DE102005039906B4 - Method for producing a fiber composite component - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils,
– bei dem ein Kern aus einem schmelzbaren Material hergestellt wird,
– bei dem der Kern mit einem Faserverbundmaterial laminiert wird,
– bei dem der Kern ausgeschmolzen wird,
wobei der Kern mittels eines Rapid-Prototyping-Verfahrens (RP-Verfahren) aus einem Thermopolymer hergestellt wird, wobei der Kern von Hand mit einem Faserverbundmaterial in Form von Prepregs laminiert wird wobei, das laminierte Faserverbundbauteil getempert wird, wobei das Tempern bei einer Temperatur erfolgt, bei der der Kern ausschmilzt.Method for producing a fiber composite component,
In which a core is made of a fusible material,
In which the core is laminated with a fiber composite material,
- in which the core is melted out,
wherein the core is produced by a rapid prototyping (RP) process from a thermopolymer, wherein the core is manually laminated with a fiber composite material in the form of prepreg, wherein the laminated fiber composite component is annealed, wherein the annealing is carried out at a temperature in which the core melts away.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The The present invention relates to a method for producing a Fiber composite component, with the features of the preamble of the claim 1.

Aus der WO 94/21438 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils bekannt, bei dem ein Kern aus einem schmelzbaren Material hergestellt wird, bei dem der Kern mit einem Faserverbundmaterial laminiert wird und bei dem der Kern ausgeschmolzen wird.From the WO 94/21438 A1 For example, there is known a method of manufacturing a fiber composite component in which a core is made of a fusible material in which the core is laminated with a fiber composite material and the core is melted out.

Beim bekannten Herstellungsverfahren wird der Kern mit Hilfe einer teilbaren Hilfsform durch Ausgießen der Hilfsform mit einem schmelzbaren Kernmaterial, wie z. B. Hartwachs, hergestellt. Vor dem Laminieren wird der Kern zusätzlich mit einem Schlauch umhüllt. Nach dem Laminieren mit dem Faserverbundmaterial liegt beim bekannten Verfahren ein Formkörperrohling vor, der in eine teilbare Pressform eingelegt wird. Nach dem Schließen der Pressform wird der Schlauch aufgepumpt, wodurch sich der Faserverbundwerkstoff an die Innenoberfläche der Pressform andrückt. Nach dem Aushärten des Faserverbundmaterials wird der Kern aufgeschmolzen und über eine Schlauchöffnung aus dem Schlauch abgelassen. Anschließend kann auch der Schlauch aus dem nunmehr fertiggestellten Verbundbauteil herausgezogen werden.At the known manufacturing process, the core with the help of a divisible Auxiliary form by pouring the auxiliary form with a fusible core material, such. B. hard wax, produced. Before lamination, the core is additionally with wrapped in a tube. After lamination with the fiber composite material is the known Procedure a molding blank before, which is inserted in a separable mold. After closing the Press mold, the hose is inflated, causing the fiber composite material to the inner surface of the Press mold presses. After curing of the fiber composite material, the core is melted and over a hose opening drained from the hose. Then also the hose be pulled out of the now completed composite component.

Aus der EP 1 197 309 B1 ist es für die Herstellung eines Faserverbundbauteiles bekannt, zunächst einen Vorformling aus Wachs zu gießen und diesen in einem Pressformwerkzeug in einen endgeformten Stützkern umzuformen. Der fertige Stützkern wird dann in ein anderes Formwerkzeug eingesetzt und darin mit einem Faserverbundmaterial umhüllt. In diesem Formwerkzeug erfolgt das Aushärten des Faserverbundmaterials. Anschließend wird das Faserverbundbauteil einschließlich Stützkern aus dem Formwerkzeug entnommen und in eine Temperform überführt, in der es getempert wird. Beim Tempern wird der Stützkern aus dem Inneren des Faserverbundbauteils ausgeschmolzen.From the EP 1 197 309 B1 It is known for the production of a fiber composite component to first cast a preform made of wax and transform this in a press tool into a final molded support core. The finished support core is then inserted into another mold and wrapped therein with a fiber composite material. In this mold, the curing of the fiber composite material takes place. Subsequently, the fiber composite component including support core is removed from the mold and transferred into a tempering in which it is annealed. During tempering, the support core is melted out of the interior of the fiber composite component.

Aus der DE 43 25 563 A1 ist es für die Herstellung von Metallgussteilen bekannt, einen ausschmelzbaren Kunststoffkern zu verwenden.From the DE 43 25 563 A1 It is known for the production of metal castings to use a fusible plastic core.

Die DE 198 53 814 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen durch Auftragstechnik entsprechend einem Multi-Jet-Modelling-Prozess oder kurz MJM-Prozess zur Realisierung eines Rapid-Prototpyping-Verfahrens, kurz RP-Verfahren. Bei einem MJM-Prozess wird ein thermoplastisches Baumaterial aufgeschmolzen und entsprechend der zu erstellenden Bauteilgeometrie durch Düsen in Form von Tröpfchen aufgetragen.The DE 198 53 814 A1 describes a method for producing components by application technique according to a multi-jet modeling process or short MJM process for implementing a rapid prototyping method, short RP method. In a MJM process, a thermoplastic building material is melted and applied through nozzles in the form of droplets according to the component geometry to be created.

Aus der DE 199 26 322 A1 ist es zur Herstellung von Gießwerkzeugen bekannt, ein Ur-, Fertigungs- und Kernmodell für die Herstellung des Gießwerkzeugs mittels eines RP-Verfahrens herzustellen, um damit eine Gießform einschließlich eines Sandkerns herstellen zu können, die anschließend mit Metall ausgegossen wird. Der Sandkern kann danach ausgewaschen werden. Als RP-Verfahren wird dabei ein Laminated-Object-Manufacturing-Prozess oder kurz LOM-Prozess bevorzugt, bei dem folienförmiges Baumaterial Schicht für Schicht aufeinander gelegt, entsprechend der gewünschten Bauteilgeometrie ausgeschnitten und mit der jeweils darunter liegenden Schicht verklebt wird.From the DE 199 26 322 A1 It is known for the production of casting tools to produce a master, manufacturing and core model for the production of the casting tool by means of an RP process in order to produce a casting mold including a sand core, which is then filled with metal. The sand core can then be washed out. In this case, a laminate-object-manufacturing process, or LOM process for short, is preferred as the RP method, in which film-shaped building material is laid on top of one another layer by layer, cut out according to the desired component geometry and glued to the respectively underlying layer.

Aus der GB 2 358 368 A ist ein Verfahren zur Herstellung vielfältiger Bauteile bekannt, wobei Stereolithographie oder Rapid-Prototyping-Verfahren eingesetzt werden.From the GB 2 358 368 A is a method for producing a variety of components known using stereolithography or rapid prototyping methods are used.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch reduzierte Herstellungskosten auszeichnet.The present invention employs dealing with the problem, for a method for producing a fiber composite component improved embodiment specify, in particular by reduced production costs distinguished.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This Problem is inventively the subject of the independent Claim solved. Advantageous embodiments are the subject of the dependent Claims.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den ausschmelzbaren Kern mittels eines Rapid-Prototyping-Verfahrens oder kurz RP-Verfahrens aus einem Thermopolymer herzustellen. Durch die Verwendung eines RP-Verfahrens kann der Kern mittels einer entsprechenden RP-Maschine direkt aus CAD-Daten hergestellt werden, ohne dass zusätzliche Verfahrensschritte erforderlich sind. Insbesondere ist kein zusätzliches Gießwerkzeug zum Herstellen des Kerns als Gussteil erforderlich. Die Herstellungskosten für das Faserverbundbauteil lassen sich dadurch signifikant reduzieren. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich außerdem durch einen erheblichen Zeitvorteil aus, da insbesondere das Herstellen einer Gießform für einen gegossenen Kern zeitintensiv ist. Insoweit eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren in besonderer Weise zur Herstellung von Prototypen aus Faserverbundmaterial. Beispielsweise können dadurch auch zeitsparend und preiswert mehrere verschiedene Varianten in Form anschaulicher Modelle erzeugt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in besonderer Weise zur Herstellung von Prototypen im Rahmen der Fahrzeugentwicklung.The Invention is based on the general idea, the fusible Kern by means of a rapid prototyping method or shortly RP method to produce from a thermopolymer. By using a RP method can be the core by means of a corresponding RP machine can be produced directly from CAD data without any additional Procedural steps are required. In particular, no additional casting tool required for the production of the core as a casting. The manufacturing costs for the Fiber composite component can thereby be significantly reduced. The inventive method is also characterized by a considerable time advantage, since in particular the manufacturing a mold for one cast core is time-consuming. In that regard, the inventive method is suitable in particular for the production of prototypes made of fiber composite material. For example, you can thereby also time-saving and inexpensive several different variants be generated in the form of illustrative models. The inventive method is particularly suitable for the production of prototypes in the frame the vehicle development.

RP-Verfahren oder RP-Technologien beruhen stets auf der Überlegung, den jeweiligen dreidimensionalen Körper durch schichtweisen Aufbau zu erzeugen. Zu Beginn des Herstellungsverfahrens muss somit zunächst ein 3D-CAD-Modell des zur Herstellung des Faserverbundbauteils benötigten Kerns erstellt werden. Diese 3D-Daten können dann einer RP-Maschine zugeführt werden. Beispielsweise erfolgt der Datenexport über eine standardisierte Standard-Transformation-Language-Schnittstelle oder kurz STL-Schnittstelle. Die Bauteildaten können dann mit Hilfe einer entsprechenden Software in dem zur Verfügung stehenden Bauraum orientiert werden, was als „platzieren” bezeichnet wird. Falls erforderlich, kann zusätzlich eine Stützkonstruktion generiert werden. Anschließend werden die 3D-Daten in einzelne Schichten zerlegt, sogenanntes „Slicing”. Die einzelnen Schichten enthalten Informationen über die Kontur der jeweiligen Schicht sowie über die Volumenverteilung innerhalb der jeweiligen Schicht. Diese Schichtdaten bilden dann insgesamt Fertigungsinformationen für das jeweilige RP-Verfahren. Die RP-Maschine kann dann anhand der Schicht-Daten das jeweilige Bauteil Schicht für Schicht aufbauen.RP methods or RP technologies are always based on the idea of creating the respective three-dimensional body by layered construction. At the beginning of the manufacturing process Thus, first of all, a 3D CAD model of the core required for the production of the fiber composite component has to be created. This 3D data can then be fed to an RP machine. For example, the data export via a standardized standard transformation language interface or short STL interface. The component data can then be oriented using appropriate software in the available space, which is referred to as "place". If necessary, a support structure can be generated additionally. Subsequently, the 3D data are broken down into individual layers, so-called "slicing". The individual layers contain information about the contour of the respective layer and about the volume distribution within the respective layer. This layer data then forms a total of manufacturing information for the respective RP method. The RP machine can then build the respective component layer by layer based on the layer data.

Bevor der so im RP-Verfahren hergestellte Kern zum Laminieren mit dem Faserverbundmaterial verwendet werden kann, kann es erforderlich sein, den Kern nachzuarbeiten, insbesondere manuell, um beispielsweise die zu laminierende Oberfläche hinsichtlich ihrer Qualität zu verbessern.Before the core thus produced in the RP process for lamination with the Fiber composite material can be used, it may be necessary be to rework the core, especially manually, for example the surface to be laminated in terms of quality to improve.

Als RP-Verfahren kommen grundsätzlich unterschiedliche Prozesse in Betracht, mit deren Hilfe der zu laminierende Kern hergestellt werden kann. Bevorzugt wird hier ein Multi-Jet-Modelling-Prozess oder kurz MJM-Prozess. Beim MJM-Prozess wird der Kern auf einer Plattform einer MJM-Maschine schichtweise aufgebaut. Hierbei wird ein thermoplastisches Baumaterial, also das für die Herstellung des Kerns gewünschte Thermopolymer aufgeschmolzen und entsprechend der dreidimensionalen Kerngeometrie durch Düsen eines Druckkopfs der MJM-Maschine in Form von Tröpfchen aufgetragen. Der Druckkopf wird dabei durch einen entsprechenden Verfahrmechanismus verstellt. Das Polymermaterial wird vorzugsweise mit Hilfe des Druckkopfs zeilenweise aufgetragen. Der Zeilenvorschub erfolgt üblicherweise durch eine Verstellung der Plattform. Der MJM-Prozess entspricht dabei prinzipiell dem Druckprozess eines Tintenstrahl-Druckers, bei dem der Druckkopf zeilenweise linear bewegt wird, während der Zeilenvorschub durch eine entsprechende Relativverstellung des zu bedruckenden Papiers erfolgt.When RP procedures basically come different processes, with the help of which to be laminated Core can be made. Preference is given here to a multi-jet modeling process or short MJM process. In the MJM process, the core becomes one platform built up layer by layer in an MJM machine. This is a thermoplastic Building material, that is for the production of the core desired Thermopolymer melted and corresponding to the three-dimensional Core geometry through nozzles of a print head of the MJM machine in the form of droplets. The printhead is adjusted by a corresponding movement mechanism. The polymeric material is preferably line by line using the printhead applied. The line feed is usually done by an adjustment the platform. The MJM process corresponds in principle to the printing process of an inkjet printer, in which the print head is linearly moved line by line during the Line feed by a corresponding relative adjustment of the printed paper.

Andere RP-Verfahren, die grundsätzlich ebenfalls zur Herstellung des Kerns verwendet werden können, sind beispielsweise ein Stereolithographie-Prozess (STL-Prozess), ein selektiver Lasersinter-Prozess (SLS-Prozess), ein Fused-Deposition-Modelling-Prozess (FDM-Prozess) und ein Laminated-Object-Manufacturing-Prozess (LOM-Prozess).Other RP procedures, which basically also for the production of the core can be used, for example Stereolithography process (STL process), a selective laser sintering process (SLS process), a fused-deposition modeling process (FDM process) and a Laminated Object Manufacturing (LOM) process.

Beim STL-Prozess wird der gewünscht Kern ebenfalls auf einer Plattform einer STL-Maschine schichtweise aufgebaut. Hierbei härtet ein UV-Laser ein photosensitives flüssiges Harz aus dem Thermopolymer entsprechend der jeweiligen Kerngeometrie Schicht für Schicht aus. Die Bewegung des Lasers kann dabei mit Hilfe eines computergesteuerten Spiegelgalvanometers geführt werden. Wenn eine Schicht belichtet ist, wird die Plattform um eine Schichtdicke in einen Harzbehälter abgesenkt. Eine Wischeinrichtung sorgt für einen Neuauftrag des photosensitiven Harzes sowie für eine Glättung der Harzoberfläche.At the STL process is desired Kern also layered on a platform of an STL machine. in this connection cures a UV laser is a photosensitive liquid resin of the thermopolymer according to the respective core geometry layer by layer out. The movement of the laser can thereby with the help of a computer-controlled mirror galvanometer guided become. When a layer is exposed, the platform becomes one layer thick in a resin container lowered. A wiper device ensures a new order of the photosensitive Resin as well as for a smoothing the resin surface.

Beim SLS-Prozess kommt wieder ein Laser, vorzugsweise ein CO2-Laser zum Einsatz, mit dem punktweise pulverförmiges Thermopolymermaterial aufgeschmolzen wird. Ein computergesteuertes Spiegelgalvanometer übernimmt wieder die Führung des Laserstrahls. Sobald eine Schicht generiert ist, wird eine Plattform, auf welcher der Kern schichtweise aufgebaut wird, um eine Schichtdicke in einen Pulverbehälter abgesenkt. Ein Beschichtungsmechanismus sorgt für einen Neuauftrag des pulverförmigen Materials sowie für eine Glättung der Pulveroberfläche.The SLS process again uses a laser, preferably a CO 2 laser, with which point-by-point powdered thermopolymer material is melted. A computer-controlled mirror galvanometer takes over again the guidance of the laser beam. As soon as a layer is generated, a platform on which the core is built up in layers is lowered by one layer thickness into a powder container. A coating mechanism ensures a re-application of the powdery material as well as a smoothing of the powder surface.

Beim FDM-Prozess wird ein thermoplastisches Kernmaterial mittels einer Extrudierdüse schichtweise entsprechend der jeweiligen Kerngeometrie aufgetragen. Durch eine zweite Extrudierdüse wird anschließend ein Stützmaterial aufgetragen. Die beiden Extrudierdüsen werden in der Schichtebene analog zu einem Plotter computergesteuert bewegt. Nach dem Aufbau einer Schicht wird eine Plattform, auf welcher der Kern schichtweise aufgebaut wird, um eine Schichtdicke abgesenkt.At the FDM process is a thermoplastic core material by means of a Extrusion nozzle layer by layer plotted according to the respective core geometry. By a second extrusion die is subsequently a support material applied. The two extrusion nozzles become analogous in the layer plane moved to a plotter computer-controlled. After building a Layer becomes a platform on which the core is built up in layers is lowered by one layer thickness.

Beim LOM-Prozess werden einzelne Folien aus dem Kernmaterial, also aus dem Thermopolymer aufeinander gelegt und mit Hilfe eines Laser, vorzugsweise eines CO2-Lasers, entlang der Kernkontur ausgeschnitten. Der Schneidlaser wird dabei analog zu einem Plotter computergesteuert innerhalb der jeweiligen Schichtebene bewegt. Auf den Folien ist zweckmäßig ein Klebstoff aufgebracht, der thermisch aktivierbar ist und zu einer intensiven Verbindung der aufeinander liegenden Schichten führt. Sobald eine Schicht fertiggestellt ist, wird eine Plattform, auf welcher der Kern schichtweise aufgebaut wird, um eine Foliendicke oder Schichtdicke abgesenkt und mit einer neuen Folienschicht bedeckt.In the LOM process, individual sheets of the core material, ie of the thermopolymer, are laid on top of one another and cut out along the core contour with the aid of a laser, preferably a CO 2 laser. The cutting laser is moved computer-controlled within the respective layer plane analogous to a plotter. On the films an adhesive is suitably applied, which is thermally activated and leads to an intensive connection of the superimposed layers. Once a layer is completed, a platform on which the core is built up in layers is lowered by a film thickness or layer thickness and covered with a new film layer.

Die vorstehende Aufzählung geeigneter RP-Verfahren ist nicht abschließend und soll insbesondere keine Beschränkung der Allgemeinheit der vorliegenden Erfindung sein.The above list appropriate RP method is not exhaustive and is intended in particular no restriction the generality of the present invention.

Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird das laminierte Faserverbundbauteil ausgehärtet, bevor das Ausschmelzen des Kerns durchgeführt wird. Vorzugsweise kann das laminierte Faserverbundbauteil mit innen liegendem Kern bei Raumtemperatur aushärten.In a development of the manufacturing method according to the invention, the laminated Hardened fiber composite component before the melting of the core is performed. Preferably, the inner core laminated fiber composite member may be cured at room temperature.

Beim Faserverbundmaterial handelt es sich üblicherweise um Kunstharz-imprägniertes Fasergewebe, beispielsweise mit Kohlefasern und/oder Glasfasern, wobei erfindungsgemäß ein „trockener” Faser-Matrix-Verbund in Form so genannter „Prepregs” verwendet wird. Derartige Prepregs lassen sich besonders einfach manuell handhaben. Hierdurch lässt sich das Laminieren, das erfindungsgemäß von Hand durchgeführt wird, erheblich vereinfachen.At the Fiber composite material is usually resin impregnated Fiber fabrics, for example with carbon fibers and / or glass fibers, wherein according to the invention a "dry" fiber-matrix composite used in the form of so-called "prepregs" becomes. Such prepregs are particularly easy to handle manually. This is possible the lamination, which according to the invention is carried out by hand, considerably simplify.

Nach dem Aushärten des Faserverbundbauteils wird das Faserverbundbauteil erfindungsgemäß getempert. Dabei erfolgt das Tempern bei einer Temperatur, die oberhalb der Schmelztemperatur des Kernmaterials liegt. Somit kann das Ausschmelzen des Kerns beim Tempern durchgeführt werden, ohne dass hierzu ein zusätzlicher Arbeitsschritt erforderlich ist. Das Tempern dauert beispielsweise zwei bis drei Stunden. Die Tempertemperatur liegt beispielsweise bei etwa 80°C. Der zur Herstellung des Kerns verwendet Thermopolymer besitzt beispielsweise eine Schmelztemperatur von ca. 70°C.To curing of the fiber composite component, the fiber composite component is tempered according to the invention. The annealing is carried out at a temperature above the Melting temperature of the core material is. Thus, the melting out of the Kerns performed during annealing be without an additional Work step is required. The tempering takes for example two to three hours. The tempering temperature is for example at about 80 ° C. The thermopolymer used to make the core has, for example, a Melting temperature of about 70 ° C.

Claims (6)

Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, – bei dem ein Kern aus einem schmelzbaren Material hergestellt wird, – bei dem der Kern mit einem Faserverbundmaterial laminiert wird, – bei dem der Kern ausgeschmolzen wird, wobei der Kern mittels eines Rapid-Prototyping-Verfahrens (RP-Verfahren) aus einem Thermopolymer hergestellt wird, wobei der Kern von Hand mit einem Faserverbundmaterial in Form von Prepregs laminiert wird wobei, das laminierte Faserverbundbauteil getempert wird, wobei das Tempern bei einer Temperatur erfolgt, bei der der Kern ausschmilzt.Method for producing a fiber composite component, - in which a core is made of a fusible material, - in which the core is laminated with a fiber composite material, - in which the core is melted out, wherein the core by means of a Rapid prototyping method (RP-method) made of a thermopolymer, the core being made by hand is laminated with a fiber composite material in the form of prepregs wherein, the laminated fiber composite component is annealed, wherein the annealing is carried out at a temperature at which the core melts. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als RP-Verfahren ein Multi-Jet-Modelling-Prozess (MJM-Prozess) verwendet wird.Method according to claim 1, characterized in that as RP process a multi-jet modeling process (MJM process) is used. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das laminierte Faserverbundbauteil vor dem Kernausschmelzen ausgehärtet wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the laminated fiber composite component is melted before the core hardened becomes. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das laminierte Faserverbundbauteil bei Raumtemperatur ausgehärtet wird.Method according to claim 3, characterized that the laminated fiber composite component is cured at room temperature. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Tempern zwei bis drei Stunden dauert.Method according to one of claims 1 to 4, characterized that tempering takes two to three hours. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Tempern nach dem Aushärten durchgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized that annealing after curing carried out becomes.
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