DE3885717T2 - Werkzeug und Verfahren zum Formen von komplexen Gegenständen aus Verbundwerkstoff. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein halbstarres Werkzeug zum Formen eines komplexen Verbundgegenstandes gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und auf ein Verfahren zum Formen eines komplexen Verbundgegenstandes unter Verwendung eines halbstarren Werkzeuges.
• Die Erfindung bezieht sich auf das Formen von Verbundstoffen und insbesondere auf die Formungswerkzeuge und Verfahren zum Formen von integralen Verbundgegenständen, die ein gemeinsames Aushärten mit separat geformten Detailgebilden verlangen.
• Es gibt verschiedene Verfahren zum Formen von Verbundstoffen. Ein Verfahren beinhaltet zusammengesetzte metallische Formwerkzeuge, bei dem zwei Hälften eines Formwerkzeuges zusammengepreßt und (zum Aushärten) erhitzt werden, um einen Gegenstand zu bilden. Das kann zwar ein sehr genaues Verfahren sein, die Fertigungskosten der zusammengesetzten metallischen Formen sind jedoch sehr hoch und machen das Verfahren für kleine Produktionsläufe unwirtschaftlich. Darüber hinaus können geringfügige Ungenauigkeiten im Aufbau große Variationen in den Eigenschaften des ausgehärten Verbundstoffes verursachen. Ein weiteres Verfahren, das weitverbreitete Verwendung gefunden hat, ist das Vakuum- Gummisackformverfahren. Ein dünner Film, üblicherweise Nylon, wird über dem zu formenden Gegenstand angeordnet, wobei eine sackartige Hülle gebildet wird, und an dem Sack wird ein Vakuum aufgebaut, bevor die Gesamtanordnung erhitzt wird, um das Verbundmaterial auszuhärten. Für Material hoher Qualität wird die Gesamtanordnung in einen Autoklaven eingebracht, und äußerer Druck wird während des Härtens ausgeübt. Das Vakuum-Gummisackformverfahren verursacht zwar geringere Kosten und ist für Materialvariationen oder Aufbauungenauigkeiten toleranter als das Verfahren mit zusammengesetztem metallischen Formwerkzeug, die Säcke neigen jedoch zur Faltenbildung und bewirken, daß der geformte Gegenstand eine ungleichmäßige Oberfläche hat. Außerdem, der Vakuum-Sack kann an hohen Punkten in dem Aufbau und an Stegen hängen bleiben oder nicht mit der gesamten Oberfläche in Kontakt kommen. Brückenbildung führt entweder zu nicht richtiger Verdichtung oder zur Dehnung des Sackes über seine Elastizitätsgrenze hinaus, was dazu führt, daß der Sack versagt. In jedem Fall werden die Eigenschaften des ausgehärteten Materiales verschlechtert. Schließlich, das Aufbringen der Säcke auf die Verbundgegenstände und das Verschließen derselben sind mit einem großen Ausmaß an Arbeit verbunden, und die Säcke können nur einmal benutzt werden.
• Ein anderer Typ von Vakuum-Sack besteht aus Silikongummi, entweder verstärkt oder unverstärkt. Dieser Sack ist zwar zur Wiederverwendung vorgesehen, die Silikonmaterialien tendieren jedoch dazu, mit den Härtemitteln in Wechselwirkung zu treten, die in den Verbundstoffen benutzt werden, und sie werden spröde. Das führt zu relativ kurzer Lebensdauer.
• Demgemäß ist in der Technik ständig nach einem wiederverwendbaren Formwerkzeugmaterial gesucht worden, das flexibel genug ist, um sich der Teiloberfläche anzupassen und gleichmäßigen Härtedruck zu liefern, und doch robust genug ist, die Beanspruchungen der Materialhandhabung und der chemischen Wechselwirkung mit dem Härteharz auszuhalten.
• Beim Formen von integralen, komplexen Verbundgebilden, die ein gemeinsames Aushärten von zuvor hergestellten detaillierten Gebilden wie Konstruktionsteilen oder Streben verlangen, ergeben sich Probleme beim Festlegen der Details auf den Verbundplatten und beim Verhindern von Bewegung während der Verdichtung und Aushärtung. Im allgemeinen wird ein Verbundmaterial, üblicherweise ein vorimprägniertes Fasergewebe oder Band in Plattenform, in ein Negativ-Werkzeug eingelegt, und die Details werden auf dem Plattenmaterial von Hand positioniert. Die Details können körperliche Gebilde wie Blöcke und Stege, Klebstoffe oder andere Einrichtungen verlangen, um die Details an ihrem Platz zu halten. Ein flexibler Sack wird dann sorgfältig über das Formwerkzeug gelegt und mit Vakuum niedergezogen, um die Lagen zum Formen zu verdichten und festzuhalten. Es ist sehr schwierig, die Details festzulegen, denn es sind Lehren und Handimessungen erforderlich, um die richtige Positionierung zu gewährleisten. Es ist außerdem schwierig, Bewegung während des Hinzufügens des Sackes und des Handhabens des Formwerkzeuges zu verhindern, was im allgemeinen zu einer unakzeptablen Reproduzierbarkeit von Teil zu Teil führt. Infolgedessen werden Details üblicherweise an dem Gegenstand nach dem Formen unter Verwendung von die Haut durchdringenden Befestigungselementen befestigt.
• Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein halbstarres Werkzeug und ein Verfahren zum Formen von äußerst komplexen integralen Teilen mit präzise festgelegten Detailgebilden zu schaffen.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das halbstarre Werkzeug gemäß Anspruch 1 und durch die Verfahren gemäß den Ansprüchen 3 und 4 gelöst.
• Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Die US-A-4 009 067 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils, das entgegengesetzte Seiten hat, die aus vorgeformten Platten aus thermoplastischem Material hergestellt werden, wobei Verstärkungsmaterial, das Fasern und warmaushärtendes Harz in unausgehärtetem Zustand umfaßt, auf die Innenseite von einer der vorgeformten Platten aufgelegt wird. Die beiden vorgeformten Platten werden zusammengefügt, wobei das Verstärkungsmaterial zwischen ihnen zu liegen kommt. Die Ränder der vorgeformten Platten werden verschlossen, und es wird ein Vakuum aufgebaut. Dem Harz wird dann gestattet auszuhärten, damit Harz und Fasern miteinander und mit den vorgeformten thermoplastischen Platten verbunden und zu einem integralen Bestandteil des Bauteiles werden.
• Die US-A-4 622 091 beschreibt ein Verfahren zum Erzeugen von Gebilden, die aus faserverstärkten Harz-Verbundstoff- Lagen, welche durch ein ausgehärtetes Harz miteinander verbunden sind, geformt werden. Getrocknete Lagen werden übereinandergestapelt, um einen trockenen Vorformling zu bilden. Anschließend werden Schichten von flüssigen oder festen Harzen hinzugefügt, und der Vorformling und die Harzschichten werden beide auf einem Formungswerkzeug angeordnet und in eine Hülle eingeschlossen. Das Verbundgebilde wird dann erhitzt, wobei das Harz dazu gebracht wird, in den trockenen Vorformling zu fließen.
• Die Erfindung ist auf ein Verfahren zum Herstellen eines flexiblen Verbundwerkzeuges, das insbesondere zum Verbundformen geeignet ist, und auf das resultierende Werkzeug gerichtet, wobei das Werkzeug wiederverwendbar ist. Das Verfahren beinhaltet Auflösen von B-Stadium-Fluorelastomer in einem geeigneten Lösungsmittel, um eine Fluorelastomerlösung zu bilden. Ein Gewebe wird dann mit der Fluorelastomerlösung überzogen. Das Lösungsmittel wird verdampft, und das überzogene Gewebe wird zwischen zwei unverstärkten Platten kalandriert oder gewalzt, um ein verstärktes Formungswerkzeugmaterial zu bilden. Das verstärkte Formungswerkzeugmaterial wird auf ein Modell der gewünschten Form aufgelegt und ausgehärtet, um ein Verbundwerkzeug zu bilden, das in einer Vielzahl von thermischen und chemischen Zyklen stabil ist.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf das Formen von Verbundgegenstände unter Verwendung des beschriebenen wiederverwendbaren Werkzeuges. Prepregs oder faserverstärkte Polymerplatten werden auf das wiederverwendbare Werkzeug aufgelegt. Druck und Wärme werden ausgeübt, um das Prepreg oder die Platten auszuhärten um den Verbundgegenstand zu bilden. Der Verbundgegenstand wird entfernt, und das Werkzeug ist zur Wiederwendung bereit. Es wird geschätzt, daß das Werkzeug wenigstens 50 - 100 Zyklen aushalten wird (statt dem 1 Zyklus bei herkömmlichen Vakuum- Gummisäcken), und, für den Fall, daß das Werkzeug beschädigt wird, ist ein Verfahren zum Reparieren des beschädigten Teiles beschrieben, um die Lebensdauer des Werkzeuges weiter zu verlängern.
• Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung bezieht sich auf das Herstellen eines halbstarren Werkzeuges zum Formen eines komplexen Verbundgegenstandes, wobei separat geformte Detailgebilde auf dem Gegenstand zum gemeinsamen Aushärten mit demselben akkurat angeordnet werden. Das halbstarre Werkzeug umfaßt eine elastomere Schicht, die in eine Form gebracht wird, welche der Form des Gegenstandes im wesentlichen angepaßt ist, wodurch ein Hohlraum und jedes Detailgebilde gebildet werden. Das Werkzeug umfaßt weiter wenigsten eine zusätzliche Schicht aus verstärktem Elastomer, das um jeden Hohlraum plaziert ist, wobei die zusätzliche Verstärkung die Steifigkeit der Elastomerschicht um den Detailhohlraum erhöht und Bewegen oder Verschieben des Details während der Verarbeitung verhindert. Die Hohlräume, die gebildet werden, um sie den separat geformten Details anzupassen, bilden Taschen, die so geformt sind, daß sie die Plazierung des Details in dem Werkzeug vor dem Formen zulassen. Das gewährleistet die richtige Ausrichtung der Details ohne körperliche Gebilde oder aufwendigen Aufbau von Hand.
• In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren offenbart zum Formen eines komplexen Verbundgegenstandes, welches das akkurate Einbauen von separat geformten Gebilden in den Verbundgegenstand verlangt. Das Verfahren beinhaltet Bereitstellen eines Werkzeuges, welches eine halbstarre Werkzeughälfte umfaßt, die aus einer Elastomerschicht besteht, welche in eine Form gebracht wird, die der Form des Gegenstandes im wesentlichen angepaßt ist, wodurch ein Hohlraum um jedes Detailgebilde gebildet wird. Die Werkzeughälfte umfaßt weiter wenigstens eine zusätzliche Schicht aus einem verstärkten Elastomer, das um jeden Hohlraum plaziert wird, wobei die zusätzliche Verstärkung die Steifigkeit des Elastomers um das Gebilde erhöht und Bewegen oder Verschieben des Gebildes während der Verarbeitung verhindert. Das fertige Werkzeug umfaßt außerdem eine starre Werkzeughälfte, die so geformt wird, daß sie der halbstarren Hälfte angepaßt ist. Die nächsten Schritte beinhalten Auflegen eines Verbundmateriales auf die starre Werkzeughälfte, Einführen der separat geformten Gebilde in die Hohlräume des halbstarren Werkzeuges, Zusammensetzen der beiden Werkzeughälften und Verarbeiten, um den fertigen Gegenstand zu bilden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt das halbstarre Werkzeug eine Fluorelastomerplatte, die mit Polyamidgewebe imprägniert ist, das sandwichartig zwischen unverstärkten Fluorelastomerplatten angeordnet ist, wobei die Platten zu einer Form aufgebaut werden, um sie einem fertigen Gegenstand anzupassen, und dann ausgehärtet werden. Das Werkzeug umfaßt weiter wenigstens eine Schicht aus verstärktem Fluorelastomer, die um jeden Detailhohlraum angeordnet ist, um Verschieben der Details während des Formens zu verhindern.
• Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der folgenden Beschreibung derselben deutlich werden.
• Fig. 1 ist eine Darstellung eines fertigen Gegenstandes, der integral geformte Streben und Halter aufweist.
• Fig. 2 ist eine illustrative Ansicht eines typischen halbstarren Elastomerwerkzeuges, das Hohlräume zum Aufnehmen von Detailgebilden aufweist.
• Fig. 3 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines typischen Detailhohlraumes, der eine zusätzliche Verstärkung hat.
• Fig. 4 ist eine Vorderansicht eines vollständigen zusammengesetzten Werkzeuges.
• Fig. 5 ist eine Seitenansicht eines zusammengesetzten Werkzeuges, von dem der Stützbalken entfernt worden ist.
• Fig. 6 ist eine Vorderansicht einer starren Werkzeughälfte.
• Die Fluorelastomerlösung, die bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung benutzt wird, beinhaltet ein B-Stadium- Fluorelastomer und ein geeignetes Lösungsmittel. Mit "B- Stadium-Fluorelastomer" ist ein Fluorelastomer gemeint, das teilweise ausgehärtet worden ist und in seinen Ketten verlängert werden kann, aber nicht vernetzt ist. Ein B-Stadium-Fluorelastomer ist fließfähig und dehnbar, aber nicht klebrig.
• Das Fluorelastomer wird aus Fluorelastomerharz, Kettenverlängerern, reaktiven und/oder nichtreaktiven Füllstoffen und Härtemitteln, die reagieren werden, wenn die Temperatur der Masse erhöht wird, hergestellt. Fluorelastomere werden wegen ihrer Inertheit und hohen Gebrauchstemperaturen bevorzugt. Inertheit wird bei dem Formungsprozeß bevorzugt, um die Reaktion zwischen dem Harz, das geformt wird, und dem Formungswerkzeugmaterial zu reduzieren. Fluorelastomere werden auch bevorzugt, weil sie dazu tendieren, höhere Gebrauchtstemperaturen als ihre analogen Brom- oder Chlormaterialien zu haben. Am bevorzugsten sind Fluorelastomere, die einen Gummi mit einer Härte von etwa 70 Durometern bis etwas 80 Durometern erzeugen, und zwar wegen ihres vorgesehenen Verwendungszwecks als ein flexibles Werkzeug. Es wird angenommen, daß irgendwelche halogenierten Elastomere, Fluorsilikonelastomere oder Fluorphosphazenelastomere bei der Ausführung dieser Erfindung benutzt werden könnten. Exemplarische Materialien sind das Fluorelastomer Fluorel, das von der 3M Company, St. Paul, Minnesota, geliefert wird, und als Fluorelastomer Viton, das von E. I. DuPont DeNemours Corporation, Wilmington, DE, hergestellt wird.
• Ein geeignetes Lösungsmittel muß gewählt werden. Das Lösungsmittel muß das Fluorelastomer vollständig auflösen, was bedeutet, daß es keine Fluorelastomerausscheidung gibt und daß Polymere höheren Gewichtes nicht unaufgelöst gelassen werden. Methylethylketon (2-Butanon) und Toluol (Methylbenzol) sind bevorzugte Lösungsmittel, typisch kann aber irgendein Alkylaromatlösungsmittel ebenfalls genutzt werden. Typisch werden etwas 80 Vol.% bis etwa 99 Vol.% Lösungsmittel benutzt. Vorzugsweise enthält die Fluorelastomerlösung etwa 90 Vol.% bis etwa 95 Vol.% Lösungsmittel. Wenn zu wenig Lösungsmittel benutzt wird, dann ist die Lösung zu viskos und wird die Fasern nicht richtig imprägnieren, während, wenn zu viel Lösungsmittel benutzt wird, dann sehr wenig Fluorelastomer in die Fasern eindringt und mehr Imprägnierungszyklen erforderlich sind. Das Lösungsmittel dient zwei Funktionen. Es löst das Fluorelastomer auf und gestattet die Imprägnierung und außerdem wäscht es jedwede Reste des Reinigungsprozesses von der Faser ab. Ohne die letzte Reinigungswirkung des Lösungsmittels kann das Fluorelastomer nicht an der Faser haften.
• Typisch beinhaltet die Fluorelastomermasse, die benutzt wird, Fluorelastomerharz und mehrere Zusätze, bei denen es sich um Mittel (wie Dicyanamid oder Bisphenol A), Füllstoffe (wie Ruß) oder Spülmittel (wie Magnesiumoxid oder Calciumoxid) handeln kann.
• Polyaramidfaser wie Kevlar-Faser, im Handel erhältlich von E. I. DuPont DeNemours, Wilmington, DE, und anderen Gesellschaften, ist die bevorzugte Faser zur Verwendung bei der Erfindung. Andere Fasern könnten jedoch ebenfalls benutzt werden, wie zum Beispiel Graphit oder Glasfasern. Polyaramidfasern werden wegen ihrer hohen Reißfestigkeit bevorzugt. Polyaramidfasern sind auch eine gute Wahl wegen ihrer hohen Zugfestigkeit einschließlich Festigkeit und Elastizitätsmodul.
• Typisch wird die Fluorelastomerlösung als Überzug auf ein Gewebe aufgebracht, bei dem es sich um eine Vielzahl von verwobenen Bündeln aus Fasern handelt. Typisch bei diesem Verwendungszweck umfaßt jedes Bündel 6000 Fasern. Typische Gewebe, die für diesen Zweck benutzt werden, haben zwischen 4 und 6 Bündeln pro cm (10 und 15 Bündel pro Zoll) in Richtung von Kette und Schuß. Ein exemplarisches Gewebe ist Style 354 von der Clarkschwebel Textile Company, bei dem es sich um ein symmetrisches Korbgewebematerial mit 5 Bündeln pro cm (13 Bündel pro Zoll) in beiden Richtungen handelt. Verschiedenerlei Arten von Gewebe und Garne mit verschiedenen Denier-Werten können benutzt werden. Das Gewebe hat normalerweise ungefähr dieselbe Festigkeit in Richtung von Kette und Schuß (parallel zu den orthogonalen Faserachsen), obgleich andere Gewebe benutzt werden können. Die Dehnung des Materiales ist in Richtung von Kette und Schuß sehr gering, in den schrägen Richtungen aber hoch.
• Bei diesem Verfahren gewähltes Gewebe wird mit der Fluorelastomerlösung imprägniert. Bei dem Imprägnierungsprozeß kann die Fluorelastomerlösung auf das Gewebe auf verschiedenerlei Weise aufgebracht werden. Zum Beispiel, die Fluorelastomerlösung kann auf das Gewebe mit einem Gerät aufgebürstet werden, das einem Farbpinsel gleicht, oder es könnte eine Reihe von Walzen benutzt werden, um das Gewebe durch einen Bottich zu ziehen und das Gewebe mit der Fluorelastomerlösung zu überziehen. Andere Methoden, die benutzt werden könnten, um das Gewebe zu imprägnieren, könnten Druckimprägnierung beinhalten, wobei eine Reihe von Düsen benutzt werden könnte, um die Lösung in und durch das Gewebe zu drücken. Ein weiteres Verfahren, das bei einer viskoseren Lösung funktionieren würde, würde darin bestehen, eine Rakel zu benutzen, um das Material in gleichmäßiger Dicke aufzutragen, und eine Reihe von Walzen, um das Material in das Gewebe einzuarbeiten.
• Es wird bevorzugt, daß das Polyaramidgewebe mit der Fluorelastomerlösung vollständig imprägniert wird. Wenn nicht, kann das bloße Polyaramidgewebe wie ein Docht wirken und Wasser aufnehmen. Polyaramidgewebe sollten vorzugsweise trocken gehalten werden. Es wird bevorzugt, daß jede Faser durch das Fluorelastomer total eingehüllt wird. Wenn das Kevlar-Gewebe vor dem Imprägnierungsprozeß nicht getrocknet wird oder wenn die Fasern nicht vollständig überzogen sind, kann die Ansammlung von Wasser, die durch Kondensationsreaktionen erzeugt wird, welche während des Aushärtens auftreten, eine Delaminierung des geschichteten Aufbaues und anschließend den Ausfall des aus diesem Material hergestellten Werkzeuges verursachen.
• Das Lösungsmittel wird unter Verwendung von herkömmlichen Methoden verdampft. Das Lösungsmittel wird entweder bei erhöhten Temperaturen (die aber unterhalb derjenigen liegen, die zum Aushärten des Fluorelastomers erforderlich sind) schnell verdampft oder bei Raumtemperatur über eine längere Zeitspanne verdampft. Vorzugsweise wird das gesamte Lösungsmittel verdampft, bevor die Einkapselung des imprägnierten Gewebes zwischen den Schichten aus unverstärktem Fluorelastomer erfolgt, oder das eingeschlossene Lösungsmittel kann während des Aushärteprozesses verdampfen und den Ausfall des Materiales verursachen.
• Nachdem das Gewebe mit dem Fluorelastomer imprägniert und mit Fluorelastomer eingekapselt worden ist, kann das Werkzeug aus dem Material hergestellt werden. Erstens, verstärktes Formgebungswerkzeugmaterial wird hergestellt durch Anordnen des imprägnierten Materiales zwischen dünnen Deckplatten unverstärkten Materiales. Typische Methoden der sandwichartigen Anordnung dieser Schichten würden kalandrieren (walzen) oder pressen sein. Es wird kein Klebstoff benötigt, was besonders vorteilhaft ist, weil Klebstoff thermischem Abbau unterliegt und die Lebensdauer des Formgebungswerkzeugmateriales oder des späteren Werkzeuges verringern könnte. Zweitens, abwechselnde Schichten der verstärkten und unverstärkten Materialien werden auf ein Modell mit der Form, die gewünscht wird, aufgelegt. Schließlich, der Aufbau wird ausgehärtet, um ein Werkzeug zu bilden (wie zum Beispiel ein halbstarres Fixierdruckkissen). Der Aushärteprozeß findet in zwei Phasen statt, Aushärten und nachträgliches Aushärten. Die Aushärtephase erfolgt typischerweise bei etwa 149 ºC - 204 ºC (300 bis 400 ºF) für etwa 3 - 5 Stunden bei etwa 0,69 - 1,38 MPa (100 - 200 psi) Druck. Die Phase des nachträglichen Aushärtens findet typisch bei etwa 204 ºC - 260 ºC (400 - 500 ºF) für etwa 8 - 10 Stunden bei Atmosphärendruck ohne Behinderung statt. Während des Aushärtens und nachträglichen Aushärtens werden Fluorwasserstoff und Wasser ausgetrieben. Diese liegen zwar in geringen Konzentrationen vor, es wird jedoch bevorzugt, daß acidische Rückstände auf metallischem Formgebungswerkzeug nach dem Aushärtezyklus beseitigt sind.
Halbstarres Formungswerkzeug
• Beim Formen eines halbstarren Formungswerkzeuges zum Herstellen von Gegenständen, wobei eine präzise Festlegung von separat geformten Details erforderlich ist, wird zuerst ein Modell hergestellt, das der Form des gewünschten fertigen Gegenstandes angepaßt ist. Als Beispiel ist in Fig. 1, auf die Bezug genommen wird, ein Verbundhubschrauber-Rumpfabschnitt 1 gezeigt, der eine glatte äußere Haut und innen angeordnete Streben und Halter erfordert. Es ist erwünscht, ein integrales Gebilde unter Verwendung von separat gefertigten Details herzustellen, um die Komplexität beim Formen des endgültigen fertigen Gegenstandes zu begrenzen. Darüber hinaus gestattet das das integrale Formen von Versteifungsgliedern und Zwischenwandbefestigungspunkten, wodurch die Verwendung von Befestigungselementen vermieden wird, die das Durchdringen der Haut verlangen.
• Ein Modell des Rumpfabschnittes kann aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt und mit einem Formentrennmittel überzogen werden. Das elastomere Formungswerkzeugmaterial wird dann über das Modell geschichtet, wobei verschiedene Streifen zugeschnitten und um jedes Detail angebracht werden. Bei einem typischen Werkzeug können etwa zwei Schichten verstärkten und zwei Schichten unverstärkten Materiales abwechselnd benutzt werden, um die Hauptplatte zu bilden, die alle Detail- und Nichtdetailbereiche bedeckt. Zu Veranschaulichungszwecken wird das oben beschriebene Fluorelastomermaterial im einzelnen erläutert. Dem einschlägigen Fachmann dürfte jedoch klar sein, daß jedes Elastomermaterial benutzt werden kann. Zum Beispiel, Silikon, Neopren, Nitrilgummi können ein akzeptabler Ersatz sein. Für die Verstärkung kann Glas-, Kevlar- oder Graphitfaser benutzt werden. Bei dem Auswählen eines geeigneten Materiales muß darauf geachtet werden, daß Steifigkeit und Starrheit in Detailbereichen erzielt werden, während gleichzeitig Flexibilität und Dehnung gestattet werden, um eine gleichmäßige Verdichtung der Laminatlagen zu erzielen. Selbstverständlich sollten Kompatibilität mit dem Verbundsystem und Temperaturbeschränkungen beachtet werden. Zu Veranschaulichungszwecken sei angegeben, daß die halbstarre Werkzeughälfte aus einem verstärkten, mit Fluorelastomer imprägnierten Polyamidgewebe besteht, das zwischen unverstärkten Fluorelastomerplatten angeordnet ist. Jede Platte aus unverstärktem Material kann etwa 0,76 mm (0,030 Zoll) dick und jede verstärkte Platte etwa 1,0 mm (0,040 Zoll) dick sein, wobei die verstärkte Platte Kevlarfasern mit einer +/- 45º - Orientierung zur Längsachse des Werkzeuges enthält. Selbstverständlich werden die Materialdicke und die Faserorientierung durch den Benutzer bestimmt.
• Nachdem die Schichten dem Modell hinzugefügt worden sind, wird ein vorübergehender Vakuum-Gummisack hinzugefügt, und es wird ein Vakuum aufgebaut. Die Elastomerlagen werden dann niedergezogen, um eine präzise Formung um die Detailgebilde zu gewährleisten, während sich der Aufbau verfestigt. Nachdem die Anfangsplatten hinzugefügt worden sind, wird zusätzliches Verstärkungsmaterial um die Detailgebilde angeordnet, um in diesen Bereichen zusätzliche Steifigkeit zu erzeugen. Das behindert das Zusammenfallen oder Verzerren der Detailhohlräume. Zum Beispiel, vier Materialschichten mehr können um jedes Detail gelegt werden, zwei verstärkte und zwei unverstärkte, wobei sich jede Schicht konisch verjüngt, um einen allmählichen Materialaufbau zu erzielen.
• In Fig. 2, auf die Bezug genommen wird, ist ein halbstarres Elastomerwerkzeug 2 gezeigt, das so geformt ist, daß es den Rumpfabschnitt 1 ergänzt, und das Hohlräume 3 zum Aufnehmen von Detailgebilden 4 aufweist. In Fig. 3, auf die Bezug genommen wird, ist das achtlagige, verstärkte Gebilde, das um ein typisches Detail angeordnet wird, gezeigt. Vier Basislagen, die 2 verstärkte 5 und 2 unverstärkte 6 umfassen, sind von vier zusätzlichen Lagen in dem Detailbereich überlagert, zwei verstärkten 7 und zwei unverstärkten 8. Es sei angemerkt, daß übermäßige Steifigkeit vermieden werden sollte, da ein überlagerter starrer Bereich selbsttragend wird und die richtige Verdichtung und Verfestigung des Verbundstoffes nicht erzielt werden. Durch Erhöhen der Steifigkeit des Materiales um die Details, ohne die Elastizität des Elastomers zu eliminieren, werden der präzise Einbau und die präzise Festlegung der Details in dem endgültigen Gebilde erzielt.
• Es kann erwünscht sein, eine Vielzahl von Ziehblöcken um das Fluorelastomerwerkzeug anzubringen, um das Trennen von einem geformten Gegenstand zu bewirken. Positionierblöcke können zwischen den Elastomerschichten angeordnet sein und können gebohrte und mit Gewinde versehene Aluminiumblöcke umfassen, die anodisiert und grundiert sind, so daß sie eine haftfähige Oberfläche aufweisen. Nach dem Herstellen des vollständigen Aufbaues werden die Platten durch Vakuum verdichtet und ausgehärtet, wie oben beschrieben. Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Fluorelastomer durch Temperaturwechselbeanspruchung nach dem Überziehen mit einem Formentrennmittel zu altern. Dieses Altern verhindert das Festkleben des Werkzeuges an dem Teil. Das fertige halbstarre Werkzeug enthält eine Vielzahl von Hohlräumen oder Taschen, die so geformt sind, daß sie den separat geformten Details angepaßt sind, welche gemeinsam mit dem Verbundhautmaterial während der endgültigen Herstellung ausgehärtet werden. Die Verwendung von Hohlräumen in dem halbstarren Werkzeug gewährleistet eine präzise Festlegung der Details ohne zusätzliches Messen oder ohne zusätzliche Lehren.
• Das fertiggestellte Fluorelastomerwerkzeug wird dann an einem Stützbalken befestigt, welcher einen Rahmen zum Tragen des flexiblen Werkzeuges während des Aufbaus und des Zusammensetzens mit einer passenden Werkzeughälfte bildet, wodurch eine präzise Ausrichtung zwischen den Werkzeughälften gewährleistet wird. In Fig. 4, auf die Bezug genommen wird, ist ein vollständiges Werkzeug 9 in dem zusammengesetzten Zustand gezeigt, das eine starre Werkzeughälfte 10 und eine halbstarre Werkzeughälfte 11, die durch einen Stützbalken 12 abgestützt ist, aufweist. Zu Erläuterungszwecken zeigt Fig. 5 die halbstarre Werkzeughälfte 11, die mit der starren Werkzeughälfte ohne einen Stützbalken zusammengesetzt ist, wobei Fig. 6 die starre Werkzeughälfte veranschaulicht.
• Der Stützbalken 12 kann drehbar sein, was gestattet, das halbstarre Werkzeug in einer Position abzustützen, in der alle Details leicht in ihre zugeordneten Hohlräume eingebracht werden können, und dann zum Zusammenpassen mit der starren Werkzeughälfte zu drehen. Der Stützbalken 12 kann aus Stahl-Aluminium oder anderem geeigneten Werkstoff hergestellt sein. Gemäß Fig. 4, auf die Bezug genommen wird, ist die halbstarre Werkzeughälfte 11 durch den Stützbalken 12 abgestützt, der einen Hauptrahmen 13 zur Befestigung einer Vielzahl von Lösestellantrieben 14 zum steuerbaren Anheben des Elastomerwerkzeuges nach dem Formen aufweist. Jeder Stellantrieb hat einen ausfahrbaren Zylinder 15, der an einem Augenbolzen 16 befestigt ist, welcher in einen Positionierblock 17 eingeschraubt ist, der in das Elastomer eingebettet ist, um das Elastomer an dem Stützbalken festzuhalten. Der Stützbalken weist außerdem einen Unterrahmen 18 auf, der ein Konturgitter 19 zum Abstützen des Elastomers in seiner angenäherten Formgebungsgestalt, während er in der Detailladeposition ist, hat. Fig. 2 zeigt allgemein das halbstarre Werkzeug in einer Position zum Empfangen von Details.
• Vor dem Zusammenpassen der Werkzeughälften wird ein Formentrennmittel wie Miller Stevenson MS-142 auf die halbstarre Werkzeughälfte aufgebracht und für etwa 2 Stunden bei etwa 177 ºC (350 ºF) gebacken, wobei die Prozedur mehrmals wiederholt wird, um das Werkzeug zu altern. Ein Verbundmaterial wird dann auf der starren Werkzeughälfte plaziert, und die Details werden in die Detailhohlräume in der halbstarren Werkzeughälfte eingeführt. Das Verbundmaterial kann eine oder mehrere Schichten einer harzimprägnierten, gewebten Faserplatte umfassen, die gewöhnlich als ein "Prepreg" bezeichnet wird. Die Details können vorgelegte und vorgeformte Verbundformstücke sein, die Wabenmaterialkernabschnitte enthalten. Nachdem es geladen worden ist, wird das halbstarre Werkzeug gedreht, ausgerichtet und mit dem starren Werkzeug zusammengesetzt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Es ist interessant anzumerken, daß keine Klebstoffe oder anderes Material verlangt werden, um die Details während der Ausrichtung und Positionierung des halbstarren Werkzeuges in Position zu halten. Es scheint, daß die Flexibilität des Elastomermaterials die Detailgebilde festhält, wodurch die Details festgehalten werden, während das Werkzeug in Position gebracht wird. Der Verbundstoff wird dann mittels Vakuum verdichtet, erwärmt und ausgehärtet, beispielsweise in einem Autoklaven, wobei das Elastomerformungswerkzeug eine gleichmäßige Harzimprägnierung um den Verbundstoff und eine präzise Festlegung von Details gewährleistet.
• Nachdem das Aushärten abgeschlossen ist, wird das halbstarre Werkzeug von dem fertigen Gegenstand abgeschält, indem die zurückziehbaren Stellantriebe benutzt werden, die einer programmierten Sequenz folgen, um eine Beschädigung der Details während des Entfernens zu verhindern. Die Sequenz ist eine Funktion der Detailgestalt, und jeder Gegenstand wird ein gewisses Experimentieren erfordern, um die richtige Sequenz zum Entfernen zu bestimmen. Es sei angemerkt, daß, womöglich, die Neigungswinkel der Detailgebilde eingestellt werden sollten, um das Entfernen des Werkzeuges zu erleichtern. Beispielsweise erleichtert die Verwendung von geneigten statt geraden Seiten das Entfernen des Werkzeuges.
BEISPIEL
• 50 Gramm B-Stadium-Fluorelastomer wurden in 255 g (9 Unzen) 2-Butanon aufgelöst. Mit der Lösung wurden beide Seiten einer 15,24 cm mal 15,24 cm (6 Zoll mal 6 Zoll) Kevlar-Platte mittels einer Bürste überzogen. Dem Gewebe wurde gestattet, für 30 Minuten bei Raumtemperatur an Luft zu trocken, um das Lösungsmittel zu verdampfen. Ein weiterer Überzug aus aufgelöstem B-Stadium-Fluorelastomer wurde auf jeder Seite aufgebürstet, indem 100 Gramm B-Stadium-Fluorelastomer in 255 g (9 Unzen) 2-Butanon aufgelöst wurden und die Lösung auf das Gewebe aufgebracht wurde. Dem Gewebe wurde wieder gestattet, an Luft für 30 Minuten bei Raumtemperatur zu trocken, um das Lösungsmittel zu verdampfen. Dieses Material wurde dann sandwichartig zwischen zwei unverstärkten B-Stadium-Fluorelastomerplatten angeordnet, um einen Testcoupon zu bilden.
• Für einen Test in vollem Maßstab wurden 45,5 m (fünfzig Yards) Kevlar-Polyaramid-Gewebe (mit den obigen B-Stadium- Fluorelastomerlösungen) imprägniert und unter Verwendung einer Serie von Rollen und Mulden in 47 Minuten in einem herkömmlichen Ofen bei etwa 80 ºC - 82 ºC (175 º - 180 ºF) verdampft. Dieser Prozeß wurde dreimal wiederholt, um eine bessere Imprägnierung zu gewährleisten. Nach der Verdampfung wurde das imprägnierte Gewebe sandwichartig zwischen unverstärkten B-Stadium-Fluorelastomerplatten durch Kalandrieren der Platten auf das Gewebe angeordnet. Es wurde kein Klebstoff benötigt. Das verstärkte Formungswerkzeugmaterial und das unverstärkte Fluorelastomer wurden abwechselnd auf ein Modell mit der gewünschten Gestalt aufgelegt und bei 177 ºC (350 ºF) für 4 Stunden bei 0,68 MPa (100 psi) ausgehärtet und dann bei 232 ºC (450 ºF) für 8 Stunden bei Atmosphärendruck ohne Einspannung in einem herkömmlichen Ofen nachausgehärtet.
• Das resultierende, mit Lösung überzogene, mit Fluorelastomer imprägnierte Gewebewerkzeug kann benutzt werden, um Verbundstoffe zu formen. Üblicherweise wird wenigstens eine Schicht eines Gewebes, das mit einem Polymermaterial vorimprägniert worden ist (Pregreg), auf das Werkzeug aufgelegt. Wärme und Druck werden üblicherweise ausgeübt, um das vorimprägnierte Gewebe auszuhärten und einen Verbundstoff zu bilden. Andere bekannte herkömmliche Verfahren zum Formen von Verbundstoffen, bei denen dieses Werkzeug benutzt wird, werden für den einschlägigen Fachmann auf der Hand liegend.
• Das mit Lösung überzogene, mit Fluorelastomer imprägnierte Gewebewerkzeug ist eine Verbesserung gegenüber dem mit Klebstoff überzogenen Gewebe, das bislang benutzt wurde. Bei dem mit Klebstoff überzogenen Material war der Klebstoff nicht mit der Polyaramidgewebeverstärkung kompatibel, und die Werkzeuge fielen vorzeitig aus. Die Lösung mit dem fluorelastomerimprägnierten Gewebewerkzeug zum Herstellen von Verbundteilen hat mehrere Vorteile gegenüber gegenwärtig benutzten Vakuum-Gummisäcken. Das Werkzeug ist während einer Vielzahl von thermischen Zyklen stabil und deshalb wiederverwendbar. Tests haben demonstriert, daß wenigstens 50 Teile aus einem Werkzeug hergestellt werden können, wogegen herkömmliche Vakuum-Gummisäcke nur ein Teil produzieren und einmal verwendbar sind. Es wird geschätzt, daß wenigstens 100 Teile aus einem Werkzeug erzielbar sind, bevor es ersetzt werden muß. Ein weiterer Vorteil ist, daß das Formungswerkzeugmaterial durch die Aminhärtemittel, die sich in herkömmlichen Epoxyharzen finden, nicht ernstlich angegriffen wird und daß sich die mechanischen Eigenschaften des Fluorelastomermaterials mit der Zeit nicht verschlechtern. Eine geringfügige Beschädigung der Oberfläche des Werkzeuges kann auch repariert werden, indem der beschädigte Teil mit einer Fluorelastomerlösung ähnlich derjenigen, die zum Imprägnieren des Gewebes benutzt wird, überzogen wird. Darüber hinaus legt das Werkzeug die internen Details eines Verbundteiles akkurat fest und sorgt für eine verbesserte Oberflächendefinition für diejenigen Oberflächen des Teiles, die mit dem Werk in Kontakt sind. Das führt zu Teilen von überlegener Qualität. Die größere Verstärkung der Detailhohlräume sorgt für eine präzise Verdichtung und gewährleistet dabei, daß die Details mit engen Toleranzen festgelegt werden. Darüber hinaus wird die Produktionszeit beträchtlich reduziert, weil Details in die Detailhohlräume eingesetzt werden, statt auf das Verbundmaterial aufgesetzt zu werden, was eine gute Reproduzierbarkeit von Teil zu Teil gewährleistet. Es hat sich gezeigt, daß diese Details mit einer Toleranz von 0,1 mm (0,004 Zoll) unter Verwendung des halbstarren Fluorelastomerformungswerkzeugmateriales nach der vorliegenden Erfindung festgelegt werden können. Außerdem, da keine Gebilde, Abschällagen oder Klebstoffe benötigt werden, werden sowohl Arbeits- als auch Materialerfordernisse reduziert, und der Teiledurchsatz wird erhöht.
• Es dürfte klar sein, daß sich die Erfindung nicht auf irgendeine besondere hier gezeigte und beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern daß verschiedene Änderungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich dieses Konzeptes zu verlassen, wie es durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims (6)

1. Halbstarres Werkzeug (2) zum Formen eines komplexen Verbundgegenstandes, wobei ein separat geformtes Detailgebilde auf dem Gegenstand zum gemeinsamen Aushärten mit diesem akkurat festgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das halbstarre Werkzeug (2) aufweist:

eine Elastomerschicht, die mit einer Gestalt geformt ist, welche der Gestalt des Gegenstandes im wesentlichen angepaßt ist, wodurch ein Hohlraum (3) um jedes Detailgebilde (4) gebildet ist, und mit wenigstens einer zusätzlichen Schicht eines verstärkten Elastomers (5) um jeden Hohlraum, wobei die zusätzliche Verstärkung (5) die Steifigkeit der Elastomerschicht um den Detailhohlraum (3) erhöht, wodurch Bewegen oder Verschieben des Details (4) während der Verarbeitung verhindert wird.

2. Halbstarres Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomerschicht eine verstärkte Elastomerschicht (5) aufweist, die sandwichartig zwischen unverstärkten Elastomerschichten (6) angeordnet ist.

3. Verfahren zum Formen eines komplexen Verbundgegenstandes unter Verwendung des halbstarren Werkzeuges (2) nach den Ansprüchen 1 oder 2, welches akkurates Einbauen eines separat geformten Gebildes in den Verbundgegenstand verlangt, gekennzeichnet durch:

Bereitstellen eines Werkzeuges, das eine halbstarre Werkzeughälfte (2) aufweist;

Auflegen eines Verbundmateriales auf die starre Werkzeughälfte (10);

Einführen der separat geformten Gebilde (4) in die Hohlräume (3) des halbstarren Werkzeuges (2);

Zusammenpassen der beiden Werkzeughälften (2 und 10);

und Verarbeiten, um den fertigen Gegenstand zu bilden.

4. Verfahren zum Formen von Verbundstoffen unter Verwendung des halbstarren Werkzeuges (2) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Auflegen von wenigstens einer Schicht (5) eines vorimprägnierten Gewebes auf das Werkzeug und Ausüben von Wärme und Druck, um wenigstens eine Schicht auszühärten und einen Verbundstoff zu bilden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomer ein fluorelastomerimprägniertes Polyaramidgewebe umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluorelastomer in einer Reihe von Lagen aufgelegt wird, wobei ein imprägniertes Polyaramidgewebe sandwichartig zwischen unverstärkten Fluorelastomerplatten angeordnet wird.