DE102011121883A1 - Method for preparation of molded unit, involves applying polymeric matrix material, and applying positive and negative charge carriers to fiber semi-finished product and electrode in tool respectively for fixing product at tool - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils, bei dem innerhalb eines formgebenden Werkzeugs ein Faserhalbzeug fixiert und anschließend insbesondere polymeres Matrizenmaterial zugeführt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formteils mit einer Zuführung für eine insbesondere polymere Matrix zu einem innerhalb eines formgebenden Werkzeugs der Vorrichtung fixierbaren Faserhalbzeug.The invention relates to a method for producing a molded part, in which a semi-finished fiber is fixed within a forming tool and then in particular polymeric matrix material is supplied. Furthermore, the invention relates to a device for producing a molded part with a feed for a particular polymeric matrix to a fixable within a forming tool of the device semi-finished fiber.
Aus dem Stand der Technik sind bereits eine Vielzahl von Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen aus Faserhalbzeugen mittels eines Injektionsverfahrens und dementsprechend zur Durchführung der Verfahren bestimmte Vorrichtungen bekannt. Ein solches Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Duroplasten oder Elastomeren ist beispielsweise das Resin Transfer Moulding (RTM).From the prior art, a variety of methods for the production of fiber-reinforced plastic components from semifinished fiber products by means of an injection method and accordingly for the implementation of the method certain devices are known. Such a process for the production of moldings from thermosets or elastomers is, for example, Resin Transfer Molding (RTM).
Bei solchen bekannten Verfahren werden trockene Faserhalbzeuge, sogenannte Preforms, verwendet, um Bauteile mit der gewünschten Geometrie herzustellen. Das trockene Faserhalbzeug kann hierbei als Gewebe, Gewirke, Gelege, als Multiaxialgelege oder als kettverstärktes unidirektionales Halbzeug vorliegen.In such known methods dry semi-finished fiber products, so-called preforms, are used to produce components with the desired geometry. The dry semifinished fiber product can be present here as a woven, knitted or laid fabric, as a multiaxial fabric or as a warp-reinforced unidirectional semifinished product.
Die genannten Preforms finden bei der Herstellung von Bauteilen aus Faserhalbzeugen Anwendung und sind ein Zwischenarbeitsgang, bevor die Infiltration durch Harz und die Aushärtung erfolgt. Das Preforming ist erforderlich, weil die Faserhalbzeuge einerseits biegeschlaff sind, andererseits aber Verformungswiderstände aufweisen, die einer faltenfreie Anlage an eine formgebende Auflage entgegenwirken.The preforms mentioned are used in the production of components from semifinished fiber products and are an intermediate operation before the infiltration by resin and the curing takes place. The preforming is necessary because the semi-finished fiber products are limp on the one hand, but on the other hand have deformation resistances, which counteract a wrinkle-free investment in a shaping support.
Beim Stand der Technik ist daher insbesondere im Bereich sogenannter Geometrieschwerpunkte eine schrittweise Vorformung erforderlich, in welcher die gewünschte Sollgeometrie hergestellt wird. Beispielsweise können so auch Teilbereiche eines Gesamtbauteils vorgeformt und abschließend gemeinsam in dem Werkzeug mit der Matrize beaufschlagt werden.In the prior art, therefore, in particular in the area of so-called center of gravity, a stepwise preforming is required, in which the desired desired geometry is produced. For example, partial areas of an overall component can thus also be preformed and, finally, acted upon jointly by the die in the tool.
Zur Fixierung der Vorformung werden beispielsweise Bindemittel eingesetzt, die als Pulver appliziert und durch Aufschmelzen eingebracht werden.To fix the preforming example, binders are used, which are applied as a powder and introduced by melting.
Die
Weiterhin ist die Verwendung trockener Preform-Teile aus der
Bei dem aus der
Außerdem offenbart die
Die
Ferner ist aus der
Der mit dem Vorformen des Faserhalbzeugs verbundene zusätzliche Aufwand verursacht in der Praxis einen erheblichen Teil der anfallenden Kosten sowie der Zykluszeit im Herstellungsprozess.The additional expense associated with preforming the semifinished fiber product in practice causes a considerable part of the costs incurred and the cycle time in the production process.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Faserhalbzeugen wesentlich zu verbessern. Weiterhin soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden.Against this background, the invention has the object to significantly improve the process for the production of moldings from semi-finished fiber products. Furthermore, an apparatus for carrying out the method is to be created.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.The first object is achieved by a method according to the features of
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem das Faserhalbzeug in einer an die Sollform des herzustellenden Formteils angepassten Auflage fixiert wird, indem eine der Auflage zugeordnete Elektrode einerseits und das Faserhalbzeug andererseits mit Ladungsträgern mit unterschiedlichen Vorzeichen beaufschlagt werden. Hierdurch wird aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Ladungen eine Anziehungskraft auf das Faserhalbzeug erzeugt, welche eine sichere und zuverlässige Fixierung sowie auch eine Formgebung des Faserhalbzeugs innerhalb des Werkzeugs gestattet. Indem also die Formgebung innerhalb des Werkzeugs erfolgt, kann auf eine nach dem Stand der Technik bei dem RTM-Prozess vorgelagerte Vorformung des Faserhalbzeugs verzichtet und somit der Herstellungsaufwand wesentlich vermindert werden. Vielmehr wird die Formung durch eine gegenseitige Anziehungskraft des mit den Ladungsträgern bestückten Faserhalbzeugs und der Elektrode erreicht.According to the invention, therefore, a method is provided in which the semifinished fiber product is fixed in a contact adapted to the desired shape of the molded article by an electrode assigned to the support on the one hand and the semifinished fiber on the other hand are charged with charge carriers of different signs. As a result, due to the different electrical charges, an attractive force is generated on the semifinished fiber product, which permits a secure and reliable fixing as well as a shaping of the semifinished fiber product within the tool. Thus, by the shaping takes place within the tool, can be dispensed with prior to the prior art in the RTM process pre-shaping of the semifinished fiber and thus the production costs are substantially reduced. Rather, the shaping is achieved by a mutual attraction of the loaded with the charge carriers semifinished fiber and the electrode.
Zur Vermeidung eines unerwünschten Potentialausgleichs wird die Elektrode gegenüber der Auflage elektrisch isoliert. Vorzugsweise wird die Ladung mittels einer in das Werkzeug integrierten Ladungskontaktierung auf das Faserhalbzeug übertragen.To avoid unwanted potential equalization, the electrode is electrically insulated from the support. Preferably, the charge is transferred to the fiber semi-finished product by means of a charge contact integrated into the tool.
Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass das Faserhalbzeug lediglich kraftschlüssig fixiert wird, sodass beim Schließen des Werkzeugs die Position des Faserhalbzeugs auf seiner formgebenden Auflage gegebenenfalls noch verändert, insbesondere also korrigiert werden kann. Dabei gleitet das Faserhalbzeug auf der Auflage, ohne dass die Fixierkraft dadurch unterbrochen wird. Vielmehr unterstützt die konstant wirksame Haltekraft die flächige Anlage und zugleich die Formgebungen durch das Werkzeugoberteil.It proves to be particularly advantageous that the semi-finished fiber is merely fixed non-positively, so that when closing the tool, the position of the semifinished fiber on its shaping support may still be changed, so in particular can be corrected. The semi-finished fiber slides on the support, without the fixing force is interrupted. Rather, the constant effective holding force supports the surface conditioning and at the same time the shapes through the upper tool.
Dabei erweist es sich als besonders vielseitig einsetzbar, wenn die gegensätzliche Ladung nach dem elektrostatischen Prinzip auf das Faserhalbzeug übertragen wird. Dieses Verfahren kann gleichermaßen für leitende sowie auch für nichtleitende Materialien des Faserhalbzeugs angewendet werden. Hierzu wird das in dem Werkzeug abgelegte Faserhalbzeug mittels eines Manipulators beispielsweise mit positiven Ladungsträgern geladen. Die in dem Werkzeug angeordnete und gegenüber einem direkten Ladungsausgleich durch eine Elektroisolationsbeschichtung getrennte Elektrode wird entsprechend mit negativen Ladungsträgern beaufschlagt. Durch die entgegengesetzte Aufladung der Faserhalbzeuge und der Elektrode kommt es zu einer gewünschten Elektroadhäsion zur notwendigen Fixierung des Faserhalbzeugs.It proves to be particularly versatile, if the opposite charge is transferred to the semi-finished fiber according to the electrostatic principle. This method can be applied equally to conductive as well as non-conductive materials of the semifinished fiber product. For this purpose, the semi-finished fiber stored in the tool is loaded by means of a manipulator, for example with positive charge carriers. The arranged in the tool and compared to a direct charge compensation by an electrical insulation coating electrode is applied accordingly with negative charge carriers. The opposite charging of the semi-finished fiber products and the electrode leads to a desired electro-adhesion to the necessary fixation of the semifinished fiber product.
Eine andere, ebenfalls besonders praxisnahe Ausgestaltung des Verfahrens wird dadurch erreicht, dass ein Stromfluss in gleicher Richtung durch das Faserhalbzeug einerseits und die Elektrode andererseits erzeugt wird. Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Prinzip der bewegten Ladungsträger ist für elektrisch leitende Materialien des Faserhalbzeugs anwendbar. Dabei wird durch das elektrisch leitfähige Faserhalbzeug und die Elektrode ein Fluss der Ladungsträger in gleicher Richtung erzeugt. Dadurch kommt es zu einer elektromagnetischen Anziehungskraft.Another, likewise particularly practical embodiment of the method is achieved in that a current flow in the same direction through the semifinished fiber on the one hand and the electrode on the other hand is generated. This variant of the method according to the invention of the moving charge carriers is applicable to electrically conductive materials of the semifinished fiber product. In this case, a flow of the charge carriers in the same direction is generated by the electrically conductive semi-finished fiber product and the electrode. This leads to an electromagnetic attraction.
Eine weitere, ebenfalls besonders zweckmäßige Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch erreicht, dass durch eine Umkehrung der Ladung entweder der Elektrode oder des Faserhalbzeugs eine Abstoßungskraft erzeugt wird. Hierdurch wird in einfacher Weise durch die übereinstimmende positive oder negative Ladung der Elektrode und des aus dem Faserhalbzeug erzeugten Formteils eine Abstoßungskraft realisiert, um so die Entnahme des Formteils aus der Form zu unterstützen. Zu diesem Zweck wird nach dem elektrostatischen Prinzip an der Elektrode sowie an dem Formteil die gleiche Ladungsträgerart erzeugt. Bei dem elektromagnetischen Prinzip werden das Faserhalbzeug und die Elektrode in entgegengesetzter Richtung mit elektrischen Ladungsträgern durchflossen. Hierdurch wird das erzeugte Formteil entsprechend von dem Werkzeug abgestoßen und das Entformen dadurch wesentlich erleichtert.A further, likewise particularly expedient variant of the method according to the invention is achieved in that a repulsive force is generated by reversing the charge of either the electrode or the semifinished fiber product. As a result, a repulsive force is realized in a simple manner by the matching positive or negative charge of the electrode and the molded part produced from the semi-finished fiber product, so as to support the removal of the molded part from the mold. For this purpose, the same type of charge carrier is produced according to the electrostatic principle at the electrode and at the molded part. In the electromagnetic principle, the semifinished fiber product and the electrode are traversed in the opposite direction with electric charge carriers. As a result, the molded part produced is correspondingly repelled by the tool and the Entformen thereby significantly easier.
Die zweitgenannte Aufgabe, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, wird erfindungsgemäß mit einer an die Sollform des herzustellenden Formteils angepassten Auflage gelöst, welcher eine Elektrode zugeordnet ist, welche zur Fixierung des Faserhalbzeugs mit gegenüber dem Faserhalbzeug umgekehrten Ladungsträgern beaufschlagbar ist. Indem zur Fixierung das Faserhalbzeug und die Elektrode mit einander anziehenden Ladungsträgern versorgt werden, wird so in einfacher Weise eine zuverlässige Fixierung des Faserhalbzeugs in dem Werkzeug ohne eine Vorformung ermöglicht. Die gewünschten Fixierkräfte beruhen dabei auf einer Elektroadhäsion, die in vorteilhafter Weise eine flächige Kraftübertragung ermöglicht und zudem eine einstellbare Fixierkraft durch entsprechende Anpassung der Ladungsträger gestattet.The second-mentioned object to provide a device for carrying out the method is achieved according to the invention with a matched to the desired shape of the molded part pad, which is associated with an electrode, which is acted upon for fixing the semi-finished fiber with respect to the semifinished fiber inverse charge carriers. By fixing the semi-finished fiber and the electrode with each other for fixing Are supplied with charge carriers, so a reliable fixation of the semifinished fiber in the tool is made possible without a preforming in a simple manner. The desired fixing forces are based on an electroadhesion, which advantageously enables a planar force transmission and also allows an adjustable fixing force by appropriate adaptation of the charge carriers.
Dabei ist vorzugsweise zwischen der Elektrode und der Auflage eine Elektroisolation angeordnet, wobei die Übertragung der gewünschten Ladung auf das Faserhalbzeug mittels einer Ladungskontaktierung erfolgt. Durch die Elektroisolation wird so ein unerwünschter Potentialausgleich zwischen dem aufgeladenen Faserhalbzeug einerseits und der Elektrode andererseits vermieden.In this case, an electrical insulation is preferably arranged between the electrode and the support, wherein the transfer of the desired charge to the semifinished fiber product takes place by means of a charge contact. Due to the electrical insulation, an undesired equipotential bonding between the charged semi-finished fiber product on the one hand and the electrode on the other hand is avoided.
Dabei erweist es sich als besonders Erfolg versprechend, wenn das Werkzeug mehrteilig ausgeführt und ein auch als Werkzeugkern bezeichnetes Werkzeugunterteil sowie ein Werkzeugoberteil aufweist, sodass die abschließende Formgebung des Faserhalbzeugs innerhalb des geschlossenen Werkzeugs zwischen den Formteilen erfolgt. Ein unbeabsichtigtes Verrutschen des Faserhalbzeugs aus seiner vorbestimmten Position ist dabei aufgrund der wirkenden Fixierkräfte ausgeschlossen, wobei ein definiertes Gleiten des Faserhalbzeugs vorgesehen sein kann.It proves to be particularly promising if the tool is made in several parts and also has a tool core called tool core and a tool shell, so that the final shaping of the semifinished fiber takes place within the closed mold between the moldings. An unintentional slipping of the semi-finished fiber product from its predetermined position is precluded due to the effect of fixing forces, with a defined sliding of the semifinished fiber can be provided.
Eine besonders praxisgerechte Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auch dadurch erreicht, dass die Elektrode abgewinkelte oder hinterschneidende Bereiche aufweist, und dass gegen diese Bereiche zumindest ein Schieber des Werkzeugs zustellbar ausgeführt ist, um so in einem einzigen Herstellungsschritt auch solche Formen erzeugen zu können, die nach dem Stand der Technik in separaten Einzelschritten vorgeformt und anschließend zu einer Baueinheit verbunden werden.A particularly practical modification of the device according to the invention is also achieved in that the electrode has angled or undercut areas, and that against these areas at least one slide of the tool is deliverable, so as to be able to produce in a single manufacturing step, such forms, according to The prior art preformed in separate steps and then connected to form a unit.
Damit das Potential der unterschiedlich aufgeladenen Materialien erhalten bleibt, ist zwischen dem Faserhalbzeug und der Elektrode eine Elektroisolation vorgesehen, die gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zumindest in einem zur Auflage des Faserhalbzeugs bestimmten Bereich mit einer Isolationsschicht konstanter Stärke ausgestattet ist, sodass die Anziehungskräfte und damit die Fixierkräfte auch bei einer Verschiebung des Faserhalbzeugs auf der Oberfläche der Isolationsschicht, wie sie beispielsweise durch das Absenken des Werkzeugoberteils und der damit verbundenen Lagekorrektur des Faserhalbzeugs eintritt, konstant bleibt.In order that the potential of the differently charged materials is maintained, an electrical insulation is provided between the semifinished fiber and the electrode, which is equipped according to a particularly advantageous embodiment of the invention, at least in a specific area for supporting the semifinished fiber product with an insulating layer of constant thickness, so that the attractive forces and Thus, the fixing forces even with a shift of the semifinished fiber on the surface of the insulating layer, as occurs, for example, by lowering the upper tool and the associated positional correction of the semi-finished fiber remains constant.
Bevorzugt weist das Werkzeug mehrere Elektroden auf, die in einem Muster derart angeordnet sind, dass die Ladungen benachbarter Elektroden unterschiedliche Vorzeichen aufweisen. Diese abwechselnde Aufladung bewirkt eine Ladungstrennung in dem Faserhalbzeug, in dessen Folge es zu einer elektrostatischen Anziehungskraft kommt. Hierdurch können auch elektrisch nichtleitende Faserhalbzeuge entsprechend fixiert werden.Preferably, the tool has a plurality of electrodes which are arranged in a pattern such that the charges of adjacent electrodes have different signs. This alternating charge causes a charge separation in the semi-finished fiber, resulting in an electrostatic attraction. As a result, electrically non-conductive fiber semi-finished products can be fixed accordingly.
Alternativ sind auch Varianten mit einem beweglichen, elektromagnetischen Schieber realisierbar. Hierbei ist hinter einer hinterschnittigen Oberfläche eines Werkzeugteils, insbesondere eines Werkzeugkerns, ein Hohlraum realisiert, in dem eine Spule angeordnet ist. Diese Spule ist zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes bestimmt. In einem Randbereich ist außerdem der Schieber mit einem ferromagnetischen Element angeordnet. Nachdem das Faserhalbzeug in dem Werkzeug abgelegt ist, wird der Überstand des Faserhalbzeugs durch den Schieber eingeklemmt. Hierzu erzeugt die Spule ein elektromagnetisches Feld, welches das ferromagnetische Element anzieht.Alternatively, variants with a movable, electromagnetic slide can be realized. Here, behind an undercut surface of a tool part, in particular a tool core, a cavity is realized in which a coil is arranged. This coil is designed to generate an electromagnetic field. In an edge region, the slider is also arranged with a ferromagnetic element. After the semi-finished fiber is stored in the tool, the supernatant of the semifinished fiber is clamped by the slider. For this purpose, the coil generates an electromagnetic field, which attracts the ferromagnetic element.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in einer Prinzipskizze eine Vorrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- FaserhalbzeugSemi-finished fiber
- 33
- WerkzeugTool
- 3a3a
- Werkzeugkerntool core
- 3b3b
- WerkzeugoberteilUpper die
- 3c3c
- Schieberpusher
- 44
- Dichtungpoetry
- 55
- LadungskontaktierungLadungskontaktierung
- 66
- Elektrodeelectrode
- 77
- Auflageedition
- 88th
- Elektroisolationinsulating
- Q+ Q +
- Positive LadungsträgerPositive charge carriers
- Q– Q -
- Negative LadungsträgerNegative charge carriers
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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