DE10157655B4 - Method and device for the economical automatable production of components made of fiber composite plastics in the resin infusion or vacuum process - Google Patents

Method and device for the economical automatable production of components made of fiber composite plastics in the resin infusion or vacuum process Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Herstellen von faserverstarkten Kunststoffbauteilen durch Halten einer zu imprägnierenden Faserpreform (2) in einer von mindestens zwei Vorrichtungsteilen umschlossenen Kavität, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Vorrichtungsteile im Harzinfusions- bzw. Vakuumverfahren von der Preform (2) unter Bildung mindestens eines Spaltes (5) zwischen der Preform und den Vorrichtungsteilen auseinander bewegt werden und das Harz im evakuierten Zustand der Kavität in den mindestens einen Spalt (5) zum Imprägnieren der Preform zugeführt wird, wobei das Harz aufgrund der Druckdifferenz zwischen Kavität und Harzbehälter in dem mindestens einen Spalt (5) fließt, dass nach Imprägnierung der Preform (2) die Vorrichtungsteile wieder aufeinander zu bewegt werden, um das Harz (4) keilförmig aus dem mindestens einen Spalt (5) zu verdrängen, und dass die imprägnierte Preform (2) unter Vakuum aushärtet.Method for producing fiber-reinforced plastic components by holding a fiber preform (2) to be impregnated in a cavity enclosed by at least two device parts, characterized in that at least one of the device parts in the resin infusion or vacuum process is separated from the preform (2) to form at least one gap ( 5) are moved apart between the preform and the device parts and the resin in the evacuated state is fed to the cavity in the at least one gap (5) for impregnating the preform, the resin being due to the pressure difference between the cavity and the resin container in the at least one gap ( 5) flows that after impregnation of the preform (2) the device parts are moved towards each other again in order to displace the resin (4) in a wedge shape from the at least one gap (5), and that the impregnated preform (2) cures under vacuum.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2 zur wirtschaftlichen auto- matisierbaren Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundkunststoffen im Harzinfusionsverfahren bzw. Vakuumverfahren. Die Erfindung kann überall dort eingesetzt werden, wo Faserhalbzeuge unter Vakuum imprägniert werden.The invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1 and a device according to the preamble of patent claim 2 for the economical automatic production of components made of fiber composite plastics in the resin infusion process or vacuum process. The invention can be used wherever semi-finished fiber products are impregnated under vacuum.

Zur Herstellung von Faserverbundkunststoff-Bauteilen im Harzinfusionsverfahren bzw. Vakuumverfahren werden ausschließlich einteilige bzw. offene Werkzeuge oder Formen eingesetzt. Die für die geschlossene Imprägnierung des Faservorformlings erforderliche Gegenform wird durch eine (Vakuum-)Folie gebildet. Die Komprimierung des Laminats während der Aushärtung wird durch das anliegende Vakuum erreicht. Die homogene Verteilung des Vakuums über das gesamte Bauteil wird durch Aufsauggewebe bzw. -gelege erzielt. Dies wird während des Prozesses teilweise oder komplett mit Matrixmaterial getränkt und muss, durch ein Trenngewebe vom eigentlichen Laminat getrennt, nach der vollständigen Härtung des Bauteils entfernt und entsorgt werden.For the production of fiber composite plastic components in the resin infusion process or vacuum process exclusively one-piece or open tools or molds are used. The counterform required for the closed impregnation of the fiber preform is formed by a (vacuum) film. The compression of the laminate during curing is achieved by the applied vacuum. The homogeneous distribution of the vacuum over the entire component is achieved by absorbent fabric or -gelege. This is soaked during the process partially or completely with matrix material and must be separated by a release fabric from the actual laminate, removed and disposed of after complete curing of the component.

Bei der Herstellung großer Bauteile im SCRIMP-Prozess, ein Harzinfusionsverfahren mit Verteilmedium, wird zusätzlich zum „normalen„ Vakuumsackaufbau ein Verteilmedium über dem Laminataufbau integriert, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine geringere Permeabilität besitzt als das Laminat. Dieses Verteilmedium ermöglicht, dass das Matrixmaterial großflächig über dem Laminat verteilt wird und von dort das Laminat in Dickenrichtung tränkt. Auch dieses Verteilmedium ist nach dem Prozess mit Harz getränkt und muß entfernt und entsorgt werden.In the production of large components in the SCRIMP process, a resin infusion process with distribution medium, in addition to the "normal" vacuum bag design, a distribution medium is integrated over the laminate structure, characterized in that it has a lower permeability than the laminate. This distribution medium makes it possible that the matrix material is distributed over a large area over the laminate and from there impregnates the laminate in the thickness direction. Also, this distribution medium is impregnated with resin after the process and must be removed and disposed of.

Ein erster Schritt, diese Abfallmenge zu reduzieren, ist in der vom Verein zur Förderung des Institutes für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an der Rhein.-Westf. Technischen Hochschule Aachen e. V. eingereichten Patentanmeldung DE 199 26 896 A1 beschrieben. Hier werden Imprägnierkanäle über eine Vakuumfolie, die in Vertiefungen einer Oberform gezogen wird, freigelegt. Diese Kanäle sorgen für die Verteilung des Harzes über dem Preform und können nach der Imprägnierung wieder verdrängt werden, indem die Folie sich wieder auf das Laminat absenkt.A first step to reduce this amount of waste is in the by the association for the promotion of the Institute for plastics processing in industry and craft at the Rhein.-Westf. Technical University Aachen e. V. filed patent application DE 199 26 896 A1 described. Here, impregnation channels are exposed via a vacuum film that is pulled into depressions of an upper mold. These channels distribute the resin over the preform and, after impregnation, can be displaced again as the film sinks back onto the laminate.

Das Harzinfusions- bzw. Vakuumverfahren (oder auch VARTM) ist eine Fertigungstechnik für faserverstärkte Kunststoffbauteile, die gegenüber weiteren verwandten Verfahren (z. B. RTM) einen Kostenvorteil besitzt. Dieser liegt darin begründet, daß nur eine Formhälfte und kein druckfestes Werkzeug benötigt wird, keine Injektionsanlage erforderlich ist und trotzdem Laminate hoher Qualität hergestellt werden können. Im Vergleich zum Handlaminierverfahren besitzt das Harzinfusionsverfahren ebenfalls das Potential, höherwertige Laminate zu erzielen und gegenüber dem Faserspritzen können im Harzinfusionsverfahren Endlosfasern verarbeitet werden. Ein Nachteil des Verfahrens liegt in dem hohen Anteil an Abfall, der während des Prozesses entsteht. Hierzu zählen nicht nur getränkte Hilfsgewebe bzw. -gelege oder Fasermatten sondern auch zum Teil die Dichtmaterialien und Folien.The resin infusion or vacuum process (or also VARTM) is a production technology for fiber-reinforced plastic components, which has a cost advantage over other related processes (eg RTM). This is due to the fact that only one mold half and no pressure-resistant tool is needed, no injection system is required and still laminates of high quality can be produced. Compared to the hand lamination process, the resin infusion process also has the potential to achieve higher quality laminates, and compared to fiber spraying, continuous fibers can be processed in the resin infusion process. A disadvantage of the method lies in the high proportion of waste that arises during the process. These include not only impregnated auxiliary fabrics or scrims or fiber mats but also some of the sealing materials and films.

Nachteilig an dem Verfahren gemäß DE 199 26 896 A1 ist, dass die Dichtigkeit der Vorrichtung von dem Zustand der Vakuumfolie abhängt, keine reproduzierbaren hochwertigen Oberflächen erzeugt werden können, und dass die realisierbaren Geometrien eingeschränkt sind.A disadvantage of the method according to DE 199 26 896 A1 is that the tightness of the device depends on the state of the vacuum film, no reproducible high-quality surfaces can be produced, and that the realizable geometries are limited.

Aus der DE 100 07 373 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit offenzelligen Kernwerkstoffen mittels Injektion eines mit einem Härter versetzten Harzes in eine Vorrichtung bekannt, wobei ein Schaumstoff oder Wabenzellkern verwendet wird, der mit wenigstens je einer Decklage aus einem Verstärkungsgewebe belegt ist. Der mit einem Härter versetzte Harz wird in die Vorrichtung injiziert, wobei durch langsames Schließen der Vorrichtung das Harz in die Decklagen des Verstärkungsgewebes gepresst wird. Dabei wird die Vorrichtung auf die Härtungstemperatur des Harzes aufgeheizt und das Harz ausgehärtet.From the DE 100 07 373 C1 discloses a method for producing sandwich components with open-celled core materials by means of injection of a hardener-added resin into a device, wherein a foam or honeycomb core is used, which is covered with at least one cover layer of a reinforcing fabric. The hardened resin is injected into the device, and by slowly closing the device, the resin is pressed into the topsheets of the reinforcing fabric. The device is heated to the curing temperature of the resin and cured the resin.

Aus der DE 694 14 342 T2 ist eine Vorrichtung zum Formen von Produkten aus Verbundmaterialien bekannt. Die Vorrichtung weist eine Formhälfte auf, die ein faserartiges Verstärkungsmaterial aufnehmen kann und eine weitere Formhälfte, die dicht mit der ersten Formhälfte abschließt. Desweiteren existieren Zuführmittel, um Harz zur Durchtränkung des Verstärkungsmaterials zuzuführen.From the DE 694 14 342 T2 An apparatus for molding composite products is known. The device has a mold half which can receive a fibrous reinforcing material and another mold half which closes tightly with the first mold half. Furthermore, there are supply means to supply resin for impregnation of the reinforcing material.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine wirtschaftliche automatisierbare Herstellung von Faserverbundbauteilen ohne Abfall ermöglicht, und bei der die Vorrichtung vollständig wiederverwendbar ist.The invention has for its object to provide a method and an apparatus that allows an economical automatable production of fiber composite components without waste, and in which the device is fully reusable.

Die Herstellung der Vorrichtung soll mit einfachen Mitteln möglich sein und sich an jegliche Bauteilform und Verstärkungsstruktur anpassen oder angepasst herstellen lassen.The preparation of the device should be possible with simple means and adapt to any component shape and reinforcing structure or customized manufacture.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. 2 gelöst.The object is achieved by the method and the device according to claim 1 or 2.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur wirtschaftlichen automatisierbaren Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundkunststoffen im Harzinfusions- bzw. Vakuumverfahren, die Verwendung einer zur Erfindung gehörenden Vorrichtung zur Optimierung der Bauteilimprägnierung. Durch den Einsatz der Vorrichtung wird es möglich, den üblicherweise anfallenden Abfall bei der Herstellung von Faserverbundkunststoffbauteilen zu reduzieren und im Gegensatz zu herkömmlichen Harzinfusionsverfahren eine beidseitig reproduzierbare hochwertige Oberfläche zu fertigen. Hierzu werden Vorrichtungsteile gegeneinander bewegt, um einen erforderlichen Fließspalt einzustellen, der eine schnelle und gezielte Verteilung des Harzes über dem Laminat bewirkt. Nach der Imprägnierung werden die Vorrichtungselemente wieder aufgrund des in der Kavität herrschenden Vakuums zusammengefahren und das Bauteil in seiner Endkontur ausgehärtet.The invention relates to a method for the economic automatable production of components made of fiber composite plastics in the resin infusion or vacuum process, the use of a belonging to the invention device for optimizing the component impregnation. The use of the device makes it possible to reduce the waste generally occurring in the production of fiber composite plastic components and, in contrast to conventional resin infusion methods, to produce a high quality surface that can be reproduced on both sides. For this purpose, device parts are moved against each other to set a required flow gap, which causes a rapid and targeted distribution of the resin over the laminate. After impregnation, the device elements are again moved together due to the prevailing in the cavity vacuum and cured the component in its final contour.

Die Vorrichtung besteht aus mindestens zwei Teilen, kann aber für komplexe Geometrien und/oder Sandwichbauteile auch aus mehreren Teilen bestehen, die getrennt voneinander bewegt werden können. So können erstmals im Harzinfusionsverfahren Bauteile mit allseitig reproduzierbaren hochwertige Oberflächen und Endkontur gefertigt werden. Es entsteht kein weiterer Abfall durch getränkte Verteilmedien oder Absaugeinrichtungen. Es werden keine Formenträger oder Schließen benötigt, da der Druck in der Kavität stets unter dem Umgebungsdruck hegt.The device consists of at least two parts, but may also consist of several parts for complex geometries and / or sandwich components, which can be moved separately from each other. For the first time in the resin infusion process, components with high-quality surfaces and final contours reproducible on all sides can be produced. There is no further waste due to impregnated distribution media or suction devices. No mold carriers or closures are required as the pressure in the cavity is always below ambient pressure.

Das Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen im Harzinfusions- bzw. Vakuumverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung des Harzes zur Imprägnierung über Spalte erfolgt, die durch die Funktion der Vorrichtung entstehen, bei der nach vollständiger Imprägnierung durch Harzinfusion das Harz aus den Spalten gedrückt wird, indem die Vorrichtungsteile geschlossen werden.The process for the production of fiber-reinforced plastic components in the resin infusion or vacuum process is characterized in that the distribution of the resin for impregnation via gaps, resulting from the function of the device in which the resin is pressed out of the gaps after complete impregnation by resin infusion by closing the device parts.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gibt im evakuierten Zustand Spalte zum Fließen des Matrixsystems über dem Laminat frei, wobei diese nach dem Harzeintrag und/oder Imprägnieren wieder geschlossen werden.In the evacuated state, the device for carrying out the method releases gaps for the flow of the matrix system over the laminate, these being closed again after the resin has been introduced and / or impregnated.

Die Vorrichtung besteht aus mindestens zwei Teilen, die auf jegliche Art (pneumatisch, hydraulisch, elektrisch und/oder mechanisch) gegeneinander bewegt werden können, um die Imprägnierspalte über dem Laminat zu erzeugen.The device consists of at least two parts that can be moved against each other in any way (pneumatic, hydraulic, electrical and / or mechanical) to create the impregnating gaps over the laminate.

Die Anordnung von Zwischenräumen ermöglicht eine individuelle Anpassung an Bauteilen.The arrangement of gaps allows individual adaptation to components.

Durch die Bewegung der Vorrichtungsteile gegeneinander entstehen Spalte zur Aufnahme und Verteilung des Harzes.The movement of the device parts against each other creates gaps for receiving and distributing the resin.

Nach vollständiger Imprägnierung der Preform können die Vorrichtungsteile auf jegliche Art (pneumatisch, hydraulisch, elektrisch und/oder mechanisch) wieder gegeneinander bewegt werden, um die Kavität entsprechend der Bauteilgeometrie wieder zu schließen und das Harz aus den Spalten zu verdrängen.After complete impregnation of the preform, the device parts in any way (pneumatic, hydraulic, electrical and / or mechanical) can be moved against each other again to close the cavity according to the component geometry and to displace the resin from the columns.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen (Bild 1 bis Bild 4) die Erfindung näher erläutert:
Die Vorrichtung zum Imprägnieren besteht aus mindestens zwei Teilen, die gegeneinander abgedichtet sind. Die Preformhalterung 1 nimmt die Faserpreform 2, die einen monolithischen oder einen Sandwichaufbau besitzen kann, auf und fixiert ihn in der Kavität. Mindestens ein anderes Vorrichtungsteil kann gegenüber der Preformhalterung über pneumatische, hydraulische, elektrische und/oder mechanische Antriebssysteme 3 angehoben werden, um so oberhalb des zu imprägnierenden Laminates einen Spalt 5 zu öffnen (Bild 1), wobei in den Darstellungen exemplarisch Druckschläuche als Antriebssystem gezeigt sind.The invention is explained in more detail below with reference to the drawings (FIGS. 1 to 4):
The device for impregnation consists of at least two parts which are sealed against each other. The preform holder 1 takes the fiber preform 2 , which may have a monolithic or sandwich construction, and fixes it in the cavity. At least one other device part can be compared with the preform holder via pneumatic, hydraulic, electrical and / or mechanical drive systems 3 be raised so as to above the laminate to be impregnated a gap 5 to open (Figure 1), wherein in the illustrations by way of example pressure hoses are shown as a drive system.

Durch die an das Bauteil angepasste Geometrie dieser Spalte werden Fließräume für das Harz gebildet. Während des ganzen Ablaufs kann die Kavität weiterhin unter dem beaufschlagten Vakuum verbleiben. Nach dem Einstellen der notwendigen Spalte wird für die Imprägnierung des Bauteils eine entsprechend zuzuführende Harzmenge 4 in die Spalte über variable Angusssysteme eingeleitet (Bild 2) Das Fließen findet aufgrund der herrschenden Druckdifferenz zwischen der Kavität und dem Harzbehälter statt. Der Druck im Harzbehälter ist nicht höher als der Umgebugsdruck, so dass für die Fertigung keine Schließkräfte erforderlich sind.By adapted to the component geometry of this column flow spaces for the resin are formed. Throughout the process, the cavity may continue to remain under the applied vacuum. After setting the necessary column for the impregnation of the component is a corresponding amount of resin to be supplied 4 introduced into the column via variable sprue systems (Figure 2) Flowing takes place due to the prevailing pressure difference between the cavity and the resin container. The pressure in the resin tank is not higher than the ambient pressure, so that no closing forces are required for the production.

Nachdem die Harzmenge eingeleitet ist, kann die Harzzufuhr gestoppt werden. Entsprechend der Bauteilgeometrie und den Bauteilanforderungen können nun variabel und geregelt die Vorrichtungsteile wieder aufeinander zu bewegt werden. Dies kann sowohl aktiv durch weitere pneumatische, hydraulische, elektrische oder mechanische Einrichtungen geschehen, oder passiv durch den Differenzdruck zwischen Kavität und Umgebungsdruck. Durch die Anbringung mehrerer Antriebssysteme kann die Bewegung der Vorrichtungsteile auch in mehreren Schritten und nicht nur in einer Richtung ablaufen. Durch die Bewegung der Formteile wird das Harz aus den Spalten bis zur Vakuumseite vorangetrieben und imprägniert dabei das Bauteil (Bild 3).After the amount of resin is introduced, the resin supply can be stopped. In accordance with the component geometry and the component requirements, the device parts can now be moved toward one another in a variable and regulated manner. This can be done either actively by other pneumatic, hydraulic, electrical or mechanical devices, or passively by the differential pressure between the cavity and ambient pressure. By attaching multiple drive systems, the movement of the device parts can also take place in several steps and not only in one direction. As a result of the movement of the molded parts, the resin is driven out of the gaps to the vacuum side, thereby impregnating the component (Fig. 3).

Unter Vakuum kann das Bauteil aushärten, wobei keine Schließkraft aufgebracht werden muss. Zur weiteren Kompaktierung des Laminates können aber auch die angebrachten Wegsysteme (pneumatisch, hydraulisch oder mechanisch) zusätzlich eingesetzt werden.Under vacuum, the component can harden, whereby no closing force has to be applied. For further compaction of the laminate but also the attached path systems (pneumatic, hydraulic or mechanical) can also be used.

Claims (4)

Verfahren zum Herstellen von faserverstarkten Kunststoffbauteilen durch Halten einer zu imprägnierenden Faserpreform (2) in einer von mindestens zwei Vorrichtungsteilen umschlossenen Kavität, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Vorrichtungsteile im Harzinfusions- bzw. Vakuumverfahren von der Preform (2) unter Bildung mindestens eines Spaltes (5) zwischen der Preform und den Vorrichtungsteilen auseinander bewegt werden und das Harz im evakuierten Zustand der Kavität in den mindestens einen Spalt (5) zum Imprägnieren der Preform zugeführt wird, wobei das Harz aufgrund der Druckdifferenz zwischen Kavität und Harzbehälter in dem mindestens einen Spalt (5) fließt, dass nach Imprägnierung der Preform (2) die Vorrichtungsteile wieder aufeinander zu bewegt werden, um das Harz (4) keilförmig aus dem mindestens einen Spalt (5) zu verdrängen, und dass die imprägnierte Preform (2) unter Vakuum aushärtet.Process for producing fiber-reinforced plastic components by holding a fiber preform to be impregnated ( 2 ) in one of at least two parts of the device enclosed cavity, characterized in that at least one of the device parts in Harzinfusions- or vacuum process of the preform ( 2 ) forming at least one gap ( 5 ) are moved apart between the preform and the device parts and the resin in the evacuated state of the cavity in the at least one gap ( 5 ) is supplied to impregnate the preform, wherein the resin due to the pressure difference between the cavity and resin container in the at least one gap ( 5 ) flows, that after impregnation of the preform ( 2 ) the device parts are moved towards each other again to the resin ( 4 ) wedge-shaped from the at least one gap ( 5 ), and that the impregnated preform ( 2 ) Cures under vacuum. Vorrichtung zum Herstellen von faserverstärkten Kunststoffbauteilen zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, mit mindestens zwei Vorrichtungsteilen, die gegeneinander abgedichtet sind und eine Kavität umschließen, und einer Preformhalterung (1), die die zu imprägnierende Faserpreform (2) in der Kavität fixiert, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Vorrichtungsteil von der unter Vakuum befindlichen Kavität wegbewegbar ist, um zwischen dem Faserpreform (2) und dem Vorrichtungsteil einen Spalt (5) unter Vakuum zu bilden, in den für die Imprägnierung der Faserpreform (2) Harz (4) aufgrund des Vakuums zuführbar ist, und dass das mindestens eine Vorrichtungsteil nach dem Füllen des Spaltes (5) und nach Imprägnierung der Faserpreform (2) durch die Harzinfusion wieder schließbar ist, wobei das in den Spalten (5) verbleibende Harz keilförmig aus den Spalten (5) druckbar ist.Device for producing fiber-reinforced plastic components for carrying out the method according to claim 1, having at least two device parts, which are sealed against each other and enclose a cavity, and a preform holder ( 1 ) containing the fiber preform to be impregnated ( 2 ) is fixed in the cavity, characterized in that at least one device part is movable away from the cavity under vacuum in order to be able to move between the fiber preform ( 2 ) and the device part a gap ( 5 ) in vacuo for impregnation of the fiber preform ( 2 ) Resin ( 4 ) can be supplied due to the vacuum, and that the at least one device part after filling the gap ( 5 ) and after impregnation of the fiber preform ( 2 ) is closable again by the resin infusion, whereby in the columns ( 5 ) remaining resin wedge-shaped from the columns ( 5 ) is printable. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Vorrichtungsteil durch pneumatische, hydraulische, elektrische und/oder mechanische Antriebsmittel bewegbar ist.Apparatus according to claim 2, characterized in that the at least one device part by pneumatic, hydraulic, electrical and / or mechanical drive means is movable. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz über variable Angussysteme in den mindestens einen Spalt (5) einfüllbar ist.Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that the resin via variable sprue systems in the at least one gap ( 5 ) is fillable.
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