DE69301098T2

DE69301098T2 - Zweistufige Mattenformung und Vorformung

Info

Publication number: DE69301098T2
Application number: DE69301098T
Authority: DE
Inventors: Daniel T Buckley
Original assignee: CA Lawton Co
Current assignee: CA Lawton Co
Priority date: 1992-01-30
Filing date: 1993-01-18
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2013-01-19
Also published as: KR930016357A; JP3220547B2; KR100205504B1; JPH06320537A; EP0554236A1; ES2082622T3; CA2085633A1; DE69301098D1; CA2085633C; US5382148A; US5217654A; ATE132069T1; EP0554236B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform und auf eine Vorrichtung zur Herstellung einer Vorform, zum Härten von Bindemitteln auf nicht-gewebten Verstärkungsmaterialien, gewebten Verstärkungsmaterialien und Kombinationen derselben während ihrer Herstellung und bezieht sich genauer auf die Verwendung von gerichteter Energie, welche zur Umsetzung auf ein zweistufiges Bindemittel fokussiert wird, ohne die Verstärkungsmaterialien in einem beträchtlichen Ausmaß einzubeziehen.
Bisher war es im Stand der Technik der Herstellung von Glasfasermatten, gewebten Materialien oder anderer Verstärkungsmaterialien üblich, ein Bindemittel auf zubringen, um sowohl den Zusammenhalt des Verstärkungsmaterials zu unterstützen als auch eine bessere Bindung zwischen einem Matrixharz und dem Verstärkungsmaterial während eines nachfolgenden RIM-, RTM- oder SRIM-Formverfahrens zu bewirken. Diese Bindemittel sind üblicherweise trockene, pulverförmige Harze, wobei sie jedoch auch Emulsionen oder Flüssigkeiten sein können. Die Fasermaterialien werden in einer bekannten Weise für die Art der gewünschten Konstruktion hergestellt. Üblicherweise werden die Bindemittel auf den Verstärkungen aufgebracht und dann einem Erhitzen, einem Schmelzen oder einem Trocknen vor dem Schmelzen und gelegentlich einem Härten der Bindemittel unterworfen. Dieser Vorgang verwendet beträchtliche Energiemengen, da die gesamte Masse des Verstärkungsmaterials auf die notwendigen Schmelz- und/oder Trocknungs- und/oder Reaktionstemperaturen erhitzt werden muß. Das Bindemittel kann in Abhängigkeit von den Erfordernissen der Anwendung entweder ungesättigt, gehärtet oder behandelt sein. In diesem Zusammenhang kann auf die US 4 054 713 von Sakaguchi, et al. Bezug genommen werden.
Ebenfalls von Interesse ist die US 4 012 553, erteilt am 15. März 1977, in welcher ein teilweises Härte durch ultraviolette Strahlung geoffenbart ist.
In bekannten Systemen sind viele Nachteile augenscheinlich, beispielsweise die große Energiemenge, welche für das Einbeziehen der gesamten Masse des Verstärkungsmaterials erforderlich ist, die Größe der erforderlichen Öfen, die für das Aufheizen und Abkühlen erforderliche Zeit und die Bildung von flüchtigen Bestandteilen, welche gesammelt werden müssen, um eine Kontamination der Umgebung zu vermeiden.
Aus einer früheren Entwicklung ist bekannt, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Matten zur Verfügung zu stellen, welches schnell, effizient in seinen Energieerfordernissen und aus einem Umweltgesichtspunkt sicher ist. Dieses Matten-Herstellungsverfahren kann der US-PS 5 169 571 entnommen werden, welche nach dem Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht wurde.
Dieses Ziel wurde durch Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens erzielt, wobei eine Schicht von Verstärkungsfasern auf einem bewegten Gewebe, wie beispielsweise einem Förderband, gebildet wird, ein Bindemittel, beispielsweise durch Aufsprühen oder Kalandern, aufgebracht wird, um dünn die Schicht ohne Ausfüllen der Zwischenräume zwischen den Fasern zu bedecken, die Bindemittel-beschichtete Schicht auf ein gewünschtes Dichte-Dicken-Verhältnis komprimiert wird und das Bindemittel während der Verdichtung gehärtet wird. Die resultierende Matte wird dann von dem Gewebe abgenommen und aufgerollt.
Das Bindemittel wurde bei dieser Anwendung als ein elektromagnetisch härtbares Bindemittel, entweder ein durch ultraviolette Energie härtbares Bindemittel oder ein durch Mikrowellen-Energie härtbares Bindemittel, ausgewählt. Demgemäß wird während des Anshärtens die entsprechende Ultraviolett- oder Mikrowellen-Energie aufgebracht, während die Schicht auf das gewünschte Dichte-Dicken- Verhältnis komprimiert wird. Hiebei wird Ultraviolett als von tiefem UV ( 200 nm) bis zu sichtbarem Licht ( 450 nm) betrachtet. Kombinationen von Wellenlängen können verwendet werden, um die Durchführung dieser Erfindung zu begünstigen.
Wie dies leicht ersichtlich ist, unterscheiden sich das Verfahren und die Vorrichtung dieser obengenannten, älteren Entwicklung beträchtlich von dem bis zu diesem Zeitpunkt bekannten Stand der Technik dahingehend, daß gerichtete Energie verwendet wird, um die speziell für das Verfahren entwickelten Bindemittel zu härten, wobei die Bindemittel für die verwendete, gerichtete Energie, vorzugsweise Mikrowellen- oder Ultraviolett-Energie, empfindlich sind. Die Bindemittel können auf den Fasern mit gerichteter Energie ohne ein Einbeziehen der Masse der Fasern in die Energie der Reaktion ausgehärtet werden. Die Bindemittel sind typischerweise Oligomere, ungesättigte Poylester, Epoxide, Polyacryle, Polyurethane und dgl.. Wenn sie ausgehärtet werden, weisen die Bindemittel ungesättigte Stellen auf, welche für ein nachf olgendes Verbinden mit Matrixharzen in nachfolgenden Formungsverfahren, wie etwa RTM- und SRIM-Verfahren, zur Verfügung stehen. Bei der Anwendung dieses Verfahrens ist das Verstärkungsmaterial in erster Linie gegenüber der Aktivierungsenergie passiv. Die Reaktion findet ohne Einbeziehen der Verstärkungsmaterialien statt, da die Aktivierungsenergie lediglich auf das Bindemittel gerichtet ist. Die Bindemittel üben dieselben Funktionen wie in den bekannten Herstellungssystem aus, wobei sie jedoch viel rascher, mit signifikant weniger Energie und ohne Erzeugung an beträchtlichen Anteilen von flüchtigen Bestandteilen geht, welche zur Vermeidung einer Kontamination der Umwelt gesammelt werden müssen, gehärtet werden können. Da im wesentlichen keine flüchtigen Bestandteile auftreten, besteht kaum oder keine Veranlassung, die durch Hitze ausgetriebenen, flüchtigen Bestandteile zu sammeln, es besteht kaum oder keine Veranlassung für eine Aufbereitung von Luft und kaum oder keine Veranlassung für eine Wärmeaufbereitung, wodurch Energie eingespart wird und wodurch eine Kontamination der Umwelt im wesentlichen vermieden wird.
Das Ziel und die Absicht der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines neuen Verfahrens und einer neuen Vorrichtung zur Herstellung von Vorformen durch Verwendung von neuen Bindemitteln für die Verwendung mit Verstärkungen, wie beispielsweise Glasfasern.
Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel erreicht durch ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform, umfassend die Schritte: Mischen eines zweistufigen Bindemittels, enthaltend einen ersten Bindemittelbestandteil, welcher einen ersten Initiator enthält, welcher auf sichtbares Licht oder Mikrowellen anspricht, um freie Radikale zu bilden, welche vernetzen und eine Viskosität zur Verfügung stellen, welche ausreicht, um Glasfasern zusammenzuhalten, und einen zweiten Bindemittelbestandteil, welcher einen zweiten Fotoinitiator vom kationischen Typ aufweist, welcher auf eine andere elektromagnetische Energie, wie ultraviolettes Licht oder Mikrowellenenergie, anspricht, um Elektronen zum Vernetzen zu erzeugen und um das Bindemittel zu härten; Aufbringen des zweistufigen Bindemittels auf eine Matte eines Glasfaser-Verstärkungsmaterials in ausreichender Menge, um die Fasern zu benetzen, jedoch nicht ausreichend, um die Zwischenräume zwischen den Fasern zu füllen; Anssetzen des zweistufigen Bindemittels an sichtbares Licht oder Mikrowellen, um das Bindemittel teilweise zu polymerisieren, so daß es eine Viskosität aufweist, welche ausreicht, um die Glasfasern für eine nachfolgende Handhabung zusammenzuhalten; Pressen der Matte; und Aussetzen der gepreßten Matte an die andere elektromagnetische Energie, um den zweiten Fotoinitiator zu aktivieren und um eine starre, dreidimensionale, vorgeformte Matte zu erzeugen.
Weiters wird eine Vorrichtung zur Herstellung einer Vorf orm geschaffen, umfassend in Kombination: Mittel zum Mischen eines zweistuf igen Bindemittels, enthaltend einen ersten Bindemittelbestandteil, welcher einen ersten Fotoinitiator aufweist, welcher auf sichtbares Licht oder Mikrowellen anspricht, um freie Radikale zu bilden, welche vernetzen und eine Viskosität zur Verfügung stellen, welche ausreicht, um Glasfasern zusammenzuhalten, und einen zweiten Bindemittelbestandteil, welcher einen zweiten Fotoinitiator vom kationischen Typ aufweist, welcher auf eine andere elektromagnetische Energie, wie ultraviolettes Licht oder Mikrowellenenergie, anspricht, um Elektronen zum Vernetzen zu erzeugen und um das Bindemittel erstarren zu lassen; Mittel zum Aufbringen des zweistufigen Bindemittels auf eine Matte aus einem Glasfaser- Verstärkungsmaterial in einer Menge, welche ausreicht, um die Glasfasern zu benetzen, jedoch nicht ausreichend, um die Zwischenräume zwischen den Fasern auszufüllen; Mittel zum Aussetzen an sichtbares Licht oder Mikrowellen, um das Bindemittel teilweise zu polymerisieren, so daß es eine Viskosität aufweist, welche ausreicht, um die Glasfasern für eine nachfolgende Handhabung zusammenzuhalten; Mittel zum Pressen der Matte in die gewünschte Form; und Ultraviolett-Erzeugungsmittel für die andere elektromagnetische Energie, um die gepreßte Matte der anderen elektromagnetischen Energie auszusetzen, um den zweiten Fotoinitiator zu aktivieren und eine starre Matte zu erzeugen.
Gemäß der Erfindung sollen die neuen Bindemittel zur Herstellung von mattenartigen Produkten verwendet werden, welche nachfolgend bei der Herstellung von Vorformen verwendet werden, welche definitionsgemäß dreidimensionale Verstärkungsformen ohne darin imprägnierte Matrixharze sind und welche in einem Formgebungsverfahren, wie beispielsweise den RIM-, RTM- und SRIM-Formungsverfahren, verwendet werden. Die Bindemittel können in variierenden Verhältnissen relativ zum Gewicht des Glasfasermaterials verwendet werden. Typische Verhältnisse gemäß der vorliegenden Erfindung werden in der Größenordnung von 1 Gew. - % bis 12 Gew. -% des Glasfasermaterials liegen und es ist bevorzugt, daß das Bindemittelverhältnis in dem Bereich von 2% bis 8% liegt. Die Bindemittel sind dahingehend einzigartig, daß sie zwei getrennte Fotoinitiatoren aufweisen, welche unabhängig voneinander beim Auslösen der Reaktion des Bindemittels fungieren und derartige Bindemittel werden als zweistufige Bindemittel betrachtet.
Die erste Stufe umfaßt einen Fotoinitiator, welcher ein Erzeuger von freien Radikalen der Art ist, wie er von einer Vielzahl von Materialien, wie beispielsweise Irgacure 651, Irgacure 184 oder Irgacure 907, zur Verfügung gestellt wird (Irgacure ist eine Marke der Ciba Geigy AG, Deutschland). Die Menge und Answahl dieses Fotoinitiators in Kombination mit der Art des Bindemittelharzes wird die erste Stufe der Viskosität nach dem Aussetzen an sichtbares Licht bestimmen.
Es ist daher leicht einsichtig, daß die erste Stufe, welche verantwortlich ist, ein teilweises Aushärten zur Verfügung zu stellen, lediglich auf sichtbares Licht anspricht, und daß der Rest des Bindemittels bis zu dem Zeitpunkt nicht ausgehärtet ist, bis zu welchem dasselbe zur Herstellung einer Vorform verwendet wird, und daß es nur auf die andere elektromagnetische Energie, wie beispielsweise ultraviolettes Licht oder Mikrowellenenergie, anspricht. Alternativ kann die erste Stufe ausgebildet sein, um auf Mikrowellen anzusprechen, insbesondere wenn der Mattenhersteller ein Feuchtigkeit enthaltendes Bindemittel verwendet. Geeignete Materialien für Fotoinitiatoren sind Lupasol 256 (Marke der BASF Aktiengesellschaft, Deutschland), Benzylperoxid, tert- Butylperoctoat und tert-Butylperbenzoat.
Der Bestandteil der ersten Stufe wird in einem vorgegebenen Verhältnis relativ zum Bindemittel verwendet, so daß es, wenn es an sichtbares Licht ausgesetzt wird, eine Reaktion unter Verwendung der gebildeten, freien Radikale begonnen wird und ein Vernetzen auftreten wird, bis alle freien Radikale alle vernetzt oder aufgebraucht sind, worauf die Reaktion enden wird.
Das Verhältnis des Fotoinitiators der ersten Stufe zu dem Bindemittelharz und das Aussetzen an Mikrowellen oder sichtbares Licht entsprechend den Erfordernissen, wird die Viskosität des resultierenden, teilweise polymerisierten Bindemittels bestimmen. Die Viskosität sollte derart sein, daß das Bindemittel, wenn es in dieser Weise vorbehandelt ist, eine bis zu einem Punkt erhöhte Viskosität aufweisen wird, bei welchem es die Glasfasern für eine vorzugsweise nicht klebrige Handhabung während einer nachfolgenden Verarbeitung zusammenhält. Das Bindemittel wird plastisch, verformbar und noch nicht starr genug sein, um die dreidimensionalen Formen von Vorformen beizubehalten. Mit anderen Worten wird es für eine weitere Handhabung bieg- bzw. faltbar sein und die Zwischenräume der Glasfasern sind klarerweise zu diesem Zeitpunkt noch nicht ausgefüllt, wie sie dies später während des abschließenden Formungsprozesses sein werden.
Der Bestandteil der zweiten Stufe beinhaltet einen Fotoinitiator, welcher ein Fotoinitiator vom kationischen Typ ist, welcher auf eine andere elektromagnetische Energie, wie beispielsweise ultraviolettes Licht oder Mikrowellen-Energie, anspricht, welcher weiter Elektronen zum Vernetzen zur Verfügung stellen wird, solange der zweite Bestandteil beispielsweise ultraviolettem Licht in einem vorbestimmten Abschnitt des ultravioletten Spektrums ausgesetzt ist. Typische Fotoinitiatoren für diesen Abschnitt der Reaktion sind Irgacure 261, Cyracure UVE 6990 und Cyracure UVE 6974. Die Irgacure -Produkte werden durch Ciba Geigy Corp., Greensborough, N.C. und Hawthorne N.Y. hergestellt. Cyracure ist eine Marke der American Cyanamid Corporation, Wayne, N.J..
Da der Fotoinitiator der zweiten Stufe durch das sichtbare Licht oder die Mikrowellen während der Behandlung in der ersten Stufe unumgesetzt geblieben ist, steht die zweite Stufe nun zur Verfügung, um das Anshärten zu vervollständigen und das Bindemittel zu erhärten, wobei dies vorteilhaft von dem Standpunkt aus ist, die Matte für eine Verwendung in Formgebungsmaschinen zur Herstellung einer Vorform faltbar zur Verfügung zu haben. Das Härten in der zweiten Stufe findet statt, nachdem das Mattenprodukt in seine dreidimensionale Form geformt wurde, welche diejenige Form ist, welche als notwendig bestimmt wurde, um das endgültige Produkt für den abschließenden Formgebungsvorgang nachzubilden. Das Härten in der zweiten Stufe findet durch Aussetzen des Bindemittels beispielsweise an ultraviolettes Licht statt, wie etwa in den CompForm -Verfahren, welche in früheren Anmeldungen, Ser.Nr. 446 859, eingereicht am 6. Dezember 1989, und 552 253, eingereicht am 12. Juli, 1990, geoffenbart waren. CompForm ist eine Marke der C.A. Lawton Company, auf welche die vorliegende Erfindung übertragen wurde.
Wie oben angedeutet, bestehen mehrere Vorteile bei der Verwendung dieser zweistufigen Art eines Bindemittels. Es kann die Anwendung von Wärme vermieden werden, um etwa das Lösungsmittel (Feuchtigkeit) auszutreiben oder es während der Mattenbildung zu entfernen. Weiters wird Wärme als der Mechanismus vermieden, welcher das Bindemittel vorantreibt oder das Bindemittel während des Mattenherstellungsverfahrens aushärtet. Durch Verwendung eines zweistufigen Bindemittels, welches in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, kann eine Hochgeschwindigkeits-Produktion mit sehr geringen Energiekosten erzielt werden.
Das vorliegende Verfahren wird die Verwendung eines Einzelfaden-Vorgarns oder -Rovings, wie etwa PPG Nr. 2002, OCF 366, 107B oder 30 erlauben. Dies wird eine Vielzahl von Nutzungen zur Verfügung stellen, wobei die Nutzungen in Übereinstimmung mit der Ausbildung des Bindemittelharzes gewählt werden.
Das zweistufige Bindemittel eliminiert auch die Notwendigkeit für zwei getrennte Anfbringungsvorgänge von unterschiedlichen Bindemitteln beim Vorformen unter Verwendung von mit Ultraviolett aushärtenden Bindemitteln für Vorformen, wie in den obengenannten Compform -Verfahren. Die gegenwärtige Technologie erfordert, daß mattenartige Produkte gekauft werden, wobei konventionelle Bindemittel darauf aufgebracht werden, wenn sie hergestellt werden. Konventionelle Bindemittel erfordern Änderungen unter Wärme während des Vorformens oder ihr Widerstand muß während des Vorformens überwunden werden. Neue zweistufige Bindemittel gemäß der vorliegenden Erfindung eliminieren diese Probleme unter Verwendung eines einzigen Bindemittelharzes mit zwei Fotoinitiatoren. Die erste Stufe übernimmt den Platz des ersten Bindemittels, wie es durch den Hersteller der Verstärkungen, beispielsweise durch den Hersteller von Glasfasern, aufgebracht wird, und die zweite Stufe übernimmt den Platz des zweiten Bindemittels, welches durch den Hersteller der Vorform für eine Verwendung beim Vorformen aufgebracht wird.
Da der Fotoinitiator der ersten Stufe teilweise das Bindemittel umsetzt, erfordert das Aushärten in der zweiten Stufe ein geringeres Vernetzen, um eine Endhärte zu erzielen. Dies wird das Aushärten der zweiten Stufe darüber hinausgehend beschleunigen, als es möglich gewesen wäre, wenn kein Aushärten in der ersten Stufe aufgetreten wäre.
Es soll festgehalten werden, daß die in dem Aushärten der ersten Stufe gebildeten, freien Radikale solange miteinander vernetzen, bis keine weiteren freien Radikale mehr existieren. In dem Aushärten der zweiten Stufe werden die freien Elektronen in den Orbitalschalen für das Vernetzen geteilt.
Da die Bindemittel flüssig sind, müssen sie nicht in Wasser verteilt werden, um versprüht zu werden. Restfeuchtigkeit in den Verstärkungsfasern wurde seit langem als ein Grund für eine Reduktion der physikalischen und elektrischen Eigenschaften bei einigen Matrixharzen ermittelt. Da sich kein Wasser in dem System befindet, wird kein Trocknen erforderlich und das soeben erwähnte Problem ist beseitigt. Ein Aushärten durch gerichtete Energie stellt die notwendige Steifheit und die Handhabungscharakteristika für das Material zur Verfügung.
Der Einfachheit halber bezieht sich die nachfolgende Beschreibung in erster Linie auf nicht-gewebte Matten, da jegliche Verfahrensvorteile auch auf jede beliebige, gewebte Verstärkung anwendbar sind, bei welcher Bindemittel verwendet werden.
Fasermatten liegen in zwei allgemeinen Kategorien vor und zwar diskontinuierliche Fasern als sogenannte Stapelfasermatten und kontinuierliche Fasern, welche allgemein Matten mit kontinuierlichen Strängen genannt werden. Es bestehen viele Ausbildungen für jede dieser Arten von Matten.
In dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Fasermatten durch den Hersteller vorbereitet, d.h. sie werden als eine Schicht von Fasern auf einem bewegten Gewebe angeordnet, wie dies in der obengenannten US 4 054 713 geoffenbart ist, und in eines zweistufigen Bindemittels. Die Matten werden auf einem kontinuierlichen Gewebe oder Band vorbereitet und nach Vollendung der Schichtbildung wird ein Bindemittel typischerweise durch Aufsprühen aufgebracht, wobei es jedoch auch kalandert werden kann. Dies ist nicht ein Füll- oder Imprägnierschritt. Das Bindemittel wird in einem Bereich von 1 Gew. - % bis 12 Gew. - % der Glasfaser, typischerweise und vorzugsweise im Bereich von 2 Gew -% bis 8 Gew. -% aufgebracht. Nach dem Aufbringen des zweistufigen Bindemittels kann eine Verweilzeit, um ein Benetzen der Fasern zu ermöglichen, durch eine Transportstrecke zu dem Komprimier- und Aushärtabschnitt der Erzeugungsstraße, wie in der obengenannten Anmeldung, welche in der US-PS 5 169 571 veröffentlicht wurde, vorgesehen sein.
Die Absicht des vorliegenden Konzeptes ist es, ein neues Verfahrens und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Vorform unter Verwendung von neuen Bindemitteln zur Verwendung mit Verstärkungsmaterialien, wie beispielsweise Glasfasern, zur Verfügung zu stellen. Diese neuen Bindemittel sollen zur Herstellung von mattenartigen Produkten verwendet werden, welche dann bei der Herstellung von Vorformen verwendet werden, welche dann, wie dies im Stand der Technik gut bekannt ist, bei der Herstellung von imprägnierten, fertiggestellten Gegenständen, wie beispielsweise Stoßstangen, Becken oder dgl., verwendet werden. Es soll festgehalten werden, daß Vorformen dreidimensionale Produkte sind, welche als eine Basis zur Herstellung und als ein Rückgrat bzw. zentraler Teil bei der Herstellung eines entsprechenden, dreidimensionalen, fertiggestellten, durch RIM-, RTM-, SRIM- oder ähnlich geformten Produktes verwendet werden.
Es ist üblicherweise wünschenswert, die Schichten zu komprimieren, um das obengenannte, gewünschte Dichte-Dicken-Verhältnis zu erzielen. In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, wie in der obengenannten Anmeldung, welche in der US-PS 5 169 571 veröffentlicht wurde, werden die Schichten in Stufen komprimiert und in komprimiertem Zustand während des stufenweisen Aushärtens, welches hier mit sichtbarem Licht erfolgt, gehalten. Es sind verschiedene Techniken zur Erzielung des gewünschten Dichte- Dicken-Verhältnisses während des stufenweisen Aushärtens, welches hier mit sichtbarem Licht erfolgt, verfügbar. Es sind verschiedene Techniken für die Erzielung des gewünschten Dichte-Dicken-Verhältnisses durch Verdichtung unter Verwendung von Walzen oder kontinuierlichen Bändern oder Kombinationen hievon verfügbar, wie dies in den obengenannten Anmeldungen geoffenbart ist.
Wenn sichtbares Licht als erste Härtungsenergie verwendet wird, kann Licht in verschiedenen, unterschiedlichen Arten aufgebracht bzw. eingesetzt werden: durch ein Gewebe oder kontinuierliches Band; zwischen Walzen über dem Band oder Gewebe, durch die Walzen; und durch die Öffnungen zwischen Walzen. Wenn die Lichtquelle in den Walzen aufgenommen werden soll und das Licht durch die Walzen hindurchtreten soll, können die Walzen aus einem porösen Metallschirm hergestellt werden, welcher einen Lichtdurchtritt ermöglichen wird, oder sie können aus einem lichtdurchlässigen Material hergestellt sein, wie etwa einem lichtdurchlässigen Acryl oder einem lichtdurchlässigen Glas oder Quartz. Das Band oder Gewebe kann aus einem porösen, flexiblen Metallschirm hergestellt sein, welcher einen Lichtdurchtritt ermöglicht, oder es kann aus einem lichtdurchlässigen Polymerband oder -gewebe hergestellt sein, wie beispielsweise lichtdurchlässigem Polyethylen, lichtdurchlässigem Acryl oder lichtdurchlässigem Polyvinylchlorid. Die Durchlässigkeit bezieht sich auf den Bereich des Spektrums, in welchem gearbeitet wird. Wie in der obengenannten, älteren Anmeldung (US-PS 5 169 571) kann ein lichtdurchlässiger Film als Gewebe verwendet werden, welcher auch wirken würde, um die ungehärteten Bindemittel von den Oberflächen der Walzen oder Bänder, falls gewünscht, fernzuhalten. Er würde auch die gegebenenfalls scheuernden Glasmaterialien von einem Verschleißen der Oberflächen des Transportsystems abhalten. Falls gewünscht, kann der lichtdurchlässige Film bei dem Produkt als eine Trennschicht in den Walzen beibehalten werden. Eine weitere Verwendung dieses Films kann darin bestehen, daß er als eine Vaküumabdichtung, falls gewünscht, in nachfolgenden Schneide- oder Formgebungsanwendungen, wie beispielsweise in den obengenannten Vorformanwendungen, dient.
Der Film kann auch als ein Ablösefilm während der Vorformvorgänge der obengenannten Art verwendet werden, wenn dies anwendbar oder gewünscht ist.
Der primäre Unterschied zwischen diesen zwei Verfahren liegt darin, daß in der vorliegenden Erfindung ein zweistufiges Bindemittel verwendet wird, in welchem der Bestandteil der ersten Stufe auf sichtbares Licht oder Mikrowellen anspricht, um vernetzende Radikale zu erzeugen und eine Viskosität zur Verfügung zu stellen, welche ausreicht, um die Glasfasern für eine nachfolgende Handhabung zusammenzuhalten und in welchen der Bestandteil der zweiten Stufe auf eine andere elektromagnetische Energie, wie ultraviolettes Licht oder Mikrowellenenergie, anspricht, und freie Elektronen bildet, welche zwischen Bindemittelelementen geteilt (vernetzt) werden.
Ein Verdichten der Materialien kann durch Zuführen der Matten zwischen zwei kontinuierliche Bänder oder Gewebe erzielt werden, welche einen Druck während der Bewegung durch die Lichtquellen aufrechterhalten. Walzen können zwischen oder innerhalb der Lichtquellen quer zu dem Gewebe angeordnet werden, um einen Druck auf die Bänder oder Gewebe zu erhalten. Der Druck kann auch dadurch aufrechterhalten werden, daß die Bänder oder Gewebe (pneumatisch, hydraulisch, durch Federn oder dgl.) zusammengehalten werden und daß sich eine kontinuierliche Oberfläche auf jeder Hälfte des Wellenleiters in Kontakt mit dem Band oder Gewebe befindet. Diese kontinuierliche Oberfläche wird aus einem Material geringer Reibung und geringen Verlustes (im Fall von Mikrowellen), wie beispielsweise Polyethylen hohen Molekulargewichts oder Polyethylen ultrahohen Molekulargewichts, hergestellt sein. Das Band oder Gewebe wird aus ähnlichem Material bestehen.

Zeichnungen

Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung, ihrer Organisation, des Aufbaues und des Betriebes werden am besten aus der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigeschlossenen Zeichnungen verständlich werden, in welchen: Fig. 1 eine schematische Darstellung ist, welche ein Transportsystem und sämtliche Elemente zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, umfassend die Bildung einer Faserschicht auf einem bewegten Band, das Aufbringen einer dünnen Beschichtung oder eines dünnen Films eines zweistufigen Bindemittels auf der Schicht und das zeitweilige Komprimieren der Schicht und Aushärten der ersten Stufe des Bindemittels mit dem nachfolgenden Abnehmen und Aufrollen der fertiggestellten Matten illustriert;
Fig. 2 auf demselben Blatt wie Fig. 1 auf scheint und eine schematische Darstellung ist, welche das Compform -Verfahren zeigt, welches in der obengenannten Anmeldung, Anmeldenummer 446 869, eingereicht am 6. Dezember 1989, geoffenbart ist; und
Fig. 3 ein Flußdiagramm des Verfahrens ist, welches das gesamte Verfahren vollständig bis zur Herstellung des endgültig geformten Gegenstandes zeigt.
Die Erfindung ist für die Verwendung von unterschiedlichen Arten von gerichteter Energie anwendbar. Daher wird eine detaillierte Beschreibung der Verwendung von Systemen, welche auf sichtbares und ultraviolettes Licht ansprechen, nachfolgend gegeben werden.

Aktivierung mit sichtbarem Licht

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein Mattenherstellungssystem allgemein mit 10 bezeichnet, wobei dieses eine Vielzahl von Stufen umfaßt, welche entlang eines Förderbandes 12 in Abstand voneinander angeordnet sind, welches Band für eine Bewegung entlang eines definierten Weges über ein Paar von Endwalzen 14 und 16 abgestützt ist. Das System umfaßt eine Stufe 18 zum Vorbereiten und Aufbringen von Fasern, eine Aufbringungseinrichtung 20 für ein Bindemittel und eine Komprimier- und Aushärtstufe 22. Am Ende des Förderbandes 12, nahe der Walze 16, wird die geformte Matte abgenommen und auf einer Aufnahme- oder Wickelwalze 52 aufgerollt.
In der Aufbringungssstufe 18 werden Verstärkungsfasern, beispielsweise Glasfasern entweder mit kontinuierlichen Strängen oder Stapelfasern, in einer im Stand der Technik bekannten Art und Weise, wie dies beispielsweise in der obengenannten US 4 054 713 geoffenbart ist, in der Vorrichtung 24 hergestellt und, wie dies symbolisch durch den Pfeil 26 angedeutet ist, auf der oberen Oberfläche des Förderbandes 12 als eine Faserschicht 26' angeordnet. Die Faserschicht 26' wird dann in der Bindemittel-Aufbringungsstation 20 aufgenommen, in welcher ein Bindemittel aus einem Vorrat 28, im vorliegenden Fall ein zweistufiges Bindemittel, welches mit Energie von sichtbarem und ultraviolettem Licht aushärtbar ist, entnommen wird und mit Hilfe einer Sprüheinrichtung 30 als ein Sprühstoß 32 auf der oberen Oberfläche der gebildeten Schicht 26' aufgebracht wird, um eine mit einem Bindemittel beschichtete Schicht 26VL auf der oberen Oberfläche des Förderbandes 12 mit 1.0 bis 12.0 Gew.-% Bindemittel, vorzugsweise 2,0 bis 8.0 Gew.-%, relativ zu den Glasfasern oder anderem Verstärkungsmaterial, auszubilden. Es wird somit erkannt werden, daß das Bindemittel nicht als ein Füllstoff, sondern eher als eine nur dünn eindringende, zufällige Verteilung von Tröpfchen aufgebracht wird.
Die mit dem Bindemittel beschichtete Schicht 26VL tritt dann in die Komprimier- und Aushärtstufe 22 ein, in welcher das Förderband 12 und genauer die von diesem getragene Schicht 26VL zwischen Paaren von in Abstand voneinander angeordneten Druckwalzen 34 - 38 komprimiert wird, wobei die Schicht 26VL auf ein gewünschtes Dichte-Dicken-Verhältnis durch die Walzen in Stufen verdichtet wird und das Bindemittel in Stufen mit Hilfe von in Abstand voneinander angeordneten Quellen 42, 44 für sichtbares Licht (oder aufgeteilten Mikrowellen-Wellenleitern) ausgehärtet wird, welche sich quer zur Schicht 26VL - erstrecken und dieselbe bestrahlen, wie dies mit 46 und 48 angedeutet ist.
Nach der Verdichtung und dem Aushärten wird die nunmehr mit 50UV bezeichnete fertiggestellte Fasermatte vom Förderband 12 abgenommen und auf einer Aufwickelwalze 52 aufgerollt. Dieselbe wird von der Walze abgenommen und der Prägeschneideinrichtung 54 der Fig. 2 zugeführt.
Wie dies in meiner obengenannten Anmeldung mit der Anmeldenummer 446 859 geoffenbart ist und in Fig. 2 dargestellt ist, kann der erste Schritt sein, ein Verstärkungsmaterial aus der Matte 50UV vorabzuschneiden, um der ausgebreiteten Form einer Vorform zu entsprechen, wie dies durch die Prägeschneideinrichtung 54 angedeutet ist. Dies wird nach dem einleitenden Abschnitt des Verfahrens, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, durchgeführt. Nachdem die Matte bei 54 geschnitten ist, wird der aus Verstärkungsmateri.al und Bindemittel zusammengesetzte Rohling zu einer Form 56 durch einen Roboter 58 transportiert. Die Form kann von der in Fig. 2 illustrierten Art sein, so daß der zusammengesetzte Rohling auf den erhabenen Abschnitt 56 der Form aufgesetzt wird, wie dies bei 60 in Fig. 2 angedeutet ist. Der Formabschnitt 56 wird dann entlang einer Bahn 62 zu einer Presse 64 bewegt, in welcher die zwei Hälften der Form zusammengepreßt werden, um die gewünschte Form der Vorform wiederzugeben, und es wird Energie aus einer Quelle 86 gerichteter Energie, wie beispielsweise einer Quelle für Mikrowellenenergie oder ultraviolettes Licht, aufgebracht.
Als nächstes wird die Form dadurch entladen, daß dieselbe längs der Bahn 62 zu einer Position bewegt wird, in welcher ein Roboter 66 die ausgehärtete Vorform 68 entlädt. Hier wird die Vorform eine "Träger"-Vorform dahingehend, daß eine Verstärkung in Form einer Verstärkungsstruktur hinzugefügt wird. Der Roboter 66 wird dann die Träger-Vorform für eine kurzfristige Lagerung stapeln oder sie direkt einem Energie-Heftverfahren zuführen.
Wenn Elemente mit der Träger-Vorform geheftet (verbunden) werden sollen, so wird das Verstärkungsmaterial wie vorher bei 70 vorgeschnitten und ein Roboter 72 positioniert das vorgeschnittene Material über einer Formgebungsvorrichtung 74, so daß es eine Verstärkungsform 76 annimmt. Ein Roboter 78 entnimmt dann die Träger-Vorform 84 und ordnet dieselbe über dem geformten Element 76 an. Es werden nicht dargestellte Stellen vorhanden sein, an welchen die Träger-Vorform 68 und das geformte Element 76 in innigem Kontakt miteinander stehen. In dem Energie-Heftverfahren umfaßt das Element 76 ein Bindemittelharz. Wenn das Energie-Heftverfahren auf ultraviolette Energie zurückgreift, so wird ein auf Ultraviolett ansprechendes Bindemittelharz an speziellen, punktförmigen Positionen aufgebracht, an welchen sich die Elemente 68 und 76 in innigem Kontakt befinden. Ultraviolett-Energie wird dann für ein Aushärten und Verbinden angewandt. Zu diesem Zweck wird dann eine Quelle 82 gerichteter Energie verwendet, um das Bindemittel auszuhärten und die zwei Elemente miteinander zur Ausbildung einer verstärkten Struktur 84 zu verbinden. Die Struktur 84 wird dann einem RIM-, RTM- oder SRIM-Formgebungsverfahren zum Formen der fertiggestellten Struktur zugeführt.
Wie aus dem Vorangehenden ersichtlich wird, können Zusatzelemente mit einer Träger-Vorform verbunden werden, um die strukturelle Festigkeit des geformten Endproduktes zu erhöhen oder um Zusatzeinrichtungen für das geformte Endprodukt hinzuzufügen, wobei dies durch energetisches Heften der Elemente an die Vorform erfolgt. Es ist nicht notwendig, daß ein Element, welches mit einem anderen zu verbinden ist, durch denselben Prozeß eingesetzter Energie hergestellt wird oder daß es überhaupt durch einen bestimmten Prozeß eingesetzter Energie hergestellt wird. Ein Element kann an einem anderen durch Anwendung eines auf Mikrowellen ansprechenden oder auf Ultraviolett ansprechenden Bindemittelharzes und die Anwendung der entsprechenden Energie, um das Bindemittelharz auszuhärten, befestigt werden. Diese Flexibilität ist daher ein Vorteil des Energie-Heftverfahrens dahingehend, daß eine durch die Mikrowellentechnik hergestellte Vorform ein durch energetisches Heften unter Verwendung der Ultraviolett-Technk befestigtes Verstärkungselement werden kann oder umgekehrt. Ebenso können Elemente, wie etwa Holz, Stahl, Ruß oder dgl., an eine Vorform unter Verwendung einer der Techniken in Kombination mit dem geeigneten Bindemittelharz befestigt werden.
Es wurde oben die Verwendung von Ultraviolett-Energie bei der Herstellung einer Vorform erwähnt. Diese Technik ist im allgemeinen ähnlich zu der Mikrowellen-Technik dahingehend, daß Quellen ultravioletten Lichts in der Anlage angeordnet werden, um ultraviolette Strahlung auf die Faserverstärkungs-Vorformen zu richten, um erstarrte Formen zu bilden. Glasfaser-Verstärkungsmaterial, umfassend optisch klare Fasern und enthaltend ein Bindemittelharz zum Verfestigen, ist zwischen zwei einander entsprechenden, halben Abschnitten eines Werkzeuges angeordnet. Wenn Strahlung angewandt wird, unterliegt das Bindemittelharz einer molekularen Polymerisation, welche ein starres Produkt bildet, welches erlaubt, daß das Glasfasermaterial gehalten wird, um der Form des Werkzeuges zu entsprechen.
Bezugnehmend auf Fig. 3 ist das gesamte Formverfahren allgemein in Art eines Flußdiagrammes dargestellt, wobei ein zweistufiges Bindemittel für die Bindemittel-Aufbringeinrichtung 20 der Fig. 1 gemischt wird, die Matte entsprechend Fig. 1 geformt wird und eine Vorform entsprechend Fig. 2 geformt wird. Die Vorform wird dann in einer Form in Übereinstimmung mit RIM-, RTM- und SRIM-Verfahren angeordnet und ein deformierbares Kunststoffmaterial, wie beispielsweise ein Matrixharz, wird in die Form beispielsweise durch Einspritzen eingebracht, um das Matrixharz in die Zwischenräume der Vorform einzubringen und diese auszufüllen. Die Form kann eine Preßform sein und entspricht dem wiederzugebenden Gegenstand. Das Matrixharz wird dann in der Form ausgehärtet und das Produkt wird dann gemäß Standard-Formverfahren entfernt.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle, beispielhafte Ausführungsformen derselben beschrieben wurde, werden viele Änderungen und Modifikationen der Erfindung für Fachleute ersichtlich werden, ohne den Rahmen der in den beigeschlossenen Ansprüchen definierten Erfindung zu verlassen. Es wird daher darauf abgezielt, daß in einem zur Erteilung gelangenden Patent alle diese Änderungen und Modifikationen umfaßt sind, welche vernünftigerweise und in geeigneter Weise innerhalb des Rahmens des Beitrages zum Stand der Technik umfaßt sind.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Vorform, umfassend die Schritte: Mischen eines zweistufigen Bindemittels, enthaltend einen ersten Bindemittelbestandteil, welcher einen ersten Initiator enthält, welcher auf sichtbares Licht oder Mikrowellen anspricht, um freie Radikale zu bilden, welche vernetzen und eine Viskosität zur Verfügung stellen, welche ausreicht, um Glasfasern zusammenzuhalten, und einen zweiten Bindemittelbestandteil, welcher einen zweiten Fotoinitiator vom kationischen Typ aufweist, welcher auf eine andere elektromagnetische Energie, wie ultraviolettes Licht oder Mikrowellenenergie, anspricht, um Elektronen zum Vernetzen zu erzeugen und um das Bindemittel zu härten; Aufbringen des zweistufigen Bindemittels auf eine Matte eines Glasfaser- Verstärkungsmaterials in ausreichender Menge, um die Fasern zu benetzen, jedoch nicht ausreichend, um die Zwischenräume zwischen den Fasern zu füllen; Aussetzen des zweistufigen Bindemittels an sichtbares Licht oder Mikrowellen, um das Bindemittel teilweise zu polymerisieren, so daß es eine Viskosität aufweist, welche ausreicht, um die Glasfasern für eine nachfolgende Handhabung zusammenzuhalten; Pressen der Matte; und Aussetzen der gepreßten Matte an die andere elektromagnetische Energie, um den zweiten Fotoinitiator zu aktivieren und um eine starre, dreidimensionale, vorgeformte Matte zu erzeugen.

2. Verfahren zur Herstellung einer Vorform in Übereinstimmung mit den Schritten van Anspruch 1, umfassend ein Pressen der Matte in eine die gewünschte Größe aufweisende Form, Pressen der Matte in eine Form, welche die gewünschte Größe und Form einer herzustellenden, dreidimensionalen Vorform aufweist und anschließendes Aussetzen der gepreßten Matte an die andere elektromagnetische Energie durch die Form hindurch, um den zweiten Fotoinitiator zu aktivieren und eine starre, dreidimensionale Vorform herzustellen.

3. Verfahren zur Herstellung einer Vorform in Übereinstimmung mit den Schritten von Anspruch 1, worin das zweistufige Bindemittel auf die Fasern in einer Menge in dem Bereich von 2 bis 8 Gew.-% des Glasfasermaterials aufgebracht wird.

4. Verfahren zur Herstellung einer Vorform in Übereinstimmung mit den Schritten von Anspruch 1, worin das zweistufige Bindemittel auf die Fasern in einer Menge in dem Bereich von 1 bis 12 Gew.-% des Glasfasermaterials aufgebracht wird.

5. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils, wobei das Verfahren nach Anspruch 2 zur Herstellung einer Vorform angewandt wird und wobei die Vorform in einer zweiten Form angeordnet wird, welche einen herzustellenden Teil nachbildet, durch Einbringen eines verformbaren Kunststoffmaterials in die zweite Form gemeinsam mit der Vorform, Pressen der Vorform und des deformierbaren Kunststoffmaterials in der zweiten Form, um das Kunststoffmaterial fließend zu machen, so daß es die Zwischenräume der Glasfasern der Vorform ausfüllt, Aushärten des Kunststoffmaterials, um den gewünschten Teil zu festigen, und Entfernen des geformten, gewünschten Teils aus der Form.

6. Vorrichtung zur Herstellung einer Vorform, umfassend in Kombination: Mittel zum Mischen eines zweistufigen Bindemittels, enthaltend einen ersten Bindemittelbestandteil, welcher einen ersten Fotoinitiator aufweist, welcher auf sichtbares Licht oder Mikrowellen anspricht, um freie Radikale zu bilden, welche vernetzen und eine Viskosität zur Verfügung stellen, welche ausreicht, um Glasfasern zusammenzuhalten, und einen zweiten Bindemittelbestandteil, welcher einen zweiten Fotoinitiator vom kationischen Typ aufweist, welcher auf eine andere elektromagnetische Energie, wie ultraviolettes Licht oder Mikrowellenenergie, anspricht, um Elektronen zum Vernetzen zu erzeugen und um das Bindemittel erstarren zu lassen; Mittel zum Aufbringen des zweistufigen Bindemittels auf eine Matte aus einem Glasfaser-Verstärkungsmaterial in einer Menge, welche ausreicht, um die Glasfasern zu benetzen, jedoch nicht ausreichend, um die Zwischenräume zwischen den Fasern auszufüllen; Mittel (22) zum Aussetzen an sichtbares Licht oder Mikrowellen, um das Bindemittel teilweise zu polymerisieren, so daß es eine Viskosität aufweist, welche ausreicht, um die Glasfasern für eine nachfolgende Handhabung zusammenzuhalten; Mittel (54) zum Pressen der Matte in die gewünschte Form; und Mittel (86) zur Erzeugung der anderen elektromagnetischen Energie, um die gepreßte Matte der anderen elektromagnetischen Energie auszusetzen, um den zweiten Fotoinitiator zu aktivieren und eine starre Matte zu erzeugen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, umfassend eine Preßform (64) zum Pressen der Matte in eine gewünschte Form der Vorform und Anwenden der Mittel zur Erzeugung der anderen elektromagnetischen Energie durch die Form der Vorform hindurch, um den zweiten Fotoinitiator zu aktivieren.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, worin die Mittel (20) ein zweistufiges Bindemittel in einer Menge in dem Bereich von 2 bis 8 Gew.-% des Glasfasermaterials aufbringen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, worin die Mittel (20) ein zweistufiges Bindemittel in einer Menge in dem Bereich von 2 bis 12 Gew.-% des Glasfasermaterials aufbringen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, enthaltend Mittel zur Anordnung der Vorform einer zweiten Form, welche einen zu formenden Teil nachbildet; Mittel zum Einbringen eines deformierbaren Kunststoffmaterials in die zweite Form gemeinsam mit der Vorform; Mittel zum Pressen der Vorform und des deformierbaren Kunststoffmaterials in der zweiten Form, um das Kunststoffmaterial zu verflüssigen, so daß es die Zwischenräume der Glasfasern der Vorform ausfüllt; Mittel zum Aushärten des Kunststoffinaterials, um den gewünschten Teil zu erhärten; und Mittel zum Entfernen des gewünschten Teils aus der Form.