DE102006033011A1 - Fan wheel, for an axial tunnel ventilation/extraction fan, has one-piece non-stick fan vanes of a carbon fiber reinforced plastics woven bonded to an inlay - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Werkstücken aus Faserverbundwerkstoffen, insbesondere kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK).The The invention relates to a method for the production of three-dimensional workpieces made of fiber composite materials, in particular carbon fiber reinforced plastic (CFRP).
In den letzten Jahren hat die Herstellung von Werkstücken aus innovativen High-Tech-Kunststoffen verstärkt zugenommen. Dabei ersetzen in der Luft- und Raumfahrt, aber auch im Sportbereich, Verbundwerkstoffe zunehmend metallische Werkstoffe. Der Vorteil dieser Werkstoffe besteht in ihrem deutlich reduzierten Gewicht. Das eingesparte Gewicht senkt Energiekosten.In the last few years has made the production of workpieces innovative high-tech plastics increased. Replace it in aerospace, but also in sports, composites increasingly metallic materials. The advantage of these materials consists in their significantly reduced weight. The saved weight lowers Energy costs.
Üblicherweise werden derartige Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe in Autoklaven hergestellt. In diesen Autoklaven werden üblicherweise Drücke von bis zu 10 bar und Temperaturen von bis zu 400°C erzeugt. Die Druckbeaufschlagung erfolgt mittels Kompressoren. Oft werden auch Druckspeicher verwandt, um bei kleineren Kompressionen bedarfsweise ausreichend Druckluft bereitstellen zu können.Usually Such carbon fiber-plastic composites are produced in autoclaves. In these autoclave are usually pressures of up to 10 bar and temperatures of up to 400 ° C generated. The pressurization takes place by means of compressors. Often also used pressure accumulator to demand for smaller compressions to provide sufficient compressed air.
Der hohe Druck im Inneren des Autoklaven wird genutzt, um die einzelnen Laminatschichten der Verbundstoffe zu verpressen. Meistens wird das Bauteil zusätzlich, etwa mittels eines Vakuumsacks, im Autoklaven evakuiert, um überschüssige Luft aus dem Verbund zu entfernen. Das Kunstharz im Faserverbund-Bauteil, bei dem es sich zumeist um Epoxid-Harze handelt, wird dann bei hoher Temperatur, etwa 100–250°C, über mehrere Stunden ausgehärtet. Allerdings sind die hohen Anschaffungskosten der Autoklaven sowie die erheblichen Energiekosten für den Betrieb eines Autoklaven auch ein erheblicher Fertigungsnachteil, so dass diese Technik bisher nur im Bereich der Hochtechnologie, also für Zwecke der Luft- und Raumfahrt oder des Motorsports zum Einsatz kommt bzw. bei extrem hochpreisigen Produkten, wie etwa bei Spitzen-Fahrrädern des Hochpreis-Bereichs.Of the high pressure inside the autoclave is utilized to the individual To laminate laminate layers of the composites. Mostly will the component additionally, for example by means of a vacuum bag, evacuated in an autoclave to excess air to be removed from the composite. The synthetic resin in the fiber composite component, which are mostly epoxy resins, is then at high Temperature, about 100-250 ° C, over several Hardened for hours. However, the high initial cost of the autoclave as well the significant energy costs for the operation of an autoclave also a significant manufacturing disadvantage, so far this technique has only been used in high-tech, So for Aerospace or motorsport purposes comes or in extremely high-priced products, such as top-of-the-range bicycles High-price range.
Üblicherweise werden im Bereich großflächiger und wenig gekrümmter Bauteile, wie etwa im Flugzeugbereich, mit Harz imprägnierte Carbonfaser-Bänder so genannte „Prepregs" eingesetzt. Vor dem Aushärten durch Druck und Hitze im Autoklaven, mithin dem besagten Hochdruckofen, werden sie mittels rechnergesteuerter Tape-Legemaschinen in die spätere Form gebracht.Usually be in the area of large and little curved Components, such as in the aircraft sector, impregnated with resin Carbon fiber tapes used so-called "prepregs" Harden by pressure and heat in the autoclave, thus the said high-pressure furnace, They are using computer-controlled tape-laying machines in the latter Brought form.
Für stärker gekrümmte oder komplexere Strukturen werden derzeit andere Herstellungsmethoden überprüft. So werden beispielsweise Bauteile aus CFK-Gewebe zunächst in einem trockenen Zustand in die gewünschte Form gebracht und das vorstehend erwähnte Harz erst danach in das Gewebe eingearbeitet. So werden beispielsweise bei der Herstellung der Airbus-Druckkalotte multiaxiale Carbonfaser-Gelege anstelle der erwähnten Prepregs eingesetzt. Zur Verbindung der genannten Gelege-Bahnen werden maschinell Nähte gefertigt. Zur Erhöhung der Festigkeit können mehrere der auf diese Weise gefertigten Teppiche übereinandergelegt und wiederum im Autoklaven unter Hitze und Vakuum ausgehärtet werden.For more curved or More complex structures are currently being reviewed for other manufacturing methods. So be For example, components made of CFRP fabric initially in a dry state in the desired Form brought and the above-mentioned resin only then in the Fabric incorporated. For example, in the production the Airbus pressure dome uses multiaxial carbon fiber scrim instead the mentioned Used prepregs. To connect the said scrim trains are Machine seams manufactured. To increase the strength can several of the carpets made in this way superimposed and again cured in an autoclave under heat and vacuum.
Um insbesondere die beträchtlichen Kosten für den Betrieb eines Autoklaven zu sparen, wird darüber hinaus in letzter Zeit mit Mikrowellenöfen experimentiert. Zwar kann über die genannten Mikrowellenöfen die gewünschte Temperatur vergleichsweise kostengünstig erzeugt werden. Bis dato ist es aber nicht bekannt, derartige Mikrowellenöfen auch als Hochdrucköfen auszubilden. Der Einsatz derartiger Hochdrucköfen ist aber der Garant für hochpräzise Oberflächen, die extrem formtreu und glatt, also ohne Blasenbildung, gefertigt sind.Around especially the considerable ones costs for In addition, saving the operation of an autoclave is lately with microwave ovens experimented. Although can over the said microwave ovens the desired Temperature can be generated comparatively inexpensive. To date However, it is not known to form such microwave ovens as high-pressure furnaces. The use of such high-pressure furnaces but is the guarantor for high-precision surfaces that extremely true to form and smooth, so without blistering, are made.
Eine weitere Herausforderung bei der Fertigung von dreidimensionalen Werkstücken unter Einsatz von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff ist es, diese Werkzeuge unter Belassung eines Hohlraumes auszubilden. Ein Interesse an solchen Werkstücken besteht schon aus Gewichts- und Kostengründen. Es wird daher teilweise mit verschiedenen Armierungstechniken gearbeitet, also mit Techniken, bei denen Versteifungen oder Verstärkungselemente in das entsprechende carbonfaserverstärkte Werkstück eingearbeitet werden.A further challenge in the production of three-dimensional workpieces using carbon fiber reinforced plastic, it is this Form tools while leaving a cavity. An interest on such workpieces exists already for weight and cost reasons. It therefore becomes partial worked with different reinforcement techniques, so with techniques which stiffeners or reinforcing elements in the corresponding carbon fiber reinforced workpiece are incorporated.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neues und vor allem kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Werkstücken, zu schaffen. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Verfahren gemäß Hauptanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruchs ergeben sich gemäß den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 13.outgoing From this prior art, the invention is based on the object a new and, above all, inexpensive Process for the production of three-dimensional workpieces, too create. The solution This object is achieved by a method according to the main claim. advantageous Embodiments of the main claim will become apparent according to the features the claims 2 to 13.
Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht nun darin, dass zunächst ein Hohlkammer-Blasteil aus einem geeigneten Thermoplast als Inlay zur Herstellung des gewünschten dreidimensionalen Werkstücks gefertigt wird. Dabei hat der Blasling zumindest annähernd die Form des zu fertigenden Werkstücks. Der Blasling wird anschließend, in an sich bekannter Weise, mit einem je nach zu fertigendem Werkstück geeigneten CFK-Gewebe beschickt und anschließend mitsamt dem integriertem Blasling als Inlay unter Einsatz von Hitze und Druck, in ebenfalls an sich bekannter Weise, ausgehärtet.The Particularity of the method according to the invention is now that first a hollow-chamber blown part made of a suitable thermoplastic as an inlay for producing the desired three-dimensional workpiece is manufactured. The Blasling has at least approximately the Shape of the workpiece to be produced. The Blasling is subsequently, in a conventional manner, with a suitable depending on the workpiece to be manufactured CFRP fabric and then fed together with the integrated Blasling as an inlay using heat and pressure, in as well in a known manner, cured.
Die Verwendung eines Blaslings als Inlay bietet bei der Herstellung eines derartigen dreidimensionalen Werkstücks aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff sowohl bei der Fertigung, als auch bei dem zu verwendenden Aushärteverfahren diverse noch zu erörternde Vorteile.The use of a bladder as an inlay provides in the manufacture of such a three-dimensional workpiece from carbon fiber reinforced In addition, in plastic as well as in the curing process to be used, various advantages still to be discussed.
Es hat sich darüber hinaus als vorteilhaft erwiesen, wenn der als Inlay vorgesehene Blasling zwar druckfest und mechanisch belastbar aber gleichwohl plastisch verformbar ausgebildet ist. Dies hat zunächst den Vorteil, dass der Blasling in der Phase des Aushärtens druckbeaufschlagt werden kann, wobei zur besseren Verpressung des Blaslings mit dem CFK-Gewebe es vorteilhaft ist, wenn der Blasling in Folge der Druckbeaufschlagung ausgedehnt, also plastisch verformbar ist. Trotz dieser bestimmungsgemäßen Verformbarkeit soll der Blasling aber gleichwohl ausreichend mechanisch fest sein, um mit an sich bekannten Verfahren entweder von Hand oder mit entsprechenden Automaten mit dem CFK-Gewebe maschinell beschickt zu werden.It has about it proven to be advantageous when the intended as an inlay Blasling Although pressure-resistant and mechanically strong but nevertheless is formed plastically deformable. This has the first Advantage that the bladder can be pressurized in the curing phase, wherein for better compression of the Blaslings with the CFRP tissue it is advantageous if the Blasling as a result of the pressurization extended, so plastically deformable. Despite this intended deformability However, the Blasling should nevertheless be sufficiently strong mechanically to by methods known per se either by hand or with appropriate Automat machines to be fed with the CFRP fabric.
In konkreter Ausgestaltung kann der Blasling hierzu aus Polyamid gefertigt sein, wobei die Stärke des Polyamids in Abhängigkeit von den gewählten Belastungen, der Größe des zu fertigenden Werkstücks und den insofern zu beachtenden Drücken und Temperaturen gewählt ist. Ein übliches Berechnungsverfahren für die Wandstärke des Blaslings, also der Dicke des Polyamid-Werkstoffs bzw. der insoweit einzusetzenden Schichten, ist die Methode der finiten Elemente oder die klassische Laminat-Theorie oder eben andere geeignete Berechnungsverfahren.In concrete embodiment, the Blasling this made of polyamide be the strength of the Polyamide dependent from the chosen loads, the size of the finished workpiece and the pressures and temperatures to be considered in this respect is selected. A common one Calculation method for the wall thickness Blaslings, so the thickness of the polyamide material or the extent layers to be used is the finite element method or the classical laminate theory or other suitable calculation methods.
Sobald der Blasling, wie vorstehend beschrieben, gefertigt ist, wird er in an sich bekannter Weise mit einem CFK-Gewebe beschickt und dann in einem geschlossenen Raum bestimmungsgemäß Hitze und/oder Druck ausgesetzt und somit das CFK-Gewebe mit dem als Inlay dienenden Blasling zur Ausbildung eines homogenen dreidimensionalen Werkstücks verpresst.As soon as the Blasling, as described above, it is made fed in a conventional manner with a CFRP fabric and then in a closed Room as intended heat and / or pressure and thus the CFRP fabric with the inlay serving Blasling pressed to form a homogeneous three-dimensional workpiece.
Als geschlossener Raum kommen wahlweise ein Autoklav oder ein Mikrowellenofen in Betracht. Im Autoklaven kann im Unterschied zum Mikrowellenofen, wie bereits erwähnt wurde, zusätzlich mit Überdruck auf das zu fertigende Werkstück eingewirkt werden.When closed room come either an autoclave or a microwave oven into consideration. In the autoclave, unlike the microwave oven, As already mentioned was, in addition with overpressure on the workpiece to be produced be acted.
Alternativ oder zusätzlich ist es jedoch in beiden Fällen möglich, den Blasling innerhalb des geschlossenen Raumes mittels einer geeigneten Füllung mit einem Überdruck zu beaufschlagen, so dass der Blasling infolge seiner plastischen Verformbarkeit an das den Blasling umgreifende CFK-Gewebe angepresst wird. Diese Möglichkeit führt zu drastisch verbesserten Verbundeigenschaften des Werkstücks.alternative or additionally It is, however, in both cases possible, the Blasling within the closed space by means of a suitable filling with an overpressure to act on, so that the Blasling due to its plastic Deformability pressed against the Blasling embracing CFRP fabric becomes. This possibility leads to drastically improved composite properties of the workpiece.
Hierzu hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn an den Blasling ein zu einem späteren Zeitpunkt entfernbarer Druckstutzen angeformt ist, an den bedarfsweise ein Kompressor angeschlossen werden kann.For this It has proved to be advantageous if a to the Blasling a later one Time removable pressure port is formed, if necessary a compressor can be connected.
Ergänzend kann der von dem CFK-Gewebe umschlossene Blasling innerhalb des geschlossenen Raumes in einem Vakuumsack aufgenommen werden, aus dem dann zur Erzeugung eines Unterdrucks die Luft evakuiert wird, um hierdurch das CFK-Gewebe an den Blasling außenwandig anzupressen, etwaige Luft zwischen Blasling und CFK-Gewebe zu entfernen und überdies für eine gute Durchdringung der Schichten des CFK-Gewebes mit dem Epoxid-Harz zu sorgen.In addition can the bladder enclosed within the CFRP tissue within the closed space be taken in a vacuum bag, then from the generation a vacuum, the air is evacuated to thereby the CFRP fabric to the Blasling außenwandig Press to remove any air between the Blasling and CFK fabric and moreover for one good penetration of the layers of CFRP fabric with the epoxy resin.
Für den Fall, dass als geschlossener Raum ein Autoklav eingesetzt wird, hat es sich bewährt, den Blasling im Autoklaven mit einem Druck mit bis zu 12 bar und Temperaturen von bis zu 450°C mit dem den Blasling umgebenden CFK-Gewebe zu verbinden und den Verbundwerkstoff entsprechend auszuhärten.In the case, It has, that as an enclosed space an autoclave is used proven, the bladder in autoclave with a pressure of up to 12 bar and Temperatures of up to 450 ° C to connect with the CFRP fabric surrounding the bladder and the composite material cure accordingly.
In alternativer Ausgestaltung des Verfahrens kann der mit einem CFK-Gewebe beschickte Blasling allerdings auch in einen von zwei Halbzeugen zusammengesetzten Formling eingelegt werden und dann mitsamt dieses Formlings in einen Mikrowellenofen eingebracht werden, wobei dann mittels des Mikrowellenofens die erforderliche Hitzebehandlung vorgenommen wird.In Alternative embodiment of the method may be with a CFRP fabric but fed Blasling in one of two semi-finished products assembled molding and then together with this Molded are introduced into a microwave oven, in which case made the required heat treatment by means of the microwave oven becomes.
Die ggf. erforderliche, ergänzende Druckbehandlung innerhalb des Mikrowellenofens kann dadurch erfolgen, dass zunächst der Blasling, wie vorstehend erwähnt, mit einem Überdruck beaufschlagt wird und überdies der in den Mikrowellenofen eingebrachte Formling in einem Vakuumsack angeordnet ist, wobei an diesen Vakuumsack eine außerhalb des Mikrowellenofens angeordnete Vakuumpumpe angeschlossen wird, und somit ein Unterdruck aufgebracht wird. Auch bei dieser Methode wird in der vorstehend beschriebenen Weise der als Inlay dienende Blasling mit dem CFK-Gewebe verpresst.The if necessary, supplementary Pressure treatment inside the microwave oven can be done by that first the Blasling, as mentioned above, with an overpressure is charged and moreover the introduced into the microwave oven molding in a vacuum bag is arranged, with an external to this vacuum bag connected to the microwave oven vacuum pump is connected, and thus a negative pressure is applied. Also with this method In the manner described above, the bladder serving as the inlay is used pressed with the CFRP fabric.
Die vorstehend bereits erwähnte mechanische Festigkeit des Blaslings erlaubt es, dass der Blasling vor der erwähnten Hitze- und/oder Druckbehandlung mit Carbon-Rovings derart beschickt wird, dass dieser mit den genannten Carbon-Endlos-Fasern umwoben oder umflochten wird. Hierzu können sowohl manuelle Verfahren wie maschinelle Verfahren zum Einsatz kommen.The already mentioned above mechanical strength of the Blaslings allows the Blasling before the mentioned Heat and / or pressure treatment with carbon rovings so charged is that this woven or braided with said carbon endless fibers becomes. This can be done both Manual procedures such as mechanical methods are used.
Mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens können beispielsweise auch Lüfterflügel, wie sie zur Tunnelbe- und -Entlüftung eingesetzt werden, aber auch Turbinenschaufeln hergestellt werden.through of the method described above, for example, fan blades, as they for tunnel ventilation and de-aeration be used, but also turbine blades are produced.
Das Verfahren wird nachstehend anhand eines in der Beschreibung nur schematisch dargestellten Beispiels näher erläutert:The Method will be described below with reference to one in the description only schematically illustrated example:
Es zeigenShow it
Gemäß der Darstellung
in
Vorteilhaft
ist der Blasling
Ein
solcherart mit einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff-Gewebe beschickter
Blasling
In
dem Mikrowellenofen
Gemäß der Darstellung
in
Alternativ
zu den vorstehend genannten Prepregs
In
weiterer Ausgestaltung des Verfahrens kann der im Mikrowellenofen
Vorstehend
ist somit ein Verfahren beschrieben, das aufgrund der Verwendung
eines vorzugsweise aus Polyamid gefertigten Blaslings
- 11
- Werkstückworkpiece
- 22
- Hohlraumcavity
- 33
- Inlayinlay
- 44
- Außenhautshell
- 55
- Formlingmolding
- 66
- Unterteillower part
- 77
- Oberteiltop
- 88th
- Mikrowellenofenmicrowave oven
- 99
- BlaslingBlasling
- 1010
- Druckaggregatpressure unit
- 1111
- Prepregsprepregs
- 1212
- Innendruckinternal pressure
- 1313
- Carbon-RovingCarbon roving
- 1414
- Vakuumsackvacuum bag
- 1515
- Anschlussstutzenspigot
- 1616
- Vakuumpumpevacuum pump
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20110201 |