DE102013210441A1 - Differential-thermal tool concept for the production of fiber composites - Google Patents

Differential-thermal tool concept for the production of fiber composites Download PDF

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Abstract

Presswerkzeug umfassend eine obere Werkzeughälfte und eine untere Werkzeughälfte zum Pressen von Verbundwerkstoffen zwischen den beiden Werkzeughälften, wobei eine der Werkzeughälften mit einer Heizvorrichtung ausgestattet und beheizbar ist, während die andere Werkzeughälfte bestimmungsgemäß nicht beheizbar ausgebildet ist, so dass sich beim Pressen eines Verbundwerkstoffes ein Temperaturgradient im Verbundwerkstoff von der unbeheizten Werkzeughälfte in Richtung zur beheizten Werkzeughälfte einstellt.Press tool comprising an upper tool half and a lower tool half for pressing composite materials between the two tool halves, one of the tool halves being equipped with a heating device and being heatable, while the other tool half is designed to be non-heatable, so that a temperature gradient in the Composite material adjusts from the unheated mold half towards the heated mold half.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Presswerkzeug gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 9. Die vorliegende Erfindung betrifft daher insbesondere ein Presswerkzeug sowie ein Verfahren zum Verpressen von Faserverbundwerkstoffen.The present invention relates to a pressing tool according to the features of claim 1 and a method according to the features of claim 9. The present invention therefore relates in particular to a pressing tool and to a method for pressing fiber composite materials.

Im Stand der Technik sind hierzu beheizbare Presswerkzeuge aus einem Oberteil und einem Unterteil zur Herstellung von Formkörpern aus Faserverbundwerkstoffen bekannt, bei denen zwei gegeneinander bewegbare beheizbare Werkzeughälften zusammengefahren werden, um aus den zu pressenden Faserverbundwerkstoffen, wie z. B. einer Fasermatrix zusammen mit Faserrovings einen Formkörper herzustellen.In the prior art, this heatable pressing tools from an upper part and a lower part for the production of moldings made of fiber composites are known in which two mutually movable heated mold halves are moved together to be pressed from the fiber composites such. B. a fiber matrix together with fiber rovings to produce a shaped body.

Faserverbundwerkstoffe gewinnen in vielen Bereichen der Fahrzeugtechnik und des Fahrzeugbaus immer mehr an Bedeutung. So werden beispielsweise langfaserverstärkte Kunststoffkonstruktionen bei Anbauteilen für PKWs wie z. B. Spoilern und andere Anbauteile verwendet, sowie für großflächige Karosserieelemente bei Schienennutzfahrzeugen, Bootsrümpfen und Sportgeräten sowie bei Windkrafträdern. Auch in der Luftfahrt und im Motorsport bestehen Konstruktionen und Strukturen aufgrund ihrer herausragenden gewichtsspezifischen Eigenschaften inzwischen überwiegend aus langfaserverstärkten oder allgemein faserverstärkten Kunststoffen. Ein bedeutender Vorteil von Faserverbundwerkstoffen ist neben der hervorragenden gewichtsbezogenen mechanischen Eigenschaft, die nahezu uneingeschränkte Gestaltungsfreiheit und Formbarkeit sowie die Möglichkeit, Formen in fast beliebiger Größe auch in kleinen bis mittleren Stückzahlen mit vergleichsweise geringen Investitionskosten herstellen zu können.Fiber composite materials are becoming increasingly important in many areas of vehicle technology and vehicle construction. For example, long-fiber-reinforced plastic structures for attachments for cars such. B. spoilers and other attachments used, as well as for large-scale bodywork in rail utility vehicles, boat hulls and sports equipment and wind turbines. Due to their outstanding weight-specific properties, aerospace and motor sport structures and structures are predominantly made of long-fiber reinforced or generally fiber-reinforced plastics. A significant advantage of fiber composites is, in addition to the excellent weight-related mechanical property, the almost unlimited freedom of design and formability and the ability to produce shapes in almost any size, even in small to medium quantities with relatively low investment costs.

In der Vergangenheit hatten faserverstärkte Kunststoffe überwiegend in kleinen bis mittleren Serien Einsatz gefunden sowie im Prototypenbau. Allerdings sind produktbezogene Besonderheiten von Faserverbundkunststoffbauteilen teilweise limitierende Faktoren bei der Herstellung. So weisen beispielsweise duroplastische Kunststoffe aufgrund der Härtungszeiten des Kunststoffs lange Verweilzeiten in der Form auf, was lange Zykluszeiten zur Folge hat und die Großserientauglichkeit zumindest einschränkt. Im Stand der Technik wurden daher beheizbare Pressformen bereitgestellt, um die Harzviskosität und Tränkung der Fasern zu beeinflussen sowie das Aushärteverfahren zu beschleunigen. Hierbei wird gleichzeitig in Folge der Temperaturerhöhung der Vernetzungsgrad der Duroplasten gesteigert.In the past, fiber-reinforced plastics had mainly been used in small to medium series, as well as in prototype construction. However, product-specific features of fiber composite plastic components are partially limiting factors in the production. For example, because of the curing times of the plastic, duroplastic plastics have long residence times in the mold, which results in long cycle times and at least restricts their mass production suitability. Heatable molds have therefore been provided in the prior art to influence the resin viscosity and impregnation of the fibers as well as to accelerate the curing process. At the same time, as a result of the temperature increase, the degree of crosslinking of the thermosets is increased.

So offenbart die DE 199 42 364 C2 ein Werkzeug zum Warmumformen beim Prägeformprozess mit einem strukturierten Abformwerkzeug auf der einen und einem umformenden thermoplastischen Substrat oder Kunststoffschicht auf der anderen Seite, wobei direkt über dem Abformwerkzeug ein Formkörper aus elektrisch leitfähiger und dadurch direkt beheizbarer Keramik in wärmeleitendem Kontakt zu diesem angebracht ist, der gegenüber der Umformmaschine durch eine Isolationsplatte thermisch und elektrisch isoliert ist.So revealed the DE 199 42 364 C2 a tool for hot forming during the embossing molding process with a structured molding tool on the one hand and a deforming thermoplastic substrate or plastic layer on the other side, directly above the molding tool, a molded body of electrically conductive and thus directly heatable ceramic is mounted in heat-conducting contact to this, opposite the forming machine is thermally and electrically insulated by an insulating plate.

Ferner offenbart die DE 10 2004 042 422 A1 ein beheizbares Formwerkzeug für die Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoff, wobei das Werkzeug einer Faserverbundstruktur mit einer Kunststoffmatrix aufweist, die ein elektrisches Widerstandsheizelement eingebettet ist.Further, the DE 10 2004 042 422 A1 a heatable mold for the manufacture of components made of fiber composite material, wherein the tool has a fiber composite structure with a plastic matrix, which is an electrical resistance heating element embedded.

Im Stand der Technik ist es allerdings eher üblich, metallische Formen mit elektrischen Widerstandsheizungen oder anderen Beheizungen bereitzustellen.In the prior art, however, it is more common to provide metallic shapes with electrical resistance heaters or other heaters.

Bei den im Stand der Technik bekannten beheizbaren Werkzeugformen treten allerdings diverse Probleme auf. Metallformen sind teuer in der Herstellung, während Kunststoffformen problematisch bei der Beheizung sind, da Kunststoff eine wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit als Metalle aufweisen und zudem insbesondere bei ungleichmäßiger Wärmeverteilung der Formen sehr verzugsanfällig sind.In the known in the prior art heated molds, however, various problems. Metal molds are expensive to manufacture, while plastic molds are problematic in heating, since plastics have a significantly lower thermal conductivity than metals and are also very prone to failure especially in the case of uneven heat distribution of the molds.

Durch die Ausrichtung des Aushärtevorgangs von außen nach innen jeweils von der Seite des erhitzten Werkzeugs lagern sich speziell bei Bauteilen mit dickeren Wandstärken und bei stark ausgeprägten Wandstärkensprünge z. B. bei Rippenstrukturen oder Domen in der Mitte der Wandstärke verstärkt Luftporen und Lunker ab, was zur Delamination bzw. zum Bauteilversagen führt oder führen kann. Ferner darf eine maximale Verweildauer des Halbzeugs auf der erhitzten Werkzeughälfte nicht überschritten werden, da der verwendete Harz (Verbundmatrix) sonst verfrüht bzw. zu schnell aushärten würde. Somit kann kein unmittelbarer Auftrag des Harzes auf ein heißes Unterwerkzeug erfolgen, was auch ein direktes Einspritzen oder Auftragen verhindert. Ferner kann ein Einlegen von vorimprägnierten Halbzeugen ebenfalls nicht erfolgen, da eine maximale Verweildauer überschritten werden würde, z. B. bei Mehrfachwerkzeugen oder komplexen Aufbauten.By aligning the curing process from the outside to the inside each of the side of the heated tool store especially for components with thicker walls and strong wall thickness jumps z. B. in rib structures or domes in the middle of the wall thickness reinforced air pores and voids, which leads to delamination or component failure or can lead. Furthermore, a maximum residence time of the semifinished product on the heated mold half must not be exceeded, since the resin used (composite matrix) would otherwise prematurely or too quickly harden. Thus, no immediate application of the resin can be done on a hot lower tool, which also prevents direct injection or application. Furthermore, a loading of pre-impregnated semi-finished products also can not be done because a maximum residence time would be exceeded, z. B. in multiple tools or complex structures.

Ein weiteres Problem bei beheizten Werkzeugen liegt in der limitierten Verweildauer des Faserverbundwerkstoffs auf dem beheizten Werkzeug. Werden beispielsweise eine oder mehrere Schichten des Rovings sowie eine Fasermatrix auf ein beheiztes Werkzeugunterteil positioniert, besteht eine beschränkte Verweildauer, bis der Pressprozess beginnen spätestens muß. Einerseits verflüssigt sich während dieser Zeitspanne bereits der Kunststoff und erniedrigt sich damit die Fixierung des Materials auf der Werkzeugunterfläche, was nachteilig ist. Ferner sind bei einem heißen Unterwerkzeug die Haftreibungskräfte zwischen dem imprägnierten Halbzeug und der Werkzeugoberfläche durch den Kontakt so erniedrigt, dass ein Fixieren auf der Auflage erschwert wird oder unmöglich ist.Another problem with heated tools is the limited residence time of the fiber composite on the heated tool. If, for example, one or more layers of the roving and a fiber matrix are positioned on a heated tool base, there is a limited residence time until the pressing process start at the latest must. On the one hand liquefies during this period already the plastic and thus lowers the fixation of the material on the lower tool surface, which is disadvantageous. Furthermore, in the case of a hot lower tool, the static friction forces between the impregnated semi-finished product and the tool surface are reduced by the contact in such a way that fixing on the support is made difficult or impossible.

Darüber hinaus ist es auch unerwünscht, dass eine thermische Belastung des Faserverbundwerkstoffs bereits einsetzt, bevor der eigentliche Pressvorgang startet. Weitere im Stand der Technik bekannte Probleme sind die relativ schlechte Maßhaltigkeit, der Verzug der Formen, eine inhomogene Temperaturverteilung in den Werkzeugen und der relativ hohe Herstellungsaufwand. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Faserverbundwerkstoffe sowohl von der Werkzeugoberhälfte erwärmt werden als auch von der Werkzeugunterhälfte, so dass zwei aufeinander zulaufende Erwärmungsprozesse ablaufen mit entgegengesetztem Temperaturgradienten innerhalb des herzustellenden Kunststoffbauteils.In addition, it is also undesirable that a thermal load of the fiber composite material already begins before the actual pressing process starts. Other problems known in the prior art are the relatively poor dimensional accuracy, the distortion of the molds, an inhomogeneous temperature distribution in the tools and the relatively high production costs. A further disadvantage is that the fiber composite materials are heated both by the upper half of the mold and by the lower half of the mold, so that two successive heating processes proceed with opposite temperature gradients within the plastic component to be produced.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pressvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Faserverbundwerkstoffen bereitzustellen, bei dem vorbesagte Nachteile überwunden werden und das insbesondere günstig herstellbar ist, und bei dem ferner der auch ein Eintrag von Harz und/oder das Einlegen von Halbzeugen auf die Werkzeugoberfläche die Problematik der Verweilzeit reduziert oder beseitigt wird.Against this background, it is an object of the present invention to provide a pressing device and a method for producing molded parts made of fiber composites, in which said disadvantages are overcome and which is particularly low to produce, and in which further also an entry of resin and / or the Inserting semi-finished products on the tool surface reduces or eliminates the problem of the residence time.

Diese Aufgabe wird durch ein Presswerkzeug mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 9 gelöst.This object is achieved by a pressing tool having the features of claim 1 and a method having the features of claim 9.

Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es dabei, ein Presswerkzeug zum Pressen von Verbundwerkstoffen bereitzustellen, welches bestimmungsgemäß eine beheizbare und eine nicht beheizbare Werkzeughälfte aufweist, so dass gezielt eine Werkzeughälfte zur Fixierung des Halbzeugs dient, die durch eine erhöhte Haftreibung zur kalten Werkzeugoberfläche gebildet wird, während von der anderen Werkzeughälfte eine einseitige Wärmeeinleitung erfolgt, so dass sich beim Pressen des Verbundwerkstoffes ein Temperaturgradient im Verbundwerkstoff ausschließlich von der unbeheizten Werkzeughälfte in Richtung zur beheizten Werkzeughälfte einstellt.The basic idea of the present invention is to provide a pressing tool for pressing composite materials, which has a heatable and a non-heatable mold half as intended, so that a tool half purposefully serves for fixing the semifinished product, which is formed by an increased static friction to the cold tool surface from the other mold half a one-sided heat introduction takes place, so that when pressing the composite material, a temperature gradient in the composite adjusts exclusively from the unheated mold half in the direction of the heated mold half.

Erfindungsgemäß wird daher ein Presswerkzeug umfassend eine obere Werkzeughälfte und eine untere Werkzeughälfte zum Verpressen von Verbundwerkstoffen zwischen den beiden Werkzeughälften bereitgestellt, wobei eine der Werkzeughälften mit einer Heizvorrichtung ausgestattet und beheizbar ist, während die andere Werkzeughälfte bestimmungsgemäß nicht beheizbar ausgebildet ist, so dass sich beim Pressen eines Verbundwerkstoffes ein Temperaturgradient im Verbundwerkstoff von der unbeheizten Werkzeughälfte in Richtung zur beheizten Werkzeughälfte einstellt, jedoch nicht umgekehrt.According to the invention, therefore, a pressing tool is provided comprising an upper mold half and a lower mold half for pressing composite materials between the two mold halves, wherein one of the mold halves is equipped with a heating device and can be heated while the other mold half is intended to be unheated, so that during pressing of a composite adjusts a temperature gradient in the composite from the unheated mold half to the heated mold half, but not vice versa.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Presswerkzeug so ausgebildet, dass die obere Werkzeughälfte beheizbar und mit einer Heizvorrichtung ausgestattet ist. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform weist die Heizvorrichtung mehrere nebeneinander und/oder übereinander angeordnete Heizkanäle innerhalb der oberen Werkzeughälfte auf. Hierdurch wird gewährleistet, dass eine homogene Erwärmung des gesamten Werkzeugs erfolgt und thermische Spannungen aufgrund unterschiedlicher Temperaturen im Werkzeug weitgehend vermieden werden. Die Ausbildung der Heizkanäle kann dadurch auf unterschiedliche Weise gestaltet werden, wie z. B. mittels Flüssigkeitskanalsystemen, durch das entsprechende temperierte Flüssigkeiten gefördert werden können.In a particularly preferred embodiment, the pressing tool is designed so that the upper mold half is heated and equipped with a heating device. In a further preferred embodiment, the heating device has a plurality of heating channels arranged side by side and / or one above another within the upper mold half. This ensures that a homogeneous heating of the entire tool takes place and thermal stresses due to different temperatures in the tool are largely avoided. The formation of the heating channels can be designed in different ways, such. B. by means of liquid channel systems, can be promoted by the corresponding tempered liquids.

In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform ist das Presswerkzeug so ausgebildet, dass die untere Werkzeughälfte mit einer Kühlvorrichtung ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass dadurch eine erhöhte Haftreibung zwischen dem Halbzeug und der kalten Werkzeugoberfläche der unteren Werkzeughälfte eine Fixierung des Halbzeugs mit lokaler Verstärkung gegeben ist. Ein weiterer Vorteil der Kühlung der unteren Werkzeughälfte liegt darin, dass auch bei einer Vielzahl von Pressprozessen die untere Werkzeughälfte nicht passiv von der oberen erwärmten Werkzeughälfte erhitzt wird. Vielmehr ist es möglich, das Erhitzen der kalten Werkzeughälfte durch die gegenüberliegende heiße Werkzeughälfte, welche beim Pressvorgang der Presse geschlossen wird, durch eine entsprechende Kühlvorrichtung zu kompensieren bzw. der Erwärmung entgegenzuwirken. Sofern die Heizvorrichtung und Kühlvorrichtung über eine gemeinsame Steuerung entsprechend in einem Steuer- und Regelungsprozess materialabhängig auf vorbestimmte Prozesstemperaturen eingestellt werden, kann ein gezielter Temperaturgradient im Halbzeug eingestellt werden.In a further advantageous embodiment, the pressing tool is formed so that the lower mold half is formed with a cooling device. This has the advantage that an increased static friction between the semifinished product and the cold tool surface of the lower mold half results in a fixation of the semifinished product with local reinforcement. Another advantage of the cooling of the lower mold half is that even in a variety of pressing processes, the lower mold half is not passively heated by the upper heated mold half. Rather, it is possible to compensate for the heating of the cold mold half by the opposite hot mold half, which is closed during the pressing process of the press, by a corresponding cooling device or counteract the heating. If the heating device and cooling device are adjusted to a predetermined process temperatures depending on the material in a control and regulation process via a common control, a targeted temperature gradient can be set in the semifinished product.

Dabei kann das Presswerkzeug mit Vorteilen so ausgebildet sein, dass die Kühlvorrichtung mehrere nebeneinander und/oder übereinander verlaufende Kühlkanäle innerhalb der unteren Werkzeughälfte aufweist. Dies kann ebenfalls mittels eines Flüssigkeitskanalsystems erfolgen, durch das entsprechend gekühlte Flüssigkeit gefördert wird. Infolge des Kühlkanalsystems kann die untere gekühlte Werkzeughälfte homogen auf eine bestimmte Prozesstemperatur abgekühlt werden bzw. auf einer gewünschten materialabhängigen Prozesstemperatur gehalten werden.In this case, the pressing tool can be designed with advantages such that the cooling device has a plurality of side by side and / or one above the other running cooling channels within the lower mold half. This can also be done by means of a liquid channel system, is funded by the appropriately cooled liquid. As a result of the cooling channel system, the lower cooled mold half can be cooled homogeneously to a certain process temperature or maintained at a desired material-dependent process temperature.

Weiter vorteilhaft ist es, wenn eine oder mehrere untere Werkzeughälften zum Bestücken mit einem oder mehreren Faserverbundwerkstoffen bzw. Halbzeugen von je einer Bestückungsposition in eine Pressposition unterhalb der oberen Werkzeughälfte entweder im Wechselbetrieb hin und her oder in einem Kreisprozess bewegbaren Presswerkzeug angeordnet sind. Auf diese Weise kann das Werkzeug z. B. im Batchbetrieb oder im Serienbetrieb verwendet werden. It is also advantageous if one or more lower tool halves are arranged for loading with one or more fiber composite materials or semifinished products from one placement position into a pressing position below the upper tool half either in alternating operation back and forth or in a circular process movable pressing tool. In this way, the tool z. B. be used in batch mode or in series operation.

Ein weiterer Vorteil der nicht beheizten sowie der gekühlten Werkzeugunterhälften ist darin zu sehen, dass es keine Einschränkung bezüglich der Verweildauer gibt. Z. B. beim Eintrag von Harz auf die Werkzeugoberfläche bzw. beim Einlegevorgang des Halbzeugs speziell bei zeitaufwändigen Einlegeschemen (z. B. bei Mehrfachwerkzeugen und Multimaterialaufbauten) wird dieser Prozess zeitlich nicht durch die Werkzeugtemperatur limitiert. Insbesondere bei Verwendung von Wechselwerkzeugen oder im Kreisprozess angeordneten unteren Werkzeughälften ist es möglich, mehrere Werkzeugunterhälften nacheinander oder gleichzeitig zu bestücken und diese dann nacheinander unter die korrespondierende obere Werkzeughälfte zu befördern.Another advantage of the unheated and the cooled tool halves is the fact that there is no restriction on the residence time. For example, when resin is introduced onto the tool surface or during insertion of the semifinished product, especially in the case of time-consuming insertion patterns (eg with multiple tools and multi-material assemblies), this process is not limited in time by the tool temperature. In particular, when using change tools or arranged in the cycle process lower tool halves, it is possible to equip several tool halves successively or simultaneously and then to convey these successively under the corresponding upper mold half.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Werkzeughälften in einem Wechselprozess bestückt und verpresst werden und die verpressten Halbzeuge danach wieder entnommen werden können. Unabhängig vom Zeitaufwand des Einlegens und der Verweildauer auf der Werkzeugunterhälfte kann dabei der Pressvorgang einer bestückten Werkzeugunterhälfte parallel erfolgen.Particularly advantageous is an embodiment in which the tool halves are loaded and pressed in a change process and the pressed semi-finished products can be removed again afterwards. Regardless of the time required for insertion and the dwell time on the tool sub-half, the pressing process of a stocked tool sub-half can take place in parallel.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die beheizbare Werkzeughälfte aus einem wärmeleitenden Material mit einer spezifischen Wärmeleitzahl von λ > 20 W/(mK) ausgebildet. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Heizvorrichtung bzw. das Heizkanalsystem in der beheizbaren Werkzeughälfte eine homogene Temperaturverteilung bewirkt und ein hoher Wärmestrom zum Halbzeug erfolgt.In an advantageous embodiment of the invention, the heatable mold half is formed of a thermally conductive material having a specific thermal conductivity of λ> 20 W / (mK). This ensures that the heater or the Heizkanalsystem in the heated mold half causes a homogeneous temperature distribution and a high heat flow to semi-finished.

Weiter vorteilhaft ist es, wenn die nicht beheizbare Werkzeughälfte aus einem wärmeisolierenden Material besteht. Besonders vorteilhaft sind wärmeisolierende Materialien mit einer spezifischen Wärmeleitzahl von λ < 1 W/(mK) und besonders bevorzugt von λ < 0,5 W/(mK) zu wählen.It is also advantageous if the unheated mold half consists of a heat-insulating material. Heat-insulating materials having a specific heat conductivity of λ <1 W / (mK) and particularly preferably of λ <0.5 W / (mK) are to be chosen with particular advantage.

Dies hat unter anderem zum Vorteil, dass das nicht beheizbare Werkzeugunterteil bzw. die nicht beheizbare untere Werkzeughälfte aus einem günstigen Material hergestellt werden kann.This has, inter alia, the advantage that the non-heated lower tool part or the unheated lower tool half can be made of a favorable material.

Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Verpressen eines Faserverbundhalbzeugs oder Faserverbundwerkstoffes in einem wie zuvor beschriebenen Presswerkzeug vorgeschlagen, mit den folgenden Schritten:

  • a) Eintragen und/oder Einlegen von einer oder mehreren Lagen an Verbundwerkstoffen und/oder Harzen auf die nicht erhitzte untere Werkzeughälfte,
  • b) Erhitzen der oberen Werkzeughälfte auf eine materialabhängige Prozesstemperatur Th und
  • c) Verpressen der Werkstoffe zwischen der oberen beheizten und unteren kalten Werkzeughälfte, wobei sich bestimmungsgemäß ein Temperaturgardient in den eingebrachten Werkstoffverbund von der unteren kalten Werkzeughälfte in Richtung der oberen beheizten Werkzeughälfte durch den Werkstoffverbund hindurch ausgebildet, nicht jedoch in entgegengesetzter Richtung.
According to the invention, a method is also proposed for pressing a fiber composite semifinished product or fiber composite material in a pressing tool as described above, with the following steps:
  • a) loading and / or placing one or more layers of composites and / or resins on the unheated lower mold half,
  • b) heating the upper mold half to a material-dependent process temperature T h and
  • c) pressing of the materials between the upper heated and lower cold mold half, whereby a Temperaturgardient designed as intended in the introduced composite material from the lower cold mold half in the direction of the upper heated mold half through the composite materials, but not in the opposite direction.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn dabei die untere Werkzeughälfte mittels einer Kühlvorrichtung gekühlt wird.It is particularly advantageous if the lower mold half is cooled by means of a cooling device.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.Other advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are explained in more detail below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to FIGS.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Presswerkzeugs, bei dem ein Prepreg auf die untere Werkzeughälfte aufgelegt wurde; 1 a schematic view of a pressing tool according to the invention, in which a prepreg has been placed on the lower mold half;

2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Presswerkzeugs beim Pressvorgang; und 2 a schematic view of a pressing tool according to the invention during the pressing process; and

3 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Presswerkzeugs gemäß 2 mit einseitig induzierter Wärmekonduktion. 3 a schematic view of the pressing tool according to the invention 2 with unilaterally induced heat conduction.

In 1 wird ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Presswerkzeugs 1 gezeigt. Das Presswerkzeug 1 umfasst eine obere Werkzeughälfte 2 und eine untere Werkzeughälfte 3 zum Verpressen von Verbundwerkstoffen 11 zwischen der oberen Werkzeughälfte 2 und der unteren Werkzeughälfte 3. Als Verbundwerkstoffe 11 sind allgemein Prepreg/Harzverbindungen oder andere Werkzeugverbunde aus Halbzeugen und/oder Faserverbundmaterialien sowie Kombinationen aus Harzeinträgen mit einer Fasermatrix und weiteren Halbzeugen zu verstehen. Im Folgenden wird daher allgemein von Verbundwerkstoffen 11 gesprochen.In 1 is a first embodiment of a pressing tool according to the invention 1 shown. The pressing tool 1 includes an upper mold half 2 and a lower tool half 3 for the compression of composite materials 11 between the upper half of the mold 2 and the lower half of the mold 3 , As composites 11 are generally prepreg / resin compounds or other tool compounds of semi-finished and / or fiber composite materials and combinations of resin entries with a fiber matrix and other semi-finished products to understand. The following is therefore generally of composite materials 11 spoken.

Die obere Werkzeughälfte 2 ist mit einer Heizvorrichtung 4 ausgestattet, die mit einem Heizkanalsystem mit Heizkanälen 5 verbunden ist. In dem Kanalsystem 5 kann heiße Flüssigkeit oder heißer Dampf eingebracht werden, um die obere Werkzeughälfte 2 zu erhitzen. Die untere Werkzeughälfte 3 weist eine Kühlvorrichtung 6 auf, die mit einem Kühlkanalsystem aus Kühlkanälen 7 verbunden ist, die im Inneren der unteren Werkzeughälfte 2 angeordnet sind. Auf diese Weise kann die untere Werkzeughälfte mittels eines Kühlmittels, welches durch das Kühlkanalsystem bzw. die Kühlkanäle 7 transportiert wird, gekühlt werden.The upper tool half 2 is with a heater 4 equipped with a heating channel system with heating channels 5 connected is. In the channel system 5 can be hot liquid or hotter Steam is introduced to the upper mold half 2 to heat. The lower half of the mold 3 has a cooling device 6 on that with a cooling channel system of cooling channels 7 connected to the inside of the lower mold half 2 are arranged. In this way, the lower mold half by means of a coolant, which through the cooling channel system or the cooling channels 7 is transported, cooled.

Ferner ist eine Steuer- und Regelungsvorrichtung 8 vorgesehen. Die Steuer- und Regelungsvorrichtung 8 kann steuerungstechnisch sowohl mit der Heizvorrichtung 4 als auch mit der Kühlvorrichtung 6 verbunden sein, so dass Prozesstemperaturen sowohl an der oberen Werkzeughälfte als auch an der unteren Werkzeughälfte in wechselseitiger Abhängigkeit zueinander eingestellt werden können. Auf der Oberfläche der unteren Werkzeughälfte 3 ist beispielhaft ein Verbundwerkstoff 11 aufgelegt. Neben der unterhalb der oberen Werkzeughälfte 2 dargestellten unteren Werkzeughälfte 3 befindet sich eine weitere Werkzeugunterhälfte 3, auf die ein Prepreg 10 aufgelegt ist. Gleiche Bezugszeichen weisen auf gleichartige Merkmale hin. In der vorliegenden Ausführungsform können die unteren Werkzeughälften (wie mit den Pfeilen angedeutet) zwischen einer Position zum Verpressen unterhalb der oberen Werkzeughälfte und einer Bestückposition daneben hin- und herbewegt werden. Auf diese Weise kann die eine Werkzeughälfte bestückt werden, während die andere Werkzeughälfte im Pressprozess ist. In der in 1 gezeigten Position der linken unteren Werkzeughälfte 3 kann diese ohne Einfluss der Verweilzeit bestückt werden und können auch komplexe Mehrfachaufbauten ohne zeitliche Begrenzung eingelegt werden.Further, a control device 8th intended. The control and regulating device 8th can be controlled by both the heating device 4 as well as with the cooling device 6 be connected so that process temperatures on both the upper mold half and on the lower mold half can be set in mutual dependence. On the surface of the lower mold half 3 is an example of a composite material 11 hung up. Next to the lower half of the mold 2 shown lower mold half 3 there is another tool sub-half 3 on which a prepreg 10 is up. Like reference numerals indicate similar features. In the present embodiment, the lower mold halves (as indicated by the arrows) may be reciprocated between a position for pressing beneath the upper mold half and a placement position adjacent thereto. In this way, the one tool half can be fitted, while the other tool half is in the pressing process. In the in 1 shown position of the lower left mold half 3 This can be equipped without influence of the residence time and can be inserted even complex multiple structures without time limit.

In einer alternativen Ausführungsform können natürlich mehrere hintereinander oder geeignet angeordnete untere Werkzeughälften entweder in Serie oder in einem Batchprozess verlagerbar angeordnet werden.In an alternative embodiment, of course, a plurality of successively or suitably arranged lower mold halves can be arranged to be displaced either in series or in a batch process.

In der 2 und 3 sind beispielhaft je ein Presswerkzeug 1 beim Pressvorgang gezeigt. In der 2 wurde auf der kalten unteren Werkzeughälfte 3 ein erstes Verbundmaterial aufgebracht (z. B. ein Prepreg 10). Aufgrund der niedrigen Temperatur weist das „kalte Material” eine hohe Viskosität auf und wird zur Werkzeugoberfläche der unteren Werkzeughälfte 3 hin fixiert. Oberhalb des Prepregs 10 ist ein weiteres zu verpressendes Verbundmaterial 11 aufgebracht und zwar mit Kontakt zur oberen erhitzten Werkzeughälfte 2. Da die warme Werkzeughälfte das obere Material erhitzt, verändert sich die Viskosität und wird das Werkzeug zur Werkzeugoberfläche hin verdrängt.In the 2 and 3 are each an example of a pressing tool 1 shown during the pressing process. In the 2 was on the cold lower half of the mold 3 a first composite material is applied (eg a prepreg 10 ). Due to the low temperature, the "cold material" has a high viscosity and becomes the tool surface of the lower mold half 3 fixed. Above the prepreg 10 is another composite material to be pressed 11 applied and with contact to the upper heated mold half 2 , As the hot mold half heats the upper material, the viscosity changes and the tool is displaced towards the tool surface.

In der 3 wird schematisch dargestellt, wie die einseitig induzierte Wärmekonduktion sich von der oberen Werkzeughälfte in die Richtung der unteren Werkzeughälfte ausbreitet.In the 3 is shown schematically how the unilaterally induced heat conduction propagates from the upper mold half in the direction of the lower mold half.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise kann die untere Werkzeughälfte auch mit einer wärmeisolierenden Schicht beschichtet werden.The invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiments. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different types of use. For example, the lower mold half can also be coated with a heat-insulating layer.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 102004042422 A1 [0006] DE 102004042422 A1 [0006]

Claims (10)

Presswerkzeug (1) umfassend eine obere Werkzeughälfte (2) und eine untere Werkzeughälfte (3) zum Pressen von Verbundwerkstoffen (11) zwischen den beiden Werkzeughälften (2, 3), wobei eine der Werkzeughälften (2, 3) mit einer Heizvorrichtung (4) ausgestattet und beheizbar ist, während die andere Werkzeughälfte (2, 3) bestimmungsgemäß nicht beheizbar ausgebildet ist, so dass sich beim Pressen eines Verbundwerkstoffes (11) ein Temperaturgradient im Verbundwerkstoff von der unbeheizten Werkzeughälfte in Richtung zur beheizten Werkzeughälfte (2, 3) einstellt.Pressing tool ( 1 ) comprising an upper mold half ( 2 ) and a lower mold half ( 3 ) for pressing composites ( 11 ) between the two mold halves ( 2 . 3 ), one of the tool halves ( 2 . 3 ) with a heating device ( 4 ) and heated while the other half of the mold ( 2 . 3 ) is intended to be unheated, so that when pressing a composite material ( 11 ) a temperature gradient in the composite material from the unheated mold half in the direction of the heated mold half ( 2 . 3 ). Presswerkzeug (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Werkzeughälfte (2) beheizbar mit einer Heizvorrichtung (4) ausgestattet ist.Pressing tool ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the upper mold half ( 2 ) heated with a heating device ( 4 ) Is provided. Presswerkzeug (1) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (4) mehrere nebeneinander und/oder übereinander angeordnete Heizkanäle (5) innerhalb der oberen Werkzeughälfte (2) aufweist.Pressing tool ( 1 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the heating device ( 4 ) a plurality of side by side and / or stacked heating channels ( 5 ) within the upper mold half ( 2 ) having. Presswerkzeug (1) gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Werkzeughälfte (3) mit einer Kühlvorrichtung (6) ausgebildet ist.Pressing tool ( 1 ) according to at least one of claims 1-3, characterized in that the lower mold half ( 3 ) with a cooling device ( 6 ) is trained. Presswerkzeug (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (6) mehrere nebeneinander und/oder übereinander verlaufende Kühlkanäle (7) innerhalb der unteren Werkzeughälfte (2) aufweist.Pressing tool ( 1 ) according to claim 4, characterized in that the cooling device ( 6 ) a plurality of side by side and / or one above the other running cooling channels ( 7 ) within the lower half of the mold ( 2 ) having. Presswerkzeug (1) gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere untere Werkzeughälften (3) zum Bestücken mit einem oder mehreren Faserverbundwerkstoffen (11) von je einer Bestückungsposition in eine Pressposition unterhalb der oberen Werkzeughälfte (2) im Wechsel hin- und her oder in einem Kreisprozess bewegbar zum Presswerkzeug (1) angeordnet sind.Pressing tool ( 1 ) according to at least one of claims 1-5, characterized in that one or more lower tool halves ( 3 ) for loading with one or more fiber composites ( 11 ) from one loading position to one pressing position below the upper tool half ( 2 ) in alternation back and forth or in a circular process movable to the pressing tool ( 1 ) are arranged. Presswerkzeug (1) gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die beheizbare Werkzeughälfte (2, 3) aus einem wärmeleitenden Material mit einer spezifischen Wärmeleitzahl von ☐ > 20 W/(m K) ausgebildet ist.Pressing tool ( 1 ) according to at least one of claims 1-5, characterized in that the heated mold half ( 2 . 3 ) is formed of a thermally conductive material having a specific heat conductivity of □> 20 W / (m K). Presswerkzeug (1) gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht beheizbare Werkzeughälfte (2, 3) aus einem wärmeisolierenden Material mit einer spezifischen Wärmeleitzahl von ☐ < 1 W/(m K), vorzugsweise ☐ < 0,5 W/(m K) ausgebildet ist.Pressing tool ( 1 ) according to at least one of claims 1-7, characterized in that the unheated mold half ( 2 . 3 ) is formed of a heat-insulating material having a specific thermal conductivity of □ <1 W / (m K), preferably ☐ <0.5 W / (m K). Verfahren zum Pressen von Verbundwerkstoffen (11) insbesondere Faserverbundwerkstoffen unter Verwendung eines Presswerkzeuges (1) gemäß einem der Ansprüche 1–8 mit den folgenden Schritten: a. Eintragen und/oder Einlegen von einem oder mehreren Lagen an Verbundwerkstoffen (11) und/oder Harzen auf die nicht erhitzte untere Werkzeughälfte (3); b. Erhitzen der oberen Werkzeughälfte (2) auf eine materialabhängige Prozesstemperatur Th; c. Verpressen der Werkstoffe (11) zwischen der oberen und unteren Werkzeughälfte (2, 3), wobei sich bestimmungsgemäß ein Temperaturgradient in dem eingebrachten Werkstoffverbund von der unteren kalten Werkzeughälfte (3) in Richtung der oberen beheizten Werkzeughälfte (2) durch den Werkstoffverbund hindurch ausbildet, nicht jedoch in entgegengesetzter Richtung.Method for pressing composites ( 11 ), in particular fiber composite materials using a pressing tool ( 1 ) according to any one of claims 1-8, comprising the following steps: a. Inserting and / or inserting one or more layers of composite materials ( 11 ) and / or resins on the unheated lower mold half ( 3 ); b. Heating the upper mold half ( 2 ) to a material-dependent process temperature T h ; c. Pressing the materials ( 11 ) between the upper and lower mold halves ( 2 . 3 ), whereby a temperature gradient in the introduced material composite from the lower cold mold half ( 3 ) in the direction of the upper heated mold half ( 2 ) is formed through the composite material, but not in the opposite direction. Verfahren nach Anspruch 9, wobei ferner die untere Werkzeughälfte (3) mittels einer Kühlvorrichtung (6) gekühlt wird.The method of claim 9, further comprising the lower mold half ( 3 ) by means of a cooling device ( 6 ) is cooled.
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