DE102014001132A1 - Process for the production of thermoplastic fiber-metal laminate components by means of forming processes and correspondingly produced fiber-metal laminate components - Google Patents
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Abstract
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Faser-Metall-Laminat-Bauteilen geht aus von einem Faser-Metall-Laminat-Halbzeug (1) aus mindestens zwei blechartigen Deckschichten (2, 4) aus einem metallischen Material mit einer zwischen den metallischen Deckschichten (2, 4) angeordneten Schicht (3) aus einem Fasermaterial (3). Hierbei wird mindestens ein Monomer (16) vor und/oder während und/oder nach der Umformung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs (1) in den Bereich der Faserschicht (3) eingebracht und dort unter Einbringung von Wärmeenergie (8) das Fasermaterial (3) umhüllend zumindest teilweise zu einer thermoplastischen Matrix ausgehärtet, während oder nachdem das Faser-Metall-Laminat-Halbzeug (1) zu einem Faser-Metall-Laminatbauteil umgeformt wird. Weiter wird ein entsprechend hergestelltes Faser-Metall-Laminat-Bauteilen beschrieben.The method according to the invention for the production of fiber-metal laminate components is based on a fiber-metal laminate semifinished product (1) comprising at least two sheet-like cover layers (2, 4) made of a metallic material with one between the metallic cover layers (2, 4) arranged layer (3) made of a fiber material (3). In this case, at least one monomer (16) is introduced before and / or during and / or after the deformation of the fiber-metal laminate semifinished product (1) in the region of the fiber layer (3) and there with the introduction of heat energy (8) the fiber material (3) envelopingly at least partially cured to a thermoplastic matrix during or after the fiber-metal laminate semifinished product (1) is formed into a fiber-metal laminate component. Furthermore, a correspondingly produced fiber-metal-laminate components will be described.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung thermoplastischer Faser-Metall-Laminat-Bauteile mittels Umformverfahren gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 und entsprechend hergestellte Faser-Metall-Laminat-Bauteile gemäß Oberbegriff des Anspruches 35.The invention relates to a method for producing thermoplastic fiber-metal laminate components by means of forming methods according to the preamble of
Im Zusammenhang mit dem immer wichtiger werdenden Leichtbau von industriell und in großen Stückzahlen wie etwa in der Automobilindustrie eingesetzten Bauteilen, die bisher vielfach aus rein metallischen Werkstoffen gefertigt wurden, kommt dem Einsatz sog. faserverstärkte Verbundwerkstoffe immer höhere Bedeutung zu.In connection with the increasingly important lightweight construction of components used industrially and in large numbers, such as in the automotive industry, which were previously often made of purely metallic materials, the use of so-called fiber-reinforced composite materials is becoming increasingly important.
Faserverstärkte Verbundwerkstoffe (sog. Composites) stellen eine relativ junge Gruppe von Werkstoffen dar, die aus der Kombination einer textilen Verstärkungsstruktur (Fasern) mit einem Matrixwerkstoff bestehen. Als Fasermaterialien kommen für endlosfaserverstärkte Composites vornehmlich Glas- und/oder Carbonfasern zum Einsatz. Es wird dann von GFK (Glasfaserverstärkten Kunststoffen) bzw. CFK (Carbonfaserverstärkten Kunststoffen) gesprochen. Als Matrixwerkstoffe werden bei industriellen Anwendungen nahezu ausschließlich polymere Werkstoffe eingesetzt, die sich in die zwei wesentlichen Hauptgruppen Duroplaste und Thermoplaste unterteilen. Die Kombination aus Duroplasten und Carbonfasern bietet dabei die besten mechanischen Eigenschaften, ist jedoch auch am teuersten. Die Verwendung von Glasfasern ist wesentlich kostengünstiger, allerdings weisen Glasfasern schlechtere mechanische Eigenschaften auf. Fasern und Matrix haben innerhalb des Composite-Bauteils unterschiedliche Aufgaben. Während die Fasern im Wesentlichen die auf das Bauteil wirkenden Zugkräfte aufnehmen, dient die Matrix hauptsächlich der Formgebung, hält den Zusammenhalt innerhalb des Bauteils aufrecht und nimmt Druck- und Schubkräfte auf. Während die mechanischen Eigenschaften weitgehend von der Faser bestimmt werden, sind die physikalisch-chemischen Eigenschaften in hohem Maße von dem Matrixwerkstoff abhängig.Fiber-reinforced composites (so-called composites) represent a relatively young group of materials that consist of the combination of a textile reinforcement structure (fibers) with a matrix material. As fiber materials mainly glass and / or carbon fibers are used for continuous fiber reinforced composites. It is then spoken of glass fiber reinforced plastics (GRP) or CFRP (carbon fiber reinforced plastics). The matrix materials used in industrial applications are almost exclusively polymeric materials, which are subdivided into the two main main groups thermosets and thermoplastics. The combination of thermosets and carbon fibers offers the best mechanical properties, but is also the most expensive. The use of glass fibers is much cheaper, but glass fibers have poorer mechanical properties. Fibers and matrix have different tasks within the composite component. While the fibers essentially absorb the tensile forces acting on the component, the matrix primarily serves to shape, maintain cohesion within the component, and absorb pressure and shear forces. While the mechanical properties are largely determined by the fiber, the physicochemical properties are highly dependent on the matrix material.
Insbesondere bei großen und vor allem geometrisch komplex geformten Bauteilen werden zur Herstellung derartiger Composites unterschiedliche Herstellverfahren genutzt: die Ablage vorimprägnierter Halbzeuge auf Formen mit anschließender Aushärtung im Autoklaven, sog. vakuum-unterstützte Infusionsverfahren sowie sog. Handlaminierverfahren. Beim Handlaminierverfahren werden trockene Faserhalbzeuge in Form von Geweben, Gelegen oder Vliesen manuell in eine Form gelegt, anschließend mit Harz imprägniert und manuell konsolidiert. Die Aushärtung kann dann unter verschiedenen Umgebungsbedingungen erfolgen, neben Standarddruck und Raumtemperatur auch häufig bei erhöhten Temperaturen in beheizbaren Formen. Typische Anwendungen sind verschiedenste Großbauteile, etwa für den Boots- und Behälterbau. Bei vakuumunterstützten Infusionsverfahren werden trockene Textilhalbzeuge in eine Form gelegt, mit einem Entlüftungsvlies bedeckt und anschließend mit Folie abgedeckt und gegenüber der Umgebung abgedichtet. Nach Anlegen eines Vakuums werden Einlässe für die harzartigen Matrixmaterialien geöffnet, wodurch das Harz durch das Vakuum in das Laminat gezogen wird. Durch das Vakuum ist gegenüber dem Handlaminierverfahren eine bessere Kompaktierung des Bauteils erreichbar. Typische Anwendungen sind z. B. Rotorblätter von Windturbinen, Struktur- und Verkleidungsteile von LKWs und Bahnwaggons. Bei der Herstellung durch die Ablage imprägnierter Halbzeuge werden sog. Prepregs in einer Form abgelegt, wobei sich das Harz durch Erhitzen im Autoklaven verflüssigt, bevor das Bauteil aushärtet. Durch den im Autoklaven herrschenden Druck kann zudem eine noch bessere Kompaktierung des Bauteils gegenüber den vakuumbasierten Verfahren erzielt werden. Relevante Anwendungen sind insbesondere Strukturkomponenten für den Flugzeugbau, bei Rennfahrzeugen wie etwa in der Formel 1 und hochwertigen Skiern.Particularly in the case of large and, above all, geometrically complex shaped components, different production methods are used for the production of such composites: the deposition of preimpregnated semi-finished products on molds with subsequent curing in an autoclave, so-called vacuum-assisted infusion method and so-called hand lamination method. In the manual lamination process, dry semifinished fiber products in the form of woven, laid or nonwoven fabrics are manually placed in a mold, subsequently impregnated with resin and manually consolidated. Curing can then be carried out under various environmental conditions, in addition to standard pressure and room temperature also often at elevated temperatures in heated molds. Typical applications are a variety of large components, such as for boat and tank construction. In vacuum-assisted infusion processes, dry textile semi-finished products are placed in a mold, covered with a venting fleece and then covered with foil and sealed from the environment. After applying a vacuum, inlets for the resinous matrix materials are opened, whereby the resin is pulled into the laminate by the vacuum. Due to the vacuum, a better compaction of the component can be achieved compared to the hand lamination method. Typical applications are z. As blades of wind turbines, structural and fairing parts of trucks and train cars. In the manufacture of semi-finished products impregnated by the tray, so-called prepregs are deposited in a mold, the resin liquefying by heating in an autoclave before the component hardens. Due to the pressure prevailing in the autoclave, an even better compaction of the component compared to the vacuum-based method can be achieved. Relevant applications are in particular structural components for aircraft construction, in racing vehicles such as in Formula 1 and high-quality skis.
Unter den verbleibenden Herstellverfahren ist noch das sog. Harzübertragungsverfahren (Resin Transfer Moulding RTM) interessant, erlaubt jedoch nur die Herstellung eingeschränkter Bauteilgeometrien insbesondere im Hinblick auf die Bauteilgröße und die maximal erreichbare Komplexität der Bauteile. Das RTM-Verfahren basiert auf der Verwendung zweiteiliger Formen. Üblicherweise wird dabei zunächst ein trockener Vorformling (Preform) erzeugt und anschließend in eine Form eingelegt. Nach dem Schließen der Form in einer Presse wird Harz in die Kavität zwischen den Formhälften eingespritzt. Nach Schließen der Harzeinlässe beginnt die Aushärtung, oftmals unter erhöhter Temperatur durch Beheizen der Form. Typische Anwendungen dieses Verfahrens sind Automobil-, Bahn- und Flugzeugkomponenten.Among the remaining production processes, the so-called resin transfer process (Resin Transfer Molding RTM) is of interest, but only permits the production of limited component geometries, in particular with regard to the component size and the maximum achievable complexity of the components. The RTM method is based on the use of two-part molds. Usually, a dry preform (preform) is first produced and then inserted into a mold. After closing the mold in a press, resin is injected into the cavity between the mold halves. After closing the resin inlets, the cure begins, often at elevated temperature, by heating the mold. Typical applications of this process are automotive, rail and aircraft components.
Obwohl die vorstehend geschilderte Herstellung von reinen faserverstärkten Bauteilen immer häufiger z. B. auch zur Herstellung wesentlicher festigkeitsrelevanter Teile von Fahrzeugkarosserien angewandt wird, haben derartig hergestellte Bauteile gegenüber den bisher üblichen Bauteilen aus metallischen Werkstoffen systembedingte Nachteile. Es ist daher schon bekannt geworden, die Vorteile der metallischen Werkstoffe mit den vorteilhaften Eigenschaften von faserverstärkten Werkstoffen in sog. Faser-Metall-Laminaten (FML) aus geschichteten Anordnungen von metallischen Lagen und faserverstärkten Kunststofflagen zu kombinieren.Although the above-described production of pure fiber-reinforced components more and more z. B. is also used for the production of essential strength-relevant parts of vehicle bodies, such manufactured components have system-related disadvantages compared to the usual components made of metallic materials. It has therefore already become known to combine the advantages of the metallic materials with the advantageous properties of fiber-reinforced materials in so-called fiber-metal laminates (FML) of layered arrangements of metallic layers and fiber-reinforced plastic layers.
Faser-Metall-Laminate (FML) können die jeweiligen Eigenschaften metallischer und polymerer Werkstoffe miteinander verbinden und haben im Vergleich zu monolithischen Blechwerkstoffen oder reinen faserverstärkten Kunststoffen je nach Anwendungsfall und Einsatzgebiet eine hohe spezifische Festigkeit und verbesserte Ermüdungseigenschaften. Durch geeignete Kombination von Metallen und Kunststoffen kann zudem eine Steigerung der Biegesteifigkeit erreicht werden, ohne das Bauteilgewicht wesentlich zu erhöhen. Im Bereich der Automobilindustrie werden Kunststoff-Metall-Laminate als Strukturelemente und Dekorbauteile eingesetzt. Verbundbleche für Strukturen bestehen dabei aus dünnen Deckblechen aus Aluminium oder Stahl (Dicke 0,2–0,25 mm) und einer Zwischenschicht aus Polypropylen (PP, Dicke 0,4–0,8 mm). Weiterhin weisen derartige Faser-Metall-Laminate gute Schalldämmeigenschaften auf. Fiber-to-metal laminates (FML) can combine the respective properties of metallic and polymeric materials and, compared to monolithic sheet materials or pure fiber-reinforced plastics, have a high specific strength and improved fatigue properties, depending on the application and field of application. In addition, by a suitable combination of metals and plastics, an increase in the bending stiffness can be achieved without significantly increasing the weight of the component. In the automotive industry, plastic-metal laminates are used as structural elements and decorative components. Composite sheets for structures consist of thin cover sheets of aluminum or steel (thickness 0.2-0.25 mm) and an intermediate layer of polypropylene (PP, thickness 0.4-0.8 mm). Furthermore, such fiber-metal laminates have good sound insulation properties.
Bisher ist das Einsatzspektrum derartiger Faser-Metall-Laminate allerdings z. B. aufgrund bestehender Herausforderungen bei der Umformung der blechartigen Ausgangswerkstoffe begrenzt. Diese Faser-Metall-Laminate zeichnen sich zwar durch einen guten Widerstand gegen Ermüdungsbruch und geringe Rissausbreitungsgeschwindigkeiten aus, aber nachteilig sind u. a. die durch die Duromer-Matrix begrenzte Umformbarkeit der hergestellten Vormaterialien zu bei den Bauteilen häufig erforderlichen komplexen Geometrien. Faser-Metall-Laminate sind daher zwar grundsätzliche leistungsfähige Hybridwerkstoffkonzepte, die bereits heute kommerziell vor allem in der Luft- und Raumfahrt als Strukturwerkstoffe verwendet werden. Eine breitere technische Verwendung scheitert mangels geeigneter Produktionstechnologien, um Faser-Metall-Laminate in reproduzierbarer Qualität in großserienfähigen Fertigungsprozessen mit endkonturnahen Geometrien, die über leicht gekrümmte, flächige Bauteile hinausgehen, herzustellen. Dazu sind heute entweder mehrstufige Fertigungsverfahren notwendig oder die Fertigung erfolgt gar nur bedingt faserverbundgerecht, indem Faltenwurf oder das Reißen von Fasern in stark umgeformten Bereichen akzeptiert werden.So far, however, the range of applications of such fiber-metal laminates z. B. limited due to existing challenges in the transformation of the sheet-like starting materials. Although these fiber-metal laminates are characterized by a good resistance to fatigue failure and low crack propagation speeds, but are disadvantageous u. a. the limited deformability of the produced materials due to the duromer matrix to complex geometries which are frequently required for the components. Although fiber-metal laminates are therefore fundamentally powerful hybrid material concepts that are already being used commercially as structural materials, above all in the aerospace industry. A broader technical use fails due to lack of suitable production technologies to produce fiber-metal laminates in reproducible quality in large-scale manufacturing processes with near-net shape geometries that go beyond slightly curved, flat components. For this purpose, either multi-stage manufacturing processes are necessary today or the production takes place only to a limited extent fiber-composite, by folding or breaking the fibers are accepted in highly deformed areas.
Neben dem reinen Biegen von stärker konturierten Bauteilen ist es bisher insbesondere nicht wirtschaftlich möglich, etwa sonst durch Tiefziehen hergestellte Bauteilgeometrien auch mittels Faser-Metall-Laminaten herzustellen. Das Tiefziehen ist das in der industriellen Praxis meistgenutzte Umformverfahren zur Herstellung von Blechformteilen mit hohen Stückzahlen und geringen Taktzeiten. Die Normaldruckspannungen, die vom Niederhalter erzeugt werden, haben dabei die Aufgabe, eine irreversible Faltenbildung im Flanschbereich infolge der tangentialen Druckspannungen zu verhindern. Die Formgebungsgrenzen ergeben sich beim Tiefziehen rein metallischer Bleche durch das Auftreten von Reißern oder durch die Bildung von Falten. Beide Versagensarten begrenzen den zulässigen Arbeitsbereich. Jedoch treten neben den bekannten Versagensarten konventioneller Tiefziehprozesse bei Kunststoff-Metall-Laminaten zusätzlich Effekte wie das Abgleiten und Delaminieren der Schichten auf. Tangentiale Druckspannungen führen bei der Gewebeumformung unmittelbar zur Faltenbildung aufgrund der geringen Biegesteifigkeit des Gewebes.In addition to the pure bending of more contoured components, it has hitherto not been economically possible to produce component geometries otherwise produced by deep-drawing also by means of fiber-metal laminates. Deep drawing is the most commonly used in industrial practice forming process for the production of sheet metal parts with high volumes and low cycle times. The normal compressive stresses that are generated by the hold-down, have the task of preventing irreversible wrinkling in the flange due to the tangential compressive stresses. The forming limits arise when deep-drawing purely metallic sheets by the occurrence of snags or by the formation of wrinkles. Both types of failure limit the permissible work area. However, in addition to the known failure modes of conventional thermoforming processes in plastic-metal laminates, additional effects such as slipping and delamination of the layers occur. Tangential compressive stresses directly lead to wrinkling during tissue reshaping due to the low bending stiffness of the tissue.
Zur Herstellung von auch stärker konturierten Formteilen aus Faser-Metall-Laminaten existieren verschiedene Ansätze, die sich insbesondere durch die eingesetzten Halbzeuge unterscheiden. So besteht einerseits die Möglichkeit, Faser-Metall-Laminate als blechförmig ebene Halbzeuge einzusetzen und analog wie bei monolithischen Blechwerkstoffen umzuformen. In anderen Ansätzen werden zunächst die Blechwerkstoffe konventionell umgeformt und anschließend die faserverstärkten Materialien eingelegt bzw. die Blechformteile umspritzt (sog. sequentieller Ansatz). Auch können die Bleche zuerst konventionell umgeformt und anschließend das Prepreg-Material in einem Pressverfahren in das umgeformte Blech eingepresst werden. Durch die Temperierung des Werkzeuges härtet es gleichzeitig aus, wobei Verweilzeiten in der Presse notwendig sind.To produce even more contoured moldings made of fiber-metal laminates, there are various approaches that differ in particular by the semi-finished products used. Thus, on the one hand, it is possible to use fiber-metal laminates as sheet-like flat semi-finished products and to reshape them analogously to monolithic sheet materials. In other approaches, the sheet metal materials are first conventionally reshaped and then the fiber-reinforced materials inserted or molded sheet metal parts (so-called sequential approach). Also, the sheets may first be conventionally reshaped and then the prepreg material may be pressed into the formed sheet in a press process. Due to the temperature of the tool it cures simultaneously, with residence times in the press are necessary.
Beim sog. Polymer-Injection-Forming wird mittels des Drucks der Kunststoffschmelze der Blechwerkstoff umgeformt und gleichzeitig der Kunststoff mit dem Metallblech stoff- und formschlüssig verbunden. Auch werden Verfahren beschrieben, bei denen eine textile Einlage, z. B. aus Glasfasern, zwischen zwei metallischen Deckblechen eingeklebt wird. Nach Aushärtung des Klebstoffes wurde eine nur geringe Umformbarkeit dieser Mehrschichtbleche in Tiefziehversuchen festgestellt.In the so-called polymer injection molding, the sheet metal material is reshaped by means of the pressure of the plastic melt and, at the same time, the plastic material and form-fittingly connected to the metal sheet. Also described are methods in which a textile insert, for. B. glass fibers, between two metallic cover sheets is glued. After curing of the adhesive only a small formability of these multi-layer sheets was found in thermoforming experiments.
Bauteile aus Metall-Kunststoff-Verbunden mit bestimmten Kunststoffmaterialien etwa für die Luftfahrtindustrie können mittels Self-Forming-Technique direkt im Autoklaven in der endgültigen Form hergestellt werden. Hierbei werden die einzelnen Lagen im Autoklaven übereinander geschichtet und durch den Vakuumdruck im Autoklaven zur entsprechenden Geometrie geformt. Ein Tiefziehen dieser Halbzeuge ist nicht möglich, daher beschränkt sich ihre Umformung auf das Biegen. Die Geometrie der herstellbaren Bauteile ist allerdings auf einfach- und zweifachgekrümmte Bauteile begrenzt, da i. d. R. nur Streckziehverfahren eingesetzt werden können. Auch musste festgestellt werden, dass Metall-Kunststoff-Verbunde mit einer Zwischenschicht aus Glasfaser ein wesentlich geringeres Umformvermögen als Verbunde ohne Glasfaseranteil aufweisen.Components made of metal-plastic composites with certain plastic materials, for example for the aerospace industry, can be produced directly in the autoclave in the final form by means of a self-forming technique. Here, the individual layers are stacked in the autoclave and formed by the vacuum pressure in the autoclave to the appropriate geometry. Deep drawing of these semi-finished products is not possible, so their deformation is limited to bending. However, the geometry of the manufacturable components is limited to single and doppelachgekrümmte components, as i. d. R. only stretch-drawing can be used. It also had to be stated that metal-plastic composites with an intermediate layer of glass fiber have a significantly lower forming capacity than composites without glass fiber content.
Die Umformung von dreidimensionalen, insbesondere tiefgezogenen Bauteilen ist nach aktuellem Stand der Technik nur im sequentiellen Verfahren möglich ist. Beim Verkleben bereits umgeformter Bauteil wie beschrieben erfordert die Herstellung zwei separate Umformschritte und einen zusätzlichen Schritt zum Fügen dieser Bauteile, was mit langen Prozesszeiten verbunden ist und hohe Kosten verursacht.The transformation of three-dimensional, in particular deep-drawn components is according to the current state of the art only in sequential Procedure is possible. When bonding already formed component as described, the production requires two separate forming steps and an additional step for joining these components, which is associated with long process times and high costs.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Faser-Metall-Laminat-Bauteilen anzugeben, bei dem auch umformtechnisch stärker konturierte Bauteile sicher und wirtschaftlich hergestellt werden können sowie entsprechende Faser-Metall-Laminat-Bauteile bereitzustellen.Object of the present invention is therefore to provide an improved process for the production of fiber-metal-laminate components, in which also more strongly contoured components can be manufactured safely and economically and to provide corresponding fiber-metal-laminate components.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich der Faser-Metall-Laminatbauteile aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 35 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution of the object of the invention results in terms of the method of the characterizing features of
Die Erfindung hinsichtlich des Verfahrens geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von Faser-Metall-Laminat-Bauteilen, ausgehend von einem Faser-Metall-Laminat-Halbzeug aus mindestens zwei blechartigen Deckschichten aus einem metallischen Material mit einer zwischen den metallischen Deckschichten angeordneten Schicht aus einem Fasermaterial. Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren wird dadurch in erfinderischer Weise weiter entwickelt, dass mindestens ein Monomer vor und/oder während und/oder nach der Umformung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs in den Bereich der Faserschicht eingebracht und dort zumindest teilweise zu einer thermoplastischen Matrix ausgehärtet wird, während und/oder nachdem das Faser-Metall-Laminat-Halbzeug zu einem Faser-Metall-Laminat-Bauteil umgeformt wird.The invention in terms of the method is based on a process for producing fiber-metal laminate components, starting from a fiber-metal laminate semifinished product of at least two sheet-like cover layers of a metallic material with a layer arranged between the metallic cover layers fiber material. Such a generic method is further developed in an inventive manner that at least one monomer before and / or during and / or after the deformation of the fiber-metal laminate semifinished product introduced into the region of the fiber layer and cured there at least partially to a thermoplastic matrix is, during and / or after the fiber-metal laminate semi-finished product is formed into a fiber-metal laminate component.
Dieses Verfahren bietet den großen Vorteil, dass das Einspritzen des mindestens einen Monomers in die Faserschicht vor oder während oder zumindest zum Teil auch noch nach dem Umformvorgang stattfindet und die Aushärtung des Monomers damit schon während der Umformung beginnen kann. Zudem bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass das mindestens eine Monomer der thermoplastischen Matrix damit zumindest teilweise während bzw. nach der Umformung polymerisiert und somit die Möglichkeit besitzt, auch chemisch eine Verbindung mit den dann zumindest teilweise oder auch schon ganz umgeformten Schichten aus den metallischen Materialien herzustellen, was die Haftfestigkeit zwischen den metallischen Schichten und der Faserverbundschicht deutlich verbessert. Dies hängt damit zusammen, dass die aus dem reaktiven Monomer sich bildende Matrix während der Umformung noch nicht vollständig polymerisiert ist. Daher bildet sich die Grenzschicht zu den Schichten aus den metallischen Materialien im Wesentlichen erst nach der Umformung, sodass eine Delamination zwischen Metall und Kunststoff bei der Umformung nicht zu erwarten ist und eine Umlagerung der Fasern aufgrund der Fertigteilgeometrie während der Umformung ermöglicht wird. Als bevorzugtes polymeres Fertigungsverfahren kann hierbei bevorzugt die T-RTM-Technologie (Thermoplastic Resin Transfer Moulding, eine Variante der SRIM-Technologie für flächige Bauteile) zum Einsatz kommen.This method offers the great advantage that the injection of the at least one monomer into the fiber layer takes place before or during or at least partially even after the forming process and thus the curing of the monomer can begin during the forming process. In addition, the inventive method has the advantage that the at least one monomer of the thermoplastic matrix so that at least partially polymerized during or after the forming and thus has the ability to chemically connect with the then at least partially or even completely transformed layers of the metallic Produce materials, which significantly improves the adhesion between the metallic layers and the fiber composite layer. This is due to the fact that the matrix forming from the reactive monomer has not yet completely polymerized during the transformation. Therefore, the boundary layer to the layers of the metallic materials forms substantially only after the forming, so that a delamination between metal and plastic during the forming is not expected and a rearrangement of the fibers due to the finished part geometry is made possible during the forming. As a preferred polymeric manufacturing method here preferably the T-RTM technology (Thermoplastic Resin Transfer Molding, a variant of the SRIM technology for sheet-like components) are used.
Faser-Metall-Laminat-Bauteile mit thermoplastischer Matrix besitzen umformtechnisch grundsätzliche Vorteile im Vergleich zu jenen mit duromerer Matrix. Jedoch ist die Grenzflächenoptimierung bei einer im Prozess bereits als Polymer vorliegenden Matrix schwierig. Daher bietet die Verwendung einer in-situ-polymerisierenden, reaktiven Thermoplast-Matrix die beste Lösung hinsichtlich Grenzflächenoptimierung sowie Umformvermögen und dient gleichzeitig als Abgleitmedium während der Umformung. Derartige reaktive Thermoplastmatrices besitzen ein Prozessfenster von wenigen Minuten, die sowohl fertigungstechnisch (Prozessfenster für die Umformung) als auch wirtschaftlich (Taktzeiten für die gesamte Erzeugung des Faser-Metall-Laminat-Bauteils) interessant sind. Sie stellen die bestmögliche Lösung dar, um die Taktzeiten im Vergleich zur konventionellen Blechumformung nicht wesentlich zu steigern und diese im Vergleich zum konventionellen RTM oder zum Autoklavverfahren (Prozessfenster im Bereich von ca. 30 Minuten du mehr) deutlich zu senken. Allgemein soll hier Unter Umformung jegliches Verfahren der umfomtechnischen Verarbeitung von Werkstoffen umfasst sein, auch wenn im weiteren das erfindungsgemäße Verfahren im Wesentlichen an den Beispielen Tiefziehen und Strangpressen erläutert wird.Thermoplastic matrix fiber-metal laminate components have fundamental advantages in terms of forming technology compared to those with thermoset matrix. However, interfacial optimization is difficult for a matrix already in the process as a polymer. Therefore, the use of an in-situ polymerizing, reactive thermoplastic matrix offers the best solution in terms of interface optimization and formability and at the same time serves as a sliding medium during the forming process. Such reactive thermoplastic matrices have a process window of a few minutes, which are both manufacturing technology (process window for the transformation) as well as economically interesting (cycle times for the entire production of the fiber-metal-laminate component). They represent the best possible solution for not significantly increasing the cycle times in comparison to conventional sheet metal forming and significantly reducing them in comparison to the conventional RTM or the autoclave process (process window in the range of approx. 30 minutes or more). In general, here under forming any method of umomtechnischen processing of materials should be included, even if in the further method of the invention is essentially explained by the examples deep drawing and extrusion.
Strukturbauteile aus Faser-Metall-Laminaten können dadurch intrinsisch, d. h. in einem optimierten, direkten Fertigungsprozess hybridisiert werden, wobei diese Hybridisierung auf der Verwendung einer reaktiven, monomeren Vorstufe einer Thermoplastmatrix (T-RTM) in Kombination mit metallischen Blechwerkstoffen (z. B. Aluminiumlegierungen oder Stahlwerkstoffen sowie Magnesiumlegierungen) beruht. Die Idee ist dabei, dass die niedrige Viskosität des Monomers in der Faserschicht während der Umformung noch Faserumlagerungen ermöglicht und so große Umformungen des Faser-Metall-Laminates direkt in der Konsolidierungsphase intrinsisch erfolgen können, ohne die Faserverbundkomponente zu schädigen. Die dadurch gebildete Thermoplastmatrix bietet dabei gegenüber konventionellen Lösungen in duromerer Matrix deutliche Vorteile.Structural components of fiber-metal laminates can intrinsically, d. H. hybridized in an optimized, direct manufacturing process, wherein this hybridization based on the use of a reactive, monomeric precursor of a thermoplastic matrix (T-RTM) in combination with metallic sheet materials (eg aluminum alloys or steel materials and magnesium alloys). The idea is that the low viscosity of the monomer in the fiber layer during the deformation still allows fiber rearrangements and so large transformations of the fiber-metal laminate can be done intrinsically directly in the consolidation phase, without damaging the fiber composite component. The resulting thermoplastic matrix offers significant advantages over conventional solutions in duromer matrix.
Die Vorteile der In-situ-Hybridisierung sind insbesondere ein hoher Integrationsgrad des Verfahrens in die übliche Fertigungskette der Umformbearbeitung, eine kurze Taktzeit zur Herstellung des Verbundes, eine fasergerechte Umformbarkeit im Umformprozess sowie auch eine nachträgliche Umformbarkeit, eine Reparaturfähigkeit und gute Separierbarkeit im Hinblick auf ein Recycling durch die thermoplastische Bindung der Metallschichten und der faserverstärkten Schicht. The advantages of in situ hybridization are, in particular, a high degree of integration of the process into the usual production chain of forming processing, a short cycle time for the production of the composite, a fiber-suitable formability in the forming process as well as subsequent formability, repairability and good separability with regard to a Recycling by the thermoplastic bonding of the metal layers and the fiber reinforced layer.
Von besonderem Vorteil ist es hierbei, wenn die Einbringung des mindestens einen Monomers und/oder das Umhüllen des Fasermaterials und/oder die zumindest teilweise Aushärtung des mindestens einen Monomers unter Einbringung von Wärmeenergie erfolgt. Durch die Einbringung von Wärmeenergie kann die Infiltration des Monomers in die Faserschicht und die benötigte Zeitdauer sowie der Beginn der Polymerisation auch über die Temperatur und die Temperaturführung in weiten Grenzen beeinflusst werden. Hierbei kann in weiterer Ausgestaltung die eingebrachte Wärmeenergie eine Aushärtung des mindestens einen Monomers bei Temperaturen im Bereich von mindestens 130°C, vorzugsweise von 200°C ermöglichen.It is of particular advantage in this case if the introduction of the at least one monomer and / or the wrapping of the fiber material and / or the at least partial curing of the at least one monomer takes place with the introduction of thermal energy. By introducing thermal energy, the infiltration of the monomer into the fiber layer and the required time period as well as the beginning of the polymerization can also be influenced to a large extent via the temperature and the temperature control. In this case, in a further embodiment, the introduced thermal energy allow a curing of the at least one monomer at temperatures in the range of at least 130 ° C, preferably of 200 ° C.
Denkbar ist es weiterhin, dass die Wärmeenergie durch eine Temperierung des Umformwerkzeugs in das Faser-Metall-Laminat-Halbzeug eingebracht wird. So können z. B. bei der Umformung oder auch vor der Umformung entstandene Wärmemengen dazu genutzt werden, die Polymerisation zu befördern, auch ist es denkbar, dass das Umformwerkzeug gezielt geheizt oder temperiert wird, um die Polymerisation in gewünschter Weise und ohne unzulässige Temperaturen ablaufen zu lassen.It is also conceivable that the thermal energy is introduced by a temperature of the forming tool in the fiber-metal laminate semifinished product. So z. B. used in the forming or before forming heat to be used to promote the polymerization, it is also conceivable that the forming tool is heated or tempered specifically to run the polymerization in the desired manner and without inadmissible temperatures.
Von besonderem Vorteil insbesondere für das Handling der Faserschicht bei der Herstellung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs ist es, dass die Faserschicht trocken zwischen die beiden angrenzenden Schichten aus dem metallischen Material eingebracht werden kann. Hierdurch ist eine zumindest teilautomatische Herstellung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs wesentlich einfacher, auch können naturgemäß noch keine ungewollten Polymerisationsvorgänge in dem vorbereiteten Faser-Metall-Laminat-Halbzeug ablaufen, da das Monomer zu diesem Zeitpunkt noch gar nicht in die Schicht eingebracht ist.Of particular advantage in particular for the handling of the fiber layer in the production of the fiber-metal laminate semifinished product is that the fiber layer can be introduced dry between the two adjacent layers of the metallic material. As a result, an at least semi-automatic production of the fiber-metal laminate semifinished product is much easier, and naturally no unwanted polymerization processes can take place in the prepared fiber-metal laminate semifinished product, since the monomer is not yet introduced into the layer at this time ,
Für die Homogenität und den Grad der Füllung der Faserschicht mit dem Monomer ist es von besonderem Vorteil, wenn das mindestens eine Monomer unter Druck in den Bereich der Faserschicht eingespritzt wird. Hierdurch kann dieses typischerweise niedrig viskose Monomer die gesamte Faserschicht vollständig durchdringen und bis zur Sättigung füllen. Voraussetzung hierfür ist, dass die Berandungen des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs gegenüber einem Austritt des eingebrachten Monomers form- und/oder kraftschlüssig abgedichtet werden, damit das eingepresste Monomer nicht bestimmungswidrig aus der Faserschicht austreten und unter Druck die ganze Faserschicht füllen kann. Hierzu ist in einer ersten Ausgestaltung denkbar, dass die Berandungen des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs zur Abdichtung selbst miteinander verbunden werden, z. B. durch fügende plastische Verfahren oder auch eine Art Verklebung oder dgl. Eine andere Ausgestaltung könnte darin bestehen, dass die Berandungen des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs durch die Kraftwirkung von Teilen des Umformwerkzeugs abgedichtet werden, wie dies etwa im Falle des Tiefziehens durch entsprechende Formgebung des Niederhalters oder beim Strangpressen durch vorlaufende Walzen oder dgl. erzeugt werden könnte. Für den Fall einer wie vorstehend vorgenommenen Abdichtung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs z. B. in einem Umformwerkzeug kann die Faserschicht zwischen den Blechen eingelegt und dieses in drei unterschiedlichen Abläufen infiltriert werden. Die Abläufe unterscheiden sich durch den Zeitpunkt der Infiltration. Es kann vor, nach oder während der Umformung Infiltriert werden. Dabei spielt die Entwicklung eines geeigneten Dichtungskonzeptes für das niederviskose Monomer, welches zwischen die Bleche injiziert wird, eine entscheidende Rolle. Darüberhinaus kann ein Klemmkonzept für eine gezielte Faserfixierung der Faserschicht zwischen den metallischen Blechen in der Werkzeugform von Bedeutung sein.For the homogeneity and the degree of filling of the fiber layer with the monomer, it is of particular advantage if the at least one monomer is injected under pressure into the region of the fiber layer. This allows this typically low viscosity monomer to completely penetrate the entire fiber layer and fill it to saturation. The prerequisite for this is that the edges of the fiber-metal laminate semifinished product are sealed positively and / or non-positively against leakage of the introduced monomer, so that the pressed-in monomer does not escape from the fiber layer in a manner contrary to regulations and can fill the entire fiber layer under pressure. For this purpose, it is conceivable in a first embodiment that the edges of the fiber-metal laminate semifinished product are themselves connected to each other for sealing, for. Another embodiment could be that the edges of the fiber-metal laminate semifinished product are sealed by the force of parts of the forming tool, as in the case of deep drawing by corresponding shaping of the blank holder or during extrusion by leading rollers or the like. May be generated. In the case of a sealing of the fiber-metal laminate semifinished product, as described above, z. B. in a forming tool, the fiber layer can be inserted between the sheets and this infiltrated in three different processes. The processes differ by the time of infiltration. It can be infiltrated before, after or during the transformation. Here, the development of a suitable sealing concept for the low-viscosity monomer, which is injected between the sheets, plays a crucial role. In addition, a clamping concept for a targeted fiber fixation of the fiber layer between the metallic sheets in the mold may be of importance.
Von besonderem Vorteil ist es, dass die Schicht des Fasermaterials aus Geweben und/oder Gelegen und/oder Vliesen aus faserartigen Materialien, insbesondere aus Glasfasern oder Kohlenstofffasern gebildet werden kann, so dass je nach den gewünschten Eigenschaften des Faser-Metall-Laminat-Bauteils unterschiedliche Fasern, unterschiedliche Faservernetzungen und unterschiedliche Faserlängen und Faserorientierungen, ggf. auch gemischt miteinander ausgewählt werden können. Dies erlaubt eine weitgehende Beeinflussung der Eigenschaften der polymerisierten Faser-Verbundschicht und damit auch des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs bzw. des daraus hergestellten Faser-Metall-Laminat-Bauteils insgesamt.It is of particular advantage that the layer of the fiber material can be formed from woven fabrics and / or loops and / or nonwovens of fibrous materials, in particular of glass fibers or carbon fibers, so that different depending on the desired properties of the fiber-metal laminate component Fibers, different fiber crosslinks and different fiber lengths and fiber orientations, possibly mixed with each other can be selected. This allows a substantial influence on the properties of the polymerized fiber composite layer and thus also of the fiber-metal laminate semifinished product or of the fiber-metal-laminate component produced therefrom overall.
In weiterer Ausgestaltung ist es denkbar, dass die Oberflächen der blechartigen Schichten, die mit der Schicht aus dem Fasermaterial in Kontakt treten, vor der Umformung chemisch und/oder physikalisch und/oder mechanisch von Verunreinigungen oder Oberflächenanlagerungen gereinigt werden. Hierdurch lässt sich eine Verbesserung der Anhaftung des mindestens einen polymerisierenden Monomers erreichen, wodurch während der Umformung, vor allem aber auch am fertigen Faser-Metall-Laminat-Bauteils Delaminationen verhindert werden. Hierbei kann nach der Reinigung der Oberflächen der blechartigen Schichten auch z. B. eine neue Oxidschicht höherer Qualität und/oder verbesserter Anhaftung für das nachfolgend aufzutragende Monomer aufgebracht werden. Alternativ kann nach der Reinigung der Oberflächen der blechartigen Schichten eine Schutzschicht, insbesondere eine dichte und flexible Mineralglasschicht aufgetragen werden, die als zusätzlicher Korrosionsschutz der blechartigen Schichten dient und z. B. eine zwischenzeitliche Korrosion gereinigter, aber noch nicht weiter verarbeiteter Bleche verhindert. Hierzu kann beispielsweise auf einer Aluminiumschicht unter der Mineralglasschicht eine Gradienten-Schicht aufgebracht werden, die zunächst weich und flexibel ist (SiOxCyHz) und dann kontinuierlich härter, aber weniger flexibel wird (in Richtung reinem SiO2).In a further embodiment, it is conceivable that the surfaces of the sheet-like layers, which come into contact with the layer of the fiber material, are chemically and / or physically and / or mechanically cleaned of impurities or surface deposits before forming. As a result, an improvement in the adhesion of the at least one polymerizing monomer can be achieved, which prevents delamination during the forming, but above all also on the finished fiber-metal-laminate component become. Here, after cleaning the surfaces of the sheet-like layers also z. B. a new oxide layer of higher quality and / or improved adhesion for the subsequently applied monomer can be applied. Alternatively, after cleaning the surfaces of the sheet-like layers, a protective layer, in particular a dense and flexible mineral glass layer can be applied, which serves as additional corrosion protection of the sheet-like layers and z. B. prevents interim corrosion of cleaned, but not further processed sheets. For this purpose, for example, on a layer of aluminum under the mineral glass layer, a gradient layer are applied, which is initially soft and flexible (SiOxCyHz) and then continuously harder, but less flexible (in the direction of pure SiO2).
Grundsätzlich ist es denkbar, dass für die blechartigen Schichten metallisches Material jeglicher Art, vor allem aber Stahlmaterialien und/oder Leichtmetallmaterialien und/oder schwer umformbare Materialien, vorzugsweise Magnesiummaterialien verwendet wird. Hierbei kann für beide metallische Schichten eines Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs das gleiche metallische Material verwendet werden, es ist aber auch denkbar, für jede Schicht unterschiedliche metallische Materialien oder zumindest abschnittsweise unterschiedliche metallische Materialien zu verwenden. Auch kann die Dicke der Schichten aus den metallischen Materialien gleichförmig oder ungleichförmig, ggf. auch abschnittweise ungleichförmig ausgestaltet sein, um etwa genau dort, wo bei dem späteren Faser-Metall-Laminat-Bauteil besondere Belastungen auftreten, eine Verstärkung der Schichten aus den metallischen Materialien vorzusehen. Rein beispielhaft genannt können als metallisches Material für die blechartigen Schichten Aluminiumlegierungen der 5XXX- und 6XXX-Reihe oder auch Stähle DC06 und/oder DP 600 verwendet werden.In principle, it is conceivable that for the sheet-like layers of metallic material of any kind, but especially steel materials and / or light metal materials and / or difficult to convert materials, preferably magnesium materials is used. In this case, the same metallic material can be used for both metallic layers of a fiber-metal laminate semifinished product, but it is also conceivable to use different metallic materials or at least partially different metallic materials for each layer. Also, the thickness of the layers of the metallic materials uniform or nonuniform, possibly even sections are designed to be non-uniform, approximately at exactly where in the later fiber-metal laminate component special loads occur, a reinforcement of the layers of the metallic materials provided. By way of example only, aluminum alloys of the 5XXX and 6XXX series or even steels DC06 and / or DP 600 can be used as the metallic material for the sheet-like layers.
Weiterhin ist es denkbar, dass mehr als zwei blechartige Schichten jeweils unter Zwischenlegung einer Schicht aus einem Fasermaterial zu einem Faser-Metall-Laminat-Halbzeug geschichtet werden. Hierdurch kann eine weitere Beeinflussung der Eigenschaften des Faser-Metall-Laminat-Bauteils erreicht werden, wobei in den einzelnen Schichten eines derartig gebildeten Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs jeweils unterschiedliche metallische Schichten bzw. Faserschichten bzw. verwendete Monomere denkbar sind.Furthermore, it is conceivable that more than two sheet-like layers are each layered with the interposition of a layer of a fiber material to form a fiber-metal laminate semifinished product. In this way, a further influencing of the properties of the fiber-metal-laminate component can be achieved, wherein in each case different metallic layers or fiber layers or used monomers are conceivable in the individual layers of such a formed fiber-metal laminate semifinished product.
Als besonders bevorzugtes Umformverfahren kann das erfindungsgemäße Verfahren für ein Tiefziehverfahren mit Niederhalter und Tiefziehstempel verwendet werden.As a particularly preferred forming method, the inventive method for a deep-drawing process with hold-down and thermoforming dies can be used.
In einer anderem Ausgestaltung kann das erfindungsgemäße Verfahren für ein Strangpressen als Umformverfahren verwendet werden, bei dem die metallischen Schichten durch eine Strangpressverfahren gebildet werden.In another embodiment, the inventive method for extrusion can be used as a forming process in which the metallic layers are formed by an extrusion molding process.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es dabei denkbar, dass die blechartigen Schichten aus einem metallischen Material beim Strangpressen aus zwei unter einem Winkel zueinander angeordneten Abschnitten des gleichen Strangpressprofils oder aus zwei Abschnitten von zwei aufeinander zu liegen kommenden Strangpressprofilen gebildet werden. Hierbei werden die Schichten des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs erst unmittelbar vor der Verbindung mit der Faserschicht und damit der Herstellung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs durch Strangpressen erzeugt, wodurch die Prozesswärme des Strangpressprozesses zur Beschleunigung der Temperierung des Polymerisationsprozesses des Monomers genutzt werden kann. Auch kann dieser Prozess kontinuierlich ablaufen, sowohl in Bezug auf die Erzeugung der metallischen Schichten als auch in Bezug auf das Einlegen der Faserschicht und die Einbringung des Monomers. Dadurch ist diese Herstellungsweise besonders wirtschaftlich. Auch können bei Verwendung von zwei Abschnitten von zwei aufeinander zu liegen kommenden unterschiedlichen Strangpressprofilen unterschiedliche metallische Materialien für die metallischen Schichten benutzt und miteinander kombiniert werden.In an advantageous embodiment, it is conceivable that the sheet-like layers are formed from a metallic material during extrusion from two mutually arranged at an angle sections of the same extruded profile or two sections of two juxtaposed extrusion profiles. In this case, the layers of the fiber-metal laminate semifinished product are produced by extrusion only immediately before the connection with the fiber layer and thus the production of the fiber-metal laminate semifinished product, whereby the process heat of the extrusion process is used to accelerate the temperature control of the polymerization process of the monomer can be. Also, this process can proceed continuously, both in terms of the formation of the metallic layers, as well as in terms of the insertion of the fibrous layer and the incorporation of the monomer. As a result, this method of production is particularly economical. Also, by using two sections of two different extruded profiles lying adjacent to each other, different metallic materials can be used for the metallic layers and combined with each other.
In weiterer Ausgestaltung kann dabei die Schicht aus dem Fasermaterial zwischen die einander zuzuordnenden Abschnitte des Strangpressprofils oder die beiden Abschnitte der aufeinander zu liegen kommenden Strangpressprofile eingebracht werden, bevor die einander zuzuordnenden Abschnitte des oder der Strangpressprofile aufeinander zu liegen kommen, etwa indem zwischen den Abschnitten der metallischen Materialien die Faserschicht z. B. von einer Rolle abgezogen und zwischen die Abschnitte der metallischen Materialien geführt wird. Hierbei kann in weiterer Ausgestaltung das mindestens eine Monomer auf die Schicht aus dem Fasermaterial aufgebracht, vorzugsweise drucklos und bis zur Sättigung der Schicht aufgesprüht werden, bevor die einander zuzuordnenden Abschnitte des oder der Strangpressprofile aufeinander zu liegen kommen. Hierbei ist eine druckbehaftete Einbringung des Monomers aufwändiger, da hierfür bei dem kontinuierlichen Prozess eine sichere Abdichtung des laufend produzierten Stranges gewährleistet werden müsste. In weiterer Ausgestaltung können dann nach dem Einbringen des mindestens einen Monomers und der Schicht aus dem Fasermaterial die Abschnitte des Strangpressprofils vorzugsweise walztechnisch aufeinander gepresst und damit während der beginnenden Polymerisation miteinander verbunden werden. Es ist aber auch ein anderes Verbindungsverfahren als das Walzen denkbar.In a further embodiment, the layer of fiber material between the mutually assignable sections of the extruded profile or the two sections of successive extrusion profiles can be introduced before the mutually attributable sections of the extruded or come to rest, such as by between the sections of Metallic materials, the fiber layer z. B. withdrawn from a roll and passed between the sections of the metallic materials. In this case, in a further embodiment, the at least one monomer is applied to the layer of the fiber material, preferably without pressure and sprayed to saturation of the layer before the mutually attributable sections of the extruded or come to rest each other. In this case, a pressurized introduction of the monomer is more complex, since this would have to be ensured in the continuous process, a secure seal of the continuously produced strand. In a further refinement, after the introduction of the at least one monomer and the layer of the fiber material, the sections of the extruded profile can then preferably be pressed against each other by rolling, and thus joined together during the incipient polymerization. But it is also a different connection method than rolling conceivable.
In einer anderen Ausgestaltung kann als Umformverfahren ein Walzprofilieren verwendet werden, bei dem das Faser-Metall-Laminat-Halbzeug mittels Walzprofilieren umgeformt wird. Hierbei kann das Faser-Metall-Laminat-Halbzeug in kontinuierlicher oder auch stückweiser Ausgestaltung wie beim Tiefziehen wie vorstehend beschrieben vorbereitet und durch ein Walzprofilieren mit gleichzeitig beginnender Polymerisation des Monomers in die endgültige Form des Faser-Metall-Laminat-Bauteils umgeformt werden.In another embodiment, as a forming process, a roll forming can be used, in which the fiber-metal-laminate semi-finished product is formed by roll forming. Here, the fiber-metal-laminate semi-finished product can be prepared in a continuous or piecewise configuration as in deep drawing as described above and formed by a roll forming with simultaneous incipient polymerization of the monomer in the final form of the fiber-metal laminate component.
Hinsichtlich der zu verwendenden Materialien zu Bildung der thermoplastischen Matrix der Faserverbundschicht können bevorzugt unterschiedliche reaktive Monomere oder vergleichbare Substanzen zur Anwendung kommen, von denen einige nur beispielhaft nachfolgend angegeben werden. Wichtig ist hierbei, dass die Polymerisation anders als bei den üblicherweise duromeren Harzen, die sonst üblicherweise zur Herstellung von Faserverbundschichten benutzt werden, wesentlich schneller abläuft und daher kürzere Taktzeiten im Bereich von wenigen Minuten im Werkzeug bis zur Ausformung erreicht werden können.With regard to the materials to be used for forming the thermoplastic matrix of the fiber composite layer, preference may be given to using different reactive monomers or comparable substances, some of which are given below by way of example only. It is important here that the polymerization, unlike the usually thermosetting resins that are otherwise usually used for the production of fiber composite layers, runs much faster and therefore shorter cycle times in the range of a few minutes in the tool can be achieved until the molding.
Besonders bevorzugt kann zur Bildung einer thermoplastischen Matrix in der Schicht des Fasermaterials eine reaktive, monomere Vorstufe einer Thermoplastmatrix (T-RTM) mit im Ausgangszustand niedriger Viskosität verwendet werden. Als einige und nicht abschließend angeführt zu betrachtende Beispiele hierfür kann das thermoplastisch aushärtende Monomer Caprolactam angegeben werden, das zu Gusspolyamid 6 (PA6G) polymerisiert. Ein derartig grundsätzlich bekanntes Caprolactam-Monomer polymerisiert unter Hinzufügung eines Initiators oder Katalysators und eines Aktivators zu einem anionisch polymerisierten Polyamid 6, wobei als Reaktionstemperatur des Caprolactam-Monomers zwischen 130 und 160°C anzustreben ist. Mit derartiger Prozessführung kann die vollständige Polymerisation des Caprolactam-Monomers schon innerhalb von 3 Minuten erfolgen, wodurch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kurze und wirtschaftlich interessante Taktzeiten zur Herstellung von Faser-Metall-Laminat-Bauteilen erreicht werden können.With particular preference, a reactive, monomeric precursor of a thermoplastic matrix (T-RTM) with a starting viscosity of low viscosity can be used to form a thermoplastic matrix in the layer of the fiber material. Examples which may be considered of some and not exhaustive are the thermoplastic curing monomer caprolactam which polymerizes to cast nylon 6 (PA6G). Such a basically known caprolactam monomer polymerized with the addition of an initiator or catalyst and an activator to an anionically polymerized
Aufgrund verschiedener prozesstechnischer Vorteile wird in der Praxis die Verarbeitung von Caprolactam zu Verbunden mit PA6G Matrix bevorzugt verwendet. Durch die mit etwa 5 mPa·s sehr geringe, wasserähnliche Viskosität wird es ermöglicht, konventionelle Duromerverarbeitungsverfahren wie das Resin-Transfer-Moulding (RTM) zu verwenden. Der Einfluss des Aktivator- und Katalysatorverhältnisses, sowie der Polymerisationstemperatur und -zeit auf die mittlere Molmasse und den Kristallinitätsgrad ermöglicht eine weitgehende Beeinflussung des Polymerisationsprozesses. Die Polymerisationszeit lässt sich durch die Wahl von Aktivator- und Katalysatorkombinationen, sowie deren Verhältnis in weiten Bereichen einstellen.Due to various procedural advantages, the processing of caprolactam to PA6G matrix is preferred in practice. The very low water-like viscosity of about 5 mPa · s makes it possible to use conventional duromer processing methods such as resin transfer molding (RTM). The influence of the activator and catalyst ratio, as well as the polymerization temperature and time on the average molecular weight and the degree of crystallinity allows a substantial influence on the polymerization process. The polymerization time can be adjusted by the choice of activator and catalyst combinations, and their ratio in a wide range.
Für die chemische Umsetzung der G-PA 6 Polymerisation, die gleichzeitig die Anbindung an die Metallschichten realisieren soll, müssen geeignete Metalle für die Eignung von Polymerisation des Caprolactams und die Blechumformung ausgewählt und vorbereitet werden. Um eine Polymerisation mit hoher Güte zu erreichen, ist es gleichzeitig notwendig, die chemische Kompatibilität zwischen dem reaktiven Monomer und dem Fasermaterial zu erreichen. Entscheidend bei der Faserauswahl ist eine für die anionische Polymerisation geeignete Schlichte, ein Faserhalbzeug, das sich im späteren Herstellprozess gut drapieren lässt und eine entsprechende Vortrocknung der Fasermaterials, um die Reaktion nicht zu hindern.For the chemical implementation of the G-
Alternativ kann als thermoplastisch aushärtendes Monomer Lauryllactam verwendet werden, das zu PA12 polymerisiert oder auch Cyclo-Butylen-Therephthalat, das zu Polybutylenterephthalat polymerisiert.Alternatively, as the thermosetting monomer, lauryllactam may be used which polymerizes to PA12 or cyclobutylene terephthalate which polymerizes to polybutylene terephthalate.
Die Erfindung hinsichtlich des Faser-Metall-Laminat-Bauteils beschreibt ein Faser-Metall-Laminat-Bauteil, aufweisend ein Faser-Metall-Laminat-Halbzeug aus mindestens zwei blechartigen Deckschichten aus einem metallischen Material mit einer zwischen den metallischen Deckschichten angeordneten Schicht aus einem Fasermaterial, insbesondere hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1. Bei einem derartigen gattungsgemäßen Faser-Metall-Laminat-Bauteil ist in dem Bereich der Schicht des Fasermaterials mindestens ein Monomer vor und/oder während und/oder nach der Umformung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs einbringbar, wobei das mindestens eine Monomer während und/oder nach der Umformung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeug zu dem Faser-Metall-Laminatbauteil zumindest teilweise zu einer thermoplastischen Matrix ausgehärtet ist.The invention with regard to the fiber-metal laminate component describes a fiber-metal laminate component comprising a fiber-metal laminate semifinished product of at least two sheet-like cover layers of a metallic material with a layer of a fiber material arranged between the metallic cover layers , in particular produced according to the method according to
Die wesentlichen Eigenschaften und Vorteile derartig aufgebauter und hergestellter Faser-Metall-Laminat-Bauteile ist schon vorstehend in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren ausführlich erläutert worden. Es wird daher hier nur noch auf bauteilmäßige Besonderheiten extra hingewiesen, ansonsten wird auf die Beschreibung des Verfahrens in vollem Umfang auch für die Erläuterung der erfindungsgemäßen Faser-Metall-Laminat-Bauteile selbst Bezug genommen.The essential properties and advantages of fiber-metal laminate components constructed and manufactured in this way have already been explained in detail in relation to the method according to the invention. It is therefore only referred to component specific features extra, otherwise reference is made to the description of the process in its entirety for the explanation of the fiber-metal laminate components according to the invention itself.
Die polymerisierte Schicht der Faserverbundmatrix kann das thermoplastisch aushärtende Monomer Caprolactam aufweisen, das zu Gusspolyamid 6 (PA6G) polymerisiert. Alternativ kann auch Lauryllactam verwendet werden, das zu PA12 polymerisiert, oder auch Cyclo-Butylen-Therephthalat, das zu Polybutylenterephthalat polymerisiert.The polymerized layer of the fiber composite matrix can be the thermoplastic hardening Monomer caprolactam, which polymerizes to cast nylon 6 (PA6G). Alternatively, it is also possible to use laurolactam which polymerizes to
Als metallisches Material für die blechartigen Schichten können Aluminiumlegierungen der 5XXX- und 6XXX-Reihe oder auch Stähle DC06 und/oder DP 600 verwendet werden. Darüber hinaus sind auch die schwer umformbaren Magnesiumlegierungen für die blechartigen Schichten denkbar. Alle vorstehenden Materialien sind hierbei rein beispielhaft angegeben und es kann eine Vielzahl anderer metallischer Materialien ebenfalls von der Erfindung umfasst sein.As metal material for the sheet-like layers, aluminum alloys of the 5XXX and 6XXX series or steels DC06 and / or DP 600 can be used. In addition, the difficult to transform magnesium alloys for the sheet-like layers are conceivable. All the above materials are given by way of example only and a variety of other metallic materials may also be included in the invention.
Auch ist es denkbar, dass mehr als zwei blechartige Schichten jeweils unter Zwischenlegung einer Schicht aus einem Fasermaterial zu einem Faser-Metall-Laminat-Halbzeug geschichtet sind.It is also conceivable that more than two sheet-like layers are each layered with the interposition of a layer of a fiber material to a fiber-metal laminate semifinished product.
Die Schichtdicken der metallischen Materialien und des faserverstärkten Verbundwerkstoffs können anwendungsabhängig vorgegeben werden, z. B. zur Erhöhung der Schalldämpfung kann eine dickere Faserschicht vorgesehen werden.The layer thicknesses of the metallic materials and the fiber-reinforced composite material can be specified depending on the application, z. B. to increase the sound attenuation, a thicker fiber layer can be provided.
Auch ist es denkbar, dass zumindest abschnittsweise mehr als eine Schicht eines Fasermaterials übereinander gestapelt zwischen die metallischen Schichten eingebracht ist, um lokal unterschiedliche Eigenschaften der Schicht des Fasermaterials hervorzurufen. Entsprechend kann auch die Dicke der metallischen Schichten im Ganzen oder lokal variiert werden.It is also conceivable that, at least in sections, more than one layer of a fiber material is stacked between the metallic layers in order to produce locally different properties of the layer of the fiber material. Accordingly, the thickness of the metallic layers can be varied as a whole or locally.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt die Zeichnung.A particularly preferred embodiment of the method according to the invention is shown in the drawing.
Es zeigen:Show it:
In der
In dem ersten Schritt gemäß
Im nächsten Schritt gemäß
In einem dritten Schritt gemäß
In einem nächsten Schritt gemäß
In einem abschließenden Schritt gemäß
In der
Während des Strangpressens wird ein auf einer Rolle
Ein entsprechend durch Strangpressen hergestelltes Bauteil aus metallischen Schichten
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Faser-Metall-Laminat-HalbzeugFiber-metal laminate semifinished
- 22
- metallische Schichtmetallic layer
- 33
- Faserschichtfiber layer
- 44
- metallische Schichtmetallic layer
- 55
- EinspritzkanalInjection channel
- 66
- TiefziehgesenkTiefziehgesenk
- 77
- NiederhalterStripper plate
- 88th
- HeizpatroneCartridge Heater
- 99
- NiederhaltersickeDown device Beading
- 1010
- Plasmabrennerplasma torch
- 1111
- Plasmastrahlplasma jet
- 1212
- Strangpresseextruder
- 1313
- Strangpresseextruder
- 1414
- Gebläsefan
- 1515
- austretender Strang metallischen Materialsemerging strand of metallic material
- 1616
- MonomervorratMonomervorrat
- 1717
- Sprühdüsenspray nozzles
- 1818
- Walzeroller
- 1919
- Biegewalzebending roller
- 2020
- Rolle FaserschichtRoll of fiber layer
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