DE102005039906B4 - A method for producing a fiber composite component - Google Patents

A method for producing a fiber composite component

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, A method for producing a fiber composite component,
– bei dem ein Kern aus einem schmelzbaren Material hergestellt wird, - in which a core made of a fusible material is prepared,
– bei dem der Kern mit einem Faserverbundmaterial laminiert wird, - in which the core is laminated with a fiber composite material,
– bei dem der Kern ausgeschmolzen wird, - in which the core is melted out,
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. wherein the core by means of a rapid prototyping method (RP method) is made from a thermoplastic polymer, wherein the core is manually laminated with a fiber composite material in the form of prepregs wherein the laminated fiber composite component is annealed, said annealing is carried out at a temperature wherein the core melt out.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. The present invention relates to a method for producing a fiber composite component, having the features of the preamble of claim 1.
  • Aus der From the WO 94/21438 A1 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. discloses a method for producing a fiber composite component, in which a core is made of a fusible material, wherein the core is laminated with a fiber composite material and wherein 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. In the known production method of the core with the aid of a divisible auxiliary mold by casting of the auxiliary form with a fusible core material is such. B. Hartwachs, hergestellt. As hard wax produced. Vor dem Laminieren wird der Kern zusätzlich mit einem Schlauch umhüllt. Before laminating the core is additionally coated with a hose. Nach dem Laminieren mit dem Faserverbundmaterial liegt beim bekannten Verfahren ein Formkörperrohling vor, der in eine teilbare Pressform eingelegt wird. After lamination with the fiber composite material is a shaped body blank is present in the known method, which is inserted in a divisible mold. Nach dem Schließen der Pressform wird der Schlauch aufgepumpt, wodurch sich der Faserverbundwerkstoff an die Innenoberfläche der Pressform andrückt. After closing the mold, the tube is inflated, causing the fiber composite material presses against the inner surface of the die. Nach dem Aushärten des Faserverbundmaterials wird der Kern aufgeschmolzen und über eine Schlauchöffnung aus dem Schlauch abgelassen. After curing of the fiber composite material of the core is melted and discharged through a tube opening out of the hose. Anschließend kann auch der Schlauch aus dem nunmehr fertiggestellten Verbundbauteil herausgezogen werden. Subsequently, also the hose can be pulled out of the now finished composite component.
  • Aus der From the EP 1 197 309 B1 EP 1197309 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. It is known for producing a fiber composite component, first to mold a preform from wax, and transform it into a press die in a finally shaped support core. Der fertige Stützkern wird dann in ein anderes Formwerkzeug eingesetzt und darin mit einem Faserverbundmaterial umhüllt. The finished support core is then inserted into another mold, and is sheathed with a fiber composite material. In diesem Formwerkzeug erfolgt das Aushärten des Faserverbundmaterials. In this mold, the curing of the fiber composite material is. Anschließend wird das Faserverbundbauteil einschließlich Stützkern aus dem Formwerkzeug entnommen und in eine Temperform überführt, in der es getempert wird. Subsequently, the fiber composite component including the support core from the mold removed and transferred into an annealing form in which it is annealed. Beim Tempern wird der Stützkern aus dem Inneren des Faserverbundbauteils ausgeschmolzen. On annealing of the support core from the interior of the fiber composite component is melted.
  • Aus der From the DE 43 25 563 A1 DE 43 25 563 A1 ist es für die Herstellung von Metallgussteilen bekannt, einen ausschmelzbaren Kunststoffkern zu verwenden. It is known for the production of metal castings to use a ausschmelzbaren plastic core.
  • Die The DE 198 53 814 A1 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. describes a method for the production of components by build-up technique in accordance with a multi-jet modeling process or shortly MJM process for the realization of a rapid Prototpyping method, briefly RP method. Bei einem MJM-Prozess wird ein thermoplastisches Baumaterial aufgeschmolzen und entsprechend der zu erstellenden Bauteilgeometrie durch Düsen in Form von Tröpfchen aufgetragen. In a MJM process a thermoplastic building material is melted and applied by the nozzle in the form of droplets according to the component geometry to be created.
  • Aus der From the DE 199 26 322 A1 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. it is known for the production of molding tools to make a judgment, production and core model for the production of the casting tool by means of a RP-method, to thereby produce a mold including a sand core, which is subsequently filled with metal. Der Sandkern kann danach ausgewaschen werden. The sand core can then be washed out. 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. thereby a Laminated Object Manufacturing process or shortly LOM process is called RP-process preferably placed layer by layer on each other in the film-shaped building material is cut according to the desired component geometry and bonded to the underlying each underlying layer.
  • Aus der From the GB 2 358 368 A GB 2358368 A ist ein Verfahren zur Herstellung vielfältiger Bauteile bekannt, wobei Stereolithographie oder Rapid-Prototyping-Verfahren eingesetzt werden. discloses a process for the preparation of a variety of components, with stereo 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 deals with the problem of providing a method for producing a fiber composite component to provide an improved embodiment, which is characterized in particular by reduced manufacturing costs.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. This problem is solved by the subject matter of the independent claim. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Advantageous embodiments are 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. The invention is based on the general idea of ​​the ausschmelzbaren core by means of a rapid prototyping process or shortly RP-process manufacture of a thermoplastic polymer. 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. By using a RP-process of the core can be produced by means of a corresponding RP-machine directly from CAD data, without requiring additional process steps are required. Insbesondere ist kein zusätzliches Gießwerkzeug zum Herstellen des Kerns als Gussteil erforderlich. In particular, no additional molding tool for producing the core as a cast part is required. Die Herstellungskosten für das Faserverbundbauteil lassen sich dadurch signifikant reduzieren. The production cost of the fiber composite component can thereby be significantly reduced. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich außerdem durch einen erheblichen Zeitvorteil aus, da insbesondere das Herstellen einer Gießform für einen gegossenen Kern zeitintensiv ist. The inventive method is also characterized by a significant time advantage, since in particular the manufacturing of a casting mold for a cast core is time consuming. Insoweit eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren in besonderer Weise zur Herstellung von Prototypen aus Faserverbundmaterial. In that regard, the inventive method is particularly suitable for the production of prototypes made of fiber composite material. Beispielsweise können dadurch auch zeitsparend und preiswert mehrere verschiedene Varianten in Form anschaulicher Modelle erzeugt werden. For example, several different variants can be produced in the form of illustrative models also time-saving and inexpensive. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in besonderer Weise zur Herstellung von Prototypen im Rahmen der Fahrzeugentwicklung. The inventive method is particularly suitable for the production of prototypes in the context of vehicle development.
  • RP-Verfahren oder RP-Technologien beruhen stets auf der Überlegung, den jeweiligen dreidimensionalen Körper durch schichtweisen Aufbau zu erzeugen. RP method or RP technologies are always based on the consideration, to generate the respective three-dimensional body by layered construction. Zu Beginn des Herstellungsverfahrens muss somit zunächst ein 3D-CAD-Modell des zur Herstellung des Faserverbundbauteils benötigten Kerns erstellt werden. At the beginning of the manufacturing process, a 3D CAD model of the required for the production of fiber composite component core thus must first be created. Diese 3D-Daten können dann einer RP-Maschine zugeführt werden. This 3D data of an RP machine can then be supplied. Beispielsweise erfolgt der Datenexport über eine standardisierte Standard-Transformation-Language-Schnittstelle oder kurz STL-Schnittstelle. For example, the data export via a standardized standard transformation-language interface or shortly STL interface. Die Bauteildaten können dann mit Hilfe einer entsprechenden Software in dem zur Verfügung stehenden Bauraum orientiert werden, was als „platzieren” bezeichnet wird. The component data can be oriented using an appropriate software in the available space then what is called "Place" as. Falls erforderlich, kann zusätzlich eine Stützkonstruktion generiert werden. If necessary, a support structure can be generated in addition. Anschließend werden die 3D-Daten in einzelne Schichten zerlegt, sogenanntes „Slicing”. Subsequently, the 3D data is broken down into individual layers, so-called "slicing". Die einzelnen Schichten enthalten Informationen über die Kontur der jeweiligen Schicht sowie über die Volumenverteilung innerhalb der jeweiligen Schicht. The individual layers contain information about the contour of the respective layer as well as the volume of distribution within the respective layer. Diese Schichtdaten bilden dann insgesamt Fertigungsinformationen für das jeweilige RP-Verfahren. This layer data then form a total of manufacturing information for the respective RP method. Die RP-Maschine kann dann anhand der Schicht-Daten das jeweilige Bauteil Schicht für Schicht aufbauen. The RP machine can then build on the basis of layer data the respective component layer by layer.
  • 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 prepared in the RP-method may be used for laminating with the fiber composite material, it may be necessary to rework the core, in particular, manually in order to improve, for example, the surface to be laminated with respect to their quality.
  • Als RP-Verfahren kommen grundsätzlich unterschiedliche Prozesse in Betracht, mit deren Hilfe der zu laminierende Kern hergestellt werden kann. As RP processes in principle different processes into consideration, with the help of which to be laminated core may be produced. Bevorzugt wird hier ein Multi-Jet-Modelling-Prozess oder kurz MJM-Prozess. Here a multi-jet modeling process or shortly MJM process is preferred. Beim MJM-Prozess wird der Kern auf einer Plattform einer MJM-Maschine schichtweise aufgebaut. When MJM process, the core is built up in layers on a platform of a MJM machine. 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. Here, a thermoplastic building materials, so the desired melted for preparation of the core polymer and thermal deposited by nozzles of a printhead of MJM machine in the form of droplets in accordance with the three-dimensional core geometry. Der Druckkopf wird dabei durch einen entsprechenden Verfahrmechanismus verstellt. The print head is then moved by a corresponding movement mechanism. Das Polymermaterial wird vorzugsweise mit Hilfe des Druckkopfs zeilenweise aufgetragen. The polymeric material is preferably applied line by line by means of the print head. Der Zeilenvorschub erfolgt üblicherweise durch eine Verstellung der Plattform. The line feed is usually done by an adjustment of the platform. 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. The MJM process corresponds in principle to the printing process of an ink jet printer in which the print head is moved linearly line by line, while the line feed is performed by a corresponding relative displacement of the paper to be printed.
  • 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 method, which can in principle also be used for the preparation of the core, for example, a stereolithography process are (STL) process, a selective laser sintering process (SLS) process, a fused deposition modeling process (FDM process) and a Laminated Object Manufacturing process (LOM) process.
  • Beim STL-Prozess wird der gewünscht Kern ebenfalls auf einer Plattform einer STL-Maschine schichtweise aufgebaut. When STL process the desired core is also built up in layers on a platform of a STL machine. Hierbei härtet ein UV-Laser ein photosensitives flüssiges Harz aus dem Thermopolymer entsprechend der jeweiligen Kerngeometrie Schicht für Schicht aus. Here, a UV laser cures a photosensitive liquid resin from the polymer according to the respective thermal core geometry layer by layer. Die Bewegung des Lasers kann dabei mit Hilfe eines computergesteuerten Spiegelgalvanometers geführt werden. The movement of the laser may be guided by means of a computer-controlled mirror galvanometer. Wenn eine Schicht belichtet ist, wird die Plattform um eine Schichtdicke in einen Harzbehälter abgesenkt. When a layer is exposed, the platform is lowered by one layer thickness in a resin container. Eine Wischeinrichtung sorgt für einen Neuauftrag des photosensitiven Harzes sowie für eine Glättung der Harzoberfläche. Wiping means provides a new order of the photosensitive resin, as well as for smoothing the resin surface.
  • Beim SLS-Prozess kommt wieder ein Laser, vorzugsweise ein CO 2 -Laser zum Einsatz, mit dem punktweise pulverförmiges Thermopolymermaterial aufgeschmolzen wird. When SLS process, a laser comes back, preferably a CO 2 laser is used, is melted with the pointwise powdery thermopolymer material. Ein computergesteuertes Spiegelgalvanometer übernimmt wieder die Führung des Laserstrahls. A computer-controlled mirror galvanometer again takes over the guidance of the laser beam. Sobald eine Schicht generiert ist, wird eine Plattform, auf welcher der Kern schichtweise aufgebaut wird, um eine Schichtdicke in einen Pulverbehälter abgesenkt. Once a layer is generated, a platform on which the core is built up in layers to a reduced layer thickness in a powder container. Ein Beschichtungsmechanismus sorgt für einen Neuauftrag des pulverförmigen Materials sowie für eine Glättung der Pulveroberfläche. A coating mechanism provides a new order of the powdery material and for a smoothing of the powder surface.
  • Beim FDM-Prozess wird ein thermoplastisches Kernmaterial mittels einer Extrudierdüse schichtweise entsprechend der jeweiligen Kerngeometrie aufgetragen. When the FDM process, a thermoplastic core material is applied by means of an extrusion nozzle in layers corresponding to the respective core geometry. Durch eine zweite Extrudierdüse wird anschließend ein Stützmaterial aufgetragen. Through a second extruding nozzle, a support material is then applied. Die beiden Extrudierdüsen werden in der Schichtebene analog zu einem Plotter computergesteuert bewegt. The two extrusion dies move in the layer plane analogous to computer-controlled to a plotter. Nach dem Aufbau einer Schicht wird eine Plattform, auf welcher der Kern schichtweise aufgebaut wird, um eine Schichtdicke abgesenkt. After the construction of a layer is a platform on which the core is built up in layers to a reduced layer thickness.
  • Beim LOM-Prozess werden einzelne Folien aus dem Kernmaterial, also aus dem Thermopolymer aufeinander gelegt und mit Hilfe eines Laser, vorzugsweise eines CO 2 -Lasers, entlang der Kernkontur ausgeschnitten. LOM process, individual sheets of the core material, that is placed in the thermo polymer to each other and cut out with the aid of a laser, preferably a CO 2 laser, along the core contour. Der Schneidlaser wird dabei analog zu einem Plotter computergesteuert innerhalb der jeweiligen Schichtebene bewegt. The laser cutter is moved analogous to a computer-controlled plotter within each layer plane. Auf den Folien ist zweckmäßig ein Klebstoff aufgebracht, der thermisch aktivierbar ist und zu einer intensiven Verbindung der aufeinander liegenden Schichten führt. In the films, an adhesive is applied advantageously, is thermally activated and leads to an intensive connection of the superimposed layers. 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. Once a layer has been completed, a platform on which the core is built up in layers to a reduced film thickness or film 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 foregoing list of suitable RP method is not exhaustive and is not intended as limiting the generality of the present invention in particular.
  • Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird das laminierte Faserverbundbauteil ausgehärtet, bevor das Ausschmelzen des Kerns durchgeführt wird. In a further development of the manufacturing method according to the invention, the laminated fiber composite component is cured before the melting out of the core is performed. Vorzugsweise kann das laminierte Faserverbundbauteil mit innen liegendem Kern bei Raumtemperatur aushärten. Preferably, the laminated fiber composite component with internal core is allowed to cure 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. When the fiber composite material, there are usually resin-impregnated fiber fabric, for example with carbon fibers and / or glass fibers, according to the invention is a "dry" fiber-matrix composite in the form used so-called "prepregs". Derartige Prepregs lassen sich besonders einfach manuell handhaben. Such prepregs are particularly easy to handle manually. Hierdurch lässt sich das Laminieren, das erfindungsgemäß von Hand durchgeführt wird, erheblich vereinfachen. This makes it possible to laminate, which is inventively done by hand, greatly simplified.
  • Nach dem Aushärten des Faserverbundbauteils wird das Faserverbundbauteil erfindungsgemäß getempert. After curing of the fiber composite component, the fiber composite component is tempered according to the invention. Dabei erfolgt das Tempern bei einer Temperatur, die oberhalb der Schmelztemperatur des Kernmaterials liegt. Here, the annealing is performed at a temperature which is above the melting temperature of the core material. Somit kann das Ausschmelzen des Kerns beim Tempern durchgeführt werden, ohne dass hierzu ein zusätzlicher Arbeitsschritt erforderlich ist. Thus, the melting out of the core can be performed during annealing without requiring an additional step is required. Das Tempern dauert beispielsweise zwei bis drei Stunden. Annealing for example, takes two to three hours. Die Tempertemperatur liegt beispielsweise bei etwa 80°C. The annealing temperature is for example at about 80 ° C. Der zur Herstellung des Kerns verwendet Thermopolymer besitzt beispielsweise eine Schmelztemperatur von ca. 70°C. The used for making the core polymer, for example, thermal has a melting temperature of about 70 ° C.

Claims (6)

  1. 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. A method for producing a fiber composite component, - in which a core made of a fusible material is produced, - in which the core is laminated with a fiber composite material, - in which the core is melted out, wherein the core means of a rapid prototyping method (RP- the method) is prepared from a thermoplastic polymer, wherein the core is manually laminated with a fiber composite material in the form of prepregs wherein the laminated fiber composite component is annealed, said annealing is performed at a temperature at which the core melt out.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als RP-Verfahren ein Multi-Jet-Modelling-Prozess (MJM-Prozess) verwendet wird. A method according to claim 1, characterized in that a multi-jet modeling process (MJM) process is used as the RP method.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das laminierte Faserverbundbauteil vor dem Kernausschmelzen ausgehärtet wird. A method according to claim 1 or 2, characterized in that the laminated fiber composite component is cured before the Kernausschmelzen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das laminierte Faserverbundbauteil bei Raumtemperatur ausgehärtet wird. A method according to claim 3, characterized in that the laminated fiber composite component is cured at room temperature.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Tempern zwei bis drei Stunden dauert. A method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that annealing takes two to three hours.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Tempern nach dem Aushärten durchgeführt wird. A method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the annealing is carried out after curing.
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