DE102008029518B4 - Process for the production of fiber composite components and fiber composite components - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, wobei eine Vorform unter Verwendung von ein duroplastisches Matrixharz aufweisender, nicht formstabiler Halbzeuge und mindestens eines formstabilen Halbzeugs, das mit den nicht formstabilen Halbzeugen belegt wird, ausgebildet wird, wobei das duroplastische Matrixharz unter Einwirkung von Druck und Temperatur ausgehärtet wird, wodurch das formstabile Halbzeug dauerhaft in das Faserverbundbauteil eingebunden wird, und wobei das formstabile Halbzeug (6) eine Matrix aus thermoplastischem Kunststoff aufweist, die an ihrer mit den nicht formstabilen Halbzeugen belegten Oberfläche von dem duroplastischen Matrixharz angelöst wird, so dass sich eine Harzmischzone ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht formstabilen Halbzeuge (4, 5), mit denen das formstabile Halbzeug belegt wird, Faserpreforms umfassen und dass die Faserpreforms über mindestens einen in dem formstabilen Halbzeug (6) ausgebildeten Injektionskanal (9) mit duroplastischem Matrixharz infiltrieren werden.A process for producing a fiber composite component, wherein a preform is formed using semi-finished products which have a thermosetting matrix resin and are not dimensionally stable and at least one dimensionally stable semi-finished product which is coated with the semi-finished products which are not dimensionally stable, the thermosetting matrix resin being cured under the action of pressure and temperature , whereby the dimensionally stable semifinished product is permanently integrated into the fiber composite component, and wherein the dimensionally stable semifinished product (6) has a matrix made of thermoplastic material, which is dissolved on its surface covered with the non-dimensionally stable semifinished product by the thermosetting matrix resin, so that a resin mixing zone is formed , characterized in that the non-dimensionally stable semi-finished products (4, 5) with which the dimensionally stable semi-finished product is coated comprise fiber preforms and that the fiber preforms with duropla via at least one injection channel (9) formed in the dimensionally stable semi-finished product (6) infiltrate static matrix resin.
Description
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und auf ein nach einem solchen Verfahren herstellbares Faserverbundbauteil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 11.The invention relates to a method for producing a fiber composite component with the features of the preamble of
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Komplexe und integral gefertigte Faserverbundbauteile benötigen für die Phasen der Herstellung bis zum Zeitpunkt der Matrixaushärtung Stützung, um die gewünschte Form aufrecht zu erhalten. Dies gilt im besonderen Maße bei Faserverbundbauteilen, die eine durch mindestens eine abstehende Versteifungsrippe ausgesteifte Schale aufweisen. Die Schale selbst kann durch ein untenliegendes, eine Kontur der Schale vorgebendes Formwerkzeug in ihrer Form stabilisiert werden. Zur Stabilisierung der Form der abstehenden Versteifungsrippen sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Diese können nur bei Faserverbundbauteilen mit Schaumkernen entfallen, wie beispielsweise bei so genannten Hutstringern als Versteifungsrippen. Die die Innenkonturen der Hutstringer vorgebenden Schaumkerne können als stabilisierendes Element in den Faserverbundbauteilen verbleiben. Bei Faserverbundbauteilen, bei denen eine Schale durch schlanke abstehende Versteifungsrippen, wie beispielsweise so genannte L-, C- oder T-Stringer, versteift werden soll, ist der Einsatz von Schaumkernen nicht sinnvoll möglich. Hier werden meistens metallische Formwerkzeuge zur Abstützung der Vorform des Faserverbundbauteils im Bereich der Versteifungsrippen verwendet, die nach Matrixaushärtung entfernt werden. Für die Verwendung bei der Herstellung des nächsten gleichen Faserverbundbauteils müssen die Formwerkzeuge gereinigt und ggf. zwischengelagert werden.Complex and integrally fabricated fiber composite components require support for the stages of manufacture until the time of matrix cure to maintain the desired shape. This applies in particular to fiber composite components which have a shell stiffened by at least one protruding stiffening rib. The shell itself can be stabilized in its shape by a bottom, a contour of the shell predetermining mold. To stabilize the shape of the protruding stiffening ribs additional measures are required. These can be omitted only with fiber composite components with foam cores, such as in so-called Hutstringern as stiffening ribs. The foam cores which predetermine the inner contours of the hat stringers can remain as a stabilizing element in the fiber composite components. In fiber composite components, in which a shell is to be stiffened by slender protruding stiffening ribs, such as so-called L-, C- or T-stringer, the use of foam cores is not meaningfully possible. Here, metallic forming tools are mostly used to support the preform of the fiber composite component in the region of the stiffening ribs, which are removed after matrix curing. For use in the production of the next same fiber composite component, the molds must be cleaned and possibly stored.
Ebenso müssen bei komplexen Injektionsstrategien zum Injizieren von Matrixharz in Faserpreforms, die als nicht formstabile Halbzeuge bei der Herstellung von Faserbundbauteilen verwendet werden, Injektionskanäle in den Formwerkzeugen angelegt und nach der Injektion gereinigt werden.Similarly, in complex injection strategies for injecting matrix resin into fiber preforms used as non-rigid semi-finished products in the manufacture of fiber composite components, injection channels must be created in the molds and cleaned after injection.
Aus der
Zur dauerhaften Verbindung zwischen thermoplastischen und duroplastischen Harzen lehrt die
Ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und ein Faserverbundbauteil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 11 sind aus der
Auch aus der
Ein weiteres Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und ein Faserverbundbauteil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 11 sind aus der
AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aufzuzeigen, das mit weniger Aufwand in Bezug auf die zu verwendenden Formwerkzeuge auskommt. Weiterhin soll ein entsprechend mit geringerem Formwerkzeugaufwand herstellbares Faserverbundbauteil aufgezeigt werden.The invention has for its object to provide a method for producing a Fiber composite component show that manages with less effort in relation to the molds to be used. Furthermore, it is intended to show a fiber composite component that can be produced with correspondingly lower tooling costs.
LÖSUNGSOLUTION
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und ein Faserverbundbauteil mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 10 definiert, während die abhängigen Patentansprüche 12 bis 18 bevorzugte Ausführungsformen des neuen Faserverbundbauteils betreffen.The object of the invention is achieved by a method having the features of
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION
Bei dem neuen Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, bei dem eine Vorform unter Verwendung nicht formstabiler Halbzeuge und mindestens eines formstabilen Halbzeugs, das mit den ein duroplastisches Matrixharz aufweisenden, nicht formstabilen Halbzeugen belegt wird, ausgebildet wird und wobei das duroplastische Matrixharz unter Einwirkung von Druck und Temperatur ausgehärtet wird, wodurch das formstabile Halbzeug dauerhaft in das Faserverbundbauteil eingebunden wird, weist das formstabile Halbzeug eine Matrix aus thermoplastischem Kunststoff auf, die an ihrer mit den nicht formstabilen Halbzeugen belegten Oberfläche von dem duroplastischen Matrixharz angelöst wird, so dass sich eine Harzmischzone ausbildet. Aus thermoplastischem Kunststoff lassen sich vergleichsweise dünne, aber doch bis in höhere Temperaturen hinein formstabile Halbzeuge ausbilden, die sich beim Aushärten des duroplastischen Matrixharzes der Vorform dauerhaft in das hergestellt werdende Faserverbundbauteil integrieren. Dazu sind der thermoplastische Kunststoff an der mit den nicht formstabilen Vorformen belegten Oberfläche des formstabilen Halbzeugs und das duroplastische Matrixharz der Vorform so aufeinander abzustimmen, dass der thermoplastische Kunststoff von dem duroplastischen Matrixharz unter Einwirkung der zur Aushärtung des duroplastischen Matrixharzes eingesetzten Temperatur so angelöst wird, dass sich eine Harzmischzone ausbildet. Dabei kann sich diese Mischzone zwischen einem nur an der Oberfläche des formstabilen Halbzeugs vorgesehenen thermoplastischen Kunststoff und dem duroplastischen Matrixharz ausbilden, wobei dieser thermoplastische Kunststoff mit einem anderen thermoplastischen Kunststoff im Kern des formstabilen Halbzeugs dauerhaft verbunden ist, das dem formstabilen Halbzeug seine Formstabilität verleiht. Durch die Verwendung des formstabilen Halbzeugs werden typischerweise nicht alle, aber wird zumindest ein Teil der zur Herstellung eines Faserverbundbauteils normalerweise üblichen Formwerkzeuge entbehrlich.In the new process for producing a fiber composite component, in which a preform is formed using non-dimensionally stable semi-finished products and at least one dimensionally stable semifinished product, which is coated with the thermosetting matrix resin having non-dimensionally stable semi-finished, is formed and wherein the thermosetting matrix resin under the action of pressure and Temperature is cured, whereby the dimensionally stable semifinished product is permanently integrated into the fiber composite component, the dimensionally stable semifinished product on a matrix of thermoplastic material which is solubilized on its occupied with the non-dimensionally stable semi-finished surface of the thermosetting matrix resin, so that forms a resin mixing zone. Thermoplastic material makes it possible to form dimensionally stable semi-finished products that are dimensionally stable but even up to higher temperatures and that permanently integrate into the fiber composite component that is being produced when the thermosetting matrix resin of the preform is cured. For this purpose, the thermoplastic on the coated with the non-dimensionally stable preforms surface of the dimensionally stable semifinished product and the thermosetting matrix resin of the preform to match so that the thermoplastic resin is dissolved by the thermosetting matrix resin under the action of curing the thermosetting matrix resin temperature so that a resin mixing zone is formed. In this case, this mixing zone can form between a provided only on the surface of the dimensionally stable semi-finished thermoplastic and the thermosetting matrix resin, said thermoplastic material is permanently bonded to another thermoplastic material in the core of the dimensionally stable semi-finished, which gives the dimensionally stable semi-finished product its dimensional stability. By using the dimensionally stable semifinished product, not all are typically dispensed with, but at least some of the molds normally used for producing a fiber composite component are dispensable.
Erfindungsgemäß umfassen die nicht formstabilen Halbzeuge, mit denen das formstabile Halbzeug belegt wird, Faserpreforms, und diese Faserpreforms werden über mindestens einen in dem formstabilen Halbzeug ausgebildeten Injektionskanal mit duroplastischem Matrixharz infiltriert. Der mit duroplastischem Matrixharz verfüllte Injektionskanal wird dabei Teil des fertigen Faserverbundbauteils.According to the invention, the non-dimensionally stable semi-finished products, with which the dimensionally stable semifinished product is coated, comprise fiber preforms, and these fiber preforms are infiltrated with duroplastic matrix resin via at least one injection channel formed in the dimensionally stable semifinished product. The filled with duroplastic matrix resin injection channel is part of the finished fiber composite component.
Zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, das eine durch mindestens eine abstehende Versteifungsrippe ausgesteifte Schale aufweist, wird die Vorform vorzugsweise auf einem einseitigen, eine äußere Kontur der Schale vorgebenden Formzeug ausgebildet und im Bereich der Versteifungsrippe durch das formstabile Halbzeug stabilisiert. Aufgrund der Materialeigenschaften bekannter thermoplastischer Kunststoffe ist diese Stabilisierung mit geringen Querschnitten des formstabilen Werkzeugs möglich, die den Aufbau des fertigen Faserverbundbauteils nicht beeinträchtigen.In order to produce a fiber composite component which has a shell stiffened by at least one protruding stiffening rib, the preform is preferably formed on a one-sided, an outer contour of the shell predetermining mold and stabilized in the region of the stiffening rib by the dimensionally stable semifinished product. Due to the material properties of known thermoplastics this stabilization is possible with small cross sections of the dimensionally stable tool, which do not affect the structure of the finished fiber composite component.
Unter dem thermoplastischen Kunststoff des formstabilen Halbzeugs ist insbesondere ein amorph thermoplastischer Kunststoff zu verstehen. In diesen Kunststoff können Verstärkungsfasern eingebettet sein. Vorzugsweise stehen diese Verstärkungsfasern dann aus der Matrix des formstabilen Halbzeugs heraus, so dass sie teilweise auch in das duroplastische Matrixharz eingebettet werden und so die Harzmischzone stabilisieren.The thermoplastic material of the dimensionally stable semi-finished product is to be understood in particular as an amorphous thermoplastic. In this plastic reinforcing fibers can be embedded. Preferably, these reinforcing fibers then stand out of the matrix of the dimensionally stable semifinished product, so that they are partially embedded in the thermosetting matrix resin and thus stabilize the resin mixing zone.
Das formstabile Halbzeug kann nach dem Prinzip eines Baukastens aus mehreren einzelnen formstabilen Teilen zusammengesetzt werden, insbesondere wenn räumlich komplexe und gleichzeitig variierende Strukturen formstabilisiert werden sollen.The dimensionally stable semi-finished product can be assembled according to the principle of a modular construction of several individual dimensionally stable parts, especially when spatially complex and simultaneously varying structures to be dimensionally stabilized.
Mit dem formstabilen Halbzeug können auch Hohlräume zwischen gegenläufig gebogenen nicht formstabilen Halbzeugen gefüllt werden. Das formstabile Halbzeug stellt so beispielsweise sogenannte ”Zwickel” zum definierten Ausfüllen von potentiellen Hohlräumen in Faserverbundbauteilen bereit.With the dimensionally stable semi-finished product, it is also possible to fill cavities between counter-curved non-dimensionally stable semi-finished products. The dimensionally stable semifinished product thus provides, for example, so-called "gussets" for the defined filling of potential cavities in fiber composite components.
Besonders günstig ist es, wenn der thermoplastische Kunststoff der Matrix des formstabilen Halbzeugs seine Formstabilität über die Temperatur hinaus behält, die typischerweise zum Aushärten duroplastischer Matrixharze angewandt wird. Vorzugsweise liegt die Erweichungstemperatur, d. h. insbesondere die Glasübergangstemperatur des thermoplastischen Kunststoffs über der Aushärtungstemperatur des duroplastischen Matrixharzes. Derartige thermoplastische Kunststoffe sind dem Fachmann als Hochtemperaturthermoplaste bekannt. Hierzu zählen zum Beispiels PEEK, PEI und PSU.It is particularly advantageous if the thermoplastic of the matrix of the dimensionally stable semifinished product retains its dimensional stability beyond the temperature which is typically used for curing thermosetting matrix resins. Preferably, the softening temperature, d. H. in particular the glass transition temperature of the thermoplastic over the curing temperature of the thermosetting matrix resin. Such thermoplastics are known in the art as Hochtemperaturthermoplaste. These include, for example, PEEK, PEI and PSU.
Zur Ausbildung der Harzmischzone mit dem duroplastischen Matrixharz muss der thermoplastische Kunststoff der Matrix des formstabilen Halbzeugs an der mit den nicht formstabilen Vorformen belegten Oberfläche eine gewisse Löslichkeit in dem duroplastischen Matrixharz aufweisen. Diese ist bei amorphen Hochtemperaturthermoplasten wie PEI und PSU gegeben. To form the resin mixing zone with the thermosetting matrix resin, the thermoplastic of the matrix of the dimensionally stable semifinished product must have a certain solubility in the thermosetting matrix resin on the surface which is coated with the non-dimensionally stable preforms. This is given in amorphous high temperature thermoplastics such as PEI and PSU.
Zum Ausgleich der bei diesen Materialen teilweise nicht gegebenen Lösungsmittelbeständigkeit, kann der thermoplastische Kunststoff der Matrix des formstabilen Halbzeugs dort, wo es an der Oberfläche des Faserverbundbauteils freiliegt, mit einer lösungsmittelbeständigen Versiegelung abgedeckt werden. Dies gilt insbesondere im Bereich angefräster Kanten des Faserverbundbauteils. Alternativ wird der thermoplastische Kunststoff der Matrix hier aus einem zumindest teilkristallinen Hochtemperaturthermoplasten ausgebildet, der als solcher lösungsmittelbeständig ist.To compensate for the solvent resistance in some cases not given in these materials, the thermoplastic of the matrix of the dimensionally stable semifinished product, where it is exposed on the surface of the fiber composite component, be covered with a solvent-resistant seal. This applies in particular in the area of milled edges of the fiber composite component. Alternatively, the thermoplastic of the matrix is formed here from an at least partially crystalline high-temperature thermoplastic, which is solvent resistant as such.
Um die Matrix des formstabilen Halbzeugs einerseits aus einem amorphen Hochtemperaturthermoplast und andererseits einem zumindest teilkristallinen Hochtemperaturthermoplast auszubilden, kann sie aus diesen Materialien, die sich zwar unterschiedlich gut mit duroplastischem Harz verbinden lassen, aber untereinander gut verbindbar sind, coextrudiert werden.In order to form the matrix of the dimensionally stable semifinished product, on the one hand, from an amorphous high-temperature thermoplastic and, on the other hand, an at least partially crystalline high-temperature thermoplastic, it can be coextruded from these materials, which can be mixed with duroplastic resin to different degrees, but are readily bondable to one another.
Die Herstellung eines Faserverbundbauteils nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist an dem Faserverbundbauteil selbst dadurch zu erkennen, dass seine Matrix mindestens einen ganz oder zumindest teilweise eingeschlossenen Bereich aus einem thermoplastischen Kunststoff und angrenzende Bereiche aus einem duroplastischen Matrixharz aufweist, wobei zwischen diesen Bereichen eine Harzmischzone vorliegt, und dass der Bereich der Matrix aus dem thermoplastischen Kunststoff unter Berücksichtigung des thermoplastischen Kunststoffs selbst so dimensioniert ist, dass er als solcher formstabil ist.The production of a fiber composite component according to the method according to the invention can be seen on the fiber composite component itself in that its matrix has at least one completely or at least partially enclosed area of a thermoplastic and adjacent areas of a thermosetting matrix resin, wherein between these areas a resin mixing zone is present, and that the area of the matrix of the thermoplastic material, taking into account the thermoplastic material itself, is dimensioned such that it is dimensionally stable as such.
Der Bereich der Matrix aus dem thermoplastischen Kunststoff weist mindestens einen mit ausgehärtetem duroplastischem Matrixharz erfüllten Injektionskanal auf. In einem konkreten Ausführungsbeispiel weist das Faserverbundbauteil eine durch mindestens eine abstehende Versteifungsrippe ausgesteifte Schale auf, wobei der Bereich der Matrix aus dem thermoplastischen Kunststoff längs der neutralen Faser der Versteifungsrippe verläuft. Hier ist die mechanische Belastung der Versteifungsrippe am geringsten, so dass sich jedwede Schwächung ihres Aufbaus aufgrund des integrierten Bereichs der Matrix aus dem thermoplastischen Kunststoff am geringsten auswirkt. Grundsätzlich kann der Integrierte Bereich der Matrix aus dem thermoplastischen Kunststoff auch tragende Funktion aufweisen, insbesondere bei geeigneter Anordnung seiner Verstärkungsfasern. So werden Gewichtsnachteile aufgrund der Matrix aus dem thermoplastischen Kunststoff vermieden.The region of the matrix made of the thermoplastic material has at least one injection channel filled with cured thermosetting matrix resin. In a specific exemplary embodiment, the fiber composite component has a shell stiffened by at least one protruding stiffening rib, the region of the matrix of the thermoplastic material running along the neutral fiber of the stiffening rib. Here, the mechanical stress of the stiffening rib is the lowest, so that any weakening of its structure due to the integrated area of the matrix of the thermoplastic material has the least effect. In principle, the integrated region of the matrix of the thermoplastic material can also have a supporting function, in particular with a suitable arrangement of its reinforcing fibers. Thus weight disadvantages due to the matrix of the thermoplastic material are avoided.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele des neuen Faserverbundbauteils sind bereits durch das Verfahren zu seiner Herstellung erläutert worden.Further preferred embodiments of the new fiber composite component have already been explained by the method for its production.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.Advantageous developments of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the introduction to the description are merely exemplary and can come into effect alternatively or cumulatively, without the advantages having to be achieved by embodiments according to the invention. Further features are the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components to each other and their relative arrangement and operative connection - refer. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different claims is also possible deviating from the chosen relationships of the claims and is hereby stimulated. This also applies to those features which are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different claims. Likewise, in the claims listed features for further embodiments of the invention can be omitted.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von konkreten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.The invention will be explained in more detail below with reference to concrete embodiments with reference to the accompanying drawings and described.
FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES
Alle
In
Die Versteifungsrippe
Das formstabile Halbzeug
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorformpreform
- 22
- Formwerkzeugmold
- 33
- HalbzeugWorkpiece
- 44
- HalbzeugWorkpiece
- 55
- HalbzeugWorkpiece
- 66
- HalbzeugWorkpiece
- 77
- SchaleBowl
- 88th
- Versteifungsrippestiffening rib
- 99
- Injektionskanalinjection channel
- 1010
- Injektionslochinjection hole
- 1111
- Versiegelungsealing
- 1212
- T-StringerT-stringer
- 1313
- Zwickelgore
- 1414
- Krümmungcurvature
- 1515
- Krümmungcurvature
- 1616
- Grundelementbasic element
- 1717
- Anbauteilattachment
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