DE102011002906A1 - Shaping core used for draping unidirectional unbent fiber layers for producing continuous fiber reinforced component, has flexible soft strips whose bending curvatures are extended along concentric direction - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Umformkern zur Drapierung unidirektionaler 0°-Faserschichten. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Drapierung unidirektionaler 0°-Faserschichten, in dem der erfindungsgemäße Umformkern zur Anwendung kommt. Der Vorteil des Umformkerns und des Verfahrens besteht in einer faltenfreien Drapierung dieser unidirektionalen 0°-Faserschichten, insbesondere von vorimprägnierten Endlosfasern, den sogenannten Prepregs.The invention relates to a forming mandrel for draping unidirectional 0 ° fiber layers. Furthermore, the invention relates to a corresponding method for draping unidirectional 0 ° fiber layers, in which the forming core according to the invention is used. The advantage of the forming core and of the method consists in a wrinkle-free draping of these unidirectional 0 ° fiber layers, in particular of pre-impregnated continuous fibers, the so-called prepregs.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist das Preformen von 0°-Faserschichten für die Herstellung von Bauteilen aus endlosfaserverstärkten Faserverbunden mit nicht-axialem Faserverlauf, zum Beispiel der Bauteilkontur folgend und/oder beanspruchungsgerecht. Bekannt sind dabei bisher Verfahren zum Umformen von Faserlagen, deren Faserwinkel nicht-tangential zur Biegelinie stehen (→ 0° ≤ φ ≤ 180°), durch Spreizen auf elastischen Formkernen. So beschreibt die
Die
Der Nachteil der beiden oben genannten Verfahren und Vorrichtungen besteht darin, dass 0°-Faserlagen nicht faserparallel gespreizt beziehungsweise faltenfrei gestaucht werden können. Eine weitere Möglichkeit für das Preformen von 0°-Faserschichten besteht in der definierten, parallel zur „Biegelinie” verlaufenden Ablage von Faserlagen mittels Faserauflegevorrichtungen, dem sogenannten Automatic Fiber Placement in einer CNC-Anlage (CNC = Computerized Numerical Control). Beim Automatic Fiber Placement liegt der Nachteil darin, dass dies ein sehr aufwendiges, teures und zeitintensives Verfahren ist, was durch die Notwendigkeit einer parallelen Ablage von sogenannten Tows, das sind Faserseile mit einer typischen Breite von b = 6,35 mm, bedingt ist.The disadvantage of the two above-mentioned methods and devices is that 0 ° fiber layers can not be spread apart in a fiber-parallel manner or wrinkle-free can be compressed. Another possibility for the preforming of 0 ° fiber layers consists in the defined, parallel to the "bending line" extending filing of fiber layers by means of fiber laying devices, the so-called automatic fiber placement in a CNC system (CNC = Computerized Numerical Control). The disadvantage of Automatic Fiber Placement is that it is a very time-consuming, expensive and time-consuming process, due to the need for a parallel deposit of so-called tows, which are fiber ropes with a typical width of b = 6.35 mm.
Schließlich besteht eine weitere Variante für das Preformen von Faserschichten in in dem Kraftfluss- beziehungsweise beanspruchungsgerechten Ablegen und Vernähen trockener Fasern auf einem dünnen Trägermaterial, das ein Gewebe, ein Gewirke oder Vlies sein kann, zu einem Preformling für Injektionstechnologien, so wie es bei Verstärkungsstrukturen der Fall ist, die von der Firma Hightex GmbH hergestellt werden. Nachteilig ist, dass mit einem solchen Verfahren die Verarbeitung von Prepregs nicht möglich ist. Prepregs sind Halbzeuge aus vorimprägnierten Faserschichten, die bereits in einer ungehärteten Kunststoffmatrix getränkt sind.Finally, another variant for the preforming of fiber layers in laying down and sewing dry fibers on a thin carrier material, which may be a woven fabric, a knitted fabric or fleece, into a preform for injection technologies, as with reinforcing structures of the Case is that produced by the company Hightex GmbH. The disadvantage is that with such a method, the processing of prepregs is not possible. Prepregs are semi-finished products made of preimpregnated fiber layers, which are already impregnated in an uncured plastic matrix.
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Drapierung unidirektionaler 0°-Faserschichten bereitzustellen, bei denen. die Fasern einer zu verarbeitenden Faserlage so gestützt werden, dass sie nicht gestaucht werden können. insbesondere sollen sowohl die Vorrichtung als auch das Verfahren hinsichtlich der Kosten günstig sein. Die Vorrichtung und das Verfahren sollen des Weiteren eine Verarbeitung von Prepregs ermöglichen.The invention has for its object to provide an apparatus and a method for draping unidirectional 0 ° fiber layers, in which. the fibers of a fiber layer to be processed are supported so that they do not can be upset. In particular, both the device and the method should be favorable in terms of cost. The apparatus and method are further intended to enable processing of prepregs.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Umformkern zur Drapierung unidirektionaler 0°-Faserschichten, der als Paket von mehreren übereinanderliegenden, sich vollflächig kontaktierenden, biegeweichen Streifen ausgebildet ist, die zur vorgesehenen Biegerichtung senkrecht stehen. Erfindungsgemäß sind die biegeweichen Streifen untereinander schubentkoppelt, so dass ein gegenseitiges Verschieben aufeinander möglich ist, wobei bei einer Biegung des Umformkerns die Krümmungen aller Streifen konzentrisch verlaufen.The solution to this problem consists in a Umformkern for draping unidirectional 0 ° fiber layers, which is designed as a package of several superimposed, full-surface contacting, flexible strips that are perpendicular to the intended bending direction. According to the bending soft strips are mutually shear decoupled, so that mutual displacement is possible on each other, wherein at a bend of the Umformkerns the curvatures of all strips are concentric.
Gemäß der Konzeption der Erfindung ist der Umformkern auf diese Weise mit einer der Faserlage äquivalenten Verzerrungskinematik ausgestattet. Dies wird insbesondere durch das Paket schubentkoppelter, biegeweicher, zur Biegerichtung senkrecht stehender Streifen realisiert, wobei beim Biegevorgang eine Schubverzerrung des Streifenpaketes auftritt, die mit der Schubverzerrung beim Biegen eines Paperback-Buches vergleichbar ist. Wichtig ist dabei, dass sich die benachbarten Streifen vollflächig berühren, gleichzeitig aber ein gegenseitiges Verschieben aufeinander erlauben.According to the concept of the invention, the forming core is thus equipped with a fiber kinematically equivalent distortion kinematics. This is realized in particular by the package shear decoupled, bending soft, perpendicular to the bending direction stripes, wherein the bending process, a shear distortion of the strip package occurs, which is comparable to the shear distortion when bending a paperback book. It is important that the adjacent strips touch the entire surface, but at the same time allow each other to move towards each other.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist als Streifenmaterial ein elastischer Metallwerkstoff, wie Stahl oder Aluminium, vorgesehen. Alternativ kann auch ein elastischer Kunststoff verwendet werden, wobei hier die Kunststoffe Teflon (PTFE), Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) bevorzugt sind.In one embodiment of the invention, an elastic metal material, such as steel or aluminum, is provided as strip material. Alternatively, an elastic plastic can be used, in which case the plastics Teflon (PTFE), polyethylene (PE) or polypropylene (PP) are preferred.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drapierung unidirektionaler 0°-Faserschichten, bei dem die folgenden, nacheinander ablaufenden Verfahrensschritte a) bis c) durchgeführt werden:
- a) Auflegen einer gestreckten Faserlage von unidirektionalen Faserschichten auf auf einem erfindungsgemäßen Umformkern, der in allen oben genannten Ausführungen vorliegen kann, und Andrücken der Faserlage an den Umformkern, wobei der Faserverlauf parallel zu den Streifen ausgerichtet wird;
- b) Umformen des Umformkerns mit der Faserlage, wobei aus der gestreckten Faserlage eine Preform entsteht; und
- c) Abnehmen der aus der Faserlage erzeugten Preform und Laminieren im Härtewerkzeug.
- a) applying a stretched fiber layer of unidirectional fiber layers on a Umformkern invention, which may be present in all the above embodiments, and pressing the fiber layer to the core, wherein the fiber profile is aligned parallel to the strip;
- b) forming the Umformkerns with the fiber layer, wherein the preform is formed from the stretched fiber layer; and
- c) removing the preform produced from the fiber layer and laminating in the hardening tool.
Vorzugsweise erfolgt in Verfahrensschritt b) das Umformen des Umformkerns mit der Faserlage entlang einer Biegeschablone. Alternativ kann der Umformprozess in Verfahrensschritt b) auch ohne Biegeschablone dadurch realisiert werden, dass der Umformkern an diskreten Stützpunkten mit Hilfe mehrerer gesteuerter Antriebe angesteuert und somit verformt wird und dadurch eine frei programmierbare Kurve beziehungsweise Form generiert wird. Insbesondere können zu diesem Zweck CNC-gesteuerte Linearachsenantriebe verwendet werden.Preferably, in method step b), the forming core is reshaped with the fiber layer along a bending template. Alternatively, the forming process in method step b) can also be realized without a bending template in that the converter core is actuated and thus deformed at discrete interpolation points with the aid of a plurality of controlled drives, thereby generating a freely programmable curve or shape. In particular, CNC-controlled linear axle drives can be used for this purpose.
Der Krümmungsradius der benachbarten Streifen des Umformkerns erhöht beziehungsweise reduziert sich durch die erfindungsgemäße Anordnung jeweils um die Streifendicke. Somit verlaufen die Krümmungen aller Streifen konzentrisch. Durch das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt das Umformen von unidirektionalen 0°-Faserlagen durch Verzerrung des textilen Flächengebildes in der Fläche. Bei dem Verfahren wird die Faserlage während des Umformvorgangs aufgenommen und dabei so gestützt, dass die Fasern nicht gestaucht werden. Es wird auf diese Weise durch gezielte Schubverzerrung zwischen den Fasern eine kinematisch „saubere” Umformung erreicht. Auf diese Weise erfolgt eine faltenfreie Drapierung der unidirektionalen 0°-Faserschichten. Als weiterer Vorteil ergibt sich ein Potential für Materialeinsparung durch eine Kraftfluss- und damit werkstoffgerechte Faserarchitektur, was einen höheren Faserwirkungsgrad bedingt. Nicht zuletzt ist durch das erfindungsgemäße Verfahren ein energie- und kosteneffizienter Umformprozess möglich. Daher kann auf den Einsatz von teuren Fiber-Placement-Anlagen verzichtet werden.The radius of curvature of the adjacent strips of the Umformkerns increased or reduced by the inventive arrangement in each case by the strip thickness. Thus, the curvatures of all strips are concentric. The inventive method reshapes unidirectional 0 ° fiber layers by distortion of the textile fabric in the area. In the process, the fiber layer is taken up during the forming process and thereby supported so that the fibers are not compressed. It is achieved in this way by targeted shear distortion between the fibers a kinematically "clean" deformation. In this way, a wrinkle-free draping of the unidirectional 0 ° fiber layers takes place. As a further advantage, there is a potential for material savings through a Kraftfluss- and thus material-appropriate fiber architecture, which causes a higher fiber efficiency. Not least, an energy and cost-efficient forming process is possible by the inventive method. Therefore, the use of expensive fiber placement equipment can be dispensed with.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor der Durchführung von Verfahrensschritt a), dem Auflegen der gestreckten Faserlage auf dem Umformkern, der Umformkern in einem Verfahrensschritt a0) vorgewärmt. Für die Umformung von Prepregs kann bei Bedarf der Umformkern oder alternativ nur die Prepreglage beheizt werden, um den Matrixwerkstoff zu erweichen.In a preferred embodiment of the method according to the invention, prior to carrying out method step a), placing the stretched fiber layer on the forming core, the forming core is preheated in a method step a 0 ). If necessary, the forming core or alternatively only the prepreg layer can be heated to soften the matrix material for the forming of prepregs.
In einer Weiterbildung des Verfahrens erfolgt nach dem Auflegen der gestreckten Faserlage auf dem Umformkern in einem weiteren Verfahrensschritt a1) zusätzlich ein faserparalleles Abwickeln der Faserlage zur Erzeugung einfachgekrümmter Profilquerschnitte.In a further development of the method, after laying the stretched fiber layer on the forming core in a further method step a 1 ), a fiber-parallel unwinding of the fiber layer is additionally effected in order to produce single-curved profile cross sections.
Vorzugsweise erfolgt nach Verfahrensschritt b) als Zwischenschritt b1) ein Abkühlen der Preform.Preferably, after step b) as an intermediate step b 1 ) cooling of the preform.
Als einfachgekrümmte Profilquerschnitte können insbesondere L-, Z- oder U-Querschnitte vorgesehen sein.As a simple curved profile cross-sections in particular L, Z or U-sections may be provided.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Das für die Nachbildung der Verzerrungskinematik erfindungsgemäße Streifenpaket besteht aus biegeweichen, untereinander schubentkoppelten Streifen. Als Material kommen verschiedene elastische Metalle oder Kunststoffe in Frage – zum Beispiel Stahl, Aluminium, Teflon (PTFE), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und ähnliche. Für die Umformung. von Prepregs kann bei Bedarf der Umformkern oder alternativ nur die Prepreglage beheizt werden, um den Matrixwerkstoff zu erweichen.The strip package according to the invention for simulating the distortion kinematics consists of flexurally soft, mutually decoupled strips. The material used is various elastic metals or plastics - for example steel, aluminum, Teflon (PTFE), polyethylene (PE), polypropylene (PP) and the like. For the forming. If necessary, the forming core or alternatively only the prepreg layer can be heated by prepregs in order to soften the matrix material.
Die
Die folgenden Figuren
Dabei zeigt die
Schließlich stellt die
Die
- a0
- gegebenenfalls Vorwärmen des
Umformkerns 1 ; - a
- Auflegen der gestreckten Faserlage
3 aufden gestreckten Umformkern 1 und Andrücken, beispielsweise von Hand, durch Vakuum oder Ähnliches; - a1
- faserparalleles Abwickeln der Faserlage
3 zur Erzeugung eines L-Profilquerschnitts; - b
- Umformen entlang einer
Biegeschablone 4 und - c
- Abnehmen der so
erzeugten Preform 5 und Laminieren im Härtewerkzeug.
- a 0
- optionally preheating the
Umformkerns 1 ; - a
- Placing the stretched
fiber layer 3 on the stretchedcore 1 and pressing, for example, by hand, by vacuum or the like; - a 1
- fiber-parallel unwinding of the
fiber layer 3 for generating an L-profile cross-section; - b
- Forming along a
bending template 4 and - c
- Removal of the preform thus produced
5 and laminating in the hardening tool.
Die
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- UmformkernUmformkern
- 22
- Streifenstrip
- 33
- Faserlagefiber layer
- 44
- Biegeschablonebending template
- 55
- Preformling, PreformPreforming, preform
- RR
- Radius, KrümmungsradiusRadius, radius of curvature
- tt
- Streifendicke Anzahl der StreifenStrip thickness Number of strips
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- DE 4002087 A1 [0006] DE 4002087 A1 [0006]
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DE102011002906A DE102011002906B4 (en) | 2011-01-20 | 2011-01-20 | Forming core and process for draping unidirectional 0 ° fiber layers |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: B29C0070300000 Ipc: B29C0070540000 |
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20130301 |