DE102008058940B4 - Process for producing a fiber composite material, semifinished textile product and its production therefor - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes durch Infiltration eines textilen Halbzeuges (10; 10a) mit einem durch chemische Reaktion aushärtbaren Harzsystem und Ablaufenlassen der chemischen Reaktion, wobei ein aus mehreren gestapelten Lagen von flächigen Einzelhalbzeugen (12; 12a) zusammengesetztes Halbzeug (10; 10a) verwendet wird, welches einen Härter umfassend einen Katalysator und/oder ein Edukt der chemischen Reaktion enthält, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Stapelung von hinsichtlich der Art und/oder Konzentration des Härters unterschiedlichen Einzelhalbzeuglagen (12; 12a) der Härter über das Volumen des Halbzeuges (10; 10a) betrachtet ungleichmäßig verteilt angeordnet ist, wobei das Halbzeug (10; 10a) wenigstens einen Bereich (24a) aufweist, der frei von dem Katalysator und/oder frei von dem Edukt ist und an welchem durch druckunterstützte Aneinanderfügung eine nachträgliche Anbindung eines weiteren mit einem Harzsystem infiltrierten Werkstoffbereiches (26a) erfolgt.Process for the production of a fiber composite material by infiltration of a semi-finished textile product (10; 10a) with a chemical reaction hardenable resin system and running of the chemical reaction, wherein a semi-finished product (10; 10a) composed of a plurality of stacked layers of flat semi-finished products (12; 12a) is used is, which contains a curing agent comprising a catalyst and / or a reactant of the chemical reaction, characterized in that by the stacking of different with respect to the type and / or concentration of the curing agent Einzelvorzeuglagen (12; 12a) of the hardener on the volume of the semifinished product ( 10, 10a) is arranged unevenly distributed, wherein the semifinished product (10, 10a) has at least one region (24a) which is free of the catalyst and / or free of the educt and on which by pressure-assisted joining a subsequent connection of another material pellets infiltrated with a resin system eiches (26a) takes place.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes durch Infiltration eines textilen Halbzeuges mit einem durch chemische Reaktion aushärtbaren Harzsystem und Ablaufenlassen der chemischen Reaktion. Ferner betrifft die Erfindung ein hierfür geeignetes textiles Halbzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbzeuges.The present invention relates to a process for producing a fiber composite material by infiltration of a semi-finished textile product with a chemically reaction-curable resin system and allowing the chemical reaction to proceed. Furthermore, the invention relates to a suitable semi-finished textile product and a method for producing such a semi-finished product.
Derartige Herstellungsverfahren für Faserverbundwerkstoffe sowie hierfür geeignete textile Halbzeuge sind aus dem Stand der Technik bekannt und beispielsweise zur Fertigung von Strukturbauteilen in der Fahrzeugtechnik oder der Luft- und Raumfahrttechnik vorteilhaft einsetzbar.Such manufacturing methods for fiber composite materials and textile semi-finished products suitable for this purpose are known from the prior art and can be advantageously used, for example, for the production of structural components in vehicle technology or in aerospace engineering.
Ein Faserverbundwerkstoff ist ein Mischwerkstoff, der im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten besteht, nämlich einer Matrix und darin eingebetteten Fasern. Bei dem hier interessierenden Herstellungsverfahren wird das Fasermaterial durch das „textile Halbzeug” bereitgestellt. Bekannte Halbzeuge bestehen beispielsweise aus einem Gewebe, Geflecht, Gelege oder Vlies aus Fasermaterial (z. B. Einzelfasern oder Roving). Das Matrixmaterial des Werkstoffes entsteht als Produkt einer chemischen Reaktion eines dem Halbzeug zuvor in flüssiger bzw. zähflüssiger Form zugeführten Harzsystems (z. B. Kunstharz auf Epoxidbasis), welches bei der chemischen Reaktion aushärtet (z. B. Vernetzungsreaktion eines Epoxidharzsystems).A fiber composite material is a composite material which generally consists of two major components, namely a matrix and fibers embedded therein. In the manufacturing process of interest here, the fiber material is provided by the "semi-finished textile product". Known semi-finished products consist, for example, of a woven, braided, scrim or nonwoven fabric made of fiber material (eg individual fibers or roving). The matrix material of the material is produced as the product of a chemical reaction of a resin system previously supplied in liquid or viscous form to the semifinished product (for example, epoxy-based synthetic resin) which hardens during the chemical reaction (for example crosslinking reaction of an epoxy resin system).
Bekannte Herstellungsverfahren für Faserverbundwerkstoffe weisen eine Reihe von Nachteilen auf, insbesondere im Zusammenhang mit der Zufuhr („Infiltration”) des Harzsystems in das Halbzeug. Beispielsweise besteht für gängige Harzsysteme ein Zielkonflikt hinsichtlich der Temperatur des Harzsystems bei seiner Infiltration bzw. der Temperatur, bei welcher die Infiltration stattfindet. Einerseits kann mit einer erhöhten Temperatur sehr vorteilhaft die Viskosität des Harzsystems reduziert und somit die Fließgeschwindigkeit durch das Halbzeug erhöht werden, wobei jedoch andererseits eine erhöhte Temperatur oftmals zu einer schnelleren Aushärtereaktion führt und somit die zur Infiltration zur Verfügung stehende Zeit erheblich verringert wird. Letzteres stellt ein gravierendes Problem bei der Infiltration von relativ großen Halbzeugen dar, in welchen das zugeführte Harzsystem relativ lange Wege zurücklegen muss, um eine einwandfreie (vollständige) Infiltration des gesamten Halbzeugvolumens zu erzielen.Known manufacturing methods for fiber composite materials have a number of disadvantages, in particular in connection with the supply ("infiltration") of the resin system in the semifinished product. For example, for common resin systems, there is a conflict of interest in the temperature of the resin system at its infiltration or at the temperature at which the infiltration takes place. On the one hand, with an elevated temperature, it is very advantageous to reduce the viscosity of the resin system and thus increase the flow rate through the semifinished product, but on the other hand an elevated temperature often leads to a faster curing reaction and thus significantly reduces the time available for infiltration. The latter poses a serious problem in the infiltration of relatively large semi-finished products, in which the supplied resin system must travel relatively long ways to achieve a perfect (complete) infiltration of the entire semi-finished product volume.
Zur Initiierung der chemischen Reaktion ist es bekannt, dem verwendeten Harzsystem erst unmittelbar vor dem Infiltrationsvorgang einen „Härter” umfassend einen Katalysator und/oder ein Edukt der chemischen Aushärtereaktion beizumischen („catalytic curing” bzw. „co-reactive curing”). Sobald dies geschehen ist „läuft die Uhr” und es steht nurmehr eine begrenzte Zeit für den Infiltrationsvorgang zur Verfügung, bis das Harz zumindest teilweise (oder vollständig) aushärtet, was den Infiltrationsfluss des Harzes beenden würde.To initiate the chemical reaction, it is known to add a "hardener" comprising a catalyst and / or an educt of the chemical curing reaction to the resin system used only immediately before the infiltration process ("catalytic curing" or "co-reactive curing"). Once this is done, "the clock is running" and only a limited time is available for the infiltration process until the resin cures at least partially (or completely), ending the infiltration flow of the resin.
In der
Die
In der
Die
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes der eingangs genannten Art eine vorteilhafte Anbindung eines weiteren Werkstoffbereiches zu ermöglichen.It is an object of the present invention, in a production of a fiber composite material of the type mentioned above to allow an advantageous connection of another material area.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Faserverbundherstellungsverfahren nach Anspruch 1, ein Halbzeug nach Anspruch 7 bzw. ein Halbzeugherstellungsverfahren nach Anspruch 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved according to the invention by a fiber composite manufacturing method according to
Die Erfindung ermöglicht bei einer Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes der eingangs genannten Art eine gewisse „Steuerung” des Aushärtvorganges.The invention allows for a production of a fiber composite material of the type mentioned a certain "control" of the curing process.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes wird ein Halbzeug verwendet, welches einen Härter umfassend einen Katalysator und/oder ein Edukt der chemischen Reaktion enthält. In the method according to the invention for producing a fiber composite material, a semifinished product is used which contains a curing agent comprising a catalyst and / or a starting material of the chemical reaction.
Die bisher übliche und problematische Beimischung eines Härters vor der Infiltration kann im Rahmen der Erfindung entfallen. Bei der Erfindung kommt das Harzsystem während des Infiltrationsvorganges mit einem Härter in Kontakt, welcher erst bei bereits im Halbzeug befindlichen Harz dessen Aushärtereaktion initiiert und/oder beschleunigt.The previously customary and problematic admixture of a hardener prior to infiltration can be omitted within the scope of the invention. In the invention, during the infiltration process, the resin system comes into contact with a hardener which only initiates and / or accelerates its curing reaction when the resin is already in the semifinished product.
Es kann vorgesehen sein, dass das zur Infiltration verwendete Harzsystem keinen Härter enthält, also weder einen Katalysator noch ein Edukt der chemischen Aushärtereaktion.It can be provided that the resin system used for infiltration contains no hardener, that is, neither a catalyst nor a precursor of the chemical curing reaction.
Oftmals (abhängig von dem konkret verwendeten Harzsystem) ist es erforderlich, bei der chemischen Reaktion mehr oder weniger exakte „stöchiometrische Verhältnisse” einzuhalten. Um eine solche Stöchiometrie besser sicherstellen zu können, ist es im Allgemeinen zweckmäßig, wenn das zur Infiltration verwendete Harzsystem mengenmäßig (z. B. gewichtsmäßig) bereits wenigstens einen Großteil der Edukte der betreffenden chemischen Reaktion enthält. Insbesondere kann das infiltrierende Harzsystem bereits im Wesentlichen die gesamte Menge der betreffenden Edukte enthalten. In diesem Fall enthält der im Halbzeug enthaltene Härter eine vergleichsweise geringe Eduktmenge oder im Wesentlichen gar kein Edukt, jedoch einen Katalysator der betreffenden Reaktion.Often (depending on the specific resin system used), it is necessary to comply with more or less exact "stoichiometric ratios" in the chemical reaction. In order to be able to ensure such a stoichiometry better, it is generally expedient if the resin system used for the infiltration already contains quantitatively (for example by weight) at least a large part of the educts of the relevant chemical reaction. In particular, the infiltrating resin system may already contain substantially the entire amount of the respective educts. In this case, the hardener contained in the semifinished product contains a comparatively small amount of starting material or essentially no starting material, but a catalyst of the relevant reaction.
Als Harzsystem können prinzipiell alle aus dem Bereich der Faserverbundtechnologie an sich bekannten Harzsysteme („Reaktionsharze”) verwendet werden, insbesondere katalytisch beschleunigte Harzsysteme, wobei jedoch der entsprechende Katalysator nicht wie üblich vor dem Infiltrationsvorgang beigemischt wird sondern in das Halbzeug eingebracht wurde. Alternativ oder zusätzlich zu einem Katalysator enthält das Halbzeug ein Edukt der chemischen Reaktion.In principle, all resin systems ("reaction resins") known per se from the field of fiber composite technology can be used as the resin system, in particular catalytically accelerated resin systems, although the corresponding catalyst is not admixed as usual before the infiltration process but has been introduced into the semifinished product. Alternatively or in addition to a catalyst, the semifinished product contains an educt of the chemical reaction.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Harzsystem ein Epoxidharzsystem verwendet wird. Selbstverständlich sind für die Erfindung im Prinzip auch andere reaktive Materialen zur Schaffung der Faserverbundmatrix einsetzbar, wie z. B. Vinylesterharze, Cyanatharze, Phenolharze, Benzoxazinharze oder dergleichen.In one embodiment, it is provided that an epoxy resin system is used as the resin system. Of course, other reactive materials for the creation of the fiber composite matrix can be used for the invention in principle, such. Vinyl ester resins, cyanate resins, phenolic resins, benzoxazine resins or the like.
Insbesondere zur Fertigung von Faserverbundwerkstoffen bzw. Faserverbundbauteilen in der Fahrzeugtechnik oder der Luft- und Raumfahrttechnik ist es von Vorteil, dass bei der Erfindung z. B. für die Luftfahrtindustrie amtlich zugelassene Epoxidharzsysteme eingesetzt werden können, z. B. auf Basis von Glycidylderivaten von Bisphenol A oder Bisphenol F (z. B. Diglycidylether-Bisphenol-A oder -F), 4-Aminophenol, Methylendianilin oder Phenolnovolaken, oder z. B. aliphatische Glycidylether oder cycloaliphatische Epoxidharze.In particular, for the production of fiber composites or fiber composite components in automotive or aerospace engineering, it is advantageous that in the invention z. B. for the aerospace industry officially approved epoxy resin systems can be used, for. Based on glycidyl derivatives of bisphenol A or bisphenol F (eg diglycidyl ether bisphenol-A or -F), 4-aminophenol, methylenedianiline or phenol novolaks, or e.g. As aliphatic glycidyl ethers or cycloaliphatic epoxy resins.
Als katalytische Härter kommen z. B. nukleophile Substanzen wie z. B. tertiäre Amine (z. B. Trimethylamin) oder Imidazol in Betracht. Des Weiteren auch elektrophile Substanzen, oder auch Cyanamid-Derivate wie z. B. Dicyandiamid.As a catalytic hardener come z. B. nucleophilic substances such. As tertiary amines (eg., Trimethylamine) or imidazole into consideration. Furthermore, electrophilic substances, or cyanamide derivatives such. B. dicyandiamide.
Abgesehen von dem Eintrag eines Härters kann hinsichtlich der Herstellung und Gestaltung des Halbzeuges ebenfalls vorteilhaft auf an sich bekannte Herstellungsverfahren bzw. Gestaltungen zurückgegriffen werden (z. B. Gewebe, Geflecht, Gelege, Vlies etc.). Das Halbzeug kann z. B. Glasfasern, Kohlenstofffasern, synthetische Kunststofffasern, Stahlfasern oder Naturfasern enthalten.Apart from the entry of a hardener can be used with regard to the production and design of the semifinished product also advantageously known per se manufacturing methods or designs (eg, tissue, mesh, scrim, fleece, etc.). The semi-finished can z. As glass fibers, carbon fibers, synthetic synthetic fibers, steel fibers or natural fibers.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Halbzeug aus mehreren gestapelten Lagen von flächigen Einzelhalbzeugen zusammengesetzt (z. B. „drapiert”) ist. In an sich bekannter Weise können bei einer derartigen Stapelung auch so genannte Binderlagen zwischen einander benachbarten Einzelhalbzeugen eingelegt werden, um eine besonders innige Verbindung im Helbzeug zu erzielen, was z. B. für vor oder nach dem Infiltrationsvorgang in eine bestimmte Form zu bringende Halbzeuge („Preforms”) von Vorteil ist.According to the invention, it is provided that the semifinished product is composed of a plurality of stacked layers of flat semi-finished products (eg "draped"). In a conventional manner, so-called binder layers between adjacent single semifinished products can be inserted in such a stacking to achieve a particularly intimate connection in Helbzeug what z. B. for before or after the infiltration process in a certain form to be brought semi-finished products ("preforms") is advantageous.
Da durch die vorliegende Erfindung der Zielkonflikt zwischen der Verarbeitungsdauer (durch Infiltrationswege bzw. Bauteilgröße) und Reaktivität (Aushärtezeit) erheblich entschärft oder sogar beseitigt ist, eignet sich die Erfindung insbesondere zur Herstellung von relativ großen Faserverbundbauteilen bzw. Vorformlingen („Preforms”) für solche Bauteile, etwa mit wenigstens einer linearen Ausdehnung von mehr als 1 m oder bei flächigen Bauteilen einer Bauteilfläche von mehr als 1 m2.Since the target conflict between the processing time (by infiltration paths or component size) and reactivity (hardening time) is significantly mitigated or even eliminated by the present invention, the invention is particularly suitable for the production of relatively large fiber composite components or preforms for such Components, for example with at least a linear extent of more than 1 m or in the case of flat components of a component area of more than 1 m 2 .
Mit der Erfindung wird erreicht, dass das Harz während des Infiltrationsvorganges zunächst relativ reaktionsträge ist und somit auch über weitere Strecken (längere Zeit) dem Halbzeug (z. B. Preform) zugeführt werden kann. Erst wenn das Harz mit der oder den Stellen des Halbzeuges in Kontakt kommt, an denen sich Härter befindet, wird die chemische Reaktion zum wenigstens teilweisen Aushärten (Vernetzung) angestoßen und/oder beschleunigt. In einem besonders einfachen Beispiel ist der Härter über das Volumen des Halbzeugs betrachtet gleichmäßig verteilt. Erfindungsgemäß ist jedoch vorgesehen, dass der Härter über das Volumen des Halbzeuges betrachtet ungleichmäßig verteilt angeordnet ist. Diese Maßnahme ist in zweierlei Hinsicht interessant:
Zum einen kann damit der Zeitaufwand für die Infiltration (und gegebenenfalls nachfolgende Formgebung des infiltrierten Halbzeuges, z. B. in einem Formwerkzeug) auf ein Optimum verringert werden. Hierfür können diejenigen Bereiche des Halbzeuges, welche während des Infiltrationsvorganges erst relativ spät von dem zufließenden Harz erreicht werden, mit einer höheren Konzentration (allgemein: wirksameren Zusammensetzung) des Härters versehen werden als diejenigen Stellen, mit denen das zufließende Harz früher in Kontakt tritt.With the invention it is achieved that during the infiltration process the resin is initially relatively unreactive and thus can also be supplied to the semifinished product (eg preform) over further distances (longer time). Only when the resin comes into contact with the location or points of the semifinished product where hardener is present, the chemical reaction for at least partial curing (crosslinking) is initiated and / or accelerated. In a particularly simple example, the hardener is evenly distributed over the volume of the semifinished product. According to the invention, however, it is provided that the hardener is arranged unevenly distributed over the volume of the semifinished product. This measure is interesting in two ways:
On the one hand, this can reduce the time required for the infiltration (and optionally subsequent shaping of the infiltrated semi-finished product, eg in a molding tool) to an optimum. For this purpose, those areas of the semi-finished product, which are reached relatively late in the infiltration process of the inflowing resin, with a higher concentration (in general: more effective composition) of the curing agent can be provided as those places with which the inflowing resin comes into contact earlier.
Zum anderen kann eine ungleichmäßige Verteilung des Härters auch dazu genutzt werden, in einem oder mehreren Bereichen ein Aushärten zu verzögern bzw. bei den vorgegebenen Infiltrationsbedingungen (Temperatur und Druck) praktisch ganz zu vermeiden. Diese nicht ausgehärteten Bereiche können sehr vorteilhaft bei einer anschließenden Weiterverarbeitung des Halbzeuges zur Anbindung eines weiteren Werkstoffbereiches genutzt werden (z. B. „Co-Bonding-Verfahren”). Die letztendlich vollständige Aushärtung kann in diesem Fall zu einem späteren Zeitpunkt z. B. thermisch bewirkt werden, etwa in einem ohnehin vorgesehenen separaten „Aushärteschritt”, bei welchem das infiltrierte Halbzeug einer Temperatur ausgesetzt wird, welche erheblich über der Infiltrationstemperatur liegen kann.On the other hand, an uneven distribution of the hardener can also be used to delay hardening in one or more areas or to avoid practically completely under the given infiltration conditions (temperature and pressure). These uncured areas can be used very advantageously in a subsequent further processing of the semifinished product for the connection of a further material area (eg "co-bonding method"). The final complete curing can in this case at a later date z. B. be effected thermally, for example in a separate "curing step" provided anyway, in which the infiltrated semi-finished product is exposed to a temperature which may be considerably higher than the infiltration temperature.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der ungleichmäßigen Härterverteilung ist vorgesehen, dass das Halbzeug wenigstens einen Bereich aufweist, der im Wesentlichen frei von dem Katalysator und/oder frei von dem Edukt ist. In diesem Bereich ergibt sich vorteilhaft eine maximale Reaktionsverzögerung bzw. Vermeidung der Aushärtung. Falls dies einer anschließenden Anbindung eines weiteren Werkstoffbereiches dient, so ist der Bereich in der Umgebung desjenigen Oberflächenbereiches des Halbzeuges vorzusehen, an welchem die Anbindung erfolgen soll. Die übrigen Halbzeugbereiche können hierbei z. B. einen gleichmäßig verteilten Härter aufweisen.In the embodiment according to the invention of the uneven distribution of hardener, it is provided that the semifinished product has at least one region which is essentially free of the catalyst and / or free of the educt. In this area, there is advantageously a maximum reaction delay or avoidance of curing. If this serves for a subsequent connection of a further material region, then the region in the vicinity of that surface region of the semifinished product is to be provided on which the connection is to take place. The remaining semifinished areas can here z. B. have a uniformly distributed hardener.
Wenn das Halbzeug, wie erfindungsgemäß vorgesehen, wenigstens einen Bereich aufweist, der im Wesentlichen frei von dem Katalysator und/oder frei von dem Edukt ist, so ist gemäß einer gegebenenfalls zweckmäßigen Weiterbildung vorgesehen, dass diese(r) Bereich(e) nach der Infiltration zunächst noch weiterbehandelt wird (werden). Als solche Weiterbehandlung ist z. B. denkbar, dass derartige Bereiche zunächst von dem infiltrierten Harz befreit werden (z. B. durch Auswaschen), und sodann erneut mit einem anderen Harz aufgefüllt werden (gegebenenfalls mit sogleich beigegebenem Härter). Dies kann z. B. im Rahmen eines „Co-Bonding”-Verfahrens geschehen, bei welchem ein weiterer Werkstoffbereich an das Halbzeug angeformt wird. Bei einem hierbei nachträglich eingebrachten (zweiten) Härter kann es sich z. B. um eine Substanz handeln, welche bei höheren Temperaturen oder einer anderen Form von Energieeinbringung aktiviert wird.If the semifinished product, as provided according to the invention, has at least one region which is substantially free of the catalyst and / or free of the educt, it is provided according to an optionally expedient development that this region (s) after infiltration initially will be treated further. As such further treatment is z. B. conceivable that such areas are first freed from the infiltrated resin (eg., By washing), and then refilled with another resin (optionally with immediately added hardener). This can be z. B. done in the context of a "co-bonding" process, in which a further material region is formed on the semifinished product. In this case subsequently introduced (second) hardener may be, for. B. is a substance which is activated at higher temperatures or another form of energy input.
Für die Einbringung des Härters in das im Rahmen der Erfindung verwendete textile Halbzeug ergeben sich vielfältige Möglichkeiten.For the introduction of the hardener in the textile semi-finished product used in the invention, there are many possibilities.
In einer Ausführung ist beispielsweise vorgesehen, dass das Halbzeug zunächst in an sich bekannter Weise hergestellt wird, etwa als mehrere jeweils flächige textile Halbzeuglagen, welche in geeigneter Weise (etwa unter Berücksichtigung einer gewünschten Faserart, Faserorientierung etc.) vor der Infiltration gestapelt werden, wobei diese einzelnen Halbzeuglagen und/oder der daraus gebildete Stapel sodann einer Weiterverarbeitung unterzogen wird, bei welcher der Härter hinzugefügt wird.In one embodiment, for example, it is provided that the semifinished product is first produced in a manner known per se, for example as a plurality of respective flat textile semifinished layers, which are stacked in a suitable manner (for example taking into account a desired type of fiber, fiber orientation, etc.) prior to infiltration, wherein these individual semi-finished layers and / or the stack formed therefrom is then subjected to a further processing in which the curing agent is added.
Der Härter kann z. B. in granularer Form (Pulver) oder auch in flüssiger bzw. pastöser Form zugegeben werden. Wenn einzelne Halbzeuglagen vor deren Stapelung jeweils mit dem Härter versehen werden, so besitzt dies den Vorteil, dass hinsichtlich der Art und/oder Konzentration des Härters unterschiedliche Einzellagen hergestellt werden können, und somit durch entsprechende Stapelung ein gewünschtes „Profil der Härterverteilung” im resultierenden Halbzeugstapel ausgebildet werden kann. Mit anderen Worten kann durch entsprechende Vorbehandlung der Einzellagen und geeignete Stapelung im Prinzip eine beliebige gewünschte Verteilung des Härters (dessen Art, Wirksamkeit, Konzentration etc.) im zu infiltrierenden Halbzeugstapel geschaffen werden.The hardener can z. B. in granular form (powder) or in liquid or pasty form may be added. If individual semi-finished layers are each provided with the hardener prior to their stacking, this has the advantage that different individual layers can be produced with regard to the type and / or concentration of the hardener, and thus by appropriate stacking a desired "profile of the hardener distribution" in the resulting semi-finished product stack can be trained. In other words, by appropriate pretreatment of the individual layers and suitable stacking in principle any desired distribution of the hardener (the type, effectiveness, concentration, etc.) to be infiltrated semi-finished products are created.
In einer sehr einfachen Ausführungsvariante werden noch unbehandelte (d. h. ohne Härter versehene) Halbzeuglagen auf einer Formoberfläche eines Infiltrationswerkzeuges gestapelt und hierbei sogleich mit dem Härter versehen, z. B. direkt bepulvert. Gewünschtenfalls kann die Menge der Bepulverung von Lage zu Lage variiert werden. Anstatt eines Pulvers könnte hierbei selbstverständlich auch ein flüssiger oder pastöser Härter auf jede Lage aufgebracht werden. Flüssige oder pastöse Härter, enthaltend einen Katalysator und/oder ein Edukt, können auch in verdünnter Konzentration auf die jeweiligen Lagen bzw. ein Lagenpaket aufgebracht werden.In a very simple embodiment variant, untreated (ie without hardener) semi-finished layers are stacked on a mold surface of an infiltration tool and immediately provided with the hardener, e.g. B. powdered directly. If desired, the amount of powdering can be varied from layer to layer. Of course, instead of a powder, it would also be possible to apply a liquid or pasty hardener to each layer. Liquid or pasty hardeners containing a catalyst and / or a starting material can also be applied in dilute concentration to the respective layers or a layer package.
Gemäß einer für eine gleichmäßige Härterverteilung geeigneten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die einzelnen Halbzeuglagen oder ein daraus als gebildetes Halbzeug insgesamt mit dem Härter versehen wird, z. B. besprüht wird oder in ein Bad mit dem Härter in flüssiger Form oder als Emulsion getaucht wird (gegebenenfalls mit nachfolgender Trocknung).According to a suitable variant for a uniform distribution of hardener is provided that the individual semi-finished layers or a semifinished product formed as a whole is provided with the hardener, z. B. is sprayed or dipped in a bath with the hardener in liquid form or as an emulsion (optionally with subsequent drying).
Falls das Halbzeug mit wenigstens einer so genannten „Binderlage” hergestellt wird, welche für eine gute Haftung zweier benachbarter Einzellagen sorgt, so kann der Härter auch als Bestandteil des verwendeten Binders vorgesehen sein. Mit der Integration einer oder mehrerer solcher Binderlagen kommt der Härter dann gewissermaßen „automatisch” in das Halbzeug. Jede Binderlage kann, wie an sich aus dem Stand der Technik bekannt, zur Schaffung oder Verbesserung einer Haftung zwischen einander benachbarten Einzellagen des Halbzeuges dienen, und kann bei der Erfindung einen wesentlichen Anteil eines Katalysators und/oder eines Eduktes der chemischen Reaktion enthalten. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Edukt (falls im Halbzeug vorhanden) im Wesentlichen vollständig in der bzw. den Binderlagen des Halbzeuges enthalten ist und/oder der Katalysator (falls im Halbzeug vorhanden) im Wesentlichen vollständig in der bzw. den Binderlagen des Halbzeuges enthalten ist. If the semifinished product is produced with at least one so-called "binder layer", which ensures good adhesion of two adjacent individual layers, the hardener may also be provided as part of the binder used. With the integration of one or more such binder layers, the hardener then comes to a certain extent "automatically" into the semifinished product. Each binder layer can, as is known in the art, serve to create or improve adhesion between adjacent individual layers of the semifinished product, and in the invention can contain a substantial proportion of a catalyst and / or an educt of the chemical reaction. In one embodiment, it is provided that the educt (if present in the semifinished product) is substantially completely contained in the binder layer (s) of the semifinished product and / or the catalyst (if present in the semifinished product) essentially completely in the binder layer (s) of the semifinished product is included.
In einer anderen Ausführung ist vorgesehen, dass bereits das zur Fertigung des Halbzeuges verwendete linienförmige Fasermaterial (Einzelfasern oder Roving) mit dem Härter versehen wird, insbesondere z. B. als Faserbeschichtung bzw. Rovingbeschichtung (oder infiltriert in das Roving). Zu diesem Zweck kann das Fasermaterial z. B. durch ein Tauchbad enthaltend den Härter gezogen (und gegebenenfalls nachfolgend getrocknet) werden, bevor es zur Fertigung des Halbzeuges weiterverarbeitet wird (z. B. durch Weben oder Flechten etc.). Mit dieser Ausführung lässt sich vorteilhaft eine sehr präzise Dosierung des Härters erzielen, sei es für ein vorbestimmtes „Härterprofil” im Halbzeug oder einer Halbzeuglage, oder sei es für eine äußerst gleichmäßige Verteilung des Härters über die gesamte Fläche des mit dem derart behandelten Fasermaterial hergestellten Halbzeuges.In another embodiment, it is provided that already used for the production of semi-finished linear fiber material (single fibers or roving) is provided with the hardener, in particular z. B. as a fiber coating or Rovingbeschichtung (or infiltrated into the roving). For this purpose, the fiber material z. B. by a dip containing the hardener (and optionally subsequently dried) before it is further processed for the production of semi-finished product (eg., By weaving or braiding, etc.). With this embodiment, it is advantageously possible to achieve a very precise metering of the hardener, be it for a predetermined "hardener profile" in the semifinished product or a semifinished product, or be it for an extremely even distribution of the hardener over the entire surface of the semifinished product produced with the fiber material treated in this way ,
Es soll nicht ausgeschlossen sein, dass die beiden vorstehend erläuterten Ausführungen, wonach der Härter dem bereits fertiggestellten Halbzeug (oder flächigen Lagen davon) zugegeben wird, oder bereits vor der Herstellung des Halbzeuges dem hierfür verwendeten linienförmigen Fasermaterial zugegeben wird, miteinander kombiniert werden.It should not be ruled out that the two embodiments explained above, according to which the hardener is added to the already finished semi-finished product (or laminar layers thereof), or is added to the line-shaped fibrous material used for this purpose before the semifinished product is produced, are combined with one another.
Hinsichtlich der Infiltration des Halbzeuges mit dem Harzsystem kann vorteilhaft auf an sich bekannte Verfahren zurückgegriffen werden (z. B. RTM, DP-RTM, VAP, VARI etc.). Die Infiltration und eine nachfolgende, zumindest teilweise Aushärtung (und gegebenenfalls Kompaktierung und/oder Formung) können z. B. in ein und demselben Werkzeug (bzw. Vakuumaufbau) durchgeführt werden.With regard to the infiltration of the semifinished product with the resin system, recourse may be had to processes which are known per se (for example RTM, DP-RTM, VAP, VARI etc.). The infiltration and a subsequent, at least partial curing (and optionally compaction and / or shaping) can, for. B. in one and the same tool (or vacuum) are performed.
Ein Unterschied zwischen derartigen an sich bekannten Infiltrationsverfahren und der bei der Erfindung vorgesehenen Infiltration besteht dann darin, dass das verwendete Halbzeug ein Mittel (Härter) enthält, welches den Aushärtprozess initiiert und/oder beschleunigt. Außerdem können bei der erfindungsgemäßen Gestaltung des Verfahrens vorteilhaft auch Harzsysteme mit einer an sich (z. B. bei Lagerungstemperatur) relativ hohen Viskosität verwendet werden, wobei die Infiltration dann bei einer relativ hohen Temperatur erfolgen sollte (zur Verringerung der Viskosität).A difference between such infiltration methods known per se and the infiltration provided for in the invention consists in the fact that the semi-finished product used contains an agent (hardener) which initiates and / or accelerates the curing process. In addition, resin systems having a relatively high viscosity per se (eg at storage temperature) can advantageously also be used in the design of the method according to the invention, wherein the infiltration should then take place at a relatively high temperature (to reduce the viscosity).
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass durch die Anwesenheit des Härters im Halbzeug der Aushärtungsgrad zum Zeitpunkt des Abschlusses des Infiltrationsvorganges bereits nach weniger als 60%, insbesondere weniger als 30% derjenigen Zeitspanne erreicht wird, welche ohne die Anwesenheit des Härters im Halbzeug hierfür erforderlich wäre (bei ansonsten gleichen Bedingungen).In one embodiment, it is provided that by the presence of the hardener in the semifinished the degree of cure at the time of completion of the infiltration already after less than 60%, especially less than 30% of that period is reached, which would be required for this without the presence of the hardener in the semifinished product (under otherwise identical conditions).
Das erfindungsgemäße textile Halbzeug enthält einen Härter umfassend einen Katalysator und/oder ein Edukt der chemischen Reaktion.The semifinished textile product according to the invention contains a hardener comprising a catalyst and / or an educt of the chemical reaction.
Soweit oben beschriebene Besonderheiten des Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes eine besondere Gestaltung des verwendeten Halbzeuges involvieren, so können diese Gestaltungen, einzeln oder in Kombination miteinander, als Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Halbzeuges vorgesehen sein.As far as the above-described special features of the method for producing a fiber composite material involve a special design of the semi-finished product used, these designs, individually or in combination with one another, can be provided as developments of the semifinished product according to the invention.
Diesbezüglich sei erwähnt, dass das erfindungsgemäße Halbzeug aus mehreren gestapelten Lagen von flächigen Einzelhalbzeugen zusammengesetzt ist, der Härter über das Volumen des Halbzeuges betrachtet ungleichmäßig verteilt angeordnet ist, und das Halbzeug wenigstens einen Bereich aufweist, der im Wesentlichen frei von dem Katalysator und/oder frei von dem Edukt ist.In this regard, it should be mentioned that the semifinished product according to the invention is composed of a plurality of stacked layers of flat semi-finished products, the hardener is arranged unevenly distributed over the volume of the semifinished product, and the semifinished product has at least one area substantially free of the catalyst and / or free of the educt is.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen jeweils schematisch dar:The invention will be further described by means of embodiments with reference to the accompanying drawings. They each represent schematically:
Die
Im dargestellten Beispiel ist das Halbzeug
Eine Besonderheit des Halbzeuges
Der Katalysator wirkt zur Initiierung und/oder Beschleunigung der chemischen Reaktion (Vernetzung), durch welche das zugeführte Harzsystem sich verfestigt (teilweise aushärtet), sobald es mit dem Katalysator in Kontakt kommt. Der Katalysator stellt einen „Härter” dar, welcher alternativ oder zusätzlich auch ein Edukt der betreffenden chemischen Reaktion (Komponente eines Reaktionsharzsystems) enthalten könnte.The catalyst acts to initiate and / or accelerate the chemical reaction (cross-linking) through which the supplied resin system solidifies (partially cures) as it contacts the catalyst. The catalyst is a "hardener" which, alternatively or additionally, could also contain an educt of the relevant chemical reaction (component of a reaction resin system).
Im dargestellten Beispiel besitzt der im Halbzeug
In
Die beiden in
In
Zur Infiltration des Harzsystems (vgl. Pfeile in
Optional kann das Harz auch mit einem erhöhten Druck an der Zuleitung
Die Evakuierung des Volumens, in welches das Harz einströmt, kann z. B. durch Abdeckung der Komponenten
Derartige Vakuuminfusionsverfahren sind als solche aus dem Stand der Technik sehr vielfältig bekannt und bedürfen daher an dieser Stelle keiner näheren Erläuterung. Lediglich beispielhaft sei hierzu auf die
Entlang des Verteilermediums
In
Der Volumenbereich des Halbzeuges
Mit dem beschriebenen Beispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes bzw. des hierfür verwendeten Halbzeuges
Beispielsweise kann mit einer geeigneten ungleichmäßigen Verteilung eines Katalysators im Volumen eines Halbzeuges
In einer Weiterbildung der vorstehend erläuterten ungleichmäßigen Verteilung des Härters über das Volumen des Halbzeuges ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens ein Bereich des Halbzeuges im Wesentlichen frei von dem Katalysator und/oder frei von dem Edukt ist. Eine derartige Weiterbildung ist in
Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Beispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Beispiele verwiesen.In the following description of further embodiments, the same reference numerals are used for equivalent components, each supplemented by a small letter to distinguish the embodiment. Essentially, only the differences to the example (s) already described are dealt with and, moreover, reference is hereby explicitly made to the description of previous examples.
Ein in
Es sei angenommen, dass das Halbzeug
Der Bereich
In diesem Werkzeug
Mit einem Herstellungsverfahren bzw. Halbzeug der mit den
Wie es oben bereits erwähnt wurde, können zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes prinzipiell alle herkömmlichen Halbzeuge herangezogen werden, die jedoch spätestens unmittelbar vor der Infiltration des Harzsystems mit einem Härter (Katalysator und/oder Edukt) ausgestattet werden.As has already been mentioned above, in principle all conventional semi-finished products can be used to carry out the method according to the invention for the production of a fiber composite material, but they are equipped with a hardener (catalyst and / or educt) at the latest immediately before the infiltration of the resin system.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die für die Erfindung wesentliche Integration eines Härters in das Halbzeug bereits bei dessen Herstellung zu berücksichtigen und den Härter bereits in diesem Stadium zu integrieren.Another possibility is to consider the essential for the invention integration of a hardener in the semi-finished product already during its production and to integrate the hardener already at this stage.
Die
Zuschnitte des flächigen Fasergebildes
Alternativ oder zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Beschichtung des linienförmigen Fasergebildes vor der Bildung des flächigen Halbzeuges kommt auch in Betracht, die Beschichtung des bereits in flächiger Form ausgebildeten Halbzeuges mit dem Härter vorzusehen, wie dies in
Zuschnitte des flächigen Fasergebildes
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