DE69026579T2

DE69026579T2 - Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes aus thermoplastischem Verbund-Material

Info

Publication number: DE69026579T2
Application number: DE69026579T
Authority: DE
Inventors: Johan Arie Brambach; Bartjan Rietdijk
Original assignee: Airex AG
Current assignee: Airex AG
Priority date: 1989-11-23
Filing date: 1990-11-22
Publication date: 1996-08-22
Anticipated expiration: 2010-11-23
Also published as: EP0431669A1; ES2085884T3; US5032443A; ATE136843T1; CA2030418A1; KR910009436A; CA2030418C; DE69026579D1; EP0431669B1; NL8902899A; DK0431669T3; KR0164218B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus einem thermoplastischen Sandwichmaterial, worin die Normalen von wenigstens zwei Oberflächen dieses Materials miteinander einen Winkel bilden, wobei das Sandwichmaterial einen Schaumstoffkern aus einem thermoplastischen Schaum und Deckschichten aus einem thermoplastischen synthetischen Material umfaßt und diese Deckschichten durch Gewebe, Gewirke, Fasernetze oder unidirektional angeordnete Fasern verstärkt sind.
Schichtförmige Materialien wie Sandwichkonstruktionen finden in denjenigen Bereichen weitverbreitet Anwendung, in denen Materialien verwendet werden, die hohe Festigkeit oder Steifigkeit mit einem niedrigen Gewicht vereinen müssen. Beispiele hierfür sind Anwendungen in Flugzeugen, Raumfahrzeugen und im Transportwesen, beispielsweise Anwendungen in der Schiffahrt und bei Automobilen.
Sandwichkonstruktionen bestehen im allgemeinen aus einem Kernmaterial mit einem leichten Gewicht, auf dessen Oberflächen eine meistens verstärkte Deckschicht aufgebracht ist. Durch eine zweckmäßige Bindung zwischen den Deckschichten und dem Kernmaterial erreicht man die passende Steifigkeit. Die anderen Eigenschaften des Materials werden zum Teil durch die Natur der verschiedenen Materialien bestimmt.
Bekannte Sandwichkonstruktionen basieren auf einem Kernmaterial mit einer Wabenstruktur. Ein anderer Typ von Sandwichmaterial wird in den europäischen Patentanmeldungen 264 495 und 268 148 beschrieben. Dieses Material ist vollkommen thermoplastisch und besteht aus einem Kernmaterial, das u.a. einen thermoplastischen Schaum und zwei Deckschichten enthält, die aus einem faserverstärkten synthetischen Material wie Polycarbonat oder Polyetherimid bestehen.
Die europäische Patentanmeldung 88202345.0 offenbart ein flammwidriges schichtförmiges Material, das ebenfalls thermoplastisch ist.
Für die Anwendung solcher Materialien beim Aufbau von Gegenständen wie Innenteilen von Flugzeugen, Helikoptern u.ä. ist es vorteilhaft, wenn das Material durch Hitzeeinwirkung verformt werden kann. Die oben erwähnte europäische Patentanmeldung 268 148 offenbart ein Verfahren, das es ermöglicht, ohne jeden Verlust bei den mechanischen Eigenschaften zwei- oder dreidimensionale Verformungen von thermoplastischen Schichtmaterialien, die aus einem Schaumstoffkern und verstärkten Deckschichten bestehen, zu erhalten. Man benötigt jedoch auch ein Verfahren, um solche Schichtmaterialien zu einem Winkel abzubiegen, bei dem die mechanischen Eigenschaften erhalten bleiben und bei dem es nicht erforderlich ist, komplexe Arbeitsschritte zur Entfernung von Material durchzuführen.
Die Zusammenfassung der JP-A-60/36134 (Patent Abstracts of Japan, Vol. 9, Nr. 162 (M-394) [1885] , 6. Juli 1985) offenbart die Bildung einer Falt-Formmasse durch Falten und Festhalten eines Wellkartons unter Pressen mit einem Heizblatt, so daß dessen abgefaltetes Ende und jede seiner Oberflächen eben sind, damit sich zwei Kartonschichten sauber überdecken. Eines der verwendeten Heizblätter besitzt ein V-förmiges Profil und ein anderes ein W-förmiges Profil. Diese Heizblätter werden zur Erzeugung V-förmiger Kerben in den Karton getrieben, der leichtschmelzbare Teile aufweist. Dann faltet man das Material in einer Preßform und läßt abkühlen.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes aus einem thermoplastischen Sandwichmaterial bereit, worin die Normalen von wenigstens zwei Oberflächen dieses Materials miteinander einen Winkel bilden, wobei das Sandwichmaterial wenigstens aus einem Schaumstoffkern aus einem thermoplastischen Schaum und aus Deckschichten aus einem thermoplastischen synthetischen Material besteht und diese Deckschichten durch Gewebe, Gewirke, Fasernetze oder unidirektional angeordnete Fasern verstärkt sind, wobei das Verfahren mindestens die Schritte umfaßt:
a) Inkontaktbringen der Deckschicht des Sandwichmaterials mit einem Stempel, der auf einer Temperatur gehalten wird, die ausreicht, das Matrixmaterial der Deckschicht des Gegenstandes zu erweichen,
b) Erweichen wenigstens eines Teils des Matrixmaterials der Deckschicht aus dem thermoplastischen Material durch diesen Kontakt, wobei der erweichte Teil eine Länge besitzt, die wenigstens der Länge einer Abbiegelinie des Winkels entspricht, der die Winkelstruktur bildet, und worin wenigstens ein teilweiser Stempeleindruck in die Oberfläche erfolgt und durch Eindrücken des Stempels Zugkräfte auf die Fasern ausgeübt werden, und
c) Abbiegen des Sandwichmaterials entlang dem erweichten Teil der Oberfläche, wobei sich der erweichte Teil an der Innenseite des Winkels befindet und wenigstens ein Teil des überschüssigen Deckschichtmaterials, das sich an der Innenseite des Winkels befindet, als Folge des Abbiegens an dem erweichten Teil in den Schaumstoff eingelagert wird.
In der Tat wird auf diese Weise ein Material erhalten, das in einer Weise gebogen ist, in der das überschüssige Deckschichtmaterial, das sich an der Innenseite des Winkels befindet, in den Schaumstoff des Kerns eingeschmolzen wird. Durch die Hitzeeinwirkung verschmilzt dieses Material mit dem Kern. Als Folge besitzt die Biegung dieselbe Festigkeit wie das Ausgangsmaterial. Es wird beobachtet, daß das überschüssige Material bei den üblichen Biegeverfahren ausbeult, so daß man keine zufriedenstellende Biegung erzielt. Ferner erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund der Schwenkbewegung und des Gegendrucks durch den Schaumstoff während des Abbiegens eine gegenseitige Bindung der Deckschichten. Zum Teil deshalb haften die Deckschichten sehr stark in den Winkeln, was durch die Tatsache belegt wird, daß die Festigkeit des Schaumstoffs an dieser Stelle die Reißfestigkeit bestimmt.
Das schichtförmige Material, das gebogen werden soll (die Sandwichkonstruktion) besteht vorzugsweise aus einem thermoplastischen schaumartigen Kemmaterial und zwei Deckschichten, die aus einem thermoplastischen synthetischen Material bestehen, das mit einem Gewebe, einem Gewirke, einem Fasernetz oder unidirektional angeordneten Fasern verstärkt wurde. Ein solches Material wird u.a. in den in der Einleitung erwähnten europaischen Patentanmeldungen beschrieben.
Die Materialien, aus denen das schichtförmige Material aufgebaut werden kann, werden ebenfalls in der erwähnten europäischen Patentanmeldung beschrieben. Insbesondere handelt es sich bei dem thermoplastischen schaumartigen Material um einen Polyetherimidschaum, einen Polycarbonatschaum, einen Polymethacrylamidschaum, einen Polyethersulfonschaum, einen Polyetherketonschaum, einen Polyetheretherketonschaum oder einen Polyphenylensulfidschaum.
Die Deckschichten bestehen vorzugsweise aus einem faserverstärkten synthetischen Material, insbesondere aus einem thermoplastischen synthetischen Material, das mit einem Gewebe, einem Gewirke, einem Fasernetz oder unidirektional angeordneten Fasern verstärkt wurde.
Das thermoplastische synthetische Material, das Matrixmaterial der Deckschichten, ist im allgemeinen ein synthetisches Material mit einem hohen Erweichungspunkt, beispielsweise Polycarbonat, Polyetherimid, Polyamid, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyetherketon, Polyetheretherketon oder Polyphenylensulfid.
Das thermoplastische schaumartige Kernmaterial ist vorzugsweise ein Polyetherimidschaum, ein Polycarbonatschaum, ein Polymethacrylamidschaum, ein Polyethersulfonschaum, ein Polyetherketonschaum, ein Polyetheretherketonschaum, ein Polyetherketonketonschaum, ein Polyphenylensulfidschaum oder ein Schaum auf Basis einer Mischung dieser synthetischen Materialien. Gegebenenfalls kann das Schaumstoffmaterial mit Fasern versehen sein. Solche Fasern können aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Glasfasern, Polyamidfasern wie Aramidfasern, Polyethylenfasern, Polyesterfasern und Kohlefasern besteht.
Die Verwendung dieser Schaumstoffmaterialien in Verbindung mit den später erwähnten thermoplastischen synthetischen Deckschichtmaterialien und der Verstärkung liefert einen optimalen Aufbau für die Verstärkung und eine maximale Festigkeit für die Gesamtstruktur und die Punkte der Verstärkung.
Vorzugsweise werden die folgenden thermoplastischen synthetischen Materialien verwendet: Polyetherimid, Polycarbonat, Acrylatpolymere, Styrolpolymere, Polyethersulfon, Polyetherketon, Polyetheretherketon, Polyetherketonketon, Polyphenylenoxid, Polyphenylensulfid und Mischungen von zwei oder mehr dieser synthetischen Materialien.
In der Deckschicht werden diese synthetischen Materialien vorzugsweise mit Glasfasern, Polyamidfasern wie Aramidfasern, Polyethylenfasern, Polyesterfasern und Kohlefasern verstärkt.
Die Sandwichmaterialien, die zur Anwendung kommen sollen, werden vorzugsweise hergestellt, indem man die verschiedenen Schichten unter Hitze- und Druckeinwirkung zusammenklebt.
Ein überraschender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß sich durch die Vorbehandlung des schichtförmigen Materials eine vollständig vorhersagbare Winkelstruktur erhalten läßt, die so fest wie das Ausgangsmaterial ist. In der Tat wurde gefunden, daß aufgrund des Erweichens an der einen Seite eine Art Programmierung des Biegeverhaltens erfolgt, so daß man einen vorhersagbaren und reproduzierbaren Knick/Winkel erhält. Bei dünnen Materialien genügt meistens ein Stempel, dessen Unterseite im Teilprofil rund oder elliptisch ist oder einen Winkel aufweist. Wenn dickere Materialien verwendet werden, reicht dies im allgemeinen nicht mehr aus, weil dann zuviel Material abgeschmolzen werden muß. Dann weist der Stempel im Profil wenigstens zwei Winkel auf.
Die Größe des Winkels hängt von den Materialien ab, die verwendet werden sollen, und von der Art der Winkelstruktur. Relativ spitze Winkel haben den Vorteil, daß sie zu einer besseren Reproduzierbarkeit führen. Dementsprechend können die Werte für den Winkel innerhalb eines weiten Bereichs variieren, d.h. von ungefähr 15º bis 175º.
Bei der Durchführung des Verfahrens wird man darauf achten, daß der Umfang des Stempels, d.h. des Teils, der in die Deckschicht des Sandwichmaterials gepreßt wird, im wesentlichen r entspricht, worin der Winkel im Bogenmaß ist, den die Normalen der zwei Oberflächen miteinander bilden, und r die Dicke des Sandwichmaterials ist. In diesem Fall erhält man eine optimale Winkelstruktur, ohne daß eine übermäßige Deformation des Sandwichmaterials erfolgt.
Wenn man einen Stempel verwendet, der im Profil zwei oder mehr Winkel aufweist, sind die Seitenflächen des Stempels vorzugsweise konisch, so daß man eine leichte Trennung von Stempel und Sandwichmaterial erhält. Insbesondere befinden sich an der Unterseite des Stempels wenigstens zwei Flächen, die miteinander und mit den Seitenflächen einen Winkel bilden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird wenigstens ein Teil einer der Oberflächen des Sandwichmaterials erweicht. Dies erfolgt im allgemeinen durch Hitzeeinwirkung. Zweckmäßig wird ein heißer Stempel verwendet, so daß eine schnelle Erweichung erfolgt. Natürlich sind auch andere Methoden möglich, die jedoch nicht bevorzugt sind. Gegebenenfalls kann man das Erhitzen der Oberfläche mit einem Erweichen durch ein Lösungsmittel oder Erweichungsmittel für das Matrixmaterial der Deckschicht kombinieren. Ein für diese Zwecke geeignetes Mittel ist Dichlormethan.
Gegebenenfalls kann man das lokale Erweichen eines Teils der Deckschicht des Sandwichmaterials mit dem Erhitzen der gesamten Schicht oder eines Großteils davon kombinieren. Insbesondere erhitzt man das Sandwichmaterial vorzugsweise zusätzlich lokal an der entsprechenden Außenseite des Winkels, der gebildet werden soll. Dies bedeutet also, daß das Sandwichmaterial, bezogen auf den Stempel, auf der gegenüberliegenden Seite erhitzt wird. Ein solches Erhitzen muß nicht so stark sein, daß es eine Erweichung bewirkt. Gegebenenfalls kann auch auf der Seite des Stempels ein gewisses Maß an Hitze zugeführt werden, obwohl dies keine besonderen Vorteile bietet. Allgemein ist darauf zu achten, daß man nicht so stark erhitzt, daß ein Erweichen auch außerhalb der Bereiche erfolgt, die erweicht werden sollen, da dies zu einer schlechteren Reproduzierbrkeit des Knicks/Winkels führen könnte.
Wie bereits ausgeführt, erfolgt das Erweichen der Oberfläche durch Erhitzen der Oberfläche, gegebenenfalls in Kombination mit einem Erweichungsmittel. Die Temperatur ist dabei so, daß das Matrixmaterial der Deckschicht weich wird. Temperatur und Dauer des Erhitzens sollten jedoch so gewählt werden, daß vermieden wird, daß zu viel vom Schaumstoffkern schmilzt. Dementsprechend hängt die zu wählende Temperatur vollkommen vom verwendeten Material ab und kann durch Routineversuche ermittelt werden.
Die Dicke des Sandwichmaterials beeinflußt u.a. die Form des Stempels. Diese Dicke variiert innerhalb eines weiten Bereichs. In der Praxis liegt die untere Grenze bei ungefähr 2,5 mm, während die obere Grenze 10 cm, insbesondere 2,5 cm beträgt.
Im allgemeinen wird sich das Sandwichmaterial bereits während des Erweichens und des Eindrückens des Stempels leicht verformen (sich zu biegen beginnen), da durch das Eindrücken des Stempels Zugkräfte auf die Fasern ausgeübt werden. Gleichzeitig mit oder nach dem Erhitzen werden die zwei Oberflächen des Sandwichmaterials zur Bildung der Winkelstruktur aufeinander zubewegt. Dies kann manuell erfolgen, vorzugsweise erfolgt dies aber natürlich mit einer geeigneten Biegebank oder einer vergleichbaren Vorrichtung.
Die Erfindung wird nun unter Bezug auf die anliegenden Abbildungen erklärt und veranschaulicht, wobei Fig. 1 einige Stempelformen zeigt und Fig. 2 schematisch das Prinzip der Erfindung zeigt.
In Fig. 1 ist der mit a bezeichnete Stempel eine der einfachsten Ausführungsformen, während sich Stempel b aufgrund seiner konischen Seiten besser zur Verwendung bei Materialien eignet, bei denen Trennprobleme auftreten könnten. Stempel c kann für einfache dünne Materialien verwendet werden, während d und e im Gegensatz hierzu mehr für dickere Materialien geeignet sind, die sich schwerer biegen lassen und bei denen sich mehr Material im Knick befindet. Stempel f ist eine einfache Ausführungsform, die hauptsächlich bei sehr dünnen Materialien, die leicht zu verarbeiten sind, zur Anwendung kommt.
Fig. 2 zeigt oben, daß ein Stempel in den erweichten Teil der Oberfläche eingedrückt wird; danach wird eine Winkelstruktur gebildet, indem die beiden Oberflächen aufeinanderzugebogen werden. Wie aus der Abbildung ersichtlich, wird die Biegung des Materials durch die Winkel des Stempels vorprogrammiert, so daß sich eine wohldefinierte Winkelstruktur bildet.
Die Erfindung wird nun unter Bezug auf ein Beispiel erklärt, ohne daß die Erfindung hierdurch beschränkt werden soll.

Beispiel

Eine Platte eines Sandwichmaterials mit einer Größe von 10x10 cm, die aus einem 10 mm dicken Polyetherimidkern und zwei mit Glasfasergewebe verstärkten Polyetherimiddeckschichten bestand, wurde lokal mit einem Stempel mit einer Fig. 1d entsprechenden Form auf 320ºC erhitzt. Die drei Winkel betrugen 175º, während der Umfang des Stempeleindrucks in das Material 18,2 mm betrug.
Der Stempel wurde mit einer Kraft von 0,750 kg/cm² in die Platte gedrückt; danach wurden die beiden Oberflächen durch eine Kraft von 1 kg/ (cm Plattenbreite) zu einem Winkel von 110º gebogen. Nach dem Abkühlen wurde die Platte einer Festigkeitsprüfung unterworfen, indem man die beiden Oberflächen mit einer Zugkraft von 25 kg auseinanderzog. Die Winkelstruktur blieb erhalten, das Material gab jedoch schließlich auf der äußeren Seite nach. Die Bindung in der Winkelstruktur ist daher optimal, da die Festigkeit der Platte an der Stelle der Winkelstruktur der inneren Festigkeit des Sandwichmaterials entspricht.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes aus einem thermoplastischen Sandwichmaterial, worin die Normalen von wenigstens zwei Oberflächen dieses Materials miteinander einen Winkel bilden, wobei das Sandwichmaterial wenigstens aus einem Schaumstoffkern aus einem thermoplastischen Schaum und aus Deckschichten aus einem thermoplastischen synthetischen Material besteht und diese Deckschichten durch Gewebe, Gewirke, Fasernetze oder unidirektional angeordnete Fasern verstärkt sind, wobei das Verfahren mindestens die Schritte umfaßt:

a) Inkontaktbringen der Deckschicht des Sandwichmaterials mit einem Stempel, der auf einer Temperatur gehalten wird, die ausreicht, das Matrixmaterial der Deckschicht des Gegenstandes zu erweichen,

b) Erweichen wenigstens eines Teils des Matrixmaterials der Deckschicht aus dem thermoplastischen Material durch diesen Kontakt, wobei der erweichte Teil eine Länge besitzt, die wenigstens der Länge einer Abbiegelinie des Winkels entspricht, der die Winkelstruktur bildet, und worin wenigstens ein teilweiser Stempeleindruck in die Oberfläche erfolgt und durch Eindrücken des Stempels Zugkräfte auf die Fasern ausgeübt werden, und

c) Abbiegen des Sandwichmaterials entlang dem erweichten Teil der Oberfläche, wobei sich der erweichte Teil an der Innenseite des Winkels befindet und wenigstens ein Teil des überschüssigen Deckschichtmaterials, das sich an der Innenseite des Winkels befindet, als Folge des Abbiegens an dem erweichten Teil in den Schaumstoff eingelagert wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Stempel im Querschnitt wenigstens einen, vorzugsweise wenigstens zwei Winkel aufweist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Umfang des Stempels gleich oder im wesentlichen gleich r ist, worin der Winkel im Bogenmaß ist, der gemeinsam von den zwei Oberflächen gebildet wird, und r die Dicke des Sandwichmaterials ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin das Sandwichmaterial einen Kern aus einem Polyetherimidschaum, einem Polycarbonatschaum, einem Polymethacrylamidschaum, einem Polyethersulfonschaum, einem Polyetherketonschaum, einem Polyetheretherketonschaum, einem Polyetherketonketonschaum, einem Polyphenylensulfidschaum oder einem Schaum auf Basis einer Mischung dieser synthetischen Materialien umfaßt.

5. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1-4, worin die Deckschicht mit Glasfasern, Polyamidfasern wie Aramidfasern, Polyethylenfasern, Polyesterfasern und Kohlefasern in Form eines Gewebes, eines Gewirkes, eines Fasernetzes oder von unidirektional angeordneten Fasern verstärkt ist.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, worin die Deckschicht mit einem Gewebe verstärkt ist.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, worin die Länge der Fasern im Gewebe im wesentlichen der Länge des Sandwichmaterials entspricht.

8. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1-7, worin das thermoplastische schaumartige Kernmaterial auch Fasern enthält.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, worin die Fasern ausgewählt sind aus der Gruppe, die aus Glasfasern, Polyamidfasern wie Aramidfasern, Polyethylenfasern, Polyesterfasern und Kohlefasern besteht.

10. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1-9, worin der Schaumstoffkern auch flüssigkristalline Materialien enthält.

11. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1-10, worin das thermoplastische synthetische Material der Deckschicht ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Polyetherimid, Polycarbonat, Acrylatpolymeren, Styrolpolymeren, Polyethersulfon, Polyetherketon, Polyetheretherketon, Polyetherketonketon, Polyphenylenoxid, Polyphenylensulfid und Mischungen aus zwei oder mehr dieser synthetischen Materialien besteht.

12. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1-10, worin die Seitenflächen des Stempels konisch sind und sich an der Unterseite wenigstens zwei Flächen befinden, die miteinander und mit den Seitenflächen einen Winkel bilden.