DE102011082399A1 - Method for manufacturing fiber reinforced component used in e.g. vehicle, involves pressing and heating fibrous mat in press tool for producing fiber reinforced component which is provided with non-hardened core portion - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for producing fiber-reinforced components according to the preamble of
Faserverstärkte Bauteile bieten eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht und finden daher in zunehmendem Maße Einzug in Maschinen und Fahrzeuge aller Art. Während ihr Einsatz im Bereich der Luft- und Raumfahrt bereits seit Jahrzenten bekannt ist, werden zwischenzeitlich erhebliche Anstrengungen unternommen diese auch im Automobilbereich zur Anwendung zu bringen. Hierbei sind jedoch abweichende Rahmenbedingungen zu berücksichtigen, die eine einfache Übertragbarkeit insbesondere von Herstellungsverfahren erschweren oder sogar verhindern.Fiber-reinforced components offer high rigidity and low weight and are therefore becoming increasingly popular in machines and vehicles of all kinds. While their use in the aerospace industry has been known for decades, in the meantime considerable efforts have been made in the automotive sector Application. In this case, however, different general conditions are to be taken into account, which make it difficult or even prevent simple transferability, in particular of manufacturing processes.
Während in der Luft- und Raumfahrt im Wesentlichen faserverstärkte Bauteile in Handarbeit oder mittels aufwendiger Vorrichtungen als Einzelanfertigungen oder in geringen Stückzahlen mit entsprechend hohen Stückkosten erstellt werden, sind für eine Serienfertigung im Automobilbereich weit höhere Stückzahlen zugrunde zu legen. Es werden daher große Anstrengungen unternommen effiziente und automatisierte Herstellungsverfahren bereitzustellen, die eine Produktion großer Stückzahlen mit möglichst geringen Taktzeiten und gleichzeitig möglichst hoher Qualität ermöglichen.While in aerospace essentially fiber-reinforced components are created by hand or by means of complex devices as one-off or in small quantities with correspondingly high unit costs, mass production in the automotive sector is based on far higher quantities. Therefore, great efforts are being made to provide efficient and automated production methods which enable large-scale production with the lowest possible cycle times and at the same time the highest possible quality.
Es sind verschiedene Möglichkeiten zur Herstellung der faserverstärkten Bauteile bekannt. Hierzu zählen insbesondere ein sogenanntes Nasspressverfahren, das sogenannte Resin Transfer Molding (kurz: RTM) und sogenannte Harzinjektionsverfahren (Kurz: RI-Verfahren).There are various ways for producing the fiber reinforced components known. These include in particular a so-called wet pressing process, the so-called Resin Transfer Molding (abbreviated RTM) and so-called Harzinjektionsverfahren (short: RI process).
Eine weitere Möglichkeit derartige faserverstärkte Bauteile zu erzeugen, stellt ein Verfahren zum Pressen von Fasermatten dar, welche mit einer Matrix, beispielsweise einem Gemisch aus einem Harz und einem Härter sowie gegebenenfalls bei Bedarf mit einem Trennmittel, getränkt sind und in eine Presse eingelegt werden, um diese mittels der Presse in eine gewünschte Form zu pressen und auszuhärten. Als Halbzeuge dienen hierzu insbesondere vorimprägnierte Faser-Matrix-Halbzeuge, die sogenannten Prepregs.Another possibility for producing such fiber-reinforced components is a process for pressing fiber mats, which are impregnated with a matrix, for example a mixture of a resin and a hardener and optionally with a release agent, if necessary, and inserted into a press to press and cure them into a desired shape by means of the press. Semi-finished products used for this purpose are, in particular, preimpregnated fiber matrix semifinished products, the so-called prepregs.
All diesen Verfahren zur Herstellung ist gemein, dass ein Aushärten der faserverstärkten Bauteile eine lange Zeitspanne in Anspruch nimmt, so dass sich mittels der entsprechenden Herstellungswerkzeuge bzw. den entsprechenden Maschinen lediglich eine geringe Taktzeit erreichen lässt, die eine Fertigung großer Stückzahlen in dem jeweiligen Werkzeug verhindern.All these methods of production have in common that curing of the fiber-reinforced components takes a long period of time, so that only a short cycle time can be achieved by means of the corresponding production tools or the corresponding machines, which prevent the production of large quantities in the respective tool ,
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils bereitzustellen, welches eine Fertigung vereinfacht und beschleunigt, um somit große Stückzahlen und kurze Taktzeiten zu erzielen.The object of the invention is therefore to provide a manufacturing method for producing a fiber-reinforced component, which simplifies and accelerates a production, in order to achieve large quantities and short cycle times.
Diese Aufgabe wird gelöst mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by means of a method having the features of
Demnach wird ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Bauteilen aus mindestens einer matriximprägnierten Fasermatte vorgeschlagen mit den folgenden Schritten:
- – Pressen der mindestens einen Fasermatte in einem ersten Presswerkzeug zum Aufprägen einer dreidimensionalen Struktur, und
- – Erhitzen der mindestens einen Fasermatte in dem ersten Presswerkzeug zum Erzeugen des faserverstärkten Bauteils, und
- – Entnehmen des erzeugten Bauteils aus dem ersten Presswerkzeug.
- - Pressing the at least one fiber mat in a first pressing tool for impressing a three-dimensional structure, and
- Heating the at least one fiber mat in the first pressing tool to produce the fiber-reinforced component, and
- - Remove the generated component from the first pressing tool.
Der Schritt des Pressens und der Schritt des Erhitzens sind derart konfiguriert, dass das erzeugte Bauteil teilweise ausgehärtet ist, so dass das Bauteil formstabil zum Erhalt der aufgeprägten dreidimensionalen Struktur ist und einen nicht-ausgehärteten bzw. lediglich teilweise ausgehärteten Kern aufweist.The step of pressing and the step of heating are configured such that the produced component is partially cured so that the component is dimensionally stable for obtaining the embossed three-dimensional structure and having a non-cured or only partially cured core.
Es erfolgt also ein Pressen einer oder mehrerer matriximprägnierter Fasermatten in einem Presswerkzeug zum Erzeugen eines strukturierten Bauteils. Als Matrix kommen üblicherweise Zweikomponenten-Systeme, bestehend aus einem Härter und einem Harz, zum Einsatz. Selbstverständlich sind aber auch andere geeignete Matrix-Systeme einsetzbar, insbesondere Harz-Härter-Kombinationen mit einem zusätzlichen Trennmittel.Thus, one or more matrix-impregnated fiber mats are pressed in a pressing tool to produce a structured component. Two-component systems consisting of a hardener and a resin are usually used as the matrix. Of course, however, other suitable matrix systems can be used, in particular resin-hardener combinations with an additional release agent.
Als Presswerkzeug können insbesondere mindestens zweiteilige Presswerkzeuge dienen, die eine erste Werkzeugform und eine gegen diese verpressbare zweite Werkzeugform aufweisen, die beispielsweise komplementär zueinander ausgeformt oder einen geformten Hohlraum bereitstellen und an die zu erzeugende Struktur angepasst sind. Zwischen beiden Werkzeugformen wird die mindestens eine matriximprägnierte Fasermatte eingelegt und durch Schließen des Presswerkzeugs und Verpressen der Werkzeugformen gegeneinander in die gewünschte Form gebracht.In particular, at least two-part pressing tools can be used as the pressing tool, which have a first tool mold and a second tool mold that can be pressed against it, which for example have a complementary shape or provide a shaped cavity and are adapted to the structure to be produced. Between the two molds, the at least one matrix-impregnated fiber mat is inserted and brought into each other by closing the pressing tool and pressing the molds against each other in the desired shape.
Anschließend und/oder gleichzeitig zu dem Schritt des Pressens erfolgt ein Erhitzen der in dem Presswerkzeug angeordneten mindestens einen Fasermatte. Hierdurch wird eine Aushärtereaktion der Matrix in Gang gesetzt bzw. beschleunigt, um die Matrix zu härten und ein formstabiles Bauteil zu erzeugen, welches die gewünschte Form aufweist.Subsequently and / or simultaneously with the pressing step, the at least one fiber mat arranged in the pressing tool is heated. As a result, a curing reaction of the matrix is initiated or accelerated to the Harden matrix and produce a dimensionally stable component having the desired shape.
Dabei ist der Pressvorgang, also insbesondere dessen Parameter, wie beispielsweise eine Schließgeschwindigkeit oder ein Pressdruck, sowie der Schritt des Erhitzens, insbesondere dessen Parameter, wie beispielswiese die Höhe einer Temperatur oder ein möglicherweise zeitlich variierender Temperaturverlauf, derart konfiguriert, dass das erzeugte Bauteil bzw. die Matrix lediglich teilweise aushärtet, bevor es aus dem Presswerkzeug entnommen und damit der Aushärtevorgang in dem Presswerkzeug beendet wird. Dies bedeutet, dass die Parameter des Pressvorgangs bzw. des Erhitzens dementsprechend auf die verwendete Matrix angepasst sind, um das beschriebene Ergebnis zu erzielen.Here, the pressing process, ie in particular its parameters, such as a closing speed or a pressing pressure, and the heating step, in particular its parameters, such as the height of a temperature or a possibly time-varying temperature profile, configured such that the generated component or only partially hardens the matrix before it is removed from the pressing tool and thus the curing process is terminated in the pressing tool. This means that the parameters of the pressing process or the heating are adapted accordingly to the matrix used in order to achieve the described result.
Der lediglich teilweise ausgehärtete Zustand des erzeugten Bauteils ist dadurch definiert, dass das Bauteil bereits lokal soweit ausgehärtet ist, dass es bei dem Schritt des Entnehmens und einer späteren Handhabung ausreichend formstabil ist und die vorgegebene bzw. aufgeprägte Struktur beibehält. Das Bauteil kann demnach zwar noch elastisch verformbar sein, sollte sich jedoch im Wesentlichen nicht bei einer Handhabung, wie beispielsweise einem Transport, plastisch verformen.The only partially cured state of the component produced is defined by the fact that the component is already cured locally so far that it is sufficiently dimensionally stable in the step of removal and a subsequent handling and maintains the predetermined or imprinted structure. Although the component can therefore still be elastically deformable, it should not be plastically deformed during handling, such as transport.
Dies bedeutet, dass insbesondere eine Oberfläche des Bauteils bereits ausgehärtet und somit formstabil an die aufgeprägte Struktur angepasst ist bzw. dem Bauteil eine ausreichend steife Struktur verleiht. Im Gegensatz dazu ist ein Kern des Bauteils jedoch noch nicht oder nicht vollständig ausgehärtet. Mit anderen Worten ist eine äußere Schicht des Bauteils bereits hart, während unterhalb der äußeren Schicht liegende innere Schichten noch eine „rohe”, nicht- oder zumindest nicht vollständig ausgehärtete Konsistenz aufweisen.This means that in particular a surface of the component is already hardened and thus dimensionally stable adapted to the embossed structure or gives the component a sufficiently rigid structure. In contrast, a core of the component is not or not fully cured. In other words, an outer layer of the component is already hard, while lying below the outer layer inner layers still have a "raw", not or at least not fully cured consistency.
Dies bietet den Vorteil, dass eine Bearbeitungszeit in dem ersten Presswerkzeug auf diese Weise deutlich reduziert werden kann. Das Bauteil kann bereits vor Abschluss des üblicherweise vollständigen Aushärtevorgangs aus dem ersten Presswerkzeug entnommen werden, so dass dieses zur Bearbeitung eines neuen Bauteils zur Verfügung steht. Auf diese Weise kann eine Taktzeit des Presswerkzeugs erhöht werden.This offers the advantage that a processing time in the first pressing tool can be significantly reduced in this way. The component can already be removed from the first pressing tool before completion of the usually complete curing process, so that it is available for machining a new component. In this way, a cycle time of the pressing tool can be increased.
Mit dem beschriebenen Verfahren können sowohl eine einfache Fasermatte als auch mehrlagige Fasermatten, beispielsweise mehrere aufeinanderliegende Prepregs, verpresst werden.Both a simple fiber mat and multi-layer fiber mats, for example a plurality of prepregs lying on top of one another, can be pressed using the method described.
Des Weiteren kann das Verfahren eine erste Anzahl von Nachbearbeitungsschritten des Bauteils in einer zweiten Anzahl von weiteren Werkzeugen umfassen, wobei in jedem Werkzeug mindestens einer der Nachbearbeitungsschritte erfolgt.Furthermore, the method may comprise a first number of post-processing steps of the component in a second number of further tools, wherein at least one of the post-processing steps takes place in each tool.
Somit wird das in dem Presswerkzeug erzeugte Bauteil für einen oder mehrere Nachbearbeitungsschritte weiteren Werkzeugen zugeführt, mittels derer eine Bearbeitung des Bauteils fortgesetzt werden kann.Thus, the component produced in the pressing tool for one or more post-processing steps is supplied to other tools, by means of which a processing of the component can be continued.
Beispielsweise kann die Anzahl von Nachbearbeitungsschritten mindestens einen Schritt des Pressens und/oder Erhitzens und/oder Zuschneidens des erzeugten Bauteils umfassen.For example, the number of post-processing steps may include at least one step of pressing and / or heating and / or trimming the produced component.
Nach der Entnahme des erzeugten Bauteils aus dem ersten Presswerkzeug kann das Bauteil also beispielsweise in ein weiteres Werkzeug eingesetzt werden, um das Bauteil in einem Nachbearbeitungsschritt nochmals zu pressen. Auf diese Weise kann der anfängliche Pressvorgang des ersten Presswerkzeugs in dem weiteren Werkzeug fortgesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Erhitzen des Bauteils in mindestens einem der weiteren Werkzeuge erfolgen, um eine Aushärtereaktion des lediglich teilweise ausgehärteten Bauteils zumindest teilweise fortzusetzen oder sogar vollständig abzuschließen, so dass in letztgenanntem Fall ein vollständig ausgehärtetes Bauteil erzeugt wird. Aufgrund der beschriebenen mehrstufigen Nachbearbeitung kann somit ein einmaliges Umsetzten des erzeugten Bauteils von dem Presswerkzeug in ein weiteres Werkzeug erfolgen oder sogar ein mehrmaliges Umsetzen in mehr als nur ein weiteres Werkzeug.After removal of the produced component from the first pressing tool, the component can thus be used, for example, in another tool to press the component again in a post-processing step. In this way, the initial pressing operation of the first pressing tool in the further tool can be continued. Alternatively or additionally, the component may be heated in at least one of the further tools in order to at least partially continue or even completely complete a curing reaction of the only partially cured component, so that in the last-mentioned case a completely cured component is produced. Due to the described multi-stage post-processing can thus be carried out a one-time conversion of the produced component of the pressing tool in another tool or even a repeated conversion into more than just another tool.
Somit bilden das erste Presswerkzeug und zumindest eines der weiteren Werkzeuge aus der zweiten Anzahl von weiteren Werkzeugen eine mehrstufige Pressenstraße, so dass das Bauteil das erste Presswerkzeug und das zumindest eine weitere Werkzeug nacheinander durchläuft. Das erste Presswerkzeug und die zu durchlaufenden weiteren Werkzeuge bilden folglich einen mehrstufigen Werkzeugsatz.Thus, the first pressing tool and at least one of the other tools from the second number of other tools form a multi-stage press line, so that the component passes through the first pressing tool and the at least one further tool in succession. The first pressing tool and to be traversed further tools thus form a multi-stage tool set.
Dies bietet den Vorteil, dass der Verfahrensablauf in mehrere Stufen unterteilt ist, wobei in jeder Stufe ein eigenes Werkzeug vorgesehen werden kann. Somit kann einerseits das jeweilige Werkzeug optimal an den vorzunehmenden Bearbeitungsschritt angepasst sein und andererseits muss das Bauteil nicht die komplette Bearbeitungszeit in dem einen Werkzeug bleiben und dieses blockieren.This offers the advantage that the procedure is divided into several stages, with a separate tool can be provided in each stage. Thus, on the one hand, the respective tool can be optimally adapted to the machining step to be carried out and, on the other hand, the component does not have to remain in the one tool for the entire machining time and block it.
Es lassen sich in Folge dessen höhere Taktzeiten der einzelnen Werkzeuge und eine bessere Ausnutzung insbesondere des für die Erzeugung des lediglich teilweise ausgehärteten Bauteils vorgesehenen ersten Presswerkzeugs erzielen. Dieses ist aufgrund der bereitzustellenden hohen Presskraft und einer hohen zu erzeugenden Aushärtetemperatur besonders kostenintensiv, so dass eine möglichst kurzzeitige Belegung durch das einzelne Bauteil vorgesehen werden sollte.As a result, it is possible to achieve higher cycle times of the individual tools and a better utilization, in particular of the first pressing tool provided for the production of the only partially cured component. This is due to the high pressing force to be provided and a high curing temperature to be generated particularly costly, so that the shortest possible occupancy should be provided by the individual component.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist die mindestens eine Fasermatte als teilespezifische Formplatine ausgebildet. Dies bedeutet, dass die mindestens eine in das Presswerkzeug einzulegende Fasermatte bereits vorab zugeschnitten ist. Optional kann diese bereits für eine gewünschte Bauteilform zugeschnitten sein, so dass der Umfang von entsprechenden Nachbearbeitungsschritten reduziert wird.According to one embodiment of the method, the at least one fiber mat is designed as a part-specific shaping plate. This means that the at least one fiber mat to be inserted into the pressing tool is already pre-cut. Optionally, this can already be tailored for a desired component shape, so that the scope of corresponding post-processing steps is reduced.
Außerdem kann das Verfahren einen dem Pressen vorgelagerten Schritt des Kühlens der mindestens einen matriximprägnierten Fasermatte umfassen. Auf diese Weise kann eine Aushärtereaktion der Matrix bzw. der mindestens einen matriximprägnierten Fasermatte in Abhängigkeit von der Kühltemperatur verlangsamt oder sogar vollständig gestoppt werden. Außerdem bewirkt ein Kühlen eine Erhöhung der Viskosität der Matrix, so dass diese zäh wird oder sogar erstarrt bzw. sich verfestigt. Derart verfestigte Fasermatten lassen sich sodann besonders einfach handhaben und in das Presswerkzeug einlegen. Insbesondere wird hierdurch eine automatisierte Handhabung mittels Roboterarmen erleichtert.In addition, the method may include a pre-press step of cooling the at least one matrix-impregnated fiber mat. In this way, a curing reaction of the matrix or of the at least one matrix-impregnated fiber mat can be slowed down or even completely stopped as a function of the cooling temperature. In addition, cooling causes an increase in the viscosity of the matrix, so that it becomes viscous or even solidifies. Such solidified fiber mats can then be handled very easily and insert into the pressing tool. In particular, this facilitates automated handling by means of robot arms.
Des Weiteren wird ein faserverstärktes Bauteil bereitgestellt, wobei das faserverstärkte Bauteil mittels des beschriebenen Verfahrens hergestellt ist.Furthermore, a fiber-reinforced component is provided, wherein the fiber-reinforced component is produced by the method described.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the drawing with reference to an embodiment.
Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
Demnach erfolgt in einem ersten lediglich optionalen Schritt ein Kühlen 11 einer bereits vorab matriximprägnierten Fasermatte, ein sogenanntes Prepreg A. Aufgrund des Kühlens 11 verfestigt sich dieses derart, dass es besonders einfach automatisiert gehandhabt und somit in ein erstes Presswerkzeug WZ1 eingelegt 12 werden kann.Accordingly, in a first, only optional step, cooling 11 of a pre-matrix-impregnated fiber mat, a so-called prepreg A, occurs. Due to the cooling 11, it solidifies in such a way that it can be manipulated particularly simply and thus inserted into a first pressing tool WZ1.
Anschließend erfolgt ein Pressen 13 des Prepreg A in dem ersten Presswerkzeug WZ1 zum Erzeugen bzw. Aufprägen einer dreidimensionalen Struktur. Das Prepreg A wird auf diese Weise in die gewünschte spätere Form des zu erzeugenden Bauteils D gebracht. Außerdem erfolgt ein Erhitzen 14 des Prepreg A in dem Presswerkzeug WZ1 zum Aushärten einer Matrix des Prepregs A. Vorzugsweise erfolgt der Schritt des Pressens 13 und des Erhitzens 14 im Wesentlichen gleichzeitig, so dass ein Aushärten der Matrix unter Druck des Presswerkzeugs WZ1 erfolgen kann.Subsequently, a pressing 13 of the prepreg A in the first pressing tool WZ1 for generating or impressing a three-dimensional structure. The prepreg A is brought in this way in the desired later form of the component D to be produced. In addition, heating 14 of prepreg A in pressing tool WZ1 is performed to cure a matrix of prepreg A. Preferably, the step of pressing 13 and
Im Anschluss daran wird das hiermit erzeugte, teilweise ausgehärtete Bauteil B aus dem ersten Presswerkzeug WZ1 entnommen.Subsequently, the partially cured component B produced thereby is removed from the first pressing tool WZ1.
Gemäß dem beschriebenen Verfahren sind der Schritt des Pressens 13 und der Schritt des Erhitzens 14 derart konfiguriert, dass das erzeugte Bauteil B lediglich teilweise ausgehärtet ist. Das erzeugte Bauteil B ist in dem teilweise ausgehärteten Zustand vorzugsweise formstabil, so dass die aufgeprägte dreidimensionale Struktur beim Entnehmen 15 und einem anschließenden Handhaben erhalten bleibt, ein Kern des Bauteils B jedoch noch nicht ausgehärtet ist.According to the described method, the step of pressing 13 and the step of
Das erzeugte und noch nicht vollständig ausgehärtete Bauteil B kann anschließend zu einer Nachbearbeitung einer Anzahl von weiteren Werkzeugen WZ2, WZ3 oder weitere zugeführt werden.The produced and not completely cured component B can then be fed to a post-processing of a number of other tools WZ2, WZ3 or more.
In der dargestellten Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens wird das Bauteil B in ein zweites Werkzeug WZ2 eingelegt 16, erneut erhitzt 18 und gleichzeitig gepresst 17, um eine Formstabilität zu gewährleisten, während der noch nicht-ausgehärtete Kern des Bauteils B weiter ausgehärtet wird. Beispielsweise kann ein Pressdruck hierbei deutlich geringer konfiguriert sein als in dem ersten Presswerkzeug WZ1, da das Bauteil B bereits seine Form aufweist und diese lediglich durch einen erneuten Druck beibehalten werden soll.In the illustrated embodiment of the described method, the component B is inserted into a
Anschließend wird das zwischenzeitlich weiter ausgehärtete Bauteil C aus dem zweiten Werkzeug WZ2 entnommen 19 und beispielsweise einem nachfolgenden dritten Werkzeug WZ3 zugeführt 20. In diesem wird das Bauteil C nach einem Einlegen 20 zur Nachbearbeitung erneut in einem Pressschritt unter Druck gesetzt 21 und gleichzeitig auf gewünschte Abmaße zugeschnitten 22 zum Erzeugen und Entnehmen 23 des im Wesentlichen fertigen Bauteils D. Optional ist auch in diesem Werkzeug selbstverständlich ein Erhitzen möglich.Subsequently, the intermediate further cured component C is removed from the
Auf diese Weise kann das erste Presswerkzeug WZ1 entlastet und frühestmöglich zur Erzeugung neuer Bauteile bereitgestellt werden.In this way, the first pressing tool WZ1 can be relieved and provided as early as possible for the production of new components.
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