DE102014008644B4 - Process for producing a hollow body from a fiber composite plastic - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers (1) aus einem Faserverbundkunststoff, bei dem ein Vorformling (11), der aus einem Kernkörper (12) und einem den Kernkörper (12) umhüllenden Faserhalbzeug (7) aufgebaut ist, in ein Formwerkzeug (25) eingelegt wird, und anschließend in einem Infiltrationsprozess das den Kernkörper (12) umhüllende Faserhalbzeug (7) mit einer flüssigen Ausgangskomponente eines Matrixmaterials (9) durchtränkt wird, wobei der Kernkörper (12) einen kollabierfähigen Feststoff (15) aufweist, der im Verfahrensverlauf zwischen einer querschnittserweiterten Formkontur (17) und einer querschnittsreduzierten Kontur (31) verändert wird, wobei der Kernkörper (12) des Vorformlings (11) einen Druckschlauch (19) aufweist, in dem der kollabierfähige Feststoff (15) angeordnet ist, wobei vor der Durchführung des Infiltrationsprozesses der kollabierfähige Feststoff (15) des Kernkörpers (12) von seiner querschnittserweiterten Formkontur (17) in seine querschnittsreduzierte Kontur (31) verändert wird, wobei die Endkontur des Hohlkörpers (1) zumindest eine Hinterschneidung (5) mit einem konkaven Wandabschnitt aufweist, wobei die querschnittserweiterte Formkontur (17) des kollabierfähigen Feststoffs (15) endkonturnah, jedoch ohne die Hinterschneidung (5), angepasst ist, wobei der Druckschlauch (19) des Kernkörpers (12) mit einem Gas-Innendruck beaufschlagt wird, und wobei der Infiltrationsprozess mit einem im Druckschlauch (19) vorherrschenden Überdruck erfolgt, mit dem der Druckschlauch (19) das Faserhalbzeug (7) gegen die Formfläche (33) des Formwerkzeugs (25) presst, die der Hohlkörper-Endkontur entspricht.Method for producing a hollow body (1) from a fiber composite plastic, in which a preform (11) which is constructed from a core body (12) and a semi-finished fiber product (7) enclosing the core body (12) is inserted into a molding tool (25) and then in an infiltration process, the semifinished product (7) enveloping the core body (12) is saturated with a liquid starting component of a matrix material (9), wherein the core body (12) has a collapsible solid (15) which in the process progresses between a cross-sectional widened shape contour (17) and a cross-section reduced contour (31) is changed, wherein the core body (12) of the preform (11) has a pressure hose (19) in which the collapsible solid (15) is arranged, wherein before performing the infiltration process of the collapsible Solid (15) of the core body (12) of its cross-sectional widened shape contour (17) in its querschnittsred wherein the end contour of the hollow body (1) has at least one undercut (5) with a concave wall section, wherein the cross-sectional widened shape contour (17) of the collapsible solid (15) is near net shape, but without the undercut (5). , wherein the pressure hose (19) of the core body (12) is subjected to a gas internal pressure, and wherein the infiltration process takes place with a pressure prevailing in the pressure hose (19), with which the pressure hose (19) the semifinished fiber product (7) against the mold surface (33) of the mold (25) presses, which corresponds to the hollow body end contour.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus einem Faserverbundkunststoff, bei dem ein Vorformling, der aus einem Kernkörper und einem den Kernkörper umhüllenden Faserhalbzeug aufgebaut ist, in ein Formwerkzeug eingelegt wird und anschließend in einem Infiltrationsprozess das den Kernkörper umhüllende Faserhalbzeug mit einer flüssigen Ausgangskomponente eines Matrixmaterials durchtränkt wird.The invention relates to a method for producing a hollow body from a fiber composite plastic, in which a preform, which is composed of a core body and a core body enveloping semifinished fiber, is placed in a mold and then in an infiltration process, the core body enveloping semi-finished fiber with a liquid starting component a matrix material is saturated.
Zur Herstellung von Faserverbundkunststoff-Bauteilen können geflochtene Faserhalbzeuge verwendet werden, die eine verschnittarme Preformherstellung und damit eine insgesamt kostengünstige Fertigung erlauben.For the production of fiber composite plastic components, braided semifinished fiber products can be used, which allow low-defect Preformherstellung and thus an overall cost-effective production.
Aus der
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Bei einem bekannten Verfahren wird ein Vorformling, bestehend aus einem Kernkörper und aus einem den Kernkörper umhüllenden Faserhalbzeug, in ein Formwerkzeug eingelegt. Anschließend wird das Formwerkzeug geschlossen, und es erfolgt ein Infiltrationsprozess, bei dem das den Kernkörper umhüllende Faserhalbzeug mit einer flüssigen Ausgangskomponente eines Matrixmaterials durchtränkt wird. Der Kernkörper kann beispielhaft ein Druckschlauch sein, der während des Infiltrationsprozesses mit einem Gas-Überdruck beaufschlagbar ist, wodurch der Druckschlauch das Faserhalbzeug gegen eine, die Außen-Endkontur des Hohlkörpers in Negativform nachbildende Formfläche des Formwerkzeuges anpresst. Nach erfolgter Konsolidierung des Matrixmaterials wird der Druckschlauch druckentlastet und das Formwerkzeug geöffnet. Daraufhin wird der Druckschlauch aus dem Hohlraum des Hohlkörpers entfernt. Ein derartiges Verfahren ist aus der
Die Herstellung des oben angegebenen Vorformlings kann in gängiger Praxis in einem Wickelprozess oder in einem Flechtprozess erfolgen, bei dem Endlosfasern in unterschiedlichen Faserausrichtungen konturangepasst auf den Kernkörper abgelegt werden, das heißt in enger spaltfreier Anlage mit der äußeren Formkontur des Kernkörpers gebracht werden. Bei einem Flechtprozess wird der Kernkörper umfangsseitig mit einer Faserstruktur umflochten.The preparation of the above-mentioned preform can be carried out in common practice in a winding process or in a braiding process, in which continuous fibers are deposited in different fiber orientations contour adapted to the core body, that is brought in close gap-free contact with the outer shape contour of the core body. In a braiding process, the core body is braided circumferentially with a fiber structure.
Bei der Herstellung eines Hohlkörpers mit komplexer Bauteilgeometrie ist ein solcher Wickel- oder Flechtprozess aus folgendem Grund problematisch: So kann der Hohlkörper gegebenenfalls eine Hinterschneidung mit einem konkaven Wandabschnitt aufweisen, der sich auch in der Formkontur des Kernkörpers wiederfindet. Im einem herkömmlichen Wickel- oder Flechtprozess kann jedoch die aufgebrachte Faserstruktur nicht konturangepasst der konkaven Wandfläche des Kernkörpers folgen. Vielmehr würde die aufgebrachte Faserstruktur unter Spaltbildung den konkaven Wandabschnitt des Formkörpers überspannen.In the production of a hollow body with complex component geometry, such a winding or braiding process is problematic for the following reason: For example, the hollow body may have an undercut with a concave wall section, which is also found in the shape contour of the core body. In a conventional winding or braiding process, however, the applied fiber structure can not follow the contoured contour of the concave wall surface of the core body. Rather, the applied fiber structure would span over the concave wall section of the shaped body with the formation of a gap.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus einem Faserverbundkunststoff bereitzustellen, bei dem komplexe Bauteilgeometrien, zum Beispiel Hinterschneidungen oder spitze Strukturen, zuverlässig herstellbar sind.The object of the invention is to provide a method for producing a hollow body from a fiber composite plastic, in which complex component geometries, for example undercuts or pointed structures, can be reliably produced.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is solved by the features of claim 1. Preferred embodiments of the invention are disclosed in the subclaims.
Gemäß dem Patentanspruch 1 weist der Kernkörper des Vorformlings einen Druckschlauch auf, in dem kollabierfähiger Feststoff angeordnet ist. Der im Druckschlauch angeordnete kollabierfähige Feststoff kann bei geeigneter Aktivierung, etwa durch eine Unterdruck-Beaufschlagung, im Verfahrensverlauf prozessangepasst zwischen einer querschnittserweiterten Formkontur und einer querschnittsreduzierten Kontur verändert werden. Erfindungsgemäß kann somit eine Querschnittsänderung des Druckschlauchs nicht mehr durch ein Variieren eines Gas-Innendruckes im Druckschlauch erfolgen, wie es zum Beispiel in einem Schlauchblasverfahren gängige Praxis ist. Bei einem solchen gängigen Schlauchblasverfahren können meist nur runde Formkonturen des Kernkörpers erzeugt werden, nicht jedoch komplexere Geometrien, die einer komplexen Bauteilgeometrie der Hohlkörper-Endkontur bereits nahekommen. According to claim 1, the core body of the preform to a pressure hose, is disposed in the collapsible solid. The collapsible solid arranged in the pressure hose can, with suitable activation, for example by applying a vacuum, be adjusted in the course of the process to a process-adapted between a cross-sectional widened shape contour and a cross-section-reduced contour. According to the invention, therefore, a change in cross section of the pressure hose can no longer be effected by varying a gas internal pressure in the pressure hose, as is standard practice, for example, in a hose blowing method. In such a common Schlauchblasverfahren usually only round shape contours of the core body can be generated, but not more complex geometries that already come close to a complex component geometry of the hollow body final contour.
Je nach Prozessverlauf kann der kollabierfähige Feststoff des Kernkörpers aktiviert werden, um seine querschnittsreduzierte Kontur einzunehmen und damit außer Anlage mit der Innenwandung des hergestellten Hohlkörpers zu kommen.Depending on the course of the process, the collapsible solid of the core body can be activated in order to take its cross-section-reduced contour and thus come out of engagement with the inner wall of the hollow body produced.
Zur Herstellung des Vorformlings können Endlosfasern zum Beispiel in einem Wickelprozess oder in einem Flechtprozess auf den Kernkörper gewickelt werden, wobei der kollabierfähige Feststoff in seiner querschnittserweiterten Formkontur ausreichend bauteilsteif ist, um der beim Flecht- oder Wickelvorgang aufgebrachten Faserspannung standzuhalten. Die Faserstruktur wird nicht unmittelbar auf den kollabierfähigen Feststoff aufgebracht, sondern vielmehr unter Zwischenlage des Druckschlauches. Im Stand der Technik ist es gängige Praxis, den Druckschlauch des Kernkörpers beim Wickel- oder Flechtprozess mit einem Gas, etwa Luft, zu befüllen, wodurch der Schlauch-Innendruck erhöht wird. Bei einer solchen Druckbeaufschlagung mit Gas-Innendruck sind jedoch keine komplexeren Bauteilgeometrien am Kernkörper nachbildbar. Demgegenüber kann der kollabierfähige Feststoff des Kernkörpers ohne weiteres zumindest der Endkontur des Hohlkörpers angepasst werden. Einzige Beschränkung ist lediglich, dass eine Hinterschneidung mit konkavem Wandabschnitt am kollabierfähigen Feststoff zu vermeiden ist.For producing the preform, continuous fibers can, for example, be wound on the core body in a winding process or in a braiding process, the collapsible solid in its cross-sectional widened shape contour being sufficiently component-rigid in order to withstand the fiber tension applied during the braiding or winding process. The fiber structure is not applied directly to the collapsible solid, but rather with the interposition of the pressure hose. In the prior art, it is common practice to fill the pressure hose of the core body in the winding or braiding process with a gas, such as air, whereby the hose internal pressure is increased. In such a pressurization with internal gas pressure, however, no more complex component geometries can be imitated on the core body. In contrast, the collapsible solid of the core body can readily be adapted at least to the final contour of the hollow body. The only limitation is that an undercut with a concave wall section on the collapsible solid is to be avoided.
Erfindungsgemäß wird nach erfolgter Herstellung des Vorformlings der kollabierfähige Feststoff durch geeignete Aktivierung in seine querschnittsreduzierte Kontur verbracht. In diesem Fall ist das den Kernkörper umhüllende Faserhalbzeug nicht mehr in enger, spaltfreier Anlage mit dem Kernkörper, sondern vielmehr in loser Anlage mit dem querschnittsreduzierten Kernkörper. Dadurch kann das nunmehr weitgehend biegeschlaffe Faserhalbzeug fertigungstechnisch einfach in der Kavität des Formwerkzeuges lagerichtig drapiert werden. Darauffolgend wird die Kavität des Formwerkzeuges geschlossen, und der Druckschlauch des Kernkörpers wird mit einem Gas-Überdruck beaufschlagt. Dadurch drückt der bevorzugt elastisch dehnfähige Druckschlauch das Faserhalbzeug lagerichtig gegen die Formfläche des Formwerkzeuges, die der Hohlkörper-Endkontur entspricht.According to the invention, after the preform has been produced, the collapsible solid is brought into its cross-section-reduced contour by suitable activation. In this case, the semifinished product surrounding the core body is no longer in close, gap-free contact with the core body, but rather in loose contact with the cross-section reduced core body. As a result, the now largely semi-rigid semifinished fiber product can be simply draped in the correct position in the cavity of the molding tool. Subsequently, the cavity of the mold is closed, and the pressure hose of the core body is subjected to a gas overpressure. As a result, the preferably elastically stretchable pressure hose presses the semifinished fiber product in the correct position against the molding surface of the molding tool, which corresponds to the hollow body end contour.
Bevorzugt kann der Druckschlauch einen Druckanschluss aufweisen, der mit einer externen Druckquelle gekoppelt ist, mittels der der Druckschlauch mit dem Gas-Überdruck versorgbar ist. In einer bevorzugten Variante kann die Druckquelle in Doppelfunktion auch zur Aktivierung des kollabierfähigen Feststoffes verwendet werden, das heißt das Kollabieren des Feststoffes von seiner querschnittserweiterten Formkontur in seine querschnittsreduzierte Kontur einleiten. Dies kann durch Beaufschlagung mit einem Gas-Unterdruck erfolgen. Eine solche Unterdruck-Beaufschlagung ist insbesondere dann anwendbar, wenn der kollabierfähige Feststoff ein geschlossenzelliger Schaumwerkstoff mit Gaseinschlüssen ist.Preferably, the pressure hose may have a pressure connection which is coupled to an external pressure source, by means of which the pressure hose can be supplied with the gas overpressure. In a preferred variant, the pressure source in a dual function can also be used to activate the collapsible solid, that is, to initiate the collapse of the solid from its cross-sectional widened shape contour into its cross-section-reduced contour. This can be done by applying a gas negative pressure. Such a negative pressure application is particularly applicable when the collapsible solid is a closed-cell foam material with gas inclusions.
Erfindungsgemäß wird der kollabierfähige Feststoff des Kernkörpers somit nach erfolgtem Wickel- oder Flechtprozess und noch vor der Durchführung des Infiltrationsprozesses, insbesondere noch vor dem Einlegen des Vorformlings in das Formwerkzeug, mit seiner querschnittsreduzierten Kontur bereitgestellt. Neben der Beaufschlagung mit Gas-Unterdruck kann zusätzlich oder alternativ auch durch Wärmebeaufschlagung der kollabierfähige Feststoff in seine querschnittsreduzierte Kontur kollabiert werden.According to the collapsible solid of the core body is thus provided after its winding or braiding process and before the implementation of the infiltration process, in particular before inserting the preform in the mold, with its cross-section reduced contour. In addition to the application of gas negative pressure, the collapsible solid can additionally or alternatively also be collapsed into its cross-section-reduced contour by application of heat.
Um die Handhabung des Kernkörpers bei der Herstellung des Vorformlings und/oder beim Einlegen des Vorformlings in das Formwerkzeug zu vereinfachen, kann der Kernkörper einen bauteilsteifen Innenkern aufweisen, etwa eine formstabile Stange, die vom kollabierfähigen Feststoff ummantelt ist. Entsprechend kann der Kernkörper insgesamt dreiteilig aufgebaut sein, nämlich mit dem bauteilsteifen Innenkern, dem kollabierfähigen Feststoff sowie dem außenseitigen Druckschlauch.In order to facilitate the handling of the core body in the manufacture of the preform and / or when placing the preform in the mold, the core body may have a component-rigid inner core, such as a dimensionally stable rod, which is coated by the collapsible solid. Accordingly, the core body can be constructed in three parts, namely with the component-rigid inner core, the collapsible solid and the outside pressure hose.
Das obige Verfahren wird insbesondere auch für die Herstellung eines Hohlkörpers verwendet, der eine Hinterschneidung mit einem äußeren konkaven Wandabschnitt aufweist. In diesem Fall ist die zunächst querschnittserweiterte Formkontur des kollabierfähigen Feststoffes des Kernkörpers bereits an die Endkontur, jedoch ohne die Hinterschneidung, angepasst. Die abgewickelte Länge der querschnittserweiterten Kernkörper-Formkontur kann dabei im Wesentlichen mit der abgewickelten Länge der Hohlkörper-Endkontur übereinstimmen, um beim Drapieren im Formwerkzeug ausreichend Fasermaterial bereitzuhalten.The above method is used in particular for the production of a hollow body having an undercut with an outer concave wall portion. In this case, the shape of the collapsible solid of the core body, which is initially enlarged in cross-section, is already adapted to the final contour, but without the undercut. The unwound length of the cross-sectional widened core body shape contour can substantially coincide with the unwound length of the hollow body end contour in order to provide sufficient fiber material during draping in the mold.
Durch die bereits endkonturnahe Anpassung der Formkontur des Formkörpers wird ein Drapiervorgang vereinfacht, und zwar im Vergleich zu einer nicht endkonturnah angepassten Kernkörper-Anordnung, bei der wesentlich aufwändigere Drapiervorgänge in der Kavität des Formwerkzeuges erforderlich sind, und zwar mit der Gefahr, dass gegebenenfalls die Faserstruktur des Faserhalbzeuges übermäßig beeinträchtigt wird. By already close to final contour close adaptation of the shape contour of the molding a Drapiervorgang is simplified, in comparison to a nichtkontontum close adapted core body assembly in which much more complicated Drapiervorgänge in the cavity of the mold are required, with the risk that optionally the fiber structure of the semifinished fiber is excessively impaired.
Nach dem Drapiervorgang wird die Kavität des Formwerkzeuges geschlossen, und es erfolgt eine Beaufschlagung des Druckschlauches mit einem Innendruck, mittels dem der Druckschlauch betriebssicher in die, die Hinterschneidung nachbildende Teilkammer der Werkzeugkavität gepresst wird.After the draping process, the cavity of the mold is closed, and there is a pressurization of the pressure hose with an internal pressure, by means of which the pressure hose is reliably pressed into the, the undercut reproducing partial chamber of the mold cavity.
Ein wesentlicher Erfindungsaspekt betrifft den Umstand, dass – im Vergleich zu einer herkömmlichen. Innendruckbeaufschlagung – der Druckschlauch bei der Herstellung des Vorformlings nicht mit einem Gas gefüllt werden muss, um die Formkontur des Kernkörpers bereitzustellen. Vielmehr wird die Formkontur des Kernkörpers durch den kollabierfähigen Feststoff bereitgestellt, mit dem wesentlich komplexere Bauteilgeometrien endkonturnah nachgebildet werden können.An essential aspect of the invention concerns the fact that, in comparison with a conventional one. Internal pressurization - the pressure hose in the manufacture of the preform does not have to be filled with a gas to provide the shape contour of the core body. Rather, the shape contour of the core body is provided by the collapsible solid, with the much more complex component geometries can be simulated close to the final contour.
Im Unterschied zum Stand der Technik erfolgt somit eine Beaufschlagung des Druckschlauches mit einem Gas-Innendruck lediglich bei der Durchführung des Infiltrationsprozesses, nicht jedoch bei der Herstellung des Vorformlings. Der Druckanschluss des Druckschlauches kann dabei bevorzugt nicht nur für die Druckerhöhung beim Infiltrationsprozess genutzt werden, sondern vielmehr auch für eine Druckreduzierung, mit der der kollabierfähige Feststoff querschnittsreduziert wird, um den Einlegevorgang in die Werkzeugkavität zu vereinfachen.In contrast to the prior art thus takes place a loading of the pressure hose with a gas internal pressure only in the implementation of the infiltration process, but not in the production of the preform. The pressure connection of the pressure hose can be used preferably not only for the pressure increase in the infiltration process, but rather also for a pressure reduction, with which the collapsible solid is reduced cross-section in order to simplify the insertion process into the mold cavity.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.The advantageous embodiments and / or further developments of the invention explained above and / or reproduced in the dependent claims can be used individually or else in any desired combination with one another, for example in the case of clear dependencies or incompatible alternatives.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.The invention and its advantageous embodiments and further developments and advantages thereof are explained in more detail below with reference to drawings.
Es zeigen:Show it:
In der
Der Hohlkörper
Bei der Herstellung des Kernkörpers
Anschließend wird gemäß der
Der so gefertigte Vorformling
Der Einlegeprozess (
Nach erfolgtem Einlegen sowie Drapieren des Vorformlings
Anschließend erfolgt ein Infiltrationsprozess, bei dem über eine Injektionsleitung
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