RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP 1907193 (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: 05.04.2006 06724058.0 (13) (51) T3 Int.Cl. B29C 70/24 (2006.01) B29C 70/08 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: 02.03.2011 Europejski Biuletyn Patentowy 2011/09 EP 1907193 B1 (54) Tytuł wynalazku: Sposób wytwarzania wzmocnienia materiałów rdzeniowych (30) Pierwszeństwo: 27.07.2005 DE 102005035681 (43) Zgłoszenie ogłoszono: 09.04.2008 w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 2008/15 (45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: 31.08.2011 Wiadomości Urzędu Patentowego 2011/08 (73) Uprawniony z patentu: Evonik Röhm GmbH, Darmstadt, DE (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP 1907193 T3 Matthias Alexander ROTH, Griesheim, DE (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Grażyna Palka JAN WIERZCHOŃ & PARTNERZY BIURO PATENTÓW I ZNAKÓW TOWAROWYCH ul. Żurawia 47/49 00-680 Warszawa Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).
12253/11/P RO/GP/MA EP 1 907 193 Opis Dziedzina techniki wynalazku Sposób wytwarzania wzmocnienia materiałów rdzeniowych dla kompozytów rdzeniowych [0001] Wynalazek dotyczy sposobu wzmocnienia materiałów kompozytowych. [0002] Wynalazek nadaje się do wzmocnienia struktur kompozytowych. Struktura kompozytowa może składać się korzystnie z włókien tworzywa sztucznego z warstwami powierzchniowymi z półproduktów tekstylnych (figura 1, 3 i 5, np. tkaniny, dzianiny, maty itp.), materiału rdzenia (figura 1, 4, np. pianka polimerowa) i matrycy polimerowej (termoplast lub duroplast). Kompozyty są strukturami o budowie warstwowej, które składają się ze względnie cienkich warstw powierzchniowych górnej (figura 1, 3) i dolnej (figura 1, 5) oraz ze względnie grubej warstwy rdzenia (figura 1, 4) o małej gęstości objętościowej. [0003] Za pomocą niniejszego wynalazku, przy użyciu elementów wzmacniających, przechodzących w kierunku grubości, można znacznie poprawić właściwości w kierunku prostopadłym (np. wytrzymałość na ściskanie lub rozciąganie i wytrzymałość w kierunku z, odporność na ścinanie i odporność w kierunku płaszczyzn xz oraz yz, odporność na ścieranie pomiędzy warstwą powierzchniową i rdzeniem, zachowanie odporne na uszkodzenia), a także mechaniczne właściwości struktur kompozytowych w płaszczyźnie (np. sztywność i wytrzymałość w kierunku powierzchni płyty). Stan techniki [0004] Wszystkie dotychczas znane sposoby wytwarzania wzmocnienia struktur kompozytowych w kierunku grubości, według części przedznamiennej zastrzeżenia 1, np. podwójne stębnowanie, ścieg ślepy lub szycie dwuigłowe, jak również tufting, mają wspólną cechę, że do struktury kompozytowej wprowadzają elementy wzmacniające (np. nici, niedoprzęd) za pomocą igły, jak to na przykład przedstawia US-A-2005/0006023. W przypadku dotychczasowych tekstylnych materiałów szwalniczych, wprowadzenie igły wraz z nicią do szycia oraz wyciągnięcie igły do szycia i pozostawienie nici w otworze z reguły nie stanowiło problemu ze względu na sprężystość tekstyliów. Jednak w przypadku struktur kompozytowych z twardą pianką polimerową jako materiałem rdzenia, wprowadzenie igły z nicią prowadzi do uszkodzenia struktury komórkowej i zniekształcenia twardej pianki polimerowej w wyniku plastycznego i elastycznego odkształcenia o wielkości średnicy igły do szycia. [0005] Po wyciągnięciu igły do szycia i pozostawieniu nici w otworze dochodzi do zmniejszenia otworu przelotowego ze względu na udział elastycznego zniekształcenia ścianek komórki, w wyniku czego średnica otworu w rdzeniu staje się mniejsza niż średnica igły (patrz figura 2). Pomiędzy powstałą średnicą otworu przelotowego w rdzeniu i zastosowaną średnicą igły istnieje niemal liniowa zależność (figura 2), dlatego im większa jest średnica igły, tym większa jest powstająca średnica otworu przelotowego. Dalej nić powoduje dodatkowe rozepchnięcie otworu rdzenia. To dodatkowe rozepchnięcie odpowiada mniej więcej powierzchni przekroju nici (figura 2). Także w tym przypadku obowiązuje, że im
2 większa jest powierzchnia przekroju zastosowanej nici, tym większe jest dodatkowe rozepchnięcie otworu. [0006] Po zaimpregnowaniu struktury kompozytowej płynnym materiałem matrycy i po końcowym utwardzeniu, za pomocą badania mikroskopowego można określić średnicę otworu rdzenia i zawartość objętościową włókien nici w otworze rdzenia. W tym przypadku doświadczalne badania, z zastosowaniem technologii podwójnego ściegu stębnowania oraz struktur kompozytowych przeszytych igłą o średnicy 1,2 mm i nicią aramidową o ciężarze liniowym 62 g/km, pokazują, że średnica powstałego słupka żywicznego w materiale rdzenia (ok. 1,7 mm) jest większa niż ustalona średnica otworu rdzenia w przypadku niezaimpregnowanej struktury kompozytowej (ok. 1,1 mm, por. figury 2 i 3) przy jednokrotnym nakłuciu. Przyczyną jest to, że podczas nakłuwania igłą w obszarze średnicy igły ulegają zniszczeniu sąsiadujące ścianki komórek. W te otwarte pory o średniej średnicy ok. 0,7 mm może wniknąć żywica w końcowej operacji infiltracji (figura 4). [0007] W przypadku zastosowania techniki podwójnego ściegu stębnowania, przy każdym nakłuciu do struktury kompozytowej są wprowadzane dwie nici w kierunku z (patrz figury 4 i 5). Aby zwiększyć zawartość objętościową nici wewnątrz otworu przelotowego, a przez to skuteczność wzmocnienia, raz przeszyte miejsca mogą zostać przeszyte ponownie lub nawet kilkakrotnie. Jednak w takim przypadku, przez ponowne nakłucia może dojść do uszkodzenia nici znajdujących się w otworze rdzenia. Za pomocą badań mikroskopowych można ustalić, że zawartość objętościowa nici nie rośnie proporcjonalnie do liczby nakłuć, jakby się można było spodziewać (figury 3, 4 i 5). Powodem jest to, że średnica otworu rdzenia przy rosnącej liczbie nakłuć i wprowadzonych nici nie pozostaje stała, ponieważ przez dodatkowe wprowadzanie nici średnica otworu rdzenia powiększa się mniej więcej o wielkość powierzchni przekroju nici (figura 3, linia przerywana). Jednak ustalono, że prawdziwy przebieg krzywej (figura 3, linia ciągła) jest zgodny z tą teorią dopiero przy bardzo dużej liczbie nakłuć. W przeciwieństwie do tego, przy niewielkiej liczbie nakłuć, średnica rdzenia powiększa się nadmiernie. Przyczyną jest dokładność ustawienia maszyny do szycia. Gdy nastąpi ponowny najazd na pozycję, która ma zostać jeszcze raz przeszyta, igła nie trafia dokładnie centralnie w istniejący otwór, lecz nieco obok, przez co otwór powiększa się bardziej niż proporcjonalnie. Po około ośmiokrotnym nakłuciu tego samego otworu rdzenia jest on już tak mocno rozszerzony, że igła trafia w powstały otwór bez dodatkowego niszczenia ścianek komórki. Przy kolejnych nakłuciach następuje rozszerzenie tylko o dodatkowo wprowadzone nici. Na figurach 4 i 5 jest przedstawiony możliwy wzrost zawartości objętościowej nici wraz z rosnącą liczbą nici w otworze rdzenia. Linia czarna na figurze 4 opisuje proporcjonalny wzrost zawartości objętościowej nici przy stałej średnicy otworu rdzenia, linia czarna kreskowo-punktowa obrazuje opisaną powyżej teorię z dokładnością pozycjonowania i dodatkowym rozszerzaniem średnicy otworu rdzenia w następstwie dodatkowo wprowadzanych nici, a linia punktowa opisuje prawdziwy przebieg zawartości objętościowej nici wraz z rosnącą liczbą nici a także nakłuć. Przy pojedynczym nakłuciu można otrzymać jedynie zawartość objętościową włókien ok. 3,2 %, która przy 10- krotnym nakłuciu może wzrosnąć tylko do 20 % (patrz figury 4 i 5). Zawartość objętościowa włókien pojedynczej wiązki wynosi ok. 58 % (patrz figura 5).
3 [0008] Te badania pokazują wyraźnie, że średnica powstała w materiale rdzenia, przy zastosowaniu dotychczasowych sposobów wytwarzania (np. techniki podwójnego ściegu stębnowania), zależy zasadniczo od zastosowanej średnicy igły, powierzchni przekroju nici i średnicy porów użytej twardej pianki polimerowej. Ponieważ w przypadku wszystkich dotychczas znanych sposobów wzmocnienia następuje jednoczesne wprowadzanie do struktury kompozytowej igły i nici, powstaje niekorzystny stosunek powierzchni przekroju elementu wzmocnienia do wielkości otworu rdzenia. Duże zawartości objętościowe włókien w średnicy otworu rdzenia, podobnie duże jak zawartości objętościowe włókien warstw powierzchniowych (>50 %) nie są możliwe do uzyskania za pomocą standardowych sposobów wzmocnienia. Jednak ze względu na to, że właściwości mechaniczne zależą głównie od mocnych elementów wzmocnienia, celem musi być możliwie duża zawartość objętościowa włókien wzmocnienia w średnicy otworu rdzenia. Ponadto duża zawartość żywicy w średnicy otworu rdzenia zapewnia zwiększenie ciężaru, co nie jest akceptowane w przypadku lotów powietrznych i kosmicznych. Zadanie [0009] Podstawowym zadaniem wynalazku jest poprawa właściwości mechanicznych struktur kompozytowych przez wprowadzenie elementów wzmocnienia w kierunku grubości struktury kompozytowej (kierunek z), przy czym istnieje możliwość osiągnięcia dużej zawartości objętościowej włókien w średnicy otworu rdzenia. Ponadto wprowadzenie elementów wzmocnienia do struktury kompozytowej nie powinno mieć zbyt ujemnego wpływu na ciężar. Ta nowa technika szycia może być również stosowania do wstępnego formowania i mocowania dodatkowych składników konstrukcyjnych (np. wzdłużnik, wręga, itp.) do struktury kompozytowej. Rozwiązanie [0010] To zadanie zostaje rozwiązane przez to, że wprowadzenie wymaganego otworu przelotowego w materiale rdzenia i wprowadzenie struktury wzmocnienia są względem siebie przesunięte w czasie, w wyniku czego zawartość objętościowa włókien wzmocnienia w średnicy otworu rdzenia może być ustalona przez zastosowaną powierzchnię przekroju nici. Figura 1 pokazuje wynalazek i realizację tego rodzaju wzmocnienia w strukturze kompozytowej. Układ chwytaków (1) nakłuwa jednostronnie, z jednej strony struktury kompozytowej rdzeniowej (etap 1 i 2) materiał rdzenia (4) i opcjonalnie poprzez górną (3) i dolną tekstylną warstwę powierzchniową (5) (etap 2) oraz za pomocą chwytaka (2) pobiera znajdującą się po drugiej stronie strukturę wzmocnienia (6), np. nici, elementy wzmocnione włóknami syntetycznymi, które są doprowadzane przez urządzenie (7) (etap 2) i podczas ruchu zwrotnego wprowadza strukturę wzmocnienia do struktury kompozytowej rdzeniowej (etap 3). W końcowym etapie sposobu układ chwytaków (1) porusza się z powrotem i wciąga strukturę wzmocnienia do rdzenia lub do struktury kompozytowej rdzeniowej (etap 3). [0011] Jako materiał rdzenia (4) może zostać zastosowana twarda pianka polimerowa (np. PMI, PVC, PEI, PU itd.) Materiał rdzenia (4) może mieć grubość do 150 mm, szerokość ok. 1250 mm i długość 2500 mm. Górna (3) i dolna (5) tekstylna warstwa powierzchniowa
4 może być zbudowana jednakowo lub różnie i być wykonana ze szkła, węgla, poliamidu aromatycznego lub innych materiałów wzmacniających. Grubość pojedynczej tekstylnej warstwy powierzchniowej może być jednakowa lub różna i być zawarta w przedziale między 0,1 mm i 1,0 mm. Jako polimerowy materiał matrycy można zastosować termoplasty lub duroplasty. [0012] Struktura wzmocnienia (6) może składać się zarówno z tekstylnych struktur wzmacniających (np. nici, niedoprzędu) lub elementów w postaci pałeczek (np. piny z jednokierunkowego włókna kompozytowego, niewzmacnianego tworzywa sztucznego lub metalu). Typowe średnice struktury wzmocnienia (6) mogą wynosić od 0,1 mm do 2,0 mm. [0013] W końcowym etapie sposobu zszywany materiał lub jednostka wzmocnienia są transportowane do następnej pozycji nakłucia i tam następuje powtórzenie procesu wzmocnienia. Dodatkowo wprowadzona struktura wzmocnienia może być dokładnie docięta tak, że nie będzie połączenia pomiędzy kolejnymi nakłuciami. Docięcie może następować przy zastosowaniu wszystkich użytecznych środków technicznych, jak na przykład przez docinanie lub opalanie. Przez wciągnięcie struktury wzmocnienia może dojść do dodatkowego rozszerzenia średnicy otworu rdzenia poprzez wkłucie układu chwytaków, w wyniku czego jest możliwa realizacja dużej zawartości objętościowej włókien. Ponieważ elementy wzmocnienia są wprowadzane do struktury kompozytowej lub tylko do materiału rdzenia, następuje bardzo dobre ustawienie i nie dochodzi do wyłamywania struktury wzmacniającej. Za pomocą tego sposobu wzmocnienia wprowadzane elementy wzmocnienia mogą także wykazywać kąt względem osi z inny niż 0, np. +/- 45. [0014] Struktury kompozytowe rdzeniowe, wzmocnione w kierunku grubości, według wynalazku, mogą znajdować zastosowanie w zakresie transportu, takiego jak np. loty powietrzne lub kosmiczne, konstrukcje pojazdów mechanicznych, szynowych i statków, lecz również w zakresie sportu i medycyny oraz w budownictwie. [0015] Po procesie wzmocnienia struktura kompozytowa rdzeniowa może zostać zaimpregnowana w procesie ciekłego formowania kompozytu przy zastosowaniu materiału typu duroplastu lub termoplastu. Lista oznaczeń [0016] Numer Nazwa 1 Układ chwytaków 2 Chwytak 3 Górna tekstylna warstwa powierzchniowa 4 Materiał rdzenia 5 Dolna tekstylna warstwa powierzchniowa 6 Struktura wzmocnienia 7 Urządzenie do wprowadzania elementów wzmocnienia (6)
5 Figura 1: Proces wzmocnienia Figura 2: Wpływ średnicy igły do szycia na powstającą średnicę otworu rdzenia przy pojedynczym nakłuciu, przy zastosowaniu technologii podwójnego ściegu stębnowania Figura 3: Zależność pomiędzy liczbą nakłuć i średnicą otworu rdzenia przy użyciu igły do szycia o średnicy 1,2 mm włącznie z nicią, przy zastosowaniu technologii podwójnego ściegu stębnowania Figura 4: Mechanizm powstawania słupków żywicznych przy zastosowaniu technologii podwójnego ściegu stębnowania i zależność zawartości objętościowej nici wewnątrz otworu rdzenia od liczby nici w otworze rdzenia Figura 5: Zależność pomiędzy liczbą nakłuć lub nici i zawartością objętościową nici w otworze rdzenia przy zastosowaniu technologii podwójnego ściegu stębnowania. Sporządziła i zweryfikowała Grażyna Palka Rzecznik patentowy
6 Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób wzmacniania kompozytów rdzeniowych, znamienny tym, że układ chwytaków (1) nakłuwa z jednej strony struktury materiał rdzenia (4) lub materiał rdzenia (3, 4) z nałożonymi warstwami powierzchniowymi, a po przeciwległej stronie za pomocą chwytaka (2) chwyta się strukturę wzmocnienia (6) i wprowadza ją poprzez ruch zwrotny do materiału rdzenia (4) lub materiału rdzenia (3,4) z nałożonymi warstwami powierzchniowymi. 2. Sposób wzmacniania kompozytów rdzeniowych według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że struktura wzmocnienia (6) składa się z tekstylnych struktur wzmacniających lub elementów w postaci pałeczek. 3. Sposób wzmacniania kompozytów rdzeniowych według jednego z zastrzeżeń 1 do 2, znamienny tym, że warstwy powierzchniowe (3) są wykonane z półproduktów tekstylnych, a warstwa rdzenia (4) z polimerowego, naturalnego lub strukturalnego materiału rdzenia oraz warstwy powierzchniowe, warstwa rdzenia i elementy wzmocnienia są osadzone w matrycy z materiału polimerowego. 4. Sposób według jednego z zastrzeżeń 1 do 3, znamienny tym, że nie docina się struktury wzmocnienia (6) po wprowadzeniu do materiału rdzenia (4) lub do materiału rdzenia (3, 4) z nałożonymi warstwami powierzchniowymi. 5. Sposób według jednego z zastrzeżeń 1 do 3, znamienny tym, że docina się strukturę wzmocnienia (6) po wprowadzeniu do materiału rdzenia (4) lub do materiału rdzenia (3, 4) z nałożonymi warstwami powierzchniowymi. Sporządziła i zweryfikowała Grażyna Palka Rzecznik patentowy
7 Etap 1 Etap 2 Etap 3 Etap 4 Fig. 1
8 Średnica otworu rdzenia [mm] bez nici z nicią Średnica igły do szycia [mm] Fig. 2
9 Średnica otworu rdzenia [mm] Liczba nakłuć [1] Fig. 3
10 D igła D por Przekrój A-A Przekrój B-B Zawartość objętościowa nici [%] Liczba nici w otworze rdzenia [1] Fig. 4
11 1 nakłucie 2 nakłucia 4 nakłucia 6 nakłuć 10 nakłuć (= 2 nici) (= 4 nici) (=8 nici) (=12 nici) (=20 nici) Fig. 5