DE102013100862A1 - Producing preform from flat and planar fiber semi-finished product, comprises e.g. preparing sheared fiber semi-finished product from flat and planar semi-finished fiber product by shearing the flat and planar fiber semi-finished product - Google Patents
Producing preform from flat and planar fiber semi-finished product, comprises e.g. preparing sheared fiber semi-finished product from flat and planar semi-finished fiber product by shearing the flat and planar fiber semi-finished product Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Preform aus einem flächigen, ebenen Faserhalbzeug, wobei die Preform zumindest teilweise eine mehrfach gekrümmte Bauteilgeometrie eines herzustellenden Faserverbundbauteils aufweist. The invention relates to a method for producing a preform from a planar, flat semi-finished fiber product, wherein the preform has at least partially a multi-curved component geometry of a fiber composite component to be produced.
Faserverbundwerkstoffe sind aufgrund ihrer Eigenschaft, bei einem relativ geringen Gewicht eine hohe Steifigkeit aufzuweisen, aus vielen Anwendungsbereichen kaum mehr wegzudenken. Insbesondere kritische Strukturelemente im Bereich der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbereich werden aufgrund der hohen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit des Werkstoffes bei minimalem Gewicht immer öfter aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt. Übergeordnetes Ziel hierbei ist es, durch eine höhere Fertigungsautomatisierung die Stückzahlen zu erhöhen und die Kosten für die Herstellung zu senken. Hierfür ist in der Regel eine sehr hohe Prozesssicherheit erforderlich. Fiber composites are virtually indispensable in many application areas due to their high stiffness at a relatively low weight. Particularly critical structural elements in the field of aerospace and automotive are increasingly being manufactured from fiber composites due to the high weight-specific strength and rigidity of the material with minimal weight. The overriding goal here is to increase the number of units and lower the costs of production through higher production automation. For this purpose, a very high process reliability is usually required.
In der Regel werden bei der Herstellung von Faserverbundbauelementen zwei Herstellungsverfahren unterschieden, bei denen entweder trockene Halbzeuge mit einem Matrixharz getränkt und anschließend ausgehärtet werden oder bereits vorimprägnierte Halbzeuge (sogenannte Prepregs) in die gewünschte Bauteilform gebracht und dann ausgehärtet werden. In beiden Fällen muss jedoch das Halbzeug (trocken oder vorimprägniert) in eine Form gebracht werden, die der späteren Bauteilform zumindest teilweise entspricht. In general, two production processes are distinguished in the production of fiber composite components, in which either dry semifinished products are impregnated with a matrix resin and then cured or already preimpregnated semi-finished products (so-called prepregs) are brought into the desired component shape and then cured. In both cases, however, the semi-finished product (dry or preimpregnated) must be brought into a form which at least partially corresponds to the later component form.
Während dieses sogenannten Preformens (auch Preforming genannt), bei dem das Halbzeug in eine Form gebracht wird, die der späteren Bauteilform des herzustellenden Faserverbundbauteils zumindest teilweise entspricht, wird in der Regel auf das Halbzeug eine mechanische Kraft ausgeübt, die das Halbzeug in die vorgegebene Preform (gewünschte Bauteilform) bringen soll. During this so-called preforming (also called preforming), in which the semifinished product is brought into a shape which at least partially corresponds to the later component shape of the fiber composite component to be produced, a mechanical force is generally exerted on the semifinished product which transfers the semifinished product into the predetermined preform (desired component shape) bring.
Eine Möglichkeit des Preformens von flächigen, ebenen Faserhalbzeugen ist das Drapieren des Faserhalbzeuges auf einem Formwerkzeug. Das Formwerkzeug weist dabei eine formgebende Oberflächenstruktur auf, die mit der späteren Bauteilgeometrie des herzustellenden Faserverbundbauteils korrespondiert und dieser entspricht. Durch das Drapieren des Faserhalbzeuges formschlüssig auf der formgebenden Oberflächenstruktur des Formwerkzeuges nimmt das Faserhalbzeug die Form der formgebenden Oberflächenstruktur an, so dass das flächige, ebene Faserhalbzeug die herzustellende Preform angenommen hat. Nicht selten wird dieser Schritt insbesondere bei komplexen Bauteilgeometrien, die zwei oder mehrfach gekrümmt sind, händisch durchgeführt, um Faserstauchungen bzw. Faserfaltungen innerhalb des Faserhalbzeuges zu vermeiden. One way of preforming flat, flat semi-finished fiber is draping the semi-finished fiber on a mold. In this case, the molding tool has a shaping surface structure which corresponds to and corresponds to the later component geometry of the fiber composite component to be produced. By draping the semi-finished fiber form-fitting on the shaping surface structure of the mold, the semifinished fiber product assumes the shape of the shaping surface structure, so that the flat, flat fiber semi-finished product has adopted the preform to be produced. Not infrequently, this step is carried out manually, especially in the case of complex component geometries, which are curved two or more times, in order to avoid fiber compressions or fiber folds within the semifinished fiber product.
Neben dieser Art des Preformens sind auch maschinelle Verfahren bekannt, bei denen die ebenen, flächigen Faserhalbzeuge mittels geeigneter Werkzeuge verschert und umgeformt werden. So ist beispielsweise aus der
Aus der nachveröffentlichten
Ein Nachteil hierbei ist es, dass solche Verfahren, die gleichzeitig verscheren und umformen, recht langsam sind und darüber hinaus nicht die notwendige Prozesssicherheit aufweisen, da sich der Verschervorgang nur sehr schwer kontrollieren lässt. Insbesondere im Bereich der Automobilindustrie als auch im Bereich der Luft- und Raumfahrt werden jedoch sehr enge Toleranzen gefordert, die in einem automatisierten Herstellungsprozess mit berücksichtigt werden müssen. Es ist daher notwendig, die Parameter des Verschervorganges prozesssicher zu gestalten. A disadvantage here is that such processes, which simultaneously shear and reshape, are quite slow and, moreover, do not have the necessary process reliability, since the process of scarring is very difficult to control. However, particularly in the automotive and aerospace sectors, very tight tolerances are required which must be taken into account in an automated manufacturing process. It is therefore necessary to make the parameters of the Verschervorganges process reliable.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Preformen flächiger Faserhalbzeuge anzugeben, mit dem der Prozessschritt des Preformens insbesondere vor dem Hintergrund einer Prozessautomation prozesssicher gestaltet werden kann. It is therefore an object of the present invention to provide an improved method for preforming planar semifinished fiber products, with which the process step of preforming can be designed in a reliable manner, in particular against the background of a process automation.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Verfahrensanspruches
Demnach wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass in einem ersten Schritt (Schritt a)) ein verschertes Faserhalbzeug aus dem flächigen, ebenen Faserhalbzeug hergestellt wird, indem das flächige, ebene Faserhalbzeug zunächst vollständig verschert wird. Accordingly, it is proposed according to the invention that in a first step (step a)), a deviated semi-finished fiber product is produced from the flat, flat semifinished fiber product by first completely shearing the planar, flat semi-finished fiber product.
Anschließend wird das vollständig verscherte Faserhalbzeug dann in einem zweiten Schritt (Schritt b)) umgeformt, so dass die Preform mit einer mehrfach gekrümmten Bauteilgeometrie hergestellt wird. Subsequently, the completely sheared fiber semi-finished product is then formed in a second step (step b)), so that the preform is produced with a multi-curved component geometry.
Hierdurch wird erreicht, dass durch die Aufteilung des gesamten Preformprozesses in einem Verscherprozess und in einem Umformprozess, die getrennt voneinander durchgeführt werden, die Prozesssicherheit wesentlich erhöht werden kann, da nunmehr mittels geeigneter Werkzeuge die einzelnen Prozessschritte gezielt unter Einhaltung der notwendigen Toleranzen durchführbar wird. This ensures that by dividing the entire preforming process in a Verscherprozess and in a forming process, which are carried out separately, the process safety can be significantly increased, since now by means of suitable tools, the individual process steps targeted while maintaining the necessary tolerances feasible.
Unter dem vollständigen Verscheren in Schritt a) wird verstanden, dass der Verschervorgang in Schritt a) mit dem Faserhalbzeug vollständig abgeschlossen sein muss, bevor zum Umformvorgang in Schritt b) übergegangen wird. Dabei kann im Umformvorgang im Wesentlich keine Verscherung erfolgen. The complete shearing in step a) is understood to mean that the shearing process in step a) must be completely completed with the semifinished fiber product before proceeding to the shaping process in step b). It can be done in the forming process essentially no Verscherung.
Darüber hinaus kann durch die beiden separat kontrollierbaren Prozessschritte die Herstellungsgeschwindigkeit sowie der Automatisierungsgrad erhöht werden, da die Einzelschritte für sich wesentlich besser kontrollierbar sind. In addition, through the two separately controllable process steps, the production speed and the degree of automation can be increased, since the individual steps are much easier to control.
Unter dem Begriff „Verscheren“ im Sinne der vorliegenden Erfindung wird das Bearbeiten eines ebenen, flächigen Faserhalbzeuges derart verstanden, dass das Faserhalbzeug in der Faserebene gezogen oder gestaucht wird. Hierbei wird die Faserorientierung meist so verändert, dass Fasern einer Richtung nicht mehr zwangsläufig im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind (eine sogenannte Evolvente) oder diese nicht mehr im Wesentlichen geradlinig vorliegen. Das Verscheren führt dabei zu einer Formänderung in der Ebene des Faserhalbzeuges, ohne dass das Faserhalbzeug aus seiner flächigen Ebene herauskommt oder diese verlässt. The term "shearing" in the context of the present invention, the processing of a flat, flat semi-finished fiber is understood such that the semi-finished fiber is drawn or compressed in the fiber plane. Here, the fiber orientation is usually changed so that fibers of one direction are not necessarily aligned substantially parallel to each other (a so-called involute) or these are no longer substantially straight. The shearing leads to a change in shape in the plane of the semifinished fiber product without the semifinished fiber product coming out of its plane or leaving it.
Demgegenüber wird unter dem Begriff „Umformen“ der Prozessschritt verstanden, bei dem das Faserhalbzeug aus einer flächigen Ebene heraus verformt wird, so dass sich eine dreidimensionale Preform ergibt. Beim Umformen liegt die Krümmungsachse in der Regel parallel zur Faserebene, während beim Verscheren eine mögliche Krümmungsachse senkrecht zu der Faserebene steht. Es ist daher vorteilhaft, wenn das vollständige Verscheren des flächigen, ebenen Faserhalbzeuges in Schritt a) durch Krümmen des Faserhalbzeuges um eine oder mehrere, senkrecht zu der Faserebene liegende Krümmungsachsen erfolgt. Hierdurch lässt sich beispielsweise in der Faserebene liegende Krümmungen erreichen, ohne dass der flächige, ebene Charakter des Faserhalbzeuges beeinträchtigt wird. In contrast, the term "forming" is understood to mean the process step in which the semifinished fiber product is deformed out of a flat plane, resulting in a three-dimensional preform. During deformation, the axis of curvature is generally parallel to the fiber plane, while during displacement, a possible axis of curvature is perpendicular to the fiber plane. It is therefore advantageous if the complete shearing of the planar, flat semi-finished fiber product in step a) by bending the semi-finished fiber to one or more, perpendicular to the fiber plane lying curvature axes. As a result, curvatures lying in the fiber plane, for example, can be achieved without impairing the planar, even character of the semifinished fiber product.
Vorteilhafterweise wird das vollständige Verscheren des Faserhalbzeuges mit Hilfe einer Verschervorrichtung durchgeführt, so dass ein kontrolliertes Verscheren erreicht wird. Eine derartige Verschervorrichtung kann beispielsweise zwei gegenüberliegende konische Scherwalzen aufweisen, die ein kontrolliertes Verscheren des ebenen, flächigen Faserhalbzeuges ermöglichen. Advantageously, the complete shearing of the semifinished fiber product is carried out with the aid of a shearing device, so that a controlled shearing is achieved. Such a shearing device may for example have two opposite conical shear rollers, which allow a controlled shearing of the flat, flat semi-finished fiber product.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das Umformen des vollständig verscherten Faserhalbzeuges in Schritt b) durch Tiefziehen mittels eines Tiefziehwerkzeuges durchgeführt wird. Ein solches Tiefziehen kann beispielsweise mit Hilfe eines Stempels erfolgen, so dass sich die Form des Faserhalbzeuges nicht mehr flächig und eben ist. Denkbar ist auch, dass das Umformen des vollständig verscherten Faserhalbzeuges in Schritt b) durch Krümmen um eine oder mehrere, parallel zu der Faserebene liegende Krümmungsachse mittels eines Krümmungswerkzeuges erfolgt. Ein solches Krümmen kann beispielsweise mit Hilfe einer Roboterkinematik oder entsprechend angeordneten Rollwerkzeugen durchgeführt werden. Furthermore, it is advantageous if the forming of the completely sheared semi-finished fiber product in step b) is carried out by deep drawing by means of a deep-drawing tool. Such a deep drawing can be done for example by means of a stamp, so that the shape of the semi-finished fiber is no longer flat and even. It is also conceivable that the reshaping of the fully sheared semi-finished fiber product in step b) by bending around one or more, lying parallel to the fiber plane axis of curvature by means of a curving tool. Such curving can be carried out, for example, by means of robot kinematics or correspondingly arranged rolling tools.
Denkbar ist allerdings auch, dass das vollständig verscherte Faserhalbzeug in Schritt b) durch Drapieren des vollständig verscherten Faserhalbzeuges auf einer gekrümmten Werkzeugoberfläche umgeformt wird. Die Werkzeugoberfläche korrespondiert dabei mit der Bauteilgeometrie des herzustellenden Faserverbundbauteils, so dass auch hier durch das Drapieren des vollständig verscherten Faserhalbzeuge die Preform mittels Umformen herstellbar wird. However, it is also conceivable that the completely sheared semi-finished fiber product in step b) is formed by draping the completely sheared fiber semi-finished product on a curved tool surface. In this case, the tool surface corresponds to the component geometry of the fiber composite component to be produced, so that the preform can also be produced by means of reshaping by draping the fully sheared semi-finished fiber product.
Vorteilhafterweise erfolgt vor dem ersten Preformschritt ein Zuschneiden des Faserhalbzeuges zur Bereitstellung des ebenen, flächigen Faserhalbzeuges. Ein solches Zuschneiden kann beispielsweise mit Hilfe eines Schneidwerkzeuges erfolgen, dem bahnförmigen Faserhalbzeuge zugeführt werden. Durch den Zuschnitt entstehen dabei separate, ebene und flächige Faserhalbzeuge. Advantageously, prior to the first preforming step, cutting of the semi-finished fiber product to provide the planar, flat semi-finished fiber product. Such cutting can be done, for example, with the aid of a cutting tool, the web-shaped fiber semi-finished products are supplied. By cutting this creates separate, flat and flat semi-finished fiber products.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das flächige, ebene Faserhalbzeug eine rechteckige Grundfläche mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite auf, wobei das flächige, ebene Faserhalbzeug in Schritt a) durch Krümmen des Faserhalbzeuges um eine senkrecht zu der Faserebene liegende Krümmungsachse derart verschert wird, dass die erste Seite (Außengurt) des vollständig verscherten Faserhalbzeuges einen größeren Radius als die gegenüberliegende zweite Seite (Innengurt) aufweist. Anschließend wird dieses so in der Faserebene gekrümmte bzw. verscherte Faserhalbzeug dann an zumindest einer der Seiten so umgeformt, dass sich ein gekrümmtes Profil als Preform ergibt. In an advantageous embodiment, the planar, flat semi-finished fiber product has a rectangular base area with a first side and an opposite second side, wherein the flat, flat semi-finished fiber product is warped in such a way in step a) by bending the semi-finished fiber about a perpendicular axis of curvature axis of the fiber, the first side (outer belt) of the completely sheared semi-finished fiber product has a larger radius than the opposite second side (inner belt). Subsequently, this so in the fiber plane curved or sheared fiber semi-finished product is then so formed on at least one of the sides that results in a curved profile as a preform.
So lassen sich mit diesem Verfahren beispielsweise gekrümmte Z-Profile, L-Profile oder U-Profile erstellen, in denen beispielsweise eine oder beide Seiten umgeknickt bzw. abgewinkelt werden. Thus, for example, curved Z-profiles, L-profiles or U-profiles can be created with this method, in which, for example, one or both sides are bent or angled.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the attached figures.
Es zeigen: Show it:
Im ersten Schritt a) wird das flächige Faserhalbzeug
Dieses so hergestellte, vollständig verscherte Faserhalbzeug
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- flächiges, ebenes Faserhalbzeug flat, flat fiber semi-finished product
- 2 2
- verschertes Faserhalbzeug Defaced semi-finished fiber
- 3 3
- herzustellende Preform preform to be produced
- 3a 3a
- Außengurt outer belt
- 3b 3b
- Innengurt internal belt
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- DE 102012101706 [0007] DE 102012101706 [0007]
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