DE102014012323A1 - Process for producing fiber-reinforced plastic articles with a sandwich structure - Google Patents
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Abstract
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf die Herstellung faserverstärkter Kunststoffbauteile mit einer Sandwichstruktur bestehend aus vorzugsweise zwei äußeren Schalen und einer faserverstärkten Kernkomponente. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein textiles Halbzeug in einen Hohlraum, der von den Schalen gebildet wird, eingebracht und dort mit einer Kunststoffmatrix imprägniert. Die Aushärtung der vorzugsweise vernetzenden Matrix erfolgt nur teilweise innerhalb eines Formwerkzeugs, der maximale Aushärtungsgrad wird außerhalb erreicht.The inventive method relates to the production of fiber-reinforced plastic components with a sandwich structure consisting of preferably two outer shells and a fiber-reinforced core component. In the method according to the invention, a semifinished textile product is introduced into a cavity which is formed by the shells and impregnated there with a plastic matrix. The curing of the preferably crosslinking matrix occurs only partially within a mold, the maximum degree of cure is achieved outside.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Artikeln mit einer Sandwichstruktur. Die Struktur des Artikels besteht dabei aus einem faserverstärkten Kunststoff (FVK), bevorzugt, jedoch nicht beschränkt auf, Duroplaste, als Kernkomponente, die von mindestens zwei Schalen aus mindestens einem polymeren oder metallischen Werkstoff umschlossen wird. Die Materialien der jeweiligen Schalen können dabei gleichartig oder unterschiedlich sein. Mit Hilfe der Erfindung lassen sich eine Reduzierung der Produktionszeit sowie verschiedene Formen der Funktionsintegration erzielen.The invention relates to a method for producing articles with a sandwich structure. The structure of the article consists of a fiber-reinforced plastic (FRP), preferably, but not limited to, thermosets, as a core component, which is enclosed by at least two shells of at least one polymeric or metallic material. The materials of the respective shells can be the same or different. With the aid of the invention, a reduction of the production time as well as various forms of functional integration can be achieved.
Anwendungsgebietfield of use
Für die Herstellung von Produkten aus (endlos-)faserverstärkten Polymeren sind einige Verfahren bekannt. Im Allgemeinen werden dabei textile Halbzeuge (Preforms, Prewovens) in eine Form eingebracht, dort mit einer polymeren Formmasse (Matrix) durchtränkt und eine Aushärtung der Formmasse herbeigeführt. Als Preforms werden Gelege, Gewebe, Geflechte oder auch Wirrfaservliese eingesetzt.For the production of products from (endless) fiber-reinforced polymers, some methods are known. In general, textile semifinished products (preforms, Prewovens) are introduced into a mold, where they are impregnated with a polymeric molding compound (matrix) and hardened the molding compound. As preforms, scrims, fabrics, braids or random fiber webs are used.
Stand der TechnikState of the art
Für Produkte mit Matrizes aus duroplastischen Formmassen werden häufig Harzinjektionsverfahren (Resin Transfer Moulding (RTM)) oder Harzinfusionsverfahren eingesetzt. Weitere Möglichkeiten zur Durchtränkung von Faserhalbzeugen mit einer Formmasse bieten die Formpresstechnik und die Spaltimprägniertechnik. Die Verfahren finden in Abhängigkeit der Artikelgeometrie, Qualitätsanforderungen und erforderlicher Stückzahl Anwendung. Die Wirtschaftlichkeit der angewandten Prozesse wird darüber hinaus maßgeblich durch die Werkzeugkosten und Zykluszeit für die Herstellung beeinflusst.Resin transfer molding (RTM) or resin infusion processes are commonly used for thermoset molding matrix products. Further possibilities for impregnating semifinished fiber products with a molding compound are provided by the molding press technique and the gap impregnation technique. The methods are used depending on the article geometry, quality requirements and required quantity. The cost-effectiveness of the applied processes is also significantly influenced by the tooling costs and cycle time for the production.
Die Spaltimprägniertechnik und die Formpresstechnik, wie sie für FVK-Bauteile angewendet wird, zeichnen sich dadurch aus, dass die Formmasse zunächst in einen Fließspalt eingebracht wird, der ein Überströmen des textilen Halbzeugs ermöglicht. Die Durchtränkung des Halbzeugs erfolgt in Dickenrichtung des Halbzeugs, so dass kurze Imprägnierungszeiten möglich sind. Beide Verfahren benötigen allerdings spezielle Formwerkzeuge, die mit umlaufenden (Tauch-)Kanten und zusätzlichen Dichtungen ausgestattet sind, um ein Auslaufen der Formmasse zu verhindern. Für die Spaltimprägniertechnik ist zusätzlich eine Kippmechanik für das Formwerkzeug notwendig. Diese verfahrenstechnischen Voraussetzungen verursachen erhöhte Kosten durch komplexere Werkzeugtechnik und erhöhten Verschleiß sowie damit verbundenen Wartungsaufwand. [
Im RTM Prozess wird das textile Halbzeug in Breitenrichtung des Artikels imprägniert. Das erhöht die Zeit für die vollständige Imprägnierung gegenüber den zuvor genannten Verfahren. Da das Formwerkzeug während der Imprägnierung vollständig geschlossen ist, entfallen jedoch auch die Tauchkanten und Dichtungen.In the RTM process, the textile semifinished product is impregnated in the widthwise direction of the article. This increases the time for complete impregnation over the aforementioned methods. Since the mold is completely closed during the impregnation, but also eliminates the dipping edges and seals.
Die Werkzeugkosten sind dementsprechend geringer, die Zykluszeit des Prozesses ist tendenziell größer. [
Bei der Harzinfusion wird die Formmasse mittels Unterdruck in das textile Halbzeug eingebracht. Im Unterschied zu den oben genannten Verfahren werden bei der Harzinfusion keine geschlossenen Formwerkzeuge verwendet. Das textile Halbzeug wird in eine Schalenform gelegt und mittels einer Vakuumfolie gegenüber der Umgebung abgeschlossen. Die Imprägnierung kann in Breitenrichtung des Artikels oder bei Verwendung einer zusätzlichen durchlässigen Folie in Dickenrichtung des Artikels erfolgen. Da die Formmasse mittels Unterdruck eingebracht wird, ist die treibende Kraft für die Imprägnierung geringer als bei den zuvor genannten Verfahren, die mit Überdruck arbeiten. Die verwendeten Folien werden am Ende des Produktionszyklus entfernt, sie und eventuelle Reste der Formmasse sind Produktionsabfälle. Die Werkzeugkosten sind vergleichsweise gering, die Wirtschaftlichkeit der Prozesse wird jedoch maßgeblich durch die verlängerten Imprägnierzeiten beeinflusst. [
Nachteile des Stands der TechnikDisadvantages of the prior art
Allen mit den beschriebenen Verfahren hergestellten endlosfaserverstärkten Produkten ist gemein, dass die erzielbaren Oberflächenqualitäten nur bis zu einem gewissen Grad einstellbar sind. Die verwendeten textilen Halbzeuge verfügen über lokal unterschiedliche Fadendichten. An Kreuzungs- und Verschränkungspunkten ist diese höher, dazwischen niedriger. Die Massenverteilung der Matrix ist nach der Imprägnierung dementsprechend lokal unterschiedlich. Als Resultat stellen sich lokale Unterschiede im Schwindungsvermögen des Matrixmaterials ein, wodurch die Oberfläche eine gewisse Welligkeit erhält, die optisch störend sein kann.All continuous fiber-reinforced products produced by the described methods have in common that the achievable surface qualities can only be adjusted to a certain extent. The semi-finished textile products used have locally different thread densities. At intersections and intersections this is higher, in between lower. The mass distribution of the matrix is accordingly locally different after the impregnation. As a result, there are local differences in the shrinkage capacity of the matrix material, whereby the surface receives a certain waviness, which can be visually disturbing.
Die Werkzeugkosten und Zykluszeiten der besprochenen Verfahren unterscheiden sich zwar teilweise erheblich, es lässt sich im Allgemeinen aber festhalten, dass kürzere Zykluszeiten mit komplexeren und daher teureren Werkzeugen, Anlagen und Prozessen erkauft werden.Although the tool costs and cycle times of the discussed methods differ in some cases considerably, it can generally be said that shorter cycle times are paid for with more complex and therefore more expensive tools, equipment and processes.
Aufgabe der Erfindung Object of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das die Nachteile der genannten Verfahren umgeht, die Vorteile aufgreift und weitere hinzufügt. Es zeichnet sich durch eine kurze Imprägnier- und Zykluszeit und einfache Werkzeugtechnik aus, wobei gleichzeitig eine Steigerung der Funktionsintegration am Artikel selbst ermöglicht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung von lokal oder vollständig faserverstärkten Artikeln, die zumindest teilweise aus mindestens einem Polymerwerkstoff bestehen. Die mittels dieses Verfahrens hergestellten Artikel besitzen eine mindestens dreiteilige Struktur z. B. bestehend aus unterer Schale, einer Kernkomponente und oberer Schale. Obere und untere Schale umschließen dabei die Kernkomponente weitgehend oder vollständig und sind aus metallischen oder polymeren Werkstoffen gefertigt, wobei die Werkstoffe der Schalen nicht notwendigerweise identisch sein müssen. Um das Umschließen der Kernkomponente zu gewährleisten, verfügen die Schalen jeweils über mindestens eine umlaufende Kante, die im Zusammenspiel mit dem Partner als Dichtung fungiert. Die Kernkomponente besteht aus einem zumindest teilweise faserverstärkten Kunststoff, bevorzugt, aber nicht beschränkt auf, Duroplaste.The invention relates to a method which overcomes the disadvantages of said methods, takes advantage of and adds others. It is characterized by a short impregnation and cycle time and simple tool technology, while at the same time increasing the functional integration of the article itself is made possible. The method according to the invention is used to produce locally or completely fiber-reinforced articles which at least partially consist of at least one polymer material. The articles produced by this method have an at least three-part structure z. B. consisting of lower shell, a core component and upper shell. Upper and lower shell thereby enclose the core component largely or completely and are made of metallic or polymeric materials, the materials of the shells do not necessarily have to be identical. In order to ensure the enclosure of the core component, the shells each have at least one circumferential edge, which acts in conjunction with the partner as a seal. The core component consists of an at least partially fiber-reinforced plastic, preferably, but not limited to, thermosets.
Lösung der AufgabeSolution of the task
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden zunächst die Schalen in je eine geometrisch angepasste Kavität eines zwei- oder mehrteiligen Formwerkzeugs eingelegt und zwar so, dass die Schalen beim Verschließen des Formwerkzeugs zueinander geführt werden. In mindestens eine der Schalen wird mindestens ein textiles Halbzeug (Preform) eingebracht und an vorgesehener Stelle drapiert und gegebenenfalls fixiert. Zur Unterstützung können Vorrichtungen, z. B. in Form von Nadeln, Stiften, Klammern, Rahmen etc., auf den Schalen vorhanden sein. Nach Einbringen der oder des Preforms wird das Formwerkzeug mit den Schalen soweit verschlossen, dass die umlaufenden Kanten der Schalen im gegenseitigen Eingriff sind. In dieser Position entsteht somit zwischen den Schalen ein geschlossener Raum, in dem sich auch der Preform befindet. Über mindestens eine Öffnung in einer der Schalen wird nun eine polymere Formmasse in den Hohlraum zwischen den Schalen gebracht, die den textilen Preform imprägniert. Die Formmasse kann thermoplastisch oder duroplastisch sein. Der vorhandene Hohlraum kann dabei volumetrisch oder untervolumetrisch mit der Formmasse gefüllt werden. Zur Unterstützung der Imprägnierung und zur Vermeidung von Lufteinschlüssen kann vor oder während dem Einfüllen der Formmasse eine Evakuierung des Hohlraums vorgenommen werden. Nach dem Einbringen der Formmasse wird das Formwerkzeug vollständig geschlossen, wodurch der Hohlraum verkleinert und die darin befindlichen Preforms und Formmasse komprimiert werden. Bei volumetrischer Füllung wird die überschüssige Formmasse über mindestens eine Öffnung in mindestens eine dafür vorgesehene Nebenkavität abgeführt. Diese Nebenkavität kann entweder ein Teil einer oder beider Schalen sein, der später entfernt wird, oder als Nebenkavität im Formwerkzeug realisiert werden. Bei untervolumetrischer Füllung wird während der Kompression des Hohlraums eine Durchtränkung der textilen Halbzeuge mit der Formmasse erzielt und der verkleinerte Hohlraum gefüllt. Eventuelle Formmassenüberschüsse können entsprechend dem volumetrischen Verfahren abgeführt werden. In einer alternativen Prozessführung kann das Formwerkzeug mit den Schalen zunächst vollständig geschlossen und anschließend erst die Formmasse zwischen die Schalen eingebracht werden. In dieser Variante sind Tauchkanten an den Schalen nicht zwangsläufig erforderlich.In the method according to the invention, the shells are first inserted into a respective geometrically adapted cavity of a two-part or multi-part molding tool, specifically in such a way that the shells are guided relative to one another when the molding tool is closed. In at least one of the shells at least one semi-finished textile product (preform) is introduced and draped at the intended location and optionally fixed. To support devices, such. B. in the form of needles, pins, brackets, frames, etc., be present on the shells. After introducing the preform or the mold with the shells is closed so far that the peripheral edges of the shells are in mutual engagement. In this position thus creates a closed space between the shells, in which the preform is located. Via at least one opening in one of the shells, a polymeric molding compound is now brought into the cavity between the shells, which impregnates the textile preform. The molding compound may be thermoplastic or thermosetting. The existing cavity can be filled volumetrisch or untervolumetrisch with the molding compound. In order to support the impregnation and to avoid trapped air, an evacuation of the cavity can be carried out before or during the filling of the molding compound. After introduction of the molding material, the mold is completely closed, whereby the cavity is reduced in size and the preforms and molding material contained therein are compressed. In the case of volumetric filling, the excess molding compound is removed via at least one opening into at least one secondary cavity provided for this purpose. This Nebenkavität can be either a part of one or both shells, which is removed later, or realized as a Nebenkavität in the mold. Undervolumetric filling, a saturation of the textile semi-finished products is achieved with the molding compound during compression of the cavity and filled the reduced cavity. Any excess molding compound can be removed according to the volumetric method. In an alternative process management, the mold with the shells can first be completely closed and then the molding compound is introduced between the shells. In this variant, dipping edges on the shells are not necessarily required.
Durch die Schließbewegung des Formwerkzeugs werden des Weiteren an den Schalen befindliche Verbindungselemente betätigt, die die Schalen form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbinden. Sie sind dabei so ausgeführt, dass sie in der Endposition des Formwerkzeugs, d. h. bei maximaler Kompression der Kernkomponente, vollständig schließen und ein Verspannen der Schalen ermöglichen. Die Aushärtung der Formmasse im Kern erfolgt vorzugsweise mindestens solange im Formwerkzeug bis die Formmasse an den zu- und abführenden Öffnungen ausgehärtet ist und eine ausreichende Stabilität des Bauteils erreicht ist. Dann kann das Bauteil entformt werden. Das Erreichen der maximalen Aushärtung der Kernkomponente erfolgt außerhalb des Formwerkzeugs.By the closing movement of the mold further located on the shells connecting elements are actuated, which connect the shells positively and / or non-positively with each other. They are designed so that they in the final position of the mold, d. H. with maximum compression of the core component, completely close and allow a clamping of the shells. The curing of the molding compound in the core is preferably at least as long in the mold until the molding material is cured at the inlet and outlet openings and sufficient stability of the component is achieved. Then the component can be removed from the mold. Achieving the maximum cure of the core component occurs outside of the mold.
Neben den für das erfindungsgemäße Verfahren benötigten umlaufenden Kanten und Verbindungselementen können die Schalen verschiedene weitere Funktionselemente aufweisen, die die Funktion, Montage und/oder die weitere Verarbeitung des Artikels beeinflussen bzw. ermöglichen. Funktionselemente können beispielsweise Verbindungselemente, z. B. Schnappverbindungen, Schraubdome oder Gewindebuchsen, Verstärkungs- oder Versteifungsstrukturen, z. B. Rippen, oder Dichtelemente, z. B. Gummidichtungen und Tauchkanten, sein. Weitere Funktionen, die von den Schalen erfüllt werden können, sind denkbar, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, optische und haptische Aufgaben wie die Bereitstellung einer lackierfähigen Oberfläche, Beschichtungen zur Verbesserung der Haptik oder die Abbildung einer Prägung. Darüber hinaus können die Schalen Nuten, Erhebungen und Kavitäten aufweisen, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren als Fließkanäle bzw. -widerstände oder Auffangbehälter fungieren.In addition to the circumferential edges and connecting elements required for the method according to the invention, the shells can have various other functional elements which influence or enable the function, assembly and / or further processing of the article. Functional elements may, for example, fasteners, for. B. snap connections, screw domes or threaded bushes, reinforcing or stiffening structures, for. B. ribs, or sealing elements, for. As rubber seals and dipping edges, his. Other functions that can be performed by the trays are conceivable, including, but not limited to, optical and haptic tasks such as providing a paintable surface, coatings to improve haptics, or imaging an imprint. In addition, the shells may have grooves, elevations and cavities which function as flow channels or resistors or collecting containers in the method according to the invention.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
Fig. 1
- 1
- Obere Schale mit Tauchkante
- 2
- Nicht komprimiertes, textiles Halbzeug
- 3
- Untere Schale mit Aufnahme für Tauchkante
- 4
- Einfüllöffnung für Formmasse
- 5
- Formmasse
- 6
- Fertiges Bauteil mit komprimierter, vollständig imprägnierter Kernkomponente
- 1
- Bauteilbereich ohne Faserverstärkung (Obere Schale)
- 2
- Einfüllöffnung für Formmasse
- 3
- Rippenstruktur
- 4
- Faserverstärkte Kernkomponente
- 5
- Untere Schale
- 6
- Schnapphaken für Montage des fertigen Bauteils
- 7
- Schnapphaken der oberen Schale zur Sicherung und Verspannung der Schalen gegeneinander
- 8
- Untere Schale
- 9
- Faserverstärkte Kernkomponente
- 10
- Obere Schale mit Aufnahme für Tauchkante
- 11
- Untere Schale mit Tauchkante
- 12
- Schnapphaken der oberen Schale zur Sicherung und Verspannung der Schalen gegeneinander
- 1
- Upper shell with dipping edge
- 2
- Non-compressed, semi-finished textile
- 3
- Lower shell with receptacle for dipping edge
- 4
- Filling opening for molding compound
- 5
- molding compound
- 6
- Finished component with compressed, fully impregnated core component
- 1
- Component area without fiber reinforcement (upper shell)
- 2
- Filling opening for molding compound
- 3
- rib structure
- 4
- Fiber-reinforced core component
- 5
- Lower shell
- 6
- Snap hook for mounting the finished component
- 7
- Snap hook of the upper shell for securing and clamping the shells against each other
- 8th
- Lower shell
- 9
- Fiber-reinforced core component
- 10
- Upper shell with receptacle for dipping edge
- 11
- Lower shell with dipping edge
- 12
- Snap hook of the upper shell for securing and clamping the shells against each other
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- US 5403537 [0007] US 5403537 [0007]
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