DE69531443T2

DE69531443T2 - Transfer-Giessverfahren mit gefülltem wabenförmigem Kern

Info

Publication number: DE69531443T2
Application number: DE1995631443
Authority: DE
Inventors: Thomas R. Puyallup Cundiff
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1995-01-03
Filing date: 1995-10-30
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2015-10-31
Also published as: US5569508A; EP0722826B1; DE69531443D1; EP0722826A3; EP0722826A2; US6156146A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren des Harztransfergießens (RTM), welches in Kombination mit einem Honigwabenkernmaterial und einem wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Material verwendet wird, dass erwärmt und ausgedehnt wird, um die Zellen des Honigwabenkernmaterials zu füllen. Diese Erfindung betrifft ebenso die widerstandsfähigen und leichtgewichtigen Produkte, die auf diese Weise hergestellt sind. Insbesondere ist das Verfahren zur Herstellung von Produkten mittels der Verwendung des Harztransfergießens (RTM), wobei das Endprodukt eine Einheit aus einem Honigwabenkernmaterial mit Zellen aufweist, die mit einem Schaummaterial gefüllt sind (d. h., das RTM-Harz wurde von den Zellen des Honigwabenkerns ausgeschlossen). Die widerstandsfähigen und leichtgewichtigen Produkte, die mittels dieses Verfahrens hergestellt werden, sind in vielen Anwendungen nützlich, beispielsweise als Flugzeugteile.
2. Beschreibung des zum Hintergrund gehörenden Stands der Technik
Das Harztransfergießen (RTM) erlaubt die kostengünstige Herstellung von Gegenständen aus Verbundmaterial mit hoher Qualität. Trockene Fasern, die die Form einer kontinuierlichen Litzenmatte besitzen können, unidirektionale, verwobene oder verwirkte Vorformlinge, werden in einer geschlossenen Form angeordnet und Harz wird dann in die Form unter äußerem Druck oder Vakuum eingeführt. Das Harz härtet unter Einwirkung des sen eigener exothermer Wärme aus oder es kann Wärme auf die Form aufgebracht werden, um den Aushärtvorgang zu vervollständigen. Frühe Anwendungen der Harztransfergießtechnik verwendeten nicht gesättigte Polyesterharze. Polyester- und Vinylesterharze werden bei Verbrauchsprodukten, Rohren, Druckgefäßen und Automobilanwendungen verwendet, die harztransfergegossen sind. Epoxidharze wurden ebenso entwickelt für das Harztransfergießen von Komponenten aus Verbundmaterial in Elektronik- und Luftfahrtanwendungen von hoher Qualität und mit einem hohen Faserteilvolumen.
Das Harztransfergießen ist ein Verfahren, bei dem das Harzsystem bei geringen Viskositäten und geringen Drücken in eine geschlossene Druckform übertragen wird, die einen Vorformling von trockenen Fasern enthält. Das RTM-Verfahren kann verwendet werden, um Teile aus Verbundmaterial mit geringen Kosten herzustellen, die eine komplexe Gestalt haben. Diese Teile erfordern üblicherweise eine Verstärkung aus kontinuierlichen Fasern entlang der Teile mit inneren und äußeren Oberflächen, die von der Formlinie gesteuert sind. Es ist das Anordnen von Verstärkungen aus kontinuierlichen Fasern bei großen Strukturen, das das RTM von anderen Flüssiggießverfahren unterscheidet.
Für fünf Jahrzehnte wurde Harztransfergießen für Anwendungen verwendet, die für die Verbraucherproduktmärkte geeignet waren. In dem letzten Jahrzehnt jedoch hat das RTM aufgrund der Entwicklung von hochfesten Harzsystemen und weiterentwickelten Pumpsystemen neue Ebenen erreicht. Diese kürzlichen Entwicklungen haben diese Technologie als eine praktische Herstellungsoption für hochfeste Konstruktionen aus Verbundmaterial insbesondere in der Luftfahrtindustrie gefördert.
Es folgen einige der grundsätzlichen Vorteile des Harztransfergießverfahrens: (1) Komplexe Formen (Detailintegration); (2) geringe Abweichungen der Teile (Ergebnis der Form); (3) gutes Oberflächenfinish; (4) Steuerung des Verhältnisses zwischen Fasern und Harz zwischen 55 und 70 Gewichtsprozente; (5) eliminiert den Autoklavenzyklus; (6) geringe Materialkosten; (7) geringe Ausbildungskosten; (8) geringe Kapitalinvestitionskosten; (9) geringe Aussetzung der Arbeiter; und (10) es können Laufbuchsen und Einsätze eingeformt werden.
In der Luftfahrtindustrie liegt der am besten sichtbare Vorteil dieses Gießverfahrens in der Fähigkeit, komplexe Formen herzustellen, d. h. mehrfache detaillierte Komponenten in einer Konfiguration zu kombinieren. Beispielsweise bestehen viele herkömmliche Konstruktionen aus vielen einzelnen Details, die als Unteranordnungen kombiniert werden. Diese Unteranordnungen erfordern üblicherweise arbeitsreiches Trimmen, Kleben, mechanisches Befestigen und Versiegeln. Dementsprechend besitzen derartige Unteranordnungen hohe Unterschiede von Teil zu Teil aufgrund der Toleranzaddition.
Individuelle Komponenten werden mit dem Harztransfergießen in ein Teil integriert. Daher ist die Abweichung von Teil zu Teil gering, da die Teile ein Produkt der Form sind.
Aerodynamisches und dekoratives Finish und kontrollierte Aufstellflächen sind üblicherweise Merkmale der Teile in der Luftfahrtindustrie. Diese Merkmale eines Oberflächenfinishs hoher Qualität sind ideal für das RTM. Da es das Produkt der Form ist, ist daher die Oberflächenqualität des Teils vergleichbar mit der der Werkzeugoberfläche.
Ein weiterer Vorteil der RTM ist die Steuerung des Verhältnisses der Verstärkung zu Harz, welches üblicherweise bei 55 bis 70 Gewichtsprozenten Fasern liegt. Dies erzeugt Teile, die leicht und hochfest sind.
Da das Verfahren der Wärmeübertragung in die Druckform integriert ist, entfällt die Notwendigkeit für einen Autoklaven. Daher fallen keine Autoklavenkosten an, es gibt keine Größenbegrenzungen und es müssen keine Stufen getrennt werden.
In Bezug auf die rohen Materialkosten bietet das RTM Kostenersparnisse an, indem Schüttmaterialien sowie große Gebinde verwendet werden. Da trockene Waren günstiger als vorimprägnierte Materialien sind, kann auch eine Ersparnis den Kosten des weggeworfenen Materials während des Lagenverwirkvorgangs zugeordnet werden. Ebenso erfordern Schüttmaterialien keine spezielle Handhabung, wie beispielsweise die Unterbringung in einem Kühlschrank.
Der grundsätzliche Einspritzvorgang des RTM ist gradlinig und einfach erlernbar. Daher wird eine sehr geringe Schulung erfordert, um Bedienpersonen auf Linie zu bringen. Andererseits sind bei der Herstellung von Vorformlingen die Geschicklichkeit und die Ausbildung der Bedienperson abhängig von dem Verfahren des Vorformens, das verwendet wird.
Die ursprünglichen Kapitalinvestierungskosten der RTM sind gering im Vergleich mit vielen anderen Gießverfahren. Die elementarste Annäherung an RTM kann erreicht werden, indem ein Druckgefäß, ein Ofen und eine Vakuumquelle verwendet wird. Eine Vielzahl von im Handel erhältlichen Ausrüstungen kann verwendet werden, um das Verfahren in vielen Bereichen voranzutreiben.
In den meisten Fällen können RTM-Materialien verwendet werden, wobei die Arbeiter und deren Umgebung nur minimal den Chemikalien ausgesetzt werden. Viele Hochleistungsharzsysteme sind stabil und geben wenige flüchtige Bestandteile ab. Da RTM innerhalb eines geschlossenen Systems durchgeführt wird, werden die Arbeiter dem Harz nur ausgesetzt, wenn die Einspritzausrüstung beladen wird.
Laufbuchsen und Einsätze können in den Vorformling eingesetzt werden und am Ort eingespritzt werden, um einen Zusammenbau auf höherer Stufe zu verhindern. Spezielle Überlegungen müssen jedoch in Bezug auf die Konstruktion und die Herstellung der Druckform angewendet werden (beispielsweise Zusatzkosten gegenüber den Werkzeugkosten).
Einige der Beschränkungen der RTM beinhalten: (1) Höhere Werkzeugkosten; (2) Konstruktionsänderungen können kostspielig sein (Bearbeitungskosten); (3) Kosten einer komplizierteren Vorformlingarchitektur; (4) Kosten maßgeschneiderter Harzsysteme; und (5) Aufgaben beim Handhaben des Werkzeugs (Größe und Gewicht der Werkzeuge).
Aufgrund der hohen Qualität der Form und der formeigenen Komplexität ist die Bearbeitung teuer. Teile mit komplexen Konfigurationen besitzen teure Mehrfachteile-, Aufgliederungsbearbeitung.
Veränderungen der Konstruktion können teuer sein, wenn komplexe Mehrfachteilformen modifiziert werden. Sogar eine ein fache Konstruktionsveränderung kann zu einer teuren Nachbearbeitung oder zur erneuten Herstellung des Werkzeugs führen.
Die Kosten, um die Architektur der Vorformlinge voranzutreiben, können aufgrund der langsamen und arbeitsreichen Prozesse hoch sein.
Die Harzsysteme müssen Parametern in Bezug auf die Konstruktion und das Verfahren entsprechen, die schwer zu kombinieren sein können. Beispielsweise müssen Konstruktionskriterien wie mechanische Testwerte oder Entflammbarkeitswerte den Prozesskriterien entsprechen wie beispielsweise Gefäßlebensdauer, Viskosität, Aussetzung der Arbeiter und Auswertungszeit. Harzverstärker können im Allgemeinen nicht hinzugefügt werden, da der Vorformling als Primerfilter wirkt, der diese Materialien am Einleitpunkt einfängt.
Einer der Vorteile der RTM ist die Fähigkeit, große Teile herzustellen. Dies kann jedoch auch eine große Beschränkung sein, da die Werkzeuge groß und schwer sind. Große und massive Formen besitzen spezielle Erfordernisse bei der Handhabung, welche Kräne, Wendezapfen oder Gabelstapler beinhalten können.
Das spezielle Problem, das die Verwendung des Harztransfergießens nach sich zieht, um Produkte herzustellen, die eine Einheit eines Honigwabenkernmaterials beinhalten, ist der Ausschluss des Harzes von den Zellen des Honigwabenkernmaterials. Wenn die Honigwabenkernzellen nicht von dem Harz isoliert werden, das in die Form eingespritzt wird, werden sich die Zellen des Honigwabenkerns mit Harz füllen und ein sehr schweres Produkt wird das Ergebnis sein.
Ein Verfahren zum Ausrüsten eines Flugzeugs mit einer gegen Regen unempfindlichen Antennenschüssel, die aus einem thermoplastischen Material gemacht ist, ist durch die DE-1A-4 200 572 bekannt.
Die JP-62 240 516 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines geschichteten Produkts mit einem Honigwabenkern mit Zellen, die mit einem Schaummaterial gefüllt sind.
Die US-A-5,338,594 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines geschichteten Produkts mit einem Honigwabenkern mit Zellen, die mit einem Schaummaterial gefüllt sind, wobei das besagte Verfahren die Schritte aufweist: Anordnen einer ersten Schicht eines nicht gehärteten, wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials auf der Oberseite eines zentralen Honigwabenkerns mit leeren Zellen; Anordnen einer ersten Schicht eines nicht ausgehärteten Vorformlingmaterials auf der ersten Schicht des nicht ausgehärteten, wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials, und Anordnen einer zweiten Schicht eines nicht ausgehärteten Vorformlingmaterials unterhalb des besagten Honigwabenkerns, Anordnen der in den obigen Schritten hergestellten Charge innerhalb einer Form und schließen der Form; Aufheizen der Form auf die Aushärttemperatur des besagten wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials und halten der besagten Form auf diese Temperatur für eine Zeit, die ausreicht, das wärmeausdehnbare, aufschäumbare Material auszudehnen und auszuhärten.
Die vorliegende Erfindung löst die vorstehenden Probleme und schafft ein Mittel zur Herstellung von widerstandsfähigen, leichtgewichtigen Produkten, die Einheiten von Honigwaben kernmaterial mit Zellen beinhaltet, die mit einem Schaummaterial gefüllt sind (beispielsweise wurde das RTM-Harz von den Zellen des Honigwabenkerns ausgeschlossen). Die Zellen des Honigwabenkernmaterials sind von dem RTM-Harz durch das Schaummaterial isoliert. Das Schaummaterial schafft eine Barriere zu dem RTM-Harzsystem, so dass das Harzsystem von den Zellen des Honigwabenkernmaterials ausgeschlossen wird, wenn das Harzsystem in die Form eingespritzt wird.
Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines geschichteten Produkts (40) mit einem Honigwabenkern (12) mit Zellen, die mit einem Schaummaterial (46) gefüllt sind, welches Verfahren die Schritte aufweist:

– Anordnen einer ersten Schicht (44a) eines nicht gehärteten, wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials auf der Oberseite eines zentralen Honigwabenkerns (12) mit leeren Zellen;
– Anordnen einer ersten Schicht eines nicht ausgehärteten vorgeformten Materials (24a) auf der ersten Schicht (44a) aus nicht ausgehärtetem, wärmeausdehnbarem, aufschäumbarem Material und Anordnen einer zweiten Schicht (24b) eines nicht ausgehärteten vorgeformten Materials unter dem Honigwabenkern;
– Anordnen der in dem obigen Schritt hergestellten Charge innerhalb einer Form (22) und schließen der Form (22);
– Aufheizen der Form (22) auf die Aushärttemperatur des wärmeausdehnbaren; aufschäumbaren Materials und Halten der Form (22) auf dieser Temperatur für eine Zeit, die ausreicht, das wärmeausdehnbare, aufschäumbare Material auszudehnen und auszuhärten;
– Entfernen des Produkts (40) von der Form (22), nachdem das Aushärten vervollständigt ist; gekennzeichnet durch den Schritt des Anordnens einer zweiten Schicht (44b) eines nicht gehärteten, wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials auf der Unterseite des zentralen Honigwabenkerns (12) und durch die weiteren Schritte:
– Verringern der Temperatur der Form (22) auf die Einspritztemperatur eines ausgewählten Harztransfergieß-(RTM)-Harzsystems, und Einspritzen des ausgewählten Harztransfergieß-(RTM)-Harzsystems in die Form (22);
– Halten der Temperatur der Form (22) bei der Aushärttemperatur für das Harztransfergieß-(RTM)-Harzsystem für eine Zeit, die ausreicht, das besagte Harzsystem auszuhärten. In einem weiteren Gesichtspunkt ist die Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren die weiteren Schritte aufweist:
– Anordnen einer ersten Schicht eines nicht gehärteten Klebefilms (14a) auf der ersten Schicht des nicht gehärteten, wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials und Anordnen einer zweiten Schicht eines nicht gehärteten Klebefilms (14b) unter der zweiten Schicht des nicht gehärteten, wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials;
– Anordnen einer ersten Schicht eines nicht gehärteten vorgeformten Materials (16a) auf der ersten Schicht des nicht gehärteten Klebefilms (14a) und Anordnen einer zweiten Schicht eines nicht gehärteten vorgeformten Materials (16b) unter der zweiten Schicht des nicht gehärteten Klebefilms (14b), wobei die erste Schicht von trockenem Faservorformling (18b) auf der ersten Schicht des nicht gehärteten vorgeformten Materials (16a) angeordnet wird und wobei die zweite Schicht von trockenem Faservorformling (18b) unter der zweiten Schicht von nicht gehärtetem vorgeformten Material (16b) angeordnet wird; wobei die mittels der obigen Schritte herge stellte Charge innerhalb einer Form (22) angeordnet wird und die Form (22) geschlossen wird.

Schließlich ist die Erfindung in einem weiteren Aspekt ein geschichtetes Produkt für die Luftfahrtindustrie, das gemäß einem der vorgenannten Verfahren erzielbar ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie dieselbe zur Wirkung gebracht werden kann, wird nun mittels eines Beispiels auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen. In den verschiedenen Figuren besitzen Elemente, die mit ähnlichen Bezugsziffern bezeichnet sind, entsprechende Funktionen.
1 ist eine schematische perspektivische Ansicht, teilweise freigeschnitten, des ausgehärteten Endprodukts der Erfindung, wobei die Schichten oberhalb und unterhalb des zentralen Honigwabenkernmaterials gezeigt sind und die Zellen des Honigwabenkernmaterials gezeigt sind, die mit einem ausgehärteten Schaummaterial gefüllt sind.
2 ist eine schematische senkrechte Schnittansicht der nicht ausgehärteten Auflage des Produkts der Erfindung, wobei die Schichten oberhalb und unterhalb des zentralen Honigwabenkernmaterials gezeigt sind und (an diesem Punkt im Verfahren) die leeren Zellen des Honigwabenkernmaterials gezeigt sind.
3 ist eine schematische senkrechte Schnittansicht, die entlang der Linie 3-3 von 1 aufgenommen ist, des ausge härteten Endprodukts der Erfindung, wobei die Schichten oberhalb und unterhalb des zentralen Honigwabenkernmaterials gezeigt sind und die Zellen des Honigwabenkernmaterials gezeigt sind, die mit einem ausgehärteten Schaummaterial gefüllt sind.
4 ist eine schematische senkrechte Schnittansicht der Druckform, die beim Harztransfergießen (RTM) verwendet wird, um das ausgehärtete Endprodukt der Erfindung herzustellen, das in den 1 und 3 dargestellt ist.
5 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die teilweise freigeschnitten ist, einer alternativen Ausführungsform des ausgehärteten Endprodukts der Erfindung, wobei die Schichten oberhalb und unterhalb des zentralen Honigwabenkernmaterials gezeigt sind und wobei die Zellen des Honigwabenkernmaterials gezeigt sind, die mit einem ausgehärteten Schaummaterial gefüllt sind.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Um unter Verwendung des RTM-Verfahrens Teile zu konstruieren und herzustellen, muss man die Erfordernisse der Teile auf folgenden Grundlagen bestimmen: (1) Das Teil erfordert hochfeste Verstärkung mit kontinuierlichen Fasern mit einem Fasergewichtsanteil von 55 bis 75 Gewichtsprozent; (2) das Teil ist komplex in seiner Natur mit in der Konstruktion eingebauten Flanschen, Versteifungen oder Einsätzen; (3) die Anforderungen an die Teile der Toleranz liegt üblicherweise zwischen ±0,10 bis ±0,30; (4) die Dicke der Teile liegt in einem Bereich von 1, 0 cm (0,040 inch) bis 13 cm (5,0 inch); und (5) das Oberflächenfinish des Teils muss 125 RMS oder besser sein (gut innerhalb üblicher Bearbeitungsparameter).
Die zur Herstellung von trockenen Faservorformlingen am meisten verwendeten Materialien sind Fiberglas, Graphit, Aramid und Keramik. Diese Fasermaterialien können getrennt oder kombiniert in einer großen Bandbreite von Hybriden verwendet werden, um den spezifischen Leistungsanforderungen zu entsprechen. Nachdem diese Materialien für viele Jahre in der Herstellung von Verbundwerkstoffen verwendet worden sind, bieten sie eine ausgezeichnete Konstruktionsflexibilität. Es gibt verschiedene Wege, um die Verstärkungen in die gewünschte Gestalt zu formen. Verschiedene Vorformarten beinhalten das Flechten, das Wirken, das Weben, das Verwinden von Litzen und das Vernähen. Jeder dieser Stile ist in sich einzigartig und muss individuell in Bezug auf spezifische Konstruktionsmerkmale untersucht werden. Verwobene Fasern und Vorformlinge aus verwobenen Fasern erfordern üblicherweise einen Bindemittler, um die Form und Festigkeit aufrechtzuerhalten. Bindemittler arbeiten am besten, wenn sie Derivate des bloßen Harzsystems sind. In manchen Situationen ist es erforderlich, einen Binder zu verwenden, der verschieden ist. In diesem Fall kann der Binder migrieren, wobei er während dem Einspritzen auf eine unkontrollierte Weise verfestigt, und die Festigkeit des Grundharzsystems verringert.
Alle trockenen Faservorformlinge sollten vor einem Laden in die Form verfestigt werden. Verfestigte Vorformlinge stellen eine geeignete Faserausrichtung und ein geeignetes Faservolumen sicher. Die Faserausrichtung und Verzerrung in dem RTM-Verfahren muss aus zwei Aspekten heraus verstanden werden. Der erste behandelt die Anordnung, Formung und Verfestigung von trockenen Fasern. Anders als vorimprägnierte Verstärkungen sind trockene Fasern unstabil und leicht verzerrt. Binder helfen, die Fasern während deren Handhabung und Anordnung zu stabilisieren. Während des Verfahrens des Formens und des Verfestigens wird der Vorformling stabil. Wenn der Vorformling einmal verfestigt ist, kann er mit begrenzter Verformung gehandhabt, zusammengebaut und in der Form angeordnet werden. Der zweite Aspekt behandelt die Fähigkeit, die korrekte Faserausrichtung während der Harzinjektion beizubehalten und zu verriegeln. Wenn der Vorformling in der Form eingeschlossen ist, wird er von dem Schließdruck weiter verfestigt. Der hohe Fasergehalt des Vorformlings verriegelt die Fasern fest am Ort, wobei eine Faserbewegung verhindert wird.
Die Qualität der Form ist an dem RTM-Verfahren das kritischste. Das Oberflächenfinish und die dreidimensionale Steuerung sind in den Produkten der Form. In anderen Worten, die Zeit und das Geld, die zur Herstellung von Formen hoher Qualität aufgewendet werden, führen zu hochqualitativen Teilen.
Wenn zur Konstruktion ein RTM-Harzsystem ausgewählt wird, ist der erste Schritt, klar die Leistungsbedingungen zu definieren. Einige der Leistungskriterien beinhalten den Bereich der Betriebstemperaturen, die thermischen Zyklen und die mechanischen Eigenschaften. Um die geeignete Harzauswahl sicherzustellen, müssen die Harzeigenschaften auf der Grundlage der Leistungsbedingungen ermittelt werden. Eine große Bandbreite von RTM-Harzsystemen ist zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung erhältlich, zusammen mit vielen anderen, die in der Entwicklungsphase sind. Einige der ursprünglichen RTM-Harzsysteme, die verwendet werden können, beinhalten: Epoxidharzsysteme, Cyanatesterharzsysteme, Vinylesterharzsysteme, Phenolharzsysteme, Polyesterharzsysteme und Bismaleimidharzsysteme.
Die Liste der Harzeigenschaften dient als Basis, um die Parameter des Harztransferverfahrens zu definieren. Harze, die für das RTM-Verfahren geeignet sind, zeigen eine geringe Viskosität (idealerweise 500 cps oder weniger), eine erweiterte Standzeit, einen geringen Anteil an flüchtigen Bestandteilen und geringe exotherme Temperaturen mit einer halbschnellen Gelzeit.
RTM-Harzsysteme sind in verschiedenen Zusammensetzungen verfügbar, wie beispielsweise als Einteil- oder Zweiteilsysteme. Reinigungsvorgänge von nicht verlinkten Zusammensetzungen erfordern Lösungsmittel. Daher soll die Lösungsmittelreinigung in Betracht gezogen werden, wenn ein RTM-Harzsystem ausgewählt wird, auch wenn geeignete Pumpausrüstungen viele dieser Harzsysteme direkt von deren Lieferbehältern verstauen, laden und pumpen können und eine sehr geringe Lösungsmittelreinigung erfordern. Lösungsmittel beeinträchtigen, da sie sowohl die Aussetzung der Arbeiter als auch den Sondermüllanfall erhöhen.
Es gibt verschiedene Typen von auf dem kommerziellen Markt verfügbaren RTM-Harzliefersystemen, die in der vorliegenden Erfindung angewendet werden können. Der Pumpmechanismus kann mit einem pneumatischen, hydraulischen oder Getriebeantriebssystem oder einer Kombination davon angetrieben werden. Der Harzeinspritzvorgang ist der Schlüssel zum erfolgreichen Durchführen des Verfahrens. Bessere Resultate wurden erzielt, indem Verdrängerpumpen verwendet wurden. Eine Verdrängerpumpe wird vorgezogen, wenn die Konfiguration des Teils groß oder komplex ist. Diese Art von Pumpen schafft konstanten Druck und kontinuierlichen Harzfluss. Gleichzeitig stellen diese Systeme die Mittel zur Steuerung und Optimierung des Einspritzzyklusses zur Verfügung.
Das elementarste Pumpsystem ist ein pneumatischer Druckbehälter. Dieser Systemtyp hat viele erfolgreiche Teile mit RTM hergestellt. Sie ist jedoch begrenzt durch das Maß an Steuerung über die Rate und die Drücke der Harzströmungsfront. Auf der anderen Seite bieten fortgeschrittene Harzliefersysteme Verdrängerpumpen kombiniert mit Computersteuermerkmalen, die die kritischen Variablen des Harzeinspritzvorgangs steuern, die unter anderen Umständen von der Bedienperson abhängen.
Der Typ des verwendeten Harzes ist wichtig, wenn ein Harzliefersystem ausgewählt wird. Viele dieser Liefersysteme bieten eine Summe von Optionen an, die der Benutzer beurteilen muss. Beispielsweise können die spezifischen Unterschiede zwischen einem Einteil- und einem Zweiteilharzsystem dies darlegen. Ein Zweiteilharz beinhaltet eine Pumpe mit Merkmalen, die das Abmessen, das Mischen und das Liefern umfassen. Ein Einteilsystem erfordert kein Mischen, so dass die Pumpe nur zum Liefern bzw. zum Fördern verwendet wird.
Viele Harzfördersysteme bieten erweiterte Funktionen an, die das Verfahren verbessern, wie beispielsweise die Fähigkeit, einen vorbestimmten hydrostatischen Harzdruck aufrechtzuerhalten und die Temperatur zur Viskositätssteuerung sowie für die Harzdurchflussrate und die Volumensteuerung einzustellen und anzuzeigen. Diese Systeme sind im Allgemeinen einfach einzustellen und zu betreiben und einfach zu reinigen und zu warten.
Da es viele Variablen gibt, die das RTM-Verfahren beeinflussen, sind nachstehend einige bevorzugte Richtlinien für das RTM-Verfahren angegeben: (1) Faserbeladung für strukturelle Anwendungen bei 55 bis 65 Gewichtsprozent; (2) eine strenge Vakuumunterstützung schafft einen besseren Harzfluss für ein vollständiges Benetzen des Gewebes; (3) Harzviskosität geringer als 500 cps ermöglicht geringeren Einspritzdruck; (4) ein vorverfestigter Vorformling ist vollständig und bereit zum Beladen der Form; (5) Form wird integriert geheizt, um Zykluszeit und Formhandhabung zu verringern; (6) Harz wird vorher entgast, um die Porösität und Leerstellen zu minimieren; (7) der hydrostatische Druck wird nach dem Harzeinspritzen beibehalten, um den Porösitätsanteil zu verringern; und (8) der Einspritzdruck ist geringer als 100 psi, um eine sich langsam bewegende Strömungsfront mit minimaler Faserverzerrung zu erreichen.
Das Problem bei der Verwendung des Harztransfergießens, um Produkte herzustellen, die eine Einheit aus Honigwabenkernmaterial beinhalten, ist das Ausschließen des RTM-Harzes aus den Zellen des Honigwabenkernmaterials. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem und schafft ein Verfahren zum Herstellen von festen, leichtgewichtigen Produkten, die Einheiten aus Honigwabenkernmaterial mit Zellen beinhalten, die mit einem ausgehärteten Schaummaterial gefüllt sind (d. h., das RTM-Harz wurde von den Zellen des Honigwabenkerns ausgeschlossen). Die Zellen des Honigwabenkernmaterials werden auf beiden Seiten durch das ausgehärtete Schaummaterial isoliert. Das ausgehärtete Schaummaterial schafft eine Barriere für die Zellen des Honigwabenkernmaterials vor dem Einspritzen des RTM-Harzsystems, so dass das Harzsystem von den Zellen des Honigwabenkernmaterials ausgeschlossen ist.
Das Produkt der Erfindung
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigen 1 und 3 schematisch die geschichtete Konstruktion des Endprodukts 40 der Erfindung. Das Endprodukt 40 ist aus einem zentralen Honigwabenkernmaterial 12 mit Zellen, die mit einem ausgehärteten Schaummaterial 46 gefüllt sind (d. h., dass das RTM-Harz von den Zellen des Honigwabenkerns 12 ausgeschlossen ist), und aus gehärteten Schichten 18a, 18b (schematisch dargestellt) konstruiert, die aus vorgeformten Fasern bestehen, die mit dem RTM-Harzsystem imprägniert sind und innerhalb der Form 22 ausgehärtet worden sind (4).
2 zeigt schematisch die geschichtete Konstruktion der nicht gehärteten Auflage des Produkts der Erfindung, wobei das zentrale Honigwabenkernmaterial 12 mit leeren Zellen dargestellt ist (dieser Punkt in dem Verfahren ist bevor das wärmeausdehnbare, aufschäumbare Material 44a, 44b erhitzt und ausgedehnt worden ist); die Schichten eines nicht ausgehärteten, wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials 44a, 44b; und die Schichten eines Vorformlings 24a, 24b von trockenen Fasern (bevor das RTM-Harzsystem in die Form eingespritzt worden ist).
4 zeigt schematisch eine übliche geheizte RTM-Druckform 22 mit einem Deckel 22a und oberen und unteren Einlassanschlüssen 20a und 20b, wo das RTM-Harzsystem in die geschlossene Form eingespritzt wird. Die Charge innerhalb der Form 22 wird von dem zentralen Honigwabenkernmaterial 12 mit leeren Zellen (dieser Punkt ist in dem Verfahren bevor das wärmeausdehnbare, aufschäumbare Material 44a, 44b aufgeheizt und ausgedehnt worden ist); Schichten eines nicht gehärteten, wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials 44a, 44b; und Schichten eines Vorformlings 24a, 24b aus trockenen Fasern konstruiert (bevor das RTM-Harzsystem in die Form eingespritzt worden ist).
Das Honigwabenkernmaterial kann ein beliebiges von den Honigwabenkernmaterialien sein, wie beispielsweise: Aluminium, Aluminiumlegierung, Fiberglas, NOMEX, und Karbonverbundstoffe. Die trockenen Fasern des Vorformlings können beliebige von den oben beschriebenen Fasern sein, wie beispielsweise: Fiberglas, Karbon (Graphit), Aramid und Keramik. Das vorgetränkte Material kann ein beliebiges von den vorgetränkten Materialien sein. Das primäre Erfordernis ist, dass die Aushärttemperatur des vorgetränkten Materials die gleiche wie die Aushärttemperatur des Klebfilms sein sollte. Das RTM-Harzsystem kann ein beliebiges von den herkömmlichen oben beschriebenen RTM-Harzsystemen sein, wie beispielsweise: Epoxidharzsysteme; Cyanatesterharzsysteme, Vinylesterharzsysteme, Phenolharzsysteme, Polyesterharzsysteme und Bismaleimidharzsysteme.
Das bevorzugte Material, das als wärmeausdehnbares, aufschäumbares Material 44a, 44b (2 und 4) verwendet werden kann, ist SYNSPAND X9899. Das nicht ausgehärtete bevorzugte Material ist nachstehend beschrieben:
Das Verfahren der Erfindung
Das Verfahren der Erfindung ist wie folgt. Die ersten zwei Schritte des Aufbauens der Charge (oder Sandwichs) kann innerhalb der Form 22 (4) durchgeführt werden, bevor sie geschlossen wird, oder die Schritte können außerhalb der Form durchgeführt werden.
Der erste Schritt ist, eine Schicht des nicht gehärteten, wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials 44a, 44b oben, unten und auf den senkrechten Seiten des Honigwabenkernmaterials 12 anzuordnen (welches zu diesem Zeitpunkt leere Zellen aufweist).
Der zweite Schritt ist, die Schichten 24a, 24b eines Vorformlings mit trockenen Fasern über der oberen Schicht 44a des nicht ausgehärteten, wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials und unter der unteren Schicht des nicht ausgehärteten, wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials 44b anzuordnen. Dies vervollständigt die Charge.
Der dritte Schritt ist, die Charge innerhalb der Form 22 anzuordnen und die Form zu schließen.
Der vierte Schritt ist, die Form auf die Aushärttemperatur des wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials 44a, 44b aufzuheizen und die Form auf diese Temperatur für eine Zeit zu halten, die ausreicht, das wärmeausdehnbare, aufschäumbare Material auszudehnen und auszuhärten. Die Aushärttemperatur kann von dem spezifischen wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Material abhängen, das verwendet wird. Beispielsweise ist die Aushärttemperatur für SYNSPAND X9899 ungefähr 177°C (350°F). Die Aushärtzeit kann in Abhängigkeit des spezifischen aufschäumbaren Materials variieren, das verwendet wird. Beispielsweise beträgt die Aushärtzeit für SYNSPAND X9899 ungefähr 90 Minuten. An diesem Punkt in dem Verfahren gibt es keinen hinzugefügten Druck innerhalb der Form jenseits des mechanischen Drucks der geschlossenen Form, die gegen die Charge drückt und die Charge verfestigt. Während des Aushär- tens verändert das wärmeausdehnbare, aufschäumbare Material dessen physikalischen Zustand zu einem Schaum, der sich ausdehnt und die Zellen des Honigwabenkerns füllt. Die letztendliche Wirkung ist, dass die Schicht des wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials sich vollständig in Schaum verwandelt. Die obere Schicht 44a des wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials erzeugt einen Schaum, der nach unten in die Zellen des Honigwabenkerns unter ihm expandiert. Die untere Schicht 44b des wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials erzeugt einen Schaum, der sich nach oben in die Zellen des Honigwabenkerns über ihr expandiert. Die zwei fortschreitenden Fronten des Schaums treffen sich nahe der Mittelebene von jeder der Zellen, wobei auf diese Weise eine Grenzlinie 48 (1 und 3) in jeder Zelle gebildet werden, wo die fortschreitenden Fronten des Schaums sich treffen. Die Dichte des resultierenden ausgehärteten Schaums ist in dem Bereich von 160–640 kg/m³ (10–40 lbs/ft³). Ein ausgehärteter Schaum mit geringer Dichte wird für Flugzeugteile bevorzugt, bei denen ein geringes Gewicht das Ziel ist. Die Schichten 24a, 24b des Vorformlings mit trockenen Fasern (2 und 3) werden von dem Schaum während der vorstehenden Expansion und Aushärtung der Schichten des wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials nicht imprägniert.
Der fünfte Schritt ist, die Temperatur der Form 22 auf die RTM-Harzsystemeinspritztemperatur zu verringern und das RTM-Harzsystem in die Form durch die Einlassanschlüsse 20a, 20b einzuspritzen. Der ausgehärtete Schaum 46 wird ein Eindringen des RTM-Harzes in die Zellen des Honigwabenkerns 12 nicht erlauben. Die RTM-Harzsystemeinspritztemperatur kann in einem Bereich zwischen 120°C (250°F) bis 177°C (350°F) liegen, abhängig von dem spezifischen angewendeten RTM-Harzsystem. Ein Beispiel für ein Teil Epoxid-RTM-Harzsystem ist das Produkt PR 500, hergestellt von 3M-Company, Abteilung Luftfahrtmaterialien, St. Paul, Minnesota, welches einen eingebauten Aushärtkatalysator aufweist, der bei der Aushärttemperatur von ungefähr 100°C (320°F) aktiviert wird. An diesem Punkt in dem Verfahren, nachdem die Form voll von RTM-Harz ist, kann ein hydrostatischer Druck aufgebracht werden, um jegliche Leerstellen zu füllen, die nicht von dem Harz gefüllt worden sind. Der Druck wird mittels des Pumpsystems aufgebracht. Beispielsweise kann der von dem Pumpsystem aufgebrachte Druck in einem Bereich zwischen 140 und 410 kg/m² (20–60 psi) liegen.
Der siebte Schritt ist es, (falls notwendig) die Temperatur der Form auf die Aushärttemperatur des RTM-Harzsystems zu erhöhen und die Form bei dieser Temperatur für eine Zeit zu halten, die ausreicht, das RTM-Harzsystem auszuhärten. Wieder kann die RTM-Harzsystemeinspritztemperatur in einem Bereich zwischen 120°C (250°F) und 177°C (350°F) liegen, abhängig von dem spezifischen angewendeten RTM-Harzsystem. Nachdem das Aushärten vervollständigt ist, wird das Teil von der Form entfernt.
Eine alternative Ausführungsform der Erfindung
5 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die teilweise freigeschnitten ist, eines alternativen ausgehärteten Endprodukts 50. Es wird auf die ebenfalls anhängige US-Patentanmeldung Bezug genommen, die mittels US-Eilpostnr. GB370067027US eingereicht worden ist (das gleiche Datum wie die vorliegende Anmeldung), mit dem Titel „Harztransfergießen in Kombination mit Honigwabenkern", erfunden von Thomas R. Cundiff und Bradley A. Frye, gemeinsam der Boeing Company übertragen und mit dem Anwaltszeichen Nr. 92–275. Endprodukt 50 (5) ist eine Kombination der Erfindung der vorliegenden Anmeldung und der Erfindung der vorgenannten Patentanmeldung von Thomas R. Cundiff und Bradley A. Frye.
Unter Bezugnahme auf 5 ist das alternative Endprodukt 50 aus einem Honigwabenkernmaterial 12 mit Zellen, die mit einem ausgehärteten Schaummaterial 46 gefüllt ist (d. h., das RTM-Harz wurde von den Zellen des Honigwabenkerns 12 ausgeschlossen); Schichten eines ausgehärteten Klebefilms 14a, 14b, der innerhalb der Form aus gehärtet worden ist; Schichten eines ausgehärteten vorgetränkten Materials 16a, 16b, die innerhalb der Form ausgehärtet worden sind, und aus gehärteten Schichten 18a, 18b (schematisch dargestellt) konstruiert, die aus Vorformlingfasern bestehen, die mit dem RTM-Harzsystem imprägniert worden sind und innerhalb der Form ausgehärtet worden sind.
Das Verfahren der Herstellung des alternativen Endprodukts 50 ist eine Kombination des in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahrens und des in der vorgenannten Patentanmeldung von Thomas R. Cundiff und Bradley A. Frye beschriebenen Verfahrens. Das Verfahren ist wie folgt. Die ersten drei Schritte des Aufbaus der Charge (oder Sandwich) können innerhalb der Form durchgeführt werden bevor sie geschlossen wird, oder die Schritte können außerhalb der Form durchgeführt werden.
Der erste Schritt ist, eine Schicht des nicht ausgehärteten wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials oben, unten und an den senkrechten Seiten des Honigwabenkernmaterials 12 anzuordnen (welches zu diesem Zeitpunkt leere Zellen aufweist).
Der zweite Schritt ist, eine Schicht des Klebefilms 14a, 14b auf der Oberseite und der Unterseite des Honigwabenkernmaterials 12 anzuordnen.
Der dritte Schritt ist, eine Schicht des vorgetränkten Materials 16a, 16b über jeder Schicht des Klebefilms 14a, 14b anzuordnen.
Der vierte Schritt ist, die Vorformlinge 24a, 24b aus trockenen Fasern über jeder Schicht des vorgetränkten Materials 16a, 16b anzuordnen. Dies vervollständigt die Charge.
Der fünfte Schritt ist, die Charge innerhalb der Form 22 anzuordnen und die Form zu schließen.
Der sechste Schritt ist, die Form auf die Aushärttemperatur des wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials, des Klebefilms 19, 14b und des vorgetränkten Materials 16a, 16b aufzuheizen und die Form auf dieser Temperatur für eine Zeit zu halten, die ausreicht, das wärmeausdehnbare, aufschäumbare Material auszudehnen und zu härten, den Klebefilm auszuhärten und das vorgetränkte Material auszuhärten.
Der siebte Schritt ist es, die Temperatur der Form auf die RTM-Harzsystemeinspritztemperatur zu verringern und das RTM-Harzsystem in die Form durch die Einlassanschlüsse einzuspritzen. An diesem Punkt in dem Verfahren kann, nachdem die Form voll von Harz ist, ein hydrostatischer Druck aufgebracht werden, um jegliche Leerstellen zu füllen, die nicht mit dem Harz gefüllt worden sind. Der Harz wird mittels des Pumpsystems aufgebracht. Beispielsweise kann der von dem Pumpsystem aufgebrachte Druck in dem Bereich zwischen 140 und 410 kPa (20–60 psi) sein.
Der achte Schritt ist es, (falls erforderlich) die Temperatur der Form auf die Aushärttemperatur des RTM-Harzsystems zu erhöhen und die Form auf dieser Temperatur für eine Zeit zu halten, die ausreicht, das RTM-Harzsystem auszuhärten. Nachdem das Aushärten vervollständigt ist, wird das Teil von der Form entfernt.
Wie den Fachleuten, an die sich die Erfindung richtet, deutlich sein wird, kann die vorliegende Erfindung auch in anderen Formen angewendet werden als die oben stehend spezifisch offenbarten, ohne von den wesentlichen Merkmalen der Erfindung abzuweichen. Die besonderen Ausführungsformen der Erfin dung, die oben beschrieben worden sind, und die besonderen Details der oben beschriebenen Verfahren werden daher in allen Gesichtspunkten als veranschaulichend und nicht beschränkend angesehen. Der Bereich der vorliegenden Erfindung ist so, wie er in den beigefügten Ansprüchen vorgegeben ist, und ist nicht von den angegebenen Beispielen in der vorangegangenen Beschreibung begrenzt. Es ist beabsichtigt, dass alle und jegliche Äquivalente von den Ansprüchen umfasst sind.

Claims

Ein Verfahren zum Herstellen eines geschichteten Produkts (40) mit einem Honigwabenkern (12) mit Zellen, die mit einem Schaummaterial (46) gefüllt sind, welches Verfahren die Schritte aufweist: – Anordnen einer ersten Schicht (44a) eines nicht gehärteten, wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials auf der Oberseite eines zentralen Honigwabenkerns (12) mit leeren Zellen; – Anordnen einer ersten Schicht eines nicht ausgehärteten vorgeformten Materials (24a) auf der ersten Schicht (44a) aus nicht ausgehärtetem, wärmeausdehnbarem, aufschäumbarem Material und Anordnen einer zweiten Schicht (24b) eines nicht ausgehärteten vorgeformten Materials unter dem Honigwabenkerns – Anordnen der in dem obigen Schritt hergestellten Charge innerhalb einer Form (22) und schließen der Form (22); – Aufheizen der Form (22) auf die Aushärttemperatur des wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials und Halten der Form (22) auf dieser Temperatur für eine Zeit, die ausreicht, das wärmeausdehnbare, aufschäumbare Material auszudehnen und auszuhärten; – Entfernen des Produkts (40) von der Form (22), nachdem das Aushärten vervollständigt ist; gekennzeichnet durch den Schritt des Anordnens einer zweiten Schicht (44b) eines nicht gehärteten, wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials auf der Unterseite des zentralen Honigwabenkerns (12) und durch die weiteren Schritte: – Verringern der Temperatur der Form (22) auf die Einspritztemperatur eines ausgewählten Harztransfergieß-(RTM)- Harzsystems, und Einspritzen des ausgewählten Harztransfergieß-(RTM)-Harzsystems in die Form (22); – Halten der Temperatur der Form (22) bei der Aushärttemperatur für das Harztransfergieß-(RTM)-Harzsystem für eine Zeit, die ausreicht, das besagte Harzsystem auszuhärten.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren die weiteren Schritte aufweist: – Anordnen einer ersten Schicht eines nicht gehärteten Klebefilms (14a) auf der ersten Schicht des nicht gehärteten, wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials und Anordnen einer zweiten Schicht eines nicht gehärteten Klebefilms (14b) unter der zweiten Schicht des nicht gehärteten, wärmeausdehnbaren, aufschäumbaren Materials; – Anordnen einer ersten Schicht eines nicht gehärteten vorgeformten Materials (16a) auf der ersten Schicht des nicht gehärteten Klebefilms (14a) und Anordnen einer zweiten Schicht eines nicht gehärteten vorgeformten Materials (16b) unter der zweiten Schicht des nicht gehärteten Klebefilms (14b), wobei die erste Schicht von trockenem Faservorformling (18b) auf der ersten Schicht des nicht gehärteten vorgeformten Materials (16a) angeordnet wird und wobei die zweite Schicht von trockenem Faservorformling (18b) unter der zweiten Schicht von nicht gehärtetem vorgeformten Material (16b) angeordnet wird; wobei die mittels der obigen Schritte hergestellte Charge innerhalb einer Form (22) angeordnet wird und die Form (22) geschlossen wird.
Ein geschichtetes Produkt (40) für die Luffahrtindustrie, welches gemäß dem Anspruch 1 oder 2 erzielbar ist.