DE3126242A1

DE3126242A1 - "formteil in sandwichbauweise und halbzeug zur herstellung desselben"

Info

Publication number: DE3126242A1
Application number: DE19813126242
Authority: DE
Inventors: Ernst 8019 Glonn Engelsberger
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1981-07-03
Filing date: 1981-07-03
Publication date: 1983-01-20
Also published as: DE3126242C2

Description

Formteil in Sandwichbauweise und Halbzeug zur Her-
stellung desselben Die Erfindung bezieht sich auf ein Formteil in Sandwichbauweise mit einer oberen und einer unteren, aus einer mit Faserlagen gerichteter Faserorientierung verstärkten Kunststoffmatrix bestehenden Deckschicht und einem zwischen den Deckschichten angeordneten, spezifisch leichten Schaumkern, sowie auf ein warmverpreßbares Halbzeug zur Herstellung eines solchen Formteils.
Es sind Formteile in Sandwichbauweise bekannt (DE-OS 23 07 398), die aus Gründen einer einfachen Fertigungsweise in einem einzigen Arbeitsgang aus einem warmverpreßbaren Halbzeug hergestellt werden, das aus drei übereinanderliegenden Kurzfaser-Harzmatten besteht, deren mittlere mit Treibmitteleinlagerungen versetzt ist, die beim Aushärten des Harzsystems unter der Druck- und Wärmeeinwirkung eines Formwerkzeugs expandieren, so daß ein Sandwichbauteil mit einer durchgehend faserverstärkten, im Kernbereich zwischen den Deckschichten geschäumten Harzstruktur entsteht. Abgesehen von der steitügkeitsmäßig ungünstigen Ausbildung und Verteilung der Verstärkungsfasern aber ist bei derartigen Formteilen das Treibmittel im Halbzeug nur begrenzt lagerfähig, und selbst bei einer Mikro-Verkapselung des Treibmittels mit entsprechend erhöhter Lagerbeständigkeit besteht die Gefahr, daß die mikrofeinen Treibmitteleinlagerungen beim Warmverpressen des Halbzeugs mit den Fließbewegungen des Harzsystems in die äußeren Deckschichten gelangen und dort zumindest örtliche Schaumharzzonen bilden, was eine merkliche Festigkeitseinbuße der im allgemeinen hochbelasteten Deckschichten und/oder gar höchst störende Oberflächenfehler des fertigen Formteils zur Folge hat. Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein hochsteifesFormteil der eingangs erwähnten Art, das mit geringem Arbeits- und Kostenaufwand herzustellen ist und eine durchgehende, im Bereich des Innenkerns geschäumte, an den faserverstärkten Deckschichten aber mit Sicherheit schaummittelfreie Kunststoffstruktur aufweist, bzw. ein entsprechendes, hochgradig lagerbeständiges Halbzeug zu schaffen.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß einerseits durch ein Formteil der eingangs erwähnten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Schauskern aus einem homogenen Gemisch aus dem die Matrix der Deckschichten bildenden und gleichzeitig mit diesen ausgehärteten Kunststoff und in gleichförmiger Verteilung eingelagerten Schaumstoffpartikeln aufgebaut ist, und andererseits bei einem warmverpreßbaren Halbzeug zur Herstellung eines Formteils in Sandwichbauweise dadurch, daß das Halbzeug aus oberen und unteren Faserlagen gerichteter Faserorientierung und einer zwischen diesen eingelagerten, aus ei nem unverstärkten,eiydickten, wärmehärtbaren Kunststoff und einem diesem in gleichförmiger Verteilung beigemisch ten, vorgeschäumten, unter der Härtungstemperatur des Kunststoffs vollständig expandierenden , thermoplastischen Granulat bestehenden Zwischenschicht besteht Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Formteils und Halbzeug ergeben sich aus den# Ansprüchen 2 bis 5 bzw. 7 und 8 Nach der Erfindung bietet die besondere Art des volumetrischen Füllstoffs im Schaumkern in Form von vorzugsweise zumindest mm-großen Schaumstoff- bzw. Granulatpartikeln anstatt eines reinen Treibgasmittels, in Kombination mit der Anordnung uni- oder multidirektionaler Fa- sergelege oder - gewebe an den Deckschichten die Gewähr, daß die Deckschichten beim Warmverpressen des Halbzeugs mit Sicherheit schaummittelfrei bleiben und somit eine einwandfreie Oberflächenbeschaffenheit und vor allem festigkeitsmäßig hochwertige Faserverbundstruktur mit in der reinen Kunststoffkomponente eingelagerten, zur Formteiloberfläche parallelen Faserlagen erhalten, während sich der Aufbau des Schaumkerns bzw. des diesen gleichförmig durchziehenden, einstückig an die Matrix der Deckschichten anschließenden Kunststoffgerüstes je nach dem gewünschten spezifischen Gewicht und der geforderten Eigenfestigkeit des Schaumkerns durch entsprechende Wahl der Korngröße und - form des Schaumstoff- bzw. Granulatanteils exakt einstellen läßt, wobei das Kunststoffgerüst vorzugsweise weniger als 20 /0 des Schaumkernvolumens einnimmt.
Wird, wie besonders bevorzugt, als Füll- oder Schaummittel ein vorgeschäumtes,thermoplastisches, etwa Polystyrol-Granulat verwendet, so ergibt sich zusätzlIch zu einer hochgradigen tagerbeständigkeit bei zugleich guter Verarbeitungsfähigkeit und geringer Wandstärke des Ealbzeugs der wesentliche Vorteil, daß das endgültige Aufschäumen des P#granulats nicht - wie bisher üblich -mit Hilfe einer Dampfinäektion in komplizierten Form werkzeugen mit porösen Formraumoberflächen durchgdtihrt werden muß, um die für die vollständige Expansion erforderliche Wärmezufuhr zu den einzelnen Granulatpartikeln sicherzustellen, sondern vielmehr diese Wärmezufuhr einerseits aufgrund der exothermen Härtungsreaktlon und andererseits im üblichen Wandstärkenbereich von Sandwichbauteilen durch Wärmeleitung und-k.#nvektion von den beheizten Formraumoberflächen des Formwerkzeugs her durch das Kunststoff- also vorzugsweise Epoxidharzsystem selbst bewirkt wird.
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anlage zur schrittweisen Verarbeitung des Halbzeugs und einen ebenfalls schematischen Teilschnitt desselben; und Fig. 2 einen Ausschnitt des fertigen Formteils in vergrößerter, wiederum schematischer Darstellung.
Wie aus dem Teilschnitt des Halbzeugs 2 in Fig. 1 ersichtlich ist, enthält dieses eine obere und eine untere Faserlage 4, 6 in Form eines multidirektionalen, mehrlagigen Glas-, Aramid- oder Carboa-Fasergewebes oder -geleges, das mit wärmehärtbarem Kunststoff, etwa Epoxid-oder Polyesterharz, vorgetränkt ist (sog. Frepregs). Die zwischen den Faserlagen 4, 6 eingebettete Zwischenschicht 8 besteht aus einem homogenen Gemisch aus dem gleichen, wärmehärtbaren, jedoch unverstärkten, eingedickten Kunststoffsystem 10, also etwa Epoxidharz, und einem diesem in gleichförmiger Verteilung begemischten, vorgeschäumten, thermoplastischen Perlgranulat 12. Es kann grundsätzlich jedes handelsübliche, vorgeschäumte Granulat verwendet werden, das unter der Härtungstemperatur des Kunststoffssystems weiter expandiert und von den im Kunststoffsystem enthaltslen, chemischen Verbindungen weder angelöst noch angequollen wird. Für das erwähnte Epoxidharzsystem etwa ist ein vorgeschäumtes, schäumbares Polystyrol-Perlgraniilat gut geeignet.
Fertiggestellt wird das Halbzeug 2 durch eine außen auf die Faserlagen 4, 6 aufgebrachte Trennfolie 14, 16 und dann als Stapel rechteckiger Zuschnitte , vorzugsweise aber als Endlosbarm in Form einer Vorratsrolle 18 angeliefert.
Zur Weiterverarbeitung wird das Halbzeug 2 in der Anlage gemäß Fig. 1 durch ein Förderrollenpaar 20 von der Vorratsrolle 18 abgezogen, von den Trennfolien Ib, 16 befreit und einer Schneidestation 22 zugeführt, wo ein der Größe und Form des herzustellenden Formteils entsprechender Zuschnitt 24 aus dem Halbzeug 2 herausgeschnitten oder - gestanzt; wird.
Der zuschnitt 24 wird in ein formgebendes, zweiteilIges, beheizbares Preßwerkzeug 26, 28 in Form eines Tauchkantenwerkzeugs eingelegt, und nach dem vollständigen Schließen und unter der Druck- und Wärmaeinwlrkung desselben wird zunächst die Harzmatrix der Deckschichten zum Fließen gebracht, so daß die Preßwerkzeugoberfläche vom Harz gut benetzt und nach dem Aushärten am fertigen Formteil einwandfrei abgebildet wird. Gleichzeitig wird das thermoplastische Perlgranulat in der Zwischenschicht des Zuschnitts 24 durch die Wärme zufuhr plastiziert und soweit erhitzt, daß die Schaumbildung einsetzt. Die erforderliche Wärmezufuhr zu den einzelnen Granulatpartikeln wird vom Harzsystem selbst bewirkt, und zwar einerseits auf dem - in einem Sandwichbauteil von relativ geringer Dicke sehr kurzen - Wege der Wärmeübertragung und andererseits aufgrund der exothermen Härtungsreaktion des Harzsystems. Beim Einsetzen des Schaumvorgangs werden die Formhälften 26, 28 des Preßwerkzeugs simultan zur Expansion des Perlgranulats auseinsnderbewegt, bis der Formraum die dem fertigen Bauteil entsprechenden Abmessungen erreicht hat. Nach dem Aushärten des Harzsystems in den Deckschichten und im Kern wird das Preßwerkzeug 26, 28 erneut geöffnet und das Formteil entformt. Um die thermoplastischen Schaumstoffpartikel vor einer thermischen Überhitzung zu schützen, kann das Formteil evtl in einem Wasserbad oder einer Luftdusche gekühlt werden.
Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt des fertiggestellten Formteils 30, etwa eines sphärisch gekrümmten Kraftfahrzeug-Dachs. Dieses besteht aus den oberen und unteren, durch die Faserlagen gerichteter Faserorientierung Harzverstärkten Deckschichten 32, 34 und dem Schaumkern 36, in-den sich das Harzsystem 10 unter gleichförmiger Einlagerung der aus dem Perlgranulat 12 gebildeten Schaumstoffpartikel 38 einstückig fortsetzt. Je nach dem gewunschten spezifischen Gewicht und den Festigkeitsanforderungen des Schaumkerns 36 läßt sich die Struktur des Harzgerüstes im Schaumkern 36 durch entsprechende Wahl der Korngröße und -form und des Mischungsanteils des Perlgranulats 12 bzw. der Schaumstoffpartikel 38 im Harzsystem 10 veränderlich festlegen. So wird beispielsweise durch Verwendung eines Perl-Granulats unterschiedlicher Korngröße eine feinere Strukturierung des Harzsystems 10 im Schaumkern 36 erreicht. Die Querschnittskonfiguration des Formteils 30 ist in Fig. 2 der Deutlichkeit halber in starkvergrößertem Maßstab gezeigt, tatsächlich jedoch beträgt die Wandstärke der Deckschichten 32, 34 nur etwa 1 bis 2 min und die des Schaumkerns 36 etwa 8 bis 10 mm.
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Claims

Formteil in Sandwichbauweise und Halbzeug zur Herstellung desselben Patent ansprüche A Formteil in Sandwichbauweise mit einer oberen und einer unteren, aus einer mit Faserlagen gerichteter Faserorientierung verstärkten Eunststoffmatrix bestehenden Deckschicht (32, 34) und einem zwischen den Deckschichten angeordneten, spezifisch leichten Schaumkern (36), dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Schaumkern(36) aus einem homogenen Gemisch aus dem die Matrix der Deckschichten (32, 34) bildenden und gleichzeitig mit diesen ausgehärteten Kunststoff (10) und in gleichförmiger Verteilung eingelagerten Schaumstoffpartikeln (38) aufgebaut ist
2. Formteil nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c hn e t,daß die Schaumstoffpartikel (38) aus einem vorgeschäumten, unter der Xartungstemperatur des Kunststoffs (10) voll expandierenden Granulat (12) gebildet sind.
3. Formteil nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t, daß als Kunststoff (10) Epoxidharz und als Ganulat (12) ein vorgeschäuntes Polystyrol-Pel3ranulat vorgesehen ist.
4. Formteil nach ainem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Korngröße der Schaumstoffpartikel (38) vor dem Aushärten des Kunststoffs (10) in mm-Bereich liegt.
5. Formteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Schaumkern (36) nach dem Aushärten des Kunststoffs (10) zu mehr als 50 Vol.-%, vorzugsweise über 80 Vol.#o,aus Schaumstoffpartikeln (38) besteht.
6. Warmverpxßbares Halbzeug zur Herstellung eines Form teils in Sandwichbauweise, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Halbzeug (2) aus oberen und unteren Faserlagen (4, 6) gerichteter Faserorientierung und einer zwischen diesen eingelagerten, aus einem unverstärkten, eingedickten, wärmehärtbaren Kunststoff (10) und einem diesem in gleichförmiger Verteilung beigemischten, vorgeschäumten, unter der Härtungstemperatur des Kunststoffs vollständig expandierenden, thermoplastischen Granulat (12) bestehenden Zwischenschicht (8) aufgebaut ist.
7. Halbzeug nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n ° z e i c h n e t, daß als Faserlagen (4, 6) mit dem Kunststoff (10) vorgetränkte Fasergewebe oder - gelege vorgesehen sind.
8. Halbzeug nach Anspruch 6 oder 7, g e k e n n z e i c hn e t durch eine die Außenflächen des Halbzeugs (2) abdeckende, vor dem Warmverpressen abnehm bare Trennfolie (14, 16).