DE60303348T2

DE60303348T2 - Verfahren zur Herstellung eines monolithischen, doppelwandigen und hitzebeständigen Verbundwerkstoffteiles und danach hergestelltes Verbundwerkstoffteil

Info

Publication number: DE60303348T2
Application number: DE60303348T
Authority: DE
Inventors: Thierry Salmon; Georges Cahuzac; Marc Bouchez; Franυois Falempin
Original assignee: EADS Space Transportation SA; MBDA France SAS
Current assignee: EADS Space Transportation SA; MBDA France SAS
Priority date: 2002-03-04
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2023-02-27
Also published as: ATE316457T1; RU2253570C2; WO2003074260A1; FR2836690A1; US7503149B2; RU2003135211A; JP2005518962A; US20040128946A1; ES2257647T3; FR2836690B1; JP4264358B2; EP1342552A1; EP1342552B1; DE60303348D1; AU2003238143A1; UA74263C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein aus einem aus Faser und Matrix bestehenden Verbundwerkstoff hergestelltes, hitzebeständiges monolithisches Teil, umfassend zwei voneinander beabstandete Verbundwerkstofflagen, die durch mehrere fadenförmige Verbundwerkstoffstege miteinander verbunden sind, wobei das Teil in der Lage ist, hohen Innen- und/oder Außendrücken standzuhalten.
Ein derartiges aus Verbundwerkstoff hergestelltes, monolithisches Teil, zum Beispiel zur Bildung von Platten zur Förderung eines Mediums, von ballistischen Schutzeinrichtungen, von Wärmeschutzeinrichtungen, von Trägern für optische Raumvorrichtungen oder von feuerfesten Radarkuppeln, usw. ... ist in der FR-A-2 749 327 beschrieben. In dieser Schrift entsteht die Faserstruktur des monolithischen Teils aus Verbundwerkstoff durch Stricken, wobei die Teile der Faserstruktur, die den genannten Lagen entsprechen, durch Reihen von gestrickten Maschen gebildet werden, während der Teil der Faserstruktur, der den Stegen entspricht, aus schrägen Strickfäden besteht, welche Maschen der einen Lage mit Maschen der anderen der beiden Lagen verbinden.
Somit stellt sich diese Faserstruktur als zwei aus Maschen bestehende Platten dar, die voneinander beabstandet sind und durch mehrere schräge Verbindungsfäden miteinander verbunden sind. Es ist darauf hinzuweisen, dass diese Anordnung zur Bildung der Matrix des Verbundwerkstoffteils besonders vorteilhaft mit Harz getränkt werden kann, da die Verbindungsfäden zwischen den beiden Platten freiliegen und für das Harz unmittelbar zugänglich sind. In einer derartigen Struktur sind die beiden Platten aufgrund der Biegsamkeit dieser Verbindungsfäden relativ zueinander beweglich, wodurch Schwierigkeiten entstehen bezüglich der Anordnung dieser Struktur in der Form, in der sie getränkt wird, sowie bezüglich der gewünschten Abmessungen des monolithischen Verbundwerkstoffteils.
Darüber hinaus ist festzustellen, dass dieses bekannte monolithische Teil aus Verbundwerkstoff begrenzte mechanische Eigenschaften aufweist, da in den Lagen die strukturbildenden, eine hohe mechanische Festigkeit aufweisenden Fasern Schlingen bilden und demnach weder durch Zug noch durch Druck und nicht einmal durch Biegen verformbar sind, weshalb sie auch vorteilhafterweise in Verbundwerkstoffen eingesetzt werden. Ebenso können die schrägen Verbindungsfäden keine optimale Quetsch- und Quellfestigkeit dieses bekannten Teils aus Verbundwerkstoff gewährleisten.
Darüber hinaus wird in der FR-A-2 718 670 neben einem hauptsächlich beschriebenen Teil aus Verbundwerkstoff auch ein monolithisches Teil aus Verbundwerkstoff mit einer Doppelwand und fadenförmigen Stegen beschrieben, wobei das in der Hauptsache beschriebene Teil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 wie folgt hergestellt wird:

– Aufbringen, für jede der Lagen, einer biegsamen Faserbewehrung auf die beiden gegenüberliegenden Seiten einer biegsamen Kernschicht, welche aus einem von einer Nadel durchdringbaren Material besteht;
– Verbinden der Faserbewehrungen und der Kernschicht durch Maschinennähen mit einem Faden, der schräge Nähstiche bildet, welche Garnabschnitte aufweisen, die durch die Faserbewehrungen und den Kernschicht hindurch führen;
– Tränken dieser Sandwichstruktur mit Harz zur Erzeugung der Matrix, wobei das Harz sich dann in einem viskosen Zustand befindet; und
– Härten des Harzes, mit dem diese Faserbewehrungen getränkt wurden.

Diese bekannte Schrift erwähnt außerdem, dass zur Bildung des monolithischen Teils aus Verbundwerkstoff die Kernschicht einerseits aus einem für dieses Harz undurchlässigen Material hergestellt sein und andererseits nach dem Härten des Harzes entfernt werden kann.
Die FR-A-2 718 670 macht jedoch keine Angabe hinsichtlich einer Umwandlung dieser durchgehenden Garnabschnitte in fadenförmige Verbundwerkstoffstege. Dabei können diese durchgehenden Garnabschnitte nicht während des Tränkens der Faserbewehrungen getränkt werden, da zu dem Zeitpunkt die durchgehenden Garnabschnitte durch die biegsame Kernschicht, in der sie eingebettet sind, vom Imprägnierharz getrennt sind. Um davon auszugehen, dass diese durchgehenden Garnabschnitte zur Bildung von steifen Stegen aus Verbundwerkstoff mit Harz getränkt werden können, müsste Folgendes vorausgeschickt werden:

– entweder wird nach dem Entfernen der Kernschicht das Nähgarn erneut mit Harz getränkt und dieses Harz dann erneut gehärtet;
– oder das Nähgarn wird im Voraus mit Harz getränkt.

Im ersten Fall müssen die zusätzliche Imprägnierung und Härtung erfolgen, solange die durchgehenden Garnabschnitte noch biegsam sind, wodurch – wie eingangs im Zusammenhang mit der FR-A-2 749 327 erwähnt – Schwierigkeiten bei der Positionierung der Lagen zueinander und Fehler im monolithischen Teil entstehen.
Im zweiten Fall kommt es durch das Harz, mit dem das Nähgarn getränkt ist, schnell zu einer Verschmutzung der Nähmaschine, die so weit gehen kann, dass diese nicht mehr betriebsfähig ist.
Zudem weist die Struktur dieser letzten Schrift, in der die Nähstiche im Verhältnis zu den Faserbewehrungen schräg liegen, genauso wie die Struktur der Schrift FR-A-2 749 327 eine Quetsch- und Quellfestigkeit auf, die nicht optimal ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, diese Nachteile zu beheben. Sie ermöglicht die Herstellung des hitzebeständigen monolithischen Teils ohne zusätzliche Imprägnierung und Härtung und ohne Vorimprägnierung des Nähgarns und dabei gleichzeitig eine präzise Positionierung der Faserstruktur in der Form, in der sie getränkt wird, sowie eine optimale Nutzung der mechanischen Eigenschaften der diese Lagen bildenden Fasern.
Zu diesem Zweck ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines aus einem aus Faser und Matrix bestehenden Verbundwerkstoff hergestellten, hitzebeständigen monolithischen Teils, umfassend zwei voneinander beabstandete Verbundwerkstofflagen, die durch mehrere fadenförmige Verbundwerkstoffstege miteinander verbunden sind, und nach welchem:

a) eine biegsame Sandwichstruktur gebildet wird, welche eine zwischenliegende biegsame Kernschicht, die aus einem von einer Nadel durchdringbaren, für das Harz, das die Matrix erzeugen soll, undurchlässigen Material hergestellt ist, und zwei äußere biegsame Faserbewehrungen, die jeweils auf einander gegenüberliegenden Außenseiten der biegsamen Kernschicht angeordnet sind, aufweist;
b) die Faserbewehrungen und die Kernschicht dieser Sandwichstruktur mit einem Faden verbunden werden, der Nähstiche bildet, welche Garnabschnitte aufweisen, die durch diese Faserbewehrungen und die Kernschicht hindurchführen;
c) die Sandwichstruktur mit dem in einem viskosen Zustand befindlichen Harz getränkt wird;
d) das Harz, mit dem die Sandwichstruktur getränkt wurde, gehärtet wird; und
e) die Kernschicht entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
– das Nähgarn aus einem Strang besteht, der mehrere untereinander nicht verbundene Einzelfäden aufweist;
– nach dem unter b) näher dargestellten Vorgang die durch die Faserbewehrungen und die Kernschicht hindurch geführten Garnabschnitte in der letzteren längsverlaufende Kanäle aufweisen, die zwischen den Einzelfäden eingebracht sind und sich von einer der Faserbewehrungen zur anderen erstrecken; und
– der unter c) näher dargestellte Imprägniervorgang derart durchgeführt wird, dass das härtbare Harz in diese längsverlaufende Kanäle der durchgehenden Garnabschnitte eindringen kann und somit an der Stelle eines jeden dieser Kanäle eine Harzbrücke bildet, die an ihren gegenüberliegenden Enden mit dem Harz in Kontakt steht, mit dem die biegsamen Faserbewehrungen getränkt sind.

Somit werden erfindungsgemäß die durchgehenden Garnabschnitte während der Imprägnierung der Faserbewehrungen der Lagen mit Harz getränkt und ebenso während der Härtung dieser Faserbewehrungen vor dem Entfernen der Kernschicht gehärtet, so dass aus diesen Garnabschnitten fadenförmige Stege aus Verbundwerkstoff entstehen, die zwischen den Verbundwerkstofflagen angeordnet sind.
Um zu diesem Ergebnis zu gelangen, kann auf mehrere Parameter eingewirkt werden, wobei diese vorzugsweise miteinander kombiniert werden, so zum Beispiel:

– der Durchmesser der Nähnadel, mit der der Faden durch die Faserbewehrungen und die Kernschicht hindurchgeführt wird;
– die Beschaffenheit des Materials, aus dem die Kernschicht besteht;
– die Viskosität des Imprägnierharzes;
– die Imprägnierungsbedingungen; usw. ...

Ausgezeichnete Ergebnisse wurden erzielt, wenn eine für die Anzahl der Einzelfäden des Nähgarns geeignete Nadel gewählt wurde und wenn die Kernschicht aus einem Kunststoffschaum, vorzugsweise aus einem Polystyrol, mit einer Dichte von zwischen 0,04 und 0,1 und vorzugsweise von zwischen 0,05 und 0,07, hergestellt wurde. Auf diese Weise wurden nach Imprägnierung und Härtung der Sandwichstruktur fadenförmige Stege mit einem Fasergehalt von zwischen 30% und 90%, vorzugsweise zwischen 30% und 50%, erzielt.
Dieser Imprägnierungsvorgang erfolgt vorzugsweise unter Unterdruck – gegebenenfalls unter Vakuum – und es wird versuchsweise, in Abhängigkeit des Werts dieses Unterdrucks, des Querschnitts der längsverlaufenden Kanäle und der Länge der durchgehenden Garnabschnitte, die Viskosität des Imprägnierharzes beispielsweise durch Verdünnung eingestellt, so dass dieses über die gesamte Länge der durchgehenden Garnabschnitte eindringen kann.
Das Zusammenfügen der Sandwichstruktur kann durch Maschinennähen mit oder ohne Verknüpfung erfolgen. Im ersten Fall (beim Maschinennähen mit Verknüpfung) sind die Enden der durchgehenden Garnabschnitte über die Brücken, die zwei derartige aufeinander folgende Abschnitte miteinander verbinden, fest mit den Faserbewehrungen verankert. Im zweiten Fall (beim Maschinennähen ohne Verknüpfung) bilden sich auf der einen Seite der Sandwichstruktur vorstehende Schlingen, so dass auf dieser Seite die Verankerung der Enden der durchgehenden Garnabschnitte mit der entsprechenden Bewehrung durch das Flachdrücken der Schlingen erzielt wird, während auf der anderen Seite der Sandwichstruktur die Enden der durchgehenden Garnabschnitte über Brücken, die zwei aufeinander folgende Abschnitte miteinander verbinden, mit der entsprechenden Faserbewehrung verankert sind.
Der Nähfaden und die Faserbewehrungen können aus Kohlenstoff oder dgl. bestehen, während das Harz in der Lage ist, Kohlenstoff zu erzeugen. Insbesondere in diesem Fall ist es vorteilhaft, dass nach dem Aushärten des Harzes die Temperatur der Sandwichstruktur erhöht wird, um so die Pyrolyse des Harzes zu erreichen, wodurch dann die Kohlenstoffmatrix des Verbundwerkstoffteils gebildet wird, und dass aufgrund dieser erhöhten Temperatur die Kernschicht vernichtet wird. Dieses Harz kann ein Phenolharz sein.
Es sei darauf hingewiesen, dass aufgrund der Herstellung der Sandwichstruktur durch Maschinennähen die Bewehrungen jeweils mit der für den beabsichtigten Einsatzzweck des monolithischen Verbundwerkstoffteils am Besten geeigneten Faseranordnung versehen werden können und die Faserstruktur zur Imprägnierung mit dem Harz in einem Stück präzise positioniert werden kann. Zudem stehen die durchgehenden Garnabschnitte vorzugsweise im rechten Winkel zu den Faserbewehrungen, so dass die Stege im rechten Winkel zu den Lagen stehen und dem Verbundwerkstoffteil die gößtmögliche Quetsch- und Quellfestigkeit verleihen.
Es wird angemerkt, dass die DE-U-9110061 eine Kunststofffolie im Sandwichverbund beschreibt, die insbesondere im Bootsbau verwendet wird und die weitergebildet wurde, um ihre zwischenliegende Kernschicht zu verstärken und ihre Haftfestigkeit zu erhöhen, wobei Einzelfäden lediglich durch die Kernschicht hindurchgeführt werden und auf diese Deckschichten geklebt sind.
Die Figuren der beigefügten Zeichnung dienen der näheren Erläuterung der Erfindung. In diesen Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen ähnliche Elemente.
Die 1A bis 1E zeigen schematisch fünf erfindungsgemäße Verfahrensschritte.
2 ist ein teilweiser Querschnitt durch den im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Nähfaden in einer vergößerten und schematischen Darstellung.
3 zeigt schematisch im Schnitt eine erfindungsgemäße Ausführungsform des monolithischen Teils.
Die 4A bis 4C zeigen schematisch drei Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Durchführungsvariante.
Die 5A und 5B zeigen schematisch eine weitere Variante der Erfindung.
Die 6A und 6B zeigen schematisch noch eine weitere Variante der Erfindung.
Zur besseren Übersichtlichkeit wurden in den 1C bis 1E, 3, 4A bis 4C, 5B und 6B die zwei Garnabschnitte eines jeden Nähstiches mit einem goßen Abstand zwischen ihnen dargestellt; es versteht sich jedoch, dass sie in Wirklichkeit einander sehr nahe liegen.
1A zeigt schematisch im Schnitt eine biegsame Kernschicht 1 und zwei biegsame Faserbewehrungen 2 und 3 in einer Explosionsdarstellung.
Die biegsame Kernschicht 1, die als Platte dargestellt ist, kann in Wirklichkeit eine beliebige Form aufweisen, solange diese zwei gegenüberliegende Seiten 1A und 1B besitzt, wie zum Beispiel eine zylindrische, konische oder prismatische Form.
Sie ist aus einem Werkstoff hergestellt, der von einer Nadel durchdringbar ist, so zum Beispiel aus einem Polyurethan-, einem Polypropylen- oder vorzugsweise einem Polystyrolschaum, dessen Dichte zwischen 0,04 und 0,1, vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,07 beträgt. Zudem ist dieser Werkstoff undurchlässig für das Harz, mit dem im Folgenden die biegsamen Faserbewehrungen 2 und 3 getränkt werden.
Die Faserbewehrungen 2 und 3 weisen jeweils eine Faserstruktur auf, die in einer beliebigen bekannten Weise hergestellt sein kann, jedoch vorzugsweise eine Faserstruktur nach der US-A-5 390 707, der US-A-5 759 321 oder der FR-A-2 753 993 ist. Diese Bewehrungen 2 und 3 sind jeweils als Schicht gebildet, welche in der Hauptsache aus Fasern aus Kohlenstoff oder aus SiC oder aus einem beliebigen anderen Material, das hochfeste Fasern bilden kann, hergestellt ist. Diese Bewehrungen können unterschiedliche Dicken aufweisen.
Wie dies in 1B zu sehen ist, sind die biegsamen Bewehrungen 2 und 3 jeweils auf gegenüberliegenden Außenseiten 1A bzw. 1B der biegsamen Kernschicht 1 angeordnet, so dass eine biegsame Sandwichstruktur 4 entsteht. Es wird darauf hingewiesen, dass, wie dies in 1A angedeutet ist, die biegsamen Faserbewehrungen 2 und 3 unabhängig von der biegsamen Kernschicht 1 hergestellt und anschließend an die Seiten 1A und 1B derselben angesetzt sein können. Die Bewehrungen 2 und 3 können jedoch auch unmittelbar an den Seiten 1A und 1B der Kernschicht 1 ausgebildet werden.
Die Elemente 1, 2 und 3 der Sandwichstruktur 4 werden durch Maschinennähen mit Verknüpfung zusammengefügt, wobei hierfür ein Nadelfaden 5 und einen Spreitfaden 6 verwendet werden (siehe 1C). Der Nadelfaden 5 bildet mehrere Reihen von nicht dargestellten parallelen und/oder gekreuzten Nähstichen. Jeder Nähstich 7 weist zwei durch die Bewehrungen 2 und 3 und die Kernschicht 1 hindurchgehende Garnabschnitte 8 und 9 und eine diese Garnabschnitte 8 und 9 miteinander verbindende Brücke 10 auf und ist über Brücken 11, durch die der Spreitfaden 6 geführt wird, mit dem vorhergehenden Stich 7 und mit dem nächsten Stich 7 verbunden.
Wie in den Figuren dargestellt ist, verlaufen die Bewehrungen 2 und 3 vorteilhafterweise parallel zueinander und stehen die durchgehenden Garnabschnitte 8 und 9 im rechten Winkel zu den Bewehrungen.
Mindestens der Nadelfaden 5, aber vorzugsweise auch der Spreitfaden 6, besteht aus einem Strang aus mehreren Einzelfäden 12, die untereinander nicht gebunden sind und die, selbst wenn sie in Querrichtung zusammengedrückt werden, zwischen sich längsverlaufende Leerräume bilden, so dass jeder durchgehende Garnabschnitt 8, 9 zwischen den Einzelfäden 12, aus denen er besteht, mehrere Kanäle 13 mit geringem Querschnitt aufweist (siehe 2). Es versteht sich, dass, wenn der Nadelfaden 5 nicht in Querrichtung zusammengedrückt wird, die Kanäle 13 größere Querschnitte aufweisen können, als die in 2 dargestellten. Jeder Einzelfaden 12 kann aus Kohlenstoff, aus SiC oder aus einem beliebigen anderen Material, das hochfeste Fasern bilden kann, hergestellt sein.
Demnach sind nach dem Nähen mit dem Nadelfaden 5 die Bewehrungen 2 und 3 durch Kanäle 13 miteinander verbunden.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird zum Maschinennähen, wie es in der 1C dargestellt ist, eine (nicht dargestellte) Nadel, deren Durchmesser etwa 2 mm beträgt, und ein Nadelfaden 5, welcher aus mindestens 6.000, vorzugsweise jedoch aus 12.000, Einzelfäden 12 aus Kohlenstoff besteht, verwendet, wobei jeder Einzelfaden einen Durchmesser von etwa 5 Mikrometern aufweist.
Es sei darauf hingewiesen, dass in diesem Stadium des Verfahrens die durch die Fäden 5 und 6 zusammengefügte Sandwichstruktur 4 biegsam ist und sich gegebenenfalls in der Form verändern kann.
Nach dem Nähen wird die Sandwichstruktur 4 mit einem härtbaren Harz getränkt, welches relativ wenig viskos und gegebenenfalls beispielsweise mit Alkohol verdünnt ist. Bei einem derartigen Harz kann es sich um ein Phenolharz, ein Epydharz, ein Cyanatesterharz usw. handeln. Die Imprägnierung wird vorzugsweise unter Unterdruck durchgeführt, so dass das Harz nicht nur in die Faserbewehrungen 2 und 3, sondern auch in die längsverlaufenden Kanäle 13 der Fäden 5 und 6 eindringt.
In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Phenolharz, beispielsweise ein unter dem Handelsnamen RA 101 (hergestellt durch die Firma RHONE POULENC) oder FRD J2027 (hergestellt durch die Firma BORDEN) bekanntes Phenolharz, verwendet. Dieses Harz wird zur Einstellung seiner Viskosität mit Ethanol verdünnt, beispielsweise in einem Verhältnis von 25% Harz zu 75% Ethanol. Gegebenenfalls wird auch die Oberflächenspannung des verdünnten Harzes durch Hinzufügen von (einigen Gewichtsprozenten) Tensiden eingestellt, so dass dieses die Fasern der Faserbewehrungen 2 und 3 und die Nähfäden 5 und 6 angemessen benetzt. Eine derartige Einstellung der Oberflächenspannung ist insbesondere dann unabdingbar, wenn diese Fasern und Fäden beispielsweise aus Siliziumdioxyd bestehen. Wenn jedoch, wie dies in den oben erwähnten Beispielen der Fall ist, diese Fasern und Fäden in der Hauptsache aus Kohlenstoff bestehen, so ist das Hinzufügen von Tensiden praktisch überflüssig, da die Oberflächenspannung des Kohlenstoffs sehr gering ist.
Dieses verdünnte Harz wird dann in ein dicht verschließbares Gefäß gegeben, und die Sandwichstruktur 4 wird in das verdünnte Harz eingetaucht. Nach dem Schließen des Gefäßes wird dieses für eine Dauer von etwa 1 Stunde mit einem Vakuum von mehreren Hundert Millibar absolut (z.B. 300 mbar) beaufschlagt, so dass die Fasern und Fäden ausreichend mit dem verdünnten Harz getränkt werden können.
Während dieser Imprägnierung wird die Kernschicht 1, die für das Harz undurchlässig ist, nicht getränkt. Anschließend wird das imprägnierte Harz gehärtet, beispielsweise indem die Temperatur erhöht wird, zum Beispiel auf 120°C innerhalb von 4 Stunden, wobei es gegebenenfalls mit Druck (einige bar) beaufschlagt wird. Die biegsamen Bewehrungen 2 und 3 werden somit zu steifen Lagen 14 bzw. 15, und die durchgehenden Garnabschnitte 8 und 9 zu steifen fadenförmigen Stegen 16 (siehe 1D). Dank der durch die ausgehärteten Brücken 10 und 11 gebildeten steifen Verankerungen 17 und 18 sind diese Stege 16 an ihren Enden fest in den steifen Lagen 14 und 15 verankert. Bei vollständiger Aushärtung des Imprägnierharzes ist somit die biegsame Sandwichstruktur 4 zu einer steifen Sandwichstruktur 19 geworden, in der die steifen fadenförmigen Stege 16 im rechten Winkel zu den steifen Lagen 14 und 15 stehen. Diese Stege 16 weisen dann einen Fasergehalt von zwischen 30% und 90%, vorzugsweise von zwischen 30% und 50%, auf.
Zur Bildung der Kohlenstoffmatrix der steifen Sandwichstruktur 19 wird letztere einer Pyrolyse bei einer hohen Temperatur von beispielsweise 900°C unterworfen, wodurch die Geometrie dieser Sandwichstruktur stabilisiert und die Kernschicht 1 vernichtet wird. Gegebenenfalls kann diese Struktur 19 verdichtet und in bekannter Weise behandelt werden, damit ihre Matrix eine Keramikbeschaffenheit erhält. Es entsteht dann das monolithische Verbundwerkstoffteil 20 aus 1E, welches zwei – aus den Lagen 14 und 15 hervorgegangene – Lagen 21 und 22 eines Verbundwerkstoffs aufweist, die voneinander beabstandet sind und durch mehrere – aus den Stegen 16 hervorgegangene – aus einem Verbundwerkstoff bestehende fadenförmige Stege 23, die im rechten Winkel zu den Lagen 21 und 22 stehen, miteinander verbunden sind.
Selbst nach der Verdichtung der Lagen 14 und 15 anhand von bekannten Verfahren haben die Lagen 21 und 22 immer noch eine gewisse Porosität, die bei bestimmten Anwendungen des Teils 20 nachteilig sein kann. In diesem Fall kann die Außenseite mindestens einer der Lagen 21 oder 22 mit einem beispielsweise aus einem Dichtungsmittel des Typs „Gel-Coat" bestehenden Überzug 24 bedeckt werden (siehe 3).
In der in den 4A, 4B und 4C dargestellten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die biegsame Sandwichstruktur 4 auf einem Schaumstoffträger 25 angeordnet und durch Maschinennähen ohne Verknüpfung lediglich mit einem dem Faden 5 ähnlichen Nadelfaden 26, also ohne Zuhilfenahme eines Spreitfadens zusammengefügt. Der Nadelfaden 26, welcher wie zuvor die durchgehenden Abschnitte 8 und 9 und die Brücken 10 bildet, wird so geführt, dass er anstelle der Brücken 11 Schlingen 27 in dem Träger 25 bildet (4A).
Nach Entfernung des Trägers 25 (4B) werden die Schlingen 27 unter Bildung von Haufen 28 nach unten und gegen die biegsame Sandwichstruktur 4 gedrückt. Nach der Imprägnierung und der Aushärtung des Harzes (4C) werden diese Haufen 28 zu steifen Köpfen 29, die die steifen Verankerungen 18 aus 1D ersetzen sollen.
In der in den 5A und 5B gezeigten Ausführungsvariante werden während der Ausbildung der Sandwichstruktur 4 zwischen die Kernschicht 1 und den Faserbewehrungen 2 bzw. 3 aufgrund ihrer physischen und/oder mechanischen Eigenschaften (Dichtheit, Wärmeabstrahlung, usw. ...) ausgewählte Platten 30 eingesetzt. Anschließend werden beim Zusammennähen der Elemente 1, 2 und 3 die Platten 30 fest mit der Sandwichstruktur 4 verbunden (5A). Nach der Imprägnierung, der Aushärtung, der Pyrolyse und der Verdichtung entsteht das Verbundwerkstoffteil 20 aus 5B, in dem die dünnen Platten 30 innen an den Lagen 21 und 22 anliegen und durch die Stege 23 durchdrungen werden.
Die in den 6A und 6B gezeigte Ausführungsvariante 20 weist eine ebenfalls aufgrund ihrer physischen und/oder mechanischen Eigenschaften ausgewählte dünne Platte 31 auf, die zwischen den Lagen 21 und 22 angeordnet und durch die durch sie hindurchgeführten Stege 23 festgehalten ist. Damit eine derartige Struktur (siehe 6A) entstehen kann, wird die Kernschicht 1 durch zwei übereinander liegende Schichten 1.1 und 1.2 gebildet, zwischen welche die dünne Platte 31 eingesetzt wird. Anschließend wird diese dünne Platte 31 beim Zusammennähen der Sandwichstruktur 1.1, 1.2, 2 und 3 mit der Baugruppe fest verbunden und es wird dann wie zuvor diese Sandwichstruktur imprägniert, gehärtet, einer Pyrolyse unterworfen und verdichtet.
Obwohl in den 1C bis 1E, 3, 5B und 6B besonders einfache Nähstiche 7 mit Verknüpfung dargestellt wurden, versteht es sich, dass derartige Nähstiche auch komplexer sein könnten, so könnte zum Beispiel ein Kettenstich verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines aus einem aus Faser und Matrix bestehenden Verbundwerkstoff hergestellten, hitzebeständigen monolithischen Teils (20), umfassend zwei voneinander beabstandete Verbundwerkstofflagen (21, 22), die durch mehrere fadenförmige Verbundwerkstoffstege (23) miteinander verbunden sind, nach welchem: a) eine biegsame Sandwichstruktur (4) gebildet wird, welche eine zwischenliegende biegsame Kernschicht (1), die aus einem von einer Nadel durchdringbaren, für das Harz, das die Matrix erzeugen soll, undurchlässigen Material hergestellt ist, und zwei äußere biegsame Faserbewehrungen (2, 3), die jeweils auf einander gegenüberliegenden Außenseiten (1A, 1B) der biegsamen Kernschicht (1) angeordnet sind, aufweist; b) die Faserbewehrungen (2, 3) und die Kernschicht (1) dieser Sandwichstruktur (4) mit einem Faden (5, 26) verbunden werden, der Nähstiche bildet, welche Garnabschnitte (8, 9) aufweisen, die durch diese Faserbewehrungen (2, 3) und die Kernschicht (1) hindurchführen; c) die Sandwichstruktur (4) mit dem in einem viskosen Zustand befindlichen Harz getränkt wird; d) das Harz, mit dem die Sandwichstruktur (4) getränkt wurde, gehärtet wird; und e) die Kernschicht (1) entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – das Nähgarn (5, 26) aus einem Strang besteht, der mehrere untereinander nicht verbundene Einzelfäden (12) aufweist; – nach dem unter b) näher dargestellten Vorgang die durch die Faserbewehrungen (2, 3) und die Kernschicht (1) hindurch geführten Garnabschnitte (8, 9) in der letzteren längsverlaufende Kanäle (13) aufweisen, die zwischen den Einzelfäden (12) eingebracht sind und sich von einer der Faserbewehrungen zur anderen erstrecken; und – der unter c) näher dargestellte Imprägniervorgang derart durchgeführt wird, dass das härtbare Harz in diese längsverlaufende Kanäle (13) der durchgehenden Garnabschnitte (8, 9) eindringen kann und somit an der Stelle eines jeden dieser Kanäle eine Harzbrücke bildet, die an ihren gegenüberliegenden Enden mit dem Harz in Kontakt steht, mit dem die biegsamen Faserbewehrungen (2, 3) getränkt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht (1) aus einem Kunststoffschaum mit einer Dichte von zwischen 0,04 und 0,1 hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte zwischen 0,05 und 0,07 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff Polystyrol ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Imprägnierung und der Aushärtung der Sandwichstruktur (4) jeder der nach der Imprägnierung und Aushärtung eines der durchgehenden Garnabschnitte (8, 9) entstehenden fadenförmigen Stege (16) einen Fasergehalt von zwischen 30% und 90% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fasergehalt zwischen 30% und 50% liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusammenfügen durch Maschinennähen mit Verknüpfung erzielt wird, so dass die Enden der durchgehenden Garnabschnitte (8, 9) durch Brücken (10, 11), die zwei derartige aufeinander folgende Abschnitte miteinander verbinden, mit den Faserbewehrungen (2, 3) verankert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusammenfügen durch Maschinennähen ohne Verknüpfung erfolgt, wobei auf der einen Seite der Sandwichstruktur vorstehende Schlingen gebildet werden, so dass auf dieser Seite die Verankerung der Enden der durchgehenden Garnabschnitte (8, 9) mit der entsprechenden Bewehrung (3) durch das Flachdrücken (28) der Schlingen erfolgt, während auf der anderen Seite der Sandwichstruktur die Enden der durchgehenden Fadenabschnitte (8, 9) über Brücken (10), die zwei aufeinander folgende Abschnitte miteinander verbinden, mit der entsprechenden Faserbewehrung (2) verankert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aushärten des Harzes die Temperatur der Sandwichstruktur (4) erhöht wird, um so die Pyrolyse des Harzes zu erreichen und die Kernschicht (1) zu vernichten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass während der Ausbildung der biegsamen Sandwichstruktur (4) mindestens eine dünne Platte (30) zwischen die zwischenliegende Kernschicht (1) und mindestens eine der Faserbewehrungen (2, 3) eingesetzt wird, und dass beim Zusammennähen der Faserbewehrungen (2, 3) und der Kernschicht (1) die dünne Platte (30) mit diesen Elementen fest verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischenliegende biegsame Kernschicht (1) aus mindestens zwei übereinander liegenden Schichten (1.1 und 1.2) besteht, dass mindestens eine dünne Platte (31) zwischen diesen übereinander liegenden Schichten (1.1 und 1.2) eingesetzt ist, und dass beim Zusammennähen der Faserbewehrungen (2, 3) und der übereinander liegenden Schichten der Kernschicht (1) die dünne Platte (31) mit diesen Elementen fest verbunden wird.
Teil, welches aus einem aus Faser und Matrix bestehenden Verbundwerkstoff hergestellt, hitzebeständig und monolithisch ist sowie zwei mindestens im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende, voneinander beabstandete Verbundwerkstofflagen (21, 22), die durch Verbindungsmittel miteinander verbunden sind, umfasst und nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt wurde, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (21, 22) durch mehrere fadenförmige Verbundwerkstoffstege (23) miteinander verbunden sind, wobei die Stege (23) mindestens im Wesentlichen im rechten Winkel zu den Lagen (21, 22) stehen.
Teil (20) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überzug (24) von außen auf mindestens eine der Lagen aufgebracht wird.