DE69129204T2

DE69129204T2 - Verfahren zur herstellung von thermoplastischen wabenförmigen strukturen ohne bearbeitung

Info

Publication number: DE69129204T2
Application number: DE69129204T
Authority: DE
Inventors: Barry Fell
Original assignee: Hexcel Corp
Current assignee: Hexcel Corp
Priority date: 1990-12-03
Filing date: 1991-12-03
Publication date: 1998-07-23
Anticipated expiration: 2011-12-04
Also published as: ES2113944T3; JPH06503766A; DK0603177T3; EP0603177A1; NO301466B1; EP0603177B1; ATE164547T1; DE69129204D1; CA2056759A1; WO1992009432A1; NO931929L; EP0603177A4; NO931929D0; US5252163A

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf faserverstärkte und nicht verstärkte thermoplastische Wabenstrukturmaterialien. Insbesondere bezieht sich der Erf indungsgegenstand auf ein fortlaufendes Verfahren zur Herstellung thermoplastischer Waben mit komplexen dreidimensionalen Formen, ohne auf aktuelle komplexe und zeitaufwendige Bearbeitungsverfahren zurückzugreifen.

2. Beschreibung des technischen Hintergrunds

Die Verwendung von Wabenmaterialien in der Luft-, Raumfahrt- und Transportindustrie nimmt zu. Während Metallwaben sich für viele Zwecke gut eignen, hat die Notwendigkeit nach Gewichtsreduzierung und Festigkeit bei hohem Modul zur Verwendung von Waben aus Faserverstärkung in einer Polymermatrix geführt. Die Polymermatrix kann aus einer duroplastischen oder thermoplastischen Matrix bestehen. Waben aus technischen Thermoplasten, die keine Faserverstärkung enthalten, werden ebenfalls verwendet.
Ein spezieller Vorteil von Polymermatrix-Waben ist das Absorptionsspektrum für elektromagnetische Strahlung im Mikrowellenbereich. Die Transparenz für solche Strahlung kann durch Auswahl eines bestimmten Polymers verbessert werden, d.h. von Polyimiden, und durch Auswahl der Faserverstärkung, d.h. hochfestem Polyethylen oder Quarz. Die Verwendung von Metallflokken oder -pulvern, Eisenoxiden oder metallbeschichteten Fasern kann ebenfalls das elektromagnetische Verhalten beeinflussen. Schließlich kann die Einstellung der Wabengröße, um eine auslöschende Interferenz von bestimmten Wellenlängen zu erzielen, zu einer schnellen Dämpfung dieser Strahlung führen.
Um Wabenmaterialien in radarsensitiven Anwendungen oder in sonstigen Anwendungen optimal auszunutzen, ist es häufig notwendig, ein konturiertes Teil herzustellen, im Gegensatz zu einem ebenen Waben-"Sandwich". Ein Beispiel für eine derartige Anwendung ist die Vorderkante eines Tragflügels.
In der Vergangenheit wurden Polymermatrixwaben arbeitsaufwendig im Handauflegeverfahren hergestellt, gefolgt von chargenweiser Verfestigung zu einem Waben"block". Dieser Wabenblock konnte dann in flache Abschnitte aufgeschnitten werden, die zwischen Frontplatten geklebt wurden, um leichte, starre Tafeln zu bilden. Der Schneidevorgang ist allerdings teuer, zeitaufwendig und bringt eine relative große Abfallmenge mit sich. Beispielsweise muß bei Waben mit einer dünnen Zellwanddicke die Wabe zunächst mit einem Polyethylenglycolwachs oder einer ähnlichen Substanz gefüllt werden, um die Zellwände während des Schneidvorgangs abzustützen. Dieses Material muß anschließend vollständig entfernt werden, damit das Wabenmaterial mit den Front- bzw. Verkleidungsplatten verklebt werden kann. Wenn Sägen zum Schneiden des Wabenmaterial verwendet werden, bildet das in der Schnittlinie liegende Material Abfall, wodurch die Menge von Wabenmaterial, die aus einem Block mit gegebener Größe hergestellt werden kann, begrenzt ist.
Die gleichen Vorgehensweisen sind erforderlich, wenn konturierte Formen hergestellt werden müssen, außer daß die Abfallmenge im allgemeinen wesentlich größer ist und daß der Schneidvorgang mit einem teuren dreidimensionalen, computergesteuerten Schneidgerät ausgeführt werden muß. Die zeitaufwendigen, abfallintensiven und teuren Bearbeitungsvorgänge haben die Verwendung von Wabenmaterial in konturierten Anwendungsfällen begrenzt. Für derartige Anwendungen hergestellte Teile sind extrem teuer.
Die US-A-3,356,555 beschreibt ein chargenweises Verfahren zum Herstellen von Wabenmaterial, wobei eine Käfigwalze mit sechseckigen Stangen mit einer Anzahl von sechseckigen Hauptstangen auf einem feststehenden Bett zusammenwirkt, um eine gewellte Bahn herzustellen, indem eine erwärmte, thermoplastische Bahn zwischen den vorrückenden Käfigstangen und den feststehenden Bettstangen zusammengedrückt wird. Die auf diese Weise gebildeten, gewellten Bahnen werden dann zu einer Wabenstruktur zusammengesetzt, indem eine erste gewellte Bahn auf die Hauptstangen eines Betts aufgelegt wird, wonach Nebenstangen in die Knoten bzw. Erhebungen oberhalb der Bahn eingesetzt werden. Eine zweite gewellte Bahn wird dann mit ihren Erhebungen benachbart zu den Vertiefungen der ersten Bahn angeordnet. Eine weitere Lage Nebenstangen wird oben aufgesetzt, und das Verfahren wird wiederholt, bis die gewünschte Wabendicke erreicht ist. Die Anordnung wird dann zwischen Polierplatten und Druckplatten eingelegt und erwärmt, um ein fertiges Wabenerzeugnis herzustellen.
In der GB-A-2 188 866 ist ein chargenweises Verfahren zum Herstellen thermoplastischen Wabenmaterials beschrieben, wobei gestaltete Formteile, wie in der US-A-3,356,555 beschrieben, zwischen benachbarten gewellten, thermoplastischen Tafeln angeordnet werden, und die Anordnung unter Druck gesetzt und erwärmt wird, um das thermoplastische Material zum Schmelzen zu bringen. Nach der Herstellung eines Wabensegments mit mehreren Zellen durch ein solches chargenweises Vorgehen kann der Abschnitt vorwärtsbewegt werden, um zu ermöglichen, daß ein weiterer Abschnitt aufgelegt und geschmolzen wird. Das beschriebene Verfahren erfordert, daß die gesamte neu hergestellte Wabenstruktur unter Druck gesetzt und erwärmt wird.
Mit den bekannten Verfahren werden Wabenstrukturen chargenweise hergestellt, was lange Erwärmungs- und Abkühlzyklen erfordert, oder durch Aufweitungsverfahren, die sich allerdings auf begrenzte Wabengrößen beziehen sowie auf Waben, die keine optimalen Eigenschaften aufweisen. Die Verfahren nach US-A- 3,356,555 und GB-A-2 188 866 erfordern die Verwendung von zahlreichen Lagen teurer Metallgesenke. Eine Länge von vier Fuß von 0,125 Zellen breitem Wabenmaterial mit einer Höhe von nur vier Zellen würde mehr als 1400 Metallgesenke erfordern. Weiterhin sind solche chargenweise Verfahren zeitaufwendig und erfordern, eine gesamte Wabenstruktur unter Druck zu setzen, um das thermoplastische Schmelzen und Verkleben zu ermöglichen.
Weiterhin, da die aneinanderstoßenden Flächen der Erhöhungen und Vertiefungen des Bahnmaterials die doppelte Dicke der nicht aneinanderstoßenden Flächen aufweisen, erzeugt dieser Dickenunterschied einen Verlagerungsfehler beim Zusammensetzen von Waben unter Verwendung von Metallgesenken. Da der Fehler bzw. die Abweichung mit jeder aufeinanderfolgenden Zellenschicht vergrößert wird, ist es praktisch unmöglich, dieses Material beim Auflegen und Aushärten unter Druck ausgerichtet zu halten. Wenn die Gesenke unsymmetrisch hergestellt sind, d.h. als abgeflachtes Sechseck, wird das Auflegen erleichtert, aber eine Verzerrung tritt immer noch bei der Verfestigung auf, da die aneinanderstoßenden Schichten mit doppelter Dicke während des Verschmelzen auf etwa 80% ihrer anfänglichen Dicke zusammengedrückt werden. Durch alle diese Verfahren hergestelltes Wabenmaterial muß geschnitten und/oder bearbeitet werden, um Wabenteile mit anderer als ebener Form herzustellen.
Die US-A-2,821,616 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umformen eines fortlaufenden schmalen Streifens aus Folienmaterial in eine Bahn aus Material, das die gleiche Dicke wie die Breite des Streifens aufweist und aus einer Anzahl symmetrischer Zellen besteht, die sich quer durch die Bahn des Materials nach Art einer Wabe erstrecken. Das Verfahren bringt insbesondere das Herstellen des Wabenmaterials aus einem fortlaufenden Streifen aus Aluminiumfolie mit sich, wobei der Streifen vor- und zurückgezogen wird, um aufeinanderfolgende Zellenreihen auszubilden, wobei die aneinanderliegenden Flächen des Materials zwischen den Zellen miteinander verschweißt werden, um das Material Reihe nach Reihe in einem fortlaufenden Vorgang herzustellen. Die Vorrichtung enthält einen hin- und herbeweglich gehaltenen Schlitten, der sich vor- und zurückbewegt, um den Streifen aus Aluminiumfolie relativ zu einer Anzahl von Formfingern vor- und zurückzuziehen, und enthält Mittel zum Verschweißen der Folie mit der vorausgehenden Reihe, überall dort wo sich zwei Reihen berühren. Hierin beschriebene Schweißtechniken sind etwa das "Koldweld"- Verfahren und elektronisches Schweißen, wie in Spalte 8 beschrieben. Nach dem Koldweld-Verfahren stoßen zahnartige Vorsprünge gegen das Folienmaterial, das von den Fingern gehalten wird, mit genügendem lokalen Druck, damit das Metall der beiden benachbarten Folienschichten zusammenfließt und dadurch die Schichten verschweißt.
Leichte, hochtemperatur-thermoplastische Materialstrukturen und spezielle Wabenstrukturen sind in der WO 87/06186 beschrieben. Das Verfahren zum Herstellen solcher Strukturen beinhaltet die Schritte, in einem Werkzeug Schichten von Hochtemperatur-Polymermaterial mit dazwischen angeordneten Formgesenken zu positionieren, genügend Druck und Wärme auf das Werkzeug auszuüben, damit das Polymermaterial in den unterschiedlichen Schichten sich vereinigt, Abkühlen des Polymers und Herausnehmen der so hergestellten Wabenstruktur.
Die US-A-3,741,840 beschreibt ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen von komprimierten (nicht aufgeweiteten) Waben, ausgehend von einer einzelnen fortlaufenden Bahn aus dünnem, flexiblen Plattenmaterial. Das komprimierte Wabenerzeugnis kann jegliche gewünschte Breite und Zellengröße aufweisen, wobei einfache oder mehrfache Dicke einer beliebigen gewünschten Abmessung gleichzeitig hergestellt wird. Das unaufgeweitete Wabenmaterial wird durch Aufschneiden der Bahn in Längsrichtung in eine Anzahl schmaler Streifen mit geeigneter Breite hergestellt, wobei geeignet beabstandete Querlinien von Klebstoff auf jeden der schmalen Streifen aufgebracht werden, jeder der schmalen Streifen über seine jeweilige Wendestange gedreht wird, um sie in eine kantenweise Position in einer Beziehung Seite zu Seite zueinander zu bringen, um einen fortlaufenden mehrlagigen Streifen auszubilden, bei dem die Klebstofflinien eines jeden Streifens in richtiger Beziehung zu den Klebstofflinien eines jeden benachbarten Streifens sind, während er gleichzeitig mit einem automatischen Nadelförderer in dieser präzisen Position angeheftet wird, und dann durch einen laminierenden Fördergurt bewegt wird, um die Klebstofflinien an ihren benachbarten Streifen zu befestigen. Der sich ergebende mehrlagige Streifen wird auf genaue Länge geschnitten, und jede Länge wird mittels eines Fördersystems in einen horizontalen Stapel- und Klebstoffaushärtekasten bewegt. Die geschnittenen mehrlagigen Streifen werden einer mit dem anderen miteinander verbunden, um einen fortlaufenden, unexpandierten Block aus Wabenmaterial zu bilden, der als Einheit um ein Maß gleich der Dicke eines jeden mehrlagigen Streifens vorwärtsbewegt wird, wenn jeder Streifen in die Stapelbox gedrückt wird. Dies veranlaßt den Block aus fortlaufendem Wabenmaterial dazu, in die Wabengrößenschneidköpfe vorwärtsbewegt zu werden, um eine präzise Mikrodicke des fertigen Wabenblocks auszubilden. Fig. 3a zeigt, wie die Bahn aus flexiblem Material 2 durch die kreisförmigen Schneidklingen 6 geschnitten wird, wobei die Bahn in eine Vielzahl von Streifen gleicher oder veränderlicher Dicke geschnitten wird, was davon abhängt, ob das fertige Produkt eine einzige Dicke aufweisen oder in mehrfacher Dicke hergestellt werden soll, um nach der Fabrikation in zwei oder mehr Dicken auseinandergezogen zu werden. Die geschlitzten Bahnen werden nach dem Aufbringen der Klebstofflinien um ihre jeweilige Wendeplatte 18 herumgebogen, so daß die Bewegungsebene der Streifen um 90º von vertikal nach horizontal verändert und gleichzeitig jeder Streifen in einer kantenweisen Position in einer Seite-auf-Seite-Beziehung zum benachbarten Streifen gesetzt wird, um den mehrlagigen Streifen 42 auszubilden, bei dem sich die Klebstofflinien in der richtigen Übereinstimmung befinden.
In der Sprache eines Fachmanns auf dem Gebiet der Herstellung und des Gebrauchs von Wabenmaterial wird die Dicke des Wabenmaterials als die parallel zu den wellungen liegende Abmessung angesehen, die Länge ist die Richtung entlang der gleichen Fläche wie die Wellungen, aber unter einem rechten Winkel dazu, und die Breite ist die Richtung quer zu den Zellen senkrecht zur Ebene der Wellungen (Dicken- und Längenrichtungen).

Ziele der Erfindung

Es wäre wünschenswert, Wabenmaterialien herstellen zu konnen, die zur Herstellung von ebenen Tafeln oder konturierten Teilen verwendet werden könnten, ohne wachsartige Zellfüllungen und teure Bearbeitungsmaschinen zu verwenden. Diese und andere Ziele sind durch ein Verfahren zur Herstellung von Wabenmaterial nach dem unabhängigen Anspruch gelöst worden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 - Zeichnung des Wabenformbetts mit ersten Formgesenken bzw. Ausformern, die eingeschoben sind und zweiten Ausformern, die teilweise eingeschoben sind.
Fig. 2A-2C Seitenansichten des Betts, wobei die Enden der ersten und zweiten Ausformer mit der obersten und vorletzten Schicht von faserverstärkten, gewellten Schichten im Erhebungs-Vertiefungs- Kontakt sowie die Herstellung von Wabenmaterial mit einer halben Zellenschicht gleichzeitig dargestellt ist.
Fig. 3 - Seitenansicht eines Betts, wobei ein Beheizungsschuh dargestellt ist, der zum selektiven Beheizen dient.
Fig. 4 - Seitenansicht, die die Verwendung eines Zahnrades zum Erzielen der Druckverschmelzung von Erhöhungs-Vertiefungs-Kontaktbereichen mit integrierter Wellung der Faserbahn durch Auftreffen von heißer Luft zeigt.
Fig. 5 - Verschiedene geometrische Wellungskonfigurationen, die zur Herstellung von Wabenmaterial verwendet werden können.
Fig. 6 - Isometrische Darstellung einer Konfiguration einer Heizschuh- oder Heizplatteneinrichtung zur selektiven Beheizung.
Fig. 7 - Isometrische Darstellung einer Konfiguration einer Heizgasbeaufschlagungs-Beheizungseinrichtung.
Fig. 8A-8B Alternative Geometrien von mit vier oder fünf Zähnen versehenen Wellungs- und/oder Verfestigungswalzen.
Fig. 9 - Doppelte Zahnwalzenanordnung, die eine zweite Walze zeigt, die die Bahn weiter verfestigt.
Fig. 10A - Zweiwalzenanordnung, die eine bidirektionelle Wellung/Verfestigung mit Umschlagen am Ende des Betts ermöglicht.
Fig. 10B - Zweiwalzenverfahren nach Fig. 11, die die Drehung der Rollenanordnung darstellt.
Fig. 10C - Zweiwalzenverfahren nach Fig. 11 am Beginn der Rückwärtsbewegung.
Fig. 11a-11b Zeigt die Bahn-zu-Bahn-Beziehung in der obersten Wabenschicht und den Unterschied zwischen unverfestigten und verfestigten Bahndicken im einzelnen.
Fig. 12 - Weitere Konfiguration der Heißgas-Beheizungseinrichtung.
Fig. 13 - Eingebettete Formen enthaltendes Wabenmaterial, wobei das Aufschneiden der Bahn vor dem Auflegen dargestellt ist.
Fig. 14 - Aufschneiden der Bahn in aufeinanderfolgenden Schichten, erforderlich zur Ausbildung einer Form mit dreieckigem Querschnitt.
Fig. 15 - Die aus dem Wabenmaterial nach Fig. 13 nach dem Auseinanderschneiden von Hand resultierenden Formen.
Die herkömmliche Schicht-um-Schicht-Herstellung von Fasermaterial wird im einzelnen nachfolgend beschrieben. Um konturierte oder ebene, trennbare Gegenstände innerhalb eines einzelnen Wabenblocks herzustellen, muß die thermoplastische Bahn vor dem Auflegen zunächst geschlitzt werden. Jede aufeinanderfolgende Schicht kann entlang des gleichen Weges oder entlang unterschiedlicher Wege geschlitzt werden, wodurch ebene, krummlinige oder real dreidimensionale, komplexe Formen erzeugt werden. Beispiel von komplexen Formen, die hergestellt werden können, sind in Fig. 13, 14 und 15 erläutert.
Die thermoplastische Bahn, mit oder ohne Faserverstärkung, wird vorzugsweise mit dem in Fig. 1, 4 und 10A-C dargestellten Verfahren aufgelegt, wobei allerdings auch andere schrittweise Verfahren geeignet sind, wie nachfolgend beschrieben. Das Aufschlitzen der thermoplastischen Bahn kann mit unterschiedlichen Verfahren erfolgen, beispielsweise unter Verwendung von Messern, Wasser- oder Luftstrahlen oder Laserstrahlen. Die Position des Messers oder sonstigen Schneidmittels kann feststehend oder mechanisch gesteuert sein, beispielsweise mit elektrischen Servomotoren oder Pneumatikzylindern. Während in dieser Beschreibung die Bahn aus einer einstückigen Bahn geschnitten wird, umfaßt die Erfindung auch die Verwendung von zahlreichen schmaleren Bahnen, die aneinanderstoßen und durch vorhergehendes Aufschneiden einer einzelnen Bahn oder durch Verwendung von Bahnen, die in der gewünschten Breite hergestellt sind, vorbereitet sind. Bei der Herstellung dreidimensionaler Gegenstände ist die Computersteuerung der Aufschneideeinrichtung zweckmäßig. Solche Steuerverfahren sind dem Fachmann im Bereich der computergesteuerten Positionierungsgeräte geläufig.
Das Verfahren zum Herstellen von Wabenmaterial nach der vorliegenden Erfindung ibt ein kontinuierliches Verfahren, in dem (a) ein erster Satz von Metallausformern geeigneter Größe so angeordnet wird, daß sich ein Ausformer jeweils innerhalb einer Zelle der obersten Lage einer Wabenstruktur mit einer Dicke von zumindest einer Zelle befindet, (b) ein zweiter Satz von Metallausformern, der gegenüber dem ersten Satz um eine halbe räumliche Zellenfrequenz seitlich verlagert ist, in die Vertiefungen an der Oberseite des Wabenmaterials angeordnet wird, (c) eine gewellte Bahn aus thermoplastischem Kunststoff oben auf den obersten Satz von Metallausformern aufgelegt wird, so daß die Unterseite der Vertiefungen der gewellten Bahn gegen die Oberseite der Erhöhungen des Wabenmaterials anstößt, (d) vor dem Auflagen der thermoplastischen Bahn (c), die Bahn durch eine geeignete Aufschneideeinrichtung zunächst entlang eines vorbestimmten Wegs geschnitten oder geschlitzt wird, (e) die Erhöhungs-Vertiefungsflächen durch selektive Beheizungseinrichtungen dieser Flächen verschmolzen werden, (f) der unterste Satz von Ausformern aus dem Material zurückgezogen wird, um einen Betrag angehoben wird, der ausreicht, um die Dicke der verschmolzenen Erhöhungs-Vertiefungs-Fläche der neu gebildeten Wabenzellen freizulegen, und in den Vertiefungen entlang der Oberseite des Wabenmaterials angeordnet wird, und durch diese Verlagerung zum obersten Satz von Ausformern wird; (g) eine weitere gewellte Bahn von geschlitztem oder nicht geschlitztem -thermoplastischen Material oben auf die obersten Metallausformer gelegt wird, so daß die Unterseite der Vertiefungen der gewellten Bahn gegen die Oberseite der Erhöhungen des Wabenmaterials anstoßen, (h) die aneinanderstoßenden Erhöhungs -Vertiefungsflächen durch selektives Erwärmen dieser Flächen verschmolzen werden, (i) die Schritte (f) - (h) wiederholt werden, bis die gewünschte Wabenbreite, die im wesentlichen unbegrenzt sein kann, erhalten ist, und (i) das Wabenmaterial aus der Wabenherstellungsvorrichtung herausgenommen und in vorbestimmte dreidimensionale Wabenformen aufgetrennt wird.
Mittels der vorliegenden Erfindung kann Wabenmaterial von im wesentlichen beliebigen Dimensionen in fortlaufender, kostengünstiger Weise erhalten werden, ohne die Nachteile der chargenweisen Verfahren, d.h. der Verwendung sehr zahlreicher Stangen oder Ausformer und des zeitaufwendigen, chargenweisen Verschmelzungsschritts, der durch Unterdrucksetzen der gesamten Wabenanordnung oder eines Teils erfolgen muß. Ein einzelnes so hergestelltes Wabenteil kann leicht in ebene Wabenteile vorbestimmter Dicken oder in komplexe und/oder konturierte Teile geschnitten werden, die ineinandergeschachtelt sein können, um die Ausnutzung der die Wabenteile bildenden Rohmaterialien zu optimieren.
Die Platten des thermoplastischen Matrixmaterials, die für die Herstellung der gewellten Platten und letztlich des Wabenendprodukts zweckmäßig sind, enthalten einen thermoplastischen, vorzugsweise technischen thermoplastischen Kunststoff und wahlweise eine Faserverstärkung.
Unter den zweckmäßigen thermoplastischen Materialien sind unterschiedliche Polyester, beispielsweise Polyethylenterephtalat und Polybutylenterephtalat; aliphatische Polyamide, beispielsweise Nylon 6, Nylon 66, Nylon 4, Nylon 12 und Nylon 612 neben anderen; die voll aromatischen Polyamide oder Aramide, beispielsweise die unter dem Handelsnamen Kevlar hergestellten; gemischte aliphatische/aromatische Polyamide; Polyalkylenpolymere, beispielsweise Polypropylen und Polyethylen; Polyoxyalkylene, beispielsweise Polyoxymethylenpolymere; Polyphenylenoxide; Polyphenylensulfide; unterschiedliche Polyarylenpolymere mit zwischen den Arylengruppen eingestreuten Verbindungsgruppen wie beispielsweise -O-;
wobei R eine C¹-C¹&sup0; Alkyl- oder Arylgruppe oder Wasserstoff ist;
und ähnliche, insbesondere Polysulfone, Polyethersulfone, Polyetherketone, Polyetheretherketone, Polyetherketonketone und weitere Varianten; sowie thermoplastische Polyimide, einschließlich solche Polyimide, die anfänglich thermoplastisch sind, aber bei höheren Temperaturen unter Ausbildung von Vernetzungsstrukturen aushärten.
Die vorstehende Liste von thermoplastischen Materialien ist lediglich beispielhaft und nicht beschränkend. In diesem Zusammenhang sind ebenfalls zweckmäßig Mischungen aus Thermoplasten, wie auch Mischungen aus Thermoplasten mit einer geringen Menge, d.h. nicht mehr als etwa 20 bis 30 Gew.-% mit einem oder mehreren wärmehärtenden Monomeren, beispielsweise Bismaleimiden, Epoxyharzen und Zyanatesterharzen. Im Falle der Verwendung von Mischungen aus thermoplastischen und wärmehärtenden Harzen kann es notwendig sein, eine abschließende Wärmebehandlung des Wabenmaterials auszuführen, die kontinuierlich erfolgen kann, indem das Wabenmaterial auf einem Fördergurt durch eine beheizte Zone geführt wird. Die zum Aushärten des wärmehärtenden Harzes erforderliche Temperatur liegt im allgemeinen erheblich unterhalb der Schmelztemperatur des Thermoplasten, weshalb keine Verformung des Wabenmaterials zu erwarten ist.
Die zum Herstellen des erfindungsgemäßen Wabenmaterials zweckmäßigen Verstärkungsfasern können unter beliebigen Fasern ausgewählt sein, die ausreichende mechanische Eigenschaften bei den Verarbeitungstemperaturen aufweisen, die zum Verschmelzen des Thermoplasten erforderlich sind. Daher können, wenn niedrig schmelzende Thermoplasten wie etwa Polypropylen oder Polyethylenterephtalat verwendet werden, Fasern aus Hochtemperaturthermoplasten, d.h. Aramid, Polysulfon oder Polytherketon verwendet werden. Bevorzugte Verstärkungsfasern sind allerdings Glas-, Quarz-, Kohle-, Siliziumkarbidfasern und ähnliche.
Die Verstärkungsfasern können in zahlreichen unterschiedlichen Formen eingesetzt werden. Beispielsweise können statistisch verteilte Matten von Stapelfasern, die wahlweise in einem Nadel- oder Filzwebstuhl genadelt sein können, verwendet werden, wie auch Matten aus gewirbelten, fortlaufenden Fasern. Bevorzugt werden allerdings Verstärkungsfasern in Form von unidirektionalen Bändern oder als gewebter Stoff verwendet. Weiter ist es möglich, innerhalb derselben thermoplastischen, imprägnierten, gewellten Bahn zwei oder mehr Schichten aus unterschiedlichen Faserformen zu verwenden. Beispielsweise kann ein unidirektionales Band sandwichartig zwischen zwei gewebten Stoffen liegen, um eine größere Festigkeit in der Bandfaserrichtung zu schaffen; oder aber zwei gewebte Stoffe können unter einem Winkel von 45º zueinander orientiert sein, um eine nahezu isotrope Anordnung zu schaffen. Durch dieses Maßnahmen kann die Zug- und Druckfestigkeit für die jeweilige Anwendung maßgeschneidert werden. In ähnlicher Weise können die Eindringungsfestigkeit und die elektromagnetischen Eigenschaften durch Verwendung von Schichten aus unterschiedlichen Fasermaterialien verändert werden, beispielsweise durch Schichten aus Glasfasern und Karbonfasern und/oder -pulver.
Die faserverstärkten thermoplastischen Platten, die zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wabenmaterials verwendet werden, werden durch Imprägnieren einer oder mehrerer Schichten von Faserverstärkung mit dem Thermoplasten, Mischungen von Thermoplasten oder Mischungen aus Thermoplasten und wärmehärtenden Harzen hergestellt. Geeignete Verfahren zur Imprägnierung sind Fachleuten geläufig. Beispielsweise ist Schmelzimpragnierung für Thermoplasten mit niedriger Schmelz- oder Glasübergangstemperatur besonders zweckmäßig, obwohl die Technik bei hochschmelzenden Thermoplasten ebenfalls eingesetzt wird. Schmelzimprägnierung ist besonders erfolgreich bei Thermoplasten mit niedrigen Schmelzviskositäten und praktisch unerläßlich bei Thermoplasten, die eine begrenzte Löslichkeit aufweisen. Lösungsimprägnierung, wobei der Thermoplast löslich ist, wird ebenfalls angewendet. In jedem Falle können die Thermoplast-/Fasergehalte über einen weiten Bereich verändert werden. Beispielsweise liegt der Fasergehalt zwischen 20 und 80 Gew.-%, bevorzugt zwischen 30 und 70 Gew.-% und höchst bevorzugt zwischen 60 und 70 Gew.-%. Aufgrund der selektiven Beheizungsaspekte der Erfindung können allerdings auch Platten mit einem außergewöhnlich niedrigen Fasergehalt, mit 100% thermoplastischem Fasergehalt oder auch ohne Fasergehalt verwendet werden. Die Dicke der faserverstärkten thermoplastischen Platte bzw. der Bahn liegt im allgemeinen zwischen 0,001 Inch und 0,010 Inch. Unverstärkte thermoplastische Platten, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls verwendet werden kann, können gleiche Dicken aufweisen.
Wabenmaterial kann auch aus 100% thermoplastischem Bahnmaterial hergestellt werden. Diese Materialien können aus orientierten oder nicht orientierten, fortlaufenden oder geschnittenen thermoplastischen Fasern bestehen, beispielsweise aus Polyethylen, Polypropylen oder Polyester. Beispiele für solche Bahnen bzw. Gewebe sind Typa und Tekton Polypropylen-spinngebundene Bahnen und Reemay spinngebundene Polyesterbahnen, erhältlich von Reemay Incorporated, Old Hickory, TN; und Tyvek spinngebundene hochdichte Olefin-Polyethylen-Bahnen, erhältlich von DuPont. Diese Materialien können bei Verfestigung vollständig aufschmelzen und eine feste thermoplastische Bahn bilden, oder es können lediglich einige Fasern schmelzen, wobei eine thermoplastische Matrix gebildet wird, die thermoplastische Fasern enthält. Der letztgenannte Zustand kann sich auch einstellen, wenn alle thermoplastischen, spinngebundenen Materialien zwei unterschiedliche Thermoplasten enthalten, beispielsweise Polyethylen und Polypropylen, oder wenn eine einzige Familie von Thermoplasten mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen verwendet wird.
Bahnen wie etwa 100% spinngebundene und kalandrierte Bahnen können als 100% faseriges Medium beschrieben werden, wobei alle Fasern normalerweise aus dem gleichen Harztyp hergestellt sind, das, wenn es aus extrem feinem Faserdurchmesser hergestellt und kalandriert ist, im wesentlichen undurchlässig für Fluid- oder Gasströmungen ist. Daher wirken sie in diesem Verfahren, als ob sie aus einem verfestigten Faser/Matrixverbundmaterial oder einer 100% Harzfilmbahn bestünden, und können daher in einer ähnlichen Weise verarbeitet werden wie die Einund Zweikomponentenbahnen, die an anderer Stelle in der Anmeldung beschrieben sind. Sie schmelzen entlang ihrer Bindungsflächen auf und können dadurch miteinander verbunden werden, behalten aber ihre hochverdichtete Fasernatur außerhalb des unmittelbaren Verbindungsbereichs.
Beim Herstellen von erfindungsgemäßen Wabenmaterial muß die faserverstärkte thermoplastische Platte in eine Form gewellt werden, die eine halbe Zelle der fertigen Waben darstellt. Fig. 5 erläutert drei unterschiedliche Halbzellen-Wellungsformen. In 5A ist die Zellenform quadratisch oder rechteckig, abhängig von der Tiefe der Wellungen. In 5B sind die Wellungen sinusförmig, wodurch eine Zellform entsteht, die wie an den Fußpunkten aneinanderliegende Glocken aussieht. In 5C ist die Halbzellenwellung trapezförmig, wobei die Höchst bevorzugte sechseckige Zellenstruktur gebildet wird. Im übrigen Teil der Anmeldung richtet sich die Beschreibung des Verfahrens und der dazu eingesetzten Vorrichtung auf die Herstellung von Waben mit sechseckiger Zellenstruktur. Die erforderlichen Modifikationen zum Herstellen von Waben mit anderen Zellformen sind allerdings für einen Fachmann offensichtlich.
Die faserverstärkten und nicht faserverstärkten Platten können mit herkömmlichen Mitteln gewellt werden, beispielsweise durch Komprimieren heißer Platten zwischen ineinander eingreifenden Zahnrädem&sub1; wie dem US-Patent 3,356,555 und der parallelen Stammanmeldung beschrieben. Andere Verfahren, die einem Fachmann geläufig sind, können ebenfalls verwendet werden. Die gewellten Platten können in Form eines fortlaufenden Bands hergestellt werden, dessen Breite gleich der Dicke des Wabenmaterials ist, oder können als einzelne Platten hergestellt werden, deren Länge und Breite der Länge und Dicke des Wabenmaterial entspricht. Selbstverständlich kann die Platte in größeren Abmessungen als die der Waben zugeführt und dann auf Form geschnitten werden, was aber sowohl eine Zeit- als auch Materialvergeudung darstellt.
Die gewellten Formen, egal in welcher Form, können weit vor der Verwendung oder unmittelbar vor dem Auflegen zu Wabenmaterial in einem integrierten Herstellungsverfahren gewellt werden. Gewellte, faserverstärkte thermoplastische Platten, die Fasern mit geringem Modul enthalten, wie etwa Hochtemperaturthermoplasten oder Glas, können in Rollenform vorbereitet und anschließend verwendet werden. Bei Kohlefasern und Siliziumcarbidfasern ist der Modul allerdings so hoch, daß keine wesentliche Biegung möglich ist, und daher müssen diese Materialien vorher in Plattenform hergestellt werden oder alternativ in das Verfahren integriert werden, indem die Wellung unmittelbar vor und gleichzeitig mit dem Auflegevorgang in die Wabenstruktur erfolgt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 werden die untersten Ausformer (1), die für eine sechseckige Wabenzelle einen sechseckigen Querschnitt haben und die mit Befestigungsblöcken (2) gehalten sind, durch die Zellenschicht eines vorgeformten Wabenstarters auf die Bettschienen (3) eingeschoben. Die Einschiebeeinrichtung kann ein elektrischer Servomotor, pneumatische oder hydraulische Motoren oder Stößel oder ein sonstiges gleichwertiges Mittel sein. Die obersten Ausformer (4) werden dann oben auf das Wabenmaterial eingesetzt, wobei die Ausformer die Vertiefungen auf der Oberseite des Wabenmaterials einnehmen. Mittel zum Bewegen der Stangen (Ausformer), und um diese anzuheben und abzusenken, sind für einen Fachmann auf dem Gebiet des Maschinenbaus ersichtlich. Eine weitere Beschreibung geeigneter Vorgehensweisen kann beispielsweise in der US-3,283,118 gefunden werden, auf deren Offenbarung hierdurch Bezug genommen wird. Eine aus Klarheitsgründen nicht dargestellte, gewellte Platte wird oben auf die obersten Stangen aufgelegt, so daß sich die Vertiefungen der zweiten Platte in Kontakt mit den Erhöhungen der obersten Schicht des Wabenmaterials befinden. Zumindest die Erhöhungs-Vertiefungs-Flächen der ersten und zweiten Platten werden erwärmt, und Druck wird ausgeübt, um die Erhöhungs-Vertiefungs-Fläche aufzuschmelzen. Der unterste Satz Ausformer wird dann weggezogen, angehoben und in die Vertiefungen der neu hergestellten obersten Reihe von Wabenzellen eingefügt, und wird der oberste Satz Ausformer in dem Verfahren. Als Ergebnis ist das Wabenmaterial um die Größe einer halben Zellenhöhe vergrößert worden, oder eine ganze, vollständige Zellenreihe.
Wie Fig. 1 weiter zeigt, kann die Höhe beider Sätze von Metallausformern (1 und 4) durch Anheben oder Absenken der Höhe des Bettrahmens (5) eingestellt werden. Unterschiedliche Einrichtungen können zur Ausführung diese Anhebens oder Absenkens eingesetzt werden, beispielsweise hydraulische oder pneumatische Kolben (6). Die Halteblöcke der Ausformer können frei schwimmend oder angelenkt sein, werden aber vorzugsweise in ihrer Bewegung durch Verwendung von Linearführungen (7) reguliert, die an Säulenblöcken (8) gehalten sind. Andere äquivalente Einrichtungen zum Anheben und/oder Absenken der Ausformer sind für einen Fachmann offensichtlich.
Nachdem die oberste Wellung mit dem existierenden Wabenmaterial verschmolzen worden ist, werden die untersten Stangen (1) weggezogen, wie bereits festgestellt, mit Kolben (6) auf eine solche Höhe angehoben, daß die Stangen die Dicke der zuletzt verschmolzenen Erhöhungs-Vertiefungs-Flächen freigeben, und erneut eingefügt, wodurch sie die obersten Ausformer in dem Verfahren werden. Beide Bettrahmen werden dann um eine halbe Zellenhöhe abgesenkt, und die jetzt obersten Stangen leicht abgesenkt, um einen Druck zwischen den beiden Ausformersätzen und dem dazwischen befindlichen Wabenmaterial auszuüben. Die Anhebe- und Absenksequenz kann variiert werden, solange das Endergebnis gleich oder gleichwertig ist. In Fig. 1 erfolgt die Verfestigung durch Zahnwalzen (9) und nicht dargestellte Heizluft-Beheizungsmittel.
Die Wabenausformungsfolge ist in Fig. 2A-2C dargestellt, die einen Querschnitt durch Fig. 1 zeigen, aber mit vorhandenem Wabenmaterial. In Fig. 2A ist bei (1) die unterste Reihe von Stangen oder Ausformern, die sich in der obersten Zellenlage eines Wabenmaterials (2) befindet. Die oberste Reihe von Ausformern (4) ist in die Vertiefungen eingeschoben und nach unten gespannt, wodurch das Wabenmaterial (2) zwischen den unteren (1) und obersten (4) Ausformern eingefaßt ist. Eine Lage einer gewellten, faserverstärkten thermoplastischen Bahn oder einer gewellten, unverstärkten Bahn (3) wird auf die obersten Stangen (4) gelegt und an der Erhöhungs-Vertiefungs-Fläche (5) verfestigt. Die untersten Ausformer (1) werden dann weggezogen, um einen Betrag angehoben, der gleich oder größer als die Dicke der verfestigten Erhöhungs-Vertiefungs-Fläche ist und wieder eingesetzt, woraus sich Fig. 2B ergibt.
In Fig. 2B sind die Bezugszeichen nach Fig. 2A beibehalten. Es sei bemerkt, daß die untersten Ausformer (1) aus Fig. 2A in Fig. 2B die obersten Ausformer (1) geworden sind, während die obersten Ausformer (4) aus Fig. 2A nunmehr die untersten Ausformer (4) in Fig. 2B sind, und die Breite des Wabenmaterials (2) um eine halbe Zelle zugenommen hat. Eine weitere Lage der gewellten Bahn wird aufgelegt, mit Wärme und Druck verfestigt, und die untersten Ausformer (4) weggezogen, angehoben und erneut eingefügt, wodurch sie wiederum die obersten Ausformer (4) in Fig. 2C werden, wie auch in Fig. 2A, wobei bemerkt sei, daß die Wabenstruktur (2) in Fig. 2C ihre Breite nun um eine volle Zelle vergrößert hat. Dieses Verfahren wird wiederholt, bis eine Wabenstruktur mit der gewünschten Breite hergestellt ist.
Bei der praktischen Ausführung der vorliegenden Erfindung nach der vorangehenden Beschreibung ist es notwendig, die Erhöhungs-Vertiefungs-Flächen zu erwärmen und Druck auszuüben, damit diese Flächen aufschmelzen und ineinander diffundieren, um eine feste Bindung herzustellen. Dieser Vorgang kann in manchen Fällen durch Ablagern eines geeigneten Klebstoffilms auf den einander gegenüberstehenden Flächen von Erhöhungen und Vertiefungen unterstützt werden; diese Vorgehensweise ist allerdings unzweckmäßig, da sie zusätzliche Schritte und Material erfordert.
Viele äquivalente Mittel zum Beheizen und Schmelzverschweißen der Erhöhungs-Vertiefungs-Kontakt flächen können in Betracht gezogen werden, aber bevorzugt wird mehr als eine Kontaktfläche gleichzeitig verschmolzen. Ein solches Mittel, ein Beheizungsschuh, ist in Fig. 3 und 6 dargestellt. Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist der Beheizungsschuh (4) so angeordnet, daß die Vorsprünge (2) auf der Unterseite des Beheizungsschuhs den Vertiefungshohlräumen (1) auf der oberen faserverstärkten thermoplastischen oder unverstärkten thermoplastischen, gewellten Platte entsprechen. Der Beheizungsschuh wird in einer zu den Wellungen parallelen Richtung über das Wabenmaterial gestreift, d.h. in Dickenrichtung. Die Unterseite des Beheizungsschuhs, die aus Metall, Keramik, Graphit oder anderem Material bestehen kann, hat Vorsprünge (2) an der Unterseite, deren Form und räumliche Frequenz mit Zellenform und Breite des Wabenmaterials übereinstimmen. Die Breite des Beheizungsschuhs stimmt vorzugsweise mit der Länge des herzustellenden Wabenmaterials überein, da eine solche Größe die Verschmelzung einer gesamten halben Zellentiefe des Wabenmaterials über die Länge des Wabenmatenais in einem Durchgang des Beheizungsschuhs ermöglicht. Indes ist es auch möglich, einen Beheizungsschuh zu verwenden, dessen Breite beispielsweise einen ganzen Bruchteil der Wabenbreite beträgt und den Beheizungsschuh so einzuteilen, daß er mehrfache Durchgänge ausführt. Alternativ können mehrere Beheizungsschuhe verwendet werden, von denen jeder Erhöhungen und Vertiefungen entlang eines Abschnitts der Wabenlänge verschmilzt.
Der Beheizungsschuh enthält weiterhin eine integrale Beheizungseinrichtung, die ausreicht, um die Bodenfläche des Beheizungsschuhs an oder oberhalb der Schmelztemperatur des thermoplastischen Materials zu halten. Diese Beheizungseinrichtung kann aus widerstandsbeheizten Spulen, Heizpatronen oder heißer Luft bestehen, die durch flexible Metallschläuche zugeführt wird. Heizpatronen sind in Fig. 3 bei (3) vom Ende her dargestellt. Fig. 6 zeigt einen Beheizungsschuh, der einen Luftverteiler enthält. Heiße Luft zum Beheizen oder kalte Luft zum Kühlen wird in den Verteilereinlaß (1) geleitet und an Beheizungs- und Kühldurchlässe (2) verteilt. Befestigungsöffnungen (3) werden zur Befestigung des Beheizungsschuhs bzw. der - platte an der nicht dargestellten Anordnung verwendet, die dazu dient, die Druckplatte unter Druck quer über die Wabe zu bewegen, um die Verschmelzung auszuführen. Vorzugsweise sind die in Längsrichtung verlaufenden Vorsprünge (4) mit einem Radius über die Oberfläche (5) versehen, entlang der Breitenrichtung der Wabe, um den Druck wirksamer auf die Erhöhungs- Vertiefungs-Kontaktzone zu übertragen und um ein Ansammeln von Harz auf der Schuhoberfläche zu vermeiden. Obwohl es sich nicht als notwendig gezeigt hat, Loslösungsmittel auf den Schuh oder die thermoplastische Plattenoberfläche aufzubringen, können solche Beschichtungen in manchen Fällen zweckmäßig sein. Es ist auch möglich, die Oberfläche der Vorsprünge (4) mit einer gleitfähigen oder nicht klebenden Beschichtung zu versehen, um möglichst ein Ansammeln von Harz zu vermeiden. Diese Technik ist besonders zweckmäßig mit niedrigschmelzenden Thermoplasten, kann aber bei Thermoplasten mit höheren Schmelztemperaturen wegen der Dauerhaftigkeit der Beschichtung und ihrer Unfähigkeit, bei erhöhten Temperaturen an der heißen Schuhoberf läche zu haften, Probleme bereiten. Ein Vorteil des Bindeverfahrens mit einem Beheizungsschuh besteht darin, daß der Beheizungsschuh vor dem Verlassen der Schmelzzone nicht abgekühlt werden muß, da er mit gleitender Bewegung aus diesem Bereich entfernt wird.
Ein alternatives Mittel zum Verschmelzen der Erhöhungs-Vertiefungs-Paßflächen der gewellten faserverstärkten thermoplastischen Platten ist die Verwendung einer beheizten Druckplatte. Eine solche Druckplatte ist ebenfalls in Fig. 6 dargestellt. Die Riffeln oder Vorsprünge (4) von der Oberfläche der Druckplatte entsprechen der Form und räumlichen Frequenz der Wabenzellen. Wie bei dem gleitenden Beheizungsschuh kann der Querschnitt quadratisch sein für Zellformen, die eine ebene Erhöhungs-Vertiefungsfläche haben, obwohl die Zellform sechseckig ist, da normalerweise keine Notwendigkeit besteht, die nicht zusammengehörigen Flächen der Zelle (die Zellwände) zu erwärmen. Die erwärmte Druckplatte wird eine zeitlang und unter ausreichendem Druck, um die Verschmelzung an den Erhöhungs- Vertiefungs-Flächen der gewellten thermoplastischen Platten zu bewirken, auf die freiliegende Wabenoberfläche gedrückt. Der erforderliche Druck beträgt häufig 50 psi (0,34 Mpa) oder mehr an der Erhöhungs-Vertiefungs-Fläche, was 45 Tonnen Druck auf einer Plattenoberfläche von 12" x 48" (30,5 cm x 112 cm) bedeutet. Dieser große Druck hat Nachteile bei der Verwendung derartiger Druckplatten zur Folge, da er sowohl von der Druckplatte als auch von der Maschine und dem Maschinenbett eine tragfähige Konstruktion erfordert. Der wesentliche Unterschied zwischen dem Beheizungsschuh und der Druckplatte besteht darin, daß die Druckplatte auf die zu verfestigende Wabenstruktur im allgemeinen nur mit einer Auf- und Abwärtsbewegung aufgesetzt wird, während der Beheizungsschuh in einer Gleitbewegung über die Wabe gefahren wird. Weiterhin sind Beheizungsschuhe im allgemeinen über die Fläche (5) in Fig. 6 gerundet, was zu konkaven Zähnen führt, die für eine geringere Harzaufnahme sorgen und auf die zu verfestigende Fläche entweder in einer Rollbewegung oder einer Gleitbewegung angewendet werden können
Ein weiterer Nachteil der Druckplattenverschmelzung besteht darin, daß die Druckplatte unterhalb der thermoplastischen Verschmelzungstemperatur abgekühlt werden muß, bevor sie von den Verbindungsflächen entfernt wird, da sie normalerweise nicht durch eine Gleitbewegung entfernt wird. Wenn die Temperatur zu hoch ist, kann ein Abheben des Harzes auftreten. Selbst bei geringeren Temperaturen kann Harzübertragung ein Problem sein, weshalb die Verwendung von Ablösemitteln notwendig sein kann. Normale Ablösungsmittel wie Frekote -Ablösungsmittel können auf die Vertiefung zugemessen oder aufgetragen werden, die oben auf der Erhöhungs-Vertiefungs-Fläche liegt, welche in Kontakt mit den Druckplattenvorsprüngen ist, oder auf die Oberseite der Plattenforsprünge aufgebracht werden, beispielsweise mit einer Walze oder gleichwertigen Mitteln. Es muß darauf geachtet werden, daß die Ablösungsbeschichtung die Erhöhungsflächen der oberen Lage der gewellten thermoplastischen Platten nicht berührt, welche anschließend mit den Vertiefungen der noch auf zulegenden nächsten Platte zu verbinden sind.
Aufgrund des durch die Druckplatte auszuübenden Drucks können sich die in der Anordnung vorhandenen Ausformer nach unten biegen, insbesondere entlang des mittleren Abschnitts, der am weitesten von den Bettkanten entfernt ist. Um einen gleichmäßigen und angemessenen Druck entlang der gesamten Wabenbreite zu gewährleisten, kann die Druckplattenoberfläche leicht konvex bearbeitet sein, wie zuvor angegeben, um die Verlagerung der Stangen zu berücksichtigen.
Da die Druckplatte Erwärmungs und Abkühlungszyklen durchlaufen muß, ist die Geschwindigkeit, mit der diese Zyklen durchlaufen werden können, aus Produktionsgesichtspunkten von Bedeutung. Aus diesem Grunde kann es vorteilhaft sein, aus monolitischem Graphit aufgebaute Druckplatten zu verwenden. Solche Druckplatten sind in der parallelen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 07/513634, eingereicht am 24. April 1990 mit dem Titel "Monolithic Graphic Press Platens and Their Use in Consolidating Fiber Reinforced Structural Materials" beschrieben, auf deren Offenbarung hierdurch Bezug genommen wird. Um die weiche Graphitoberfläche zu schützen, kann die Graphitdruckplatte mit einer dünnen Metallbeschichtung versehen sein, wie in der parallelen US-Anmeldung mit der Seriennummer 07/488932 beschrieben, auf deren Offenbarung ebenfalls Bezug genommen wird. Die Graphitplatten haben den doppelten Vorteil höherer Wärmeübertragungsraten, oft doppelt so groß wie von Stahlplatten, und den, daß die Temperaturgleichmäßigkeit über die Plattenoberfläche größer ist.
Beheizte Drittausformer könnten ebenfalls verwendet werden, wobei dieses Verfahren allerdings Probleme mit der gleichmäßigen Druckbeaufschlagung bereitet, obwohl eine Druckplatte oberhalb der Stangen zum Vermeiden dieses Nachteils verwendet werden könnte. Ein alternatives Verfahren zum Verschmelzen besteht darin, Wärme mit geeigneten Mitteln an die Erhöhungs- Vertiefungs-Fläche zuzuführen, beispielsweise durch fokussierte Infrarotstrahlung, Ultraschallenergie, Laserenergie oder Warmluft, und eine der zuvor genannten Vorrichtungen zu verwenden, d.h. Schuh, Druckplatte, Stange oder eine andere entsprechende Einrichtung, lediglich um Druck auszuüben. Diese Vorrichtungen können ebenfalls eine gewisse Erwärmung erfordern, um die Wärmeübertragung auszugleichen, die notwendigerweise während der Druckverschmelzung auftritt. In diesem Fall sind die Erwärmungs- und Abkühlzyklen und das Ausmaß der Erwärmung wesentlich geringer, da ein wesentlicher Teil der Wärme unmittelbar der Erhöhungs-Vertiefungsfläche selbst zugeführt wird als lediglich durch den Schuh, die Druckplatte oder Stange. Das bei weitem schnellste Verfahren erhält man, wenn lediglich die faserverstärkte oder unverstärkte Bahn selbst mit ihrer geringen thermischen Masse erwärmt wird.
Eine alternative Vorgehensweise für die Herstellung thermoplastischer Wabenstrukturen ist durch die Vorrichtung in Fig. 4 und 9 bis 11 erläutert. Dieses Verfahren ist ähnlich wie das zuvor beschriebene, allerdings ist der Verschmelzungsschritt verbessert und der Wellungsschritt kann in das Verfahren eingegliedert sein. Bei diesen bevorzugten Verfahren werden die untersten Ausformer (7) durch die obersten Wabenzellen in den Bettrahmen wie zuvor eingeschoben, die obersten Stangen (6) eingeschoben und eine gewellte faserverstärkte thermoplastische Bahn auf den obersten Stangen positioniert. Die gewellte Platte oder Bahn kann vorgewellt sein oder beim Auflegen gewellt werden. Die zusammengehörigen Erhebungs-Vertiefungs-Flächen werden dann selektiv durch dielektrische Erwärmung, fokussierte Infrarotstrahlung, Heißgas oder sonstige äquivalente Mittel selektiv erwärmt, und der zum Schmelzen erforderliche Druck durch einen gezahnten Zylinder zugeführt, der sich quer zur Wellungsrichtung (längs der Wabenlänge) bewegt. Diese Kombination kann auch parallel zur Zellenrichtung verwendet werden, wenn sich die Bahn bereits an Ort und Stelle befindet und mittels Drittformern dort gehalten wirdm und in manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, die berührungsfreien Bereiche der obersten thermoplastischen Platte von der Wärmequelle mit einem geeigneten Ablenkblech mit längs verlaufenden Schlitzen abzuschirmen, deren räumliche Frequenz der Erhöhungs-Vertiefungs-Frequenz und deren Ort entspricht. Dieses Verfahren, ohne Umlenkblech, zeigt Fig. 4. In Fig. 4 führt ein gezahnter Zylinder oder Rad (1) der Erhöhungs-Vertiefungs-Berührungszone (2) Druck zu, während er über die Wabenoberseite rollt. Das gezahnte Rad hat vorzugsweise eine Breite, die gleich der Wabendicke ist, oder einen wesentlichen Bruchteil davon, d.h. größer als ein Drittel der Dickenabmessung, vorzugsweise mehr als die Hälfte der Dickenabmessung. Eine Beheizungseinrichtung (3), hier ein Heißgasstrahl, geht dem Weg des Zylinders voraus. Die Zähne des Zylinders haben vorzugsweise eine konvexe Oberfläche, so daß der Druck bei der Rollbewegung weich aufgebracht wird. Ungewelltes Bahnmaterial (4) wird durch eine Führung (5) zugeführt. Wellung und Verfestigung werden dadurch in das Herstellverfahren integriert. Die obersten (6) und untersten (7) Ausformer werden weggezogen und erneut eingeschoben, wie vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2A-2C beschrieben.
Anstelle eines gezahnten Zylinders kann ein Käfigzylinder mit Stangen geeigneter Geometrie verwendet werden. Dieses Verfahren weist allerdings den zweifachen Nachteil auf, daß sich die Stangen verbiegen können, insbesondere bei Wabenmaterial mit kleiner Zellenbreite, und daß die Stangen nicht die gleiche thermische Masse des Zylinders haben. Der Zylinder oder Käfig wird nicht beheizt, sondern soll auf einer genügend niedrigen Temperatur gehalten werden, damit Harzübertragung vermieden wird. Mit dem Verfahren mit gezahnter Walze kann die Wabenverfestigung mit einer Geschwindigkeit von 15 geradlinigen Inch/sec. (38 cm/sec) oder mehr erfolgen. Alternative Geometrien von vier und fünf gezahnten Walzen sind in Fig. 8A und 8B dargestellt. Ein länglicher Tauchkolben mit geeigneter Geometrie oder eine sonstige geeignete Einrichtung kann ebenfalls verwendet werden.
In dieser höchst bevorzugten Ausführungsform wird die thermoplastische Bahn in einem integrierten Schritt gewellt und verschmolzen. Durch dieses Verfahren werden die mit der Handhabung vorgewellter Bahnen zusammenhängenden Probleme vermieden. Dies ist wichtig, da es manchmal schwierig ist, gewelltes Material mit genauen Abmessungen vorzubereiten. Ferner ist es oft schwierig, derartiges Material auf die obere Wabenfläche ohne Dehnen oder Verformen der Bahn und damit der räumlichen Erhöhungs-Vertiefungs-Beziehung zuzuführen. Bei diesem bevorzugten Verfahren wird die thermoplastische Bahn von einer Rolle in ungewelltem Zustand zugeführt. Die Bahn wird oben auf die oberste Lage Waben aufgelegt, und sowohl Waben als auch Bahn gleichzeitig beheizt. Die Bahn wird durch das nachlaufende gezahnte Rad gleichzeitig gewellt und verschmolzen, wie zuvor beschrieben.
Die Verwendung eines gezahnten Zylinders, einer Käfigrolle oder eines Aquivalenz ist besonders zweckmäßig bei der vorliegenden Erfindung, da die so auf der Bahn erzeugte Spannung die geschlitzten Flächen dazu veranlaßt, aneinanderzustoßen, wobei eine scheinbar einteilige Wabenstruktur gebildet wird, die indes leicht von Hand entlang der durch die Schlitze in aufeinanderfolgenden Lagen gebildete Fläche getrennt werden kann. Bei diesem Verfahren wird die Bahn unmittelbar vor der Wellung durch die Wellungs-Verfestigungswalze geschlitzt.
Fig. 11A und 11B zeigen vergrößert den Verfestigungsvorgang, in diesem Falle unter Verwendung einer gezahnten Walze, dem bevorzugten Verfahren, mit Heißgas, Mikrowellen- oder Strahlungsbeheizung (Beheizungseinrichtung nicht dargestellt). In Fig. 11A liegt die obere Bahn (6) aus faserverstärktem Material über dem obersten Satz von Stangen, wovon (1) das am weitesten linke Teil in der Darstellung ist. Die untere Bahn (5) liegt über dem untersten Stangensatz, von dem (2) das am weitesten linke, vollständig dargestellte Teil ist, und zwischen den obersten und untersten Stangen. Die ungewellte Dicke einer Bahn ist bei B-B dargestellt. Bei (3) in Fig. 11A ist die verfestigte Bahn dargestellt, die im Schnitt bei A-A etwa 80% der doppelten Dicke B-B beträgt. Bei der Wellung/Verfestigung werden die Bahnen aufgeheizt, und die Wellungs-Verfestigungswalze (9 in Fig. 11B) legt sich darauf und verfestigt die Bahnen bei (4) in Fig. 11A. Fig. 11B zeigt den Kompaktierungsgrad, der von praktisch 100%, wenn alle Bahnen thermoplastisch sind, bis 70-50% oder weniger der ursprünglichen zweilagigen Dicke bei faserverstärkten Materialien variieren kann. Je höher der Grad an thermoplastischer Imprägnierung ist, desto größer ist der voraussichtliche Kompaktierungsgrad.
Wiederum unter Bezugnahme auf Fig. 11B, ist der Querschnitt B- B die unverfestigte zweilagige Dicke, während die verfestigte Dicke bei A-A etwa 80% der Dicke bei B-B beträgt. Bei (8) ist die Seitenwand der Wabe dargestellt, die im wesentlichen gleich dick wie die unverfestigte Bahn sein kann, oder die insbesondere im Fall hoch thermoplasthaltiger Bahnen etwas geringer als diese Dicke sein kann. Die Geometrie der Walze kann eingestellt werden, um eine hohen, geringen oder keinen Druck auf diese Seitenwandflächen auszuüben.
Wiederum bezugnehmend auf Fig. 11A ist der vollständig verfestigte Erhöhungs-Vertiefungs-Bereich mit (3) bezeichnet, und die ungewellte Bahn (7) wird durch die nicht dargestellte Walze gleichzeitig gewellt und verfestigt, wobei sie mit nicht dargestellten Beheizungsmitteln erwärmt und zwischen der Walze (4) und dem obersten Satz von Stangen bzw. Ausformern zusammengedrückt wird.
Fig. 9 zeigt eine sekundäre Bindeverfestigungsanordnung. Auf dem Weg des Verfestigungs-/Wellungsrades (1) läuft eine wahlweise angeordnete, sekundäre Verschmelzungswärmequelle (2) nach, die die bereits verschmolzene Erhöhungs-Vertiefungs- Flächen (3) für eine zweite Verschmelzung/Verfestigung erwärmt, um eine vollständigere Bindung zu erzielen. Der Verbindungsdruck wird durch die zweite Walze (4) aufgebracht, während Wärme durch den sekundären Luftstrahl (2) zugeführt wird. Die Rollen sind auf einem Schlitten (5) gehalten, der beim Erreichen des Endes des Ausformerbetts angehoben und zur Startposition zurückgefahren wird, nachdem das Ende der Bahn abgetrennt worden ist. Die sekundäre Bindungstechnik kann auch bei dem kontinuierlichen doppelten Wellungs-Verfestigungsrollensystem verwendet werden, das in Fig. 10A bis 10C dargestellt ist. In diesem Fall werden zwei Paare von sekundären Verbindungsrädern und sekundären Strahlen verwendet, einer vor und einer nach den drehbaren zentralen Wellungs/Verfestigungsrädern.
Fig. 10A bis 10C zeigen ein Verfahren zur Wabenherstellung, das das Zurückfahren der gezahnten Walze und der selektiven Beheizungseinrichtung zurück zur anfänglichen Startposition vor dem nächsten Auflegen vermeidet. In dieser Anordnung werden zwei Heißluftbeheizungseinrichtungen verwendet. Die thermoplastische Bahn wird aufgelegt, während die doppelten Verfestigungs- und Wellungswalzen (19) und (2) von links nach rechts durchlaufen. Die unterste Walze (1) führt Wellungen und Verfestigung aus. Die ungewellte Bahn (7), die geschlitzt werden kann, wenn zweckmäßig, wird durch die Führung (8) zugeführt. Heiße Luft zum Wellen und Verschmelzen der Bahn wird durch den Heißluftstrahl (3) erzeugt, ähnlich zu dem in Fig. 7 und 12 dargestellten. Wenn die vorrückende Bahn den letzten Ausformer (4) am Rand des Betts erreicht, wird die Gasströmung zur Beheizungseinrichtung (3) abgeschaltet, die unterste Reihe der Ausformer zurückgezogen, um ein geringfügig größeres Maß als die Höhe der verfestigten Erhöhungs-Vertiefungs-Dicke angehoben, erneut eingesetzt, wobei sie die oberste Ausformerreihe wird, und auf die Waben abgesenkt, vorzugsweise unter Ausübung eines Drucks zwischen der obersten Wabenschicht und dem unteren Ausformersatz. Der die Wellungs/Verfestigungsdoppelrollen enthaltende Schlitten (5) dreht sich dann im Uhrzeigersinn, wie in Fig. 10B dargestellt, wenn die Stangen ausgetauscht werden, wodurch die Bahn um den obersten Ausformer am Ende (4 in Fig. 10C) herumgeschlungen wird. Die Walzen laufen dann von rechts nach links, wobei das am weitesten links befindliche Luftbeheizungsmittel (6) eingeschaltet ist, um die Bahn auf die Verfestigungstemperatur aufzuheizen. Am Ende seines Wegs wird der am weitesten links befindliche Heißgasstrahl (6) abgeschaltet, die untersten Ausformer zurückgezogen, angehoben, eingeschoben und festgespannt wie zuvor, und der Verfestigungsradschlitten im Gegenuhrzeigersinn in die Ausgangsposition gedreht. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die gewünschte Wabenbreite erreicht ist.
Fig. 10B zeigt die Vorrichtung nach Fig. 10A in teilweiser Drehung im Uhrzeigersinn, in diesem Fall teilweise bettabwärts ziemlich am Ende. Es ist möglich, einen beliebigen Ausformer zum "letzten" Ausformer zu machen. Fig. 10C zeigt, wie die Vorrichtung von rechts nach links durchläuft, während der Heißgasstrahl (6) Wärme zuführt und der Strahl (3) abgeschaltet ist. Die ungewellte Bahn (7) wird über die Führung (8) zwischen den beiden Walzen (1) und (2) zugeführt.
Fig. 12 zeigt eine Anordnung einer Gasbeaufschlagungsdüse (2), wobei sich gezeigt hat, daß diese eine unvollständige Verfestigung der Erhöhungs-Vertiefungs-Bereiche vermeidet, wenn sie mit einer mit vier oder fünf Zähnen versehenen Verfestigungswalze verwendet wird. Unter Bezugnahme auf Fig. 12 verläßt der größte Teil der Heißgaszufuhr durch Rohr (1) die Düse durch Schlitz (3). Kleine Öffnungen (5) führen zu Heißgasstrahlen 4, die auf die Unterseite der ungewellten Bahn, die aufgebracht wird, auftreffen. Die erweiterte Düse enthält ein innenliegendes Umlenkblech, das den Hauptgasstrom vom Nebenstrom trennt. Durch Verwendung der erweiterten Düse wird der Abschattungsbereich in den Vertiefungen vermieden, was zu einer vollständigen Verfestigung führt.
Nach der Wabenherstellung wird die Wabenstruktur entlang der durch die sich wiederholenden Lagen geschlitzten Materials definierten Flächen auseinandergeteilt. Dieser Vorgang wird von Hand ausgeführt und führt im allgemeinen nicht zu einer Beschädigung des Wabenmaterials. Gelegentlich kann ein scharfes Messer beim Durchtrennen bestimmter Bereiche des Wabenmaterials nützlich sein, aber dies ist im allgemeinen nicht erforderlich. Eine Zeichung einer fertigen Wabenstruktur mit mehreren eingebetteten Formen zeigt Fig. 13.
Fig. 13 erläutert einen aufeinandergeschichteten Wabenblock, der eine Anzahl unterschiedlicher Formen enthält. Buchstaben A-O bezeichnen die aufeinanderfolgenden Schichten der thermoplastischen Bahn&sub1; die zur Herstellung der Wabe aufeinandergelegt sind. Bezugszeichen 1-13 bezeichnen die unterschiedlichen herzustellenden Formen. Schicht A bezeichnet die letzte Schicht, die in dem Verfahren gewellt und verschmolzen wird, um die oberste Reihe Wabenzellen zu bilden. Zur Klarheit und Erleichterung der Zeichnung sind nur zwei Zellendicken mit (15) entlang der Längenrichtung der Struktur dargestellt. Die oberste Bahn (A) wird in ursprünglicher, ungewellter, geschlitzter Form (14) zugeführt. Schlitze (16) sind diejenigen, die zur Bildung der Ränder der Formen 2, 3 und 4 in der obersten Schicht A notwendig sind. Die Ränder der übrigen Formen, die die oberste Schicht A schneiden, sind in ähnlicher Weise dargestellt. Für Formen, deren Grenzen nicht senkrecht zu den Wabenabmessungen sind, wie 1 und 8 bis 13, verändert sich die Position der Schlitze in aufeinanderfolgenden Schichten O-A, wobei die Position des Schlitzes durch den Schnitt der Formengrenzen mit der Ebene der Bahnschicht festgelegt ist. Wegen der kontinuierlichen Art des zur Herstellung der Waben verwendeten Verfahrens haben die obere (17) und untere (18) Zellwand eine größere Dicke als die anderen vier Zellwände, da die oberen und unteren Wände aus zwei miteinander verschmolzenen Schichten aus Bahnmaterial gebildet sind.
Fig. 14 erläutert, wie die Bahnschichten O-A geschlitzt werden müssen, um die Form 1 in Fig. 13 zu bilden. In Fig. 14 ist (1) die dreieckige auszubildende Querschnittsform, während Buchstaben O-A aufeinanderfolgenden Bahnschichten bedeuten, die zur Ausbildung dieser Form benötigt werden, wobei die Schlitze in jeder Bahn bei (2) gemacht werden, entlang des Schnitts des Randes der Form (1) mit den Bahnschichten O-A.
Fig. 15 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht der durch den Wabenaufbau und das Schlitzschema nach Fig. 13 erzeugten Formen. Die Formen (1) bis (13) tragen die gleiche Numerierung wie in Fig. 13.
Die nachstehenden Beispiele sind mit zahlreichen Faserverstärkungen ausgeführt worden, beispielsweise Glasfaserbahnen mit 108, 112, 120 und 7781 Webstil und ein bis drei oz. ungewebte Bahnen; Kohlefaserbahnen aus kollimiertem, einseitig gerichtetem Band, 282 Webstil, und 0,5 bis 4 oz. ungewebtes; und Nomex -Fasern in einer Kendall-Stil 1209 ungewebten Bahn. Tyvek -Stil 1085A spinngebundene 100% Polyphenylen-Bahn, Typar -Stil 3353 100% Polypropylen-Bahn und Reemay -Stil T-550 100% Polyesterbahn sind ebenfalls eingesetzt worden. Verwendete Harze waren Polyethersulfon, Polyphenylensulfid, Polyetherimid, Polyetheretherketon, Polyetherketonketon, ULTRASON 2000 Flüssigkristallpolymer, Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephtalat und Nylon. Beispiele 1 bis 7 erläutern die kontinuierliche Herstellung von einteiligem (nicht trennbarem) Wabenmaterial, während Beispiele 8 bis 9 die Herstellung von Wabenmaterial mit eingebetteten trennbaren Formen zeigen.

Beispiel 1

Eine Vielfalt von thermoplastischen faserverstärkten Waben wurden mit 1/8" und 1/4" Zellengrößen hergestellt, wobei die Vorrichtung nach Fig. 1 ohne die Zahnrad-Verfestigungswalze, sondern mit abrollenden und gleitenden Beheizungsschuhen verwendet wurde. Der abrollende Beheizungsschuh hatte eine Oberfläche mit 7-Zoll-Radius, beheizt von einer Watlow-Beheizungspatrone mit 2000 Watt, aufgeheizt auf 1000 F (538ºC), was zu einer Kontaktoberflächentemperatur von 700 bis 900 F (371 bis 482ºC) führte. Der Druck auf der Erhöhungs-Vertiefungs-Fläche variierte zwischen 80 und 140 psi. Die Verbindungsgeschwindigkeit in Richtung quer zu den Wellungen (entlang der Wellungslänge betrug 2 bis 6 Inch (5 bis 15 cm/sec.).
Die verwendeten Gleitdruckplatten variierten von 1" (2,5 cm) bis 6" (15 cm) in Erhöhungsrichtung. Einzelne gleitende Beheizungsschuhe mit Erhöhungsbreite (gleitende Druckplatten) wie auch solche, die der Breite des gesamten Wabenmaterials entsprachen, wurden verwendet. Die Quergeschwindigkeit wurde wie bei der vorstehend beschriebenen abrollenden Druckplatte variiert. Die verwendeten Plattenmaterialien beinhalteten rostfreien Stahl, Aluminium und monolithischen Graphit. Die Beheizung erfolgte durch Bandbeheizungen (1000 bis 3000 Watt Watbw), die in ständigem Kontakt mit der Plattenoberfläche standen. Die gleitende Einzelerhöhungsdruckplatte hatte eine 1/8"- Durchmesser Beheizungspatrone, umhüllt mit 2 mil rostfreier Stahlfolie, wobei diese Beheizungseinrichtung die unterste Fläche der Druckplatte bildete. Heiztemperaturen variierten zwischen 800 und 1200ºF (427 bis 649ºC), was zu Temperaturen an der Bahnoberfläche zwischen 650 und 850ºF (343 bis 454ºC) führte. Typische Drücke an der Bahnoberfläche lagen zwischen 80 und 160 psi.

Beispiel 2

Man folgte den Vorgehensweisen nach Beispiel 1, verwendete aber eine feststehende Druckplatte wie in Fig. 6 (keine abrollende oder gleitende Bewegung). Graphit- und Keramikdruckplatten waren die Plattenmaterialien der Wahl, da sich die Platten vor dem Abnehmen von den verschmolzenen Erhöhungs-Vertiefungs- Bereichen abkühlen müssen. Schnelle thermische Zyklen verlangten eine Druckplatte mit geringer thermischer Masse. Bandheizgeräte im Kontakt mit der Oberseite der Plattenoberfläche zeigten eine langsame Aufheizung (7 bis 10 min/Zyklus). Typische Heiztemperaturen lagen im Bereich von 1200 bis 1500 F (649 bis 816ºC). Die bevorzugte Heizquelle war ein HTT-Moen- System mit Heißluftbeaufschlagung auf die Oberseite der Druckplatte. Die öffnungsgröße der Luftstrahlen lag im Bereich von 0,020" (0,05 cm) bis 0,100" (0,25 cm) mit einem Verhältnis von Abstand zur Plattenoberfläche/Öffnungsgröße zwischen 2 und 8. Komprimierte Luft bei 1200 bis 1600 F (649 bis 871ºC) wurde bei einem Gegendruck von 10 bis 29 psig zugeführt. Mit diesem Verfahren wurden Zykluszeiten von 1 bis 4 min. beobachtet, wobei die thermoplastischen Matrizen Tg's im Bereich von 400 F (204ºC) und Schmelztemperaturen zwischen 650 und 800 F (343ºC bis 427ºC) aufwiesen, wie PEEK Polyetherkethon oder PES Polyethersulfon.

Beispiel 3

Bei nach diesem Beispiel hergestelltem Wabenmaterial wurde zunächst eine vorgewellte Platte wie in Beispiel 1 aufgelegt und Warmluft oder Infrarotwärme verwendet, um die thermoplastische Bahn zu erwärmen. Verfestigung erfolgte mit einer abrollenden, gleitenden oder feststehenden Druckplatte, wie in Beispiel 1 und 2. Ein Nachteil bei diesem Verfahren ist, daß ein Spannmechanismus verwendet werden muß, da sich die gewellte Bahn sonst beim Erwärmen verformt und die Erhöhungs-Vertiefungs-Bereiche verschieben.

Beispiel 4

Das Ausformerbett nach Fig. 1 wird verwendet, mit einer Wellungs/Verfestigungswalze mit zehn Zähnen, wie Fig. 4 zeigt. Teilung und Geometrie der Walzenzähne basieren auf der gewünschten Wabengeometrie (Ausformergestaltung), wobei die Dicke der Bahn berücksichtigt werden muß. Herkömmliche Auslegungstechniken wurden verwendet, um die für jede Probe geeignete Geometrie zu bestimmen. Fig. 4 zeigt die in diesem Beispiel verwendete Zahnradgeometrie.
Ein Heißluftstrahl mit der in Fig. 7 gezeigten Geometrie wurde verwendet, um Heißluft an die ungewellte thermoplastische Bahn unmittelbar vor ihrer Wellung/Verfestigung zuzuführen, wie in Fig. 4 mit 2 bezeichnet. Ein ADC-Heißgasbrenner mit Stickstoffbetrieb bei einem Rückdruck von zwischen 50 und 100 psig und einem Strömungsdurchsatz von zwischen 50 und 100 SCFM erzeugte eine Ausgastemperatur von typischerweise 1100 bis 1400 F (593 bis 760ºC) und 800 bis 900 F (427 bis 482ºC) an den Bahnoberflächen. Eine HTT Moen-Einheit mit Druckluft wurde ebenfalls verwendet. Düsenart und -größe hängt von Materialzusammensetzung und Breite ab, aber typische Düsen hatten ein Verhältnis von Abstand zur Bahn/Öffnungsgröße zwischen 2 und 8.
Das ungewellte Material wurde mit eingeschalteten Heißluftstrahlen auf die obere Wabenfläche zugeführt, wobei die Walzen mit Geschwindigkeiten zwischen 1 und 20 Inch/sec (2,5 bis 51 cm/sec) und typischerweise zwischen 6 und 12 Inch/sec (15 bis 30 cm/sec) liefen, bei einem Druck auf die Erh"hungs-Vertiefungs-Fläche von 50 bis 300 psi und typischerweise zwischen 80 und 160 psi. Beispiele von gemessenen Verfestigungsgeschwindigkeiten, die erreicht wurden, sind 10 Inch/sec (25,4 cm/sec) mit 7781 gewebtem Glasfaser/Polyphenylensulfid; 6 Inch/sec (15,2 cm/sec) mit 112 gewebtem Glas/Polyethersulfon; und Tyvek , Typar und Reemay Ungewebtes mit 15 ips (38,1 cm/sec). Die in diesem Beispiel verwendete Breite der Walze betrug 11,5 Inch (29,2 cm).
Wenn Walze und Bahn das Ende der Ausformerreihe erreichten, wurde die Gasströmung unterbrochen, das Gewebe mit einem Rasiermesser abgeschnitten und Walze und ungewellte Bahn zur Startposition zurückgefahren. An dieser Position wurden die untersten Stangen zurückgezogen, um einen Abstand größer als die Dicke der verfestigten Erhöhungs-Vertiefungs-Fläche angehoben, erneut eingeschoben und nach unten gespannt. Das Verfahren der Wellung/Verfestigung wurde dann wiederholt, bis die gewünschte Wabenbreite erreicht war.
Dieses Verfahren führte zu gleichmäßigeren Bahnen mit vollkommenerer Zellform. Bei manchen Bahnmateralien wurde eine unvollständige Bindung des Erhöhungs-Vertiefungs-Bereichs in dem am weitesten von der vorrückenden Zahnwalze gelegenen Gebiet bemerkt. Eine Veränderung der Düsenauslegung löste dieses Problem, beispielsweise durch Verwendung der vier- und fünfzahnigen Verfestigungswalzen nach Fig. 8A und 8B mit dem modifizierten Gasbeaufschlagungsbeheizer nach Fig. 12. Ein zweiter Verschmelzungsschritt, wie in Fig. 9 dargestellt, würde auch zu einer besseren Verfestigung führen.
Wabenmaterial mit 3,3 lb/ft³ und 1/4" Zellen, nach diesem Beispiel aus 108 Stil gewobenem Glas, orientiert unter ±45º schräg zur Zellenrichtung und imprägniert mit 35 Gew.-% Polyethersulfon hergestellt, wurde hergestellt und getestet, mit den folgenden Ergebnissen:
Ebene Kompression 158 psi
Biegung 350 lbs
Plattenscherung 988 lbs
Diese Werte sind günstig im Vergleich zu Werten für duroplastisches Wabenmaterial. Allerdings ist bei thermoplastischen Waben nur 1 Minute erforderlich, um ein Kubikfuß Wabenmaterial herzustellen, ohne obere und untere Platte, während ein entsprechendes duroplastisches oder klebstoffgebundenes thermoplastisches Wabenmaterial typischerweise mehr als 24 Stunden für die Herstellung einer ähnlichen Größenstruktur erfordert.

Beispiele 5 bis 7

Induktionsbindung, Ultraschallbindung und Widerstandsbeheizung der Fasern sowie Ultraschall wurde versucht. Alle diese Versuche waren erfolgreich beim Verbinden der Materialien untereinander, aber es war schwierig, eine adäquate Verfahrensgeschwindigkeit und Beheizungsgenauigkeit zu erzielen.
Induktionsbindeversuche wurden mit der RF-Quelle eines Haushaltsmikrowellenofens ausgeführt (vermutlich arbeitend bei 2,5 GHz mit bis zu 700 Watt Ausgangsleistung) und einer rechteckigen Wellenleiterkomponente, dessen eines Ende mit der RF-Quelle verbunden war und das andere Ende mit einem RF-transparenten Epoxid als Druckfläche/Energiefenster vergossen war. Das Leistungsniveau wurde in Abhängigkeit des Harztyps, der Bahndicke und des Fasertyps variiert. Es wurden nur niedrigschmelzende Harze verwendet, wie Polyethylen und Nylon, aufgrund der Temperaturbeschränkungen des Epoxidfensters. Da die Harze von sich aus nur einen geringen oder keinen Verlustfaktor aufwiesen, war es im allgemeinen erforderlich, dem Harz eine kleine Menge eines Verlustmediums beizufügen, beispielsweise Kohlenstoffruß oder Eisenkarbonylpulver, um die Empfänglichkeit des Materials für die RF-Strahlung zu verbessern. Glasfaserverstärkte Systeme konnten in weniger als 2 Sekunden je Bindung gebunden werden, wobei allerdings das Vorhandensein von Kohlenstoffasern in dem Harz normalerweise eine ausreichende Erwärmung aufgrund der hohen Reflektivität der Fasern gegenüber der Strahlung verhindert.
Bei Ultraschallversuchen in diesem Technologiebereich wurde eine industrielle Ultraschallschweißeinheit mit 1000 Watt von Sonics and Materials verwendet. Diese Einheiten beruhen auf dem Prinzip der Umwandlung eines oszillierenden elektrischen Signals in ein mechanisches über einen Kristallkonverter. Die mechanischen Schwingungen werden dann durch ein abgestimmtes Horn geeigneter Größe geleitet. Die Verschmelzung des thermoplastischen Materials tritt auf, wenn das schwingende Horn die beiden Bahnoberflächen dazu veranlaßt, gegeneinander zu vibrieren und Reibungswärme aufzubauen, die ausreicht, um die beiden Materialien miteinander zu verschmelzen. Mehrere Hörner wurden gebaut (ein Horn mit 0,150" Frontdurchmesser und ein Horn mit einer Frontfläche von 4" x 0,144") und in den Versuchen mit Verstärkern von 1:1 bis 1:2,5 verwendet. Versuche zeigten, daß eine ausreichende Verbindungsfestigkeit in weniger als zwei Sekunden je Knoten bzw. Erhöhung-Vertiefung erzielt werden konnte. Versuche wurden anhand von Äquivalenten von Glas/PES, PPS und PEEK, sowohl gewebt als auch ungewebt, ausgeführt. Die unverstärkten Harzbahnen verbanden sich im Schnitt doppelt so schnell wie die verstärkten Versionen. Die glasverstärkten Systeme waren etwa 25 bis 50% schneller als die Graphitsysteme. Die Hornoberfläche mußte in absolut korrekter Position (parallel zur Stangenfläche von einem Ende zum anderen) sein, um eine gleichmäßige Bindung über die gesamte Knotenverbindungsfläche zu schaffen. Wenn dies nicht erfolgt, ist eine schlechte, unregelmäßige Verbindung die Folge. Aufgrund der Form des Horns ist dies schwierig und erfordert eine selbstausrichtende Befestigungsvorrichtung, die die unvermeidbaren Bahn- und Stangenunregelmäßigkeiten ausgleicht. Diese Schwierigkeit bildet dann eine mögliche Schwierigkeit für eine Hornauslegung mit mehreren Frontflächen, da es schwierig ist, eine gleichmäßige Bahndicke oder Stangenoberfläche über eine mehrfache Knotenfläche zu garantieren. Dies ist im wesentlichen das gleiche Problem wie bei der Vorgehensweise mit fester Druckplatte, wie vorstehend beschrieben, wobei mehrere einzelne Druckplattenelemente erforderlich sind. Dies funktioniert allerdings nicht so gut bei Ultraschall, da das Horn einen engen Kontakt sowohl mit der zugehörigen Verstärkeroberfläche als auch mit dem Material haben muß, damit eine optimale Energieübertragung auftritt. Daher ist die einzige möglich erscheinende Vorgehensweise die, eine Reihe von Hörnern mit einzelnen Frontflächen zu verwenden, die jeweils durch ihre eigenen Konverter betrieben werden. Dies erfordert allerdings ebenso wie die Vorgehensweise mit mehreren Druckplatten einen relativ hohen Grad an mechanischer Komplexität.
Widerstandsschweißen der Fasern selbst (Kohle oder Graphit in diesem Fall) wurde versucht. Ein AC/DC-Schweißgerät wurde verwendet, um unterschiedliche AC- und DC-Stromstärken durch die Kohlefasern zu leiten, um die umgebenden Fasern aufzuwärmen. Die Aufwärmzeiten waren sehr kurz, aber es war schwierig, ein konstantes Kontaktniveau mit den Kohlefasern beizubehalten, während die Erwärmung erfolgte, so daß der Beheizungsgrad schwierig zu steuern war. Zykluszeiten betrugen weniger als 2 Sekunden je Knoten, aber die Wärmemenge von Knoten zu Knoten war ziemlich zufällig. Diese Technik wurde auch auf die Beheizung der Stangendorne ausgeweitet. Da die ursprünglichen Stahlstangen schwierig schnell aufzuwärmen und abzukühlen waren, ohne ihre Maßhaltigkeit zu verlieren, wurden diese Metallstangen durch monolitische Karbonstangen ersetzt, geliefert von Stackpole, Inc. Eine Hochstrom/Niederspannungsenergieversorgung wurde mit den Stangen verbunden, als die obere (bereits gewellte) Bahn in abrollender Weise aufgelegt wurde. Da sich die Stangen auf eine ausreichende Temperatur erwärmen mußten und dann diese Wärme an beide Materialschichten übertragen mußten, ist dieses Verfahren inhärent langsam, aber funktioniert. Ein Kupferleitungsstreifen wurde verwendet, um den Strom sequenziell den Stangen zuzuführen, während die obere Lage der Bahn aufgelegt wurde. Verbindungszeiten von etwa 10 Sekunden je Knoten wurden mit diesem Verfahren erzielt. Ein alternatives Verfahren zum Beheizen der Stangen bestand darin, kleine (1/8" Durchmesser) Heizpatronen in die Karbonstangen als Wärmequelle einzusetzen. Der Nachteil dieser Technik war die langsame Zykluszeit der Heizpatronenquellen. Verbindungszeiten bei diesem Verfahren waren im Durchschnitt über 20 Sekunden je Bindung.

Beispiel 8

Ein Wabenblock aus Tyvek 1085D spinngebundener Bahn wurde mit dem Verfahren nach Beispiel 4 unter Verwendung einer Vorrichtung ähnlich wie der nach Fig. 1 und 4 vorbereitet. Vor dem Durchgang der Bahn unter der Wellungs/Verfestigungswalze wurde die Bahn mit einer Anzahl von Messern geschlitzt. Die Spannung auf der Bahn ließ die Bahn entlang der Schneidfläche ohne jeglichen Materialverlust aneinanderstoßen. Nach dem Verbinden zahlreicher aufeinanderfolgender Schichten konnte der Wabenblock leicht von Hand in ebene Wabenstrukturen aufgetrennt werden, deren Anzahl um 1 größer als die Anzahl der verwendeten Messer ist. Eine Genauigkeit von ±0,0005 Inch (±O,13 mm) der aktuelle Industriestandard, konnte beibehalten werden.

Beispiel 9

In ähnlicher Weise wie Beispiel 8 wurde ein dreidimensionales Teil mit einer Tragflügelvorderseiten-Gestalt durch Verwendung eines einzelnen Messers hergestellt, indem die Messerposition um ungefähr 0,100 Inch (2,5 mm) verändert wurde, bevor die nächste Schicht aufgelegt wurde. Das Auflegen von 20 Halbzellenschichten führte zu einer Gesamtverlagerung von etwa 2 Inch (5 cm) in einer Richtung, wonach das Messer um den gleichen Betrag in der Gegenrichtung zurückgezogen wurde. Der so hergestellte Wabenblock konnte leicht in eine Tragflügelvorderkante und das entsprechende Negativ dieses Teils getrennt werden. Das Messer wurde während eines Teils des Schlitzvorgangs auch seitlich und dann zurück zu seiner Ursprungsposition bewegt, innerhalb jeder Lage für mehrere aufeinanderfolgende Lagen, wodurch Vertiefungen oder Ausschnitte im fertigen Teil erzeugt wurden.

Claims

1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer thermoplastischen Wabenstruktur mit vorbestimmter Form, umfassend:

a) Anordnen eines ersten Satzes von Metall-Formgesenken bzw. Ausformen (4) in den obersten Zellen einer Wabenstruktur, die zumindest eine Reihe von Zellen aufweist;

b) Anordnen eines zweiten Satzes von Metall-Formgesenken (1), die um die halbe räumliche Zellenfrequenz versetzt sind, in den Tälern bzw. Vertiefungen der obersten Wabenfläche, wobei dieser zweite Satz dadurch der oberste Satz von Gesenken wird;

c) Zuführen einer Bahn festgelegter Breite aus thermoplastischem Material über den obersten Satz von Gesenken, während die Unterseite der Bahn, die zugeführt wird, in der Nähe eines jeden der ersten Metall-Formgesenke auf eine Temperatur oberhalb des Erweichungspunkts der Bahn erwärmt wird, und während ein Formgebungsdruck auf die erwärmte Bahn ausgeübt wird, um darin eine Halbzellenkonfiguration auszubilden, so daß die Täler der Halbzellenkonfiguration übereinstimmen und verschweißt werden mit den Erhöhungen der obersten Zellen der Wabenstruktur;

d) Zurückziehen des ersten Satzes von Gesenken, wobei die Gesenke um einen Betrag angehoben werden, der zumindest gleich der Dicke der verschweißten Erhöhungs-Vertiefungs-Fläche ist, und Umordnen des ersten Satzes von Gesenken in die Täler bzw. Vertiefungen in der Halbzellenkonfiguration aus Schritt b) wodurch die umgeordneten Gesenke durch diese Bewegung die obersten Gesenke werden; und

e) Wiederholen der Schritte c) bis d), bis eine Wabenstruktur mit der gewünschten Dicke und Form erhalten wird.

2. Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen einer thermoplastischen Wabenstruktur vorbestimmter Gestalt nach Anspruch 1, wobei der Schritt c) umfaßt;

c-1) Zuführen einer Bahn festgelegter Breite aus thermoplastischem Material zwischen die oberste Reihe von Gesenken und eine Wellungs- oder Riffelwalze, deren Dicke gleich der Wabenstrukturdicke oder einem wesentlichen Anteil davon ist, und die radial von ihrer Oberfläche entlang ihrer Länge angeordnete Vorsprünge aufweist, die dazu bestimmt sind, mit der Oberfläche der auszubildenden Erhöhungs-Vertiefungsbereiche (5) in Kontakt zu kommen;

c-2) Erwärmen der am weitesten von der Riffelwalze entfernten Bahnfläche mit einer berührungsfreien Wärmequelle auf eine solche Temperatur, daß Verformung und Verschmelzung der Bahn möglich ist; und

c-3) Wellverformen der erwärmten Bahn zwischen den radial vorspringenden Flächen der Riffelwalze und der obersten Reihe von Gesenken und im wesentlichen gleichzeitiges Verschweißen der so geformten Erhöhungen mit den Vertiefungen der Zellenschicht, durch die die unterste Reihe von Gesenken hindurchgeht.

3. Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen einer thermoplastischen Wabenstruktur mit vorbestimmter Gestalt nach Anspruch 1, wobei der Schritt c) umfaßt:

c-1) Zuführen einer Bahn aus thermoplastischem Material an eine Schlitzungszone und Aufschlitzen der Bahn quer zu den Zellen der Wabenstruktur entlang eines oder mehrerer vorbestimmter Wege, so daß die resultierende Wabe nach der Wabenherstellung in ein Wabenteil getrennt werden kann, dessen Form durch die vorbestimmten Wege festgelegt ist; und

c-2) Zuführen der aufgeschlitzten Bahn aus thermoplastischem Material über den obersten Satz von Gesenken, während die Unterseite der Bahn, die zugeführt wird, in der Nähe eines jeden der ersten Metall-Formgesenke auf eine Temperatur oberhalb des Erweichungspunkts der Bahn vor dem Aufbringen der Bahn auf das oberste Formgesenk erwärmt wird und ein Formdruck auf die erwärmte Bahn ausgeübt wird, um darin eine Halbzellenkonfiguration auszubilden, wobei eine Preßvorrichtung mit einer genügend niedrigen Temperatur verwendet wird, so daß eine Harzübertragung an die Preßeinrichtung vermieden wird, so daß die Vertiefungen der Halbzellenkonfiguration übereinstimmen und verschmolzen werden mit den Erhöhungen der obersten Zellen der Wabenstruktur;

wobei das Verfahren weiterhin den Schritt umfaßt:

f) Abtrennen der so hergestellten Wabenstruktur entlang der durch die geschlitzten Bahnen festgelegten Flächen in aufeinanderfolgenden Schichten in Wabenteile mit vorbestimmter Fom.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt c-1) umfaßt:

c-1-1) Zuführen einer Bahn festgelegter Breite aus thermoplastischem Material zwischen die oberste Reihe von Gesenken und eine Riffelwalze, deren Dicke gleich der Wabenstrukturdicke oder einem wesentlichen Anteil davon ist, und die radial von ihrer Oberfläche entlang ihrer Länge angeordnete Vorsprünge aufweist, die dazu bestimmt sind, mit der Oberfläche der auszubildenden Erhöhungs-Vertiefungsbereiche (5) in Kontakt zu kommen;

c-1-2) Erwärmen der am weitesten von der Riffelwalze entfernten Bahnfläche mit einer berührungsfreien Wärmequelle auf eine solche Temperatur, daß Verformung und Verschmelzung der Bahn möglich ist, vor dem Auflegen der Bahn auf das oberste Formgesenk; und

c-1-3) Wellverformen der erwärmten Bahn zwischen den radial vorspringenden Flächen der Riffelwalze und der obersten Reihe von Formgesenken, wobei die Riffelwalze eine ausreichend niedrige Temperatur hat, so daß eine Harzübertragung an die Riffelwalze vermieden wird und im wesentlichen gleichzeitig die so ausgebildeten Erhöhungen mit den Vertiefungen der Zellenschicht verschmolzen werden, durch die die unterste Reihe von Formgesenken hindurchgeht.

5. Verfahren nach Anspruch 3, weiter umfassend das Steuern des Aufschlitzens entlang des einen oder mehrerer vorbestimmter Wege durch computererzeugte Positionierungssignale.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt c) das Aufschlitzen der thermoplastischen Bahn mit einer Schneidklinge umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt d) das Erwärmen der Bahn und das Ausüben eines Formdrucks zum Formen und Verschmelzen der Bahn das Erwärmen der Bahn in der Nähe eines jeden der aufeinanderfolgenden Metallformgesenke in Bewegungsrichtung der Bahn vor dem Aufbringen der Bahn auf ein jedes der aufeinanderfolgenden Metallformgesenke sowie das In-Kontakt-Bringen einer jeden erwärmten zusammengehörigen Erhöhung-Vertiefung mit der Preßvorrichtung, die einen Vorsprung entsprechend der Konfiguration einer halben Zelle der Wabe hat, umfaßt, bei einem Druck, der ausreicht, um das Verschmelzen der jeweiligen Wabenschichten an jeder zusammengehörigen, in Kontakt stehenden Erhöhungs-Vertiefungs-Fläche zu bewirken, wobei der Vorsprung der Preßvorrichtung eine genügend niedrige Temperatur hat, so daß eine Harzübertragung an den Vorsprung vermieden wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt d) das Erwärmen der Bahn und das Ausüben eines Formdrucks zum Formen und Verschmelzen der Bahn ein Erwärmen der Bahn in der Nähe eines jeden der aufeinanderfolgenden Metall- Formgesenke in Bewegungsrichtung der Bahn und vor dem Aufbringen der Bahn auf jedes der aufeinanderfolgenden Metall-Formgesenke und ein Verfahren der erwärmten Bahn in der Bewegungsrichtung umfaßt, wobei die Preßvorrichtung eine Rolle mit Vorsprüngen aufweist, die der Halbzellenkonfiguration der Wabenstruktur entspricht, wobei die Vorsprünge eine ausreichend niedrige Temperatur aufweisen, so daß eine Harzübertragung an die Vorsprünge vermieden wird, wodurch in der erwärmten Bahn eine jede jeweilige Halbzelle in der Bewegungsrichtung der Bahn ausgebildet wird, wobei die Vorsprünge mit jeder zusammengehörigen Erhöhung-Vertiefung in Kontakt stehen und genügend Druck darauf ausüben, um die jeweiligen Wabenschichten an jeder in Kontakt stehenden Erhöhungs-Vertiefungsfläche miteinander zu verschmelzen.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt c) das Erwärmen der Unterseite der Bahn das Aufbringen von Wärme auf die thermoplastische Bahn und die zuvor ausgebildete Halbzelle an der Erhöhungs-Vertiefungs-Paßfläche umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Erwärmen das Blasen eines Heißgasstrahls zum Erwärmen von Bahn und Wabenstruktur oberhalb der Erweichungstemperatur des Thermoplasten umfaßt, wobei der Formdruck zur Verfestigung und Verschmelzung der in Kontakt stehenden Erhöhungs-Vertiefungs- Flächen führt.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn aus thermoplastischem Material faserverstärkt ist.