DE102010054933A1 - Device, useful for producing complex three-dimensionally shaped fiber reinforced preform from two-dimensional planar fiber assembly, comprises molding tool with mold contour which maps the complex-dimensional shape of preform - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Preforms, die zur Darstellung von faserverstärkten Faserverbundkunststoff-Bauteilen vorgesehen sind.The invention relates to an apparatus and a method for producing fiber-reinforced preforms, which are provided for the representation of fiber-reinforced fiber composite plastic components.
Das Drapieren von zweidimensionalen Geweben in komplexe dreidimensionale Formen wird bisher weitestgehend von Hand durchgeführt. Ein automatisiertes Konzept bietet das Vakuumverfahren: Hierbei werden die Fasermatten auf die abzubildende Form und auf die Fasermatten wird eine Gummimatte gelegt. Der Raum zwischen Form und Gummimatte wird evakuiert und die Fasermatten somit an die Form angelegt. Mit Hilfe solcher Vakuumverfahren können bis dato nur dreidimensionale Formen mit einfachen Geometrien abgebildet werden.The draping of two-dimensional fabrics into complex three-dimensional shapes has heretofore been largely done by hand. An automated concept is offered by the vacuum process: Here, the fiber mats are placed on the shape to be imaged and on the fiber mats a rubber mat. The space between the mold and rubber mat is evacuated and the fiber mats are thus applied to the mold. With the help of such vacuum methods, only three-dimensional shapes with simple geometries can be mapped so far.
Auch die
Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich die Aufgabe, eine optimierte, einfach ausgebildete Vorrichtung zum vollautomatischen Herstellen einer komplexdreidimensional geformten faserverstärkten Preform mit hoher Konturtreue aus einer zweidimensionalen flächigen Faseranordnung bereitzustellen.Based on this prior art, the object is to provide an optimized, easily formed device for the fully automatic production of a complex three-dimensionally shaped fiber-reinforced preform with high contour accuracy from a two-dimensional planar fiber arrangement.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a device having the features of
Die Aufgabe der Schaffung eines vollautomatischen Verfahrens, mit dem faserverstärkte Preformen reproduzierbar und konturgetreu hergestellt werden können, wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.The object of the creation of a fully automatic method, with which fiber-reinforced preforms can be produced reproducibly and contour-true, is achieved by a method having the features of claim 7.
Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.Further developments of the device and the method are carried out in the respective subclaims.
In einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird aus einer zweidimensionalen flächigen Faseranordnung eine komplex dreidimensional geformte, faserverstärkte Preform mittels einer Vorrichtung hergestellt, die ein Formwerkzeug aufweist, die eine Formkontur zeigt, die die komplex-dreidimensionale Form der Preform abbildet. Weiter weist die Vorrichtung eine automatisiert führbare Handhabungsvorrichtung für die Faseranordnung auf, wobei die zweidimensionale flächige Faseranordnung mittels der Handhabungsvorrichtung über der Formkontur in dem Formwerkzeug positioniert werden kann. Ferner umfasst die Vorrichtung ein Oberwerkzeug, das eine Gegenformkontur aufweist, die zur Formkontur des Formwerkzeugs komplementär ausgebildet ist. Das Oberwerkzeug ist dabei an der Handhabungsvorrichtung angeordnet.In a first embodiment of the device of the present invention, a complex three-dimensionally shaped, fiber-reinforced preform is produced from a two-dimensional planar fiber arrangement by means of a device which has a molding tool which displays a molding contour which images the complex three-dimensional shape of the preform. Furthermore, the device has an automated, feasible handling device for the fiber arrangement, wherein the two-dimensional planar fiber arrangement can be positioned by means of the handling device over the mold contour in the molding tool. Furthermore, the device comprises an upper tool, which has a Gegenformkontur, which is complementary to the shape contour of the mold. The upper tool is arranged on the handling device.
Erfindungsgemäß weist nun die Handhabungsvorrichtung Vorspannmittel auf, mit der die Faseranordnung gegen die Gegenformkontur des Oberwerkzeugs gespannt und damit vorgeformt werden kann, wobei die Vorrichtung zusätzlich Schüttgut und eine Schüttgut-Zufuhreinrichtung aufweist, die eine oder mehrere Auslassöffnungen in dem Oberwerkzeug umfasst. Wenn die Faseranordnung über der Formkontur des Formwerkzeugs positioniert ist, kann die Auslassöffnung oder können die Auslassöffnungen in dem Oberwerkzeug mittels einer die Zufuhreinrichtung steuernden Betätigungsreinrichtung geöffnet werden, um die Faseranordnung zur Einformung gemäß der Formkontur mit dem Schüttgut zu befüllen. Durch die gesteuerte Betätigung der Auslassöffnungen wird die in dem Formwerkzeug angeordnete Faseranordnung ausgehend von einem tiefsten Punkt der Formkontur stetig ansteigend mit dem Schüttgut befüllt.According to the invention, the handling device now has pretensioning means with which the fiber arrangement can be stretched and preformed against the counterform contour of the upper tool, wherein the apparatus additionally comprises bulk material and a bulk material feed device which comprises one or more outlet openings in the upper tool. When the fiber assembly is positioned over the mold contour of the mold, the outlet opening or openings in the upper tool can be opened by means of an actuator controlling the feeder to fill the fiber assembly with the bulk material for molding according to the mold contour. As a result of the controlled actuation of the outlet openings, the fiber arrangement arranged in the molding tool is filled with the bulk material in a steadily increasing manner starting from a lowest point of the mold contour.
Vorteilhaft weist die Zufuhreinrichtung für das Schüttgut eine Mehrzahl an Auslassöffnungen in dem Oberwerkzeug auf, die über die Gegenkontur verteilt vorliegen, und die von der Betätigungseinrichtung einzeln angesteuert und betätigt werden können, um eine geführte Einformung der Faseranordnung an die Formkontur zu ermöglichen.Advantageously, the feed device for the bulk material has a plurality of outlet openings in the upper tool, which are distributed over the mating contour, and which can be actuated and actuated individually by the actuating device in order to allow a guided molding of the fiber arrangement to the mold contour.
Dazu werden die einzelnen Auslassöffnungen in Abhängigkeit von einer zugeführten Schüttgutmenge und in Abhängigkeit ihrer Position an der Gegenkontur gesteuert, um die Faseranordnung ausgehend von einem tiefsten Punkt der Formkontur stetig ansteigend zu befüllen. Hierzu muss zunächst eine erste Öffnung an einem tiefsten Punkt der Gegenkontur des Oberwerkzeugs geöffnet werden, um dort das Schüttgut austreten zu lassen, und im weiteren Verlauf des Befüllvorgangs weitere Auslassöffnungen an anderen, höher liegenden Stellen der Gegenkontur des Oberwerkzeugs geöffnet werden, um die Faseranordnung vollständig mit Schüttgut zu befüllen und so die Einformung an die Formkontur des Formwerkzeugs bereitzustellen.For this purpose, the individual outlet openings are controlled as a function of a supplied bulk material quantity and as a function of their position on the mating contour in order to fill the fiber arrangement starting from a lowest point of the mold contour in a steadily increasing manner. For this purpose, first a first opening at a lowest point of Opposite contour of the upper tool are opened to allow the bulk material to emerge there, and further outlet openings are opened at other, higher places of the mating contour of the upper tool in the further course of the filling to completely fill the fiber assembly with bulk material and so the molding of the mold contour of the mold.
Dadurch, dass die Spannungsmittel der Handhabungsvorrichtung die Fasermatte unter Spannung halten, wird Faltenwurf beim Befüllen mit dem Schüttgut verhindert, weiter ist vorgesehen, dass die Handhabungsvorrichtung Mittel zum Nachführen der Faseranordnung aufweist, um die mit der Betätigungsreinrichtung gekoppelt ist und somit in Abhängigkeit einer zugeführten Schüttgutmenge betätigt werden kann, damit die unter Spannung gehaltene Faseranordnung sich dem Konturverlauf während des weiteren Befüllens anpassen kann.Due to the fact that the tensioning means of the handling device hold the fiber mat under tension, wrinkling during filling with the bulk material is prevented, it is further provided that the handling device has means for tracking the fiber arrangement, which is coupled to the actuating device and thus in dependence on a supplied bulk material quantity can be actuated so that the held under tension fiber assembly can adapt to the contour during further filling.
Bei dem Schüttgut kann es sich um näherungsweise kugelförmige Körper handeln. Vorzugsweise werden Kugeln verwendet, die eine gleichmäßige Belegung der Faseranordnungsoberfläche entsprechend der Formkontur ermöglichen und in dichtester Kugelpackung eine Gesamtgewicht bereitstellen, das die Faseranordnung in dem Formwerkzeug fixiert. Größe und/oder Gewicht der Schüttgutpartikel, insbesondere der Kugeln, kann entsprechend der Komplexität der Formkontur gewählt werden. Je kleiner die Kugeln desto höher die Formtreue und desto komplexere Strukturen sind möglich. Das Gewicht der Kugeln ist beispielsweise in Abhängigkeit der Art der Faseranordnung wählbar, die eingeformt in dem Formwerkzeug fixiert werden soll. Je steifer und schwerer die Faseranordnung, desto größer das benötigte Gewicht des Schüttguts.The bulk material may be approximately spherical bodies. Preferably, balls are used which allow uniform coverage of the fiber assembly surface corresponding to the mold contour and provide in close-packed packing a total weight that fixes the fiber assembly in the mold. Size and / or weight of the bulk material particles, in particular of the balls, can be selected according to the complexity of the shape contour. The smaller the balls, the higher the dimensional accuracy and the more complex structures are possible. The weight of the balls is selectable, for example, depending on the type of fiber arrangement which is to be molded in the mold to be fixed. The stiffer and heavier the fiber arrangement, the greater the required weight of the bulk material.
In einer Ausführungsform kann das Oberwerkzeug nicht nur die Zufuhreinrichtung für das Schüttgut, sondern auch eine Speichereinrichtung für das Schüttgut umfassen.In one embodiment, the upper tool may comprise not only the bulk material supply means but also a bulk material storage means.
Weiter kann die erfindungsgemäße Vorrichtung Entleerungsmittel umfassen, mit Hilfe derer das Schüttgut nach Beendigung des Einformvorgangs von der Preform entfernt werden kann. Bei den Entleerungsmitteln kann es sich beispielsweise um eine an dem Formwerkzeug vorliegende Kippvorrichtung handeln, mit der das Formwerkzeug einfach gekippt wird, um das Schüttgut auszuleeren, es kann sich bei den Entleerungsmitteln aber auch um eine mit der Zufuhreinrichtung gekoppelte Achsabsaugpumpe handeln, so dass das Schüttgut direkt nach Beendigung des Formvorgangs abgesaugt und vorteilhaft zurück in eine Speichereinrichtung überführt werden kann. Ferner ist es denkbar, dass die Vorrichtung als Entleerungsmittel ein Schüttgut-Auffangtuch umfasst, das mittels einer Ablegeeinrichtung auf der von dem Formwerkzeug abgewandten Seite der Faseranordnung vor dem Befüllen mit dem Schüttgut abgelegt werden kann. Nach Beendigung des Formvorgangs kann dann das Schüttgut-Auffangtuch zusammen mit dem Schüttgut entnommen werden.Furthermore, the device according to the invention may comprise emptying means, with the aid of which the bulk material can be removed from the preform after completion of the molding process. The emptying means may, for example, be a tilting device provided on the mold with which the mold is simply tilted in order to empty the bulk material, but the emptying means may also be an axle suction pump coupled to the feed device, so that the bulk material aspirated directly after completion of the molding process and can advantageously be transferred back into a storage device. Furthermore, it is conceivable that the device comprises a bulk material collecting cloth as emptying means, which can be deposited by means of a depositing device on the side of the fiber arrangement facing away from the forming tool prior to filling with the bulk material. After completion of the molding process, the bulk material collecting cloth can then be removed together with the bulk material.
Ein erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen der komplexdreidimensional geformten Endlosfaser verstärkten Preform aus zweidimensionalen flächigen Faseranordnungen umfasst zunächst das Aufnehmen der Faseranordnung durch die Handhabungsvorrichtung, wobei die Faseranordnung mittels der Vorspannmittel der Handhabungsvorrichtung gegen die Gegenformkontur des Oberwerkzeugs gespannt und damit vorgeformt werden. Sodann wird die vorgeformte Faseranordnung über der Formkontur des Formwerkzeugs durch die Handhabungsvorrichtung positioniert und eine erste Portion des Schüttguts wird mittels der Schüttgutzufuhreinrichtung durch die zumindest eine Auslassöffnung in der Gegenkontur des Oberwerkzeugs auf die über der Formkontur in dem Formwerkzeug angeordnete Faseranordnung an einem tiefsten Punkt der Formkontur abgelassen. Ausgehend von dem tiefsten Punkt der Formkontur werden weitere Schüttgutportionen über weitere stetig ansteigende Punkte der Formkontur auf die Faseranordnung abgelassen, so dass die zweidimensionale flächige Faseranordnung schrittweise an die Formkontur eingeformt wird und somit die komplex-dreidimensional geformte Preform erhalten wird.An inventive embodiment of the method for producing the complex three-dimensionally shaped continuous fiber reinforced preform from two-dimensional planar fiber assemblies comprises first receiving the fiber assembly by the handling device, wherein the fiber assembly are stretched by the biasing means of the handling device against the Gegenformkontur of the upper tool and thus preformed. Then, the preformed fiber assembly is positioned over the mold contour of the mold by the handling device, and a first portion of the bulk material is conveyed by the bulk material feed device through the at least one outlet opening in the mating contour of the upper tool to the fiber arrangement disposed above the mold contour in the mold at a lowest point of the mold contour drained. Starting from the lowest point of the mold contour, further bulk material portions are discharged onto the fiber arrangement via further steadily rising points of the mold contour so that the two-dimensional planar fiber arrangement is formed stepwise onto the mold contour and thus the complex three-dimensionally shaped preform is obtained.
Die Faseranordnung kann dabei in Abhängigkeit einer zugeführten Schüttgutmenge gesteuert nachgeführt und unter Spannung gehalten werden.The fiber arrangement can be tracked controlled in dependence on a supplied bulk material and kept under tension.
Die Entfernung des Schüttguts nach Fertigformen der Preform erfolgt dann entweder durch das Kippen des Formwerkzeugs oder durch das Aktivieren einer mit der Zufuhreinrichtung gekoppelten Absaugpumpe. Eine weitere Alternative liegt in der Entnahme des Schüttguts zusammen mit einem Schüttgut-Auffangtuch, das vor der Zufuhr des Schüttguts auf die von dem Formwerkzeug abgewandte Seite der Faseranordnung gelegt wurde.The removal of the bulk material after preforming of the preform is then carried out either by tilting the mold or by activating a coupled with the feeder suction. Another alternative is the removal of the bulk material together with a bulk material collecting cloth, which was placed on the side facing away from the mold side of the fiber assembly prior to the supply of the bulk material.
Der Einformprozess ist geführt, reproduzierbar und vollautomatisch, wobei das Schüttgut für eine hohe Konturtreue sorgt. Es wird kein Spezialwerkzeug wie Vakuumpumpe oder Überdruckpumpe und dazu erforderliche, abdichtende Mittel an dem Werkzeug benötigt. Durch die Verwendung des Oberwerkzeugs, mittels derer die Faseranordnung vorgeformt wird, werden die Einformzeiten reduziert und es wird lediglich eine minimale Menge an Schüttgut benötigt, um die Faseranordnung fertig zu formen.The molding process is guided, reproducible and fully automatic, whereby the bulk material ensures a high contour accuracy. There is no special tool such as vacuum pump or pressure pump and required to sealing means on the tool needed. By using the upper tool by which the fiber assembly is preformed, the Einformzeiten be reduced and it requires only a minimum amount of bulk material to complete the fiber assembly to complete.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.These and other advantages are set forth by the following description with reference to the accompanying figures.
Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. The reference to the figures in the description is to aid in the description and understanding of the subject matter. The figures are merely a schematic representation of an embodiment of the invention.
Dabei zeigen:Showing:
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren beziehen sich auf die Herstellung von faserverstärkten Preforms, die zur Darstellung von Faserverbundkunststoff-Bauteilen vorgesehen sind, aus einer zweidimensionalen flächigen Faseranordnung. Unter einer zweidimensionalen flächigen Faseranordnung wird beispielsweise ein Gewebe, Gelege, Multiaxialgelege, Geflecht, Matte oder Vlies verstanden, wobei es sich bei den Verstärkungsfasern nicht ausschließlich um Glasfasern, Karbonfasern und Aramidfasern handeln muss, sondern auch um andere Fasern handeln kann.The device according to the invention and the method according to the invention relate to the production of fiber-reinforced preforms, which are provided for the representation of fiber composite plastic components, from a two-dimensional planar fiber arrangement. A two-dimensional planar fiber arrangement is understood as meaning, for example, a woven fabric, scrim, multiaxial scrim, braid, mat or fleece, wherein the reinforcing fibers need not exclusively be glass fibers, carbon fibers and aramid fibers, but may also be other fibers.
Die zweidimensionale flächige Faseranordnung kann trocken vorliegen oder mit Matrixmaterial wie einem Harz getränkt sein, sie kann aber auch mit dem Matrixmaterial infiltriert werden, beispielsweise mit einer thermoplastischen Kunststoffschmelze, nachdem sie umgeformt wurde. Ferner können faserverstärkte nicht oder nur teilkonsolidierte Halbzeuge wie etwa ein Organoblech (faserverstärkte Thermoplastplatte) oder ein Hybridgewebe mit Verstärkungsfaser und Matrixfaseranteil verwendet werden.The two-dimensional sheet fiber assembly may be dry or soaked with matrix material such as a resin, but may also be infiltrated with the matrix material, for example, with a thermoplastic melt after it has been reshaped. It is also possible to use fiber-reinforced non-consolidated or only partially consolidated semi-finished products, such as an organic sheet (fiber-reinforced thermoplastic sheet) or a hybrid fabric with reinforcing fiber and matrix fiber fraction.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt eine einfache und kostengünstige Lösung zum automatischen Drapieren von zweidimensionalen Gewebematten in ein komplexes, dreidimensionales Formwerkzeug dar. Es können mehrere übereinander liegende Gewebeschichten des Formwerkzeugs angeglichen werden, wobei die Gewebematten in einem geführten Prozess eingelegt werden und eine hohe Einlegequalität und Prozesssicherheit gewährleisten. Vorteilhaft arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht mit Druckvariationen und benötigt daher auch keine aufwendigen Sauggreifer mit Durchlässen zu Vakuumquellen oder Druckquellen oder Vakuumkreisen. Daher ist auch eine entsprechende Abdichtung nicht notwendig.The device according to the invention represents a simple and cost-effective solution for the automatic draping of two-dimensional fabric mats into a complex, three-dimensional mold. Several superimposed fabric layers of the mold can be adjusted, wherein the fabric mats are inserted in a guided process and ensure high insertion quality and process reliability , Advantageously, the device of the invention does not work with pressure variations and therefore also requires no consuming suction pads with passages to vacuum sources or pressure sources or vacuum circuits. Therefore, a corresponding seal is not necessary.
Um die Fasermatte
Um nun die Fasermatte
In einer Ausführungsform ist denkbar, dass das Oberwerkzeug relativ zur Handhabungsvorrichtung
Das Öffnen der jeweiligen Auslassöffnungen kann dabei über eine die Zufuhreinrichtung steuernde Betätigungseinrichtung erfolgen, so dass das Öffnen der einzelnen Auslassöffnungen in Abhängigkeit der zugeführten Schüttgutmenge gesteuert werden kann. Damit die vorgespannte Fasermatte
Die so mit Hilfe der Handhabungsvorrichtung
Dies erfolgt durch die Verwendung des Schüttguts korrekt und konturtreu. So wird, ausgehend von der tiefsten Stelle des Formwerkzeugs, ein geführter Einformprozess dargestellt, wodurch die hohe Legequalität und Prozesssicherheit erreicht werden kann. This is done by the use of the bulk material correctly and contour. Thus, starting from the lowest point of the mold, a guided molding process is shown, whereby the high laying quality and process reliability can be achieved.
Nach erfolgtem Einformprozess kann das Schüttgut durch ein kippbar gestaltetes Formwerkzeug ausgeschüttet werden oder durch eine Absaugpumpe, die mit der Zufuhreinrichtung gekoppelt ist, direkt wieder abgesaugt werden.After the molding process, the bulk material can be distributed by a tiltable designed mold or sucked directly by a suction pump, which is coupled to the feeder.
Oder es kann ein Schüttgut-Auffangtuch verwendet werden, das vorab auf der von dem Formwerkzeug
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Legal Events
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20130411 |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |