DE102015007284A1

DE102015007284A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Faserverbundbauteilen

Info

Publication number: DE102015007284A1
Application number: DE102015007284.6A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Gajewski
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2016-12-15
Anticipated expiration: 2035-06-11
Also published as: DE102015007284B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, umfassend ein Zuführen von Matrixmaterial (60) in eine Kavität (101, 111, 121) eines formgebenden Werkzeugs (100, 110, 120) mit einem darin befindlichen Faservorformling (20, 21, 22) und ein Einbringen bzw. Vorsehen mindestens eines die Viskosität des Matrixmaterials steigernden Stoffes (30, 31) in mindestens einen Teilbereich der Kavität. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung (10) zur Herstellung eines Faserverbundbauteils und ein Faserverbundbauteil.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Faserverbundbauteilen sowie ein hergestelltes Faserverbundbauteil.
Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen wird gemeinhin ein Faservorformling, also ein Halbzeug aus Fasermaterial (das beispielsweise Kohlenstofffasern umfasst), in einer Kavität eines ein- oder zweiseitigen formbildenden Werkzeugs unter Erzeugung eines Vakuums mit Matrixmaterial (auch als „Harz” bezeichnet) infiltriert, das alsdann (ggf. unter Wärmezufuhr z. B. in einem Ofen oder Autoklaven) zum Aushärten gebracht wird.
Beim Infiltrieren stellt es eine Schwierigkeit dar, dafür zu sorgen, dass die Fließfront des Matrixmaterials sich zuverlässig kontrollierbar fortbewegt. Beispielsweise kann ein lokales Vorauseilen der Fließfront (ein sogenanntes „Race-Tracking”) z. B. in Randbereichen des Faservorformlings und/oder in Bereichen außerhalb des Faservorformlings bewirken, dass das Fasermaterial nicht mehr ausreichend mit Matrixmaterial getränkt wird; dies kann zu einer schlechten Qualität des hergestellten Bauteils führen.
Insbesondere kann eine unzureichend kontrollierte Fortbewegung des Matrixmaterials außerhalb des Faservorformlings zu einem Verschluss einer Absaugung der Kavität führen, so dass zum einen die Absaugung beeinträchtigt werden kann, zum anderen Matrixmaterial in einen Absaugungskanal der Kavität gelangen kann, aus dem es nach seinem Aushärten im Allgemeinen nur mit erheblichem Aufwand wieder entfernt werden kann. Zudem kann Matrixmaterial in den Bereich einer Abdichtung der Kavität nach außen gelangen, von wo es nach der Aushärtephase ebenfalls meist schwer beseitigt werden kann.
Im Stand der Technik sind verschiedene Ansätze bekannt, um die Fortbewegung des Matrixmaterials in der Kavität zu beeinflussen und so die genannten nachteiligen Effekte zu verhindern. Insbesondere sind einige Lösungsvorschläge zur Vermeidung des genannten „Race-Trackings” gegeben.
In der Druckschrift DE 10 2013 012 005 A1 wird bspw. ein Verfahren vorgestellt, bei dem ein Hilfsmaterial in eine Werkzeugkavität mit einem Faservorformling eingebracht wird. Das Hilfsmaterial soll dabei den Fließweg des Matrixmaterials während des Infusionsvorgangs beeinflussen. Insbesondere kann das Hilfsmaterial bspw. ein Polymer sein, das in den Bereich zwischen Faservorformling und formgebendem Werkzeug eingebracht wird und vorteilhaft in einem ersten Aushärtezyklus ausgehärtet wird. Das danach injizierte Matrixmaterial kann nicht mehr in diesen Bereich vordringen und ist somit gezwungen, einen anderen Weg zu durchfließen, bspw. ausschließlich durch den Faservorformling.
Die Druckschrift EP 0 780 213 A1 beschreibt den Einsatz von quellfähigen Polymeren, die in den Bereich zwischen Faserhalbzeug und formgebendem Werkzeug vorgesehen werden können und unerwünschte Fließwege für das Matrixmaterial in Zwischenräumen zwischen Faservorformling und Werkzeugwand schließen, um das lokale Vorauseilen der Fließfront zu vermeiden. Das in der Druckschrift DE 10 2009 053 549 A1 beschriebene Verfahren sieht den Einsatz eines sekundären Matrixmaterials vor, das den Fließweg eines primären Matrixmaterials beeinflussen soll.
Auch gibt es verschiedene Ansätze, die Fließfront des Matrixmaterials innerhalb des Faservorformlings zu beeinflussen. So können bspw. lokal Fließhilfen vorgesehen werden, oder es können ein Zulauf für Matrixmaterial geeignet positioniert und ein Injektionsdruck passend gewählt werden.
Aus der Druckschrift DE 10 2008 058 940 A1 ist ein Verfahren bekannt, demzufolge das Fasermaterial vor der Injektion des Matrixmaterials mit einem Härter versetzt wird (der einen Katalysator umfassen kann); das Harzsystem braucht dann keinen Härter mehr zu enthalten. Dringt das Matrixmaterial in das Fasermaterial ein und kommt dort in Kontakt mit dem Härter, wird die Aushärtereaktion des Matrixmaterials initiiert und/oder beschleunigt.
Die Druckschriften US 6 447 705 B1 , US 2002/0198 342 A1 und DE 10 2013 105 940 A1 sehen ebenfalls den Einsatz eines Katalysators im Fasermaterial vor. Dabei wird lediglich die Aushärtereaktion des Matrixmaterials im Fasermaterial beeinflusst, nicht jedoch das Fließverhalten des Matrixmaterials außerhalb des Fasermaterials.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine verbesserte Technik zum Herstellen eines Faserverbundbauteils bereitzustellen, mit der ein Matrixmaterialfluss in einem Randbereich der Kavität eines formgebenden Werkzeugs kontrolliert werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung gemäß Anspruch 8 und ein Faserverbundbauteil gemäß Anspruch 15. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen offenbart.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient einer Herstellung eines Faserverbundbauteils und umfasst ein Zuführen von Matrixmaterial in eine Kavität eines formgebenden Werkzeugs mit einem darin befindlichen Faservorformling sowie ein Einbringen mindestens eines die Viskosität des Matrixmaterials steigernden Stoffes in mindestens einen Teilbereich der Kavität.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung dient einer Herstellung eines Faserverbundbauteils und umfasst ein formbildendes Werkzeug mit einer Kavität zur Aufnahme eines Faservorformlings sowie von Matrixmaterial. In mindestens einem Teilbereich der Kavität ist mindestens ein die Viskosität des Matrixmaterials steigernder Stoff angeordnet.
Erfindungsgemäß kann ein einzelner die Viskosität des Matrixmaterials steigernder Stoff (hierin auch verkürzt als „viskositätssteigernder Stoff” bezeichnet) oder können mehrere derartige Stoffe verwendet werden; zur sprachlichen Vereinfachung wird in dieser Schrift der Zusatz „mindestens ein(e)” nicht immer mitgeführt, ohne dass dies als Einschränkung auf den Fall eines einzigen derartigen Stoffes zu verstehen sein soll. Entsprechendes gilt für den mindestens einen Teilbereich der Kavität.
Der (mindestens eine) die Viskosität des Matrixmaterials steigernde Stoff verringert bei Kontakt mit dem Matrixmaterial dessen Fließfähigkeit und/oder Fließgeschwindigkeit. Dies kann z. B. ein physisches Binden des Matrixmaterials beispielsweise mittels eines oder mehrerer faseriger, watteartiger oder flockiger Fremdkörper und/oder ein reaktives Verdicken des Matrixmaterials umfassen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren bzw. eine erfindungsgemäße Vorrichtung bieten insbesondere den Vorteil, dass mit Hilfe des viskositätssteigernden Stoffes bestimmte Bereiche des Infusionsaufbaus frei von Matrixmaterial gehalten werden können. Ein zeitintensives und aufwendiges Entfernen von ausgehärtetem Matrixmaterial in den entsprechenden Bereichen des formgebenden Werkzeugs kann daher entfallen.
Zudem kann bei geeigneter Auswahl des Teilbereichs ein Kontakt des Matrixmaterials mit einer oder mehreren Komponenten des Infusionsaufbaus (z. B. einer Dichtungsvorrichtung mit Dichtschnüren o. ä.) vermieden werden, indem ein zu einer derartigen Komponente führender Matrixfluss durch das Steigern der Viskosität des Matrixmaterials in dem Teilbereich verhindert wird. Damit erfährt eine solche Komponente eine geringere Beanspruchung und kann daher eine längere Einsatzdauer haben.
Weiterhin kann ein lokales Vorauseilen der Fließfront des Matrixmaterials vermieden werden, ohne dass ein zusätzliches, den Matrixfluss umlenkendes Dichtelement in die Kavität eingebracht werden muss: Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das infolge des Durchleitens durch den viskositätssteigernden Stoff lokal hochviskose Matrixmaterial selbst zu einem Dichtmittel.
Das formbildende Werkzeug kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren und bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung jeweils ein einseitiges oder ein zweiseitiges Werkzeug sein. Die Kavität kann durch eine Vertiefung in einem (z. B. ersten) Teil des Werkzeugs gebildet sein; eine derartige Vertiefung kann bei Anwendung des Verfahrens durch eine Vakuumfolie und/oder durch einen zweiten Werkzeugteil abgedeckt sein. Insbesondere kann die Kavität mindestens abschnittsweise durch mindestens eine Oberfläche des formbildenden Werkzeugs begrenzt sein, die die Kavität somit ausbildet.
Die Kavität kann auf einen oder mehrere formbildenden Hohlraum bzw. formbildende Hohlräume oder formbildende Vertiefung(en) im Werkzeug beschränkt sein, der bzw. die dazu eingerichtet ist/sind, einen Faservorformling aufzunehmen. Alternativ kann die Kavität neben einem derartigen formbildenden Hohlraum bzw. einer formbildenden Vertiefung zusätzlich einen von einem Absaugungskanal begrenzten Raum, insbesondere mindestens einen Absaugungskanal oder zumindest einen Eingangsbereich eines Absaugungskanals umfassen, der dazu eingerichtet ist, an eine Vakuumeinheit angeschlossen zu werden und Luft oder sonstiges Gas aus der Kavität zu leiten. In diesem Sinne kann der „Teilbereich der Kavität” ein Bereich innerhalb des formbildenden Hohlraums bzw. der Vertiefung sein oder ein Bereich einer erweiterten Kavität, die neben dem formbildenden Hohlraum bzw. der formbildenden Vertiefung auch mindestens einen Teil eines von diesem ausgehenden Absaugungskanals umfassen kann.
Der Faservorformling kann ein lediglich zugeschnittenes Fasermaterial umfassen oder ein zugeschnittenes und in eine Form gebrachtes (z. B. gepresstes) Fasermaterial.
Der Teilbereich der Kavität umfasst vorzugsweise einen Randbereich der Kavität, beispielsweise einen Randbereich einer Vertiefung oder Aushöhlung in dem formbildenden Werkzeug oder einer Komponente des formbildenden Werkzeugs. Insbesondere kann der Teilbereich einen Zwischenraum zwischen dem Faservorformling in der Kavität und mindestens einer Oberfläche des formbildenden Werkzeugs umfassen, welche die Kavität ausbildet.
Der Teilbereich kann mehrere lokale, nicht zusammenhängende Stellen oder Abschnitte umfassen, die jeweils punktförmig, linienartig oder flächig ausgebildet sein können.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher der Teilbereich (während einer Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. während eines bestimmungsgemäßen Gebrauchs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung) mindestens teilweise seitlich neben dem Faservorformling liegt. Der Teilbereich kann in mindestens einem Abschnitt durch einen Spalt von dem Faservorformling getrennt sein oder mit stumpfem (bei Anwendung des Verfahrens seitlichem und/oder vertikalem) Kontakt zum Faservorformling angeordnet sein (also an den Faservorformling anstoßen).
Alternativ oder zusätzlich kann der Teilbereich sich in den Faservorformling hinein erstrecken, der in diesem Fall den mindestens einen viskositätssteigernden Stoff mindestens teilweise aufgenommen haben kann, beispielsweise indem der viskositätssteigernde Stoff einen Teil des Faservorformlings durchtränkt hat oder anderweitig innerhalb des entsprechenden Bereichs im Faservorformling positioniert wurde.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante umfasst der Teilbereich einen Umgebungsbereich einer Abdichtung der Kavität; bei einem einteiligen Werkzeug kann eine derartige Abdichtung an einem Rand einer die Kavität ausbildenden Oberfläche des formbildenden Werkzeugs angeordnet sein, bei einem zwei- oder mehrteiligen Werkzeug kann eine solche Abdichtung an einem Rand zwischen den beiden bzw. mehreren Werkzeugteilen positioniert sein. Ein Umgebungsbereich einer derartigen Abdichtung kann insbesondere einen Bereich zwischen der Abdichtung und dem Faservorformling umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der Teilbereich einen Eingang des Absaugungskanals von der Kavität her umfassen. Durch eine derartige Positionierung des mindestens einen viskositätssteigernden Stoffs kann verhindert werden, dass das Matrixmaterial an die entsprechenden Stellen vordringt.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst mindestens einen Zulauf, durch den Matrixmaterial in die Kavität geleitet werden kann, um den Faservorformling dadurch von mindestens einer Infiltrationsseite des Faservorformlings her mit dem Matrixmaterial zu infiltrieren; die (mindestens eine) Infiltrationsseite kann beispielsweise einen äußeren (vorzugsweise seitlichen) Rand derjenigen Hälfte oder desjenigen Drittels des Faservorformlings umfassen, die bzw. das beim Einleiten des Matrixmaterials zuerst von diesem infiltriert wird. Das Vorsehen von mehreren Zuläufen für Matrixmaterial kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn durch einen Zulauf in angemessener Zeit nicht ausreichend Matrixmaterial zugeführt werden kann und/oder wenn es vorteilhaft erscheint, den Faservorformling von mehr als einem Punkt bzw. einer Seite mit Matrixmaterial zu infiltrieren. Die Vorrichtung der genannten Ausführungsform umfasst weiterhin mindestens einen Absaugungskanal, der an der (mindestens einen) Infiltrationsseite in die Kavität (bzw. in deren formbildenden Abschnitt zur Aufnahme des Faservorformlings) einmündet und der dazu eingerichtet ist, Luft oder sonstiges Gas aus der Kavität zu leiten. Der mindestens eine Teilbereich mit dem die Viskosität des Matrixmaterials steigernden Stoff umfasst dabei einen Zwischenraum zwischen dem Faservorformling und dem (mindestens einen) Absaugungskanal und/oder einen Eingangsbereich des Absaugungskanals von der Kavität her.
Bei herkömmlichen Infusionsaufbauten werden der Zulauf des Matrixmaterials und die Absaugung der Kavität üblicherweise in größtmöglichem Abstand voneinander positioniert; eine Anordnung von Zulauf und Absaugungskanal gemäß der genannten Ausführungsform kann jedoch insbesondere aufgrund bauartbedingter Einschränkungen hinsichtlich der Positionierbarkeit im formgebenden Werkzeug und/oder aufgrund einer besseren Handhabbarkeit z. B. hinsichtlich des Vorbereitungsprozesses oder einer Werkzeugwartung vorteilhaft sein. Die Anordnung ist möglich, weil der die Viskosität des Matrixmaterials steigernde Stoff in dem Zwischenraum zwischen dem Faservorformling und dem Absaugungskanal ein Eindringen des Matrixmaterials in den Absaugungskanal verhindert. Zudem erlaubt diese Ausführungsform einen Verzicht auf eine Harzfalle: In einer derartigen Harzfalle wird herkömmlicherweise in die Absaugung gelangtes Matrixmaterial aufgefangen, um zu verhindern, dass es in die Vakuumeinheit bzw. Vakuumpumpe gelangt.
Das viskositätssteigernde Material kann in den bzw. im Absaugungskanal in einem Abstand zu einem Ende des Absaugungskanals eingebracht werden oder sein, an dem der Absaugungskanal in die (bzw. in den formbildenden Teil der) Kavität einmündet. Ein derartiger Abstand beträgt vorzugsweise maximal 250 cm, bevorzugter maximal 100 cm. Dabei kann das viskositätssteigernde Material zu einem beliebigen Zeitpunkt (z. B. durch Einspritzen) in die Absaugung eingebracht werden. Dadurch kann ein Spülen der Kavität ermöglicht und gleichwohl auf den Einsatz einer Harzfalle verzichtet werden.
Insbesondere kann das Durchleiten des Matrixmaterials durch den viskositätssteigernden Stoff dessen Vermischung mit dem Matrixmaterial und damit eine Reduktion der Fließfähigkeit des Matrixmaterials bewirken. Dies kann unabhängig von Aushärtungseigenschaften (wie beispielsweise einer Aushärtungsdauer bei vorgegebenen Rahmenbedingungen (z. B. einer Temperatur des Matrixmaterials)) erfolgen oder durch Änderung mindestens einer Aushärtungseigenschaft, beispielsweise durch Herbeiführung einer vorzeitigen oder beschleunigten Aushärtung des Matrixmaterials (bei vorgegebenen Rahmenbedingungen).
Der viskositätssteigernde Stoff kann beispielsweise mindestens ein Thixotropiermittel, ein oder mehrere faserige, watteartige oder flockige Produkte, mindestens einen Härter für das Matrixmaterial und/oder mindestens einen Katalysator umfassen. Vorzugsweise ist oder wird der viskositätssteigernde Stoff unter Berücksichtigung des verwendeten Matrixmaterials geeignet ausgewählt.
Bei der Verwendung von Epoxy- und/oder Polyesterharzen als Matrixmaterial kann bspw. Thixotropiermittel zweckmäßig zur Viskositätssteigerung bei Erhaltung von Aushärteeigenschaften des Matrixmaterials eingesetzt werden. Des Weiteren kann durch Einbringung von z. B. Baumwollflocken und/oder anderen Produkten oder Fremdkörpern in das Matrixmaterial dessen Viskosität erhöht werden. Außer den hier aufgeführten Stoffen gibt es noch weitere Substanzen, die zu einer Viskositätssteigerung des Matrixmaterials führen können. Dabei kann die Viskositätssteigerung u. a. bspw. durch eine Wechselwirkung (z. B. Van-der-Waals- und/oder Wasserstoffbrückenbindungen) zwischen dem eingebrachten Stoff und im Matrixmaterial vorhandenen Molekülketten hervorgerufen werden.
Eine Viskositätssteigerung des Matrixmaterials durch eine vorzeitige und/oder beschleunigte Aushärtereaktion des Matrixmaterials kann beispielsweise durch Verwendung mindestens eines Initiators (Härters) und/oder mindestens eines Katalysators erreicht werden. Bei der Verwendung von Epoxidharzen als Matrixmaterial können bspw. ein Diamin als Initiator und Triphenylphosphan als Katalysator eingesetzt werden. Eine Verwendung weiterer bzw. anderer Materialien ist ebenso möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beim Einbringen von Härter als viskositätssteigerndem Stoff eine stöchiometrische Zusammensetzung von Harz und Härter berücksichtigt; dadurch kann insbesondere bei der Verwendung eines Epoxy-basierten Matrixmaterials eine gute Festigkeit eines hergestellten Faserverbundbauteils erreicht werden.
Alternativ können Härter und Matrixmaterial in dem Teilbereich in zueinander unstöchiometrischem Verhältnis vermischt werden, so dass also einer der beiden Stoffe reaktiv im Überschuss vorliegt; auf genaue und aufwendige Abmessungen kann in diesem Falle verzichtet werden, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn die Herstellung des Verbundbauteils nach dem Aushärten des Matrixmaterials ein Entfernen eines betroffenen Bereichs umfasst.
Vorzugsweise ist der mindestens eine viskositätssteigernde Stoff mindestens teilweise nicht formstabil. Er kann beispielsweise in Form eines Gelees, einer Flüssigkeit und/oder Paste in den Teilbereich eingebracht werden oder worden sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird der viskositätssteigernde Stoff mindestens zum Teil trägermittelfrei (also in Reinform) in dem Teilbereich der Kavität positioniert; dies ist besonders im Falle eines geleeartigen, festen oder pastosen viskositätssteigernden Stoffes geeignet.
Das Einbringen des viskositätssteigernden Stoffes kann vor dem Zuführen des Matrixmaterials in die Kavität und/oder bei bereits fließendem Matrixmaterial erfolgen.
Insbesondere kann der viskositätssteigernde Stoff vor einem Anordnen des Faservorformlings in den Teilbereich der Kavität eingebracht werden. In diesem Falle kann gegebenenfalls mindestens ein Abschnitt des Faservorformlings auf einer flächigen Schicht, einer linienförmigen Spur und/oder einem punktförmigen Fleck mit dem viskositätssteigernden Stoff angeordnet werden. Alternativ oder zusätzlich kann der viskositätssteigernde Stoff mindestens zum Teil direkt auf einen Abschnitt (vorzugsweise einen Rand) des Faservorformlings aufgebracht sein oder werden.
Ein derartiges Anreichern des Faservorformlings kann insbesondere einem Verhindern oder zumindest Reduzieren eines Matrixmaterialflusses aus dem Fasermaterial heraus (also vom Inneren des Faservorformlings nach außen) dienen.
Alternativ oder zusätzlich kann mindestens ein Teil des viskositätssteigernden Stoffes auf ein und/oder in einem Trägermaterial auf- bzw. eingebracht sein oder werden. Das Trägermaterial kann mindestens teilweise beispielsweise mit dem viskositätssteigernden Stoff durchtränkt sein, oder der viskositätssteigernde Stoff kann auf das Trägermaterial aufgestrichen sein.
Als Trägermaterial kann bspw. eine gitterartige Struktur, ein Gewirk, Gestrick, Vlies, Gel oder ein andersartiges Material dienen. Alternativ oder zusätzlich kann als Trägermaterial für den viskositätssteigernden Stoff mindestens eine flächige Fließhilfe verwendet werden; eine derartige Fließhilfe kann herkömmlicherweise zur schnellen oberflächigen Verteilung von Matrixmaterial bei Harzinfusionsprozessen (bevorzugt auf einseitig formgebendem Werkzeug) zur Anwendungen kommen.
Ein derartiges Trägermaterial kann sich über (lediglich) einen Teil einer Oberfläche des Werkzeugs erstrecken, die die Kavität ausbildet, beispielsweise an einem Rand der Oberfläche und/oder in einem Bereich zwischen Faservorformling und formgebendem Werkzeug, z. B. seitlich (horizontal) neben dem Faservorformling, und/oder auf einer Grund- und/oder Deckfläche der Kavität.
Alternativ kann die Kavität im Wesentlichen vollständig (z. B. zu mindestens 90% ihrer Begrenzungsfläche) mit einem solchen Trägermaterial ausgekleidet sein, so dass sich das Trägermaterial also über im Wesentlichen eine gesamte Oberfläche des Werkzeugs erstreckt, die die Kavität ausbildet. Beispielsweise kann ein dünnes Vlies (bspw. ein Vlies mit einem Flächengewicht von weniger als 25 g/m², bevorzugter zwischen 7 g/m² und 15 g/m²) aus Kohlenstofffasern oder aus einem anderen passenden Material auf und/oder unter dem Faservorformling und/oder innerhalb des Faservorformlings als ein flächiges Trägermaterial in der Kavität angeordnet werden; vorzugsweise hat ein derartiges Trägermaterial mindestens an einem Rand des Faservorformlings diesem gegenüber ein Übermaß. Dabei ist es vorteilhaft, das Trägermaterial lediglich in den Bereichen mit einem viskositätssteigernden Material zu versehen, in denen die Fortbewegung des Matrixmaterials beeinflusst werden soll.
Alternativ oder zusätzlich kann ohnehin im Faservorformling vorgesehenes Fasermaterial (z. B. eine oder mehrere Gewebe- und/oder Gelegelagen) als Trägermaterial verwendet werden.
Ein Trägermaterial kann beispielsweise eine Dicke von 0,004 mm–4 mm aufweisen, bevorzugt zwischen 0,01 mm und 1 mm. Es kann in einem Randbereich des Faservorformlings und ggf. darüber hinaus positioniert werden. Bei Verwendung eines geschlossenen formgebenden Werkzeugs kann ein im Randbereich der Kavität vorhandenes Trägermaterial ein zusätzliches Kompaktieren des Faservorformlings bewirken. Ein Durchfließen des Matrixmaterials durch diesen Bereich kann dadurch bereits erschwert und durch den viskositätssteigernden Stoff nochmals gebremst werden. Etwaig im Faservorformling vorhandene Luft kann durch die kleinen Poren im Randbereich jedoch weiterhin aus dem Fasermaterial gesaugt bzw. von der Fließfront des Matrixmaterials herausgeschoben werden. Bei einer solchen Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, den Randbereich, der aufgrund des zusätzlich zum Faservorformling eingebrachten Trägermaterials einen sehr hohen Faservolumengehalt aufweist, vom hergestellten Faserverbundbauteil zu entfernen, bevor dieses seinem Einsatzzweck nachkommt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Trägermaterial Kohlenstoff-, Glas-, und/oder Aramidfasern und/oder mindestens ein Polymer. Dies ist insbesondere bei einer Verwendung eines flächigen Trägermaterials vorteilhaft, bei der das Trägermaterial zumindest teilweise am und/oder im hergestellten Faserverbundbauteil verbleiben soll: Auf diese Weise kann zum einen auf einen aufwendigen Ablöseschritt verzichtet werden, zum anderen können Materialeigenschaften des hergestellten Faserverbundbauteils durch das verbliebene Trägermaterial positiv beeinflusst werden. Umfasst das Trägermaterial beispielsweise ein Polymer (z. B. ein thermoplastisches Polymer wie z. B. Polyetherimid (PEI) oder Polyetheretherketon (PEEK)), das sich während des Herstellungsprozesses des Faserverbundbauteils an- und/oder auflöst bzw. schmilzt, kann dadurch die Schlagzähigkeit des hergestellten Bauteils verbessert werden.
Ein erfindungsgemäßes Faserverbundbauteil umfasst dem entsprechend ein von einem Matrixmaterial infiltriertes Fasermaterial sowie ein Trägermaterial für mindestens einen viskositätssteigernden Stoff. Das Trägermaterial kann dabei mindestens teilweise in das Fasermaterial eingedrungen und/oder an diesem ausgehärtet sein und/oder zumindest teilweise andersartig innerhalb diesem positioniert sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein erfindungsgemäßes Faserverbundbauteil Rückstände eines viskositätssteigernden Stoffes enthalten; derartige Rückstände können einen Rückschluss auf die Verwendung des viskositätssteigernden Stoffes zulassen, und zwar vorzugsweise auch dann, wenn kein Trägermaterial verwendet wurde.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entfaltet der mindestens eine viskositätssteigernde (beispielsweise einen Initiator und/oder einen Katalysator umfassende) Stoff seine viskositätssteigernde Wirkung bei bloßem Kontakt mit dem Matrixmaterial. Alternativ kann der viskositätssteigernde Stoff während des Infusionsvorgangs bspw. von dem Trägermaterial abgelöst und/oder aus diesem ausgewaschen werden. Daneben sind weitere Möglichkeiten denkbar, wie der viskositätssteigernde Stoff vom Trägermaterial an das Matrixmaterial abgegeben werden kann.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass einzelne Elemente und Komponenten auch anders kombinierbar sind als dargestellt.
Es zeigen schematisch:
1a, 1b, 1c drei mögliche Positionen des mindestens einen Teilbereichs gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
2a, 2b eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in zwei Zuleitungszuständen;
3 einen beispielhaften Ausschnitt einer Halbschale eines zweiseitigen formbildenden Werkzeugs mit Faservorformling und Trägermaterial für einen viskositätssteigernden Stoff gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In den 1a, 1b und 1c ist jeweils schematisch eine Kavität 101 in einem formbildenden Werkzeug 100 dargestellt; ein (nicht gezeigter) Zulauf für Matrixmaterial kann beispielsweise bei Verwendung des formbildenden Werkzeugs vertikal oben an der Kavität vorgesehen sein, bezogen auf die Darstellung in den 1a, 1b, 1c also dazu eingerichtet sein, in einer Betrachtungsrichtung Matrixmaterial in die Kavität zuzuführen.
Ein Teilbereich 30 der Kavität 101, in den ein viskositätssteigernder Stoff für ein zu verwendendes Matrixmaterial eingebracht ist oder wird, umläuft in der Ausführungsform gemäß 1a den Faservorformling entlang einer durchgängigen Linie, ohne mit dem Faservorformling in Kontakt zu treten: Zwischen dem Teilbereich mit dem viskositätssteigernden Stoff 30 und dem Faservorformling 20 ist ein Freiraum 40 angeordnet, durch den verhindert werden kann, dass ein beispielsweise flüssiger viskositätssteigernder Stoff in den Faservorformling eindringt (beispielsweise von ihm aufgesogen wird), was je nach verwendetem viskositätssteigernden Stoff oder beabsichtigten Eigenschaften des fertiggestellten Faserverbundbauteils unerwünscht sein kann.
In der in 1b gezeigten Ausführungsform ist der Teilbereich 30 in Form einer den Faservorformling 20 umlaufenden Umrandungsfläche ausgebildet. Anders als in dem Ausführungsbeispiel der 1a stößt der Teilbereich hier bündig (d. h. stumpf) an einen Rand des Faservorformlings an; in der in 1c gezeigten Variante schließlich überlappt der flächige Teilbereich 30 in einer Überlappungszone 50 sogar einen Bereich, in dem der Faservorformling 20 angeordnet ist; in dieser Zone ist der viskositätssteigernde Stoff somit unter einen und/oder über einem Abschnitt und/oder innerhalb eines Abschnitts des Faservorformlings aufgebracht bzw. eingebracht. Beispielsweise kann der mindestens eine viskositätssteigernde Stoff 30 in den Teilbereich eingebracht worden sein, bevor der Faservorformling in der Kavität 101 positioniert wurde.
Es versteht sich, dass es außer den gezeigten Beispielen andere oder weitere Möglichkeiten für Teilbereiche gibt, in die ein viskositätssteigernder Stoff vorteilhaft eingebracht werden kann; der Teilbereich kann beispielsweise in Abhängigkeit von einem Einsatzzweck des Faserverbundbauteils und/oder von dem verwendeten Matrixmaterialien und/oder viskositätssteigernden Stoff gewählt werden.
Insbesondere kann ein derartiger Teilbereich alternativ zu den in den 1a–1c gezeigten Ausprägungen unzusammenhängend sein und/oder einen oder mehrere lediglich punktuelle Abschnitte umfassen. Ein lediglich lokal begrenzter Teilbereich kann z. B. vorteilhaft sein, wenn damit verhindert werden soll, dass Matrixmaterial an bestimmte lokale Stellen vordringt. Soll vermieden werden, dass Matrixmaterial in den seitlichen Bereich einer Abdichtung der Kavität gelangt, kann eine flächige und/oder linienförmige Positionierung des viskositätssteigernden Stoffes an entsprechender Stelle vorteilhaft sein. Soll ein seitlicher Absaugungskanal zwischen Matrixmaterial und formgebendem Werkzeug erzeugt werden, kann ebenfalls eine linienförmige Positionierung auf zumindest einer Seite des Faservorformlings vorteilhaft sein.
Der Einsatzbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens erstreckt sich insbesondere auf die Beeinflussung der Fortbewegung des Matrixmaterials außerhalb des Faservorformlings während eines Infusionsvorgangs. Alternativ oder zusätzlich kann eine erfindungsgemäße Beeinflussung der Fortbewegung des Matrixmaterials in einem Randbereich innerhalb des Faservorformlings vorteilhaft sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Fortbewegung des Matrixmaterials in einem Bereich eines Absaugungskanals beeinflusst. Durch einen dort eingebrachten viskositätssteigernden Stoff kann das Eintreten oder Fortschreiten von Matrixmaterial in den bzw. im Absaugungskanal unterbunden oder zumindest stark einschränkt werden, so dass in diesem Bereich auf eine Harzfalle verzichtet werden kann.
In den 2a, 2b ist eine hierfür geeignete Vorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in zwei Zuständen jeweils in Draufsicht skizziert: Dabei ist innerhalb eines formbildenden Werkzeugs 110 eine Kavität 111 ausgebildet, in der ein Faservorformling 21 angeordnet ist. In einem flächig den Faservorformling umgebenden Teilbereich der Kavität 111 ist ein viskositätssteigernder Stoff 31 angeordnet.
Die Kavität 111 umfasst einen Zulauf 112 zum Zuführen von Matrixmaterial in die Kavität 111 von einer Infiltrationsseite her (die in der Darstellung die linke Seite ist) sowie einen Absaugungskanal 113, der an eine (nicht gezeigte) Vakuumpumpe angeschlossen ist oder werden kann, um Luft oder sonstiges Gas aus der Kavität abzusaugen. Der Zulauf 112 führt durch den Teilbereich der Kavität, in den der mindestens eine viskositätssteigernde Stoff 31 eingebracht ist, hindurch und direkt an den Faservorformling 21.
Während in herkömmlichen Infusionsaufbauten ein Zulauf des Matrixmaterials und ein Absaugungskanal üblicherweise in größtmöglichem Abstand zueinander positioniert werden, um ein Eindringen von Matrixmaterial in den Absaugungskanal zu verhindern, ist der Absaugungskanal 113 in der in den 2a, 2b dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung an derselben Seite wie der Zulauf 112, mithin an der Infiltrationsseite positioniert. Eine derartige zueinander nahe Positionierung von Zulauf 112 und Absaugungskanal 113 kann insbesondere aufgrund bauartbedingter Einschränkungen hinsichtlich der Positionierbarkeit des bzw. innerhalb des formgebenden Werkzeugs 110 und/oder aufgrund einer besseren Handhabbarkeit z. B. hinsichtlich des Vorbereitungsprozesses bzw. der Wartung vorteilhaft sein. Sie ist insbesondere möglich, weil der Teilbereich mit dem eingebrachten viskositätssteigernden Stoff 31 eine Zone zwischen dem Absaugungskanal und einer Austrittsöffnung des Zulaufs 112 für das Matrixmaterial umfasst; im gezeigten Beispiel umfasst diese Zone einen Zwischenraum zwischen dem Faservorformling 21 und einer Einmündung 113' des Absaugungskanals in die Kavität (bzw. deren formbildenden Bereich). In dieser Zone wird somit das Matrixmaterial bei Kontakt oder Vermischung mit dem viskositätssteigernden Stoff 31 verdickt, so dass es nicht oder zumindest kaum in den Absaugungskanal eindringt. Dies ist in 2b zu erkennen: Hier ist eine Situation gezeigt, in der Matrixmaterial 60 durch den Zulauf 112 in den Faservorformling 21 eingeleitet wird. Das Matrixmaterial breitet sich dabei in dem Faservorformling 21 aus. An dessen Rändern tritt es aus dem Faservorformling aus und in einen Zwischenraum zwischen dem Faservorformling 21 und einer inneren Begrenzungswand der Kavität 111, der den Teilbereich mit dem mindestens einen viskositätssteigernden Stoff 31 umfasst. Dieser reduziert die Fließfähigkeit des Matrixmaterials 60 und verhindert dadurch einen Weiterfluss, insbesondere ein lokales Vorauseilen des Matrixmaterials 60 in dem Zwischenraum und ein Eintreten des Matrixmaterials in den Absaugungskanal 113.
Insbesondere ergibt sich so zwischen dem an der Fortbewegung gehinderten Matrixmaterial 61 und dem Rand der Kavität 111 ein Luftspalt 70, der ein Evakuieren der Kavität durch den Absaugungskanal 113 ermöglicht. Das Absaugen von Luft oder sonstigen Gasen innerhalb des trockenen Fasermaterials kann fortgesetzt werden, bis der Faservorformling 21 vollständig mit dem Matrixmaterial 60 infiltriert ist.
In 3 ist ein Abschnitt einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Eine untere Halbschale eines zweiseitigen formbildenden Werkzeugs 120 umfasst eine Oberfläche 124, die eine Kavität 121 ausbildet. Die Halbschale umfasst eine Abdichtung 125, die nach einem Aufsetzen einer (nicht gezeigten) zweiten Halbschale einen luftdichten Abschluss und damit insbesondere ein Evakuieren der Kavität 121 durch Absaugen von Luft oder sonstigem Gas durch einen (nicht gezeigten) Absaugungskanal hindurch ermöglicht.
Die Kavität 121 umfasst einen Zulauf, der in der 3 von außen durch ein entsprechendes in die Kavität führendes Zulaufrohr 122 dargestellt ist.
In der Kavität 121 ist ein Faservorformling 22 angeordnet. In einem Teilbereich der Kavität sind Matten von Trägermaterial 80 angeordnet; der Teilbereich umfasst dabei einen Zwischenraum zwischen dem Faservorformling 22 und einem Bereich der Oberfläche 124 der Halbschale 120 des formbildenden Werkzeugs, die die Kavität 121 ausbildet, und er umfasst insbesondere einen Umgebungsbereich der Abdichtung 125 (nämlich einen Bereich zwischen Abdichtung und Faservorformling). In und/oder auf das Trägermaterial 80 ist mindestens ein viskositätssteigernder Stoff ein- bzw. aufgebracht, der bei einem Einleiten von Matrixmaterial in die Kavität 121 den Fortfluss des Matrixmaterials unterbindet oder zumindest stark verlangsamt. So wird zum einen ein unkontrollierter lokaler Fluss von Matrixmaterial in den Zwischenräumen zwischen einer Wandung der Kavität (insbesondere der Oberfläche 124) und dem Vorformling 22 verhindert und zum anderen die Abdichtung 125 gesichert bzw. zumindest weitgehend von Matrixmaterial freigehalten.
Bezugszeichenliste

20, 21, 22: Faservorformling
30, 31: viskositätssteigernder Stoff
40: Freiraum
50: Überlappungszone
60: Matrixmaterial
61: mit viskositätssteigerndem Stoff versetztes Matrixmaterial
70: Luftspalt
80: Trägermaterial
100, 110, 120: formbildendes Werkzeug
101, 111, 121: Kavität
112: Zulauf
113: Absaugungskanal
113': Einmündung des Absaugungskanals
122: Zulaufrohr
124: Oberfläche des formbildenden Werkzeugs
125: Abdichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013012005 A1 [0006]
EP 0780213 A1 [0007]
DE 102009053549 A1 [0007]
DE 102008058940 A1 [0009]
US 6447705 B1 [0010]
US 2002/0198342 A1 [0010]
DE 102013105940 A1 [0010]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, umfassend ein Zuführen von Matrixmaterial (60) in eine Kavität (101, 111, 121) eines formgebenden Werkzeugs (100, 110, 120) mit einem darin befindlichen Faservorformling (20, 21 22); gekennzeichnet durch ein Einbringen und/oder Vorsehen mindestens eines die Viskosität des Matrixmaterials steigernden Stoffes (30, 31) in mindestens einen Teilbereich der Kavität.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der mindestens eine viskositätssteigernde Stoff umfasst: mindestens ein Thixotropiermittel; ein oder mehrere faserige, watteartige oder flockige Produkte; mindestens einen Härter für das Matrixmaterial; und/oder mindestens einen Katalysator.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Teil des viskositätssteigernden Stoffes trägermaterialfrei in den Teilbereich eingebracht wird; und/oder wobei mindestens ein Teil des viskositätssteigernden Stoffes auf, unter und/oder in einen Abschnitt des Faservorformlings eingebracht wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Teil des viskositätssteigernden Stoffes auf und/oder in ein Trägermaterial (80) auf- bzw. eingebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das Trägermaterial sich flächig über einen Teil zumindest einer Oberfläche (124) oder über im Wesentlichen die gesamte Oberfläche des Werkzeugs erstreckt, die die Kavität ausbildet.
Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei das Trägermaterial Kohlenstoff-, Glas-, und/oder Aramidfasern und/oder mindestens ein Polymer umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Teilbereich einen Bereich einer Abdichtung (125) der Kavität und/oder einen Absaugungskanal (113) umfasst.
Vorrichtung (10) zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, die ein formbildendes Werkzeug (100, 110, 120) mit einer Kavität (101, 111, 121) zur Aufnahme eines Faservorformlings (20, 21, 22) und von Matrixmaterial (60) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Teilbereich der Kavität mindestens ein die Viskosität des Matrixmaterials steigernder Stoff (30, 31) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Kavität mindestens einen Zulauf (112) und mindestens einen Absaugungskanal (113) umfasst, wobei der mindestens eine Absaugungskanal (113) dazu eingerichtet ist, Luft oder sonstiges Gas aus der Kavität zu leiten, wobei der mindestens eine Teilbereich einen Zwischenraum zwischen dem Faservorformling und dem Absaugungskanal (113) und/oder einen Eingangsbereich des Absaugungskanals umfasst, wobei der mindestens eine Zulauf (112) dazu eingerichtet ist, Matrixmaterial (60) in die Kavität (101, 111, 121) zu leiten und den Faservorformling (20, 21, 22) dadurch von mindestens einer Infiltrationsseite des Faservorformlings her mit dem Matrixmaterial (60) zu infiltrieren, und wobei der mindestens eine Absaugungskanal an der mindestens einen Infiltrationsseite in die Kavität einmündet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei der mindestens eine viskositätssteigernde Stoff umfasst: mindestens ein Thixotropiermittel; einen oder mehrere faserige, watteartige oder flockige Fremdkörper; mindestens einen Härter für das Matrixmaterial; und/oder mindestens einen Katalysator.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei mindestens ein Teil des viskositätssteigernden Stoffes (30, 31) trägermaterialfrei in dem Teilbereich der Kavität angeordnet ist; und/oder wobei der Faservorformling in der Kavität angeordnet und mindestens ein Teil des viskositätssteigernden Stoffes (30, 31) auf, unter und/oder in einem Abschnitt des Faservorformlings angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der die Viskosität des Matrixmaterials steigernde Stoff (30, 31) in und/oder auf einem Trägermaterial (80) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei das Trägermaterial sich flächig über einen Teil einer Oberfläche (124) oder über im Wesentlichen die gesamte Oberfläche des formbildenden Werkzeugs erstreckt, die die Kavität ausbildet.
Faserverbundbauteil, das ein von einem Matrixmaterial (60) infiltriertes Fasermaterial sowie ein Trägermaterial (80) für mindestens einen viskositätssteigernden Stoff (30, 31) und/oder Rückstände eines viskositätssteigernden Stoffes (30, 31) umfasst.