DE102013020872B4 - Process for producing a fiber-reinforced plastic component with a hollow structure - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils mit einer Hohlstruktur (1), bei dem ein aus zumindest einem Faserhalbzeug (12) und einem, die Negativform der Hohlstruktur nachbildenden Formkern (15) aufgebauter Vorformling bereitgestellt wird, und anschließend zur Bildung des Kunststoffbauteils der Vorformling unter Druck und Wärme in einer flüssigen Ausgangskomponente eines Matrixmaterials (13) eingebettet wird, nach dessen Aushärtung ein Entformungsschritt erfolgt, bei dem der Formkern (15) von dem Kunststoffbauteil gelöst wird, wobei vor dem Zuführen der Ausgangskomponente des Matrixmaterials (13) eine die Kontaktfläche (27) mit dem Kunststoffbauteil bildende Entformungsschicht (17) auf dem Formkern (15) aufgetragen wird, mit dem beim Entformungsschritt eine Haftverbindung des Kunststoffbauteils am Formkern (15) geschwächt wird, und wobei die Entformungsschicht (17) als eine Antihaftschicht wirkt, mittels der die Entformung an einer Kontaktfläche (29) zwischen dem Formkern (15) und der Entformungsschicht (17) erfolgt, und zwar unter Bildung eines zweischichtigen Bauteilverbunds (31) aus einer Kunststoffbauteil-Wandung (3) und der Entformungsschicht (17), die die Hohlstruktur (1) des Kunststoffbauteils begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Bauteilsteifigkeit sowie -festigkeit des Kunststoffbauteils die Entformungsschicht (17) als ein Strukturschaum aus einem Leichtbauwerkstoff hergestellt wird, und dass die Ausgangskomponente des Schaummaterials vor der Formgebung des Kunststoffbauteils in einem Schäumungsprozess auf den Formkern (15) aufgebracht wird.Method for producing a fiber-reinforced plastic component with a hollow structure (1), in which a preform made up of at least one semi-finished fiber product (12) and a mold core (15) simulating the hollow shape of the hollow structure is provided, and then under pressure to form the plastic component of the preform and heat is embedded in a liquid starting component of a matrix material (13), after the hardening of which a demolding step takes place in which the mandrel (15) is released from the plastic component, wherein before the feeding of the starting component of the matrix material (13) a contact surface (27 ) with the plastic component forming Entformungsschicht (17) on the mandrel (15) is applied, with the demolding step, a bonding of the plastic component to the mold core (15) is weakened, and wherein the Entformungsschicht (17) acts as an anti-adhesive layer, by means of the demolding on a contact surface (29) z between the mold core (15) and the demolding layer (17) takes place, specifically to form a two-layer component composite (31) comprising a plastic component wall (3) and the demolding layer (17) which delimits the hollow structure (1) of the plastic component characterized in that to increase the component stiffness and strength of the plastic component, the demolding layer (17) is produced as a structural foam made of a lightweight material, and that the starting component of the foam material is applied to the mold core (15) in a foaming process prior to molding of the plastic component.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils mit einer Hohlstruktur nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for producing a fiber-reinforced plastic component with a hollow structure according to the preamble of
Ein solches faserverstärktes Kunststoffbauteil kann in einem RTM-Prozess hergestellt werden. Im RTM-Prozess wird zumindest ein aus einem flächigen oder dreidimensional vorgeformten Faserhalbzeug (zum Beispiel eine Fasermatte, ein Fasergewebe, ein Fasergeflecht oder dergleichen) gebildeter Vorformling bereitgestellt. Der Vorformling (Preform) befindet sich noch im Trockenzustand, das heißt noch ohne Matrixmaterial. Zur Fertigstellung des Kunststoffbauteils wird der Vorformling als ein Einlegerteil in eine Formkammer eines Injektionswerkzeugs eingelegt. Anschließend wird eine flüssige Ausgangskomponente des Matrixwerkstoffes unter Wärme und Druck in die Formkammer injiziert. Nach der Aushärtung des Matrixwerkstoffes kann das fertiggestellte Kunststoffbauteil aus dem Injektionswerkzeug entnommen werden.Such a fiber-reinforced plastic component can be produced in an RTM process. In the RTM process, at least one preform formed from a flat or three-dimensionally preformed semi-finished fiber product (for example a fiber mat, a fiber fabric, a fiber braid or the like) is provided. The preform (preform) is still in the dry state, that is still without matrix material. To complete the plastic component, the preform is inserted as an insert part into a molding chamber of an injection tool. Subsequently, a liquid starting component of the matrix material is injected under heat and pressure into the molding chamber. After curing of the matrix material, the finished plastic component can be removed from the injection tool.
Speziell bei der Fertigung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils mit einer Hohlstruktur kann das Faserhalbzeug zusammen mit einem, die Negativform der Hohlstruktur nachbildenden Formkern in die Formkammer des Injektionswerkzeuges eingelegt werden. Nach dem Aushärten des eingespritzten Matrixwerkstoffes erfolgt dann ein Entformungsschritt, bei dem der Formkern unter Freigabe der Hohlstruktur von dem Kunststoffbauteil gelöst wird. Um einen prozesssicheren Entformungsschritt zu gewährleisten, ist es im Stand der Technik gängige Praxis den Formkern mit Entformungsschrägen zu versehen, mit deren Hilfe Haftkräfte beim Entformen reduzierbar sind.Especially in the production of a fiber-reinforced plastic component with a hollow structure, the semi-finished fiber can be inserted together with a, the negative mold of the hollow structure replicating mold core in the mold chamber of the injection tool. After curing of the injected matrix material then takes a demolding step, in which the mold core is released by releasing the hollow structure of the plastic component. In order to ensure a process-safe demolding step, it is common practice in the prior art to provide the mold core with draft angles, with the aid of which adhesive forces can be reduced during removal from the mold.
Die Bereitstellung solcher Entformungsschrägen ist aus geometrischen Gründen meist mit einer mehrteiligen, und damit bauteilaufwendigen Gestaltung des Formkerns verbunden. Zudem ist die Geometrie der Hohlstruktur des Kunststoffbauteils auf Konturverläufe beschränkt, die aufgrund der Entformungsschrägen im Formkern vorgegeben sind.The provision of such Entformungsschrägen is usually connected for geometric reasons with a multi-part, and thus component-consuming design of the mandrel. In addition, the geometry of the hollow structure of the plastic component is limited to contour curves, which are predetermined due to the Entformungsschrägen in the mold core.
Aus der
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Die
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils mit einer Hohlstruktur bereitzustellen, das in einfacher sowie prozesssicherer Weise durchführbar ist.The object of the invention is to provide a method for producing a fiber-reinforced plastic component with a hollow structure, which can be carried out in a simple and process-reliable manner.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is solved by the features of
Gemäß dem Patentanspruch 1 wird der Entformungsschritt bei der Herstellung des faserverstärkten Kunststoffbauteiles nicht mehr durch Entformungsschrägen am Formkern prozesssicher gestaltet, sondern durch eine auf dem Formkern aufgetragene Entformungsschicht. Die Entformungsschicht reduziert nach erfolgter Formgebung des Kunststoffbauteils ein Anhaften des Kunststoffbauteils am Formkern, was zu einer einfachen Entformung führt. Die Entformungsschicht wird vor dem Formgebungsprozess auf den Formkern aufgetragen.According to the
Das erfindungsgemäße Verfahren kann speziell in einem RTM-Prozess Anwendung finden, bei dem der Vorformling (bestehend zum Beispiel aus dem Formkern und dem Faserhalbzeug) in einer Formkammer eines RTM-Werkzeuges, z. B. als ein Gelege, eingelegt wird und anschließend die flüssige Ausgangskomponente des Matrixwerkstoffes in die Formkammer injiziert wird. Mit dem, die Entformungsschicht tragenden Formkern können die Hohlstrukturen im Kunststoffbauteil speziell bei einem Hochdruck-RTM-Prozess mit sehr kurzen Zykluszeiten hergestellt werden. Zudem ist eine einfache Wiederverwendbarkeit des Formkerns gewährleistet.The process according to the invention can be used especially in an RTM process in which the preform (consisting for example of the mandrel and the semifinished fiber product) in a molding chamber of an RTM tool, for. B. as a scrim, is inserted and then the liquid starting component of the matrix material is injected into the mold chamber. With the mandrel bearing the mold release layer, the hollow structures in the plastic component can be produced in a high-pressure RTM process with very short cycle times. In addition, a simple reusability of the mold core is guaranteed.
Erfindungsgemäß ist die Entformungsschicht so ausgelegt, dass sie nicht am Formkern verbleibt, sondern vielmehr die Entformung an einer Kontaktfläche zwischen dem Formkern und der Entformungsschicht erfolgt. Auf diese Weise wird ein zweischichtiger Bauteilverbund hergestellt, bestehend aus einer Kunststoffbauteil-Wandung und der Entformungsschicht, die die Hohlstruktur des Kunststoffbauteils begrenzt. Im Hinblick auf einen höheren Leichtbaugrad ist die Entformungsschicht dabei aus einem Leichtbauwerkstoff, etwa einem Strukturschaum, hergestellt. Die Ausgangskomponente des Schaummaterials wird erfindungsgemäß vor der Kunststoffbauteil-Formgebung in einem separaten Schäumungsprozess auf den Formkern aufgebracht.According to the invention, the demolding layer is designed so that it does not remain on the mold core, but rather the demolding takes place on a contact surface between the mold core and the mold release layer. In this way, a two-layer component composite is produced, consisting of a plastic component wall and the demolding layer, which limits the hollow structure of the plastic component. In view of a higher degree of lightweight construction, the demolding layer is made of a lightweight material, such as a structural foam. The starting component of the foam material is applied according to the invention before the plastic component molding in a separate foaming process on the mandrel.
Im Unterschied zum Stand der Technik kann durch Bereitstellung der erfindungsgemäßen Entformungsschicht auf zusätzliche Entformungsschrägen am Formkern verzichtet werden. Auf diese Weise ist der Konturverlauf der Hohlstruktur des Kunststoffbauteils wesentlich freier gestaltbar. Beispielhaft kann der die Negativform der Hohlstruktur nachbildende Formkern eine zylindrische Kontaktfläche mit dem Kunststoffbauteil aufweisen. Dadurch kann beispielhaft eine rotationssymmetrische Antriebswelle gefertigt werden, deren Innenwandung ohne Entformungsschrägen gänzlich hohlzylindrisch ausgeführt ist.In contrast to the prior art, it is possible to dispense with additional draft angles on the mold core by providing the mold release layer according to the invention. In this way, the contour of the hollow structure of the plastic component is much more freely designed. By way of example, the mold core simulating the negative mold of the hollow structure may have a cylindrical contact surface with the plastic component. As a result, by way of example, a rotationally symmetrical drive shaft can be produced, the inner wall of which is designed to be completely hollow-cylindrical without draft angles.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Faserhalbzeug und der Formkern bereits vor dem Einlegen in die Formkammer des RTM-Werkzeugs zu dem Vorformling zusammengefügt werden. Das Faserhalbzeug kann bevorzugt als ein Gelege hergestellt werden. Alternativ dazu kann das Faserhalbzeug auch in einem Wickelverfahren hergestellt werden, bei dem die Verstärkungsfasern (Rovings) unter Bildung des Faserhalbzeugs auf den, als Wickeldorn wirkenden Formkern aufgewickelt werden.According to one embodiment, the semifinished semifinished product and the mold core can already be assembled to form the preform prior to insertion into the molding chamber of the RTM tool. The semifinished fiber product can preferably be produced as a scrim. Alternatively, the semi-finished fiber can also be produced in a winding process in which the reinforcing fibers (rovings) are wound to form the semifinished fiber on the, acting as a mandrel mandrel.
Alternativ dazu können der Formkern und das Faserhalbzeug auch als zumindest zwei voneinander unabhängige separate Einlegerteile in die Formkammer des RTM-Werkzeuges eingelegt werden. Anschließend kann dann die flüssige Ausgangskomponente des Matrixmaterials in die Formkammer injiziert werden. Die Entformungsschicht kann bevorzugt eine im Vergleich zum Matrixmaterial des Kunststoffbauteils größere Oberflächenspannung aufweisen. Als Entformungsschicht wird erfindungsgemäß ein Strukturschaum verwendet, der beim Entformen vollständig auf dem Formkern verbleibt. Alternativ zu den Schaumstrukturen können auch andere Materialien (Duroplaste oder Thermoplaste) verwendet werden, etwa Silikone, Polyurethane oder dergleichen.Alternatively, the mandrel and the semifinished fiber can also be inserted as at least two independent separate Einlegerteile in the mold chamber of the RTM tool. Subsequently, the liquid starting component of the matrix material can then be injected into the molding chamber. The demolding layer may preferably have a greater surface tension compared to the matrix material of the plastic component. As a release layer according to the invention, a structural foam is used, which remains completely on the mold core during demolding. As an alternative to the foam structures, other materials (thermosets or thermoplastics) may also be used, such as silicones, polyurethanes or the like.
Das Faserhalbzeug wird für das erfindungsgemäße Verfahren zunächst in einem Trockenzustand, das heißt noch ohne Matrixmaterial bereitgestellt. In diesem Fall können mehrere, maßgenau zugeschnittene flächige oder dreidimensional geformte Faserhalbzeuge zusammen mit einem oder mehreren Formkernen in der Formkammer des RTM-Werkzeuges übereinandergestapelt werden, und zwar gegebenenfalls unter Zwischenlage eines Binders, mit dem die Positionierung des Faserhalbzeuge des Formkerns vorfixiert wird. Der so gebildete Vorformling kann unmittelbar in der Formkammer des RTM-Werkzeuges, z. B. als ein Gelege, erzeugt werden, oder unabhängig davon hergestellt und erst nach der Fertigstellung zum RTM-Werkzeug transportiert werden. Mittels des Binders wird gewährleistet, das der aus dem Faserhalbzeug und dem Formkern aufgebaute Vorformling eine ausreichend große Bauteilstabilität aufweist, wodurch das Faserhalbzeug, insbesondere dessen Faserorientierung beim Injizieren der flüssigen Ausgangskomponente des Matrixwerkstoffes in der Formkammer des RTM-Werkzeugs ohne Verlagerung lagefest sowie positionsgenau verbleibt.The semi-finished fiber product is initially provided for the inventive method in a dry state, that is still without matrix material. In this case, a plurality of dimensionally tailored flat or three-dimensionally shaped semi-finished fiber products can be stacked together with one or more mandrels in the forming chamber of the RTM tool, possibly with the interposition of a binder, with which the positioning of the semifinished fiber of the mandrel is prefixed. The preform thus formed may be directly in the mold chamber of the RTM tool, for. Example, as a clutch, are produced, or independently produced and transported to the RTM tool after completion. By means of the binder ensures that the preform constructed from the semifinished fiber product and the mandrel has a sufficiently high component stability, whereby the semifinished fiber, in particular its fiber orientation when injecting the liquid starting component of the matrix material in the mold chamber of the RTM tool stable and positionally accurate without displacement.
In einem Wickelverfahren können Endlos-Verstärkungsfasern (sogenannte Rovings) im Trockenzustand, das heißt unter Weglassung von Matrixmaterial, zunächst auf den als Wickeldorn wirkenden Formkern zu einem Lagenpaket aufgewickelt werden. Das Lagenpaket kann zumindest eine, bevorzugt mehrere übereinander gestapelte Faserlagen aufweisen. Diese können in gleicher Faserorientierung übereinander gestapelt sein.In a winding process, continuous reinforcing fibers (so-called rovings) in the dry state, that is, omitting matrix material, are first wound onto the mandrel acting as a winding mandrel to form a layer package. The layer package may have at least one, preferably a plurality of fiber layers stacked one above the other. These can be stacked in the same fiber orientation.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.The advantageous embodiments and / or further developments of the invention explained above and / or reproduced in the dependent claims can be used individually or else in any desired combination with one another, for example in the case of clear dependencies or incompatible alternatives.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.The invention and its advantageous embodiments and further developments and advantages thereof are explained in more detail below with reference to drawings.
Es zeigen:Show it:
Die
Nachfolgend wird anhand der
In der
Wie in der
Der Formkern
In der
In der
Alternativ dazu kann die Entformungsschicht
Die Erfindung ist nicht auf das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr kann der Vorformling auch alternativ als ein Gelege unmittelbar in der Formkammer
In den
Die in den
Erfindungsgemäß ist die Entformungsschicht
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