DE102008005970A1 - Fiber-reinforced composite components e.g. shaft, manufacturing method, involves heating applied windings in subsequent process, and exerting external pressure on windings in heated condition to consolidate to composite components - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundbauteils, insbesondere einer Welle, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein mit diesem Verfahren hergestelltes Verbundbauteil.The The present invention relates to a process for producing a fiber-reinforced composite component, in particular a shaft, according to the preamble of claim 1. Further The present invention relates to a manufactured by this method Composite component.
Zur
Herstellung von rotationssymmetrischen, endlosfaserverstärkten
Kunststoffbauteilen mit frei wählbarer, belastungsgerechter
Faserorientierung werden heutzutage vorteilhaft Wickelverfahren
eingesetzt. Dabei ist das so genannte Nasswickelverfahren (siehe
dazu beispielsweise
Ein
Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der
Als Fazit für den Stand der Technik bleibt daher festzuhalten, dass zurzeit kein Herstellungsverfahren existiert, mit dem eine wirtschaftliche Fertigung von qualitativ hochwertigen, endlosfaserverstärkten Wellen mit thermoplastischer Matrix möglich ist.When Conclusion for the state of the art therefore remains to be noted that there is currently no manufacturing process with which a economical production of high quality, continuous fiber reinforced Shafts with thermoplastic matrix is possible.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist daher die Angabe eines Verfahrens der eingangs genannten Art, mit dem eine wirtschaftliche Fertigung faserverstärkter Verbundbauteile möglich ist. Weiterhin soll ein Verbundbauteil der eingangs genannten Art geschaffen werden, das wirtschaftlich gefertigt werden kann und/oder effektiv gestaltet ist.The The problem underlying the present invention is therefore the Specification of a method of the type mentioned, with a economical production of fiber-reinforced composite components is possible. Furthermore, a composite component of the above be created type that are manufactured economically can and / or is designed effectively.
Dies wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie hinsichtlich des Verbundbauteils durch ein Verbundbauteil der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 16 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.This is with respect to the method by a method of mentioned type with the characterizing features of claim 1 as well as with regard to the composite component by a composite component of the type mentioned above with the characterizing features of Claim 16 reached. The subclaims relate to preferred embodiments the invention.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass in einem nachfolgenden Verfahrensschritt die aufgebrachten Wicklungen aufgeheizt werden und dass im aufgeheizten Zustand von außen Druck auf die Wicklungen ausgeübt wird, um diese zu dem Verbundbauteil zu konsolidieren. Dadurch wird der eigentliche Wickelvorgang von der weiteren Verarbeitung durch Aufheizen und Ausüben eines Drucks getrennt, so dass damit die pro Verbundbauteil beziehungsweise Welle aufzubringende Zykluszeit deutlich verkürzt werden kann. Denn die weiteren Verarbeitungsschritte können gleichzeitig bei einer größeren Anzahl von Bauteilen durchgeführt werden. Folglich ist lediglich der eigentliche Wickelvorgang für die Zykluszeit entscheidend. Da bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren die Faserverstärkung trocken und damit sehr schnell aufgewickelt werden kann, ist es möglich, die Zykluszeit sowie die Belegungszeit der Wickelvorrichtung pro Verbundbauteil gegenüber den konventionellen Verfahren erheblich zu reduzieren. Weiterhin liegt die erfindungsgemäße Innovation darin, dass die nach dem Wickeln vorzunehmenden Verarbeitungsschritte beispielsweise bei Verwendung einer automatischen Beheizungsvorrichtung sozusagen von selbst ohne Zuhilfenahme von Bedienpersonal ablaufen können.According to claim 1 is provided that in a subsequent process step the applied windings are heated and that in the heated External condition exerted pressure on the windings is to consolidate them to the composite component. This will the actual winding process of the further processing by heating and exerting a pressure separately, so that the pro Compound component or shaft applied cycle time clearly can be shortened. Because the further processing steps can be used simultaneously with a larger one Number of components to be performed. Consequently, it is only the actual winding process for the cycle time crucial. As in the production process according to the invention The fiber reinforcement is dry and thus wound up very quickly it is possible to calculate the cycle time as well as the occupancy time the winding device per composite component against the significantly reduce conventional procedures. Still lies the innovation of the invention is that the after winding to be carried out processing steps, for example when using an automatic heating device, so to speak can run by itself without the assistance of operating personnel.
Die Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind unter anderen:
- • Eine schnelle und wirtschaftliche Fertigung von endlosfaserverstärkten Wellen mit thermoplastischer Matrix;
- • die Möglichkeit des Einsatzes von kostengünstigen, thermoplastischen Matrixmaterialien;
- • eine „saubere" Fertigung (keine Emissionen, Verarbeitung reizbarer Stoffe, MAK...);
- • geringe Lagerhaltungskosten (keine Kühlung, Materialtrennung erforderlich, keine Luftreinigung/Abzugsanlagen erforderlich);
- • kürzere Zykluszeiten als beim Nass- oder Thermoplastwickelverfahren;
- • ein geringerer erforderlicher Personaleinsatz;
- • kürzere Belegungszeit der Wickelvorrichtung; sowie
- • die Möglichkeit der Herstellung von Wellen mit integrierter Krafteinleitung.
- • Fast and economical production of endless fiber reinforced shafts with thermoplastic matrix;
- The possibility of using low cost thermoplastic matrix materials;
- • "clean" production (no emissions, Processing irritable substances, MAK ...);
- • low storage costs (no cooling, material separation required, no air cleaning / exhaust systems required);
- • shorter cycle times than the wet or thermoplastic winding process;
- • less required staffing;
- • shorter laying time of the winding device; such as
- • the possibility of producing shafts with integrated force introduction.
Im Nachfolgenden werden Beispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und erfindungsgemäßer Verbundbauteile detailliert unter Bezugnahmen auf die beiliegenden Abbildungen beschrieben. Darin zeigenin the The following are examples of the invention Method and inventive composite components described in detail with references to the attached figures. Show in it
Die
Erfindung betrifft ein neues Fertigungsverfahren zur Herstellung
von endlosfaserverstärkten Wellen mit thermoplastischer
Matrix. Mit diesem Verfahren, dessen Fertigungsfolge schematisch
in
Im einem ersten Prozessschritt werden die so genannten Hybridfasern – bestehend aus einem Gemisch von kontinuierlichen Verstärkungsfasern und thermoplastischer Matrix – auf einen Wickelkern gewickelt. Die Fasern können exakt entsprechend der späteren Belastung des Bauteils abgelegt werden. Da die Hybridfasern trocken, das heißt ohne vorherige Imprägnierung durch ein Harzbad, aufgebracht werden, kann mit höheren Wickelgeschwindigkeiten als bei den oben beschriebenen Nasswickel- oder thermoplastischen Wickelverfahren gearbeitet werden. Unter Verwendung eines Ringfadenauges können somit hohe Masseneinträge innerhalb kurzer Zeit erzielt werden.in the a first process step, the so-called hybrid fibers - consisting from a mixture of continuous reinforcing fibers and thermoplastic matrix - wound on a winding core. The fibers can exactly match the later ones Load of the component are stored. Because the hybrid fibers are dry, that is without prior impregnation by a Resin bath, can be applied, with higher winding speeds as in the wet-wrap or thermoplastic described above Wrapping process to be worked. Using a ring thread eye Thus, high mass entries within a short time Time to be achieved.
Im einem zweiten Prozessschritt wird die Hybridfaserwicklung aufgeheizt, bis die thermoplastische Matrix aufgeschmolzen ist. Dabei kann die Erwärmung grundsätzlich von innen, von außen oder beidseitig erfolgen. Je nach verwendeter Konsolidierungsmethode (siehe nachfolgenden Prozessschritt) kann einerseits eine Erwärmung von innen beispielsweise durch einen beheizbaren Wickelkern vorteilhaft sein; gegebenenfalls unter langsamer Rotation der Welle, um das Bauteil möglichst unwuchtfrei herzustellen. Andererseits kann eine Erwärmung von außen sehr wirtschaftlich realisiert werden, indem beispielsweise in einem Umluftofen mit Zeitschaltuhr eine größere Anzahl von gewickelten Wellen (beispielsweise eine Tagesproduktion) gleichzeitig ohne Personaleinsatz über Nacht erwärmt wird.in the In a second process step, the hybrid fiber winding is heated, until the thermoplastic matrix has melted. It can the Warming basically from the inside, from the outside or on both sides. Depending on the consolidation method used (see the following process step), on the one hand, a heating from the inside, for example, by a heatable winding core advantageous be; if necessary with slow rotation of the shaft to the Manufacture component as unbalance-free. on the other hand can be a heating from the outside very economical be realized by, for example, in a convection oven with Timer a larger number of wound Waves (for example, a daily production) at the same time without personnel Night is heated.
Der eigentliche Imprägnier- und Verdichtungsvorgang erfolgt in einem dritten Prozessschritt. Während des Konsolidierens muss ein radial nach innen gerichteter Imprägnierdruck auf die Faserwicklung wirken. Diese wird dadurch verdichtet und alle Einzellagen werden derart zusammengedrückt, dass beim nachfolgenden Abkühlen und Erstarren der Matrix ein homogenes praktisch porenfreies Laminat beziehungsweise Faserverbundbauteil entsteht. Der dabei aufzubringende Imprägnierdruck kann über eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen erreicht werden:
- • Über einen Schrumpfschlauch oder eine aufgewickelte Schrumpffolie, die auf der Außenseite der Welle aufgebracht wird und bei der Erwärmung infolge Wärmeschrumpf den Konsolidierungsdruck bewirkt.
- • Über einen speziell ausgelegten Lagenaufbau. Der
Wärmeausdehnungskoeffizient der Faserwicklung in Umfangsrichtung
der Welle sinkt mit steigendem Wickelwinkel stark ab. Der Wickelwinkel
wird zwischen der axialen Richtung der Welle und der Aufbringrichtung
der Faser gemessen. In
2 ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der Faserwicklung in Umfangsrichtung der Welle in 1/°K·10–6 in Abhängigkeit von dem Wickelwinkel ω in ° jeweils dargestellt für Glasfasern mit einer Polypropylenmatrix und für Kohlefasern mit einer Polypropylenmatrix. Wenn nun die äußere Wicklung einen höheren Wickelwinkel aufweist als die innere Wicklung, wird bei der Erwärmung der gesamten Welle die innere Wicklung bestrebt sein, sich stärker auszudehnen als die äußere Wicklung. Dadurch stellt sich der Konsolidierungsdruck von selbst ein. Er kann näherungsweise mit der Berechnungstheorie eines elastischen, zweischichtigen, zylindrischen Pressverbandes berechnet werden und liegt bei einer Faserwicklung von ±15°, auf die eine dünne Umfangswicklung (= Wickelwinkel von 90°) aufgebracht wurde, zwischen 20–50 bar.3 zeigt für einen ersten Lagenaufbau, bei dem eine innere, 2 mm dicke Lage mit +/– 15° Wickelwinkel von einer 0,4 mm dicken Umfangswicklung umgeben ist, und für einen zweiten Lagenaufbau, bei dem eine innere, 2 mm dicke Lage mit +/– 15° Wickelwinkel von einer 0,2 mm dicken Umfangswicklung umgeben ist, den aus einer Erwärmung der Welle um 180°K resultierenden Imprägnierdruck in bar in Abhängigkeit von dem Innendurchmesser der Welle in mm. Das Material der Wicklung sind Kohlefasern in einer Polypropylenmatrix, wobei der Faservolumenanteil 50% beträgt. - • Über eine äußere Stahlkokille, die auf die kalte Welle geschoben wird. Da Stahl einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizient besitzt als die meisten faserverstärkten Kunststoffe, wird bei Erwärmung der Welle die Faserwicklung bestrebt sein, sich stärker auszudehnen als die sie umgebende Stahlkokille und dadurch wird der Konsolidierungsdruck erzeugt.
- • Über eine auf der Außenseite der Welle angebrachte Vakuumfolie, die evakuiert wird und infolge des Unterdruckes den Konsolidierungsdruck bewirkt.
- • Through a heat shrink tubing or wound shrink film applied to the outside of the shaft which causes consolidation pressure when heated as a result of heat shrinkage.
- • Over a specially designed layer structure. The thermal expansion coefficient of the fiber winding in the circumferential direction of the shaft drops sharply with increasing winding angle. The winding angle is measured between the axial direction of the shaft and the direction of application of the fiber. In
2 is the coefficient of thermal expansion of the fiber winding in the circumferential direction of the shaft in 1 / ° K · 10 -6 depending on the winding angle ω in ° each shown for glass fibers with a polypropylene matrix and for carbon fibers with a polypropylene matrix. Now, if the outer winding has a higher winding angle than the inner winding, the heating of the entire shaft, the inner winding will strive to expand more than the outer winding. As a result, the pressure to consolidate sets itself. It can be calculated approximately with the calculation theory of an elastic, two-layer, cylindrical interference fit and lies at a fiber winding of ± 15 °, to which a thin circumferential winding (= winding angle of 90 °) was applied, between 20-50 bar.3 shows for a first layer structure, in which an inner, 2 mm thick layer with +/- 15 ° winding angle of a 0.4 mm surrounded by a thick circumferential winding, and for a second layer structure in which an inner, 2 mm thick layer with +/- 15 ° winding angle is surrounded by a 0.2 mm thick circumferential winding, the resulting from heating the shaft by 180 ° K impregnating in bar depending on the inner diameter of the shaft in mm. The material of the winding are carbon fibers in a polypropylene matrix, wherein the fiber volume fraction is 50%. - • Over an outer steel mold, which is pushed onto the cold shaft. Since steel has a lower coefficient of thermal expansion than most fiber-reinforced plastics, when the shaft is heated, the fiber winding will tend to expand more than the surrounding steel mold, thereby creating the consolidation pressure.
- • Via a vacuum film on the outside of the shaft, which is evacuated and causes the consolidation pressure due to the negative pressure.
Der vierte und letzte Prozessschritt beinhaltet das Abkühlen und die Entnahme des nun fertigen Bauteils. Die Entformbarkeit der so hergestellten Wellen hängt vor allem von der Faserorientierung und der Bauteilgeometrie ab, kann aber durch die konstruktive Gestaltung des Wickelkernes (beispielsweise teilbarer oder mehrteiliger Kern) vereinfacht werden.Of the fourth and final process step involves cooling and the removal of the now finished component. The releasability of the so produced waves depends mainly on the fiber orientation and the component geometry, but can by the structural design the winding core (for example divisible or multipart core) be simplified.
Die Grundidee der Erfindung besteht zum einen darin, den eigentlichen Wickelvorgang (Prozessschritt 1) von der weiteren Verarbeitung (Prozessschritte 2–4) zu trennen und damit die pro Welle aufzubringende Zykluszeit deutlich zu verkürzen. Denn die letzten drei Verarbeitungsschritte können gleichzeitig bei einer größeren Anzahl von Bauteilen durchgeführt werden. Folglich ist lediglich der eigentliche Wickelvorgang für die Zykluszeit entscheidend. Da bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren die Faserverstärkung trocken und damit sehr schnell aufgewickelt werden kann, ist es möglich, die Zykluszeit sowie die Belegungszeit der Wickelvorrichtung pro Bauteil gegenüber den konventionellen Verfahren erheblich zu reduzieren.The The basic idea of the invention is, firstly, the actual Winding process (process step 1) of the further processing (process steps 2-4) and thus the per wave to be applied Cycle time significantly shorten. Because the last three Processing steps can be done simultaneously with a larger one Number of components to be performed. Consequently, it is only the actual winding process for the cycle time crucial. Since in the manufacturing method according to the invention the Fiber reinforcement dry and therefore wound up very quickly it is possible to calculate the cycle time as well as the occupancy time the winding device per component compared to the conventional Significantly reduce the process.
Zum anderen liegt die erfindungsgemäße Innovation darin, dass die restlichen Prozessschritte 2–4 bei Verwendung einer automatischen Beheizungsvorrichtung sozusagen von selbst ohne Zuhilfenahme von Bedienpersonal ablaufen. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn die dabei verwendeten Hilfsmittel zum Erzeugen des Imprägnierdruckes (Zusatzwicklung, Schrumpfschlauch oder dergleichen) als Bestandteil des Bauteiles verbleiben und spezielle dekorative und/oder mechanische Aufgaben übernehmen, beispielsweise eine eingefärbte Verschleißschutzschicht.To the Another is the invention innovation in that the remaining process steps 2-4 in use an automatic heating device so to speak by itself without With the help of operating staff. This is special advantageous if the tools used for generating the impregnation pressure (additional winding, heat shrink tubing or the like) remain as part of the component and special take over decorative and / or mechanical tasks, for example a colored wear protection layer.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine besonders wirtschaftliche Fertigung möglich, wenn ein ausreichend großer, mit Zeitschaltuhr ausgestatteter Ofen (Umluft-, Infrarot-, Induktionsofen oder dergleichen) eingesetzt wird. Mit einem derartigen Ofen können, ohne dass Personal benötigt wird, eine größere Anzahl von gewickelten Wellen gleichzeitig erwärmt, konsolidiert und anschließend abgekühlt werden. Je nach zu fertigender Stückzahl kann beispielsweise eine Tagesproduktion an gewickelten Wellen über Nacht oder eine Wochenproduktion über das Wochenende im Ofen die Prozessschritte 2–4 durchlaufen.at The method according to the invention is a particular economic production possible if sufficient large timer equipped with timer (convection, Infrared, induction furnace or the like) is used. With such a furnace can, without requiring personnel will, a larger number of wound waves simultaneously heated, consolidated and then be cooled. Depending on the quantity to be produced For example, can be a daily production of wound waves over Night or a weekly production over the weekend in Oven through the process steps 2-4.
Werden thermoplastische Kunststoffe als Matrixmaterial verwendet, die einem starken thermooxidativen Abbau unterliegen (beispielsweise PA oder PS), kann – falls erforderlich – der Ofen evakuiert oder mit Schutzgas gefüllt werden.Become thermoplastic materials used as a matrix material, the one subject to strong thermo-oxidative degradation (for example, PA or PS), if necessary, the furnace can be evacuated or filled with inert gas.
Die Herstellung von endlosfaserverstärkten, gewickelten Wellen mit thermoplastischer Matrix ist in unterschiedlichen Bauweisen möglich:
- • So können
beispielsweise außer einer rohrförmigen Querschnittform
weitere konvexe Profile gefertigt werden, wie beispielsweise quadratische, rechteckförmige,
dreieckige, polygonförmige, elliptische Profile oder dergleichen
(siehe
4 ). Da es sich um thermoplastische Faserverbundbauteile handelt, ist außerdem ein nachträgliches Umformen und Verschweißen der Bauteile möglich, wodurch eine große Anzahl weiterer Profile herstellbar wird. - • Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
können Wellen (Antriebs-, Gelenk- oder Torsionswellen)
mit bereits integrierter Krafteinleitung hergestellt werden, indem
die Faserwicklung auf Wickelkerne mit abschnittsweise unterschiedlicher
Querschnittsform gewickelt wird. Solche Wickelkerne können
zwecks besserer Entformbarkeit teilbar sein oder aus Einzelsegmenten
bestehen, die gesteckt, geschraubt oder auf ähnliche Weise
mit einander verbunden werden.
5 zeigt einen Wickelkern, der einen mittleren Abschnitt1 mit kreisförmigem Querschnitt und zwei endseitige Abschnitte2 ,3 aufweist, wobei der in5 vordere Abschnitt2 einen quadratischen Querschnitt und der in5 hintere Abschnitt3 einen sechseckigen Querschnitt aufweist. - • Für die Herstellung von Antriebswellen ist
das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet.
Antriebswellen werden im Allgemeinen mit einem niedrigen Wickelwinkel
zwischen 8° und 15° gefertigt, um die auftretenden
Biegeschwingungen zu ertragen. Infolge der sehr dünnen
Wanddicken sind solche Antriebswellen allerdings empfindlich gegenüber
Torsionsbeulen. Das Auftreten von Torsionsbeulen wiederum kann durch
Aufbringen einer dünnen, äußeren Umfangswicklung vermieden
werden. Mit einem derartigen Aufbau der Faserwicklung (innen niedriger
Wickelwinkel, außen Umfangswicklung) stellt sich der Konsolidierungsdruck – wie
in
3 bereits gezeigt – beim Erwärmen der Welle von selbst ein. Bei zusätzlicher Verwendung eines Schrumpfschlauches, der aus gleichem Material wie die Matrix oder einem mit der Matrix mischbaren Material besteht (beispielsweise Matrix aus PP und Schrumpfschlauch aus strahlungsvernetztem PP), kann die Antriebswelle mit einer dekorativen, einfärbbaren Außenschicht versehen werden, die gleichzeitig auch als Schlagschutz- und/oder chemische Schutzschicht fungiert.
- Thus, for example, in addition to a tubular cross-sectional shape further convex profiles can be made, such as square, rectangular, triangular, polygonal, elliptical profiles or the like (see
4 ). Since it is thermoplastic fiber composite components, a subsequent forming and welding of the components is also possible, whereby a large number of other profiles can be produced. - With the production method according to the invention, shafts (drive, joint or torsion shafts) with an already integrated introduction of force can be produced by winding the fiber winding on hubs with sections of different cross-sectional shape. Such winding cores may be divisible for the purpose of better demoldability or consist of individual segments which are inserted, screwed or connected in a similar manner with each other.
5 shows a winding core having a central portion1 with a circular cross section and two end sections2 .3 having, in5 front section2 a square cross section and the in5 rear section3 has a hexagonal cross-section. - The method according to the invention is particularly suitable for the production of drive shafts. Drive shafts are generally manufactured with a low winding angle between 8 ° and 15 ° in order to endure the bending vibrations that occur. Due to the very thin wall thicknesses, however, such drive shafts are sensitive to torsion buckles. The occurrence of torsion bumps in turn can be avoided by applying a thin, outer peripheral winding. With such a structure the fiber winding (inside low winding angle, outside circumferential winding) raises the consolidation pressure - as in
3 already shown - when heating the shaft by itself. With additional use of a shrink tube, which consists of the same material as the matrix or a miscible with the matrix material (for example matrix of PP and shrink tube of radiation crosslinked PP), the drive shaft can be provided with a decorative, dyeable outer layer, which also as impact protection - and / or chemical protective layer acts.
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- - DE 69420688 T2 [0003] - DE 69420688 T2 [0003]
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