DE102011119856B4

DE102011119856B4 - Process for the production of fiber composite components

Info

Publication number: DE102011119856B4
Application number: DE102011119856.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hahn; Christoph Ebelding
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-24
Filing date: 2011-11-24
Publication date: 2014-09-04
Anticipated expiration: 2031-11-25
Also published as: DE102011119856A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen durch Zusammenfügen von Lagen und/oder Matten aus faserförmigen Materialen mit jeweils unterschiedlicher Faserorientierung und Herstellung von unlösbaren Verbindungen zwischen den Lagen und/oder Matten zwecks Schaffung konstruktiv vorgegebener geometrischer Bauteilformen, dadurch gekennzeichnet, dass für die zu erreichenden technischen Parameter der zu schaffenden Bauteilformen mindestens zwei in der geometrischen Form unterschiedliche sowie aus unidirektional oder stochastisch ausgerichteten Fasern bestehenden Faseranordnungen unterschiedlich ausgebildeter Lagen und/oder Matten unlösbar zusammengefügt werden, wobei ein maximal möglicher Einsatz an Materialien mit stochastisch orientierten Fasern vorgesehen wird und dass sich hierbei die Wirrfaserlagen (4) und unipolaren Faserlagen (1; 2) bei deren gegenseitigem Ersatz in lokal unterschiedlichen Faserebenen befinden.Process for the production of fiber composite components by joining layers and / or mats of fibrous materials with different fiber orientations and production of permanent connections between the layers and / or mats for the purpose of creating structurally predetermined geometrical component shapes, characterized in that for the technical parameters to be achieved the Component shapes to be created at least two different geometrically and unidirectionally or stochastically aligned fibers consisting of fiber arrangements of differently designed layers and / or mats are permanently joined together, whereby the maximum possible use of materials with stochastically oriented fibers is provided and that the random fiber layers 4) and unipolar fiber layers (1; 2) are located in locally different fiber planes when they are mutually replaced.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen durch Zusammenfügen von Lagen und/oder Matten aus faserförmigen Materialien mit jeweils unterschiedlicher Faserorientierung und Herstellung von unlösbaren Verbindungen zwischen den Lagen und/oder Matten zwecks Schaffung konstruktiv vorgegebener geometrischer Bauteilformen, mit dem bei einem kostenmäßig optimalen Materialeinsatz eine optimale Anordnung unterschiedlich gestalteter Faserverbundbestandteile für herzustellende Bauteile mit beliebigen Kompliziertheitsgraden ermöglicht wird. Das Verfahren ist gleichermaßen für beliebige Faserwerkstoffe und Matrixmaterialien anwendbar.The invention relates to a method for the production of fiber composite components by joining layers and / or mats of fibrous materials, each with different fiber orientation and production of permanent joints between the layers and / or mats in order to create structurally given geometrical component shapes, with the cost optimal material use an optimal arrangement of differently shaped fiber composite components for components to be produced with any degree of complexity is made possible. The method is equally applicable to any fiber materials and matrix materials.

Bekannt ist nach der DE 10 2007 042 287 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils durch Zusammenfügen von mehreren jeweils flächigen Fasermateriallagen, bei denen in sich an den Grenzflächen bildenden Zwischenräumen Vliesmaterial eingefügt wird. Danach werden die Fasermateriallagen und das Vliesmaterial mit einem Matrixmaterial infiltriert und alle Materialbestandteile ausgehärtet. Durch die Verwendung von Vliesmaterial zur Auffüllung der sich bei der Zusammenfügung insbesondere bei gekrümmten Oberflächen ergebenden Zwischenräumen wird eine einfache und kostengünstige Herstellung der Faserverbundbauteile erreicht. Diese Herstellungsweise der betreffenden Faserverbundbauteile erfolgt dabei in gleich bleibender und hoher Qualität. Bei dem als Füllkörper zur Anwendung kommenden Vliesmaterial kommen Materialien zum Einsatz, die aus lose zusammengelegten Fasern bestehen und deren Festigkeit im Wesentlichen auf der fasereigenen Haftung beruht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind die Fasern des Vliesmaterials isotrop, also stochastisch orientiert. Mit der Anwendung eines beispielsweisen derart ausgebildeten Wirrlagenvliesstoffes werden neben günstigen mechanischen Bauteileigenschaften auch Vorteile bei der Herstellung des betreffenden Füllkörpers und der Einbringung in den auszufüllenden Zwischenraum erzielt, da aufgrund der Isotropie die Faserorientierung nicht beachtet werden muss. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch der kostenaufwendige Einsatz der Fasermateriallagen für die herzustellenden Bauteile. Diese strukturellen Fasermateriallagen bestehen aus Fasern, wie beispielsweise Glasfasern, Kohlestofffasern, synthetischen Kunststofffasern, Stahlfasern oder Naturfasern. Der bei der Herstellung der Bauteile erforderliche hohe Verschnitt der Fasermateriallagen macht den Herstellungsprozess unwirtschaftlich. Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von Faserverbundbauteilen, das eine effizientere Nutzung von unterschiedlich strukturierten Faserverbundmaterialien ermöglicht und dabei eine erweiterte Auswahl und optimierte Erreichung der zu erzielenden Eigenschaften der Bauteile möglich wird. Gelöst wird diese Aufgabe durch das erfindungsgemäße Verfahren nach den beschreibenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens werden mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 6 beschrieben. Ausgehend von den zu erreichenden Parametern der Faserverbundbauteile wie Gewicht, Steifigkeit, Festigkeit, Oberflächenqualität und der vorgegebenen Bauteilgeometrie wird unter Einbeziehung eines maximal möglichen Anteils an aus willkürlich (stochastisch) angeordneten Fasern bestehenden Faserverbundbestandteilen ein optimales Verfahren vorgeschlagen. Durch Anwendung dieses Verfahrens wird die Verwendung von Verschnitt bzw. Abfall von bisher ausschließlich zur Anwendung gekommenen kostenaufwendig in Vorzugsrichtungen der Faserorientierung hergestellten Materialien und die Nutzung von recycelten Fasern aus anderen Herstellungsprozessen (CFK, GFK, Aramide, Hanf etc.) ermöglicht. Desweiteren werden die mit diesen Faserverbundbestandteilen erzielbaren Eigenschaften mit denen der durch Anwendung der bisherigen Materialien kombiniert. So kann beispielsweise durch den Einsatz von stochastisch angeordneten Fasern bestehendem Vliesmaterial die Oberflächenqualität der Faserverbundbauteile erhöht werden. Weiterhin kann durch Anwendung des Vliesmaterials eine geforderte erhöhte Schlagresistenz (Impact resistance) der herzustellenden Bauteile erreicht werden. Durch Ausrichtung der Fasern des Vlieses können bei den Vliesmaterialien vorteilhafte Vorzugsrichtungen hergestellt werden. Aufgrund dieser gezielten Richtungsgebungen können die Struktureigenschaften des Vlieses den jeweiligen strukturellen Erfordernissen der herzustellenden Faserverbundbauteile angepasst werden. Mit den erzielbaren Zwischenstufen der Vliesmaterialien wird einerseits der Aufwand so gering wie möglich gehalten und andererseits werden die erforderlichen Struktureigenschaften hergestellt. Bei der Durchführung des Verfahrens wird eine Optimierung hinsichtlich der Kosten der zum Einsatz kommenden unterschiedlich strukturierten Faserverbundmaterialien und den zu erreichenden Eigenschaften der herzustellenden Bauteile vorgenommen. Dabei wird bei der Auswahl und geometrischen Gestaltung der Faserverbundbestandteile von einem maximal möglichen Einsatz an Materialien mit stochastisch orientierten Fasern ausgegangen. Dieser maximal mögliche Materialeinsatz wird von den Parametern der zu erzielenden Eigenschaften wie Gewicht, Steifigkeit, Festigkeit, Oberflächenqualität und Bauteilgeometrie begrenzt. So kann der Einsatz von kostengünstigem Wirrfaserlaminat unter Beibehaltung der geforderten Steifigkeit und Festigkeit durch eine höhere Wandstärke des Wirrfaserlaminats ausgeglichen werden. Da die höhere Wandstärke zwangsläufig mit einem höheren Gewicht verbunden ist, stellt das angestrebte maximale Gewicht wiederum eine Grenze für den maximal möglichen Einsatz an diesem geometrischen Einsatzort des Faserverbundbauteils dar. Weiterhin kann es auch durch die konstruktive Bauteilgestaltung aufgrund der bewirkten Wandverstärkungen auch zum verringerten Bedarf an kostenintensiven Materialien mit unidirektional gelagerten Fasern kommen. Durch die geschaffenen Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch variierbare Kombinationen isotroper Fasermaterialien mit Materialien aus unidirektional gelagerten Fasern breitere Anwendungsbereiche erzielt. Neben der Senkung der Materialkosten, der Erhöhung der Nachhaltigkeit und der Senkung des Energieaufwandes kann durch die geschaffene größere Auswahl der erreichbaren Eigenschaften die Qualität und Vielfältigkeit der herzustellenden Faserverbundbauteile erhöht werden.It is known after the DE 10 2007 042 287 A1 a method for producing a fiber composite component by joining a plurality of each two-dimensional fiber material layers, in which nonwoven material is inserted in at the interfaces forming spaces. Thereafter, the fiber material layers and the nonwoven material are infiltrated with a matrix material and all material components are cured. The use of nonwoven material to fill the resulting in the assembly, especially in curved surfaces gaps a simple and inexpensive production of fiber composite components is achieved. This method of production of the relevant fiber composite components takes place in a consistent and high quality. In the nonwoven material used as filler come materials are used, which consist of loosely folded fibers and whose strength is based essentially on the fiber's own liability. In a preferred embodiment of the method, the fibers of the nonwoven material are isotropic, ie oriented stochastically. With the application of an example so trained random nonwoven fabric advantages in the production of the respective packing and the introduction into the space to be filled are achieved in addition to favorable mechanical component properties, since due to the isotropy, the fiber orientation does not have to be considered. However, a disadvantage of this method is the costly use of the fiber material layers for the components to be produced. These structural fiber material layers are made of fibers such as glass fibers, carbon fibers, synthetic synthetic fibers, steel fibers or natural fibers. The required in the production of components high waste of fiber material layers makes the manufacturing process uneconomical. The object of the invention is therefore to provide a method for the production of fiber composite components, which allows a more efficient use of differently structured fiber composite materials and thereby an extended selection and optimized achievement of the properties of the components to be achieved is possible. This object is achieved by the inventive method according to the descriptive features of claim 1. Advantageous developments of the method are described with the characterizing features of claims 2 to 6. Based on the parameters to be achieved of the fiber composite components such as weight, stiffness, strength, surface quality and the given component geometry, an optimal method is proposed, including a maximum possible proportion of randomly arranged (stochastically) arranged fiber composite components. By using this method, the use of waste or waste of previously exclusively used cost-consuming in preferred directions of fiber orientation materials and the use of recycled fibers from other manufacturing processes (CFRP, GRP, aramids, hemp, etc.) is made possible. Furthermore, the achievable with these fiber composite components properties are combined with those by applying the previous materials. For example, by using stochastically arranged fibers of existing nonwoven material, the surface quality of the fiber composite components can be increased. Furthermore, by applying the nonwoven material a required increased impact resistance (impact resistance) of the components to be produced can be achieved. By aligning the fibers of the nonwoven advantageous directions can be prepared in the nonwoven materials. Because of these targeted directions, the structural properties of the web can be adapted to the respective structural requirements of the fiber composite components to be produced. With the achievable intermediates of the nonwoven materials on the one hand the cost is kept as low as possible and on the other hand, the required structural properties are produced. In carrying out the method, an optimization is carried out with regard to the costs of the differently structured fiber composite materials used and the properties of the components to be produced. It is assumed in the selection and geometric design of the fiber composite components of a maximum possible use of materials with stochastically oriented fibers. This maximum possible use of materials is limited by the parameters of the properties to be achieved, such as weight, rigidity, strength, surface quality and component geometry. Thus, the use of inexpensive fiberglass laminate while maintaining the required stiffness and strength can be compensated by a higher wall thickness of the random fiber laminate. Since the higher wall thickness is necessarily associated with a higher weight, the desired maximum weight again represents a limit to the maximum possible use of this geometric location of the fiber composite component. Furthermore, it may also be due to the structural design of components due to the effect wall reinforcements also reduced demand costly materials come with unidirectionally stored fibers. Due to the possibilities provided by the method according to the invention, broader fields of application are achieved by variable combinations of isotropic fiber materials with materials of unidirectionally stored fibers. In addition to the reduction of material costs, the increase of sustainability and the reduction of energy consumption, the quality and diversity of the fiber composite components to be produced can be increased by the greater choice of achievable properties.

Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigenBelow, the method according to the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. In the drawing show

1: die schematische Anordnung der bisherigen Fasermateriallagen, 1 : the schematic arrangement of the previous fiber material layers,

2: die schematische Darstellung einer gewichtsoptimierten Anordnung mit unterschiedlich strukturierten Fasermateriallagen und 2 : the schematic representation of a weight-optimized arrangement with differently structured fiber material layers and

3: die schematische Darstellung eines prozessoptimierten Verbundes isotrop strukturierter Fasermateriallagen. three : The schematic representation of a process-optimized composite of isotropically structured fiber material layers.

In der 1 wird schematisch die Anordnung von mehreren Lagen 1, 2 aus endlosverstärkten unipolaren Materialfasern dargestellt, die mittels einer Klebschicht 3 miteinander verbunden sind. Das im Stand der Technik bisher zur Anwendung kommende Verfahren zur Herstellung von strukturellen Faserverbundbauteilen in hohen Stückzahlen (RTM Verfahren) ist aufgrund des hohen Anteils an Verschnitt und Abfalls unwirtschaftlich. Aber auch bei den Herstellungsverfahren für Prepreg und Handlaminaten, die derzeit als Einzelstücke oder im Rahmen von Kleinserien gefertigt werden, wirkt sich der auftretende Anteil an Verschnitt und Abfall negativ auf die Herstellungskosten aus. So wirkt sich beispielsweise der hohe Materialpreis bei der Anwendung von Kohlefasern deutlich auf die Höhe der Herstellungskosten der Faserverbundbauteile aus. Ebenso wirkt sich der hohe materialmäßige und kostenintensive Aufwand negativ auf die Nachhaltigkeit und Energieaufwendung aus. Weiterhin erfolgt der kostenintensive Materialeinsatz beider Materialfaserlagen 1, 2 über die gesamte Einsatzfläche.In the 1 schematically the arrangement of several layers 1 . 2 represented by endlessly reinforced unipolar material fibers, which by means of an adhesive layer three connected to each other. The method used hitherto in the prior art for the production of structural fiber composite components in high quantities (RTM method) is uneconomical due to the high proportion of waste and waste. But also in the production processes for prepreg and hand laminates, which are currently produced as individual pieces or in the context of small series, the occurring proportion of waste and waste has a negative effect on the production costs. For example, the high cost of materials in the application of carbon fibers has a significant effect on the level of manufacturing costs of fiber composite components. Likewise, the high material and cost-intensive effort has a negative effect on the sustainability and energy expenditure. Furthermore, the cost-intensive use of material of both material fiber layers takes place 1 . 2 over the entire application area.

In der 2 ist die schematische Darstellung mehrerer unterschiedlich strukturierter Fasermateriallagen dargestellt, die entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren aus einer Verbindung von endlosverstärkten mit kurz-/angfaserverstärkten Faserverbundmaterialien bestehen. Dargestellt ist die Anordnung einer Wirrfaserlage 4 mit einer unipolaren Materialfaserlage 2 und deren Verbindung mittels einer Klebschicht 3. Dabei wird mindestens eine endlosverstärkte Fasermateriallage durch eine kurz-/langfaserverstärkte Fasermateriallage vollständig oder teilweise substituiert. Die kurz-/langfaserverstärkte Fasermateriallage wird aus dem Verschnitt der endlosverstärkten Fasermateriallage oder aus Recylat gewonnen. Die Materialkosten können dadurch entscheidend gesenkt werden. Die mit dem Einsatz der Wirrfaserlage 4 verbundene Senkung der Steifigkeit und/oder Festigkeit wird durch Anwendung einer höheren Wandstärke der Wirrfaserlage 4 wieder ausgeglichen. Die Erhöhung der Wandstärke bedingt wiederum ein höheres Gewicht. Die Erhöhung des Gewichts kann jedoch durch den reduzierten Einsatz der unipolaren Materialfaserlage 2 ausgeglichen werden. So kann beispielsweise im Automobilbau der Einsatz von unidirektionalen Fasern bei einem dort zur Anwendung kommenden typischen Schwellerprofils nur noch im Bereich des Profilinnenraums erforderlich werden.In the 2 the schematic representation of several differently structured fiber layers is shown, which consist according to the inventive method of a compound of endless reinforced with short / angfaserverstärkten fiber composite materials. Shown is the arrangement of a tangled fiber layer 4 with a unipolar material fiber layer 2 and their connection by means of an adhesive layer three , At least one endlessly reinforced fiber material layer is completely or partially substituted by a short- / long-fiber-reinforced fiber material layer. The short- / long-fiber-reinforced fiber material layer is obtained from the blend of the endlessly reinforced fiber material layer or recylate. The material costs can be significantly reduced. The with the use of the tangled fiber layer 4 Associated reduction in stiffness and / or strength is achieved by using a higher wall thickness of the random fiber layer 4 balanced again. The increase in wall thickness in turn requires a higher weight. However, the increase in weight may be due to the reduced use of the unipolar material fiber layer 2 be compensated. Thus, for example, in automobile construction, the use of unidirectional fibers in a typical sill profile used there can only be required in the region of the profile interior.

Die Darstellung der 3 zeigt die schematische Anordnung mit einer vollständigen Substitution der unipolaren Materialfaserlagen durch Wirrfaserlagen 4. Bei dieser Variante liegt die damit verbundene Erhöhung des Gewichts innerhalb des vorgegebenen maximalen Grenzwertes. Für die Herstellung der jeweiligen Art der Faserverbundbauteile wird von einer Bewertung der zu erzielenden Parameter (Eigenschaften) ausgegangen. Soll beispielsweise ein geringes Gewicht des Faserverbundbauteils erreicht werden und dabei ein maximal erzielbarer Einsatz an isotropen Fasermaterialien angestrebt werden, so wird dies auch durch teilweise Substitutionen einzelner Lagen ermöglicht.The presentation of the three shows the schematic arrangement with a complete substitution of the unipolar material fiber layers by tangled fiber layers 4 , In this variant, the associated increase in weight is within the predetermined maximum limit. For the production of the respective type of fiber composite components, an evaluation of the parameters to be achieved (properties) is assumed. If, for example, a low weight of the fiber composite component is to be achieved and a maximum achievable use of isotropic fiber materials is sought, this is also made possible by partial substitutions of individual layers.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: unipolare Materialfaserlageunipolar material fiber layer
22: unipolare Materialfaserlageunipolar material fiber layer
33: Klebschichtadhesive layer
44: WirrfaserlageRandom fiber layer

Claims

Process for the production of fiber composite components by joining layers and / or mats of fibrous materials, each with different fiber orientation and production of permanent joints between the layers and / or mats for the purpose of creating geometrically predetermined component shapes, characterized in that for the technical parameters to be achieved to be created component forms at least two different in the geometric shape and from unidirectional or stochastically aligned fibers existing fiber assemblies of different trained layers and / or mats are inextricably assembled, with a maximum possible use of materials with stochastically oriented fibers is provided and that in this case the tangled fiber layers ( 4 ) and unipolar fiber layers ( 1 ; 2 ) in their mutual replacement in locally different fiber levels.

A method according to claim 1, characterized in that the fiber composite components are manufactured by adapted to the parameters to be achieved arrangement of short / long fiber reinforced layers and / or mats and endlessly reinforced layers and / or mats.

Method according to Patent Claim 1, characterized in that the fiber composite components are produced by means of arrangements of layers and / or mats arranged from fibers oriented in at least two different directions and layers and / or mats consisting of stochastically oriented fibers, adapted to the parameters to be achieved.

Method according to claims 1 and 3, characterized in that the fiber composite components are produced from layers and / or mats with endlessly reinforced fibers in the form of consolidated nonwoven materials and / or felts (wet and / or dry felts).

Method according to claim 1, characterized in that the layers and / or mats consisting of stochastically aligned fibers are produced from the waste (waste) of the unidirectionally oriented layers and / or mats.

Method according to claim 1, characterized in that the layers and / or mats consisting of stochastically oriented fibers are produced from recycled fiber materials of other production processes (CFRP, GFRP, aramide hemp).