DE1479022A1

DE1479022A1 - Verfahren zur Herstellung von Wabenstrukturen-Bauteilen

Info

Publication number: DE1479022A1
Application number: DE19631479022
Authority: DE
Inventors: Catchpole Eric John
Original assignee: Ciba Geigy AG
Current assignee: Novartis AG
Priority date: 1962-06-28
Filing date: 1963-06-27
Publication date: 1969-04-30
Also published as: GB961785A; DE1479022B2; DE1479022C3; CH423499A; FR1362828A; SE300560B

Description

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Beschreibung
zu der Patentanmeldung

CIBA

Aktiengesellschaft
Basel / Schweiz

betreffend

Verfahren zur Herstellung von 7abenstrukturen-Bauteilen.

Konstruktionselemente mit einem leichten Innenteil oder Kern, verbunden mit einer Haut oder einer Außenschicht hoher Festigkeit nach der tegtnannten Verbundbauweise (sandwich construction) aind in der Luftfahrttechnik und anderen Industriezweigen von Bedeutung. Eine der üblichsten Formen des Innenteile bei derartigen Verbundbauteilen ist ein wabenartiges Material, beispielsweise aus Aluminium, Papier oder harzgetränkten Glasgeweben. Es ist wesentlich, daß eine sehr starke , leichte Klebeverbindung zwischen Kern und Haut besteht. Dies wurde bisher erreicht ,indem man eine Klebefolie zwischen Kern und Haut legte und die Haftung durch Erwärmen

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des ganzen unter Druck erreichte. Die Klebefolie kann gegebenenfalls zusammen mit einem flüssigen Grundlack (primer) auf dem Kern und/oder der Haut angewandt werden.

Um ein optimales Verhältnis Festigkeit : Gewicht in dem fertigen Produkt zu erhalten, ist es üblich, daß die Zellenachsen des wabenförmigen Kerns im wesentlichen senkrecht zu der Haut liegen, /uf diese Weise ist die offene Seite der 7abenstruktur auf die Haut gerichtet und es erfolgt die Verbindung zwischen Haut und den Kanton oder Rändern des dünnwandigen Materials, aus welchem der Kern hergestellt ist. Die Berührungsfläche von Haut und Kernmaterial ist somit im Verhältnis zu der Hautfläche sehr gering und aus diesem Grund muß die Verbindung so fest wie irgendmöglich sein.

Die Bindungsfestigkeit kann erhöht werden, wenn eine Randverstärkung oder-verdickung _t mit Klebstoff an jeder Berührungsstelle von Haut und Kernmaterial vorgesehen ist, da die Bindungsfläche sich dann über die Ränder des Kernmaterials bis auf die Zellenwände und teilweise über die innere Fläche der Haut erstreckt. Eine derartige Randverstärkung kann man erhalten, indem eine selbstverstärkende Klebefolie oder eine Klebefolie, welche nicht selbstverstärkend ist, zusammen

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mit einem flüssigen Grundlack, aufgebracht auf das Kernmaterial, angewandt wird.

Ein Nachteil dieser beiden Methoden liegt darin, daß das Klebestoffgewicht relativ hoch wird. So enthält z.B. eine Verbundbauweise mit einem 1,25 cm starken Kern aus 0,625 cm Zellen, aufgebaut aus einer 25 /u starken Aluminiumfolie, mit einer Haut aus Aluminiumlegierung einer Stärke von 0,3 mm, verbunden mit üblicher Klebefolie, normalerweise ca. 33 Gew.-% Klebemittel und sein Verhältnis Festigkeit : Gewicht ist daher sehr wesentlich herabgesetzt. Eine weitere Schwierigkeit mit selbstverstärkenden Klebefolien liegt darin, daß - um die selbetverstärkenden Eigenschaften zur v/irkung zu bringen - das Klebemittel unter einem geringen Druck bei der Härtetemperatur leicht verfließen kann. Diese Theologischen Forderung-^ führen zu einer schweren Einschränkung hinsichtlich der Rezeptur des Klebemittels, der Anwendbarkeit als Mittel für eine Metall-Metall-Bindung, seiner Dauerbewetterungseigenschaften und anderen Merkmalen sowie der chemischen Zusammensetzung. '

Für diese bekannten Verfahren ist es notwendig, das Klebemittel in der Fabrik (bonding work shop) aufzu bringen und zwar entweder als Flüssigkeit oder als

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Folie, die man entsprechend zuschneidet, auflegt und während des Härtens an Ort und Stelle hält.

Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet oder verringert ganz wesentlich diese Schwierigkeiten. Danach erhält man eine 7abenstruktur mit zwei Flächen in Form der offenen Seiten der Zellen, gebildet von den Randbereichen (edge section) der Zellen, welche ein hartes, nicht klebriges, nicht gehärtetes Klebemittel trägt und davon im wesentlichen abgeschlossen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Wabenstruktur-Bauelementen besteht nun darin, daiman einen flüssigen Klebstoff, d.h. entweder geschmolzen oder gelöst in einem flüchtigen Lösungsmittel, auf die Randbereiche der Zellen der 'Wabenstruktur aufbringt, das Klebemittel zu einem harten, nicht klebenden Überzug aus ungehärtetem Klebemittel durch Kühlen bzw. Abdampfen des Lösungsmittels fest v/erden läßt, diese Flächen auf die gewünschte Haut aufbringt und das ganze - um eine Haftung zwischen den Randbereichen und der Haut zu erreichen - 'Tärme und Druck aussetzt. "^rährend des Härten? verfließt das Klebemittel unter Bildung von Verstärkungen der Seitenflächen der Kantenbereiche gegen die inneren Flächen der Haut.

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Das Aufbringen des flüssigen Klebers geschieht entweder mit Valzen oder durch Tauchen und - wenn erforderlich - kann man mehrere Überzüge ssum Aufbau der gewünschten Hasse aufbringen. Nach dem Trocknen des Klebers kann man den Kern transportieren oder längere Zeit, die lediglich begrenzt ist durch die Lebensdauer des Klebemittels ,auf Lager legen, woraufhin dar Kern durch Anwendung von v/ärme und Druck mit den Deckplatten oder der Haut verbunden wird. Die Haut wurde vorbehandelt, wie dies für die übliche Verbindung erforderlich ist.

Der Kern aus Wabenstruktur und die Deckplatten oder die Haut bestehen vorzugsweise aus einer Metallfolie, z.B. Aluminiumfolie, Als Klebemittel werden folgende Kleber bevorzugt: ein Gemisch von Polyvinylformal oder Polyvinylbutyral mit einem Phenolformaldehyu harz, ein Epoxyharz, ein Gemisch eines Epoxyharzes oder Phenolformaldehydharzes mit einem löslichen, synthetischen, linearen Polyamid oder ein Gemisch eines Nitrilkautschuks mit einem Phenolformaldehydharz.

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Das erfindungagemäße Verfahren weist folgende wesentlichen Vorteile auf:

a) Gegenüber üblichen Klebefolien kann das Elebemittelgewicht drastisch herabgesetzt werden, so z.B. ist daa Klebemittelgewicht für obigen Fall auf 6$ ohne merkliche Verringerung der Bindefestigkeit herabzusetzen.

b) Die Herstellung von '/abenstrukturplatten wird vereinfacht, da es nicht erforderlich ist, das Klebemittel getrennt zu handhaben, den Kern in die entsprechende Form zu schneiden und ihn automatisch in geeignete Stellung zur aufzubringenden Haut anzuordnen und glcichaeitig das Klebemittel zuzuschneiden und entsprechend anzuordnen.

c) Eine gute Verstärkung wird sicher erreicht, da des Klebemittel auf die zu verstärkenden Stellen genau einstellbar aufgebracht wird; dieser Erfolg ist nicht gewährleistet, wenn eine selbstveretärkende Klebefolie angewandt wird, da die Bildung der Randverstärkung durch die Härtungsbedinguagen und örtliche Verunreir^· gungen-wie sie bei der Plattenherstellung in der Fabrik auftreten -kritisch beeinflußt wird. Ähnliche

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Überlegungen können angestellt werden, wenn eine nicht eelbetveratärkende Klebefolie zusammen mit einem flüssigen Grundlaok angewandt wird.

d) Während des Härtens steht der Kleber, der verfließen eoll - d.h. der obere Teil des Überzugs unter Druck und daher wird eine gute Verbindung mit der Haut gewährleistet.

e) In der Praxis ist die Auswahl an geeigneten Klebemitteln wesentlich größer, als bei selbstverstärkenden Klebern, und zwar wegen der hier nicht geforderten Theologischen Eigenschaften für die Verstärkungsbildung.

X) Das angewandte Klebemittel ist gering und daher kann das Tolumen an flüchtigen Substanzen, die während dee Härten* von beispielsweise Phenolharzen freigesetzt werden müssen, sehr gering gehalten werden; dadurch kann man einen dichten, d.h. nicht durchbrochenen Kern verwenden.

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Folgende Beispiele erläutern die Erfindung. Die Teile sind ,jeweils Gewichtsteile.

Beispiel 1

Eine Klebemittelzubereitung wurde hergestellt durch Lösen von 13 Teilen eines Polyvinylformaldehydharzes (Formvar Grade 15/95E der Firma Shawinigan Limited) in 70 Teilen Xthylendichlorid und Zusatz von 10 Teilen Phenolfornaldehydharz, welches man durch Eindampfen auf 90$ Feststoffgehalt eines Harzes entsprechend Beispiel 1 der britischen Patentschrift 765 466 erhalten hat.

Ein Stück (152,5 x 127»5 mm) eines "'/abenkerns, 19 mm stark, hergestellt aus 75 /U Aluminiumfolie mit einer Zellengröße von 6,35 mm, wurde 1,6 mm tief in die KlebstoffZubereitung getaucht, dann herausgenommen und der daran haftende Kleber an der Luft getrocknet. Die andere Seite des ^T7abenkernstücks wurde in ähnlicher ■7eise mit Klebemittel "behandelt und) konnte^ trocknen. Bas n. wurde ent- ^Ktr sprechend den Vorschriften des British Ministry of Aviation (Aircraft Process Specification DTD-915 B)

abgebeizt, mit 7asser gewaschen, getrocknet und dann mit dem vorbereiteten T7abenkernstück',30 Minuten lang durch Erwärmen auf 145 bis 15O⁰C unfek· einem Druck von

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¹»4 kg/cm verbunden.

Das verbundene Baumaterial wurde in Streifen von 38 mm Breite gesägt und diese auf einer Spannvorrichtung eingespannt. Die\Haut hob sich ab b^irn Biegen um einen Dorn von 10 cm Durchmesser. Die Tangentialkräfte, die die Abhebung deV Haut vom Vabenkern bewirkten, wurde dauernd (vonVeinem Hounsfield Tensometer) aufgezeichnet. Diei/.bheb-Bclastung wurde errechnet durch .Abzug der Kraft, die zum Biegen der abgehobenen Haut und zum Heben des Gegengev.dchts erforderlich war. Die Ergebnisse sind in folgender Tabelle zusammengestellt

/bhebe-Belastunr

Probe Nr.	Maximum	Minimum	Mittel
1	10,0 kg	5,3 kg	7,6 kg
2	8,9 "	5,0 "	6,9 "
3	10,0 "	4,5 »'	7,3 «
Durchschnitt	9,6 kg	4,9 kg	7,3 k_b

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Beispiel 2

Ein Verbundkörper, hergestellt nach Beispiel 1_r wurde mit einem 0,92 mm Aluminiumblech unter einem Bindedruck von 2,7 kg/cm hergestellt.

Um die Festigkeit des Verbundmaterials zu bestimmen wurde die Haut an jeder Seite eines 5 x 5 om Streifens mit einem ca. 35 mm dicken Hetairblock verbunden. Die Metallblöcke waren mit Bohrlöchern im wesentlichen im rechten Winkel versehen» so daß bei anschließendem Befestigen der Anordnung in einer Prüfvorrichtung sich die Probe in beiden dichtungen selbst ausrichten konnte. Die Spannung, die zum Trennen von Haut und Y/abenkern aufgebracht werden mußte, wurde bestimmt, indem senkrecht zu der Bindungsebene eine immer größer werdende Zugspannung angelegt wurde. Die Festigkeit von vier Parallelproben ergab sich mit 28,8 , 29,1 , 27,8 und 24,2 kg/cm².

Zum Vergleich wurde eine Seite einer Polyäthylenfolie (facing sheet)mit dem oben beschriebenen Phenolformaldehydharz versehen und sofort danach, jedoch bevor der aufgebrachte Film spoiit^u- zu. l'ropfon snsammen "l:\ef.. wurde pulverförmiges Polyvinylformal, entsprechend Bei-

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spiel 1 der britischen Patentschrift 765 466, auf gestreut. Die aufgebrachte Harz- und Pudermenge war derart, daß auf der Platte ein Überzugsgewicht von ca. 1,7 bis 1,9 g/dm² vorlag.

In ähnlicher !Yeise wurde mit einer zweiten Polyäthylenplatte vorgegangen. Ein Glasfasergewebe (O.S. 7/B iieinwandbindung ,British Ministry of Aviation, Specification DTD-5158) wurde zwischen zwei überzogene Polyäthylenplatten angeordnet und das Ganze durch Heißkalendern verbunden. Danach wurden die beiden Kunststoffplatten abgehoben und die Klebstofffolie mit uingebettetem Glasfasergewebe auf die /luminium- bleohe aufgebracht, diese über jede Seite eines Wabenkerns gelegt und das Ganze durch Erwärmen auf 145 br.s 150⁰G während 30 Hinuten und unter einem Druck von 3»5 kg/cm verbunden.

Die Festigkeit von 4 Parallelproben konnte wie oben bestimmt werden und zwar ergab sich eine Festigkeit von 17»3 , 15»2 , 16,8 und 16,8 kg/cm², ent-

sprechend einem Durchschnittswert von 16,5 kg/ cm .

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Beispiel 3

Es wurde ein Phenolformaldehydharz hergestellt, indem 560 Teile 80%iges Phenol, 560 Teile einer wässrigen, 37#igen Formaldehydlösung und 2121 Teile Natriumhydroxyd ca, 80 Minuten unter Rückfluß gekocht wurden. Das Wasser wurde dann aus dem Produkt abdestilliert und dieses mit verdünntem, denaturiertem /lkohol auf einen Peststoffgehalt von 43$ gebracht. 200 Teile dieses verdünnten -Harzes wurden mit 568 Teilen vergaltem Alkohol und 172 Teilen eines Polyvinylbutyrals ("Butvar B 90" der Firma Shawiningfcnlimited) gemischt.

Ee wurde eino Probe eines 7abenkerns aus /luminiuir folie 0,05 mm mit einer Tabengröße von 6,35 mm in diu KlebstoffZubereitung 1,58 mm tief eingetaucht, dann herausgenommen und der daran haftende Kleber an der Luft getrocknet. Das Tauchen und Trocknen wurde einig Male wiederholt und die entgegengesetzte Seite auf die gleiche Weise behandelt, /uf den so vorbereiteten 7abenkern wurdendurch Erhitzen auf 15O⁰O während 30 Minuten unter einem Druck von 2,8 kg/cm die .Aluminiumbleche gebunden, und zwar aus einer Legierung L.72 mit einer Blechstärke von 0,46 mm, vorbereitet entsprechend Beispiel 1, jedoch vor dem /bbeizen zur Entfettung mit Trichloräthylendampf behandelt.

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Das Verbundmaterial wurde in 7,62 cm breite Streifen gesägt und die /bhebefestigkeit in einer PrüfVQrriclitung entsprechend /STM D 1781-60T bestimmt. Man erhielt folgende Resultate.

Nr. des Tauchens

Klebstoff gewicht .'bhebefestigkeit je Fläche in g/dm (Mittel aus 3 Proben

Streifenbreite , 76,2 mm in kg*cm

2 3 4 5 6

0,108

0,HO

0,182

0,22

0,273

3,68 11,4 18,2 23,2 23,9

Beispiel 4

In ähnlicher Weise wurden drei Proben des Wabenkerns aus Beispiel 3 in eine alkoholische Lösung von Phenolforsaildehydharz des Beispiels 3 getaucht.

Die Probe A wurde sofort in Polyvinylformal-Pulver des Beispiels 1 getaucht und dann an der Luft getrocknet.

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Probe B wurde zuerst wie Probe Λ behandelt und anschließend in der alkoholischen Lösung von Phenolformaldehydharz entsprechend Beispiel 3 getaucht und an der Luft getrocknet.

Probe C wurde behancfc It entsprechend Probe B und anschließend in das Polyvinylformalpulver nochmals getaucht und an der Luft getrocknet.

Die Verbindung der Kerne mit den Alurainiurablechen geschah entsprechend Beispiel 3. Man erhielt bei der Prüfung der /bheb-Pestigkeit an Streifen mit einer Breite v©n 76,2 mm folgende Ergebnisse:

Probe Klebstoffgewicht je /bhebe-Festigkelt (Mittel

Fläche in g/dm aus 3 Proben; Streifenbreite

76,2 mm in k£f# om

A	1,04
B	. 1,38
C	1,62

6,1 • 4,8 13,7

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- 15 Beispiel 5

100 Teile eines löslichen ,synthetischen Polyamids mit IKHydroxymethyl-Gruppen ("Zytel 61" der Firma du Pont), 35 Teile Resorzindiglycidyläther und 4 Teile Dicyandiamid wurden in genügend 3:1 Hischung von Methanol und Trichloräthylen gelöst, so daß man eine Lösung mit einem Feststoff gehalt von 30$ erhielt,

Wabenkernproben aus Beispiel 3 wurden in diese Lösung getaucht und in entsprechender Weise /luminiumfolien aufgebracht und das Ganze 60 Minuten lang bei 180⁰C unter einem Druck von 2,8 kg/cm² gehalten. Man erhielt an Streifen von 76,2 mm Breite folgende Werte für die .Abhebe-Festigkeit:

Nr. des Tauchens

Klebstoffgewicht _P /bhebe-Festigkeit je Fläche in g/dm (Mittel aus 3 !Proben) Streifenbreite 76,2 mm in kg/cm

2 3 4

0,54	28,8
1,08	61,0
1,5 .	78,2
1,94	93,3

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Beispiel 6

Ein Kleber wurde hergestellt> indem 100 Teile eines Epoxyharzes, erhalten durch Umsetzung' von 2,2-bie-(p-Hydroxyphenyi)?ropan und Epichlorhydrin im alkalischen Medium mit einem Epoxywert von 2,2 bis 2,6 Äquivalent und einem Schmolzpunkt von ca. 6O⁰G mit 33 Teilen Hexahydrophthalsiureanhydrid und 2 Teilen Benzyldimethylammoniunphenolat als Beschleuniger zusammengeschmolzen wurden.

Proben des 'fabenkernes entsprechend Beispiel 3 wurden in den geschmolzenen'Kleber - wie oben beschrieben - getaucht und mit den ,'.luminiumfolien durch Erhitzen auf 150⁰O während 30 Minuten unter einem Druck von 2,8 kg/cm verbunden. Bei der Prüfung auf die JVbhebefestigkeit an 76,2 mm Streifen erhielt man folgende Werte:

nr. des Tauchens Klebstoffgewicht ρ Abhebe-Festigkeit

je Fläche in g/dm (Mittel aus 3 Proben) Streifenbreite 76,2 mm in kg.cm

1,3

2,9

11,7 22,3

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Beispiel 7

Zu 75 Teilen wasserfreiem Phenolformaldehydharz aus Beispiel 3 wurden 5 Teile Hexamethylentetramin, 0,5 Teile Fatriumhydroxyd und 25 Teile denaturierter Alkohol zugesetzt» 44»8 Teile dieser Lösung wurden versetzt mit 200 Teilen eines löslichen, synthetischen, linearen Polyamids ("Zytel 61")» gelöst in genügend Mischung Methanol-Toluol 3s1» um eine Lösung mit einem "Feststoffgehalt von 28$ zu liefern.

Proben der Wabenstruktur entsprechend Beispiel 3 wurden 2 mal in den warmen Kleber getaucht und die Aluminiumbleche in der Wärme, d.h. durch Erhitzen auf 150⁰C während 30 Minuten, unter einem Druck von 2,8 kg/cm und dann 60 Minuten bei einer Temperatur von 180⁰C darauf gebunden. Die Klebstoffmenge, welche an dem Kern haftete, betrug pro Fläche 2 g/dm . Es wurde eine .'bhebefestigkeit im Mittel aus 3 Proben von

62.1 kg . cm bei einer Streifenbreite von 76,2 mm gemessen.

Man erhielt eine geringfügig höhere Abhebefestigkeit und zwar von 66,7 kg · cm bei einer Streifenbreite von

76.2 mm, wenn man die Aluminiumbleche vor dem Verbinden mit dem Kern ebenfalls in die Klebemittelzubereitung

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tauoht. Die an den Aluminiumblechen haftende Klebermenge war pro Fläche 0,28 g/da ·

Beispiel 8

Proben der Wabenkerne entsprechend Beispiel 3 wurden 6 mal in eine Lösung eines Genisches von Nitrilkautsch.uk und Phenolharz in Methyläthylketon - wie man sie unter der Bezeichnung " Metilbond 4021 Primer" der Firma Narmco Division of the Terry Computing Corporation erhält - getaucht. Das Gewicht des haftenden, an der Luft getrockneten Klebers betrug

Ί8»4 g/dra . Dieselbe Lösung wurde auch auf die Aluminiumbleche gestrichen, so daß luftgetroakneter Kleber in

einer Menge von 0,21 g/dm darauf haftete. Die Bindung wurde erreicht durch Erwärmen auf 177⁰G während 60 Mi-

nuten und bei einem Druck von 2,8 kg/cn , wodurch die Proben eine /bhebefestigkeit von 5*8 kg.cm "bei einer Bandbreite von 76,2 mm zeigten·

Patentansprüche

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Claims

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1. Verfahren zur Herstellung von Verbundelementen

mit Wabenstruktur, dadurch gekennzeichnet , daß man an die Raridbereiche der !lachen des Wabenstrukturkerns ein flüssiges Klebemittel aufbringt, dieses zu einem harten, nicht klebrigen Überzug aus ungehärtetem Kleber verfestigen läßt, die Flächen des Wabenstrukturkerns auf eine Folie oder Haut aufbringt und das Ganze zur Erreichung der Haftung Wärme und Druck aussetzt.

2. Verfahren nach /nspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wabenkern und Haut aus Metallfolien bestehen.

3» Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß man als Klebemittel ein Gemisch von Polyvinylformal oder Polyvinylbutyral mit einem Phenolformaldehydharz, ein Epoxyharz, ein Gemisch eines Epoxyharzes oder eines Phenolformaldehydharzes mit einem löslichen, synthetischen, linearen Polyamid oder ein Gemisch eines Nitrilkautschuks mit einem Phenolformaldehydharz verwendet.

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4. Wabenetrukturkern mit 2 Flächen in Form der offenen Seite der Waben, gekennzeichnet durch einen harten, nicht klebrigen Überzug eines nioht gehärteten Klebemittels an den Randbereichen der Wabenstruktur·

5. Wabenstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer Metallfolie besteht,

6» Wabenstruktur nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet , daß der Kleber ein Gemisch von Polyvinylforoal oder Polyvinylbutyral mit einem Phenolformaldehydharz, ein Epoxyharz, ein Gemisch eines Epoxyharzes oder eines Phenolformaldehydharzes mit einem löslichen, synthetischen, linearen Polyamid oder ein Gemisch eines Hitrilkautschuks mit einem Phenolformaldehydharz ist.

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