SE524667C2 - Förfarande för igenfyllning av porer mellan två intillliggande skikt hos ett laminat - Google Patents

Description

20 25 30 35 . . . - .u 524 667 form av kraftigt reducerad hållfasthet hos komponenten. Således måste porer med en storlek över en bestämd nivå repareras. För denna skull är ett förfarande enligt ingressen hos bifogade pa- tentkrav 1 känt.

Innan en sådan igenfyllning begynnes har först komponenten ifråga undersökts vad gäller sådana porer och dessa detekterats och märkts ut. Detektionen sker företrädesvis med användning av ultraljud, som reflekteras där porer finns. Skapandet av förbin- delsevägen mellan laminatets yttre och en por sker sedan genom att det borras hål så att en kanal skapas till poren. Därpå injice- ras en flytande plast eller lim som fyller upp poren och sedan till- låts härda.

Detta tillvägagångssätt är associerat med en rad problem. Ge- nom borrningen kommer lasttagande fibrer hos fiberkompositen att förstöras, vilket minskar laminatets hållfasthet. Vidare är det med borrning svårt att exakt träffa poren, varför man måste borra förhållandevis tätt, såsom med endast 3 mm mellanrum, vilket kan leda till att hàllfastheten lokalt sänks till en i vissa applika- tioner oacceptabelt låg nivå. Normalt används en borrdiameter av cirka 0,5 mm, vilket vanligtvis överstiger diametern hos en fiber hos fiberkompositen med en faktor i storleksordningen 100.

Dessutom räcker det inte med att man med ett borrhål träffar po- ren, utan det krävs även åtminstone ett ytterligare borrhål, ge- nom vilket luften i poren kan försvinna ut vid injicering av mate- rial i det första borrhålet.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett förfa- rande av ovan definierat slag, vilket långtgående råder bot på ovannämnda olägenheter hos tidigare kända sådana förfaranden.

Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom att ett sådant för- farande tillhandahålls, vid vilket i steg a) förbindelsevägen ska- pas genom att laminatet åtminstone i området av nämnda por ut- 10 15 20 25 30 35 , , . - n. 524 667 ~ . . - ~ ' ' sätts för krafter som får sprickor att fortplanta sig huvudsakligen i matrisen igenom varje laminatskikt längs skiktets fiberriktning.

Sådana sprickor kommer inte att påverka laminatets hållfasthet i nämnvärd grad, men de gör att laminatet _blir otätt genom att gas och vätska kan passera igenom sprickorna, så att en förbindel- seväg åstadkommes mellan laminatets yttre och en nämnd por.

Genom att sprickorna hos laminatskikt med olika fiberriktningar kommer att korsa varandra kommer en förbindelseväg att upp- rättas från laminatets yttre till varje por med en icke oansenlig storlek. Förfarandet är mindre komplicerat och kan genomföras snabbare och till en lägre kostnad än tidigare kända förfaranden, förutom att hållfasthetsreduktionen blir i det närmaste försumbar och det blir lättare att nå och fylla igen mindre porer. En annan fördel med förbindelsevägar i form av tunna sprickor istället för betydligt grövre borrhâl är att det flytande materialet kan via ka- pillärverkan effektivt sugas in i laminatet och nå ifrågavarande por.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen kyls laminatet i steg a) åtminstone i området av nämnda por till en tillräckligt låg temperatur för att matrismaterialet mellan nämnda fibrer skall dra ihop sig så mycket att nämnda sprickor alstras längs fibrerna.

Genom att utnyttja faktumet att de i denna typ av fiberkompositer använda fibrerna har en i sammanhanget nästan ob_efintlig längd- utvidgningskoefficient, medan motsvarande koefficient är mycket högre för matrismaterialet, kan på ett ytterst enkelt och tillför- litligt sätt de eftersträvade sprickorna alstras.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen utförs kylningen till en temperatur under -70°C, företrädesvis under -150°C, varvid det är speciellt fördelaktigt att anbringa flytande kväve på laminatet, vilket möjliggör kylning ned till ca -200°C, men i vissa applikationer skulle även kolsyresnö kunna användas och en kylning då ske till ca -75°C. Därvid är det tänkbart att kyla hela komponenten, men det vore även möjligt, och troligen oftast även önskvärt, att avgränsa ett område av laminatets yttre yta 10 15 20 25 30 35 524 667 4 mitt för en nämnd por och anbringa kylmedlet på laminatet en- dast inom det avgränsade området. Härigenom blir kylningen en- klare att utföra samtidigt som det bara bildas matrissprickor där man verkligen har nytta av dem.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen skapas förbindelsevägen mellan iaminatets yttre och en nämnd por ge- nom att laminatet utsätts för sådana yttre krafter i plan på tvären mot fiberriktningen hos iaminatets skikt att sprickor fortplantar sig genom varje skikt längs skiktets fiberriktning. Exempelvis skulle man hos ett laminat med skikt med tvâ olika fiberriktningar söka böja laminatet i plan som är riktade väsentligen 90° mot respektive fiberriktning tills det börjar knastra i laminatet, vilket innebär att matrismaterialet släpper från fibrerna och sprickor bildas längs fibrerna. Det är därvid möjligt att bibehålla böjkraf- terna under steg b) för att verka öppnande på sprickorna och un- derlätta transport av det flytande materialet till poren och av- lägsna krafterna efter fyllningen men före härdandet för automa- tiskt utpressande av överflödigt flytande material ur sprickorna.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen värms laminatet direkt före och/eller i samband med steg b) åtminstone i området av nämnda por upp till en temperatur som är nödvändig för att göra nämnda flytande material lättflytande. För vissa epoxilim kan det röra sig om en uppvärmning till cirka +50°C, medan andra material kan vara tillräckligt lättflytande vid rums- temperatur.

Andra åtgärder enligt uppfinningen för att underlätta transporten av det flytande materialet till nämnda por består i att applicera yttre krafter på laminatet i plan på tvären mot de olika skiktens fiberriktningar vid applicerande av det flytande materialet på la- minatets yttre yta samt att applicera ett luftundertryck på lami- natet på motsatt sida om detta mot den yttre ytan av laminatet vid vilken det flytande materialet appliceras. 10 15 20 25 30 35 ~ . . . - H , . n Q .n 524 667 Ett speciellt fördelaktigt material vad gäller hàllfasthetsegenska- pe_r i relation till vikt för komponenter av ifrågavarande slag är kolfiberepoxi, och försök har visat att det uppfinningsenliga förfa- randet lämpar sig förträffligt för detta material.

Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos uppfin- ningen framgår av den efterföljande beskrivningen och övriga osjälvständiga patentkrav.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Här nedan beskrivs såsom exempel anförda föredragna utförings- former av det uppfinningsenliga förfarandet under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: ' fig 1 är en mycket schematisk skiss av ett laminat avsett att il- lustrera det problem uppfinningen har att lösa, fig 2 är en vy ovanifrån av en komponent av laminat, på vilken detekterade porer märkts ut, fig 3 är ett ljusmikroskopfotografi illustrerande matrissprickor bildade vid nedkylning av ett laminat av kollfiberepoxi med flytande kväve, och fig 4 är en mycket schematisk skiss illustrerande hur enligt upp- finningen matrissprickor bildas i ett fiberkompositmaterial.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGS- FORMER AV UPPFINNINGEN Det problem som uppfinningen sysselsätter sig med skall nu för- klaras under hänvisande till fig 1 och 2. I fig 1 visas mycket för- enklat en del av ett fiberkompositlaminat, vilket består av en- skilda skikt 1 av med varandra väsentligen parallellt inriktade fib- rer inbäddade i en matris. Fibrerna kan t ex vara kolfiber eller glasfiber och matrisen någon plast, såsom epoxi eller polyester. 10 15 20 25 30 35 . . ~ . .o 524 667 Med fördel bildar fibrerna inom ett skikt en vinkel av 30-90° med fibrerna i intilliggande skikt. Då är fibrerna i skikten 1' inriktade väsentligen i rät vinkel mot fibrerna i skikten 1”. l fallet av skikt av kolfiberepoxi är dessas tjocklek typiskt mellan 0,05 och 0,2 mm, och antalet skikt kan exempelvis för ett ving- skal hos ett flygplan vara cirka 50, och i allmänhet är antalet skikt mellan 4 och 200.

Det visas i fig 1 hur en så kallad por 2 i form av en luftinneslut- ning bildats i gränsytan mellan två intilliggande skikt. Höjden, dvs utsträckningen i laminatets tjockleksriktning, hos denna por kan vara i storleksordningen 0,02-0,2 mm, medan den i gränsytan kan sträcka sig över en yta av flera kvadratcentimeter.

Sänds ultraljud igenom laminatet kommer det att reflekteras på sådana porer, som därigenom kan detekteras och märkas ut så- som gjorts på komponenten visad i fig 2. Man kan bestämma att porer med en area understigande en viss storlek, exempelvis 36 mmz, kan accepteras och inte skall åtgärdas. Denna gräns är be- roende av applikationen och kan sättas helt olika för exempelvis en komponent till en bil och en till ett flygplan. De porer som skall åtgärdas skall, såsom ovan nämnts, fyllas med ett flytande, härdbart material, såsom någon plast eller lim, exempelvis epoxi- lim LY5052 av tvåkomponenttyp.

Enligt en första föredragen utföringsform av uppfinningen avgrän- sas de i fig 2 utmärkta laminatområdena ovanför en detekterad por med någon typ av sidoväggar och sedan hälls flytande kväve på laminatet i dessa områden och man låter den därigenom åstadkomna kylningen äga rum under en tidsperiod som är be- roende av laminatets tjocklek och typiskt sett ligger mellan 5 och 20 min. Vid sådan kylning kommer matrismaterialet att dra ihop sig, medan fibrerna inte uppvisar någon längdförändring i be- roende av temperaturförändringar, så att tunna mikrosprickor med en tjocklek av i storleksordningen 0,5-1 um bildas längs fib- rerna, såsom visas genom den svarta linjen 4 på ljusmikroskop- 10 15 20 25 30 35 , , - . a. 524 667 7 fotografiet enligt fig 3 för fallet av kolfiberepoxi. Kolfibrerna 5 är visade genom vita cirklar, medan matrismaterialet 6 är grått.

Dessa sprickor uppträder i kolfiberepoxin med ca 0,5 mm mellan- rum, och sprickorna går igenom hela respektive Iaminatskikt, som här har en tjocklek av 0,13 mm, och sprickor hos intilliggande skikt kommer således att korsa varandra och en förbindelseväg mellan laminatets yttre och poren ifråga bildas. Detta visas i fig 4.

Sedan värms i fallet av kolfiberkompositmaterial detta upp till en temperatur av cirka +50°C, vilket kan ta 10 min - 2 tim, och sedan hålls aktuellt område hos laminatet vid denna temperatur under applicering av ett epoxilim som vid denna temperatur är mycket lättflytande och via kapillärverkan och/eller tyngdkraften injiceras i nämnda sprickor under en tid som understiger 1 tim.

Härigenom kommer poren ifråga att fyllas, och efter en viss tid kommer limmet automatiskt att hårda under uppfyllande av den därmed reparerade poren.

Det är tänkbart att applicera yttre krafter på laminatet i plan på tvären mot de olika skiktens fiberriktningar i samband med injice- ringen av det flytande materialet för att öppna sprickorna för un- derlättande av transporten av det flytande materialet till poren.

Det är även tänkbart att applicera luftundertryck på laminatets undersida 7 för att underlätta denna transport.

Hos en alternativ utföringsform av det uppfinningsenliga förfaran- det skulle istället för genom nämnda kylning matrissprickorna kunna bildas genom att laminatet utsätts för tillräckliga yttre krafter i plan på tvären mot fiberriktningen hos laminatets skikt för att matrismaterialet skall släppa vid fibrerna och sprickor bil- das. l ett sådant fall skulle det flytande, härdbara materialet kun- na appliceras direkt i samband med sprickbildningen under bibe- hållande av nämnda krafter. som då skulle verka öppnande på sprickorna och underlätta transporten av det flytande materialet till poren. Genom att sedan avlägsna krafterna skulle överflödigt flytande material automatiskt pressas ut ur sprickorna. 10 15 20 .u .- . g o - - o ' 524 667 8 Uppfinningen är givetvis inte på något sätt begränsad till de ovan beskrivna föredragna utföringsformerna, utan en mängd möjlig- heter till modifikationer därav torde vara uppenbara för en fack- man på området, utan att denne för den skull avviker från uppfin- ningens grundtanke sådan denna definieras i bifogade patent- krav.

Exempelvis skulle de använda materialen kunna vara andra än de ovan beskrivna, och detsamma gäller för exempelvis antalet skikt hos laminatet samt tjockleken hos respektive skikt.

Det är inte heller nödvändigt att skikten omväxlande har olika fi- berriktningar, men åtminstone två skikt hos laminatet måste ha detta, då i annat fall laminatet blir ytterst svagt i en riktning.

Det är inte heller nödvändigt att det förekommer skikt som har en inbördes vinkel av fiberriktningar av just 90°, utan andra vinklar, såsom 45° är även tänkbara. Det vore även möjligt att skikt med fler än två olika fiberriktningar förekommer hos laminatet.

Naturligtvis kan kylningen och anbringandet av yttre böjkrafter kombineras med varandra hos det uppfinningsenliga förfarandet.

Claims (1)

10 15 20 25 30 35 » » - ~ .- 5 2 4 6 6 7 "Fï -- “ 9 Patgntkrav

1. Förfarande för igenfyllning av porer (2) mellan två intillig- gande skikt (1', 1") hos ett laminat för en komponent med hö- .ga hållfasthetskrav och innefattande en mängd skikt av fiber- Komposit med inom varje skikt väsentligen parallella fibrer (5) inbäddade i en matris (6), varvid åtminstone nämnda två in- tilliggande skikt har väsentligt skilda fiberriktningar, vilket innefattar stegen: a) en förbindelseväg, via vilken ett medium kan förflytta sig inuti laminatet, skapas mellan laminatets yttre och poren, b) ett flytande, härdbart material anbringas vid en yttre yta hos laminatet och bringas att via nämnda förbindelseväg fylla poren, och c) det poren uppfyllande materialet bringas att härda, därav, att i steg a) nämnda förbindelseväg ska- pas genom att laminatet åtminstone i området av nämnda por utsätts för krafter som får sprickor (4) att fortplanta sig huvud- sakligen i matrisen igenom varje laminatskikt längs skiktets fiberriktning. . Förfarande enligt krav 1, därav, att i steg a) nämnda laminat kyls åtminstone i området (3) av nämnda por (2) till en tillräckligt låg temperatur för att matrismaterialet .mellan nämnda fibrer skall dra ihop sig så mycket att nämnda sprickor (4) alstras längs fibrerna. . Förfarande enligt krav 2, därav, att i steg a) kylningen utförs till en temperatur under -70°C, företrädesvis under -150°C. 10 15 20 25 30 35 o n ~ o -0 . , | . .- 524 667 10 . Förfarande enligt krav 2 eller 3, därav, att i steg a) det kyls genom att anbringa flytande kväve eller kolsy- resnö på laminatet. . Förfarande enligt något av kraven 2-4, därav, att ett område (3) av laminatets yttre yta mitt för en nämnd por ((2) avgränsas och i steg a) kylmedel anbringas" på laminatet endast inom det avgränsade området. . Förfarande enligt krav 1, därav, att i steg a) nämnda förbindelseväg skapas genom att laminatet utsätts för sådana yttre krafter i plan på tvären mot fiberriktningen hos laminatets skikt att sprickor (4) fortplantar sig igenom varje skikt längs skiktets fiberriktning. . Förfarande enligt krav 6, därav, att de i steg a) applicerade krafterna bibehålls under steg b) för att verka öppnande på sprickorna (4) och underlätta transport av det flytande materialet till poren (2) och att efter fyllningen nämn- da krafter avlägsnas före härdandet i steg c) för automatiskt utpressande av överflödigt flytande material ur sprickorna. . Förfarande enligt något av föregående krav, därav, att direkt före och/eller i samband med steg b) lamina- tet åtminstone i området av nämnda por (2) värms upp till en temperatur som är nödvändig för att göra nämnda flytande material lättflytande. . Förfarande enligt något av föregående krav, därav, att i steg b) yttre krafter appliceras på laminatet i plan på tvären mot de olika skiktens fiberriktningar för att vid appli- cerande av det flytande materialet på laminatets yttre yta öpp- na nämnda sprickor (4) för underlättande av transporten av det flytande materialet till nämnda por (2). 10.Förfarande enligt något av föregående krav, därav, att i steg b) ett luftundertryck appliceras på laminatet 10 15 20 25 30 35 ~ . - . ~~ , . » n .v 524 667 11 på motsatt sida om detta mot den yttre yta av Iaminatet vid vil- ken det flytande materialet appliceras för att underlätta trans- porten av det flytande materialet in i laminatet igenom spric- korna (4). 11.Förfarande enligt något av föregående krav, därav, att det utförs på ett laminat med skikt av kolfiberepoxi. 12.Förfarande enligt något av kraven 1-10, därav, att det utförs på ett laminat med skikt av glasfiberpolyester. 13.Förfarande enligt något av föregående krav, därav, att i steg b) ett epoxilim anbringas som nämnda flytan- de, härdbara material. 14.Förfarande enligt krav 8 och 13, därav, att nämnda uppvärmning utförs till en temperatur överstigande +40°C. 15.Förfarande enligt något av föregående krav, därav, att det utförs på ett laminat hos vilket respektive skikts fiberriktning bildar en vinkel av 30- 90° med fiberriktningen hos intilliggande skikt. 16.Förfarande enligt något av föregående krav, därav, att det utförs på ett laminat med en tjocklek hos varje enskilt skikt mellan 0,05 och 0,2 mm. 17.Förfarande enligt något av föregående krav, därav, att det utförs på ett laminat uppbyggt av 4-200 på varandra anordnade nämnda skikt. 18,Förfarande enligt något av föregående krav, därav, att det utförs för igenfyllning av nämnda porer med en area av åtminstone 36 mmz. , , - . .c 524 667 12 19.Förfarande enligt någøt av föregående krav, därav, att en eller flera porer fylls igen på en komponent för en flyg- eller rymdfarkost.