DE2944359A1 - COMPOSITE BODY - Google Patents
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Description
29U35929U359
30. Okt. 1979 D-Hg/KOctober 30, 1979 D-Hg / K
Composite Technology Corporation Troy, Michigan, USAComposite Technology Corporation Troy, Michigan, USA
"Verbundkörper""Composite body"
Die Erfindung betrifft eine Konstruktion und ein Herstellungsverfahren geschichteter Verbundkörper solcher Art, bei denen mehrere Werkstoffe miteinander verbunden sind, um einen einstückigen Körper zu schaffen, der die kombinierten physikalischen und chemischen Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe besitzt. Die Erfindung betrifft genauer gesagt Schichtstoffe die vorwiegend aus nichtmetallischen Werkstoffen zusammengefügt sind, wie hochfeste Glasfasern, offenzelliger Harzschaum, wärmehärtbarer Harzbinder und starre syntaktischeThe invention relates to a construction and a manufacturing method layered composite body of the type in which several materials are bonded together to form a one-piece Creating bodies that have the combined physical and chemical properties of the materials used owns. More precisely, the invention relates to laminates which are assembled predominantly from non-metallic materials are, such as high strength fiberglass, open cell resin foam, thermosetting resin binder, and rigid syntactic
030034/0524030034/0524
Schaumkernelemente, die aus kleinen in eine Harzgrundmasse eingebetteten hohlen Kugeln bestehen.Foam core elements consisting of small hollow spheres embedded in a resin matrix.
Beim Herstellen solcher Verbundkörper und dort, wo relativ dicke Querschnitte erforderlich sind, wurden früher geschlossenzellige Schäume als Kernelemente verwendet und auf diese starren Elemente wurden harzimprägnierte offenzellige und nachgiebige Schaumschichten gepreßt und ausgehärtet.In the past, closed-cell ones were used in the manufacture of such composite bodies and where relatively thick cross-sections are required Foams are used as core elements and on these rigid elements were resin-impregnated open-celled and resilient foam layers pressed and cured.
Die Verwendung eines starren geschlossenzelligen Schaumelementes, das aus einer einzigen Harzphase besteht, in einem solchen Verbundkörper erbringt zahlreiche Probleme bezüglich des Einschließens von Gasen, was einerseits (1) die Fähigkeit das Kernelement in eine verstärkte Harzhaut oder ein äußeres Gehäuse völlig einzukapseln und andererseits (2) die Harzaushärttemperatur und damit die Menge, in der solche Verbundkörper hergestellt werden können, begrenzt.The use of a rigid, closed-cell foam element consisting of a single resin phase in such a composite body presents numerous problems with regard to the confinement of gases, which on the one hand (1) the Ability to completely encapsulate the core element in a reinforced resin skin or outer casing and on the other hand (2) the resin curing temperature and thus the amount in which such composite bodies can be produced, limits.
Das völlige Einkapseln eines geschlossenzelligen Kernelementes in ein hartes und undurchlässiges Gehäuse ist wichtig, um das Kernelement davor zu schützen, daß es während der Benutzung mechanisch beschädigt werden kann oder daß schädliche Flüssigkeiten oder Gase in dieses eindringen können. Für eine Zeit kann solches Eindringen entweder den Wert des Kernelementes herabsetzen, oder ein Abheben des äußeren Gehäuses vom Kernelement hervorrufen.The complete encapsulation of a closed-cell core element in a hard and impermeable housing is important to the To protect the core element from being mechanically damaged during use or from harmful liquids or gases can penetrate into it. For a time, such intrusion can either reduce the value of the core element reduce, or cause a lifting of the outer housing from the core element.
- 3 030034/0524 - 3 030034/0524
Das unduchlässige äußere Gehäuse eines solchen Verbundkörpers umfaßt einen im Ausgangszustand nachgiebigen und offenzelligen Schaum, der mit einem wärmehärtbaren Harz imprägniert und im allgemeinen mit einer Glasfaserverstärkungsschicht bedeckt ist. Beim Herstellen des Verbundkörpers werden die imprägnierte Schaumschicht und die Verstärkungsschicht gegen das harte Kernelement gedrückt und das Harz durch Aufwenden von Wärme ausgehärtet, während die nachgiebige Schaumschicht unter Druck gehalten wird, bis das Harz ausgehärtet ist. Die Dauer des Zyklus zum Aushärten des Harzes ist eine Kombination von Zeit und Temperatur. Dabei gilt im allgemeinen: je höher die Aushärtungstemperatur ist, umso kürzer ist die zum Aushärten des Harzes erforderliche Zeit. Gleichzeitig sind schnelle Aushärtzyklen höchst erwünscht, um die Verwendung der Formen zu erhöhen und damit die Herstellungskosten zu senken. Bei der Verwendung eines starren geschlossenzelligen Kernelementes, das eine einzige Harzphase hat,ist es jedoch erforderlich, die Aushärttemperatur des Harzes unter einem gewissen Niveau zu halten, um das Ausgasen von Luft oder anderen Gasen, die üblicherweise in den geschlossenen Zellendes starren Schaumkern elementes eingefangen oder enthalten sind, zu verhindern oder zu steuern.The impermeable outer housing of such a composite body comprises one which is flexible in the initial state and is open-celled Foam impregnated with a thermosetting resin and generally covered with a glass fiber reinforcement layer is. When producing the composite body, the impregnated foam layer and the reinforcement layer are against the hard The core element is pressed and the resin is cured by applying heat, while the resilient foam layer is under pressure is held until the resin has hardened. The duration of the cycle to cure the resin is a combination of Time and temperature. In general, the higher the curing temperature, the shorter the curing time of the resin required. At the same time, fast curing cycles are highly desirable for the use of the molds to increase and thus to reduce manufacturing costs. When using a rigid, closed-cell core element, which has a single resin phase, however, it is necessary to keep the curing temperature of the resin below a certain level to keep to the outgassing of air or other gases that are commonly found in the closed cell end of the rigid foam core element are caught or contained, prevent or control.
Das Ausgasen von eingeschlossener Luft oder anderen Gasen führt zu zwei Problemen. Erstens: wenn große Sorgfalt aufgewendet wird,einschließlich der Verwendung von relativ niedrigenOutgassing trapped air or other gases creates two problems. First: if great care is taken will, including the use of relatively low
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Harzhärtungstemperaturen, beispielsweise von 66 - 93°C,kann das Ausgasen ein Abheben der äußeren Schutzschicht vom starren offenzelligen Kernelement bewirken, was in einen sogenannten "Kissenbilden" (pillowing) resultiert. Zweitens ist ein völliges Einkapseln eines Kernelementes mit einer einzigen Harzphase nicht erreichtbar, da ein Weg zum Entweichen der gefangenen Gase während der Wärmebehandlung der äußeren Schutzschicht geschaffen werden muß.Resin curing temperatures, for example from 66-93 ° C, the outgassing can cause the outer protective layer to lift off rigid open-cell core element cause what in a so-called "pillowing" results. Secondly a complete encapsulation of a core element with a single resin phase cannot be achieved, as there is a way to escape of the trapped gases must be created during the heat treatment of the outer protective layer.
Die vorliegende Erfindung verhindert das Ausgasen und andere Schwierigkeiten, die bisher der Verwendung von üblichen starren, geschlossenzelligen Schaumelementen anhaftete) in_dem ein starres Kernelement verwendet wird, das kleine hohle Kugeln enthält, die entweder aus organischen oder anorganischen Materialien hergestellt und in ein wärmehärtbares Harz eingebettet sind. In ihren kleinsten Abmessungen werden solche Kugeln als Mikro-Kugeln oder Mikro-Ballons bezeichnet.The present invention prevents outgassing and other difficulties previously associated with the use of conventional rigid, closed-cell foam elements adhered) in_dem Rigid core element is used which contains small hollow spheres made of either organic or inorganic Materials are made and embedded in a thermosetting resin. In their smallest dimensions such Balls referred to as micro-balls or micro-balloons.
Die US-PS Nm. 3 193 437, 3193 441 sowie 3 867 221 zeigen das Konzept eines im Ausgangszustand nachgiebigen und offenzelligen Schaumwerkstoffes, der mit einem thermoplastischen Harz imprägniert ist und der allein oder in Verbindung mit Verstärkungsfasern verwendet wird, wobei die Schaumschicht mit relativ geringem Druck zusammengedrückt wird derart, daß das wärmehärtbare Harz im wesentlichen die Zellen des Schaumes ausfüllt und ausgehärtet wird, während die nachgiebige Schaum-The US-PS Nm. 3,193,437, 3,193,441 and 3,867,221 show the concept of an open-celled structure that is compliant in the initial state Foam material which is impregnated with a thermoplastic resin and which alone or in conjunction with Reinforcing fibers is used, wherein the foam layer is compressed with relatively low pressure such that the thermosetting resin essentially fills the cells of the foam and is cured, while the resilient foam
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- geschieht in zusammengepreßtem Zustand gehalten wird. Diese bekannten Verfahren sind teilweise vorteilhaft beim Herstellen eines relativ dünnwandigen Verbundkörpers hoher Festigkeit und Dichte. Gleichzeitig ist es möglich, diese Verfahren zu benutzen, um Schichtstoffteile beträchtlicher Dicke aufzubauen. Da es jedoch in beiden dieser Verfahren erforderlich ist, das im Ausgangszustand nachgiebige,offenzellige Schaummaterial auf etwa die Hälfte bis ein Viertel seiner Ausgangsdicke zu pressen, um die offenen Zellen mit Harz anzufüllen, ist es nötig, entweder eine sehr dicke,im Ausgangszustand nachgiebige, offenzellige Schaumschicht oder mehrere Schichten dieses Werkstoffes zu verwenden, die alle mit einem wärmehärtbaren Harz imprägniert sind, um ein^elativ dicken Körper zu erreichen. Der Nachteil der Anwendung dieser Verfahren allein zum Herstellen eines Körpers mit großem Querschnitt besteht darin, daß der Körper in bezug auf seine Festigkeit und Steifigkeit relativ schwer wird, zweitens wegen der im Grunde genommen festen Harzgrundmasse, die sich über den gesamten Teil erstreckt, sehr kostspielig ist und drittens ein schlechter Isolator ist, was durch einen geringen K-Faktor angedeutet wird.- is held in a compressed state. These known methods are in some cases advantageous in producing a relatively thin-walled, high-strength composite body and density. At the same time it is possible to use these methods to build up laminate parts of considerable thickness. However, since it is necessary in both of these processes to use the initially flexible, open-cell foam material It is to press to about half to a quarter of its original thickness in order to fill the open cells with resin necessary, either a very thick, initially compliant, open-cell foam layer or multiple layers of this material, all with a thermosetting resin are impregnated in order to achieve a relatively thick body. The disadvantage of using these methods to manufacture alone of a body with a large cross-section is that the body in terms of its strength and rigidity becomes relatively heavy, secondly because of the basically solid resin matrix that extends over the entire part, is very expensive and, thirdly, is a bad insulator, which is indicated by a low K-factor will.
Obwohl es theoretisch möglich ist, Verbundkörper von relativ unbegrenzter Dicke herzustellen unter Verwendung des Formverfahrens, der in den US-PS 3 193 ^37 und 3 867 221 beschrieben ist, verlieren in der Praxis Körper mit einer Stärke, überAlthough it is theoretically possible to make composite bodies of relatively unlimited thickness using the molding process, that described in U.S. Patents 3,193,37 and 3,867,221 is, in practice, lose body with a strength about
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7 bis 8 mm viele ihrer wesentlichen Vorteile einschließlich einer erheblichen Herabsetzung in ihrem Festigkeit-Gewicht-Verhältnis, wenn die Stärke ansteigt.7 to 8 mm have many of their significant advantages including a significant reduction in their strength-to-weight ratio, when the strength increases.
Die HEirstellung eines Verbundkörpers, der ein versteiftes, offenzelliges Kernelement mit einer verstärkten äußeren Harzoberfläche oder -gehäuse hat, ist in der US-PS 4 042 746 beschrieben. In der Praxis wurde beim Herstellen eines Verbundkörpers der in dieser Patentschrift beschriebenen Art festgestellt, daß die Aushärttemperatur des Harzes, mit die der nachgiebige offenzellige äußere Schicht imprägniert ist,in der Größenordnung von 66 bis 93°C gehalten werden muß, um das Ausgasen der Luft oder Gase zu steuern, die in dem geschlossenzelligen Element eingeschlossen sind. In gleicher Weise werden eine oder mehrere der Seitenwände des starren Kernelementes unbedeckt belassen, um einen Auslaßweg für einige Gase zu schaffen, die während des Formvorganges freigegeben oder erzeugt werden.The production of a composite body that contains a stiffened, having an open cell core member with a reinforced resin outer surface or housing is disclosed in U.S. Patent No. 4,042,746. In practice it has been found in the production of a composite body of the type described in this patent specification, that the curing temperature of the resin with which the flexible open-cell outer layer is impregnated in the The order of magnitude of 66 to 93 ° C must be maintained in order to control the outgassing of the air or gases contained in the closed cell Element are included. Likewise, one or more of the side walls of the rigid core element left uncovered to provide an outlet path for some gases that are released or generated during the molding process will.
Obwohl zufriedenstellende Verbundkörper nach den Lehren der US-PS 4 042 746 hergestellt werden können, ist die Menge in der solche Körper erzeugt werden können, begrenzt durch die relativ niedrigen Harzaushärttemperaturen, die verwendet werden müssen.Although satisfactory composites can be made according to the teachings of U.S. Patent 4,042,746, the amount is in the amount of such bodies that can be produced is limited by the relatively low resin curing temperatures that are used Need to become.
Π 3 0 () 3 4 / 0 B 2 4Π 3 0 () 3 4/0 B 2 4
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Die Verwendung von kleinen Glasperlen oder Kugeln als Zusatz zu einem wärnehärtbaren Harz, das in einem Verbundkörper verwendet wird, ist in der US-PS 4 034 137 beschrieben. Danach werden Glasperlen und Glasfaserchen einem flüssigen Harz zugesetzt, mit dem mehrere Schichten von offenzelligem, nachgiebigem Schaum zum Zwecke des Herabsetzens der Harzdichte und zum Anheben der Bindefestigkeit zwischen benachbarten Schaumschichten imprägniert werden. Das Patent 4 034 137 befaßt sich mit der Steigerung der Laminarbindestärke in relativ dünnwandigen Schichtstoffen und betrifft kein geschlossenzelliges und relativ dickes, starres Kernelement, das aus kleinen,hohlen in organischem Harz eingebetteten Kugeln besteht, das seinerseits völlig eingeschlossen oder eingekapselt ist in eine äußere verstärkte Harzschicht.The use of small glass beads or spheres as an additive to a thermosetting resin used in a composite body is described in U.S. Patent 4,034,137. Then glass beads and glass fibers are added to a liquid resin, with the multiple layers of open-cell, resilient Foam for the purpose of lowering the resin density and increasing the bonding strength between adjacent ones Foam layers are impregnated. The 4,034,137 patent is concerned with increasing the laminar bond strength in relatively thin-walled laminates and does not apply to a closed-cell and relatively thick, rigid core element that consists of small, hollow spheres embedded in organic resin, which in turn is completely enclosed or encapsulated is in an outer reinforced resin layer.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, einen relativ leichten, sehr starken Verbundkörper beträchtlicher Dicke herzustellen, wobei die Möglichkeit des Schichtabhebens durch Eliminieren und wesentliches Herabsetzen des Ausgasens größtmöglich reduziert ist und wobei wesentlich höhere Harzaushärttemperaturen verwendet werden können, wodurch die Menge,in der Verbundkörper hergestellt werden können, erhöht ist.According to the invention it is possible to produce a relatively light, very strong composite body of considerable thickness, the possibility of layer lifting by eliminating and significantly reducing outgassing as much as possible is reduced and wherein much higher resin curing temperatures can be used, reducing the amount in the composite can be produced is increased.
Der verbesserte Verbundkörper gemäß der Erfindung macht sich die Verwendung eines starren Kernelementes zunutze, das kleineThe improved composite body according to the invention takes advantage of the use of a rigid core element, the small one
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eingebettet sind hohle Kugeln umfaßt, die in einem organischen Harzbinder Yin Verbindung mit einer im Ausgangszustand offenzelligen, nachgiebigen Schaumschicht, die mit einem flüssigen wärmehärtbaren Harz imprägniert ist und die gegen das starre Kernelement gepreßt wird, wobei der flüssige Harz ausgehärtet wird, während die harzimprägnierte Schaumschicht in zusammengedrücktem Zustand gehalten wird.Embedded are hollow spheres made of yin in an organic resin binder Connection with an open-cell, flexible one in the initial state Foam layer which is impregnated with a liquid thermosetting resin and which is against the rigid core member is pressed, wherein the liquid resin is cured, while the resin-impregnated foam layer in the compressed state is held.
Das starre Kernelement gemäß der Erfindung enthält organische (beispielsweise aus Polysterol oder Hienol bestehende) oder anorganische (beispielsweise aus Ton, Quarz oder Glas bestehende) hohle Kugeln, die einen Durchmesser von beispielsweise, in der Größenordnung von 10 bis 200 Mikron und eine Wandstärke von 0,2 bis 0,5 Mikron haben, wobei die Kugeln in eine organische Harzgrundmasse eingebettet sind. Die in dem starren Kernelement enthaltenen Kugeln sind beispielsweise etwa 20 bis 50 Gewichtsteile auf je 100 Harzteile. Das Harz kann jedes geeignete organische seinfwie;Epoxy ; Polyester-oder Venylester-. Das beschriebene Kernelement ist in der Tat ein Schaum, der zwei starre Phasen hat,und wird manchmal als ein syntaktischer Schaum bezeichnet.The rigid core element according to the invention contains organic (e.g. consisting of polystyrene or hienol) or inorganic (e.g. consisting of clay, quartz or glass) hollow spheres, which have a diameter of, for example, on the order of 10 to 200 microns and a wall thickness of 0 , 2 to 0.5 microns, with the spheres embedded in an organic resin matrix. The balls contained in the rigid core member are, for example, about 20 to 50 parts by weight for every 100 resin parts. The resin may be any suitable organic f like; epoxy; Polyester or vinyl ester. The core element described is in fact a foam that has two rigid phases and is sometimes referred to as a syntactic foam.
Das starre Kernelement wird durch ein Form- oder Gießverfahren in die gewünschte Stärke und Gestalt gebracht. Das Kernelement kann jedoch auch zu einem Block geformt und danachThe rigid core element is brought into the desired strength and shape by a molding or casting process. The core element however, it can also be shaped into a block and afterwards
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ausgeschnitten oder in die gewünschte Gestalt gebracht werden. Beginnend mit dem starrken Kernelement in der Gestalt oder gewünschten Form für den endgültigen Verbundkörper ist es dann erforderlich, den Kern in ein angemessenes äußeres Schutz- und Verstärkungsgehäuse einzukapseln.cut out or brought into the desired shape. It is starting with the rigid core element in the shape or shape desired for the final composite body then required to encapsulate the core in an appropriate external protective and reinforcement housing.
Eine Schicht von im Ausgangszustand nachgiebigen und offenzelligen Schaum wird mit einem flüssigen wärmehärtbaren Harz, wie Epoxy , Polyester, Venylester oder dergleichen imprägniert. Die nichtausgehärtete harzimprägnierte Schaumschicht wird auf das starre Kernelement aufgelegt und wird ihrerseits vorzugsweise mit einer Schicht von Verstärkungsmaterial, wie Fieberglas in gewebter oder gematteter Form,abgedeckt. Die Verstärkungsschicht und der harzimprägnierte, nachgiebige Schaum wird dann gegen das atarre, syntaktische Schaumkernelement unter gewisser Verringerung der Stärke der nachgiebigen Schaumschicht gepreßt, wodurch die offenen und untereinander verbundenen Zellen mit dem flüssigen Harz angefüllt und die Verstärkungsfasemvom Harz eingekappselt werden. Während dieser Verbund unter Druck gehalten wird, wird Hitze zum Aushärten des Harzes zugeführt. Das Ergebnis ist ein Verbundkörper, der einen dicken Querschnitt hat, bei dem das starre Kernelement vollständig in ein hochfestes und dichtes Schutzgehäuse oder eine -Haut eingekapselt ist.A layer of compliant and open-celled in the initial state Foam is impregnated with a liquid thermosetting resin such as epoxy, polyester, vinyl ester or the like. The uncured resin impregnated foam layer is placed on top of the rigid core element and is in turn preferred covered with a layer of reinforcement material such as fiberglass in woven or matted form. the Reinforcement layer and the resin impregnated, resilient foam is then against the atarre, syntactic foam core element pressed with some reduction in the strength of the resilient foam layer, creating the open and interconnected connected cells are filled with the liquid resin and the reinforcing fibers are encapsulated by the resin. During this If the composite is held under pressure, heat is applied to cure the resin. The result is a composite that has a thick cross-section in which the rigid core element is completely enclosed in a high-strength and tight protective housing or a skin is encapsulated.
Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen Zeichnungen zeigen:Details of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. In these drawings show:
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines gemäß der Erfindung hergestellten Flügels;Fig. 1 is a perspective view of a wing made in accordance with the invention;
Fig. 2 ein starres syntaktisches Schaumkernelement, das mit einer verstärkten und mit flüssigem Harz imprägnierten, nachgiebigen, offenzelligen äußeren Lage bedeckt ist, vor dem Zusammenpressen und Aushärten der äußeren Lagen;Fig. 2 shows a rigid syntactic foam core element, which with a reinforced and with a liquid Resin-impregnated, resilient, open-cell outer layer is covered before being pressed together and curing the outer layers;
Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht einesFIG. 3 shows a view corresponding to FIG. 2
völlig ausgehärteten Flügels, der ein syntaktisches Schaumkernelement in einem äußeren Schutzgehäuse umfaßt, undfully cured wing, which is a syntactic foam core element in an outer protective housing includes, and
Fig. 4 einen vergrößerten Teil eines Schnittes durch das syntaktische Schaumkernelement.4 shows an enlarged part of a section through the syntactic foam core element.
Fig. 1 und 3 zeigen einen in Flügelform hergestellten Verbundkörper 10, der gemäß der Erfindung hergestellt ist. Der Flügel 10 ist an einem Ende aufgeschnitten, um ein starres Kernelement 12 zu zeigen, das von einem Schutzgehäuse 14 eingekapselt ist.1 and 3 show a composite body made in the shape of a wing 10 made in accordance with the invention. The wing 10 is cut open at one end to make a rigid one Core element 12 to show encapsulated by a protective housing 14 is.
Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt, aus dem die zusammengesetzten Komponenten vor dem Aufbringen des Gehäuses 14 auf das Kerneltment 12 ersichtlich sind. Es ist klar, daß esFig. 2 shows an enlarged section from which the assembled Components can be seen before the housing 14 is attached to the kernel ment 12. It is clear that it is
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keine spezielle Grenze für die Gestalt oder Stärke des Kernelementes 12 gibt. Wie in Fig. 1 veranschaulicht,hat das Kernelement 12 einen konvexen Querschnitt, der seine größte Stärke an der Wurzel des Flügels hat, die etwa zwischen 25 bis 50 mm liegt. Andere Komponenten werden gewöhnlich mit starren Kernelementen geformt, die eine Stärke von 125 mm bis 250 mm haben. Im wesentlichen ist die Stärke des Kernelementes durch die besondere Verwendung des Verbundkörpers,der geformt werden SoIl3 und durch die von diesem zu tragende Last bestimmt. Im allgemeinen wird die Stärke und die Form des Verbundkörpers verändert, indem die Stärke und die Gestalt des Kernelementes verändert werden, anstatt die Stärke des Gehäuses 14 zu ändern, die normalerweise in der Größenordnung von 1,5 bis 3 mm liegt, wenn diese ausgehärtet ist.there is no particular limit to the shape or strength of the core element 12. As illustrated in Fig. 1, the core element 12 has a convex cross-section, which has its greatest thickness at the root of the wing, which is approximately between 25 to 50 mm. Other components are usually molded with rigid core elements that are 125mm to 250mm thick. Essentially, the strength of the core element is determined by the particular use of the composite body that is to be formed 3 and by the load to be borne by this. In general, the thickness and shape of the composite body is changed by changing the thickness and shape of the core member rather than changing the thickness of the housing 14, which is normally on the order of 1.5 to 3 mm when cured .
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, umfaßt das Gehäuse 14 im Ausgangszustand nachgiebige Schaumschichten 16 und 18, die offene und miteinander verbundene Zellen haben. Bezüglich der offenzelligen Eigenschaften jeder dieser nachgiebigen Schaumschichten wird angenommen, daß etwa 85% der Schaumzellen offen sind und mit benachbarten Zellen in Verbindung stehen. Es ist festgestellt worden, daß ein flexibler oder nachgiebiger Polyurethanschaum besonders zur Ausübung der Erfindung geeignet ist. Jedoch andere offenzellige, nachgiebige Schäume können insoweit verwendet werden, als sie mit dem wärmehärtbaren Harz verträglich sind, mit dem solcher Schaum im-As can be seen from Fig. 2, the housing 14 comprises in the initial state compliant foam layers 16 and 18 which have open and interconnected cells. Regarding the open-cell Properties of each of these resilient foam layers are believed to have about 85% of the foam cells open and are in communication with neighboring cells. It has been found that a flexible or compliant Polyurethane foam is particularly suitable for practicing the invention. However, other open-cell, compliant foams can be used insofar as they are compatible with the thermosetting resin with which such foam is im-
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-imprägniert wird.- is impregnated.
Die offenzelligen Schaumschichten 16 und 18 können als Behälter zur Aufnahme des flüssigen, wärmehärtbaren Harzes während des Formvorganges angesehen werden. Die Stärke der offenzelligen Schichten 16 und 18 wird im allgemeinen durch die Menge der Verstärkungsschichten 20 und 22 bestimmt, die von dem Harz imprägniert oder eingekapselt werden sollen. Es ist üblich, eine offenzellige Schaumschicht von 25 mm oder weniger Ausgangsoder nicht zusammengepreßter Stärke zu verwenden, die eine Dichte in der Größenordnung von 8,0 kg/m* bis 80,0 kg/m^ hat.The open-cell foam layers 16 and 18 can be used as containers to take up the liquid, thermosetting resin during the molding process. The strength of the open-cell Layers 16 and 18 is generally determined by the amount of reinforcement layers 20 and 22 exposed by the resin to be impregnated or encapsulated. It is common to have an open cell foam layer of 25 mm or less starting or to use uncompressed starch which has a density of the order of 8.0 kg / m * to 80.0 kg / m ^.
Die offenzelligen Schichten 16 und 18 sind vorzugsweise mit einem wärmehärtbaren Harz getränkt, bevor diese auf das Kernelement 12 aufgebracht werden. Die nachgiebigen Schaumschichten können auf diese Weise in jeder bekannten Art und Weise imprägniert werden, beispielsweise durch Tauchen, durch Durchlaufen eines Harzbades und anschließendem Passieren durch Quetschwalzen, um die Menge an aufgenommenem,flüssigen Harz zu steuern, oder durch Beschichten mittels Auftragwalzen.The open-cell layers 16 and 18 are preferably impregnated with a thermosetting resin before they are applied to the core element 12 are applied. The resilient foam layers can be impregnated in this way in any known manner, for example by dipping, by passing through a resin bath and then passing through nip rollers to determine the amount of liquid resin absorbed to control, or by coating with applicator rollers.
In Abhängigkeit von der Verträglichkeit mit den anderen zusammenzufügenden Materialien, der zur Verfügung stehenden Aushärtzeit, den physikalischen Festigkeitserfordernissen in den äußeren Verstärkungsschichten und Kosten, kann eine Anzahl von flüssigen wärmehärtbaren Harzsystemen verwendet werden, um dieDepending on the compatibility with the others to be merged Materials, the available curing time, the physical strength requirements in the outer reinforcement layers and cost, a number of liquid thermosetting resin systems can be used to make the
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offenzelligen Schaumschichten 16 und 18 zu imprägnieren. Beispielsweise ist es im Rahmen der Erfindung günstig^Venylester, Polyester oder andere Epoxyharze zu Imprägnierungszwecken zu verwenden. Wenn die Schaumschichten 16 und 18 mit dem flüssigen Harz imprägniert sind, so folgen diese normalerweise vor dem Pressen und Aushärten der Kontur des Kernelementes 12.to impregnate open-cell foam layers 16 and 18. For example, it is favorable within the scope of the invention ^ vinyl ester, Use polyester or other epoxy resins for impregnation purposes. When the foam layers 16 and 18 with the liquid resin are impregnated, they usually follow the contour of the core element before pressing and curing 12th
eiegg
Die Verstärkungsschicht/ 20 und 22 sollen auf die flüssig-harzgetränkten, offenzelligen Schaumschichten 16 und 18 aufgebracht werden, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Eine bevorzugte Verstärkungsschicht umfaßt Glasfasern in gematteter oder gewebter Form. Zum Teil von der endgültigen,äußeren,gewünschten Oberflächenbeschaffenheit abhängig, können andere Verstärkungsmaterialien benutzt werden, entweder in Verbindung mit hochfesten Glasfasern oder anstelle von diesen. Beispielsweise wurde festgestellt, daß eine dünne, zum Beispiel 0,25 mm starke Schicht aus Metall, beispielsweise aus rostfreiem Stahl,auf die Glasfaserschicht aufgebracht werden kann, was dem Verbundkörper das Aussehen einer Metallkonstruktion verleiht. Es ist auch festgestellt worden, daß dann, wenn eine dickere, beispielsweise eine 0,8 mm starke,äußere Stahlschicht verwendet wird, die Glasfaserverstärkungslage fortgelassen werden kann. Für andere Zwecke, beispielsweise als elektrische Abschirmung, kann Aluminiumfolie von etwa 0,05 mm Stärke aufgelegt und mit der Verstärkungsschicht während des Druck-Formungs-VorgangesThe reinforcement layer / 20 and 22 are intended to be applied to the liquid-resin-impregnated, open-cell foam layers 16 and 18, as shown in FIG. A preferred reinforcing layer comprises glass fibers in matt or woven form. Depending in part on the final exterior finish desired, other reinforcing materials can be used, either in conjunction with or in place of high strength glass fibers. For example, it has been found that a thin, e.g. 0.25 mm thick, layer of metal, e.g. It has also been found that if a thicker, for example 0.8 mm thick, outer steel layer is used, the glass fiber reinforcement layer can be omitted. For other purposes, for example as electrical shielding, aluminum foil about 0.05 mm thick can be applied and with the reinforcement layer during the pressure-forming process
- 14 030 0 34/082A- 14 030 0 34 / 082A
verbunden werden .get connected .
Das Kernelement 12 wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 4 näher beschrieben. Wie bereits erwähnt wurde, ist das Kernelementi2 starr»ist Jedoch besonders von den bekannten Typen von Schichtstoffen, wie sie in der US-PS 4 042 746 beschrieben sind, zu unterscheiden, da das erfindungsgemäße Kernelement das, was als zwei starre Phasen bezeichnet werden kann, besitzt, während der starre Kern gemäß der vorgenannten US-PS nur eine einzige starre Phase hat. Zahlreiche erhebliche Vorteile werden erreicht, wenn ein derartiges Kernelement im Vergleich zu einem solchen mit einem einzigen Harzphasensystem verwendet wird. Die Vorteile bestehen in der größeren strukturellen Festigkeit, verbesserter Steuerung des Ausgasens während des Formvorganges und der Möglichkeit der besseren Steuerung der Dichte des Kernelementes durch genauere Kontrolle der Größe der hohlen Kugeln.The core element 12 will now be described in more detail with reference to FIG. 4. As mentioned earlier, the core element is i2 rigid »is, however, particularly of the known types of laminates, as described in US Pat. No. 4,042,746, since the core element according to the invention is the what can be referred to as two rigid phases, while the rigid core according to the aforementioned US-PS has only one has only rigid phase. Numerous significant advantages are achieved if such a core element compared to a those with a single resin phase system is used. The advantages are greater structural strength, improved control of outgassing during the molding process and the ability to better control the density of the core element by more precisely controlling the size of the hollow spheres.
Beim Verwenden von üblichen Einphasen geschlossenzelligen Schäumen derart, die in der US-PS 4 042 746 beschrieben ist, ist es unvermeidbar, daß Luft oder anderes Gas während der Schaumherstellung in den geschlossenen Zellen eingeschlossen wird. Wenn ein solcher geschlossenzelliger Schaum beim Herstellen eines Verbundkörpers verwendet wird, der das Superumgebungshärten des wärmehärtbaren Harzes erforderlich macht, wie dies in der US-PS beschrieben ist, wird die Erzeugung oder das Frei'assen von Gasen, die in den Kernzellen enthalten sind, ein Problem, tfenn ein solches Ausgasen nicht gesteuert oderUsing conventional single phase closed cell foams of the type described in U.S. Patent No. 4,042,746, it is inevitable that air or other gas will be trapped in the closed cells during foam production will. When such closed cell foam is used in making a composite body that has super-ambient curing of the thermosetting resin, as described in U.S. Patent, is required to produce or The release of gases contained in the core cells is a problem if such outgassing is not controlled or controlled
n 3 0 i) 3 4 / 0 b 2 /fn 3 0 i) 3 4/0 b 2 / f
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nicht verhindert wird, kann zwischen dem Kernelement und der äußeren Schutzschicht oder dem -gehäuse ein Abheben oder eine "Kissenbildung" (pillowing) auftreten. In der Praxis wurde festgestellt, daß dann, wenn ein Verbundkörper nach den Lehren des US-Patentes hergestellt wird, die Temperatur zum Aushärten des wärmehärtbaren Harzes im äußeren Gehäuse auf 66 bis 93°C gehalten werden muß, um das Ausgasen zu begrenzen. Obwohl ein derartiges Harz bei höheren Temperaturen ausgehärtet werden kann, erhöht sich dann, wenn dieser Temperaturbereich oberhalb des Ausgasens von dem starren einphasigen Kernelement liegt, die Wahrscheinlichkeit der Ablösung erheblich. Auf diese Weise ist die Formzykluszeit beträchtlich größer, als diese in dem Fall sein würde, wenn höhere Harzaushärttemperaturen verwendet werden könnten.is not prevented, between the core element and the outer protective layer or housing a lifting or a "Pillowing" occur. In practice it has been found that when a composite body according to the teachings of the US patent, the temperature for curing the thermosetting resin in the outer housing to 66 to 93 ° C must be maintained in order to limit the outgassing. Although such a resin can be cured at higher temperatures can, increases when this temperature range is above the outgassing from the rigid single-phase core element, the likelihood of detachment is considerable. In this way, the mold cycle time is considerably greater than this in the case where higher resin cure temperatures could be used.
Es ist ein Zweck der Erfindung, ein starres Kernelement zu verwenden, das höheren Harzaushärttemperaturen widersteht, wodurch schnellere Formzyklen erreicht werden können, ohne daß dabei das vorgenannte Problem des Ausgasens und des möglichen Abhebens auftritt.It is a purpose of the invention to use a rigid core element that can withstand higher resin curing temperatures, whereby faster molding cycles can be achieved without the aforementioned problem of outgassing and the possible withdrawal occurs.
Das Kernelement 12 umfaßt eine erste kontinuierliche Harzphase 24 oder eineiHarzgrundstoff, in den hohle Kugeln 26 eingebettet oder eingekapselt sind, um eine zweite und nicht kontinuierliche starre Phase zu schaffen.The core member 12 comprises a first continuous resin phase 24 or resin base in which hollow spheres 26 are formed embedded or encapsulated to create a second and discontinuous rigid phase.
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η 3 η υ :u / ο 5 2 u η 3 η υ: u / ο 5 2 u
Die kontinuierliche starre Harzphase 24 kann durch jedes geeignete polymerisierbar Harz, wie Epoxy, Polyester, Venylester oder dergleichen gebildet sein. Ein Faktor in der Wahl der kontinuierlichen Harzphase ist dessen chemische Verträglichkeit mit dem Werkstoff der hohlen Kugeln.The continuous rigid resin phase 24 can be formed by any suitable polymerizable resin, such as epoxy, polyester, vinyl ester or the like. One factor in the choice of the continuous resin phase is its chemical compatibility with the material of the hollow balls.
Die hohlen Kugeln 26 können entweder aus organischem oder anorganischem Material bestehen. Typische organische Materialien werden aus Phenol-, Harnstoff-Formaldehydt- oder polystyrenharzen hergestellt. Anorganische Kugelmaterialien, die im allgemeinen bevorzugt werden, basieren auf Natriumsulfat oder Glas. In kleineren Größen von 10 bis 200 Mikron oder kleiner sind die hohlen Kugeln oder Perlen manchmal als Mikro-Kugeln oder Mikro-Ballons bezeichnet. Solche Kugeln können eine Wandstärke von 0,5 bis 2,0 Mikron aufweisen.The hollow balls 26 can be made of either organic or inorganic material. Typical organic Materials are made from phenolic, urea-formaldehyde or polystyrene resins. Inorganic spherical materials, which are generally preferred are based on sodium sulfate or glass. In smaller sizes from 10 to 200 microns or smaller, the hollow spheres or beads are sometimes referred to as micro-spheres or micro-balloons. Such bullets can have a wall thickness of 0.5 to 2.0 microns.
Die Kugeln 26 können als Füller für die kontinuierliche Harzphase angesehen werden und werden in erster Linie verwendet, um die Dichte herabzusetzen und auf diese Weise die ausgehärtete kontinuierliche Harzphase leichter zu machen. Die Anzahl der mit der nicht ausgehärteten kontinuierlichen Harzphase vermischten Kugeln wird im allgemeinen als das Ladevolumen bezeichnet. Je größer das Ladevolumen oder die Anzahl der Kugeln ist, umso geringer ist die Dichte des Kernelementes gemäß der Erfindung. Während die Dichte mit ansteigendem Ladevolumen absinkt, muß bedacht werden, daß die ZugfestigkeitThe balls 26 can be viewed as fillers for the continuous resin phase and are primarily used to lower the density and in this way to make the hardened continuous resin phase lighter. the The number of spheres mixed with the uncured resin continuous phase is generally referred to as the loading volume designated. The larger the loading volume or the number of balls, the lower the density of the core element according to the invention. While the density decreases with increasing loading volume, it must be taken into account that the tensile strength
0 300 .U/0 5240 300 .U / 0 524
des gefüllten Harzraaterials oder des Kernelementes ebenfalls als eine Proportion zum gesamt eingebrachten Kugelvolumen abnimmt. In gleicher Weise neigt die Viskosität der Mischung aus ungehärtetem oder flüssigem Harz und den Kugeln mit höheren Kugelladevolumina. Auf diese Weise wird das flüssiges Harz und Kuge]n enthaltende Gemisch bei geringen Ladevolumina eine geringe Viskosität haben und daher leicht gießbar sein. Bei dem anderen Extrem, bei großem Ladevolumen können die Kugeln in das flüssige Harz eingestampft sein.of the filled resin material or the core element as well decreases as a proportion to the total spherical volume introduced. In the same way, the viscosity of the mixture tends made of uncured or liquid resin and the balls with higher ball loading volumes. This is how the liquid resin becomes and mixtures containing spheres have a low viscosity at low loading volumes and are therefore easy to pour. at at the other extreme, with a large loading volume, the balls can be crushed into the liquid resin.
Die Größe der Kugeln wird in der Tat,ob sie Mikro oder Makro-Ballons sind, durch die Endquerschnittsstärke des Kernelementes beeinflußt. Für im Querschnitt dünnere Kernelemente werden kleinere Kugeldurchmesser benutzt, ee eeeee, während zunehmend größere Kugeln verwendet werden können, wenn die Kernelemente im Querschnitt zunehmen. Es ist auch klar, daß Kugeln von unterschiedlichen Größen in das flüssige Harz hineingemischt werden können, um das Ladevolumen anzuheben und dadurch die Dichte des Kernelementes abzusenken.The size of the balls will in fact be whether they are micro or macro balloons by the final cross-sectional thickness of the core element influenced. For core elements with a thinner cross-section, smaller ball diameters are used, ee eeeee, while increasingly larger spheres can be used when the core elements are in the Increase cross-section. It is also clear that spheres of different sizes are mixed into the liquid resin can to increase the loading volume and thereby lower the density of the core element.
Obwohl die Kugeln normalerweise eingeschlossene Luft oder Gase enthalten, sind diese Gase in der starren Kugel eingeschlossen und ergeben normalerweise keine Ausgasungsprobleme während des anschließenden Formens und Aushärtens des Schutzgehäuses auf dem Kernelement. Jedoch kann das Entfernen vonAlthough the spheres normally contain trapped air or gases, these gases are trapped in the rigid sphere and normally do not present any outgassing problems during the subsequent molding and curing of the protective housing on the core element. However, removing the
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ί"ι 3 0 ι) :U / 0 S 2 Aί "ι 3 0 ι): U / 0 S 2 A
Luft oder in der flüssigen Harzphase eingeschlossenen Gasen wünschenswert sein und kann erforderlichenfalls durch Vibrieren des Flüssigharz-Kugel-Gemisches in einem dünnen Film und durch Einwirkenlassen eines Strahles heißer Luft auf die Oberfläche erreicht werden, um die Gas enthaltenden Harzblasen aufzubrechen. Air or gases trapped in the liquid resin phase may be desirable and, if necessary, by vibrating the liquid resin-ball mixture in a thin film and through Applying a jet of hot air to the surface can be achieved to break the gas-containing resin bubbles.
Im allgemeinen ist es erwünscht, das Kugelladevolumen zu maximieren, um die Dichte des Kernelementes zu verringern. Eine Begrenzung solchen Kugelladevolumens ist die Notwendigkeit, daß das Benetzen der Kugeln durch die Flüssigharzphase sichergestellt ist. Mit anderen Worten, es ist unerwünscht, eine erhebliche Menge von nichtbenetzten Kugeln im Kernelement zu haben.In general, it is desirable to maximize the ball loading volume in order to reduce the density of the core element. One limitation of such ball loading volume is the need to ensure wetting of the balls by the liquid resin phase is. In other words, it is undesirable to have a significant amount of unwetted spheres in the core element to have.
Beim Herstellen von Verbundkörpern gemäß der Erfindung ist es erwünscht, ein starres Kernelement zu schaffen, in dem die Hohlkugeln 20 bis 50 Gewichtsteile auf 100 Gewichtsteile der kontinuierlichen Harzphase bilden.In making composite bodies in accordance with the invention, it is desirable to provide a rigid core member in which the Hollow spheres form 20 to 50 parts by weight per 100 parts by weight of the continuous resin phase.
Obwohl zahlreiche verträgliche Kombinati on enlim Rahmen der Erfindung möglich sind, ist nachstehend ein Beispiel von Materialien aufgeführt, die kombiniert werden können, um einen hochfesten, leichten Schichtstoff zu schaffen, der als Konstruktionskomponente verwendbar ist.Although numerous compatible combinations enlim within the framework of the Invention are possible, listed below is an example of materials that can be combined to form a To create high-strength, lightweight laminate that can be used as a structural component.
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ύ Hi it.; 4/Ob 2 4ύ Hi it .; 4 / Ob 2 4
1. Kernelement -1. Core element -
a. Epoxyharz 100 Gewichtsteilea. Epoxy resin 100 parts by weight
b. Aushärtmittelb. Curing agent
c. Netzmittelc. Wetting agents
d. hohle Glaskugeln mit einem Durchmesser vond. hollow glass spheres with a diameter of
10 bis 200 Mikron, die etwa 20 bis 50 Gewichtsteile bilden.10 to 200 microns which is about 20 to 50 parts by weight form.
Das Kernelement wird in einer Stärke von 25 bis 50 mm geformt und hat eine Dichte von 480 kg/m .The core element is molded with a thickness of 25 to 50 mm and has a density of 480 kg / m.
2. Behälterschaumsichicht -2. Container foam layer -
offenzelliger, nachgiebiger Polyurethanschaum mit einer Stärke von 13 mm und einer Dichte von 192 kg/mopen-cell, flexible polyurethane foam with a thickness of 13 mm and a density of 192 kg / m
3. Verstärkungsschicht-Glasfasermatte mit versetzte** oder fortlaufenden Fasern,die ein Gewicht von etwa 320 g pro Quadratmeter hat.3. Reinforcement layer fiberglass mat with staggered ** or continuous Fibers that weigh about 320 grams per square meter.
4. Wärmeaushärtbares Harz-4.Thermosetting Resin
Epoxyharzsystem auf der Basis von 828 (Shell) Harz, mit eingebrachtem Diethylen-Triamin plus Füllern und erwünschtenfalls Streckmitteln.Epoxy resin system based on 828 (Shell) resin, with incorporated diethylenetriamine plus fillers and if desired, extenders.
Eine Sandwichkonstruktion wird hergestellt, indem Harz imprägnierte Schaumschichten auf das starre Kernelement aufgebracht und diese Schaumschichten mit der Verstärkungsschicht bedeckt werden. Die Sandwichkonstruktion wird dann in eineA sandwich construction is made by resin impregnated foam layers applied to the rigid core member and these S c haumschichten with the reinforcing layer are covered. The sandwich construction is then turned into a
- 20 (I 3 D (ι U /Üb 2 4- 20 (I 3 D (ι U / Ub 2 4
Form eingebracht, auf eine Temperatur von etwa 145°C erwärmt und die Form geschlossen, um die Schaumschichten auf etwa 25% ihrer Ausgangsstärke zu komprimieren. Während die Sandwichkonstruktion unter Druck gehalten wird, wird das Harz in etwa 2 Minuten ausgehärtet.Form introduced, heated to a temperature of about 145 ° C and the mold closed to compress the foam layers to about 25% of their original thickness. While the sandwich construction is held under pressure, the resin is cured in about 2 minutes.
Obwohl die hohlen Kugeln 26 willkürlich in der Harzgrundmasse 2h verteilt sind, ist das Volumen der Kugeln im wesentlichen gleich über das gesamte Kernelement 12. Mit anderen Worten, die Kugelkonzentration oder- Verteilung über das Kernelement hat so volumetrisch gleich zu sein, wie dies in der Praxis üblich ist. Auf diese Weise ist die Dichte des Kernelementes soweit wie möglich konstant über dessen Querschnitt.Although the hollow balls 26 are randomly distributed in the resin matrix 2h , the volume of the balls is substantially equal over the entire core member 12. In other words, the ball concentration or distribution over the core member has to be volumetrically the same as in FIG Practice is common. In this way, the density of the core element is as constant as possible over its cross section.
Weitere Abwandlungen sind möglich ohne aus dem Rahmen der Erfindung herauszutreten.Further modifications are possible without going beyond the scope of the invention step out.
(J 3 0 Ü 3 4 / 0 b 2(J 3 0 Ü 3 4/0 b 2
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