DE1949840A1 - Verbundwerkstoffgegenstand - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. R. Beetz u, Dipl.-Ing." LamprecM 1949-840

Mönchen 22, Stelrwdoristr. 10 .

293-I4.98OP 2.10.1969

NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION London (Großbritannien)

Verbundwerkstoffgegenstand

Die Erfindung bezieht sich auf Verbundwerkstoffgegenstände und Verfahren zu ihrer Herstellung.

Ein Verbundwerkstoff, in dem eine PaserverStärkung wie Glasfaser in einem ausgehärteten Kunstharzgrundmaterial enthalten ist, wird allgemein gebraucht. Eine weitergehende Verwendung eines solchen Werkstoffes wurde durch die Schwierigkeit gehindert, die vollen Festigkeits« und Steifheitskapazitäten der FaserverStärkung bei einem solchen Werkstoff zu erreichen. Welter haben auch die Beständigkeitseigenschaften solcher Werkstoffe gegenüber Abnutzung, hoher Temperatur und chemischem Angriff Ihre Verwendung beschränkt.

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Dsr lrfinduBg liegt die Aufgab* zugrunde, eines verbesserten Verbundwerkstoffgtgsagtand aus einem Kunetherz sit einer faeezYevetärknng ßowls ein Verfahren zur Herstellung gel ehe χ- Stgenstäßde υ» schaff«η.

Gelöst wird, diese Aufgabe erfindungsgeaiäS durch einen Verbundwerkstoffgegenstand aus einem von einem Hohlmantel oder Überzug umgebenen K®rn aus Sunstharz alt Faserver» Stärkungo

Die FaserverStärkung umf&St swecksäSlg Kohlefasern hoher Festigkeit und hohen Elastizitätsmoduls der Art, wie sie in der brit. ^tentschrift 1 110 791 Deschrieben 1st, and das Kunstharz kann ein Spozj-_? Polyester-, Polyamid- oder l?ur anker se sein, das durch Anwendung von Wärme und/oder durch den Sefeslt sines geeigneten Härters und Katalysators ausgehärtet wird.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffgegenstandes gemäS der Erfindung besteht aus dem Imprägnieren eines faserTerstärkungswerkstoffe mit ungehärtetem Kunstharz, dem teilweisen Auehärten des Kunstharzes zur Schaffung einer Ter^undmischung aus Kunstharz und Paser und anschliegendem freiben der Yerbundiaischung unter Druck durch eine Bübo in einen Hohlisantel zur Erzeugung eines Verbundwerkstoffgegenstandes aus einem von einem Hohlmantel umgebenen Kern aus teilweise ausgehärtetem Kunstharz mit Jasery©rStärkung.

Der Außen» und/oder Xtmenquersehaltt des Mantels kann Terschiedene Gestalt, z, B. Z-_f E-, S- oder X-Quersehnittfora aufweisen.

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Vorsugsweise 1st der Mantel aus Metall, z. B. ei »er Aluainlualegiexung. Solche Verbundgege&stände können als Versteifungsstreben sub Stabilisieren and Verfestigen eines Blechkonstruktion verwendet werden.

Die Verbundgegenstäade lassen eich e. B. durch Biegen vor der Endaushlrtung des I&netharssgehalts anpassen, be-Tor sie in eine Konstruktion eingefügt werden, oder die End-•ushärtung kann unmittelbar nach des Füllen dee ifentele Torgenoaeen werden.

Sin weiteres Verfahren sar Herstellung eines Verbandwerkstoffgegenstandei gemäß der Srfindang besteht aus des Ieprtgnitrtn tines Stranges aas ?aeerTeretärkungswerketoi£ ■1t angehlrtetea Kansthars, teilweise^ Aushärten des Kunstharzes sar Schaffung eines Tarbundstranges, Einführe» des Verbundstranges In einen Block aus etrangpreSbarem Metall und Strangpressen de· Metall- und des Verbundstranges aus einer hydros ta tisohen Strangpresse siir Erzeugung eines Verbundwerkstoff gegenstandes aus fliest eine PaserTerstärkung in einer teilweise ausgehärteten KunetliarBeatrix enthaltenden Kern, der wenigstens teilweise τοη Metall ummantelt ist.

Sie Flüssigkeit, durch welche der hydrostatische Strangpreßdruck ausgeübt wird, kann aus ungehärtetes Iaprägnierkunsthare bestehen.

In einen solchen Verbundwerkstoffgegenstand verschafft der faserverstärkte Kunstharskern die Hauptlängsfestigkeit und -steifigkeit, und der Mantel liefert einen Hauptanteil der Festigkeiteeigenschaften in Querrichtung des Segenstandes.

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In einem Beispiel nach der Erfindung wurden Kohlefasern von 7 Mikron Durchmesser und der in der brit. Patentschrift 1 110 791 beschriebenen Art mit einer gleichen Menge einer Lösung imprägniert, die ein wärmehärtendes Epoxyharz umfaßte, das in Acetonlösungemittel gelöst war und Bortrifluoridaminkomplex als Katalysator enthielt. Die imprägnierten Fasern wurden dann durch Erhitzen auf etwa 100⁰G für 30 Minuten teilweise ausgehärtet, wodurch das Lösungsmittel ausgetrieben wurde und sich eine Verbundmischung ergab, mit der man leicht hantieren konnte.

Die Mischung wurde dann in eine Strangpresse eingebracht. Eine Länge von Aluminiumrohr mit Ereisquersehnitt wurde an der Düsenausgangsseite der Fresse befestigt, und die Mischung wurde dann durch die Düse zwecks Füllung des Rohres eingespritzt. Die Wirkung des Treibens der Mischung durch die Düse besteht in der allgemein parallel zur Längsrichtung des Hohree erfolgenden Ausrichtung der Fasern. Die Mischung in dem Rohr iet in Fachkreisen als •'untergehärtete Yorlraprägniermischung" ("undercured pre-preg^B) bekannt. Der so aus einem mit "untergehärteter Torimpräg— niermi.sclmng" gefüllten Aluzainiumrohr geformte Gegenstand läßt sich z. B. durch Biegen in eine erforderliche Gestalt bringen.

Die Indaushärtungdea KunstharzgeheItβ der "untergehärteten Yorimprägniernil$chung^B wird durch Erhitzen dee Gegenstandesauf 1GO⁰G für 30 Minuten bewirkt.

Der Mantel kann τοπ unregelmäßigem Querschnitt sein, und in einem weiteren Beispiel besteht «r sus einer bzw. einem hohlen Gewindeschraube oder -bolzen init einer Längs-» axialbohrung, die mit einem Kern aus mit Fasern verstärktem

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ausgehärteten Kunstharz gefüllt ist. Sie Schraube oder der Bolzen wird nach irgendeinem bekannten Herstellverfahren erzeugt, trägt das Gewinde und im Pail einer Schraube den Schraubenkopf und ist mit einem hohlen Schaft ausgebildet oder nachträglich ausgebohrt, um die Bohrung für den Kern zu schaffen. Wenn eine einsinnig gerichtete Verstärkung parallel zur 3jangsach.se der Schraube ausgenutzt wird, hat eine solche Schraube ein sehr gutes Festigkeiteverhalten, da die Enden des Verbundkerns unbelastet sind und daher keine Belas.tungskonzentration in dieser sonst anfälligen Zone auftritt. Bas Festigkeits-Sewichtsverhältnis einer solchen Verbundwerkstoffschraube ist derart, daß eine Schraube oder ein Bolzen des gleichen Gewichts wie Aluminiumlegierungsschrauben oder -bolzen angenähert die gleiche Festigkeit wie eine Schraube bzw. ein Bolzen der gleichen Abmessungen aus Stahl aufweisen» Diese Gewichtsersparnls ist von besonderer Wichtigkeit auf dem Gebiet der Flugzeugtechnik.

Die Erfindung wird anhand zweier in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungebeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 einen seitlichen Schnitt durch ein Ausführ ungsbeispielj

Fig. 2 und 5 Seitenschnitte des zweiten Ausführungsbeispiels;

Fig. 4, 5 und 6 Schnittansichten nach den Schnittlinien IV-IV, V-V und VI-VI in Fig. 3j

und ■..'■■■

Fig. 7 einen seitlichen Seilschnitt.

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- βίο S¹Ig. 1 umfaßt der untere Teil einer hydrostatischen Strangpresse ein hohles zylindrisches Bauteil 11, das einen Pormbloclc 12 mit Kreisquerschnittmündung 13 trägt. Ein Strang aus Kohl·fasern der in der brit, Patentschrift 1 11Q beschriebenen Art 1st mit einer gleichen öewichtsmenge einer lösung aus wärmeaushärtendem Epoxyharz imprägniert, das in Acetonlösungsmittel gelöst ist und Bortrifluorid-Aminkomplsi als Katalysator enthält, Der imprägnierte Strang 14 wird dann 30 Minuten auf 10O⁰O zur Bewirkung teilwsiser Aushärtung erhitzt» Dar Strang wird nachher in eine Bohrung in einem Block aus weicher Aluminiumlegierung 16 eingeführt und in die Presse eingebracht. Dann wird unter Yerwendung flüssigen Eposyharzss 17 als Ereßflüsaigkeit hydrostatischer Druck ausgeübt. So wird ein Terbundwerkstoffgegenstand durch die Form.extru&iert, der ©inen Kreisquersehnitt-Hohlaluminittfflsian&el 18 aufweist, der teilweise ausgehärtetes Kunstharz 18 mit Kohlefaserverstärkung umgibt. Die anschließende Endaushärtung des Kunstharzes wird unter Anwendung yon Hitze durchgeführt.

In den Pig. 2 und 3 ist eine Formpreßanordnung zum !Formpressen eines Kompressorf lilgels aus vier oberen !eilen 21a, 22a, 23a und 24a und entsprechenden Tier Unterteilen 21b, 22b, 23b und 24b dargestellt, woTon die Seile 21a und 21b erhitzt werden. Eine lormhöhlung 21c wird zwischen den Seilen 21a, 21b gebildet und 1st auf ihrer überwiegenden Mnge Ton gleichem Querschnitt wie eine Länge des Nachschubs ¥on ummanteltem Terbundmaterial, das in diesem Palle in Pig.4 mit 29 bezeichnet ist. Die PormhÖhlung 21c ist bei 21d erweitert, um einen Plügelfußendebund aufzunehmen, wie noch beschrieben wird.

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Der obere und der untere Teil 22a und 22b Bind angelenkt, an unter dem Einfluß einer Intriebequelle bei 25 ua funkte 26, 27 zu schwenken, und ßo gestaltet, daß sie in geschlossenen Zustand, wie Fig. 3 zeigt, eine Formhöhlung 22c mit den Abmessungen eines Kompressorflttgels definieren.

i)er obere und der untere Seil 25a und 23b umfassen Bogeuformstempel, die genau zwischeödie Teile 22a, 24s und 22b, 24b passen und ron einer Antriebequelle 28 antreibbar Bind.

Der obere und der untere Teil 24a und 24b werden erhitzt und definieren zwischen sich eine Formhöhlung 24c der gleichen Gestalt wie 22c und mit einer erweiterten Höhlung 24cl entsprechend 21 d.

FUr einen FormpreßEykJus werden die beiden Teile 22a, 22b eur Offenstellung'aufgeschwenkt, wie In FIg. 2 dargestellt ist, und die oberen SPeIIe 21a Me 24a. Bind τοπ den unteren Teilen 21b bis 24b entfernt, line Länge dee Nachschubs aus einem Metallmantel 29 mit einem Kern 30 aus teilweise ausgehärtetes wärmeaushärtendem Kunstharz mit Faserverstärkung wird mit einem Blindende 31 (Fig* T) versehen. Der Nachschub wird in die untere Hälfte der Höhlung 21c eingesetzt, wobei das Blindende in die untere Hälfte der erweiterten Höhlung 21d paßt* Der obere und der untere Teil werden geschlossen, und die erhitzten Formteile 21a, 21b verflüssigen den KunstharzgeheIt des Kachschubs in den Höhlungen 21c und 21d*

Die Form wird nun geöffnet und der Hachsehub vorgerückt,

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bis das Blindende 31 zur erweiterten Fonnhöhlung 24d paßt. Ein Flügelfußendebund[32 ist am Nachschub angebracht, um zur Höhlung 21d zu passen. Sie Formteile werden nun geschlossen, wie Fig. 2 zeigt, und es versteht sich, daß ein Teil des Nachschubs, der sichfrorher in den Teilen 21a,. 21b befand, nun in den Teilen 22a, 22b ist. Sie Schwenk- ν teile 22a, 22b werden nun zu der in Fig. 3 dargestellten Stellung geschlossen, und der Flüssigkeitsdruck, der von dem flüssigen Kunstharz entwickelt wird, verformt den Metallmantel, der beginnt, die Gestalt der Formhöhlung 22c anzunehmen. Jedes Überschußkunstharz verformt den Hantel zwischen den Bogenformstempeln 23a» 23b, die gegen einen Steuerdruck von der Antriebsquelle 28 auseinander getrieben werden. In diesem Zustand werden die Formhöhlungen 21d, 22c nicht ganz durch den teilweise verformten Nachschub ausgefüllt, und dies ist in den Fig. 4, 5 und 6 gezeigt, wo es noch leere Hohlräume bei 4-1 f 51 und 61 gibt. Der Steuerdruck an den Bogenformstempeln wird nun gesteigert, um den Hantel weiter zu verformen und diese leeren Hohlräume 41, 51 und 61 zu füllen sowie den Hantel in die Zacken, wie bei 33 in dem Fußendebund 32, zu treiben.

Sie Form wird wieder geöffnet, der in der Höhlung 22c gebildete Gegenstand wird zur Höhlung 24c vorgerückt, und der Zyklus wird wiederholt.

Der geformte Gegenstand wird,während er in der Höhlung 24c ist,· auf eine zur Bewirkung der Auehärtung des Kunstharzes ausreichende Temperatur erhitzt. Um ein Aufhalten des Zyklus zu vermeiden, während das Aushärten vor sich geht, können weitere Höhlungen wie 24c vorgesehen werden, zu welchen der geformte Teil von 24c aus nach und nach von

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Sm Höiilttng TorgerSelct wird ana Iq welc&ett die wel

ter· Atieiifetung «rfoigt.

das Terfalireri zn beenden, ist es tiifrfcig, das EiQterder Läng· ά«β Saakßoiittbs diircii Anbringen eines Blind.-endes abzadlch-ten, Sas dem in Fig. 7 gezeigten äimlicii ist, jedocii. einen Biapiirageaendabscliltiö aafweisfc, der deformiert wird, um Öbirsciittßkunstiiarzfliiseiglceifc anfzunehaeo, wenn die iormatiuipel 23a, 25b betätigt werden.

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Claims (1)

1. aus einem τοπ einen ffofclmantel

   CfB beif. 29) oder tlberzug Gegebenen Ekea {%9 bsw. Eunetiiars mit

   2. Segerüetaiiä nacii Ακβρηιοίι 1_f ctacLurcii gekeQnzeIciiii#t_r die SsserrerstäEkaiig Eofelefesern naifaSt.

   3» GegeQBtasdl naeii Asspmck 1 öl sr Z_r äaiuircli gek:encz,elciinef;_r daß iss EEnstiiaxz ein Epoxy-_F Eoljestei^-j Folylmiä- oder

   umfaßt. ■ - - ' ~ - --

   4-> Gegenstand naciL Ansprach i _r 2 oder 5_t äadurek gekenndaß eier Ho&lmanteX (13 Izv. 29} oder Überzug

   5) TttsfaiEraEE zer HerstellEisg »Ises ferbnniwerfcstoffgegeiistaßäes_f äadarcii gekeRQzeiciinet_f daß man FaserYerstärJcungewerksfeoff nlt öögehäEteteia lansfeharss Imprägniert, das Iitpregnleriiars aur Scisffang ©JLser FirbiindiiiieciiiiEg aus Eimstiiars und Faserwericstoff fcellweise ausiisrtet and eine Charge der TeEbiindmisciiung UEter Briicic darcii eine Düse in einen EoalBiantel zut Bildung eine» TerbundwerkstoffgegenstsndeB sees '"einem von einen HoMmaot«! uugebenen Kern tof ttil«tif · »UÄgeiiSrteteiE Kunstiiarc mit FaserTerstärkung einapritzEt. . . ;. · ■ -- .; ' ; ■ '.'"■-■.■..

   6« Terfaiirett sur HereteHung eines TerbundwerkstoffgegenetsndeSf dadurck gelcennzeicitnet, äaß'nan einen Strang aus ZeserTers feSrleungswerkstoff mit ungenäxfretee Eunetiiaris Imprägniert, das Kunstharz zur Schaffung eines Terbundstranges

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   -■ ■* -■- t·

   teilweise aushärtet, den Verbundstrang in eine Bohrung in einen strangpreßbaren Metallblock einführt, den Metallblock nit den Verbundstrang in eine hydrostatische Strangpresse einlegt und dae Metall mit dem Verbundatrang au8 der Presse unter Bildung eines Verbundwerketoffgegenstandes aus einem τοη einem Hohlnantel umgebenen Kern aus teilweise ausgehärteten Kunstharz mit faserrerstärkung etrangpr.eßt.

   7« Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß aan das Kunstharz anscülleßend aushärtet.

   8. Verfahren nach Anspruch. 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunstharz kait-aushärtend ist und zur Bewirkung der Aushärtung einen geeigneten Katalysator und Härter enthält.

   9. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoffgegenstand unter Anwendung von Hitze und Brück auf den Gegenstand in einer geheizten formpresse geforsrt wird.

   10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand in einer Mehrstufenforepreeee geformt wird, die «ine erste geheizte Stufe, in der eine Länge des Verbundwerkstoffs zur Verflüssigung des Kunsthart«gehaltβ erhitzt wird, eine zweite Stufe, in die die Länge anschließend befördert und in der sie durch bewegliche Formorgane de- ίoralert wird, und eine dritte Stufe umfaßt, in die die Länge nachher befördert und in der sie zwecks Aushärtung des Kunstharzgehalts des Gegenstandes erhitzt wird.