DE102012108168B4 - Forming tool and method for the production of fiber composite components - Google Patents
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Abstract
Umformwerkzeug zum Herstellen von Faserverbundwerkstoffbauteilen, insbesondere zum Herstellen einer Preform, wobei das Umformwerkzeug (1) ein Oberwerkzeug (2) und ein Unterwerkzeug (3) aufweist, wobei bei geschlossenem Oberwerkzeug (2) und Unterwerkzeug (3) ein Formhohlraum (5) zum Anordnen eines Fasermaterials verbleibt und auf einer Formoberfläche (4) des Oberwerkzeuges (2) und/oder des Unterwerkzeuges (3) eine Vielzahl von nadelartigen Fortsätzen (6) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Klemmvorrichtung (9) vorgesehen ist, mit der Faserstränge oder Rovings kammartig über die nadelartigen Fortsätze aufziehbar sind und dass die Klemmvorrichtung (9) während des Schließvorganges des Umformwerkzeuges (1) die Faserstränge oder Rovings lagefixiert hält. Forming tool for producing fiber composite components, in particular for producing a preform, wherein the forming tool (1) has an upper tool (2) and a lower tool (3), wherein with closed upper tool (2) and lower tool (3) a mold cavity (5) for arranging a fiber material remains and on a mold surface (4) of the upper tool (2) and / or the lower tool (3) a plurality of needle-like extensions (6) are formed, characterized in that at least one clamping device (9) is provided, with the fiber strands or rovings comb-like over the needle-like extensions are windable and that the clamping device (9) during the closing operation of the forming tool (1) keeps the fiber strands or rovings fixed in position.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Umformwerkzeug zum Herstellen von Faserverbundwerkstoffbauteilen gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1. The present invention relates to a forming tool for producing fiber composite components according to the features in the preamble of patent claim 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffbauteilen gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 8. The present invention further relates to a method for the production of fiber composite components according to the features in
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Bauteile aus verschiedenen Werkstoffen herzustellen. Insbesondere in der Automobilfertigung wurde seit je her die Außenhaut eines Kraftfahrzeugs aus metallischen Werkstoffen, beispielsweise aus einem Stahlblech oder aber auch aus einem Aluminiumblech, hergestellt. Hierzu werden Bauteile in Umformwerkzeugen in die gewünschte Form gebracht und weisen gleichzeitig gute, hochfeste oder sogar höchstfeste Festigkeitseigenschaften auf, wobei diese Bauteile insbesondere in der Serienfertigung in hohen Stückzahlen mit geringen Produktionstoleranzen herstellbar sind. From the prior art it is known to produce components from different materials. In particular, in the automotive industry has always been the outer skin of a motor vehicle made of metallic materials, for example, from a steel sheet or even from an aluminum sheet. For this purpose, components in forming tools are brought into the desired shape and at the same time have good, high-strength or even very high-strength strength properties, wherein these components can be produced in high volume with low production tolerances, especially in mass production.
In zunehmendem Maße ist jedoch die Umsetzung von konsequentem Leichtbau auch in die Serienproduktion von Automobilen eingezogen, weshalb Bauteile aus Faserverbundwerkstoff hochfeste oder sogar höchstfeste Eigenschaften mit besonders geringem Bauteilgewicht vereinen. Problematisch hierbei war bisher die Herstellung mit nur geringen Produktionstoleranzen bei gleichzeitig überschaubaren Produktionskosten. Hierzu haben sich in den letzten Jahren Verfahren entwickelt, mit denen eine industrielle Serienfertigung von Faserverbundwerkstoffbauteilen realisierbar ist, die dann eine hohe Produktionsgenauigkeit bei gleichzeitig akzeptablen Produktionskosten, jedoch geringem Eigengewicht und hohen Festigkeitseigenschaften aufweisen. Hierzu werden Faserwerkstoffe mit Matrixharz versehen und analog zu Blechumformverfahren in Gesenkwerkzeugen, beispielsweise in Umformwerkzeugen mit einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug, in die gewünschte Form gebracht und dort ausgehärtet, so dass anschließend das Bauteil entnommen werden kann. Gegebenenfalls sind Überarbeitungen in Form von Oberflächenbehandlungen oder aber Randbeschneidungen erforderlich. Increasingly, however, the implementation of consistent lightweight construction has also drawn into the mass production of automobiles, which is why components made of fiber composite material combine high-strength or even very high-strength properties with particularly low component weight. The problem here was previously the production with only low production tolerances at the same time manageable production costs. For this purpose, methods have developed in recent years, with which an industrial mass production of fiber composite components can be realized, which then have a high production accuracy at the same time acceptable production costs, but low weight and high strength properties. For this purpose, fiber materials are provided with matrix resin and, similar to sheet metal forming in die tools, for example in forming tools with an upper tool and a lower tool, brought into the desired shape and cured there, so that then the component can be removed. If necessary, revisions in the form of surface treatments or edge trimming are required.
Insbesondere wird maßgeblich eine Preform, mithin eine Vorform, des Bauteils selber erzeugt und anschließend ein bereits innerhalb des Faserwerkstoffs befindliches Matrixharz aktiviert oder aber ein Matrixharz hinzugefügt. Insbesondere werden bei bereits mit Matrixharz versehenen Faserwerkstoffen Prepregmaterialien eingesetzt, die durch Hinzufügung von Temperatur oder aber Chemikalien oder Druck ein bereits enthaltenes Matrixharz aktivieren und im Anschluss daran das Matrixharz mit dem Faserwerkstoff zu einem Faserverbundwerkstoff aushärtet. In particular, a preform, thus a preform, of the component itself is decisively produced and subsequently a matrix resin already contained within the fiber material is activated or a matrix resin is added. In particular, in fiber materials already provided with matrix resin, prepreg materials are used which activate an already contained matrix resin by the addition of temperature or else chemicals or pressure and subsequently cure the matrix resin with the fiber material to form a fiber composite material.
Bei einem RTM-Verfahren wird zunächst ein Faserwerkstoff vorgeformt und sodann in die Form ein Matrixharz injiziert, wobei dann wiederum das Matrixharz mit dem Faserwerkstoff zu einem Faserverbundwerkstoffbauteil aushärtet. In an RTM process, a fiber material is first preformed and then injected into the mold a matrix resin, in which case in turn hardens the matrix resin with the fiber material to form a fiber composite component.
Insbesondere können mit diesem Verfahren beispielsweise Dachhäute oder aber auch Motorhauben, mithin großflächige Bauteile mit nur geringen Umformgraden in Serie kostengünstig hergestellt werden. In particular, with this method, for example, roof skins or even hoods, thus large-scale components with low degrees of deformation in series can be produced inexpensively.
Sofern jedoch zumindest lokal hohe Umformgrade herzustellen sind, eignen sich die vorgenannten Preformverfahren nur bedingt. Hierbei kann es zu einem Abscheren oder aber Reißen zumindest einzelner Faserstränge innerhalb des Faserwerkstoffs derart kommen, dass lokale Ausdünnungen erfolgen, die dann zu Ausschussware oder aber Ware mit verminderter Produktionsqualität führen. Insbesondere zur Herstellung von Kraftfahrzeugstrukturbauteilen, mit crashrelevanten Eigenschaften, die aufgrund der Gewichtsoptimierung wenig überschüssige Werkstoffmasse besitzen sollen, zum anderen für die Crashanforderung eine besonders hohe Produktionsgenauigkeit besitzen müssen, ist dies jedoch nachteilig. However, if at least locally high degrees of deformation are to be produced, the abovementioned preforming processes are only of limited suitability. This can lead to a shearing or tearing of at least individual fiber strands within the fiber material such that local thinning takes place, which then lead to rejects or goods with reduced production quality. However, this is disadvantageous, in particular, for the production of motor vehicle structural components with crash-relevant properties, which due to the weight optimization are said to have little excess material mass and, on the other hand, a particularly high production accuracy for the crash requirement.
Beispielsweise ist aus der
Hierzu ist es aus dem Stand der Technik weiterhin bekannt, einzelne auf einem Werkzeug abgelegte Faserstränge oder aber auch Rovings miteinander zu verflechten, zu verweben oder aber auch untereinander zu vernähen. Dies bedeutet jedoch zum einen einen erhöhten Aufwand in der Herstellung des Bauteils durch den vorgeschalteten Flecht-, Web- oder aber Nähvorgang, zum anderen tragen die zusätzlichen Flecht-, Web- oder Nähnähte nicht oder aber nur unwesentlich zu einer Festigkeitssteigerung bei und sorgen darüber hinaus für einen erhöhten Materialaufwand sowie ein erhöhtes Bauteilgewicht. Unter Umständen können sich die hierdurch entstehenden lokalen Aufdickungen insbesondere in einem Formhohlraum sogar kontraproduktiv auf einen Matrixharzeintrag oder aber auch auf die hergestellte Oberflächenqualität des Faserverbundwerkstoffbauteils auswirken. For this purpose, it is also known from the prior art to intertwine individual fiber strands or rovings deposited on a tool, to weave them together or else to sew them together. However, this means on the one hand an increased effort in the production of the component by the upstream braiding, weaving or sewing process, on the other wear the additional braid, woven or seams not or only slightly to an increase in strength and provide beyond for an increased cost of materials and increased component weight. Under certain circumstances, the resulting local thickening, in particular in a mold cavity, can even have a counterproductive effect on a matrix resin entry or also on the produced surface quality of the fiber composite component.
Aus der
Aus der
Weitere Umformwerkzeuge sind aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Umformwerkzeug zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils sowie ein Verfahren zum Herstellen von Faserverbundwerkstoffbauteilen bereit zu stellen, mit dem kostengünstig und zeiteffizient eine Preform mit zumindest lokal hohen Umformgraden herstellbar ist, bei gleichzeitig hoher Reproduzierbarkeit und geringen Produktionstoleranzen. The object of the present invention is therefore to provide a forming tool for producing a fiber composite component and a method for producing fiber composite components, with the cost and time efficient a preform with at least locally high degrees of deformation can be produced, at the same time high reproducibility and low production tolerances.
Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einem Umformwerkzeug zum Herstellen von Faserverbundwerkstoffbauteilen gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst. The above object is achieved with a forming tool for producing fiber composite components according to the features in claim 1.
Der verfahrenstechnische Teil der Aufgabe wird weiterhin mit einem Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 8 gelöst. The procedural part of the object is further achieved by a method for producing a fiber composite component according to the features in
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche. Advantageous embodiments of the present invention are part of the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Umformwerkzeug zum Herstellen von Faserverbundwerkstoffbauteilen, insbesondere zum Herstellen einer Preform, wobei das Umformwerkzeug ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug aufweist, wobei bei geschlossenem Oberwerkzeug und Unterwerkzeug ein Formhohlraum zum Anordnen eines Fasermaterials verbleibt, wobei auf einer Formoberfläche des Oberwerkzeugs und/oder des Unterwerkzeugs eine Vielzahl von nadelartigen Fortsätzen ausgebildet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Klemmvorrichtung vorgesehen ist, mit der ein Faserwerkstoff auf dem Unterwerkzeug kammartig abstreifbar ist und während des Schließvorganges des Umformwerkzeugs lagefixierbar ist. The forming tool according to the invention for producing fiber composite components, in particular for producing a preform, wherein the forming tool has an upper tool and a lower tool, wherein a mold cavity for arranging a fiber material remains when the upper tool and lower tool are closed, wherein on a molding surface of the upper tool and / or the lower tool Variety of needle-like extensions is formed, is characterized in that at least one clamping device is provided, with which a fiber material on the lower tool is comb-like strippable and is fixed in position during the closing operation of the forming tool.
Die nadelartigen Fortsätze ragen somit in den Formhohlraum hinein, wobei die Möglichkeit entsteht, dass durch die nadelartigen Fortsätze einen auf der jeweiligen Formoberfläche zur Anlage kommender Faserwerkstoff durch die nadelartigen Fortsätze in Position gehalten wird. Es kommt somit nicht bereits bei einem Drapieren zu einem Abrutschen von Fasermaterial, beispielsweise von einer Erhöhung und auch nicht beim weiteren Schließvorgang des Umformwerkzeugs, bei dem ein Einziehen bzw. Nachziehen des Faserwerkstoffs zur Ausgestaltung der dreidimensionalen Formgebung des herzustellenden Bauteils erfolgt, zu einem Abgleiten oder Abscheren des Faserwerkstoffs, da die einzelnen Faserstränge bzw. Rovings durch die nadelartigen Fortsätze in ihrer Position gehalten werden. The needle-like extensions thus protrude into the mold cavity, whereby the possibility arises that a fiber material coming to rest on the respective mold surface is held in position by the needle-like extensions through the needle-like extensions. It thus does not come even with a draping to a slipping of fiber material, for example, an increase and not in the further closing of the forming tool, in which a retraction or retightening of the fiber material for the design of the three-dimensional shape of the component to be produced, to a sliding or Shearing the fiber material, since the individual fiber strands or rovings are held by the needle-like extensions in position.
Die nadelartigen Fortsätze sind insbesondere als Nadeln mit den Formoberflächen des Oberwerkzeugs und/oder Unterwerkszeugs gekoppelt, insbesondere in diese eingesteckt. Ganz besonders bevorzugt sind die nadelartigen Fortsätze auf dem Unterwerkzeug angeordnet, da bei Einlegen bzw. Drapieren des Faserwerkstoffs zunächst aufgrund der Schwerkrafteinwirkung ein Anliegen an oder auf der Formoberfläche des Unterwerkzeugs erfolgt. The needle-like extensions are in particular coupled as needles with the mold surfaces of the upper tool and / or Unterwerkszeugs, in particular inserted into this. Most preferably, the needle-like extensions are arranged on the lower tool, since upon insertion or draping of the fiber material, first, due to the gravitational effect, a contact with or on the mold surface of the lower tool takes place.
Damit die auf dem Umformwerkzeug abgelegten Faserwerkstoffe während des Schließvorgangs des Umformwerkzeugs lagefixiert gehalten sind, ist ferner eine Klemmvorrichtung vorgesehen, mit der der auf dem Umformwerkzeug drapierte Faserwerkstoff mindestens an einer Seite lagefixiert ist. Es ist möglich, dass die Klemmvorrichtung mindestens einen Teil des Faserwerkstoffs auf dem Unterwerkzeug abzulegen. Dabei erfolgt ein kammartiges Aufziehen von einzelnen Fasersträngen oder aber Faserrovings und insbesondere einer Faserschar derart, dass die zuvor genannten Werkstoffe kammartig über die nadelartigen Fortsätze gestreift werden und bei Erreichen des Klemmwerkzeugs auf der Seite, an dem diese fixiert werden sollen, erfolgt eine formschlüssige Lagefixierung. In order that the fiber materials deposited on the forming tool are held fixed in position during the closing operation of the forming tool, a clamping device is furthermore provided with which the fiber material draped on the forming tool is fixed in position at least on one side. It is possible for the clamping device to deposit at least a part of the fiber material on the lower tool. In this case, a comb-like mounting of individual fiber strands or fiber rovings and in particular a fiber bundle such that the aforementioned materials are combed over the needle-like extensions comb-like and upon reaching the clamping tool on the side where they are to be fixed, there is a positive positional fixation.
Damit das Umformwerkzeug eine Schließbewegung durchführen kann, so dass die Formoberflächen von Oberwerkzeug und Unterwerkzeug derart aufeinander zubewegt werden, dass ein Formhohlraum verbleibt, sind die nadelartigen Fortsätze relativbeweglich zu der Oberfläche ausgebildet und/oder auf der dem jeweiligen nadelartigen Fortsatz gegenüberliegenden Formoberfläche ist eine Ausnehmung vorhanden, so dass der nadelartige Fortsatz bei Ausführen der Schließbewegung von Oberwerkzeug und Unterwerkzeug in die Ausnehmung einfährt. Somit wird die Schließbewegung nicht durch die nadelartigen Fortsätze behindert, wobei die nadelartigen Fortsätze eine Länge aufweisen können, die größer ist als der Abstand beider Formoberflächen bei geschlossenem Umformwerkzeug. So that the forming tool can perform a closing movement, so that the mold surfaces of the upper tool and lower tool are moved towards each other so that a mold cavity remains, the needle-like projections are relatively movable to the surface and / or on the opposite surface of the respective needle-like projection a recess is present so that the needle-like extension when performing the closing movement of upper tool and Sub-tool enters the recess. Thus, the closing movement is not hindered by the needle-like extensions, wherein the needle-like extensions may have a length which is greater than the distance between the two molding surfaces with closed forming tool.
Im Rahmen der Erfindung sind dazu insbesondere die nadelartigen Fortsätze in vertikaler Richtung orientiert, ganz besonders bevorzugt verlaufen sie parallel zu der Richtung der Schließbewegung von Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug. Hierdurch wird insbesondere bei nadelartigen Fortsätzen, die in Ausnehmungen einfahren, sichergestellt, dass die Schließbewegung des Umformwerkzeugs durchführbar ist. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch bei nadelartigen Fortsätzen, die federnd gelagert sind, möglich, dass diese nicht parallel zu der Schließbewegung orientiert sind, wobei durch den formschlüssigen Anlagenkontakt mit der gegenüber liegenden Formoberfläche der nadelartige Fortsatz in das Werkzeug entgegengesetzt einer Federkraft eingefahren wird, mit dem es gekoppelt ist. In the context of the invention, in particular the needle-like extensions are oriented in the vertical direction, very particularly preferably they run parallel to the direction of the closing movement of upper tool and / or lower tool. As a result, in particular in the case of needle-like extensions which enter into recesses, it is ensured that the closing movement of the forming tool can be carried out. In the context of the invention, however, it is also possible with needle-like extensions which are spring-mounted, that they are not oriented parallel to the closing movement, being retracted by the positive contact with the plant contact with the opposite form surface of the needle-like extension in the tool opposite a spring force with which it is coupled.
Weiterhin bevorzugt können die nadelartigen Fortsätze aktiv ausfahrbar ausgebildet sein, insbesondere mit Hilfe eines Stellaktuators, oder aber die nadelartigen Fortsätze sind federnd gelagert. Insbesondere bieten sich hierzu Spiraldruckfedern an, da diese eine hohe mechanische Ausfallsicherheit besitzen und bei bis zu mehreren Dutzend oder gar mehreren Hundert nadelartigen Fortsätzen auf einem Umformwerkzeug eine kostengünstige Herstellungsmöglichkeit des Werkzeugs selber bieten. Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, dass die nadelartigen Fortsätze, insbesondere nach Ausführen der Schließbewegung, in das Umformwerkzeug hineingezogen werden. Bei passiv, federnd gelagerten nadelartigen Fortsätzen, die durch formschlüssigen Anlagenkontakt der gegenüberliegenden Formoberfläche entgegengesetzt der Federkraft in eine Lageausnehmung eingefahren werden, ragen diese bei vollständig geschlossenem Umformwerkzeug immer noch mit einem Überstand gegenüber der Formoberfläche in den Formhohlraum hinein. Bei der Entnahme des so hergestellten Bauteils kann es somit hinderlich sein, dass die nadelartigen Fortsätze sich noch zumindest teilweise in dem Formhohlraum befinden. Hierbei wird es besonders vorteilig, wenn die nadelartigen Fortsätze während oder nach Abschluss eines Formgebungsprozesses aus dem Formhohlraum entfernt werden. Insbesondere werden die nadelartigen Fortsätze dann in das Innere des Umformwerkzeugs gezogen. Further preferably, the needle-like extensions can be actively extendable, in particular by means of a Stellaktuators, or the needle-like extensions are resiliently mounted. In particular, this spiral compression springs offer, as they have a high mechanical reliability and offer up to several dozen or even several hundred needle-like extensions on a forming tool cost-effective production possibility of the tool itself. In the context of the invention, it is possible that the needle-like extensions, in particular after completion of the closing movement, are drawn into the forming tool. In passive, spring-loaded needle-like projections, which are retracted by positive system contact of the opposite surface of the mold opposite the spring force in a Lageausnehmung, these still protrude at fully closed forming tool with a projection against the mold surface into the mold cavity. When removing the component thus produced, it may thus be a hindrance that the needle-like extensions are still at least partially in the mold cavity. In this case, it is particularly advantageous if the needle-like extensions are removed from the mold cavity during or after completion of a shaping process. In particular, the needle-like extensions are then pulled into the interior of the forming tool.
Damit zum einen die direkt zuvor beschriebene Einziehbewegung möglich ist, ohne die Faserstränge des Faserwerkstoffs zu beschädigen, zum anderen jedoch auch die Möglichkeit gegeben wird, Faserstränge oder Rovings derart auf dem Unterwerkzeug zu drapieren, so dass sie kammartig durch die nadelartigen Fortsätze gezogen werden, weisen die nadelförmigen Fortsätze insbesondere eine Antihaftoberfläche auf. Diese Antihaftoberfläche kann beispielsweise in Form einer extern aufgebrachten Beschichtung ausgebildet sein, die zum einen eine gute Gleiteigenschaft gegenüber dem verwendeten Faserwerkstoff aufweist, so dass die Fasern im Vorbeiziehen oder aber beim Herausziehen nicht reißen oder anderweitig beschädigt werden, zum anderen kann die Antihaftoberfläche auch in einer besonders glatten Oberflächeneigenschaft der nadelförmigen Fortsätze ausgebildet werden. Es wird somit und auch durch die zuvor beschriebenen Merkmale ermöglicht, mit dem erfindungsgemäßen Umformwerkzeug verschiedenste Faserwerkstoffarten, beispielsweise Basaltfasern, Kohlefasern, Aramidfasern oder aber auch metallische Fasern und insbesondere auch Glasfasern oder Mischformen der zuvor genannten Faserarten zu verarbeiten. Thus, on the one hand, the retraction movement described above is possible without damaging the fiber strands of the fiber material, on the other hand, however, the possibility is given to drape fiber strands or rovings on the lower tool so that they are pulled like a comb through the needle-like extensions point the needle-shaped extensions in particular a non-stick surface. This non-stick surface may be formed, for example, in the form of an externally applied coating which on the one hand has a good sliding property with respect to the fiber material used, so that the fibers do not tear when passing or are pulled apart or are otherwise damaged, on the other hand, the non-stick surface can also be in one particularly smooth surface property of the needle-shaped extensions are formed. It is thus and also made possible by the features described above, with the forming tool according to the invention a variety of fiber material types, for example basalt fibers, carbon fibers, aramid fibers or even metallic fibers and in particular to process glass fibers or mixed forms of the aforementioned types of fibers.
Bevorzugt sind die nadelförmigen Fortsätze in einem gleichmäßigen Muster auf der Formoberfläche des Oberwerkzeugs und/oder Unterwerkzeugs angeordnet, wobei insbesondere in Bereichen einer Außenwölbung eine erhöhte Anzahl von nadelartigen Fortsätzen angeordnet sein kann. In Bereichen einer Erhöhung bzw. Außenwölbung der jeweiligen Formoberfläche besteht in erhöhtem Maße die Gefahr, dass bei Schließen des Umformwerkzeugs ein Abscheren bzw. ein Abgleiten erfolgt. Durch die erhöhte Dichte von nadelartigen Fortsätzen in diesem Bereich wird hier eine besonders hohe Formgebungsgenauigkeit in der Positionierung und Ausrichtung der einzelnen Faserstränge bzw. Faserrovings erreicht. Preferably, the needle-shaped extensions are arranged in a uniform pattern on the mold surface of the upper tool and / or lower tool, wherein in particular in areas of an outer curvature, an increased number of needle-like extensions can be arranged. In regions of an increase or outward curvature of the respective mold surface, there is an increased risk that shearing or slipping occurs when the forming tool is closed. Due to the increased density of needle-like extensions in this area, a particularly high shaping accuracy in the positioning and alignment of the individual fiber strands or fiber rovings is achieved here.
Ferner ist insbesondere dem Umformwerkzeug weiterhin eine Trenneinrichtung zugeordnet derart, dass bei Schließen des Umformwerkzeugs oder aber bei Abschluss des Schließ- bzw. Formgebungsprozesses die überstehenden Faserwerkstoffe abgeschnitten werden. Furthermore, in particular the forming tool is further associated with a separating device such that upon closing of the forming tool or at the conclusion of the closing or shaping process, the protruding fiber materials are cut off.
Optional ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass das Oberwerkzeug und/oder das Unterwerkzeug beheizt werden. Beispielsweise können Heizelemente oder aber auch Induktionselemente in dem Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug integriert sein, so dass insbesondere auf die in dem Formhohlraum befindlichen Faserverbundwerkstoffe eine Wärmeeinwirkung ausgeübt werden kann. Insbesondere kann ein Binder in dem Faserwerkstoff aktiviert werden, so dass die Preform hergestellt wird. Optionally, it is possible within the scope of the invention for the upper tool and / or the lower tool to be heated. For example, heating elements or even induction elements can be integrated in the upper tool and / or lower tool, so that heat can be exerted, in particular, on the fiber composite materials located in the mold cavity. In particular, a binder can be activated in the fiber material, so that the preform is produced.
Im Rahmen der Erfindung sind weiterhin die nadelartigen Fortsätze besonders bevorzugt aus einem elastischen Werkstoff ausgebildet. Insbesondere kommt hier ein Gummiwerkstoff zum Einsatz und/oder ein anderer flexibler und/oder elastischer Werkstoff, durch den die nadelartigen Fortsätze in sich gebogen und/oder gestaucht werden können. Sollte somit eine Fehlstellung oder aber ein Kontakt mit der gegenüberliegenden Formoberfläche während des Vorformvorgangs erfolgen, so bricht der nadelartige Fortsatz nicht ab, sondern wird lediglich in sich verbogen. In the context of the invention, furthermore, the needle-like extensions are particularly preferably formed from an elastic material. In particular, here comes a rubber material used and / or another flexible and / or elastic material through which the needle-like extensions in itself can be bent and / or compressed. Thus, should a malposition or contact with the opposite mold surface occur during the preforming operation, the needle-like extension does not break off, but merely becomes bent.
Weiterhin bevorzugt können die nadelartigen Fortsätze über einen elastische Koppelung in oder an der Formoberfläche gekoppelt sein. Beispielsweise ist hier eine Gelenkkoppelung oder aber auch eine gummiartige Wurzel vorstellbar, so dass der nadelartige Fortsatz entweder starr ausgebildet sein kann und über die elastische Koppelung abbiegbar ist oder aber sowohl über die elastische Koppelung abbiegbar ist, als auch durch eine elastische Ausbildung des nadelartigen Fortsatzes selber in sich stauchbar oder biegbar ist. Further preferably, the needle-like extensions can be coupled via an elastic coupling in or on the mold surface. For example, here is a joint coupling or even a rubber-like root conceivable so that the needle-like extension can be either rigid and bendable over the elastic coupling or is bendable both via the elastic coupling, as well as by an elastic design of the needle-like extension itself is compressible or bendable.
Weiterer Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils, insbesondere einer Preform, die dann zu dem Faserverbundwerkstoffbauteil durch Hinzufügen oder aber Aktivieren von Binder und/oder Matrixharz genutzt wird. Das Verfahren wird erfindungsgemäß auf dem zuvor beschriebenen Umformwerkzeug hergestellt und ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
- – Bereitstellen eines Fasermaterials,
- – Anordnen des Fasermaterials zwischen dem Oberwerkzeug und dem Unterwerkzeug durch kammartiges Abstreifen des Fasermaterials mittels einer Klemmvorrichtung über die nadelartigen Fortsätze auf dem Unterwerkzeug, wobei das Fasermaterial in die gewünschte Position gebracht wird und die nadelartigen Fortsätze ein Abgleiten des Faserwerkstoffs während des Abstreifvorgangs verhindern,
- – Schließen des Umformwerkzeugs.
- Providing a fiber material,
- Arranging the fiber material between the upper tool and the lower tool by comb-like stripping of the fiber material by means of a clamping device on the needle-like projections on the lower tool, wherein the fiber material is brought into the desired position and the needle-like extensions prevent slipping of the fiber material during the stripping process,
- - Close the forming tool.
Das Fasermaterial kann dabei im Rahmen der Erfindung beispielsweise flächig bereit gestellt werden, wobei das Fasermaterial insbesondere dann auf dem Unterwerkzeug mit den nadelartigen Fortsätzen abgelegt wird oder aber auch in einem Spannrahmen eingespannt ist, der dann zwischen den Werkzeugen angeordnet wird, wobei die Werkzeuge anschließend eine Schließbewegung ausführen. In the context of the invention, the fiber material can be provided, for example, flatly, wherein the fiber material is deposited in particular on the lower tool with the needle-like projections or even clamped in a clamping frame, which is then placed between the tools, the tools then a Execute closing movement.
Bevorzugt werden jedoch im Rahmen der Erfindung Faserstränge, Rovings oder aber eine Faserschar, die aus mehreren unidirektionalen Rovings gebildet wird, derart auf dem Unterwerkzeug drapiert, dass sie über das Unterwerkzeug gestreift werden und die nadelartigen Fortsätze dabei kammartig in die Zwischenräume der Rovings bzw. Faserstränge eingreifen, diese jedoch gleichzeitig orthogonal zu der Streifrichtung bzw. Zugrichtung derart lagefixieren, dass sie nicht linksseitig oder aber rechtsseitig während des Aufziehvorgangs abgleiten bzw. abscheren können. Hierdurch wird ein großer Freiheitsgrad in der Ausrichtung bzw. Orientierung des Faserwerkstoffs gegeben. So müssen diese nicht bereits zuvor miteinander verwebt oder aber vernäht werden oder aber ein Geflecht aus einzelnen Fasersträngen oder aber Rovings bereit gestellt werden, die einzelnen Faserstränge, Rovings oder aber auch Faserscharen können dann einfach oder aber auch mehrlagig, insbesondere gegeneinander kreuzend, über dem Unterwerkzeug abgestreift werden. However, in the context of the invention, fiber strands, rovings or else a fiber bundle which is formed from a plurality of unidirectional rovings are preferably draped on the lower tool in such a way that they are striped over the lower tool and the needle-like extensions in a comb-like manner into the interspaces of the rovings or fiber strands engage, but at the same time position fix them orthogonal to the grazing or pulling direction so that they can not slide off or shear off left side or on the right side during the Aufziehvorgangs. As a result, a large degree of freedom in the orientation or orientation of the fiber material is given. So they do not have previously been woven together or sewn or but a network of individual fiber strands or rovings are provided, the individual fiber strands, rovings or fiber bundles can then easily or even multi-layered, especially against each other crossing over the lower tool be stripped off.
Beispielsweise können zwei Faserstränge, Rovings oder aber auch Faserscharen zueinander in einem 90° Winkel verlegt werden, wobei beispielsweise in Relation zu dem Umformwerkzeug ein erster Faserstrang, Roving oder aber eine Faserschar in einem Winkel von 45° zu dem Umformwerkzeug aufgezogen wird und anschließend ein zweiter Faserstrang, Roving oder aber eine Faserschar in einem Winkel von –45° auf dem Umformwerkzeug aufgezogen wird. Beide haben dann einen Winkel von 90° zueinander. For example, two fiber strands, rovings or even fiber bundles can be laid to each other at a 90 ° angle, for example, in relation to the forming a first fiber strand, roving or a fiber bundle is drawn at an angle of 45 ° to the forming tool and then a second Fiber strand, roving or a fiber share at an angle of -45 ° is raised on the forming tool. Both then have an angle of 90 ° to each other.
Durch die nadelartigen Fortsätze sind die Faserstränge, Rovings oder aber Faserscharen dann formschlüssig lagefixiert, insbesondere auch während des Umformvorgangs. Eine lokale Ausdünnung aufgrund hoher Umformgrade oder aber eines Abscherens bzw. Abgleitens von einer Erhebung oder aber Außenwölbung von einer Formoberfläche wird hierdurch vermieden. Ein zusätzliches Fixieren innerhalb des Formhohlraums, beispielsweise durch ein Paneel oder aber zusätzliche Fixierungsmittel kann ebenfalls unterbleiben, wobei sich eine solche zusätzliche Fixierungsmaßnahme auch nachteilig auf den Umformvorgang selbst auswirken würde, was durch die erfindungsgemäßen nadelartigen Fortsätze gänzlich unterbunden wird. The needle-like extensions of the fiber strands, rovings or fiber bundles are then fixed in position-locking manner, especially during the forming process. A local thinning due to high degrees of deformation or a shearing or slipping of a survey or outer curvature of a mold surface is thereby avoided. An additional fixing within the mold cavity, for example by a panel or additional fixing means can also be omitted, with such additional fixing measure would also adversely affect the forming process itself, which is completely prevented by the needle-like extensions of the invention.
Ein weiterer besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist jedoch, dass während des Umformvorgangs zunächst die einzelnen Faserstränge, Rovings oder aber Faserscharen im Wesentlichen in zweidimensionaler Form über das Umformwerkzeug gezogen werden und beim Schließen des Umformwerkzeugs zu einer dreidimensionalen Preform umgeformt werden. Hierdurch erfahren die Faserstränge, Rovings oder Faserscharen eine zusätzliche Längenänderung, wobei sie dann in den Formhohlraum eingezogen werden. Durch die nadelartigen Fortsätze ist ein solches Einziehen in den Formhohlraum möglich. Another particular advantage of the present invention, however, is that during the forming process, first the individual fiber strands, rovings or fiber bundles are pulled over the forming tool substantially in two-dimensional form and are formed into a three-dimensional preform when the forming tool is closed. As a result, the fiber strands, rovings or fiber bundles undergo an additional change in length, wherein they are then drawn into the mold cavity. By the needle-like extensions such a pulling into the mold cavity is possible.
Nach Abschluss des Umformvorgangs ist es dann möglich, überstehendes Fasermaterial abzuschneiden und beispielsweise bereits in den Fasersträngen, Rovings oder aber Faserscharen vorhandenen Binder zu aktivieren, beispielsweise durch thermische Einwirkung in Folge eines Erwärmens. Insbesondere bei letzteren Vorgängen zur Herstellung des Faserverbundwerkstoffbauteils ist es möglich, die nadelartigen Fortsätze kurz vor oder aber nach Abschluss des Umformvorgangs aus dem hergestellten Faserverbundwerkstoffbauteil bzw. der hergestellten Preform durch Einziehen in Richtung des Oberwerkzeugs und/oder Unterwerkzeugs herauszuziehen, wobei dann das Umformwerkzeug gegebenenfalls um ein weiteres Stück geschlossen wird, so dass die darin befindenden Faserstränge, Rovings oder Faserscharen miteinander verpresst werden und eventuell durch die nadelartigen Fortsätze verbleibende Hohlräume verschlossen werden. Das so hergestellte Faserverbundwerkstoffbauteil bzw. die hergestellte Preform weisen mithin keine Löcher in ihrer Struktur auf, die durch die nadelartigen Fortsätze hergestellt waren. After completion of the forming process, it is then possible to cut off protruding fiber material and, for example, to activate binders already present in the fiber strands, rovings or fiber bundles, for example by thermal action as a result of heating. Especially in the latter operations for Production of the fiber composite component, it is possible to pull the needle-like extensions shortly before or after completion of the forming of the fiber composite material component or preform produced by drawing in the direction of the upper tool and / or lower tool, in which case the forming tool is optionally closed by another piece so that the fiber strands, rovings or fiber bundles located therein are pressed together and possibly remaining cavities are closed by the needle-like extensions. Thus, the fiber composite component or the preform produced in this way have no holes in their structure, which were produced by the needle-like extensions.
Weitere Vorteile, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Es zeigen:Further advantages, features and aspects of the present invention are part of the following description. Preferred embodiments are shown in the schematic figures. Show it:
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt. In the figures, the same reference numerals are used for the same or similar components, even if a repeated description is omitted for reasons of simplicity.
Hierzu ist der Faserwerkstoff
Ferner dargestellt ist in
Im Rahmen der Erfindung ist es hier möglich, zunächst mit der Klemmvorrichtung
Im Rahmen der Erfindung ist es ebenfalls möglich, hierdurch in ihrer Wandstärke relativ dicke Preformen herzustellen, da der Verzug innerhalb des Bauteils aufgrund der Formung einer jeden Lage einzeln gering gehalten wird. Wellen oder Faltenbildung während der Umformung des viellagigen Faserwerkstoffs wird hierdurch vermieden. In the context of the invention, it is also possible, thereby produce relatively thick preforms in their wall thickness, since the delay within the component due to the formation of each layer is kept individually low. Waves or wrinkles during the deformation of the multi-layer fiber material is thereby avoided.
Als weiterer besonderer Vorteil ist im Rahmen der Erfindung gemäß
Ferner ist es im Rahmen der Erfindung möglich, den in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Umformwerkzeugforming tool
- 2 2
- Oberwerkzeugupper tool
- 3 3
- Unterwerkzeuglower tool
- 4 4
- Formoberflächemold surface
- 5 5
- Formhohlraummold cavity
- 6 6
- nadelartiger Fortsatzneedle-like extension
- 7 7
- Ausnehmungrecess
- 8 8th
- FaserwerkstoffFiber material
- 9 9
- Klemmvorrichtungclamping device
- 10 10
- Feder feather
- 11 11
- Federausnehmung spring recess
- 12 12
- Randbereich border area
- 13 13
- Faserschar set of fibers
- 14 14
- außenseitige Wölbung outside vaulting
- S S
- Schließrichtungclosing direction
- Z Z
- Zugrichtungtensile direction
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