DE10005202A1 - Fiber reinforcement preforms oriented for particular applications are assembled by securing fiber bundles into place by stitching - Google Patents
Fiber reinforcement preforms oriented for particular applications are assembled by securing fiber bundles into place by stitchingInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer neuartiger textilen Verstärkungs halbzeugklasse entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for producing a novel textile reinforcement Semi-finished product class according to the preamble of claim 1.
Zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Faser-Kunststoff-Verbundbauteilen (FKV) werden die Verstärkungsfasern im allgemeinen in Form eines flächigen textilen Halbzeugs eingebracht. Eine Effizienzsteigerung in der Fertigung von Bauteilen aus endlosfaserver stärkten Kunststoffen wird durch verbesserte Technologien zur Herstellung der textilen Verstärkungsstrukturen erreicht. Die eingesetzte Technologie zur Herstellung von Faser- Halbzeugen ist für die später erzielbare Festigkeit, bzw. Ausnutzung der Fasereigen schaften entscheidend. Die so herzustellenden Halbzeuge müssen einerseits verschiede ne Faserorientierungen aufweisen können, und andererseits kompatibel mit der Matrix sein. Werden Gewebe als Verstärkungshalbzeug eingesetzt, können im Verbund bei spielsweise nur 50-60% der möglichen Festigkeit einer exakt ausgerichteten Faser er zeugt werden. Daraus entsteht die Forderung nach Halbzeugen die exakt ausgerichtete Fasern aufweisen.For the production of continuous fiber reinforced fiber-plastic composite components (FKV) the reinforcing fibers are generally in the form of a flat textile semi-finished product brought in. An increase in efficiency in the production of components from continuous fiber strengthened plastics is improved technologies for manufacturing the textile Reinforcement structures achieved. The technology used to manufacture fiber Semifinished is for the later achievable strength, or utilization of the fiber own crucial. The semi-finished products to be produced in this way must, on the one hand, be different ne can have fiber orientations, and on the other hand compatible with the matrix his. If fabrics are used as reinforcement semi-finished products, in the composite for example, only 50-60% of the possible strength of a precisely aligned fiber be fathered. This results in the demand for semi-finished products that are precisely aligned Have fibers.
Geht man von den vorhandenen Fertigungsprozessen zur Herstellung von endlosfaser verstärkten FKV aus, so entstehen individuelle Anforderungen an das textile Halbzeug, welche sich aus dem Verarbeitungsprozeß und den bauteilspezifischen Anforderungen ergeben. Hieraus leitet sich die Forderung nach, prozeß- und bauteilorientierten, konfek tionierten Faser-Halbzeugen ab. Herkömmliche Verarbeitungsverfahren für solche Werk stoffe basieren auf der Verwendung von gegebenen textilen Strukturen. Der Weg zur Lö sung bauteil- und prozessspezifischer Probleme und Anforderungen, über eine Anpassung der textilen Halbzeuge wurde bisher nicht gegangen. Das vorliegende Verfahren stellt eine konsequente Lösung zur Herstellung von Faser-Halbzeugen dar, die sich aus speziellen Verarbeitungsprozessanforderungen ableiten (z. B. optimale Bindefadenarchitektur durch angepassten Nähprozeß) und gleichzeitig Anforderungen unterschiedlicher Bauteile erfül len. Solche Halbzeuge werden im Folgenden als "Manufacturing Process Adapted Re inforcements (MPAR)" bezeichnet.Judging from the existing manufacturing processes for the production of continuous fiber reinforced FKV, so there are individual requirements for the semi-finished textile, which results from the processing process and the component-specific requirements surrender. This leads to the demand for process and component-oriented confection dated fiber semi-finished products. Conventional processing methods for such plant fabrics are based on the use of given textile structures. The way to Lö solution to component and process-specific problems and requirements via an adjustment the semi-finished textile has not yet been used. The present method represents one consistent solution for the production of semi-finished fiber products, which are made of special Derive processing requirements (e.g. optimal binding architecture adapted sewing process) and at the same time meet the requirements of different components len. Such semi-finished products are referred to below as "Manufacturing Process Adapted Re inforcements (MPAR) ".
Es ist bekannt Fasern belastungsgerecht (bauteilorientiert, belastungsgerecht und konfek tioniert) abzulegen und in einem nachfolgenden Wirkprozeß eindimensional, d. h. in einer Richtung, miteinander zu Vernähen (Offenlegungsschrift DE 196 24 912 A1 und Offenle gungsschrift DE 197 26 831 A1 und Hörsting, K.; Huster, M.: Targetting cost reduction by FEA-designed reinforcement textiles. Proceedings 'ECCM-8', Neapel/Juni 1998, pp. 635- 643). Solche flächige textile Halbzeuge werden als konfektionierte Gelege bezeichnet. Weiterhin findet im Sinne einer Konfektionierung von Verstärkungsstrukturen eine Weiter verarbeitung dieser konfektionierten Multi-Axial-Gelege mittels konventioneller Nähtechnik zu komplexen Vorformlingen (Preforms) statt. Verschiedenartige textile Halbzeuge, sowie Krafteinleitungselemente, können miteinander verbunden werden (Offenlegungsschrift 196 08 127 A1). Ein weiterer Prozeß zur belastungsgerechten Ablage von Fasern, und zur Herstellung von bauteilorientierten Einzelteilen, ist das sogenannte "Tailored Fibre Place ment (TFP)" (Offenlegungsschrift DE 197 16 666 A1 und Offenlegungsschrift DE 197 16 666 A1), welches die Sticktechnologie ausnutzt um einzelne Fasern belastungsgerecht abzulegen.Fibers are known to be load-bearing (component-oriented, load-bearing and confectionary tioned) and one-dimensional in a subsequent knitting process, d. H. in a Direction to sew together (laid-open specification DE 196 24 912 A1 and Offenle publication DE 197 26 831 A1 and Hörsting, K .; Huster, M .: Targetting cost reduction by FEA-designed reinforcement textiles. Proceedings 'ECCM-8', Naples / June 1998, pp. 635- 643). Such flat textile semi-finished products are called ready-made fabrics. Furthermore, there is a further one in the sense of assembling reinforcement structures Processing of these assembled multi-axial fabrics using conventional sewing technology complex preforms. Different types of semi-finished textile, as well Force application elements can be connected to each other (laid-open specification 196 08 127 A1). Another process for the appropriate storage of fibers and Manufacturing of component-oriented individual parts is the so-called "Tailored Fiber Place ment (TFP) "(published application DE 197 16 666 A1 and published application DE 197 16 666 A1), which uses the embroidery technology around individual fibers in a load-bearing manner to file.
Bei der Vorformling-Herstellung aus konfektionierten Gelegen sind zusätzliche Zuschnei dearbeiten erforderlich. Es entstehen ausfransende Kanten der Einzelteile bzw. eine er höhte Menge an Verschnitt. Weiterhin müssen in diesem Falle Maßnahmen zur Vermei dung eines weiteren ausfransens getroffen werden.Additional blanks are required for preform production from ready-made fabrics editing required. There are fraying edges of the individual parts or he increased amount of waste. In this case, measures to avoid further fraying.
Für den Fall der Weiterverarbeitung von konfektionierten Gelegen zu thermoplastischen FKV Systemen müssen Matrix kompatible Bindefäden (Maschenfäden, Wirkfäden) einge setzt werden, welche allerdings häufig durch diverse Nähvorbereitungen (Texturierung, Verstreckung) nicht vollständig als Matrix- oder Faseranteil in den FKV eingehen. Die Ver arbeitung solcher Fäden auf konventionellen Wirkmaschinen ist nur beschränkt möglich.In the case of further processing of ready-made fabrics into thermoplastic FKV systems must have matrix-compatible binding threads (mesh threads, knitting threads) are set, which, however, are often caused by various sewing preparations (texturing, Stretching) is not completely included in the FKV as a matrix or fiber component. The Ver Working such threads on conventional warp knitting machines is only possible to a limited extent.
Durch die erhöhte Anzahl von Maschenreihen im Wirkprozeß erfolgt des weiteren eine Schädigung der Fasern (Faserondulationen, lokale Kompaktierungen) was zu einer Ab senkung der mechanischen Eigenschaften des FKV führt. Sollen solche Gelege in nach folgenden Nähprozessen zu komplexen Preforms weiterverarbeitet werden, so sind lokale Schiebeverfestigungen vorzunehmen um Verschiebungen (z. B. Faserondulationen, Gele geverzug) zu vermeiden, um so ein optimales Ergebnis zu gewährleisten. Dies erfordert einen weiteren Arbeitschritt zusätzlich zur Gelegeherstellung bzw. des eigentlichen Pre formings.Due to the increased number of rows of stitches in the knitting process, there is also one Damage to the fibers (fiber undulations, local compacting) resulting in an ab lowering the mechanical properties of the FKV. Should such clutches in after following sewing processes to complex preforms are local Sliding consolidation to carry out shifts (e.g. fiber undulations, gels delay) in order to ensure an optimal result. This requires a further step in addition to the fabric production or the actual pre formings.
Die Nähfäden dienen zur Fixierung der Einzellagen zueinander. Diese Funktion kann das Gelege nur im trockenen Zustand erfüllen. Nach dem Imprägniervorgang ist der überwie gende Teil der maschenbildenden Fäden überflüssig und führt zu abgesenkten mechani schen in-plane Eigenschaften im Vergleich zu UD-Tapes.The sewing threads serve to fix the individual layers to each other. This function can Only fulfill the clutch in a dry state. After the impregnation process is over part of the stitch-forming threads is superfluous and leads to lowered mechani in-plane properties compared to UD tapes.
Ein Verfahren zur direkten Herstellung von Teilen, bzw. des kompletten Bauteils als Pre form ist das sogenannte TFP, wobei hier ein Trägermaterial verwendet werden muß. Die ses Verfahren benutzt eine modifizierte Sticktechnologie, weshalb die Problematik der Rückseite dieses Verstärkungstextils von Bedeutung ist. Es entstehen Verknotungslagen des eingesetzten Doppelsteppstichs, welche bei der einzelnen Fixierung jedes einzelnen benötigten Rovings, von größerem Ausmaß sind. Von diesen Verknotungslagen ausge hend, sind Fehlstellen im FKV zu erwarten, was in Verbindung mit dem Trägermaterial erheblich sein kann. Weiterhin, können mehrere Teile parallel gefertigt werden, jedoch muß anschließend das Trägermaterial von der Stickmaschine entfernt, und die Maschine anschließend mit neuem Trägermaterial neu gerüstet werden. Ferner erfordert dieses Verfahren eine Fixierung jedes einzelnen Rovings, was, insbesondere für große Laminat dicken, zu einer häufigen Penetration der Sticknadeln durch die Verstärkungsstruktur kommt. Schädigungen der Verstärkungsrovings bleiben hierbei nicht aus. Ein weiterer Hemmschuh dieser Technologie stellen unterschiedliche und nicht exakt vorhersagefähige Bauteildicken und die Berechnung solcher Strukturen dar.A process for the direct production of parts or the complete component as a pre form is the so-called TFP, whereby a carrier material must be used here. The This process uses modified embroidery technology, which is why the problem of Back of this reinforcement textile is important. Knots arise the lockstitch used, which in the individual fixation of each required rovings, are of a larger size. From these knots Flaws in the FKV are to be expected, which is in connection with the carrier material can be significant. Furthermore, multiple parts can be made in parallel, however must then be removed from the embroidery machine, and the machine then be re-equipped with new carrier material. This also requires Process a fixation of every single roving what, especially for large laminate thick, to a frequent penetration of the embroidery needles through the reinforcement structure is coming. There is no damage to the reinforcement rovings. Another The obstacles to this technology are different and not exactly predictable Component thicknesses and the calculation of such structures.
Im Folgenden werden die Ausführungen unterteilt in Duromere-FKV und Thermoplast- FKV, um die unterschiedlichen Problemstellungen und Lösungen einzuteilen. In the following, the versions are divided into thermosetting plastic and thermoplastic FKV to classify the different problems and solutions.
Im Falle der Verarbeitung zu FKV Systemen mit duromerer Matrix hat sich die Harzinjekti onstechnik (RTM) als sehr flexibles Fertigungsverfahren etabliert. Hierbei werden vorkon fektionierte Preforms und/oder textile Verstärkungsstrukturen (konfektionierte Gelege, Geflechte, Gestricke, Gewebe, etc.) als Verstärkungshalbzeug eingesetzt.In the case of processing to FKV systems with a thermoset matrix, the resin injection ontechnology (RTM) established as a very flexible manufacturing process. Here precon assembled preforms and / or textile reinforcement structures (assembled fabrics, Braids, knitted fabrics, fabrics, etc.) used as a semi-finished reinforcement.
Zur Herstellung von komplexen Preforms werden, in einem vorgelagerten Prozeß herge stellte textile Strukturen, eingesetzt. Jede einzelne benötigte Lage dieser Halbzeuge wird separat zugeschnitten um in einem Folgeprozeß zu dickeren Paketen zusammengefügt (Nähen oder Kleben bzw. Bindertechnologien) zu werden. Alle Eigenschaften dieser Halb zeuge, werden dabei übernommen (vgl. oben). Folgt man diesen Prozessen entstehen zahlreiche weitere Fertigungsschritte, welche den gesamten Prozeß in seiner Wirtschaft lichkeit erheblich negativ beeinflussen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die einzelnen benötigten Lagen vor der Montage zueinander fixiert vorliegen müssen. Der Handhabung kommt hier eine immense Bedeutung zu.In order to produce complex preforms, a preliminary process is used provided textile structures, used. Each individual layer of these semi-finished products is required cut separately to be assembled into thicker packages in a subsequent process (Sewing or gluing or binder technologies). All properties of this half witnesses are taken over (see above). If one follows these processes arise numerous other manufacturing steps that cover the entire process in its economy affect significantly negatively. This is especially true if the individual required layers must be fixed to each other before assembly. The handling is of immense importance here.
Randproblematiken die zu Fehlstellen oder Prozess-Fehlern führen, können (z. B. Race- Tracking) nur durch weitere Prozeßschritte vermieden werden. Trockene Kanten textiler Flächengebilde fransen aus und verhindern somit eine endkonturgenaue Fertigung.Edge problems that lead to defects or process errors can (e.g. race Tracking) can only be avoided by further process steps. Dry edges of textile Flat structures fray and thus prevent precise manufacturing.
Verbesserungen der Schadenstoleranz (Crash- oder Impacteigenschaften) werden mittels Endvernähung hergestellt. Hierbei werden mehrere Gelegelagen zu Paketen zusammen gefaßt und nochmals verwirkt, was als Endvernähung bezeichnet wird. Solche Maßnah men senken die mechanischen "in-plane" Eigenschaften erheblich ab. Insbesondere ist dies entscheidend, wenn nicht die komplette Bauteilfläche den erhöhten Impact- Anforderungen standhalten muß, sondern lokal die in-plane Eigenschaften entscheidender sind.Improvements in damage tolerance (crash or impact properties) are reported using Final stitching made. In this case, several jam layers are combined into packages caught and forfeited again, what is called final stitching. Such measure men significantly reduce the mechanical "in-plane" properties. In particular is this is crucial if the entire component area does not meet the increased impact Must withstand requirements, but locally the in-plane properties more decisive are.
Im Falle thermoplastischer FKV Systeme ist im allgemeinen eine Imprägnierung und Kon solidierung der Fasern mit der Matrix in einem separaten Schritt vorzunehmen (Halbzeug herstellung). Hierzu werden flächige textile Halbzeuge eingesetzt.In the case of thermoplastic FKV systems, impregnation and con to consolidate the fibers with the matrix in a separate step (semi-finished product manufacture). Flat textile semi-finished products are used for this.
Derzeitig verfügbare konfektionierte Gelege sind hinsichtlich Bindefadenanteil bzw. Bin defaden-Anordnung, dies entspricht in der Regel einer eindimensionalen flächigen Ma schenstruktur, nicht optimiert. Im Falle der Verarbeitung von matrixkompatiblen Garnen, die in der Regel größere Feinheiten und Durchmesser aufweisen, findet durch den sehr hohen Anteil an Bindefäden eine erhebliche Schädigung der Fasern in der Ebene statt.The ready-made scrims currently available are in terms of binding thread or bin defaden arrangement, this usually corresponds to a one-dimensional flat dimension structure, not optimized. In the case of processing matrix compatible yarns, which usually have greater fineness and diameter, is due to the very high proportion of twine considerable damage to the fibers in the plane instead.
Diese konfektionierten Gelege können mittels Pulverimprägnierverfahren aufgrund der teilweise sehr dicken Lagenpakete und in Verbindung mit Hochtemperatur-(HT)-Ther moplasten (aufschmelzen bzw. zersetzen der Bindefäden und der damit verbundenen Auflösung der Gelegestruktur) nicht verarbeitet werden.These ready-made fabrics can be powder impregnated due to the sometimes very thick layer packages and in connection with high temperature (HT) -Ther moplastics (melting or decomposing the binding threads and the associated threads Dissolution of the fabric structure) cannot be processed.
Im Falle der Film-Stacking-Verfahren können zwei Wege verfolgt werden. Um die Fließ wege gering zu halten müssen Gelege mit niedrigem Flächengewicht (< 500 g/m2) einge setzt werden. Andererseits können Gelege mit hohem Flächengewicht (< 500 g/m2) nur verarbeitet werden, wenn während der Gelegeherstellung Folien in das konfektionierte Gelege mit eingewirkt werden. Diese Methode scheitert oftmals an dem sehr engen Ma schenbett und der begrenzten Durchgangshöhe der Wirkeinheit und kann somit nur bei sehr dünnen Folien genutzt werden.In the case of the film stacking process, two paths can be followed. In order to keep the flow paths low, fabrics with a low basis weight (<500 g / m 2 ) must be used. On the other hand, non-crimp fabrics with a high basis weight (<500 g / m 2 ) can only be processed if foils are interfered with in the assembled scrim during the manufacture of the scrim. This method often fails due to the very narrow mesh bed and the limited headroom of the knitting unit and can therefore only be used with very thin foils.
Die derzeitig konventionell eingesetzten Bindefäden erfüllen nach der Halbzeugherstellung oftmals keine Funktion im Verbund. Weiterhin sind diese Bindefäden schädlich im Bezug auf die Laminatqualitäten, da durch die Behandlung mit Spulölen und Gleitmittel, sowie teilweise durch den Faden selbst, Fremdstoffe in die Verbundmatrix gelangen. Erweichen oder schmelzen diese Fäden zu früh während der Halbzeugherstellung, verschieben sich die Faserlagen, was zu abgesenkten mechanischen Eigenschaften führt. Gleiches gilt auch für die Imprägnierung bzw. Direkimprägnierung von konfektionierten Gelegen auf basis von Hybridfäden.The binding threads currently used conventionally meet after the semi-finished product often no function in the network. Furthermore, these binding threads are harmful in relation on the laminate qualities, because of the treatment with winding oils and lubricants, as well partly through the thread itself, foreign substances get into the composite matrix. Soften or if these threads melt too early during the production of semi-finished products, they shift the fiber layers, which leads to lowered mechanical properties. same for also for the impregnation or direct impregnation of made-up fabrics basis of hybrid threads.
Eine optimale Verarbeitung von konfektionierten Gelegen wird nur durch den Einsatz von speziellen Garnen (Kohlenstoff-, Glas- oder Aramidfaser bzw. matrixkompatible Bindefä den), welche die notwendige Temperaturbeständigkeit aufweisen, um die Fasern bei der Imprägnierung bzw. der Konsolidierung fixiert zu halten, erreicht.Optimal processing of made-up fabrics is only possible by using special yarns (carbon, glass or aramid fibers or matrix-compatible binders den), which have the necessary temperature resistance to the fibers in the Keep impregnation or consolidation fixed.
Die Weiterverarbeitung von "TFP" Halbzeugen zu thermoplastischen FKV ist mittels Direk timprägnier- und thermoplastischen Injektionsverfahren möglich. Die Vorteile des bela stungsgerechten Ablegens von Verstärkungsfasern bleiben erhalten, jedoch ist der Nähfa denanteil, aus Gründen wie oben beschrieben, als kritisch einzuordnen. Die Werkzeuge sind aufgrund der Dickenvariationen komplex, wobei durch die Verknotungslagen der Nähfäden und den Nähfäden selbst keine glatten Oberflächen entstehen können. Wirt schaftliche kontinuierliche Prozesse sind hier nicht denkbar.The further processing of "TFP" semi-finished products to thermoplastic FKV is by means of Direk Timing and thermoplastic injection process possible. The advantages of the bela Proper laying of reinforcement fibers are retained, but the sewing thread is classify the proportion as critical for reasons as described above. The tools are complex due to the thickness variations, whereby the Sewing threads and the sewing threads themselves no smooth surfaces can arise. Landlord Continuous economic processes are not conceivable here.
Aufgabe der Erfindung ist es, die diversen Prozeßschritte die zwischen dem textilen Pro zeß und der fertigen Bauteilpreform bzw. dem thermoplastischen Halbzeug (vollständig konsolidierte und imprägnierte Platte oder Preform) liegen zu reduzieren und zu erleich tern. Das neue Verfahren leitet sich aus den Anforderungen an die textile Verstärkungs struktur ab, möglichst ausgerichtete, nicht geschädigte Fasern einzusetzen, die aber gleichzeitig weiterverarbeitbar sind.The object of the invention is the various process steps between the textile pro zeß and the finished component preform or the thermoplastic semi-finished product (complete consolidated and impregnated plate or preform) to reduce and facilitate tern. The new process is based on the requirements for textile reinforcement structure, to use aligned, undamaged fibers, if possible, but can be further processed at the same time.
Zur Herstellung von komplexen 3D-Gemotrien für die Injektionstechnologien sollen Ein zelteile erzeugt werden, welche in möglichst wenigen sehr einfachen Prozessschritten zur gewünschten Struktur montiert werden können. Ebenfalls sollen diese in hohem Maße belastungsgerecht optimiert sein, lokale Krafteinleitungselemente bzw. spezielle Verstär kungen aufweisen, oder sonstige Funktionselemente, integrieren.For the production of complex 3D gemotria for injection technologies, Ein individual parts are generated, which in as few very simple process steps as possible desired structure can be assembled. These are also intended to a high degree be optimized according to the load, local force transmission elements or special reinforcements have kung, or other functional elements.
Durch die Möglichkeit zur Herstellung von "passgenauen" Einzelteilen ist es auch möglich den Harzinjektionsprozess gezielt zu beeinflussen (z. B. Lokale Erhöhung des Faservolu mengehaltes) oder Sensorik (Aktuatorik, "Life-time-Monitoring") gezielt in die Preform ein zubringen.It is also possible to manufacture "custom-fit" individual parts to influence the resin injection process in a targeted manner (e.g. local increase in fiber volu content) or sensors (actuators, "life-time monitoring") in the preform bring to.
Eine gezielte Herstellung der geforderten bauteilspezifischen Einzelteile (Einzellagen) steigert die Effizienz des Prozesses, und führt gleichzeitig zu einer Senkung der Material kosten.A targeted production of the required component-specific individual parts (individual layers) increases the efficiency of the process, and at the same time leads to a reduction in material costs.
Bei der Weiterverarbeitung zu FKV mit thermoplastischer Matrix können die Verarbei tungseigenschaften, die Weiterverarbeitbarkeit und die Qualität des Produktes verbessert werden. Hiermit kann für thermoplastische FKV der Bereich der gängigen Halbzeuge so wie der Bereich der konfektionierten Halbzeuge ("Tailored Blanks") weiter erschlossen werden.In the further processing to FKV with thermoplastic matrix the processing can properties, further processability and the quality of the product are improved become. The range of common semi-finished products can be used for thermoplastic FKV how the area of ready-made semi-finished products ("tailored blanks") is further developed become.
Das Verfahren dient somit zur Absenkung der Kosten bei der Herstellung von endlosfaser verstärkten Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbund-(FKV)-Bauteilen. The process thus serves to reduce the costs in the production of continuous fiber reinforced components made of fiber-plastic composite (FKV) components.
Die Problematik wird mittels eines Verfahrens des Anspruchs 1 gelöst.The problem is solved by means of a method of claim 1.
Die Vorteile des neuen Verfahrens "Mehrdimensionale prozeß- und bauteilorientierte Halbzeugkonfektionierung" werden anhand 3er Teil-Bereiche beleuchtet:The advantages of the new process "Multi-dimensional process and component oriented Semi-finished product assembly "are highlighted using three parts:
Mit dem Verfahren zur Herstellung sogenannter "Manufacturing Process Adapted Rein forcements (MPAR)" können flächige textile Verstärkungsstrukturen erzeugt werden, die ohne typische textile Bindungstypen auskommen und trotzdem verarbeitbar sind. Als Ar mierung für Faser-Kunststoffverbundwerkstoffe eignen sich solche Halbzeuge insbesonde re, da die Fasern ausgerichtet vorliegen und die benötigten Faserorientierungen beliebig einstellbar sind.With the process for the so-called "Manufacturing Process Adapted Rein forcements (MPAR) ", flat textile reinforcement structures can be created manage without typical textile types of bindings and can still be processed. As Ar Such semi-finished products are particularly suitable for fiber-plastic composites right, because the fibers are aligned and the required fiber orientations are arbitrary are adjustable.
Durch die Art der eingesetzten Nähtechnik ist es ebenfalls, im Gegensatz zu einem sehr engen maschenbildenden Bett einer Wirkmaschine (Liba, Mayer, Malimo), möglich mehr dimensional, d. h. in verschiedenen Richtungen, Nähte einzubringen. Deshalb ist es auch möglich kontinuierlich Krafteinleitungselemente in die textile Verstärkungsstruktur einzu binden. Die Anbindung von Krafteinleitungselementen an die textile Struktur erfolgt dabei über Verstärkungsnähgarne die beim Annähen eingesetzt werden.Due to the type of sewing technology used, it is also, in contrast to a very narrow stitch-forming bed of a knitting machine (Liba, Mayer, Malimo), possibly more dimensional, d. H. in different directions to introduce seams. That's why it is possible to continuously insert force application elements into the textile reinforcement structure tie. The force transmission elements are connected to the textile structure via reinforcement sewing threads that are used when sewing on.
Durch die Erzeugung von bauteilspezifisch optimierten Nahtgeometrien auf der flächigen Strukturen, sind somit optimale Faserorientierung bei gleichzeitiger Gewährleistung der Verarbeitbarkeit gegeben. Das Verfahren ist auf einen kontinuierlichen Vorgang ausgelegt, und bietet somit die Möglichkeit einzelne Halbzeug-Konfektionierungen mittels eines Le geprogramms, im Sinne der Vermeidung von Verschnitt, optimal aufzubringen. Durch die Möglichkeit der kontinuierlichen Herstellung entfallen zahlreiche Handhabungs- und Zu schneideschritte. Ebenfalls können Handhabungsvereinfachungen durch Positionierungen usw. vorgesehen werden, was die folgenden Prozesse erheblich vereinfacht.By generating component-specific optimized seam geometries on the flat surface Structures are thus optimal fiber orientation while ensuring the Processability given. The process is designed for a continuous process and thus offers the possibility of individual semi-finished products using a Le program in the sense of avoiding waste. Through the The possibility of continuous production eliminates numerous handling and closing cutting steps. Handling can also be simplified by positioning etc. are provided, which greatly simplifies the following processes.
Die Halbzeuge die durch Anwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 hergestellt wer den, können je nach Anforderung endkonturgenau ausgeschnitten zu einem vereinfachten Preform-Assembly gebracht werden. Vorteile der Harzinjektionsverfahren können auf grund der net-shape Fähigkeit (kein Ausfransen durch die, dem Rand fixierenden, Nähte) und der freien Einstellbarkeit der Faserorientierungn, vollkommen ausgenutzt werden. Die Integration von Inserts und anderen Funktionslementen (z. B. Sensorik) erlaubt eine weite re Annährung an die Wirtschaftlichkeit von Spritzgußprozessen. Nacharbeiten und die damit verbundene Schädigung des Laminates finden nicht statt. Race-Tracking-Effekte können durch eine Einstellbarkeit des Faservolumengehaltes im Randbereich vermieden werden. Durch die Verwendung spezieller Nahtparameter (Nadelgeometrie, Verknotungs anordnung), ist es möglich gezielt Fließkanäle in die Faser-Preform einzubringen, um die vollständige Imprägnierbarkeit der Struktur zu gewährleisten.The semi-finished products who are produced by using a method according to claim 1 depending on the requirement can be cut to a simplified contour Preform assembly are brought. Advantages of the resin injection process can be seen on due to the net-shape ability (no fraying due to the seams fixing the edge) and the free adjustability of the fiber orientation can be fully exploited. The Integration of inserts and other functional elements (e.g. sensors) allows a wide range re approximation to the economy of injection molding processes. Reworking and the associated damage to the laminate does not take place. Race tracking effects can be avoided by adjusting the fiber volume content in the edge area become. By using special seam parameters (needle geometry, knotting arrangement), it is possible to introduce flow channels into the fiber preform in a targeted manner to ensure complete impregnability of the structure.
Werden in Abhängigkeit von der Matrix, ausreichend temperaturbeständige Bindefäden eingesetzt, können solche kontinuierlich hergestellten "Manufacturing Process Adapted Reinforcements (MPAR)" mittels einer Pulverimprägniereinheit zur Herstellung von ther moplastischen FKV, eingesetzt werden.Depending on the matrix, there will be sufficient temperature-resistant binding threads used, such continuously manufactured "Manufacturing Process Adapted Reinforcements (MPAR) "using a powder impregnation unit for the production of ther plastic FKV, are used.
Hiermit wird auch die Verarbeitung von HT-Thermoplasten ermöglicht. Durch die Begren zung der Fadenanzahl wird die spätere Weiterverarbeitung nicht beeinträchtigt und die mechanischen Kennwerte in der Ebene bleiben erhalten.This also enables the processing of HT thermoplastics. By the limits the number of threads will not affect the subsequent processing and the mechanical characteristics in the plane are retained.
Bedingt durch die Reduzierung der Nadelanzahl und die größere Durchgangshöhe können auch Folien kontinuierlich eingebracht werden, um Fließwege zu verkürzen.Due to the reduction in the number of needles and the larger headroom foils are also introduced continuously in order to shorten flow paths.
Werden direkte Imprägniertechniken zur Verarbeitung von Hybridfäden eingesetzt, bieten sich die gleichen Potentiale wie bei der Verarbeitung von Duroplast basierten FKV-Sys temen.If direct impregnation techniques are used to process hybrid threads, offer the same potential as in the processing of thermoset-based FKV-Sys temen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden in zwei Bereichen, Duromere-FKV und Thermoplast-FKV, unterteilt und näher beschrieben:Embodiments of the invention are shown in the drawings and are in following in two areas, thermoset plastic and thermoplastic plastic, divided and closer described:
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 Anlage zur kontinuierlichen Herstellung von bauteil- und prozessorientierten Verstärkungsstruktur-Halbzeugen Fig. 1 system for the continuous production of component and process-oriented reinforcing structure semi-finished products
Fig. 2 Bild eines kontinuierlich hergestellten Halbzeugs zur Radomfertigung mit in tergrierten Befestigungselementen und lokalen, zusätzlichen Verstärkungen Fig. 2 picture of a continuously produced semi-finished product for radome production with integrated fastening elements and local, additional reinforcements
Fig. 3 Bild eines Radompreform-Einzelteils Fig. 3 picture of a Radompreform item
Fig. 4 Integration von Krafteinleitungen Fig. 4 Integration of force applications
Fig. 5 Halbzeugherstellung zur flächigen Weiterverarbeitung Fig. 5 production of semi-finished products for further processing
Mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 (Fig. 1), ist es möglich konfektionierte Faserhalb zeuge zu erzeugen, diese sind hinsichtlich Faserorientierung und Kontur des späteren Bauteils optimiert. Lokale Verstärkungen oder Nahteinbringungen werden exakt nach ge gebenen bauteil- oder prozess-spezifischen Anforderungen und Gegebenheiten vorge nommen.With a device according to claim 1 ( Fig. 1), it is possible to produce prefabricated fiber semi-finished products, these are optimized with regard to fiber orientation and contour of the later component. Local reinforcements or seam insertion are carried out exactly according to the given component or process-specific requirements and conditions.
Faserbündel oder Rovings (1) werden mit einer Legeeinheit (2), siehe Gelege-Herstellung (Liba, Malimo) mit verschiedenen Faserorientierungen abgelegt (3). Die Faserbündel wer den hierbei auf einem Transportgatter (4) zur Vernähstation (5) transportiert. Die Vernäh station besitzt mindestens einen Nähkopf der beliebig in der Ebene programmiert werden kann. Die Nähgeschwindigkeit, bzw. die Bewegung des Nähkopfes sind unabhängig von der Bewegung der Transportbänder. In einer folgenden Nähstation (6) werden zusätzliche Funktionselemente (z. B. Krafteinleitungselemente) und lokale Verstärkungen integriert. Das so hergestellte Halbzeug kann auf Rollen aufgewickelt (7) transportiert werden. Es können beliebig viele Lege- und Vernähstationen in Reihe (nicht nur hintereinander ge schaltet) betrieben werden, weshalb die Einbringung von, in Produktionsrichtung orien tierten Faserbündel-Scharen durch ein vorangeschalteten Nähprozess quer zur Produkti onsrichtung gelingt. Vor, oder nach dem Ablegen der Faserbündel können zusätzlich flä chige Verstärkungen, z. B. Sandwichelemente dem Lagenaufbau zugeführt werden (8). Fiber bundles or rovings ( 1 ) are deposited with a laying unit ( 2 ), see scrim production (Liba, Malimo) with different fiber orientations ( 3 ). The fiber bundle is transported to the sewing station ( 5 ) on a transport creel ( 4 ). The sewing station has at least one sewing head that can be programmed as required on the plane. The sewing speed or the movement of the sewing head are independent of the movement of the conveyor belts. In a subsequent sewing station ( 6 ) additional functional elements (e.g. force application elements) and local reinforcements are integrated. The semi-finished product produced in this way can be transported on rolls ( 7 ). Any number of laying and sewing stations can be operated in series (not just connected in series), which is why the introduction of fiber bundle coulters oriented in the production direction is possible through a preceding sewing process across the production direction. Before or after laying down the fiber bundle, additional flat reinforcements, e.g. B. sandwich elements are fed to the layer structure ( 8 ).
Im Folgenden werden zwei Beispiele aus der Verarbeitungstechnik für duroplastische bzw. thermoplastische FKV gegeben.The following are two examples from processing technology for thermosetting or given thermoplastic FKV.
Durch den Einsatz des Verfahrens nach Anspruch 1 können mehrere Prozessschritte zur Herstellung der trockenen Verstärkungsstruktur vermieden bzw. vereinfacht werden. Die separate Herstellung eines textilen Halbzeugs für das Preforming entfällt. Die handar beitsintensive Vorbereitung zur Herstellung der Preforms kann automatisiert und wesent lich vereinfacht werden. Eine kraftflussorientierte Positionierung lokaler, zusätzlicher Ver steifungen oder Verbindungselemente findet bereits während der Halbzeugherstellung statt. Durch den Einsatz solcher Halbzeuge wird auch eine Nachbearbeitung der Faser- Kunststoff-Verbunde vermieden.By using the method according to claim 1, several process steps can Production of the dry reinforcement structure can be avoided or simplified. The separate production of a semi-finished textile for preforming is not necessary. The handar Labor-intensive preparation for the production of the preforms can be automated and essential be simplified. Positioning of local, additional ver stiffeners or fasteners are found during the manufacture of semi-finished products instead of. The use of such semi-finished products also means that the fiber Plastic composites avoided.
Auf einer Anlage (Fig. 1) wird zunächst die Grundstruktur des Lagenaufbaus abgelegt (3). Der Aufbau hier entspricht einer Legeeinheit nach Prinzip Liba. Hierbei können Faserori entierungen und Lagenzahl beliebig eingestellt werden (z. B. quasi-isotrop). Die Geome triekontur (9) der Radom-Abwicklung (Fig. 2) wird beliebig oft auf den flächig abgelegten Fasern aufgenäht (10). Das Ablegen des Lagenaufbaus und das Vernähen ist relativ zu einander, aber unabhängig, gesteuert. Die runde Außengeometrie wird durch in x- und y- Achse bewegliche Nähköpfe realisiert. Mit dem Nähkopf, bei dem einzelne Stiche pro grammierbar sind, werden die Befestigungselemente (11) integriert, d. h. angenäht (16) (Fig. 4). Diese Einsätze werden exakt auf den abgelegten Fasern positioniert. Ein weiterer Nähkopf fixiert lokale Verstärkungen wie Flechtschläuche (12), zusätzliche Faserbündel oder sonstige Verstärkungsstrukturen. Ausbrüche (13), wie zum Beispiel für Bolzenverbin dungen werden im gleichen Prozess abgebildet. Zur Versteifung der Struktur werden in definierte Zonen zusätzlich Nähte (14) zur Steigerung der Schiebefestigkeit eingebracht.The basic structure of the layer structure is first stored on a system ( FIG. 1) ( 3 ). The structure here corresponds to a laying unit based on the Liba principle. Fiber orientations and number of layers can be set as desired (e.g. quasi-isotropic). The geometry triekontur ( 9 ) of the radome development ( Fig. 2) is sewn onto the flat fibers ( 10 ) as often as desired. The laying down of the layer structure and the sewing are controlled relative to each other, but independently. The round outer geometry is realized by sewing heads that can be moved in the x and y axes. With the sewing head, in which individual stitches can be programmed, the fastening elements ( 11 ) are integrated, ie sewn on ( 16 ) ( FIG. 4). These inserts are positioned exactly on the deposited fibers. Another sewing head fixes local reinforcements such as braided sleeves ( 12 ), additional fiber bundles or other reinforcement structures. Outbreaks ( 13 ), such as for bolt connections, are mapped in the same process. To stiffen the structure, additional seams ( 14 ) are made in defined zones to increase the sliding resistance.
Mehrere Einzelprozesse werden durch dieses Verfahren ersetzt, der Prozess findet maß geschneidert statt. Zuschneidarbeiten und Positionierarbeiten beim Preform- Zusammenbau einzelner Zuschnitte werden bis auf ein Mindestmaß reduziert. Der Ver schnitt wird durch diese Maßnahmen erheblich reduziert, insbesondere wenn eine opti male Anzahl an Preforms auf die Legebreite der Maschine projiziert wird.Several individual processes are replaced by this process, the process is measured tailored instead. Cutting and positioning work in preform The assembly of individual blanks is reduced to a minimum. The Ver Cut is significantly reduced by these measures, especially if an opti times the number of preforms is projected onto the laying width of the machine.
An den Nähprozeß anschließend kann die Rolle mit den vorgefertigten Verstärkungshalb zeugen (7) aufgerollt werden, dies dient einer optimalen Handhabbarkeit der bauteilorien tierten Halbzeuge, eine Verschiebung der Einzellagen, bzw. Ausfransen wird vermieden.Subsequent to the sewing process, the roll with the prefabricated reinforcement half witness ( 7 ) can be rolled up, this serves for optimal handling of the component-oriented semi-finished products, a shift of the individual layers, or fraying is avoided.
Nach dem Abrollen werden die Preforms ausgestanzt oder ausgeschnitten, die fertige Preform (Fig. 3) (15) kann in das Werkzeug eingelegt werden. Die Positionierung der Preform im Werkzeug, zur Sicherung der Faserorientierungen geschieht über die Befesti gungselemente (11) bzw. der lokalen Verstärkungen (12). Eine Faltenbildung des textilen Verstärkungselements findet nicht statt, da zwischen den Einzellagen keinerlei Bindung hergestellt wurde. Die Zahl der eingebrachten Nähte (14) richtet sich nach der notwendi gen Schiebefestigkeit zur Preform-Montage bzw. des duromeren Verarbeitungsprozesses.After unrolling, the preforms are punched out or cut out, and the finished preform ( FIG. 3) ( 15 ) can be inserted into the tool. The preform is positioned in the tool to secure the fiber orientations via the fastening elements ( 11 ) or the local reinforcements ( 12 ). The textile reinforcement element does not wrinkle, since no bond has been made between the individual layers. The number of seams ( 14 ) is based on the necessary push resistance for preform assembly or the thermosetting process.
Das so hergestellte Bauteil ist endkonturgenau (15), was sich aus dem Halbzeugherstel lungsprozess ergibt. Die Prozessschritte der Nachbearbeitung entfallen. The component produced in this way is accurate to the final contour ( 15 ), which results from the semi-finished product manufacturing process. The process steps of post-processing are eliminated.
Der Einsatz eines Verfahrens nach Anspruch 1 ermöglicht eine bauteilorientierte Herstel lung von Faser-Halbzeugen zur Weiterverarbeitung zu thermoplastischen Faser- Kunststoff-Verbunden. Die Konsolidierung der bauteilorientierten Halbzeuge kann weiter hin mit Hilfe einer Doppelbandpresse kontinuierlich erfolgen. Eine kontinuierliche Herstel lung von Thermoplast-Prepregs auf einer Pulverstreuanlage ist möglich, sofern tempera turbeständige Nähfäden eingesetzt werden.The use of a method according to claim 1 enables a component-oriented manufacture development of semi-finished fiber products for further processing into thermoplastic fiber Plastic composite. The consolidation of component-oriented semi-finished products can continue with the help of a double belt press. A continuous manufacture Thermoplastic prepregs can be processed on a powder spreading system, provided that they are tempera resistant sewing threads are used.
Auf einer Anlage (Fig. 1) wird zunächst die Grundstruktur (3) des Lagenaufbaus abgelegt. Die notwendige Anzahl an Nähten (18), zur Fixierung der Einzellagen, werden mittels ei nes Nähkopfes aufgebracht. Es werden nur soviele Nähte wie unbedingt nötig einge bracht. Lokal können an impactgefährdeten Zonen erhöhte Z-Fadenanteile eingebracht werden (17). Die Herstellung erfolgt kontinuierlich, auf einer definierten Legebreite. Das hier noch flächige Halbzeug kann auf Rollen transportiert werden. Durch die geschlossene Fläche und der definierten Breite des Halbzeugträgers, kann ein Pulverimprägnierung bzw. eine Imprägnierung auf einer Doppelbandpresse erfolgen.The basic structure ( 3 ) of the layer structure is first stored on a system ( FIG. 1). The necessary number of seams ( 18 ) for fixing the individual layers are applied by means of a sewing head. Only as many seams as are absolutely necessary are introduced. Increased z-thread portions can be introduced locally in zones at risk of impact ( 17 ). The production takes place continuously, on a defined laying width. The semi-finished product, which is still flat here, can be transported on rolls. Due to the closed area and the defined width of the semi-finished product carrier, powder impregnation or impregnation can be carried out on a double belt press.
Werden auf der Anlage (Fig. 1) Hybrid-Garne verarbeitet, kann die Imprägnierung auf ei ner Doppelbandpresse oder mittels Direktimprägnierung stattfinden. Für das Direktimprä gnierverfahren ist die gleiche Vorgehensweise wie bei duromeren FKV vorgesehen. Im Bezug auf Near-Net-Shape Technologien, von einfachen Geometrien, eröffnen sich die gleiche Möglichkeiten wie für duromere SystemeIf hybrid yarns are processed on the system ( Fig. 1), the impregnation can take place on a double belt press or by means of direct impregnation. For the direct impregnation process, the same procedure is used as for thermosetting FKV. With regard to near-net-shape technologies, from simple geometries, the same possibilities open up as for duromeric systems
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