DE102011082842A1 - Method for manufacturing fiber structure component i.e. carbon fiber component, in resin transfer molding tool in e.g. automobile industry, involves making viscosity of matrix material to be constant during introducing material in tool - Google Patents

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Abstract

The method involves inserting a fiber blank in a resin transfer molding tool (1), and closing lower and upper tool halves (1a, 1b). Low-viscosity matrix materials of two components are mixed with each other, where the viscosity of the mixed matrix material is less than 500 mPas. The low-viscosity matrix material is introduced into the tool, where the viscosity of the matrix material is constant during the introduction of the low-viscosity matrix material in the tool. Temperature is maintained to be constant during the introduction of the matrix material into the tool.

Description

1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Faserstrukturbauteilen, insbesondere von Faserstrukturbauteilen mit gerichteten Endlosfasern oder sogenannten Hybridbauteilen mit verschiedenen Fasersorten, beispielsweise Bauteile aus CFK. Derartige Strukturbauteile kommen beispielsweise im Automobilbau oder in der Luftfahrttechnik zur Anwendung.The present invention relates to a method for producing fiber structure components, in particular of fiber structure components with directed continuous fibers or so-called hybrid components with different fiber types, for example components made of CFRP. Such structural components are used, for example, in the automotive industry or in aviation technology.

2. Stand der Technik2. State of the art

Im Stand der Technik ist ein sogenanntes RTM-Verfahren (Resin transfer moulding) mit verschiedenen Varianten bekannt. In der Serienfertigung von Strukturbauteilen werden klassischerweise solche RTM-Verfahren angewandt, um insbesondere Faserstrukturbauteile, beispielsweise CFK-Bauteile, mit u. a. gerichteten Endlosfasern oder Hybridfasern herzustellen. Hierbei wird stets ein Faservolumengehalt von mindestens 40%, bevorzugt von 50–60%, angestrebt.In the prior art, a so-called RTM process (Resin transfer molding) with various variants is known. In the mass production of structural components classically such RTM methods are used to particular fiber structure components, such as CFRP components, with u. a. directed continuous fibers or hybrid fibers. Here, a fiber volume content of at least 40%, preferably from 50-60%, is always desired.

Im Stand der Technik ist es bekannt, ein Werkzeug, in dem ein Faserrohling aufgenommen ist, mit hohen Fließgeschwindigkeiten und hohen Drücken zu füllen. Ein solches Verfahren ist beispielsweise unter dem Begriff „Hochdruck Resin Transfer Moulding” bekannt. Der Grund für den Einsatz von hohen Fließgeschwindigkeiten und hohen Drücken liegt darin, dass sich die Viskosität des verwendeten Matrixmaterials unmittelbar nach dem Vermischen erhöht. Dies führt dazu, dass des Matrixmaterial nicht zeitlich unbegrenzt in des Werkzeug eingeführt und zum Tränken des Faserrohlings verwendet werden kann. Darüber hinaus soll durch die hohen Fließgeschwindigkeiten die Zykluszeit durch einen kurzen Füllvorgang reduziert werden.In the prior art, it is known to fill a tool in which a fiber blank is received, with high flow rates and high pressures. Such a method is known, for example, by the term "high-pressure resin transfer molding". The reason for using high flow rates and high pressures is that the viscosity of the matrix material used increases immediately after mixing. As a result, the matrix material can not be introduced indefinitely into the tool and used for impregnating the fiber blank. In addition, due to the high flow rates, the cycle time should be reduced by a short filling process.

Diese Umstände haben jedoch zur Folge, dass innerhalb des Werkzeugs ein hoher Innendruck herrscht. Ferner sind hohe Schließkräfte erforderlich, um die Werkzeughälften geschlossen zu halten.However, these circumstances result in a high internal pressure within the tool. Furthermore, high closing forces are required to keep the mold halves closed.

Zur Herstellung solcher Strukturbauteile werden deshalb standardmäßig Pressen eingesetzt, die oftmals mehr als 1000 Tonnen Schließkraft aufbringen. Solche Pressen aus dem Bereich der Spritzgusstechnik haben den Nachteil, dass die Investitionskosten zum einen recht hoch sind, und diese wegen der mangelnden Mobilität nicht ohne weiteres in eine Fertigungsstraße integriert werden können.For the production of such structural components presses are therefore used by default, which often apply more than 1000 tons of clamping force. Such presses in the field of injection molding have the disadvantage that the investment costs are on the one hand quite high, and these can not be readily integrated into a production line because of the lack of mobility.

Andere Verfahren, wie z. B. die Autoklavtechnologie, werden für die Fertigung von Kleinserien verwendet. Aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten lohnt sich eine solche Technik beispielweise für größere Strukturbauteile im Bereich der Luft- und Raumfahrt. Aufgrund des hohen manuellen Fertigungsaufwands ist ein solches Verfahren jedoch nicht für eine Serienproduktion mit hohen Stückzahlen geeignet.Other methods, such. As the autoclave technology, are used for the production of small batches. From an economic point of view, such a technology is worthwhile, for example, for larger structural components in the aerospace industry. Due to the high manual manufacturing effort, however, such a method is not suitable for mass production in high quantities.

3. Darstellung der Erfindung3. Presentation of the invention

Die vorliegende Erfindung wurde durchgeführt, um die zuvor genannten Probleme zu lösen, und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Faserstrukturbauteilen bereitzustellen, bei dem auf den Einsatz von Pressen mit hoher Schließkraft verzichtet werden kann und somit die Herstellungskosten gesenkt werden kennen.The present invention has been accomplished in order to solve the aforementioned problems, and it is an object of the present invention to provide a process for producing fiber structure components, which can eliminate the use of high-clamping force presses and thus reduce manufacturing costs know.

Hierfür stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 1 bereit. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.For this purpose, the present invention provides a method according to claim 1. Further preferred embodiments can be found in the dependent claims.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden konventionelle Pressen mit hohen Schließkräften nicht mehr benötigt, was zu geringeren Investitionskosten führt. Ferner kann jedoch ein hoher Automatisierungsgrad beibehalten werden. Innerhalb der verwendeten Vorrichtung sind lediglich geringe Innendrücke für die Injektion und den ggf. Nachdruck erforderlich. Durch die Verwendung eines niedrig viskosen duroplastischen Materials können dennoch relativ kurze Zykluszeiten erreicht werden.Conventional presses with high closing forces are no longer needed with the method according to the invention, which leads to lower investment costs. Furthermore, however, a high degree of automation can be maintained. Within the device used only low internal pressures for injection and possibly repressions are required. By using a low-viscosity thermoset material still relatively short cycle times can be achieved.

Der Grad der Viskosität wird hierbei beispielsweise nach DIN 53211 bestimmt. Das Matrixmaterial kann in einem Temperaturbereich RT (Raumtemperatur) < ca. 160°C in ein bereits mit einem Faserrohling bestücktes Werkzeug eingefüllt werden, und behält die Viskosität vorzugsweise während des gesamten Füllvorgangs weitgehend bei. Dabei wird bei einem Füllvorgang insbesondere die Temperatur im Wesentlichen konstant gehalten.The degree of viscosity is, for example, after DIN 53211 certainly. The matrix material can be filled in a temperature range RT (room temperature) <about 160 ° C in a already equipped with a fiber blank tool, and preferably maintains the viscosity during the entire filling process largely. In this case, in particular the temperature is kept substantially constant during a filling process.

Die vorliegende Erfindung stellt hierzu ein Verfahren zur Herstellung eines Faserstrukturbauteils in einem Werkzeug bereit, welches Werkzeug eine untere und eine obere Werkzeughälfte aufweist, und zwar mit den Schritten: Einlegen eines Faserrohlings in das Werkzeug, Schließen der Werkzeughälften, Mischen eines niedrigviskosen, insbesondere duroplastischen, Matrixmaterials und anschließendes Einbringen eines Matrixmaterials in das Werkzeug.The present invention provides a method for producing a fiber structure component in a tool, which tool has a lower and an upper mold half, with the steps: inserting a fiber blank into the tool, closing the mold halves, mixing a low-viscosity, in particular thermosetting, Matrix material and then introducing a matrix material in the tool.

Da das Matrixmaterial bei der Einbringung in das Werkzeug eine niedrige Viskosität aufweist, kann das Werkzeug langsamer befüllt werden als dies bei den bekannten höher viskosen Materialien möglich ist. Denn bei diesen höher viskosen Materialien ist dafür zu sorgen, dass das Matrixmaterial in ausreichend kurzer Zeit in ein Werkzeug gelangt und den eingelegten Faserrohling tränkt, ohne Lufteinschlüsse auszubilden. Dies erfordert relativ hohe Drücke, die im Rahmen dieser Erfindung vermieden werden.Since the matrix material has a low viscosity when introduced into the tool, the tool can be filled more slowly than is possible with the known higher-viscosity materials. For these higher-viscosity materials is to ensure that the matrix material in a short enough time in a tool passes and the Inlaid fiber blank soaks without forming trapped air. This requires relatively high pressures, which are avoided in the context of this invention.

Bevorzugt wird nach dem Einbringen des Matrixmaterials ein Nachdruck mittels eines Druckmediums aufgebracht, wobei der Nachdruck insbesondere über diejenige Eintrittsöffnung eingebracht wird, durch die auch das Matrixmaterial in das Werkzeug gelangt. Durch Aufbringen des Nachdrucks wird das Matrixmaterial nochmals komprimiert und das Werkzeug von Lufteinschlüssen befreit. Zur Vermeidung von Luftrückständen im Werkzeug können deshalb Steigersysteme vorgesehen sein.Preferably, after the introduction of the matrix material, a reprinting is applied by means of a pressure medium, wherein the reprinting is introduced in particular via that inlet opening through which the matrix material also enters the tool. By applying the reprinting, the matrix material is compressed again and the tool is freed from air inclusions. To avoid air residues in the tool therefore riser systems can be provided.

In einer Verfahrensvariante kann es vorgesehen sein, dass der Reaktionsstart des Matrixmaterials, bei dem sich die Viskosität ändert und das Matrixmaterial aushärtet, einstellbar ist. Zur Einstellung wird beispielweise die Temperatur, die beim Befüllen vorherrscht, entsprechend der Dauer des Füllvorgangs festgelegt, so dass nach dessen Abschluss das Matrixmaterial in relativ kurzer Zeit (beispielsweise 20–30 Sekunden) aushärtet.In a variant of the method it can be provided that the reaction start of the matrix material, in which the viscosity changes and the matrix material hardens, is adjustable. For setting, for example, the temperature prevailing during filling, determined according to the duration of the filling process, so that after its completion, the matrix material in a relatively short time (for example, 20-30 seconds) hardens.

Es wird darauf abgezielt, dass sich die Viskosität nach Abschluss des Füllvorgangs schlagartig ändert. Um die Zykluszeit möglichst gering zu halten, sollte der Reaktionsstart möglichst unmittelbar nach Abschluss des Füllvorgangs erfolgen. Hierzu kann die während des Füllvorgangs vorherrschende Temperatur entsprechend gewählt werden. Beispielsweise wird das Werkzeug bei einer konstanten Temperatur im Bereich von RT ca. 160°C, besonders bevorzugt 70–90°C, befüllt. Dann härtet das Material nach Abschluss des Füllvorgangs, der rein beispielhaft ca. 4–5 Minuten andauert, relativ zügig nach ca. 20–30 Sekunden aus.It is intended that the viscosity change abruptly after completion of the filling process. In order to keep the cycle time as low as possible, the reaction should start as soon as possible after completion of the filling process. For this purpose, the prevailing during the filling process temperature can be selected accordingly. For example, the tool is filled at a constant temperature in the range of RT about 160 ° C., more preferably 70-90 ° C. Then the material hardens after completion of the filling process, which is purely exemplary for about 4-5 minutes, relatively quickly after about 20-30 seconds.

Im Hinblick auf die Viskosität des Matrixmaterials ist es bevorzugt, dass diese weniger 500 mPas, weiter bevorzugt 300 mPas sowie besonders bevorzugt 200 mPas beträgt. Da die Temperatur beim Füllvorgang bevorzugt konstant gehalten wird, und das verwendete Matrixmaterial Eigenschaften aufweist, nach denen sich die Viskosität über die Zeit des Füllvorgangs im Wesentlichen nicht oder nur geringfügig ändert, liegen die genannten Werte während bis Abschluss des Füllvorgangs vor.With regard to the viscosity of the matrix material, it is preferred that this is less than 500 mPas, more preferably 300 mPas and particularly preferably 200 mPas. Since the temperature during the filling process is preferably kept constant, and the matrix material used has properties according to which the viscosity does not change or changes only slightly over the time of the filling process, the values mentioned are present until completion of the filling process.

Ferner kann es vorgesehen sein, dass das Matrixmaterial mit 100 g/s, bevorzugt mit 30 g/s, in das Werkzeug eingebracht wird. Dabei verläuft das Einbringen des Matrixmaterials druckgesteuert, sodass der Druck konstant gehalten wird. Besonders bevorzugt ist es, den Druck kleiner 15 bar, insbesondere kleiner 10 bar, zu halten. Dies hat den Vorteil, dass geringere Rückhaltekräfte am Werkzeug bereitgestellt werden müssen.Furthermore, it can be provided that the matrix material is introduced into the mold at 100 g / s, preferably at 30 g / s. The introduction of the matrix material is pressure-controlled, so that the pressure is kept constant. It is particularly preferred to keep the pressure less than 15 bar, in particular less than 10 bar. This has the advantage that lower retention forces must be provided on the tool.

4. Kurze Beschreibung der Zeichnungen4. Brief description of the drawings

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung von Strukturbauteilen mit einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung. 1 shows a schematic representation of an apparatus for the production of structural components with a method according to the present invention.

5. Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform5. Detailed Description of the Preferred Embodiment

Anhand der nachfolgend beschriebenen Vorrichtung soll das erfindungsgemäße Verfahren rein beispielhaft erläutert werden.With reference to the apparatus described below, the inventive method will be explained purely by way of example.

In 1 ist ein RTM-Werkzeug 1 mit einer unteren Werkzeughälfte 1a und einer oberen Werkzeughälfte 1b dargestellt. Zwischen der oberen und der unteren Werkzeughälfte 1a und 1b ist Hohlraum 2 ausgebildet, in den ein Bauteilrohling (nicht dargestellt) eingelegt wird. Dieser Bauteilrohling weist Fasern auf, insbesondere gerichtete Fasern oder einen sogenannten Hybridfaserrohling.In 1 is an RTM tool 1 with a lower mold half 1a and an upper tool half 1b shown. Between the upper and lower mold halves 1a and 1b is cavity 2 formed, in which a component blank (not shown) is inserted. This component blank has fibers, in particular directed fibers or a so-called hybrid fiber blank.

Am Werkzeug 1 ist ein Werkzeugangusssystem 3 vorgesehen, durch das ein niedrig-viskoser Matrixmaterial eingeführt wird. Am Werkzeugangusssystem 3 ist eine Nachdruckeinheit 4 angeschlossen, die einen Anschluss für ein Druckmedium 5 aufweist. Ferner ist an einer Nachdruckeinheit 4 ein Mischkopf 6 angeschlossen.On the tool 1 is a tool jig system 3 provided by which a low-viscosity matrix material is introduced. At the tool feeder system 3 is a reprint unit 4 connected to a port for a print medium 5 having. Furthermore, at a reprint unit 4 a mixing head 6 connected.

Im Betrieb wird ein Strukturteilrohling aus einem Fasermaterial zwischen die Werkzeughälften 1a, 1b eingelegt, und diese geschlossen. Auschließend wird ein niedrig-viskoser Matrixmaterial vom Mischkopf in die Nachdruckeinheit 4 eingebracht. Die Viskosität des Matrixmaterials wird während des gesamten Füllvorgangs im Wesentlichen konstant gehalten.In operation, a structural blank of a fibrous material between the tool halves 1a . 1b inserted, and these closed. Excluding a low-viscosity matrix material from the mixing head in the reprinting unit 4 brought in. The viscosity of the matrix material is kept substantially constant throughout the filling process.

Zur Injektion des Matrixmaterials wird ein Ventil zum Anschluss des Druckmediums 5 geöffnet, und die zwischen den Werkzeughälften 1a, 1b eingelegten Fasern imprägniert. Zum Ausgleich des Volumenverlusts beim Abkühlen und Aushärten des Matrixmaterials wird durch die Nachdrückeinheit zusätzlicher Matrixmaterial unter Aufbringung von Druck eingebracht. Ferner verhindern Steigersysteme Hohlräume beim Imprägnieren des Strukturteilrohlings.For injection of the matrix material is a valve for connecting the pressure medium 5 open, and between the tool halves 1a . 1b Inlaid fibers impregnated. To compensate for the volume loss during cooling and curing of the matrix material is introduced by the Nachdrückeinheit additional matrix material under application of pressure. Furthermore, riser systems prevent cavities during impregnation of the structural part blank.

Aufgrund der niedrigen Viskosität des Matrixmateriales (Viskosität beider Komponenten beträgt ca. 200 mPas oder weniger) sind die Injektionsdrücke sowie die am Werkzeug aufzubringenden Rückhaltekräfte relativ gering zu wählen. Nachdem das niedrig viskose Matrixmaterial gut zwischen die Fasern des Strukturbauteils eindringt und anschließend aushärtet, kann das fertige Strukturbauteil aus dem Werkzeug 1 entnommen werden.Due to the low viscosity of the matrix material (viscosity of both components is about 200 mPas or less), the injection pressures and the restraining forces to be applied to the tool are relatively low. After the low-viscosity matrix material penetrates well between the fibers of the structural component and then hardens, the finished structural component can be removed from the tool 1 be removed.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • DIN 53211 [0010] DIN 53211 [0010]

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung eines Faserstrukturbauteils in einem Werkzeug (1), das eine untere und eine obere Werkzeughälfte (1a, 1b) aufweist, mit den Schritten: – Einlegen eines Faserrohlings in das Werkzeug (1), – Schließen der Werkzeughälften (1a, 1b), – Mischen eines niedrig viskosen Matrixmaterials aus zumindest zwei Komponenten, wobei die Viskosität des gemischten Matrixmaterials bevorzugt weniger als 500 mPas beträgt, und anschließendes – Einbringen des niedrig viskosen Matrixmaterials in das Werkzeug (1), wobei die Viskosität des Matrixmaterials während des Einbringens insbesondere im Wesentlichen konstant bleibt.Method for producing a fibrous structural component in a tool ( 1 ), a lower and an upper mold half ( 1a . 1b ), comprising the steps of: - inserting a fiber blank into the tool ( 1 ), - closing the tool halves ( 1a . 1b ), - Mixing a low-viscosity matrix material of at least two components, wherein the viscosity of the mixed matrix material is preferably less than 500 mPas, and then - introducing the low-viscosity matrix material into the tool ( 1 In particular, the viscosity of the matrix material remains substantially constant during the introduction. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur während des Einbringens des Matrixmaterials in das Werkzeug (1) im Wesentlichen konstant gehalten wird.A method according to claim 1, characterized in that the temperature during the introduction of the matrix material into the tool ( 1 ) is kept substantially constant. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reaktionsstart des Matrixmaterials einstellbar ist, insbesondere durch Auswahl der Temperatur während des Einbringens des Matrixmaterials.A method according to claim 1 or 2, characterized in that a reaction start of the matrix material is adjustable, in particular by selecting the temperature during the introduction of the matrix material. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität des gemischten Matrixmaterials weniger als 300 mPas beträgt.A method according to claim 1, characterized in that the viscosity of the mixed matrix material is less than 300 mPas. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität des gemischten Matrixmaterials weniger als 200 mPas beträgt.A method according to claim 4, characterized in that the viscosity of the mixed matrix material is less than 200 mPas. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen des Matrixmaterials mit 20 bis 100 g/s stattfindet.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the introduction of the matrix material takes place at 20 to 100 g / s. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen des Matrixmaterials mit 20 bis 30 g/s, insbesondere mit im Wesentlichen 30 g/s, stattfindet.A method according to claim 6, characterized in that the introduction of the matrix material takes place at 20 to 30 g / s, in particular at substantially 30 g / s. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen des Matrixmaterials druckgesteuert abläuft, wobei der Druck konstant gehalten wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the introduction of the matrix material is pressure-controlled, wherein the pressure is kept constant. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck zum Einbringen des Matrixmaterials kleiner 15 bar gehalten wird.A method according to claim 8, characterized in that the pressure for introducing the matrix material is kept smaller than 15 bar. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck zum Einbringen des Matrixmaterials kleiner 10 bar, insbesondere zwischen 8 und 10 bar gehalten wird.A method according to claim 8, characterized in that the pressure for introducing the matrix material less than 10 bar, in particular between 8 and 10 bar is maintained.
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