DE102006050823A1 - Manufacturing method for composite structure, particularly multilevel composite structure, involves applying fiber layer on support structure and inserting filing unit in cavity of structure and injecting matrix material into fiber layer - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundbauteil, insbesondere ein Verbundbauteil mit einem mehrschichtigen Aufbau, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.The The present invention relates to a composite component, in particular a composite component with a multilayer structure, and a method for its production.
Zur Herstellung von biegesteifen Bauteilen ist ein Faserverbund mit einem eingelegten Kern vorteilhaft. Der Kern kann unterschiedliche Strukturen aufweisen. Wird der Faserverbund durch ein Injektionsverfahren, insbesondere einen RTM-Prozess (Resin Transfer Molding Prozess) hergestellt, so kann als Kern nur ein druckresistenter Schaum beziehungsweise ein druckresistentes Einlegeteil verwendet werden. Bei der Verwendung eines Schaums muss dieser darüber hinaus geschlossenporig sein, um ein Eintreten des Harzes während des Injektionsverfahrens in den Kern zu verhindern. Würde das Harz nämlich in den Kern eintreten, so würde dies zu einer ungewünschten Gewichtszunahme des Bauteils führen. Auch die Verwendung einer Trägerstruktur als Kern, die Öffnungen aufweist, die in Richtung auf die Faserschichten gerichtet sind, ist aus diesem Grund nicht möglich.to Production of rigid components is a fiber composite with an inserted core advantageous. The core can be different Have structures. If the fiber composite by an injection method, in particular an RTM process (Resin Transfer molding process), so can only use as a core pressure-resistant foam or a pressure-resistant insert be used. When using a foam, this must be beyond that closed pores to prevent the resin from entering during the Injection procedure to prevent the nucleus. Would the resin namely to enter the nucleus, so would this to an undesirable Gain weight of the component. Also, the use of a support structure as the core, the openings which are directed towards the fiber layers, is not possible for this reason.
In
der
Ein Nachteil dieses Verbundmaterials besteht darin, dass dessen Herstellungsverfahren aufwändig ist. Zudem kann aufgrund der Trennschicht die Verbindung zwischen dem Trägermaterial und der Faserverbundschicht nicht über das Matrixmaterial des Faserverbundes selber erfolgen, sondern muss beispielsweise durch einen Kleber realisiert werden. Hierdurch ist die Verbindung zwischen dem Trägermaterial und der Faserverbundschicht schwach. Zudem muss die Beschädigung der Trennschicht verhindert werden, so dass das Verfahren mit erhöhter Vorsicht und geeigneten Werkzeugen durchgeführt werden muss, die eine Beschädigung der Trennschicht unmöglich machen. Auch der Druck, unter dem das Matrixmaterial in die Faserschicht eingebracht werden kann muss so gering gewählt werden, dass eine Beschädigung der Trennschicht ausgeschlossen werden kann.One Disadvantage of this composite material is that its production process costly is. In addition, due to the separation layer, the connection between the carrier material and the fiber composite layer does not have the matrix material of the Fiber composite itself done, but must, for example, by an adhesive can be realized. This is the connection between the carrier material and the fiber composite layer weak. In addition, the damage must the Separation layer can be prevented, making the procedure with increased caution and suitable tools must be carried out, which damage the Separating layer impossible do. Also, the pressure under which the matrix material in the fiber layer can be inserted so low that damage to the Separation layer can be excluded.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Verfahren und ein Verbundbauteil zur Verfügung zu stellen, die die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen.task Therefore, it is a method and a composite component of the present invention to disposal to provide that do not have the disadvantages of the prior art.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgabe gelöst werden kann, indem Hohlräume in einem Trägermaterial während der Herstellung des Verbundbauteils aktiv genutzt werden.Of the The invention is based on the finding that this task is solved can, by cavities in a carrier material while be used actively in the production of the composite component.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung daher ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, das zumindest die Folgenden Schritte umfasst:
- – Aufbringen mindestens einer Faserschicht auf eine Trägerstruktur,
- – Einbringen eines Füllmittels in mindestens einen Hohlraum der Trägerstruktur,
- – Injizieren eines Matrixmaterials in die Faserschicht,
- – Aushärten der faserverstärkten Schicht, und
- – Entfernen des Füllmittels aus dem mindestens einen Hohlraum.
- Applying at least one fiber layer to a carrier structure,
- Introducing a filler into at least one cavity of the support structure,
- Injecting a matrix material into the fiber layer,
- - curing the fiber reinforced layer, and
- - Removing the filler from the at least one cavity.
Die Verfahrensschritte müssen nicht zwingend in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. So kann beispielsweise das Füllmittel in die Trägerstruktur eingebracht werden, bevor die Faserschicht beziehungsweise die Faserschichten auf die Trägerstruktur aufgebracht werden. Das Aufbringen der Faserschicht kann ein reines Auflegen der Faserschicht auf die Trägerstruktur beziehungsweise der Trägerstruktur auf die Faserschicht sein. Es kann aber auch eine Vorfixierung der Faserschicht an der Trägerstruktur erfolgen.The Procedural steps must not necessarily be carried out in the specified order. For example, the filler in the carrier structure are introduced before the fiber layer or the fiber layers on the support structure be applied. The application of the fiber layer can be a pure Laying the fiber layer on the support structure or the support structure be on the fiber layer. But it can also be a prefixing of Fiber layer on the support structure respectively.
Durch das Einbringen eines Füllmittels in die Trägerstruktur, das heißt in deren Hohlräume, kann der Trägerstruktur eine Stabilität verliehen werden, durch die diese einem Druck, der gegebenenfalls in den weiteren Verfahrensschritten auf die Trägerstruktur einwirkt, standhalten kann. Weiterhin kann durch das Füllmittel ein unerwünschtes Eindringen des Matrixmaterials in die Hohlräume der Trägerstruktur vermieden werden. Als Hohlräume werden im Sinne der Erfindung Räume in der Trägerstruktur bezeichnet, die zumindest an einer Seite durch die Trägerstruktur begrenzt sind. Somit werden auch offene Räume, wie beispielsweise eine an der Trägerstruktur gebildete Vertiefung als Hohlräume bezeichnet.By the introduction of a filler in the carrier structure, this means in their cavities, can the carrier structure a stability be lent by this a pressure, if necessary in the further process steps acting on the support structure, withstand can. Furthermore, by the filler an undesirable Penetration of the matrix material can be avoided in the cavities of the support structure. As cavities become spaces within the meaning of the invention in the support structure designated, which limits at least on one side by the support structure are. Thus, also open spaces, such as a depression formed on the support structure as cavities designated.
Durch die Verwendung von Füllmittel kann die Herstellung der faserverstärkten Schicht auf der Trägerstruktur erfolgen, das heißt das Matrixmaterial in die Faserschicht injiziert werden. Hierdurch vereinfacht sich der Herstellungsprozess des Verbundbauteils und es können in einer geringeren Zeit eine größere Anzahl von Verbundbauteilen hergestellt werden. Dies ist bei der Verwendung eines aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei dem bereits mit einem Harz imprägnierte Faserschichten mit einer Trägerstruktur verbunden werden, dem so genannten PREPREG (preimpregnated fibres) Verfahren, nicht möglich.By the use of filler may be the production of the fiber reinforced layer on the support structure done, that is the matrix material is injected into the fiber layer. hereby simplifies the manufacturing process of the composite component and it can in a lesser time a larger number made of composite components. This is in use a method known from the prior art, in which already impregnated with a resin Fiber layers with a support structure the so-called PREPREG (preimpregnated fibers) Procedure, not possible.
Vorzugsweise wird das Füllmittel bei dem erfindungsgemäßen Verfahren über Öffnungen in der Trägerstruktur entfernt, die sich an mindestens einer Seite der Trägerstruktur befinden. Diese Öffnungen sind auch nach dem Aufbringen der faserverstärkten Schichten noch zugänglich, so dass über diese Öffnungen das Füllmittel entfernt und gegebenenfalls erforderliches Lösungsmittel zum Lösen des Füllmittels eingebracht werden kann. Ein solches Entfernen ist bei den in einigen bekannten Verbundbauteilen verwendeten Wabenstrukturen (Honey comb) nicht möglich, da deren Öffnungen nach einem Aufbringen von faserverstärkten Schichten durch diese verschlossen sind.Preferably becomes the filler in the inventive method via openings in the support structure removed, located on at least one side of the support structure are located. These openings are still accessible after applying the fiber-reinforced layers, so that over these openings the filler removed and any necessary solvent for dissolving the filler can be introduced. Such removal is in some honeycomb structures used in known composite components not possible, because their openings after application of fiber reinforced layers through them are closed.
Um gegenüber Druck und dem Eindringen von Matrixmaterial resistent zu sein, ist das Füllmittel vorzugsweise so beschaffen, dass dieses in einem flüssigen, thixotropen, gelartigen oder pulvrigen Zustand in die Hohlräume eingebracht wird und nach dem Einbringen aushärten beziehungsweise sich verfestigen kann. Indem das Füllmittel in seinem Ausgangszustand einen der oben genannten Zustände besitzt, kann sich dieses der Form der Hohlräume besonders gut anpassen und diese insbesondere vollständig ausfüllen. Durch ein anschließendes Aushärten kann dem Füllmittel die erforderliche Resistenz gegen Druck und/oder Eindringen von Matrixmaterial verliehen werden. Das Aushärten kann durch Einwirkung auf das Füllmittel realisiert werden. Insbesondere kann beispielsweise Wärme oder Licht aufgebracht werden. Es ist aber auch möglich, dass das Füllmittel so beschaffen ist, dass dieses ohne weitere Einwirkungen in den normalen Umgebungsbedingungen über die Zeit aushärtet.Around across from Is to be resistant to pressure and the penetration of matrix material the filler preferably so that this one in a liquid, thixotropic, gelatinous or powdery state is introduced into the cavities and after the Cure or can solidify. By the filler has one of the above states in its initial state, This can adapt particularly well to the shape of the cavities and these in particular completely fill out. By a subsequent Harden can the filler the required resistance to pressure and / or penetration of Matrix material are lent. Curing can be through exposure on the filler will be realized. In particular, for example, heat or Be applied light. But it is also possible that the filler is such that this without further effects in the normal environmental conditions the time hardens.
Gemäß einer Ausführungsform stellt das Füllmittel ein aushärtendes Material dar, das nach der Aushärtung durch Lösungsmittel gelöst werden kann. Durch die Verwendung eines solchen Materials kann auf eine Verwendung von Werkzeugen zur Entfernung des Füllmittels verzichtet werden und auch Füllmittel, das an schwer zugänglichen Stellen vorliegt, zuverlässig entfernt werden. Indem das Material aushärtend ist kann zudem eine verlässliche Abdichtung gegen den Eintritt von Matrixmaterial gewährleitstet werden. Alternativ ist aber auch die Verwendung von Sand oder einem pulverförmigen Material als Füllmittel möglich, sofern dieses in den Hohlräumen der Trägerstruktur dicht gepackt vorliegt.According to one embodiment represents the filler a hardening Material is that after curing by solvent solved can be. By using such material can on use of tools to remove the filler be dispensed with and also fillers, the hard to reach Jobs available, reliable be removed. By hardening the material can also be a reliable Seal against entry of matrix material ensured become. Alternatively, it is also the use of sand or a powdery Material as filler possible, provided this in the cavities the support structure packed tight.
Als Lösungsmittel wird vorzugsweise ein flüssiges Mittel verwendet, da hierdurch das Erreichen auch schwer zugänglicher Stellen in der Trägerstruktur ermöglicht wird. Das Lösungsmittel kann je nach verwendetem Füllmittel Wasser oder eine chemische Lösung sein.When solvent is preferably a liquid Means used, since thereby reaching hard to reach Positions in the support structure allows becomes. The solvent may vary depending on the filler used Water or a chemical solution be.
Das Entfernen des Füllmittels wird vorzugsweise durch Fluten des mindestens einen Hohlraums in der Trägerstruktur durchgeführt. Zum Fluten kann hierbei ein Lösungsmittel für das Füllmittel oder aber auch eine andere Flüssigkeit verwendet werden. Im letzteren Fall muss die Flüssigkeit mit einem ausreichenden Druck in die Hohlräume eingebracht werden. Die Hohlräume der Trägerstruktur, die mit dem Füllmittel ausgefüllt werden besitzen vorzugsweise mindestens zwei Öffnungen, die beide nach dem Aufbringen der faserverstärkten Struktur noch zugänglich sind. Bei dieser Art der Hohlräume kann über eine Öffnung das Lösungsmittel in den Hohlraum eingebracht werden und das gelöste Füllmittel mit dem Lösungsmittel durch die zweite Öffnung austreten.The Remove the filler is preferably by flooding the at least one cavity in the support structure carried out. For flooding this can be a solvent for the fillers or another liquid be used. In the latter case, the liquid with a sufficient Pressure in the cavities be introduced. The cavities the support structure, those with the filler filled out are preferably at least two openings, both after the Apply the fiber reinforced Structure still accessible are. In this type of cavities can do that via an opening solvent are introduced into the cavity and the dissolved filler with the solvent through the second opening escape.
Das Matrixmaterial der faserverstärkten Schicht wird vorzugsweise durch ein RTM-Verfahren injiziert. In diesem Fall stellt das Matrixmaterial einen Kunststoff dar. Es ist aber auch möglich andere Matrixmaterialien, wie beispielsweise Metall durch ein Injektionsverfahren in das Fasermaterial eingebracht wird. Als Fasermaterial können beispielsweise Kohle-, Metall-, Glas- oder Kunststofffasern verwendet werden.The Matrix material of the fiber reinforced layer is preferably injected by an RTM method. In this case, the matrix material is a plastic but it is also possible other matrix materials, such as metal by an injection method is introduced into the fiber material. As fiber material, for example Carbon, metal, glass or plastic fibers are used.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verbundbauteil, insbesondere ein mehrschichtiges Verbundbauteil, das zumindest eine Trägerstruktur und mindestens eine faserverstärkte Schicht umfasst. Das Verbundbauteil zeichnet sich dadurch aus, dass in der Trägerstruktur zumindest ein Hohlraum vorliegt, der an zumindest einer der mindestens einen faserverstärkten Schicht abgewandten Seite eine Öffnung aufweist und sich von der Öffnung aus über zumindest einen Teil der Fläche des Verbundbauteils erstreckt.According to one In another aspect, the present invention relates to a composite component, in particular a multilayer composite component, the at least one support structure and at least one fiber reinforced Layer includes. The composite component is characterized in that in the support structure at least a cavity is present on at least one of the at least one fiber reinforced Layer facing away from an opening has and from the opening out over at least part of the area of the composite component extends.
Vorzugsweise stellt der Hohlraum einen Kanal dar, der an einem Rand des Verbundbauteils eine Eintritt und an einem weiteren Rand einen Austritt aufweist. Der Kanal kann einen über dessen Länge gleich bleibenden Querschnitt aufweisen. Hierdurch wird ein Einbringen und ein späteres Entfernen des Füllmittels erleichtert. Es liegt allerdings auch im Rahmen der Erfindung mindestens einen Hohlraum vorzusehen, dessen Eintritt und Austritt an der gleichen Seite des Verbundbauteils liegen. Hierbei kann der Hohlraum beispielsweise einen meanderförmigen Kanal darstellen.Preferably represents the cavity is a channel which at one edge of the composite component an inlet and at another edge has an outlet. The channel can be over whose length is the same have permanent cross-section. This will be an introduction and a later one Remove the filler facilitated. However, it is also within the scope of the invention at least to provide a cavity whose entrance and exit at the same Side of the composite component lie. In this case, the cavity, for example a meandering one Channel.
Der mindestens eine Hohlraum beziehungsweise Kanal kann sich von einem Rand des Verbundbauteils zu einem gegenüberliegenden Rand erstrecken. Bei dieser Ausführungsform sind ein Einbringen eines Füllstoffes zur Herstellung des Verbundbauteils und das Entfernen des Füllstoffes einfach zu realisierten. Zudem kann durch die den Kanal begrenzenden Wände eine sich über die Länge oder Breite des Verbundbauteils erstreckende Stütze zwischen gegenüberliegenden faserverstärkten Schichten geschaffen werden und somit die Stabilität des Verbundbauteils verbessert werden.The at least one cavity or channel may extend from one edge of the composite component to an opposite edge. In this embodiment, introduction of a filler for producing the composite member and removal of the filler are easy to realize. In addition, a support extending over the length or width of the composite component between opposing fiber-reinforced layers can be created by the walls delimiting the channel and thus the stability of the Composite component can be improved.
Das Verbundbauteil weist vorzugsweise mehrere Hohlräume auf und die Hohlräume sind parallel zueinander angeordnet. Durch die parallele Ausrichtung der Hohlräume kann zum einen die Trägerstruktur leichter hergestellt werden, als bei einer Struktur, bei der die Hohlräume unterschiedliche Ausrichtungen besitzen. Zum anderen kann das Befüllen und Entleeren der Kanäle mit Füllmittel leichter erfolgen, da benachbarte Hohlräume gleichzeitig befällt und entleert werden können.The Composite component preferably has a plurality of cavities and the cavities are arranged parallel to each other. Due to the parallel alignment the cavities On the one hand, the support structure be made easier than a structure in which the cavities have different orientations. On the other hand, the filling and Emptying the channels with filler easier, as adjacent cavities simultaneously and attacks can be emptied.
Vorzugsweise ist die Trägerstruktur einteilig ausgebildet und stellt insbesondere Faltwaben dar. Diese Art der Trägerstruktur ist einfach herzustellen. Zudem können sich die einzelnen Wände der Trägerstruktur gegeneinander abstützen und somit die Stabilität des Verbundbauteils verbessern. Bei geradlinigen, parallelen Hohlräumen beziehungsweise Kanälen kann durch eine einteilige Ausgestaltung der Trägerstruktur neben einer Biegesteifigkeit des Verbundbauteils um eine zu den Kanälen senkrecht stehende Biegeachse auch eine Biegesteifigkeit um eine in Richtung der Kanäle liegenden Biegeachse gewährleistet werden.Preferably is the carrier structure formed in one piece and in particular represents folded honeycomb. This Type of support structure is easy to make. In addition, the individual walls of the support structure support each other and thus the stability improve the composite component. In straight, parallel cavities or channels can by a one-piece design of the support structure in addition to a flexural rigidity of the composite component about a perpendicular to the channels bending axis also a bending stiffness around a lying in the direction of the channels Bending axis guaranteed become.
Die Trägerstruktur kann bei dem erfindungsgemäßen Verbundbauteil aus Papier, Pappe oder Metall bestehen. Bei einer Trägerstruktur aus Papier oder Pappe wird diese in der Regel bei dem Herstellungsprozess des Verbundbauteils mit dem Matrixmaterial, das in die Faserschicht eingebracht wird, durchsetzt und der Trägerstruktur dadurch eine Stabilität verliehen. Zudem kann die Stabilität durch eine Erhöhung der Anzahl der zwischen zwei faserverstärkten Schichten verlaufenden Stegen der Trägerstruktur positiv beeinflusst werden. Eine Verwendung eines Materials, wie Papier oder Pappe für die Trägerstruktur ist bei dem erfindungsgemäßen Verbundbauteil möglich, da die Trägerstruktur während des Herstellungsprozesses der faserverstärkten Schichten durch das in die Trägerstruktur eingebrachte Füllmittel unterstützt wird und so einem Druck auf die Trägerstruktur standhalten kann.The support structure can in the composite component according to the invention made of paper, cardboard or metal. In a support structure Made of paper or cardboard, this is usually in the manufacturing process of the composite component with the matrix material, which is in the fiber layer is introduced, interspersed and thereby lends the support structure a stability. In addition, the stability by an increase the number of passes between two fiber reinforced layers Webs of the support structure positively influenced. A use of a material, like Paper or cardboard for the support structure is in the composite component according to the invention possible, because the carrier structure during the manufacturing process the fiber reinforced Layers through the in the support structure introduced fillers supports and thus can withstand a pressure on the support structure.
Das Verbundbauteil weist vorzugsweise zwei faserverstärkte Schichten auf, die die Trägerstruktur zwischen sich einschließen. Dieser sandwichartige Aufbau des Verbundbauteils ist besonders bevorzugt. Durch diesen Aufbau können nämlich die Ober- und die Unterseite des Verbundbauteils die gleichen Eigenschaften aufweisen und dieses daher vielseitig eingesetzt werden.The Composite component preferably has two fiber-reinforced layers on which the support structure is between to lock myself in. This sandwich structure of the composite component is particularly preferred. Through this structure can namely the top and bottom of the composite component have the same characteristics have and therefore used this versatile.
Die mindestens eine faserverstärkte Schicht des Verbundbauteils wird vorzugsweise während des Injektionsverfahrens hergestellt und gleichzeitig mit der Trägerstruktur verbunden. Die Verbindung zwischen der Trägerstruktur kann bei dieser Ausführungsform daher durch das Matrixmaterial der faserverstärkten Schicht geschaffen werden.The at least one fiber reinforced Layer of the composite component is preferably during the injection process produced and simultaneously connected to the support structure. The Connection between the support structure can in this embodiment therefore be provided by the matrix material of the fiber reinforced layer.
Die Erfindung wird im Folgenden erneut unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren genauer beschrieben. Es zeigen:The Invention will be described again below with reference to the attached Figures described in more detail. Show it:
Das
in der
In
An
den Seiten des Verbundbauteils
Das
Verbundbauteil
Ein
möglicher
Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird nun unter Bezugnahme auf die
Auf
die Oberseite und die Unterseite der Trägerstruktur
Anschließend kann
der Schichtaufbau in ein Werkzeug eingelegt werden, dass die Form
des zu bildenden Verbundbauteils
Nachdem
das Füllmittel
ausgehärtet
ist und so die Hohlräume
der Trägerstruktur
Nachdem
die Faserschichten und gegebenenfalls die Trägerstruktur
In
der
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere kann die Form der Trägerstruktur von der gezeigten Faltwabenform mit V-fömigen Kanälen abweichen. Es ist beispielsweise möglich eine Faltwabenstruktur zu verwenden, bei der die Kanäle eine U-Form aufweisen. In diesem Fall stellt die Trägerstruktur beispielsweise ein Wellblech oder eine entsprechend geformte Lage aus Pappe oder Papier dar.The The present invention is not limited to the illustrated embodiments limited. In particular, the shape of the support structure of the shown Folded honeycomb form with V-shaped channels differ. For example, it is possible to have a folded honeycomb structure to use, where the channels have a U-shape. In this case, the support structure represents For example, a corrugated iron or a correspondingly shaped position made of cardboard or paper.
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