Linie zum thermischen Aushärten (Erwärmen) der Harze entwickelt. Alternative Aushärtungsverfahren, wie zum Beispiel eine Elektronenstrahlaushärtung, eine UV-Aushärtung und eine Mikrowellenaushärtung, können mit Wärme oder unabhängig oder in Kombination mit geeigneten Harzen und Einsackungsmaterialien verwendet werden.

Bei niedriger Temperatur aushärtende Harze haben den Vorteil, dass sie auf kostengünstiger Werkzeugbestückung mit einer besseren Abmessungskontrolle, insbesondere auf komplexen mit gehärteten Baugruppen, ausgehärtet werden können. Einige bei Raumtemperatur aushärtende Harze weisen in großen Mengen gefährliche exotherme Reaktionen auf. Um dieses Problem zu umgehen, ist eine spezielle Dosierungsmisch-Vakuumentlüftungseinrichtung erforderlich, um Harz bei Bedarf in den Zufuhrbehälter abzugeben.

Nachhärtung

Nachhärtungserfordernisse hängen von dem Infusionsharz und der gewünschten Betriebstemperatur der Struktur ab. Eine Nachhärtung kann auf dem Verbindungsgestellwerkzeug, einfachen Halterungsvorrichtungen oder freistehend mit oder ohne Glasfaserabdeckungen zum Schutz vor einer Oxidation oder Fremdverunreinigung durchgeführt werden. Wenn eine Nachhärtung erwünscht ist, setzt sie allgemein den Verbundstoff für eine ausgedehnte Zeitspanne einem Temperaturzyklus aus.

Beschnitt und Inspektion

Typischerweise müssen Verbundstoffe, einschließlich derjenigen, welche unter Verwendung unseres Prozesses hergestellt sind, um den Umfang auf die endgültigen gewünschten Dimensionen für das Teil zurechtgeschnitten werden. Ein Zurechtschneiden kann mit einem Plattenfräsapparat, einer Wasserstrahl-Schneideeinrichtung, durch grobes Schneiden und Schleifen an eine Zuschnittlinie oder jegliches anderes geeignetes Verfahren durchgeführt werden.

Bestimmte Merkmale, wie zum Beispiel Lamellenversteifungen, und Verbindung vom Pi- oder Gabeltyp können endgeformt werden, indem „weiche" oder „harte" mit Bindemittel versehene Vorformen oder faserige Vorformen ohne Bindemittel, wie zum Beispiel mehrachsige Kettenwirkgewebe, welche inherent stabil sind, verwendet werden. Ein Entgraten von überschüssigem Harz ist der einzige erforderliche Vorgang. Endgeformte Merkmale können in der Endkonfiguration aufgelegt werden oder als Vorform überdimensioniert werden. Für überdimensionierte Vorformen kann die Auflage vor dem Infundieren zurechtgeschnitten werden, wobei die Auflagewerkzugbestückung als Zuschnittführung verwendet wird. Weiche mit Bindemittel versehen Vorformen können bündig mit den Werkzeugblöcken nach einer Vakuumsackverdichtung bei Raumtemperatur oder einer niedrigen erhöhten Temperatur bündig geschnitten werden, um eine Definition und Verfestigung zu gewährleisten. Halbsteife „harte" mit Bindemittel versehene Vorformen neigen dazu, beim Zurechtschneiden eine bessere Kantendefinition zu ergeben. Diese halbsteifen Vorformen werden typischerweise unter Verwendung einer Vakuumsackverdichtung bei erhöhter Temperatur hergestellt.

Die Verbundstoffe können dann inspiziert werden, wobei eine beliebige oder alle von vielen Techniken zur nicht destruktiven Inspektion (NDI) des Typs, welcher typischerweise verwendet wird, um autoklavgehärtete Verbundstoffe zu inspizieren, einschließlich Ultraschall- und Röntgentechniken, verwendet werden. Eine Inspektion kann vermieden werden, wenn über den gesamten Herstellungsprozess bestimme prozessinterne Kontrollen verwendet werden. Eine visuelle Beobachtung des Flusses durch eine Befensterung in dem Entlüftermaterial, Verwendung einer optisch klaren Werkzeugbestückung, welche zum Beispiel aus PYREX oder LEXAN hergestellt ist, und von optisch klaren oder durchscheinenden Rohrleitungen, liefern Anzeichen für die Qualität während der Infusion. In ähnlicher Weise können Massenbilanzen, eine Infrarot-Flussfronterfassung, eingebettete Sensoren oder bündige Werkzeuganbringungssensoren prozessinterne Qualitätsanzeichen bereitstellen. Eine visuelle Inspektion der Laminate nach der Prozessierung ist allgemein ein guter Indikator für ihre Qualität. Wenn die Laminate keine Oberflächenporosität aufweisen (insbesondere auf der Werkzeugseite), wenn die Dicke sich innerhalb der nominalen Grenzen befindet und wenn der Verbundstoff klingt, wenn er „mit einer Münze angeschlagen" wird (siehe z.B. US-Patentanmeldung 08/944,885), werden die Laminate wahrscheinlich eine Ultraschallinspektion bestehen. Wenn irgendwelche Oberflächenhohlräume auf den Teilen auftreten, ist eine Ultraschallinspektion gerechtfertigt. Weil wir bestimmt haben, dass eine starke Korrelation zwischen dem Vorhandensein von Oberflächenhohlräumen und der Verbundstoffgesamtqualität besteht, kann eine einfache Inspektion hinsichtlich Oberflächenhohlräumen eine kompliziertere Inspektion unter Verwendung von teueren Ultraschall-, Laser- oder Röntgenprozesses vermeiden.

Fortgeschrittene Prozessierungstechniken

Unser Prozess ist in der Lage, komplexe strukturelle Anordnungen herzustellen, wie zum Beispiel die durch einen I-Balken versteifte Hülle, welche in 7 und 8 dargestellt ist. Angepasste Rohrverkleidungen, welche sich zwischen I-Balken befinden, werden verwendet, um Harz in die schwer zu erreichenden Buchtbereiche zu bringen. Kantenzuführungsrohre führen Harz zu den Kanten der Hülle. An den Oberseiten der I-Balken befindliche Vakuumrohre werden verwendet, um das Harz durch die Hülle und nach oben durch die I-Balken zu ziehen. Um diese Anordnung zu infundieren, werden alle Zuführungsleitungen 8a gleichzeitig geöffnet. Die aus den drei Zufuhrquellen erzeugten Wellenfronten laufen um die Basis der I-Balken zusammen und werden nach oben in den I-Balken in Richtung der Vakuumrohre gezogen. Wenn das Harz die Oberseite des I-Balkenstegs erreicht, spaltet sich der Fluss auf, um jeden Flansch auf der Kappe zu benetzen. Das Harz wickelt sich schließlich um die Zwischenplatte und bahnt sich seinen Weg zu dem Vakuumrohr 8b. Die Infusion ist abgeschlossen und der Verbundstoff wird auf die normale Weise ausgehärtet. Diese Technik kann erweitert werden, um Baugruppen mit einer großen Anzahl von Buchten herzustellen, wie sie in Flugzeugflügeln angetroffen werden können.

Ein weiteres Beispiel für die Fähigkeit, komplexe Strukturen mit unserem bevorzugten Prozess herzustellen, ist in 9 und 10 dargestellt. Die mit sich überschneidenden Lamellen versteifte Platte verwendet ein mit Bindemittel versehenes Material, um die sich überschneidenden Lamellen auf einfachen Aluminiumblockwerkzeugen auszubilden. Mit Bindemittel versehenes Material kann verwendet werden, falls es erwünscht ist, es ist jedoch nicht notwendig für die Hülle 905. Um die Vorform zu infundieren, sind nur eine Zuführungsleitung und eine Vakuumleitung erforderlich, vorausgesetzt die Vorform wird vertikal infundiert und neuartige passive Vakuumkammern (passive vacuum chambers, PVCs) werden verwendet. Das Teil wird in der horizontalen Position eingesackt. Sobald es eingesackt ist, kann die Basisplatte ohne jegliche sackseitige Werkzeugbewegung in die vertikale Ausrichtung gekippt werden. Wenn die Vorform infundiert wird, füllt das Harz die vertikale Lamelle, ohne dass eine Leitungsführung erforderlich ist. Passive Vakuumkammern werden verwendet, um Harz in die horizontalen Lamellen zu ziehen und eine gewisse begrenzte Abführfähigkeit bereitzustellen. Gum-Rubber-Dichtmittel vom Typ AirDam I wird an den Enden der Lamellen in Verbindung mit Flussmedium verwendet, um Markierungen an den Lamellenenden zu vermeiden. Die sich überschneidenden Lamellen werden mit nur einer minimalen erforderlichen Gratentfernung endgeformt.

11 zeigt die Einsackung für eine mehrfach J-versteifte Platte. Wiederum wird die Vorform horizontal eingesackt und für die Infusion vertikal gekippt. Eine Zuführungsleitung wird an der Unterseite der Hülle und eine Vakuumleitung an der Oberseite der Hülle verwendet. Die zwei außenseitigen J-Versteifungen verwenden passive Vakuumkammern, um Harz in die Versteifungen zu ziehen und eine gewisse begrenzte Abführungsfähigkeit bereitzustellen. Die mittige J-Versteifung weist ein aktives Vakuumrohr oder eine Feder auf. Sobald das Harz in das J gezogen und abgeführt wurde, wird die Vakuumleitung in eine Zuführungsleitung konvertiert, wobei die zuvor beschriebenen Techniken verwendet werden. Dieses Konvertierungsverfahren ermöglicht eine Herstellung von sehr breiten Baugruppen ohne Markierungen von Leitungsführungsvorrichtungen.

Wir glauben, dass die folgenden Konzepte der vorliegenden Erfindung, welche wir beschrieben haben, neuartige Flüssigformungstechniken der vorliegenden Erfindung alleine oder in Kombination sind.

  • 1. Doppelsackinfusion
  • 2. Bindemitteltechnologie
  • 3. Einsackungsfilme mit hoher Dehnung
  • 4. TEFLON-imprägniertes Flussmedium
  • 5. TEFLON-Rohrleitungen bei Infusionsprozessen
  • 6. TEFLON-Rohrleitungsätzprozess
  • 7. große Rohrleitungsabdrücke an Dichtungspositionen
  • 8. TEFLON-Rohrausbildung für Biegungen ohne Belastung
  • 9. Rohrleitungszugentlastungsvorrichtungen
  • 10. inerte Barrierenfilme zum Sackschutz
  • 11. Gum-Rubber-Kantendichtmittel mit niedrigem Flussvermögen
  • 12. Passive Vakuumkammern (PVCs)
  • 13. angepasste Rohrverkleidungen (CTFs)
  • 14. flexible Werkzeugbestückung für konturierte Lamellenversteifungen
  • 15. Merkmal einer externen Rohrabklemmung
  • 16. Abflusstank und -kanister für eine einfache Reinigung und Rückgewinnung
  • 17. Positionen von Zufuhrkanister und Abflusskanistern
  • 18. Rückführungstechniken für schwierige Infusionen
  • 19. integral gegossene Dichtung auf Abflusstankdeckeln
  • 20. Echtzeit-(oder Pseudo-Echtzeit)-Massenbilanzen, um Faservolumina zu kontrollieren
  • 21. Infrarot-Flussfronterfassung
  • 22. eingebettete Radiofrequenz-Identifizierungskennzeichnungen
  • 23. optische Werkzeugbestückung aus PYREX
  • 24. optische Entlüftung aus brettigem Flussmedium
  • 25. geteiltes Stauchungswerkzeug
  • 26. Gum-Rubber-Dichtmittel an Diskontinuitäten für reduzierte Markierung und Überbrückung
  • 27. Taschengrundstrukturen
  • 28. erwärmte Vakuumaustrocknungsvorgänge
  • 29. geneigte oder vertikale Infusionsorientierungen
  • 30. Bindemittelaufbringung innerhalb der Form
  • 31. Ausgestaltung mit einer Zuführungskapazität, welche größer ist als eine Abzugsfähigkeit
  • 32. Vakuumrohrdrosselung am Ende der Infusion
  • 33. Zuführungsleitungsharzeinschränkung am Beginn der Infusion
  • 34. Techniken zum Infundieren von strebenverstärkten Schichtplatten
  • 35. Techniken zum Infundieren von sich überschneidenden Lamellen, Hüten, Pis, Js, Is und Cs
  • 36. Techniken zum Herstellen von Türschwellenmerkmalen
  • 37. Vorderkantenschichtstrukturen
  • 38. Chargenprozessierungsfähigkeit
  • 39. katalysierte oder unkatalysierte Bindemittellösungen mit M-20-Cyanatester
  • 40. 5250-4-RTM-Bindemittellösung
  • 41. robotische Sprühaufbringung von Bindemitteln für eine Präzisionsabgabe
  • 42. elektrostatische Sprühaufbringung von Bindemitteln für verbesserte Transfereffizienzen
  • 43. TOWTAC-Bindemittelwergmaterialien
  • 44. automatisiertes Konzept zum Herstellen und Verpacken von großen Mengen von mit Bindemittel versehenen Materialien
  • 45. Techniken zum Herstellen von weichen und halbsteifen Vorformen
  • 46. Produktion von Werkzeugen anhand von gegenüber niedrigen Temperaturen widerstandsfähigen Vorlagenwerkzeugen
  • 47. Oberflächendeposition von Bindemittel auf Vorformmaterialien
  • 48. Bindemittel mit niedrigem Aushärtungsgrad für ein Einschmelzen und chemisches Verbinden mit Infusionsharz
  • 49. Mehrfachinfusionstechniken, insbesondere zur Herstellung von verdichteten Kohlenstoff/Kohlenstoff- und Keramikmatrix-Verbundstoffen
  • 50. Integration von Spezialmaterialien, wie zum Beispiel Masseplatten, R-Karten usw.
  • 51. Positionierungen von Dichtmitteln des inneren und äußeren Sacks und Werkzeugpräparation
  • 52. Merkmale einer Dichtung mit hoher Integrität
  • 53. Vakuumformen von angepassten Einsackungsfilmen
  • 54. Harzrückgewinnung und -vermengung
  • 55. Vakuumkontrolle und -wartung vor einer Gelierung
  • 56. Verwendung von Präzisionsvakuummessfühlern für eine frühzeitige Leckerfassung
  • 57. Verwendung einer ausgehöhlten Werkzeugbestückung, um versteifte Hüllen zu erzeugen
  • 58. Fluidzuführung durch die Sackdichtungen

Der äußere Sack in dem Doppelsacksystem reduziert eine thermische Oxidation des inneren Sacks. Dies überträgt sich auf einen stärkeren Sack, welcher weniger empfänglich für eine Undichtigkeit während einer Aushärtung bei hohen Temperaturen ist. Der äußere Sack und die Entlüftung puffern den inneren Sack gegenüber einem Handhabungsschaden ab, welcher auf viele Wege auftreten kann. Der äußere Sack übt Druck auf die Dichtungen des inneren Sacks aus und verbessert die Dichtungseffektivität für diese Dichtungen. Der Druck auf die Dichtungen des inneren Sacks überwindet Sackablösungsbelastungen, welche Undichtigkeiten öffnen können, insbesondere an Positionen von gefalteten Dichtungen. Weil der äußere Sack den inneren Sack umschließt, können Dichtungen in der konvektiven Umgebung, auf welche typischerweise in Öfen getroffen wird, nicht losbewegt werden. Wenn ein Leck in dem inneren Sack auftreten sollte, ist das Ergebnis nicht notwendigerweise genauso katastrophal, wie es allgemein bei Einzelsackinfusionen ist. Eine Undichtigkeit in dem inneren Sack wird bewirken, dass Harz in den äußeren Sack fließt. Korrigierende Tätigkeiten sind mit beschleunigten Aushärtungen und Entlüftungskontrolltechniken möglich. Ein gerissener Sack in einer Einzelsackumgebung ermöglicht es, dass Luft in den Sack eintritt. Der Sack kann sich aufblähen und Porosität kann kontinuierlich in das Laminat eingeführt werden, ein katastrophaler Fehler. Sackintegritätsunterschiede zwischen Einzelsackinfusionstechniken und Doppelsacktechniken können nicht signifikant sein, wenn kleine, einfach Verbundstoffe von niedrigem Wert hergestellt werden. Wenn versucht wird, große und/oder komplexe Verbundstoffanordnungen herzustellen, wie zum Beispiel Verbundstoffflügel, wird die Signifikanz der Integritätsunterschiede dramatisch verstärkt. Es ist weise und klug, die Verwendung der Doppelsacktechnik den Einzelsäcken beim Herstellen dieser Typen von Strukturen vorzuziehen. Die Ausbeute, Integrität und Robustheit des Prozesses werden zu deutlich wichtigeren Faktoren beim Verringern der Gesamtkosten als ein Vermeiden der mit einem zweiten Sack verbundenen Kosten.


Anspruch[de]
  1. Vakuumunterstützter Harztransferformungsprozess zum Herstellen eines Laminats, umfassend die Schritte:

    (a) Aufbauen einer Vorform (51) aus einer geeigneten Verstärkung in einer Form;

    (b) Klebrigmachen der Vorform mit einem Tackifier, welcher Härtungswirkstoffe für eine verbesserte Beschädigungstoleranz in der Form enthält, um eine klebrig gemachte Vorform herzustellen;

    (c) Vakuumverdichten der klebrig gemachten Vorform;

    (d) Doppeltes Einsacken der verdichteten Vorform mit einem inneren Sack (62) und einem äußeren Sack (64) unter Verwendung von Nylon-Einsackungsfilmen mit einer hohen Dehnung und einem niedrigen Modul, um eine Sackrelaxation zu kontrollieren und die Vakuumintegrität zu verbessern, während Sackfalten minimiert werden;

    (e) Einschließen eines Flusskontrollmediums offener Bindungsart zwischen dem inneren Sack (62) und der verdichteten Vorform (8), um die Flussfront während des Eingießens von Harz zu kontrollieren, wobei das Flussmedium:

    (i) eine geringe Permeabilität bezüglich der Vorform aufweist,

    (ii) Füllfasern beinhaltet, welche als Wehre für das einziehende Harz dienen,

    (iii) in der Lage ist, der Einwirkung von Temperaturen bis zu ungefähr 315°C (600°F) zu widerstehen,

    (iv) chemisch inert ist, und

    (v) fest aber formbar ist, um Markierungen an der Sackseite des Laminats zu vermeiden; und

    (f) Infundieren von Harz in die verdichtete Vorform (51) durch das Flussmedium unter Verwendung eines vakuumunterstützten Harztransferformungsprozesses.
  2. Verbesserung nach Anspruch 1, darüber hinaus umfassend den Schritt eines Infundierens des Harzes in die Vorform (51), welche um einen Winkel aus der Horizontalen gekippt ist.
  3. Prozess nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Infundieren mit der Vorform um einen Winkel aus der Horizontalen gekippt vonstatten geht, so dass die Schwerkraft dem Fluss des Harzes in die Vorform entgegenwirkt.
  4. Prozess nach einem der Ansprüche 1–3, wobei das Vakuumverdichten bei einer erhöhten Temperatur vonstatten geht, um die klebrig gemachte Vorform zusammenzubinden.
  5. Prozess nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die Verstärkung eine Kohlenstofffaser ist, der Tackifier ein Weichepoxidharz ist, und das Harz ein Epoxidharz ist.
  6. Prozess nach einem der Ansprüche 1–5 zum Kontrollieren der Sackrelaxation hinter der Wellenfront in einem vakuumunterstützten Harztransferformungsprozess, wobei Harz aus einer Quelle bei atmosphärischem Druck in die Vorform in eine Umgebung unter dem inneren Beutel bei einem geregelten Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks infundiert wird, umfassend den weiteren Schritt:

    Aufbringen einer Entlüftung (63) und des äußeren Vakuumsacks (64) über den inneren Vakuumsack.
  7. Prozess nach einem der Ansprüche 1–6 zur Infusion von Harz in eine Vorform (51), darüber hinaus umfassend:

    Einführen von Harz in ein Flussmedium an dem untersten Punkt in der eingesackten Vorformanordnung, so dass infundiertes Harz gegen die Schwerkraft durch das Flussmedium und die Vorform fließt, wodurch durch einen höheren Flusswiderstand eine verbesserte Kontrolle der Wellenfront gewährleistet wird als bei einer horizontalen Infusion.
  8. Prozess nach einem der Ansprüche 1–7, darüber hinaus umfassend den Schritt eines Drosselns von Vakuumleitungen, welche in Fluidverbindung mit der doppelten Einsackung verbunden sind, so dass die Massenflussrate von Harz durch die verdichtete Vorform (51) im Wesentlichen der Massenflussrate von Harz in den Vakuumleitungen entspricht.
  9. Prozess nach einem der Ansprüche 1–8,

    darüber hinaus umfassend:

    Drosseln von Vakuumleitungen, welche in Fluidverbindung mit der doppelten Einsackung stehen, die eine verdichtete Vorform umgibt, so dass die Massenflussrate von Harz durch die verdichtete Vorform im Wesentlichen der Massenflussrate von Harz in den Vakuumleitungen entspricht.
  10. Prozess nach einem der Ansprüche 1–9, umfassend eine Verwendung eines doppelten Vakuumsacks, um die Vakuumintegrität zu verbessern.
  11. Verbundstoff, welcher durch einen Prozess nach einem der Ansprüche 1–10 hergestellt ist.
Es folgen 9 Blatt Zeichnungen






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