DE102005003713B4

DE102005003713B4 - Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Hohlkörperkern-Sandwichbauteilen im vakuumunterstützten Harz-Infusionsprozess

Info

Publication number: DE102005003713B4
Application number: DE200510003713
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Nowacki Jan
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 2005-01-26
Filing date: 2005-01-26
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2025-01-27
Also published as: DE102005003713A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Hohlkörperkern-Sandwichbauteilen im vakuumunterstützten Harz-Infusionsprozess (sog. VAP-Verfahren), umfassend folgende Schritte: a) Herstellen eines Sandwich-Rohlings mit – einem Hohlkörper-Sandwichkern, – mindestens einer trockenen Verstärkungsfaser-Decklage, die auf mindestens einer Seite des Hohlkörper-Sandwichkerns angeordnet wird, sowie – einer unmittelbar zwischen dem Hohlkörper-Sandwichkern und der trockenen Verstärkungsfaser-Decklage angeordneten, harzdichten (d. h. für das nachfolgend genannte Harz H2 harzdichten), thermisch aushärtbaren, druck- und formbeständigen Trenn/Verbindungsfolie (TV-Folie), welche ein erstes thermisch aushärtbares Harz H1 umfasst, das eine Aushärtetemperatur T1 besitzt; b) Anordnen des Sandwich-Rohlings in einem ersten Formkörper; c) Abdeckngs mit einer Vakuumhaube oder Vakuumfolie; d) Verschließen des ersten Formkörpers mit der Vakuumhaube oder Vakuumfolie zur Bildung eines in Zusammenwirkung mit der TV-Folie zumindest die trockene Verstärkungsfaser-Decklage umschließenden evakuierbaren Injektionsraumes; e) Evakuieren des Injektionsraumes; f) Injizieren eines zweiten thermisch aushärtbaren fließ- und/oder spritzfähigen Harzes H2, dessen Aushärtetemperatur T2...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Hohlkörperkern-Sandwichbauteilen im vakuumunterstützten Harz-Infusionsprozess.
Stand der Technik
Es ist ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Sandwichbauteilen im vakuumunterstützten Harz-Infusionsprozess (sogenanntes VAP-Verfahren) bekannt, bei dem ein geschlossenzelliger Schaumkern als Sandwichkern zusammen mit einer trockenen Verstärkungsfaser-Decklage in einen ersten festen Formkörper, z. B. eine Unterform, eingelegt wird. Ein zweiter Formkörper in der Gestalt einer Oberform bzw. einer Vakuumhaube wird auf die Unterform aufgelegt; und die beiden Formen werden verschlossen. Nach dem Evakuieren der Luft aus der geschlossenen Form wird ein flüssiges Harz in die Form und die trockene Verstärkungsfaser-Decklage injiziert. Dabei wird das flüssige Harz nur mittels eines Drucks von ca. 1 bar (d. h. dem Druckunterschied zwischen dem Umgebungsdruck und einem annähernden Vakuum in der Form) in die Form eingebracht. Das flüssige Harz dringt dabei in die Verstärkungsfaser-Decklage. Anschliessend wird das injizierte Harz durch Wärmeeinwirkung, d. h. durch Erwärmen der Form, thermisch ausgehärtet, wodurch gleichzeitig eine feste Verbindung der Decklage zum Sandwichkern entsteht. Um zu vermeiden, dass sich bei diesem Prozess Porositäten in dem herzustellenden Laminat bilden, weil die Luft beim Evakuieren ggf. nicht komplett abgesaugt werden kann, ist es möglich, eine Art semipermeable Membran auf der Verstärkungsfaser-Decklage bzw. zwischen der Verstärkungsfaser-Decklage und der Vakuumhaube anzuordnen. In der Verstärkungsfaser-Decklage befindliche Luft kann daher beim Evakuieren durch die Membran entweichen, das injizierte Harz jedoch nicht.
Dieses vorbekannte Verfahren beschränkt sich nur auf Sandwichbauteile mit einem geschlossenzelligen Schaumkern bzw. mit einem Festkörperkern, der an seiner Oberfläche im Wesentlichen frei von Kavitäten ist. Denn bei einem offenzelligen Schaumkern würden die offenen Kavitäten des Schaums beim Injizieren des Harzes voll Harz laufen, was zu einer ungleichförmigen und undefinierten Anbindung des Schaumkerns an die Decklage führte. Für strukturelle Sandwichbauteile ist eine gute Anbindung zwischen Sandwichkern und Decklage/n für die erzielbare Festigkeit und Formbeständigkeit jedoch von großer Bedeutung. Ferner resultierte aus einem mit Harz vollgelaufenen oder unkontrolliert getränkten Sandwichkern eine erhebliche Gewichtserhöhung des zu fertigen Bauteils. Und schließlich würden sich auch die Festigkeitseigenschaften des Sandwichbauteils erheblich verschlechtern.
Gleiche Nachteile würden entstehen, falls bei diesem vorbekannten Verfahren ein Hohlkörper-Sandwichkern, wie z. B. ein Wabenkern, verwendet wird. Denn die Waben würden beim injizieren des flüssigen Harzes ebenfalls voll Harz laufen. Ein auf diese Weise hergestelltes Sandwichbauteil wäre viel zu schwer und für luftfahrzeugtechnische Leichtbauanwendungen gänzlich unbrauchbar.
Zur Vermeidung der bei offenzelligen Schaumkernen oder Hohlkörper-Sandwichkernen auftretenden technischen Schwierigkeiten ist überlegt worden, eine harzdichte Trennfolie zwischen dem Sandwichkern und der Verstärkungsfaser-Decklage anzuordnen, welche beim Injizieren des Harzes ein Eindringen des Harzes in die Kavitäten des offenzelligen Schaums bzw. in die Hohlkörper des Sandwichkerns verhindert. Dieses Konzept hat jedoch den Nachteil, dass die mit dem injizierten Harz imprägnierte Decklage keine Verbindung mit dem Sandwichkern eingehen kann. Nach der Herstellung der Verstärkungsfaser-Decklage müssen die Formkörper oder Formhälften also wieder geöffnet, die jeweiligen Einzelteile entnommen und diese in einer Vielzahl von Schritten in einem weiteren Verfahrensgang zu einem Sandwich-Bauteil zusammengefügt werden, bei dem dann die ausgehärtete Verstärkungsfaser-Decklage fest mit dem Sandwichkern verbunden ist. Diese Methode hat sich deshalb nicht durchsetzen können.
Die EP 1 005 978 A2 offenbart ein Verfahren zum Abdichten eines Wabenkerns mit einem warmhärtenden Dichtungsmaterial, das adhäsive Eigenschaften beim Aushärten in einem Schritt aufweist, Harz am Eindringen in die Zellen des Wabenkerns hindert während des Imprägnierungsvorgangs für das Harz und so Waben-Sandwich-Komponenten kostengünstig formt durch Anwendung von RTM-Technik, die zum Beispiel beim Gießen von festen Materialien angewandt wird. Trockene Gewebelagen werden auf beiden Seiten eines Wabenkerns gestapelt mit warmhärtenden Dichtungselementen, in denen eine adhäsive Eigenschaft enthalten ist und die warmhärtenden Dichtungselemente und die trockenen Gewebelagen werden auf die Vulkanisierungstemperatur der Dichtungselemente erwärmt, um das Härten der Dichtungselemente einzuleiten und die Gewebelagen zu trocknen. Dann werden die trockenen Gewebelagen mit einem warmhärtenden Harz imprägniert und das in die trockenen Gewebelagen imprägnierte Harz wird durch Heißpressen der ganzen Einheit gehärtet, d. h. unter besonderen Bedingungen hergestellt.
Ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Hohlkörperkern-Sandwichbauteilen im vakuumunterstützten Harz-Infusionsprozess, bei dem das Sandwichbauteil in einem einzigen Verfahrensgang hergestellt werden kann, existiert nicht.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe beziehungsweise das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem auf einfache und effektive Art und Weise und in einem einzigen Verfahrensgang faserverstärkte Hohlkörperkern-Sandwichbauteile im vakuumunterstützten Harz-Infusionsprozess hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Dieses Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Hohlkörperkern-Sandwichbauteilen im vakuumunterstützten Harz-Infusionsprozess (sog. VAP-Verfahren), umfasst folgende Schritte, jedoch nicht zwingender Weise in der nachstehend gegebenen Reihenfolge:

a) Herstellen eines Sandwich-Rohlings mit einem Hohlkörper-Sandwichkern, mindestens einer trockenen Verstärkungsfaser-Decklage, die auf mindestens einer Seite (insbesondere Ober- oder Unterseite) des Hohlkörper-Sandwichkerns angeordnet wird, sowie einer unmittelbar zwischen dem Hohlkörper-Sandwichkern und der trockenen Verstärkungsfaser-Decklage angeordneten, harzdichten (d. h. für das nachfolgend genannte Harz H2 harzdichten), thermisch aushärtbaren, druck- und formbeständigen Trenn/Verbindungsfolie (TV-Folie), welche ein erstes thermisch aushärtbares Harz H1 umfasst, das eine Aushärtetemperatur T1 besitzt;
b) Anordnen des Sandwich-Rohlings in einem ersten (vorzugsweise festen) Formkörper (z. B. einer Unterform);
c) Abdecken zumindest eines Teilbereichs des Sandwich-Rohlings, vorzugsweise jedoch des gesamten Sandwich-Rohlings, mit einer Vakuumhaube, oder Vakuumfolie;
d) Verschließen des ersten Formkörpers mit der Vakuumhaube oder Vakuumfolie zur Bildung eines in Zusammenwirkung mit der TV-Folie zumindest die trockene Verstärkungsfaser-Decklage umschließenden evakuierbaren Injektionsraumes;
e) Evakuieren des Injektionsraumes;
f) Injizieren eines zweiten thermisch aushärtbaren fließ- und/oder spritzfähigen Harzes H2, dessen Aushärtetemperatur T2 niedriger ist als die Aushärtetemperatur T1 des thermisch aushärtbaren Harzes H1, in die Decklage und auf die harzdichte TV-Folie;
g) Thermisches Aushärten des zweiten Harzes H2 zur Bildung einer faserverstärkten Decklage; und
h) Thermisches Aushärten des ersten Harzes H1 der harzdichten TV-Folie und damit Verbinden des Hohlkörper-Sandwichkerns mit der Decklage mittels der TV-Folie.

Bei der TV-Folie handelt es sich um ein in Bezug zur Dicke des Hohlkörper-Sandwichkerns sehr dünnes, folien- oder plattenförmiges Element, das je nach Dicke, Flexibilität, Zähigkeit, sowie weiteren mechanischen und thermischen Eigenschaften im kalten Zustand sowohl drapierbar, faltbar oder sogar dreidimensional verformbar als auch plattenartig steif ausgebildet sein kann. Die TV-Folie kann ausschließlich aus dem ersten Harz H1 bestehen oder aber weitere Zusatzelemente aufweisen, wie z. B. ein Trägermaterial, an welches das erste Harz gebunden ist, sowie weitere chemische Stoffe.
Das erste Harz H1 und das zweite Harz H2 müssen nicht zwangsläufig vom gleichen chemischen Harztyp sein. Es ist jedoch sicherzustellen, dass das erste und zweite Harz verträglich miteinander reagieren und sich zuverlässig und fest miteinander verbinden.
Die TV-Folie hat zumindest bis einschließlich der Aushärtetemperatur T2 des zweiten Harzes/Injektionsharzes H2 harzdicht und hierbei ausreichend druck- und formbeständig zu sein. Die Harzdichtigkeit der TV-Folie, d. h. deren Undurchlässigkeit für das zweite Harz/Injektionsharz H2 kann durch den Typ und einen vorbestimmten Vor-Aushärtungsgrad des ersten Harzes H1 oder z. B. durch mindestens eine zusätzliche, mit dem ersten Harz H1 verbundene harzundurchlässige (d. h. für das zweite Harz H2 undurchlässige) Zwischenschicht, die zum Beispiel beidseitig von dem ersten Harz bedeckt ist, erzielt werden.
Der Hohlkörper-Sandwichkern kann eine plattenförmige Gestalt mit einer konstanten Plattendicke aufweisen oder aber vor der im Schritt a) erfolgenden Herstellung des Sandwich-Rohlings bearbeitet worden sein, so dass er eine gewünschte dreidimensionale Form mit einer lokal jeweils unterschiedlichen Dicke aufweist. Die Seiten bzw. Flächen des Hohlkörper-Sandwichkerns, auf welchen die TV-Folie angeordnet wird, müssen also nicht notwendigerweise plan sein.
Das thermische Aushärten des ersten und zweiten Harzes kann z. B. durch Erwärmen der Formkörper, durch Erwärmen der Umgebung der Fertigungsanordnung, welche die Formkörper bzw. den vorbereiteten Sandwich-Rohling enthält, oder durch Bestrahlen des ersten und/oder zweiten Harzes, z. B. mit Mikrowellen, erfolgen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auf einfache und effektive Art und Weise und in einem einzigen Arbeitsgang faserverstärkte Hohlkörperkern-Sandwichbauteile im vakuumunterstützten Harz-Infusionsprozess herstellen. Anders als bei vorbekannten gattungsgemäßen Verfahren oder angedachten Konzepten ist es also nicht erforderlich, Teile des späteren Sandwich-Bauteils während des Herstellungsprozesses den Formkörpern zu entnehmen und die Decklage und den Sandwichkern mit Hilfe von separaten Bearbeitungsschritten werter zu bearbeiten und schließlich zum fertigen Sandwichbauteil zu verbinden. Dadurch reduziert sich die Anzahl der erforderlichen Verarbeitungsschritte und die Anzahl der benötigten Fertigungsmittel.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weist die verwendete TV-Folie sowohl trennende als auch verbindende Eigenschaften auf. Deshalb kann das zweite Harz (das Injektionsharz) H2 während des Einspritzens in die trockene Verstärkungsfaser-Decklage nicht in die Hohlkörper des Sandwichkerns dringen. Die Dicke und Festigkeit der TV-Folie ist in Abhängigkeit der freien Querschnittsgröße der Hohlkörper und der durch das Evakuieren und Injizieren auftretenden Drücke, die in der Regel 1 bar nicht überschreiten, so ausgelegt, dass sie diesen Drücken standhält und sich nicht in einem ungeeigneten Maße in die Hohlkörper hinein verformt. Da die Aushärtetemperatur T1 des ersten Harzes H1 der TV-Folie auch höher als die Aushärtetemperatur T2 des zweiten Harzes H2 ist, lässt sich zudem verhindern, dass die TV-Folie beim thermischen Aushärten des Injektionsharzes H2 aufweicht und sich unzulässig verformt. So können keine Kavitäten zwischen der Decklage und der TV-Folie entstehen, die mit dem zweiten Harz voll laufen und später zu einer schlechten Anbindung der Decklage an die TV-Folie führen. Zusätzliche Maßnahmen, die ein Verformen der TV-Folien verhindern können, sind weiter unten beschrieben. Durch die thermische Aushärtung des ersten Harzes H1 der TV-Folie schließlich wird eine gute Verbindung zwischen dem Hohlkörper-Sandwichkern und der mit dem zweiten Harz imprägnierten Verstärkungsfaser-Decklage hergestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt nur eine feste Formhälfte, während die andere Formhälfte als einfache Vakuumhaube oder eine einfache Vakuumfolie ausgebildet ist. Dadurch reduzieren sich die Werkzeugkosten. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten faserverstärkten Hohlkörperkern-Sandwichbauteile sind auch leichter als vergleichbare Sandwichbauteile mit einem Schaumkern, so dass folglich eine nicht unerhebliche Gewichtseinsparung erreicht werden kann. Dies ist insbesondere für luft- und raumfahrttechnische Anwendungen von großem Vorteil. Obwohl am fertigen Sandwichbauteil das erfindungsgemäße Verfahren i. d. R. optisch nicht identifizierbar ist, kann es doch durch chemische Analysen, z. B. durch DSC-Prüfung (Differential Scanning Caloremetrie-Prüfung), eindeutig nachgewiesen werden. Hierbei werden dann die beiden unterschiedlichen Harze und Harzeigenschaften für die Verstärkungsfaser-Decklage und die TV-Folie erkennbar.
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsmerkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 14.
Die teilweise Aushärtung des ersten Harzes H1 der TV-Folie erfolgt vorzugsweise lokal begrenzt an denjenigen Bereichen des Hohlkörper-Sandwichkerns, welche an die TV-Folie angrenzen. Bei einem Wabenkern z. B. sind dies die oberen und/oder unteren Wabenränder. Falls im Rahmen des erfindungsgemäßen Zwischenprodukts die TV-Folie bereits fertig mit dem Hohlkörper-Sandwichkern verbunden ist, muss diese Verbindung nicht zwangsläufig durch die teilweise Aushärtung des ersten Harzes H1 erfolgt sein. Denn erfindungsgemäß ist optional vorgesehen, dass der Hohlkörper-Sandwichkern und die TV-Folie durch ein separates Adhäsions- oder Klebemittel verbunden werden und erst bei einer späteren thermischen Aushärtung des ersten Harzes der TV-Folie eine weitere, ggf. festere Verbindung zwischen diesen beiden Elemente entsteht. Gleichermaßen ist es möglich, die Verbindung des Hohlkörper-Sandwichkerns und der TV-Folie nur mit dem Adhäsions- oder Klebemittel zu verwirklichen und lediglich die Verbindung zwischen der TV-Folie und der Verstärkungsfaser-Decklage durch thermisches Aushärten des ersten Harzes H1 der TV-Folie zu bewirken.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend näher beschrieben und erläutert.
DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Hohlkörperkern-Sandwichbauteilen im vakuumunterstützten Harz-Infusionsprozess wird in einem ersten Schritt a) ein Sandwich-Rohling hergestellt. Dieser Sandwich-Rohling umfasst einen z. B. plattenförmigen Hohlkörper-Sandwichkern und mindestens eine trockene Verstärkungsfaser-Decklage, die auf einer oder beiden Seiten (Ober- und/oder Unterseite) des Hohlkörper-Sandwichkerns angeordnet wird.
Diese Verstärkungsfaser-Decklage kann sich auch über seitliche Bereiche des Hohlkörper-Sandwichkerns erstrecken. Bei dem Hohlkörper-Sandwichkern handelt es sich um einen Hohlkörper-Sandwichkern, der ausgewählt ist aus einer Gruppe von Hohlkörper-Sandwichkernen, umfassend: einen Wabenkern, einen aus unterschiedlichen Hohlkörpertypen zusammengesetzten Hohlkörperkern, einen offenzelligen Schaumkern, Mischformen daraus.
Für das vorliegende Ausführungsbeispiel wird ein Waben-Sandwichkern verwendet. Unter einem solchen Wabenkern ist im Sinne der Erfindung nicht nur eine Anordnung von Hohlkörpern mit einem sechseckigen Querschnitt zu verstehen, sondern auch eine Anordnung von gleichartigen Hohlkörpern mit beliebigen Querschnittsformen, so auch mit weiteren polygonalen, kreisrunden, ovalen, und anderen symmetrischen oder asymmetrischen sowie unregelmäßig geformten Querschnittsformen. Die trockene Verstärkungsphase-Decklage wird aus einem Kohlefasergelege mit einer gewünschten Faseranordnung gebildet. Grundsätzlich können anstelle von Kohlefasern jedoch auch andere geeignete Fasertypen, wie z. B. Glasfasern, Aramidfasern, Borfasern, und dergleichen, sowie Mischformen daraus zur Anwendung kommen.
Unmittelbar zwischen den Wabenkern und die trockene Verstärkungsfaser-Decklage wird eine harzdichte, thermisch aushärtbare, druck- und formbeständige Trenn/Verbindungsfolie (nachfolgend kurz TV-Folie genannt) angeordnet, welche ein erstes thermisch aushärtbares Harz H1 umfasst. Die TV-Folie steht also auf einer Flächenseite mit dem Wabenkern in Kontakt und liegt hierbei auf den freien Rändern der Wabenkörper auf. Mit ihrer anderen Flächenseite steht die TV-Folie mit der trockenen Verstärkungsfaser-Decklage in Berührung. Bei dem ersten Harz H1 handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um ein Epoxydharz mit einer Aushärtetemperatur von ca. 180°C. Anstelle eines Epoxydharzes könnte grundsätzlich auch ein erstes Harz H1 verwendet werden, das ausgewählt ist aus einer Gruppe von ersten Harzen, umfassend duroplastische Harze, insbesondere neben dem besagten Epoxydharz auch Phenolharze, Polyesterharze, Vinylharze, sowie thermoplastische Harze. Die Dicke der TV-Folie liegt je nach Anwendungsfall und Größe sowie Materialeigenschaften der zu verarbeitenden Sandwichbauteil-Komponenten in einem Bereich, der einige μm, Zehntel-Millimeter oder sogar bis zu ca. 1 mm umfasst.
Der gemäß Schritt a) vorbereitete Sandwich-Rohling wird in einem Schritt b) in oder auf einem ersten festen Formkörper angeordnet, der hinsichtlich seiner Gestalt auf das herzustellende Bauteil abgestimmt ist. Bei diesem ersten Formkörper handelt es sich hier um eine einfache plattenförmige Ablage. Abweichend davon kann in Abhängigkeit des jeweiligen Anwendungsfalles natürlich auch ein dreidimensional geformter Formkörper mit konkaven und/oder konvexen Bereichen Anwendung finden.
Auf die dem Wabenkern abgewandte Seite der trockenen Verstärkungsfaser-Decklage werden im Bedarfsfall weitere Hilfselemente angeordnet, was nicht nur im oder nach dem Schritt b), sondern bereits im Schritt a) oder teilweise sogar vor demselben erfolgen kann. Bei diesen Hilfselementen handelt es sich z. B. um ein Abreissgewebe, eine gelochte Trennfolie, ein Verteilergewirke, Verteilerkanäle für das Injektionsharz H2, eine semipermeable Filtermembran sowie ein Belüftungsgewirke.
In einem Schritt c) wird der Sandwich-Rohling zumindest in dem Teilbereich, in dem die trockene Verstärkungsfaser-Decklage und die TV-Folie angeordnet ist, mit einer Vakuumhaube abgedeckt. Die Gestalt dieser Vakuumhaube ist auf die Form des Sandwich-Rohlings bzw. dessen Kontur und Topographie sowie die gewünschte Endform des herzustellenden Bauteils abgestimmt und mit dem ersten Formkörper kompatibel. Die Vakuumhaube ist hierbei auf der der TV-Folie abgewandten Seite der trockenen Verstärkungsfaser-Decklage angeordnet.
In einem Schritte d) werden nun der erste Formkörper und die Vakuum-Haube verschlossen, so dass sich in Zusammenwirkung mit der TV-Folie ein evakuierbarer Injektionsraum bildet, welcher zumindest die trockene Verstärkungs-Decklage enthält bzw. umschließt.
In einem Schritt e) wird der Injektionsraum mittels einer Vakuum-Pumpe oder einer anderen geeigneten Evakuierungseinrichtung evakuiert. Die Vakuum-Haube und/oder der erste feste Formkörper verfügen zu diesem Zweck über geeignete Anschlüsse.
In einem Schritt f) wird ein zweites thermisch aushärtbares fließ- und/oder spritzfähiges Harz H2 (nachfolgend auch Injektionsharz H2 genannt) mittels des Differenzdrucks von ca. 1 bar, der infolge des Evakuierens zwischen der Umgebungsatmosphäre und dem evakuierten Injektionsraum entsteht, in die trockene Verstärkungsfaser-Decklage und auf die für das Harz H2 harzdichte TV-Folie injiziert. Dadurch wird die zuvor trockene Verstärkungsfaser-Decklage mit dem zweiten Harz H2 getränkt. Das Evakuieren und Injizieren in den Schritten e) und f) kann nacheinander oder auch gleichzeitig erfolgen. Ferner können sich die beiden Schritte zeitlich überschneiden. Das Injektionsharz H2 besitzt eine Aushärtetemperatur T2, die niedriger als die Aushärtetemperatur T1 des ersten Harzes H1 ist. Die Aushärtetemperatur T2 beträgt im vorliegenden Beispiel ca. 150°C. Die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der niedrigeren Aushärtetemperatur T2 des Injektionsharzes und der höheren Aushärtetemperatur T1 des ersten Harzes H1 beträgt also ca. 30°C. Je nach Art der verwendeten Harze H1, H2 kann die Temperaturdifferenz ΔT jedoch von diesem Wert abweichen. So kann ΔT grundsätzlich auch größer gleich 25°C, größer gleich 30°C, größer gleich 50°C, größer gleich 70°C, größer gleich 100°C oder sogar größer gleich 150°C sein.
Das Injektionsharz H2 ist ebenfalls ein Epoxydharz. Grundsätzlich kann das Injektionsharz H2 jedoch ein Harz sein, das ausgewählt ist aus einer Gruppen von Harzen, umfassend duroplastische Harze, insbesondere neben dem bereits erwähnten Epoxydharz, Phenolharze, Polyesterharze, Vinylharze und thermoplastische Harze. Die Harze H1 und H2 sind vorzugsweise aus der gleichen chemischen Harzgruppe. Ebenso können jedoch unterschiedliche Harze H1 und H2 verwendet werden, sofern sichergestellt ist, dass beide Harze chemisch miteinander verträglich sind und sich gut miteinander verbinden.
In einem Schritt g) wird das Injektionsharz H2 zur Bildung einer ausgehärteten faserverstärkten Decklage thermisch ausgehärtet.
Und in einem Schritt h) wird das Harz H1 der harzdichten TV-Folie thermisch ausgehärtet und dadurch der Wabenkern mittels der TV-Folie fest mit der Decklage verbunden.
Das thermische Aushärten der Harze H1 und H2 erfolgt in diesem Beispiel durch Erwärmen einer den Sandwich-Rohling bzw. den ersten Formkörper und die Vakuumhaube umfassenden Fertigungsanordnung, z. B. in einem Autoklaven.
Für die o. g. Schritte g) und h) sind erfindungsgemäß diverse Varianten vorgesehen. So kann der Schritt h) beispielsweise nach dem Schritt g) ausgeführt werden. Wenn das Harz H1 der TV-Folie ausgehärtet wird, ist das Injektionsharz H2 also bereits vollständig bzw. im Wesentlichen vollständig ausgehärtet. Ebenso ist es jedoch möglich, den Schritt h) zumindest teilweise während des Schrittes g) auszuführen. Während das Injektionsharz H2 also noch nicht vollständig ausgehärtet ist, wird die Aushärtung des Harz H1 der TV-Folie vorgenommen. Dies kann z. B. dadurch geschehen, dass der Schritt h) durch ein Tempern des Injektionsharzes H2 erfolgt. Die Schritte g) und h) können sich also auch zeitlich überschneiden. Ebenso ist es bei geeigneten Harzsystemen und Erwärmungsanordnungen denkbar, die Schritte g) und h) gleichzeitig auszuführen.
Die Art und Weise der Durchführung des Schrittes h) kann auch in Abhängigkeit des Vorfertigungsgrades des Sandwich-Rohlings bzw. dessen Teilkomponenten variieren. So berücksichtigt die erfindungsgemäße Lösung eine alternative Variante, bei der bereits vor dem Schritt a) die aushärtbare TV-Folie auf dem Wabenkern angeordnet und mit diesem verbunden wird. Dies kann z. B. dadurch geschehen, dass die dem Wabenkern zugewandte Seite der TV-Folie zumindest teilweise ausgehärtet und dadurch eine feste Verbindung mit dem Wabenkern erzielt wird. Die teilweise Aushärtung kann z. B. nur lokal, d. h. beispielsweise an den Wabenrändern des zugeordneten Wabenkerns erfolgen, oder aber auch durch eine nur teilweise Durchhärtung der dem Wabenkern zugeordneten Seite der TV-Folie in deren Dickenrichtung. Liegt eine solche Anordnung vor, so ist es im Schritt h) dann nur noch erforderlich, die dem Wabenkern abgewandte und der durchtränkten Decklage zugewandten Seite der TV-Folie thermisch auszuhärten und so mit der Decklage zu verbinden. Des Weiteren ist es möglich, die TV-Folie vorab durch ein separates Adhäsions- oder Klebemittel mit dem Wabenkern zu verbinden und dann im Schritt h) das Harz H1 auszuhärten. Dadurch wird der Wabenkern wiederum mittels der TV-Folie mit der Decklage verbunden.
Um zu verhindern, dass sich die TV-Folie durch das Evakuieren des Injektionsraumes bzw. durch das Injizieren des Injektionsharzes H2 unzulässig verformt und in die Hohlräume der jeweiligen Wabenkörper hinein deformiert (wodurch später unerwünschte Harzansammlungen entstehen würden), kann optional folgende Gegenmaßnahme betroffen werden: Zumindest im Schritt e) und/oder f) wird die dem Wabenkern zugeordnete Seite der TV-Folie mit einem positiven oder negativen Gegendruck beaufschlagt, der demjenigen Druck entspricht, welcher auf der der Decklage zugewandten Seite der TV-Folie durch das Evakuieren und/oder Injizieren entsteht. Es wird zu diesem Druck also ein geeigneter Gegendruck aufgebaut, so dass auf beiden Seiten der TV-Folie im Wesentlichen der gleichen Druck besteht. Eine unerwünschte Deformation der TV-Folie wird dadurch zuverlässig verhindert, was eine effektive Verbindung der TV-Folie mit dem Wabenkern und der Decklage sicherstellt.
Zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren können die TV-Folie mit ihrem Harz H1 und das Injektionsharz H2 auch im Rahmen eines Harz-Folien-Sets bereitgestellt werden. Die Harze H1 und H2 besitzen hierbei die bereits weiter oben erläuterten Eigenschaften.
Zur Herstellung eines faserverstärkten Hohlkörperkern-Sandwichbauteil in dem erfindungsgemäßen Verfahren ist ein erfindungsgemäßes Zwischenprodukt verwendbar, welches den Hohlkörper-Sandwichkern bzw. Wabenkern und die TV-Folie bereits als vorgefertigte Einheit umfasst. Die TV-Folie kann hierbei entweder einseitig oder mehrseitig auf dem Wabenkern angebracht und fest mit diesem verbunden sein. Wie bereits zuvor erwähnt, kann diese feste Verbindung entweder durch eine teilweise Aushärtung des Harzes H1 der TV-Folie oder aber mit Hilfe eines separaten Adhäsions- oder Klebemittels erfolgen.
Die TV-Folie kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens noch einige weitere Besonderheiten aufweisen. So ist optional vorgesehen, die TV-Folie zur Erhöhung ihrer Druckfestigkeit gegen die in den Schritten e) und/oder f) auftretenden Drücke faserverstärkt auszubilden. Als Verstärkungsfasern sind sowohl Glasfasern, Kohlefasern als auch Aramidfasern, Borfasern, sowie andere geeignete Textilfasern sowie Mischformen daraus einsetzbar. Die Faserverstärkung der TV-Folie kann mit dem Harz H1 auch in der Art eines sog. Prepregs vorimprägniert sein. Zur Erhöhung der Harzundurchlässigkeit gegen das Injektionsharz H2 ist zudem erfindungsgemäß vorgesehen, dass die TV-Folie optional eine harzundurchlässige Zwischenschicht aufweist, die auf beiden Seiten von dem ersten Harz H1 bedeckt ist. Diese Zwischenschicht kann z. B. aus einem oder mehreren Schichten, Folienelementen oder einem dritten Harz aufgebaut sein.
In einer zusätzlichen erfindungsgemäßen Variante der TV-Folie weist diese eine Vielzahl gewölbeartig vorgeformter Flächenbereiche auf. Diese Flächenbereiche können bei dem erfindungsgemäßen Zwischenprodukt oder z. B. in erfindungsgemäßen Verfahren im Schritt a) derart über freien Kavitäten des Hohlkörper-Sandwichkerns bzw. des Wabenkerns angeordnet werden, dass sich die Wölbung in Richtung von dem Hohlkörper-Sandwichkern weg und entgegen der im Schritt e) oder f) auftretenden Druckrichtung erstreckt. Auf dieser Weise kann die Druckfestigkeit der TV-Folie gegen die im Schritt e) und/oder f) auftreten Drücke erhöht werden. Beim Injizieren des Harzes H2 z. B. verformen sich die gewölbeartig vorgeformten Flächebereich dann in Richtung zu den freien Kavitäten des Hohlkörper-Sandwichkerns hin, so dass eine im Wesentlichen ebene Oberfläche der TV-Folie entsteht, die sich gut an die Decklage bzw. den Sandwichkern anlegt. Dies fördert eine zuverlässige Verbindung zwischen der TV-Folie und der getränkten faserverstärkten Decklage.
In einer noch weiteren Variante der TV-Folie ist deren erstes Harz H1 mit Nanopartikeln versehen, welche eine hohe Mikrowellen-Absorptionsfähigkeit besitzen und durch die Mikrowellen gut erwärmbar sind. Auf dieser Weise kann das thermische Aushärten des Harzes H1 im Schritt h) durch Bestrahlen mittels Mikrowellen erfolgen, da die erwärmten Nanopartikel die Wärme auf das Harz H1 übertragen und dieses thermisch aushärten. Weil die Erwärmung des Harzes H1 maßgeblich von den Nanopartikeln beeinflusst wird, erwärmt sich das Injektionsharz H2, welches über die niedrigere Aushärtetemperatur T2 verfügt, hierbei nur geringfügig. Eine thermische Schädigung des Injektionsharzes H2 wird dadurch vermieden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Hohlkörperkern-Sandwichbauteilen im vakuumunterstützten Harz-Infusionsprozess (sog. VAP-Verfahren), umfassend folgende Schritte: a) Herstellen eines Sandwich-Rohlings mit – einem Hohlkörper-Sandwichkern, – mindestens einer trockenen Verstärkungsfaser-Decklage, die auf mindestens einer Seite des Hohlkörper-Sandwichkerns angeordnet wird, sowie – einer unmittelbar zwischen dem Hohlkörper-Sandwichkern und der trockenen Verstärkungsfaser-Decklage angeordneten, harzdichten (d. h. für das nachfolgend genannte Harz H2 harzdichten), thermisch aushärtbaren, druck- und formbeständigen Trenn/Verbindungsfolie (TV-Folie), welche ein erstes thermisch aushärtbares Harz H1 umfasst, das eine Aushärtetemperatur T1 besitzt; b) Anordnen des Sandwich-Rohlings in einem ersten Formkörper; c) Abdecken zumindest eines Teilbereichs des Sandwich-Rohlings mit einer Vakuumhaube oder Vakuumfolie; d) Verschließen des ersten Formkörpers mit der Vakuumhaube oder Vakuumfolie zur Bildung eines in Zusammenwirkung mit der TV-Folie zumindest die trockene Verstärkungsfaser-Decklage umschließenden evakuierbaren Injektionsraumes; e) Evakuieren des Injektionsraumes; f) Injizieren eines zweiten thermisch aushärtbaren fließ- und/oder spritzfähigen Harzes H2, dessen Aushärtetemperatur T2 niedriger ist als die Aushärtetemperatur T1 des ersten Harzes H1 in die Decklage und auf die harzdichte TV-Folie; g) Thermisches Aushärten des zweiten Harzes H2 zur Bildung einer faserverstärkten Decklage; und h) Thermisches Aushärten des ersten Harzes H1 der harzdichten TV-Folie und damit Verbinden des Hohlkörper-Sandwichkerns mit der Decklage mittels der TV-Folie.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt h) zumindest teilweise während des Schrittes g) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – vor dem Schritt a) die aushärtbare TV-Folie auf den Hohlkörper-Sandwichkern angeordnet und die dem Hohlkörper-Sandwichkern zugewandte Seite der TV-Folie zumindest teilweise ausgehärtet und/oder fest mit dem Hohlkörper-Sandwichkern verbunden wird; und – im Schritt h) die dem Hohlkörper-Sandwichkern abgewandte und der Decklage zugewandte Seite der TV-Folie thermisch ausgehärtet und mit der Decklage verbunden wird, wodurch der Hohlkörper-Sandwichkern mittels der TV-Folie mit der Decklage verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt h) beim thermischen Aushärten des Harzes H1 die TV-Folie flächig vorgespannt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung des Sandwich-Rohlings auf mehreren Seiten des Hohlkörper-Sandwichkerns eine trockene Verstärkungsfaser-Decklage angeordnet wird, und zwischen jeder dieser Decklagen und dem Hohlkörper-Sandwichkern eine TV-Folie angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper-Sandwichkern ein Hohlkörper-Sandwichkern ist, der ausgewählt ist aus einer Gruppe von Hohlkörper-Sandwichkernen, umfassend: einen Wabenkern, einen aus unterschiedlichen Hohlkörpertypen zusammengesetzten Hohlkörperkern, einen offenzelligen Schaumkern, Mischformen daraus.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der niedrigeren Aushärtetemperatur T2 des zweiten Harzes H2 und der höheren Aushärtetemperatur T1 des ersten Harzes H1 im Bereich von 25 bis 150 K liegt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz der TV-Folie, d. h. das erste thermisch aushärtbare Harz H1 und/oder das zweite thermisch aushärtbare Harz H2 ein Harz ist, das ausgewählt ist aus einer Gruppe von Harzen, umfassend duroplastische Harze, insbesondere Epoxydharze, Phenolharze, Polyesterharze, Vinylharze und thermoplastische Harze.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine TV-Folie zur Anwendung kommt, die eine harzundurchlässige Zwischenschicht aufweist, welche beidseitig von dem ersten Harz H1 bedeckt ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine faserverstärkte TV-Folie zur Anwendung kommt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die TV-Folie eine Vielzahl gewölbter vorgeformter Flächenbereiche aufweist, und die TV-Folie so auf dem Hohlkörper-Sandwichkern angeordnet wird, dass sich die gewölbten Flächenbereiche über freien Kavitäten des Hohlkörper-Sandwichkerns befinden und sich entgegen einer während des Schrittes e) und/oder f) auf der der Decklage zugeordneten Seite der TV-Folie auftretenden Druckrichtung wölben.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das erste Harz H1 der TV-Folie bei seiner Herstellung mit Nanopartikeln versehen wird, welche eine hohe Mikrowellen-Absorptionsfähigkeit besitzen und durch Mikrowellen erwärmbar sind; – im Schritt h) das thermische Aushärten der TV-Folie mittels Mikrowellenbestrahlung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Schritt e) und/oder f) die dem Hohlkörper-Sandwichkern zugeordnete Seite der TV-Folie mit einem Gegendruck beaufschlagt wird, der einem durch das Evakuieren und/oder Injizieren entstehenden Druck auf der der Decklage zugeordneten Seite der TV-Folie entspricht.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper-Sandwichkern auf mindestens zwei Seiten mit einer TV-Folie versehen ist, die jeweils mit ihrer dem Hohlkörper-Sandwichkern zugewandten Seite zumindest teilweise ausgehärtet und/oder fest mit dem Hohlkörper-Sandwichkern verbunden ist.