DE102014014787A1 - A method for producing a preform from at least two fiber layers, and apparatus for forming at least two fiber layers into a preform - Google Patents

A method for producing a preform from at least two fiber layers, and apparatus for forming at least two fiber layers into a preform Download PDF

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Dipl.-Ing. Müller Matthias
Jens-Oliver Berner
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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings aus mindestens zwei Faserlagen (3, 5) mit folgenden Schritten vorgeschlagen: Anordnen eines Trennelements (11, 13) zwischen einer ersten Faserlage (3) und einer zweiten Faserlage (5), und Umformen der Faserlagen (3, 5) zu dem Vorformling.A method is proposed for producing a preform from at least two fiber layers (3, 5) with the following steps: arranging a separating element (11, 13) between a first fiber layer (3) and a second fiber layer (5), and reshaping the fiber layers ( 3, 5) to the preform.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum Umformen von mindestens zwei Faserlagen zu einem Vorformling gemäß Anspruch 6.The invention relates to a method for producing a preform according to claim 1 and to an apparatus for forming at least two fiber layers into a preform according to claim 6.

Verfahren und Vorrichtungen der hier angesprochenen Art sind bekannt. Insbesondere im Automobilbau werden vermehrt Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff als Karosserieteile verwendet, die zugleich leicht und sehr belastbar sind. Dabei werden Faserlagen als textile Halbzeuge hergestellt und typischerweise mit einem Binder versehen. Die Faserlagen werden zu einem mehrlagigen textilen Halbzeug übereinander gelegt und zu einem dreidimensionalen Vorformling drapiert beziehungsweise umgeformt. Typischerweise fixiert der Binder die Einzellagen, sodass der Vorformling seine Geometrie hält. Anschließend erfolgt eine thermoplastische oder duromere Konsolidierung, wobei ein faserverstärktes Kunststoffteil aus dem Vorformling beispielsweise durch Harzinfusionen und Aushärtung gebildet wird. Insbesondere bei der Herstellung von Vorformlingen mit hoher Formkomplexität können Formgebungsfehler auftreten, welche die Qualität des daraus gefertigten Faserverbundbauteils reduzieren. Solche Formgebungsfehler können insbesondere Falten, Faserverschiebungen oder Ausbeulungen von Verstärkungsfaserbündeln sein. Um solche Fehler zu reduzieren, ist es bekannt, Faserhalbzeuge vor dem Umformen lokal einzuschneiden und/oder mittels segmentierter Niederhalter während des Umformens eine Spannung lokal einzustellen.Methods and devices of the type discussed here are known. In particular, in the automotive industry increasingly components made of fiber-reinforced plastic are used as body parts, which are both lightweight and very durable. This fiber layers are produced as semi-finished textile products and typically provided with a binder. The fiber layers are superimposed to form a multi-layer textile semi-finished product and draped or reshaped into a three-dimensional preform. Typically, the binder fixes the individual layers so that the preform holds its geometry. Subsequently, a thermoplastic or thermosetting consolidation takes place, wherein a fiber-reinforced plastic part is formed from the preform, for example, by resin infusions and curing. In particular, in the manufacture of preforms with high shape complexity may occur forming errors, which reduce the quality of the fiber composite component made therefrom. Such shaping errors may be, in particular, wrinkles, fiber displacements or bulges of reinforcing fiber bundles. In order to reduce such errors, it is known to locally incise semi-finished fiber products prior to reshaping and / or to set a voltage locally by means of segmented hold-downs during the reshaping.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches eine weitergehende Reduktion von Formgebungsfehlern bei mehrlagigen Vorformlingen ermöglicht. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, welche ebenfalls eine weitere Reduktion solcher Formgebungsfehler bei Mehrlagen-Vorformlingen ermöglicht.The invention has for its object to provide a method which allows a further reduction of molding errors in multi-layer preforms. The invention is further based on the object to provide a device which also allows a further reduction of such errors in shaping multilayer preforms.

Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dabei wird im Rahmen des Verfahrens ein Vorformling aus mindestens zwei Faserlagen hergestellt, indem ein Trennelement zwischen einer ersten Faserlage und einer zweiten Faserlage angeordnet wird. Die Faserlagen werden zu dem Vorformling umgeformt. Im Rahmen der Erfindung ist erkannt worden, dass die Hauptursache für Formgebungsfehler beim Drapieren mehrlagiger Strukturen in einer Interaktion der verschiedenen Faserlagen untereinander oder miteinander zu sehen ist. Dabei kommt als Wirksystem eine diskontinuierliche Architektur der Faserlagen, die beim Umformen wirkenden Normal- und Membranspannungen, sowie lokal divergente Verformungsmechanismen, beispielsweise eine Scherung und ein Fasereinzug der Faserlagen in Frage. Durch die Anordnung des Trennelements zwischen den Faserlagen wird deren Interaktion unterbunden. Dabei wird das Trennelement bevorzugt in einem Einzugsbereich der Faserlagen angeordnet, aus welchem beim Umformen Material der Faserlagen in einen Umformbereich hinein eingezogen wird. Das Trennelement reduziert deutlich die Haftreibung im Einzugsbereich, da ein Haftreibungskoeffizient zwischen einer Faserlage und dem Trennelement geringer ist als ein Haftreibungskoeffizient zwischen den Faserlagen. Darüber hinaus wird die formbedingte Interaktion der Faserlagen entkoppelt, was einen unbeschädigten Einzug in den Umformbereich erlaubt.The object is achieved by providing a method with the steps of claim 1. In the process, a preform made of at least two fiber layers is produced by arranging a separating element between a first fiber layer and a second fiber layer. The fiber layers are formed into the preform. In the context of the invention, it has been recognized that the main cause of shaping errors when draping multilayer structures is to be seen in an interaction of the different fiber layers with one another or with one another. In this case comes as an effective system a discontinuous architecture of the fiber layers, the normal and membrane stresses acting during forming, as well as locally divergent deformation mechanisms, such as a shearing and fiber intake of the fiber layers in question. The arrangement of the separating element between the fiber layers whose interaction is prevented. In this case, the separating element is preferably arranged in a catchment area of the fiber layers, from which material of the fiber layers is drawn into a forming area during the forming process. The separator significantly reduces stiction in the draw-in area because a static coefficient of friction between a fiber layer and the separator is less than a static coefficient of friction between the fiber layers. In addition, the form-related interaction of the fiber layers is decoupled, allowing an undamaged entry into the forming area.

Als Trennelement wird vorzugsweise ein metallisches Blech verwendet, welches bevorzugt eine zentrale Aussparung aufweist, die den Umformbereich umgreift. Die Faserlagen werden also im Bereich der zentralen Aussparung umgeformt, während um die zentrale Aussparung herum der Einzugsbereich vorgesehen ist, indem die Faserlagen durch das Trennelement voneinander separiert sind.As a separating element, a metallic sheet is preferably used, which preferably has a central recess which engages around the forming area. The fiber layers are thus formed in the region of the central recess, while the catchment area is provided around the central recess, in that the fiber layers are separated from one another by the separating element.

Vorzugsweise wird im Rahmen des Verfahrens ein Vorformling aus mehr als zwei Faserlagen hergestellt, wobei besonders bevorzugt zwischen jeweils zwei benachbarten Faserlagen ein Trennelement angeordnet ist, sodass also auch eine Mehrzahl von Trennelementen verwendet wird. Es ist möglich, dass über und/oder unter einem Faserlagenstapel ein Trennelement als Deck- oder Bodenelement angeordnet wird/werden.Preferably, in the context of the method, a preform is produced from more than two fiber layers, with a separating element being particularly preferably arranged between each two adjacent fiber layers, so that therefore also a plurality of separating elements is used. It is possible for a separating element to be arranged as a cover or floor element above and / or below a fiber layer stack.

Das Verfahren ist in verschiedenen Anwendungen zur Herstellung von Vorformlingen bzw. Faserverbundstrukturen einsetzbar, insbesondere in einer Vielzahl verschiedener Fertigungsverfahren, wobei das Verfahren besonders bevorzugt zur Herstellung eines Vorformlings für eine anschließende Harzinfiltration im Zuge eines RTM-Prozesses (Resin Transfer Molding) unter anschließender Aushärtung, zur Umformung von Organoblechen, im Rahmen des Hybridgarnheißpressens, des Nasspressens, insbesondere mit Duromermatrix, und/oder zum Pressformen von Hybridhalbzeugen verwendet wird.The method can be used in various applications for the production of preforms or fiber composite structures, in particular in a multiplicity of different production methods, wherein the method is particularly preferred for producing a preform for a subsequent resin infiltration in the course of a RTM process (Resin Transfer Molding) with subsequent curing, for the transformation of organic sheets, in the context of hybrid hot pressing, wet pressing, in particular with Duromermatrix, and / or for the compression molding of hybrid semi-finished products is used.

Im Rahmen des Verfahrens werden jedenfalls zwei dominante Formgebungsfehler reduziert, nämlich eine Faltenbildung und/oder eine Faserquerverschiebung oder Faserausbeulung. Das Verfahren ist einfach umsetzbar, insbesondere in zur Umformung vorgesehenen Pressen, wodurch eine taktzeitgerechte und kostengünstige Formgebung möglich ist.In any case, two dominant shaping errors are reduced in the process, namely wrinkling and / or fiber transverse displacement or fiber bulging. The method is easy to implement, especially in forming intended for forming presses, whereby a tact time-oriented and cost-effective design is possible.

Wenigstens eine der Faserlagen ist vorzugsweise als Gestrick, Gewirk, Gewebe, Gelege oder in anderer Weise ausgebildet. Eine solche Faserlage kann aus Einzelfasern und/oder aus Faserbündeln, sogenannten Rovings gebildet sein. Besonders bevorzugt weist die Faserlage Glasfasern, Naturfasern, Kunststofffasern, Kohlefasern, Stahlfasern und/oder andere geeignete Fasern oder Faserbündel auf.At least one of the fiber layers is preferably formed as a knitted fabric, knitted fabric, fabric, scrim or in another way. Such a fiber layer can be formed from individual fibers and / or fiber bundles, so-called rovings. Particularly preferably, the fiber layer comprises glass fibers, natural fibers, synthetic fibers, carbon fibers, steel fibers and / or other suitable fibers or fiber bundles.

Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass ein Einzug der Faserlagen beim Umformen mithilfe einer Niederhalteeinrichtung gesteuert wird. Dabei weist die Niederhaltereinrichtung eine Mehrzahl von Aktoren auf, wobei die einzelnen Aktoren separat angesteuert werden. Auf diese Weise ist es möglich, den Materialeinzug weitgehend zu kontrollieren und so auch einer hohen Formkomplexität zu begegnen. Insbesondere die Einzugsrichtung des Materials in den Umformbereich kann hierbei über die aktiv und separat ansteuerbaren Aktoren kontrolliert werden. Dadurch ist ein Materialfluss und somit auch eine Scherbildverteilung vorzugsweise in jeder Faserlage aktiv steuerbar. Die erreichbare Formgebungskomplexität kann so noch erhöht werden.An embodiment of the method is preferred, which is characterized in that an intake of the fiber layers during forming is controlled by means of a hold-down device. In this case, the hold-down device has a plurality of actuators, wherein the individual actuators are controlled separately. In this way it is possible to control the material intake largely and thus also to counter a high shape complexity. In particular, the feed direction of the material in the forming area can be controlled by the active and separately controllable actuators. As a result, a material flow and thus also a shear pattern distribution is preferably actively controllable in each fiber layer. The achievable shaping complexity can be further increased.

Es ist möglich, dass – von der zentralen Aussparung des Trennelements aus gesehen – radial außerhalb des Trennelements separate Niederhalter und/oder Manipulatoren vorgesehen sind, mit denen lokal Membranspannung in dem Faserhalbzeug verändert werden können. Dabei ist es möglich, dass die Membranspannungen durch die Niederhalter selbst und/oder durch die vor- oder hinter den Niederhaltern angeordneten, verlagerbaren Manipulatoren verändert werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass vertikal verlagerbare Spannelemente vorgesehen sind, die parallel zu einer Hauptumformrichtung verlagerbar sind. Dabei ist es möglich, dass die Spannelemente während der Umformung der lokalen Umformbewegung folgen. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Formgebung weiter erhöht werden.It is possible that - seen from the central recess of the separating element - are provided radially outside of the separating element separate hold-down and / or manipulators with which local membrane stress in the semifinished fiber can be changed. In this case, it is possible for the membrane stresses to be changed by the hold-downs themselves and / or by the displaceable manipulators arranged in front of or behind the hold-downs. Alternatively or additionally, it is possible that vertically displaceable clamping elements are provided, which are displaceable parallel to a Hauptumformrichtung. It is possible that the clamping elements follow during the forming of the local forming movement. In this way, the accuracy of the shaping can be further increased.

Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welcher die Faserlagen während des Umformens lokal angeschnitten werden, um bereichsweise Membranspannungen abbauen und Formgebungsfehler verhindern zu können.An embodiment of the method is also preferred in which the fiber layers are locally cut during the forming, in order to be able to partially reduce membrane stresses and to prevent shaping errors.

Besonders wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei der alternativ oder zusätzlich Piezo-Aktoren als Aktoren verwendet werden, die auf dem Trennelement in segmentierter Anordnung angeordnet sind. Dabei wird das Trennelement bereichsweise durch Ansteuern der Piezo-Aktoren gebogen. Durch die segmentierte Anordnung der Piezo-Aktoren – insbesondere um die zentrale Aussparung herum – ergeben sich Niederhaltersegmente, wobei das Trennelement lokal durch Ansteuern der Piezo-Aktoren gebogen wird, wodurch wiederum lokal im Bereich eines aktiven Niederhaltersegments Rückhaltekräfte in die Faserlagen einleitbar sind. Auf diese Weise kann der Materialeinzug lokal bedarfsgerecht gesteuert werden. Vorzugsweise ist das Trennelement zwischen den segmentartig um die zentrale Aussparung herum angeordneten Piezo-Aktoren eingeschnitten, sodass quasi Niederhalterzungen ausgebildet sind, welche durch Ansteuern der Piezo-Aktoren gebogen werden.In particular, an embodiment of the method is preferred in which, alternatively or additionally, piezoactuators are used as actuators, which are arranged on the separating element in a segmented arrangement. In this case, the separator is partially bent by driving the piezo actuators. The segmented arrangement of the piezoactuators - in particular around the central recess around - results in hold-down segments, wherein the separating element is bent locally by driving the piezoactuators, which in turn locally in the region of an active hold-down segment retaining forces in the fiber layers can be introduced. In this way, the material feeder can be controlled locally as needed. Preferably, the separating element between the segment-like around the central recess arranged around piezoelectric actuators is cut, so quasi Niederhalterzungen are formed, which are bent by driving the piezo actuators.

Werden mehr als zwei Faserlagen und damit auch mehr als ein Trennelement verwendet, ist insbesondere durch lagenselektive Ansteuerung der Piezo-Aktoren ein Materialfluss und damit auch eine Scherbildverteilung jeder Einzellage und auch über die gesamte Schichtung aktiv steuerbar. Dies ermöglicht eine besonders genaue und formgebungsfehlerfreie Umformung sowie eine Erhöhung der Formgebungskomplexität durch volle Kontrolle über den Materialeinzug in allen Lagen sowie in allen Richtungen innerhalb einer Lage.If more than two fiber layers and thus more than one separating element is used, a material flow and thus also a shear pattern distribution of each individual layer and also over the entire layering can be actively controlled, in particular by position-selective actuation of the piezoactuators. This allows a particularly accurate deformation without deformation and an increase in the shaping complexity by full control of the material feed in all layers and in all directions within a layer.

Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Piezo-Aktoren als Sensoren zur Erfassung von Formgebungsfehlern beim Umformen verwendet werden. Insbesondere durch Auswahl geeigneter, sensibler Keramiken für die Piezo-Aktoren ist es möglich, diese als Sensor einzusetzen und Normalkräfte auf die Piezo-Aktoren während der Umformung zu detektieren. Diese Normalkräfte können ausgewertet werden, wodurch Formgebungsfehler und insbesondere eine Faltenbildung feststellbar ist. Mithilfe dieser Information ist es möglich, ein selbstgeregeltes System vorzusehen, wobei die Piezo-Aktoren aktiv auf der Grundlage der detektierten Normalkräfte auf Formgebungsfehler reagieren, die sich ausbilden. Auf diese Weise wird eine Rückkopplung implementiert, sodass der Materialfluss beziehungsweise Materialeinzug lokal bedarfsgerecht regelbar ist.An embodiment of the method is also preferred, which is characterized in that the piezo actuators are used as sensors for detecting shaping errors during forming. In particular, by selecting suitable, sensitive ceramics for the piezo actuators, it is possible to use these as a sensor and to detect normal forces on the piezo actuators during the forming. These normal forces can be evaluated, whereby shaping errors and in particular a wrinkle formation can be determined. Using this information, it is possible to provide a self-regulating system, the piezo actuators actively responding to shaping errors that form on the basis of the detected normal forces. In this way, a feedback is implemented, so that the material flow or material intake is locally adjustable as needed.

Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Piezo-Aktoren – insbesondere während der Umformung – hochfrequent schwingend angeregt werden. Insbesondere mittels geeigneter Funktionsgeneratoren ist es möglich, die Piezo-Aktoren hochfrequent zu Schwingungen anzuregen. Hierdurch wird die Reibung zwischen den einzelnen Faserlagen nochmals reduziert, sodass diese ohne Fehlerbildung aneinander abgleiten können. Besonders bevorzugt wird die hochfrequente Anregung der eigentlich zur Beeinflussung des Materialeinflusses vorgesehenen Ansteuerung der Piezo-Aktoren überlagert. Hierdurch kann zugleich die Reibung zwischen den Faserlagen zusätzlich reduziert und der Materialeinfluss lokal bedarfsgerecht gesteuert werden.It is also preferred an embodiment of the method, which is characterized in that the piezo actuators - especially during the forming - are excited high frequency oscillating. In particular, by means of suitable function generators, it is possible to stimulate the piezo actuators high-frequency vibrations. As a result, the friction between the individual fiber layers is further reduced, so that they can slide together without error formation. Particularly preferably, the high-frequency excitation of actually intended to influence the influence of material control of the piezo actuators is superimposed. In this way, at the same time the friction between the fiber layers can be additionally reduced and the material influence can be controlled locally as needed.

Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Vorrichtung zum Umformen von mindestens zwei Faserlagen zu einem Vorformling mit den Merkmalen des Anspruchs 6 geschaffen wird. Die Vorrichtung ist dabei insbesondere eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Sie weist ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug auf, wobei das Oberwerkzeug und das Unterwerkzeug gemeinsam eine Kavität zum Umformen der Faserlagen einschließen. Insbesondere sind das Oberwerkzeug und das Unterwerkzeug relativ zueinander in eine Offenstellung und in eine Schließstellung verlagerbar, wobei die Kavität durch Relativverlagerung des Oberwerkzeugs und des Unterwerkzeugs von der Offenstellung in die Schließstellung geschlossen wird, wobei die Faserlagen umgeformt werden. Die Vorrichtung weist ein Trennelement auf, das eingerichtet ist zur Anordnung zwischen den Faserlagen während der Umformung. Hierdurch ergeben sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.The object is also achieved by providing a device for forming at least two fiber layers into a preform with the features of claim 6. The device is in particular set up for Carrying out a method according to one of the previously described embodiments. It has an upper tool and a lower tool, wherein the upper tool and the lower tool together include a cavity for forming the fiber layers. In particular, the upper tool and the lower tool are displaceable relative to each other in an open position and in a closed position, wherein the cavity is closed by relative displacement of the upper tool and the lower tool from the open position to the closed position, wherein the fiber layers are formed. The device has a separating element which is set up for arrangement between the fiber layers during the forming. This results in the advantages that have already been explained in connection with the method.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist es möglich, dass das Unterwerkzeug raumfest angeordnet ist, wobei das Oberwerkzeug verlagerbar gehalten ist. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass das Oberwerkzeug raumfest angeordnet ist, wobei das Unterwerkzeug verlagerbar gehalten ist. Es ist auch ein Ausführungsbeispiel möglich, bei dem sowohl das Oberwerkzeug als auch das Unterwerkzeug verlagerbar gehalten und aufeinander zu beziehungsweise voneinander weg verlagerbar sind.In one embodiment of the device, it is possible that the lower tool is arranged fixed in space, wherein the upper tool is held displaceable. In another embodiment, it is possible that the upper tool is arranged fixed in space, wherein the lower tool is held displaceable. It is also an embodiment possible in which both the upper tool and the lower tool are held displaceable and mutually displaceable away from each other or away.

Die Vorrichtung weist bevorzugt eine Mehrzahl von Trennelementen auf. Insbesondere ist es möglich, dass die Anzahl von Trennelementen mit der Anzahl der umzuformenden Faserlagen variiert. Bevorzugt ist für eine Anzahl n von Faserlagen mindestens eine Anzahl n – 1 von Trennelementen vorgesehen ist, sodass zwischen je zwei Faserlagen ein Trennelement anordenbar ist. Es ist auch möglich, dass über und/oder unter einem Faserlagenstapel jeweils ein Trennelement als Deck- oder Bodenelement angeordnet ist/sind.The device preferably has a plurality of separating elements. In particular, it is possible that the number of separating elements varies with the number of fiber layers to be formed. At least a number n-1 of separating elements is preferably provided for a number n of fiber layers, so that between each two fiber layers a separating element can be arranged. It is also possible that in each case a separating element is arranged as a cover or floor element above and / or under a fiber layer stack / are.

Es wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass eines der Werkzeugteile, nämlich das Oberwerkzeug oder das Unterwerkzeug, segmentiert ausgebildet ist, sodass dieses Werkzeugteil eine Mehrzahl von lokal verschieden ausgebildeten Drapierstempeln aufweist, die bevorzugt sequentiell und unabhängig voneinander verlagerbar sind. Auf diese Weise kann die Umformung lokal gesteuert erfolgen, wobei auch der Materialeinzug durch die sequentielle Verlagerung der verschiedenen Drapierstempel lokal gesteuert wird. Besonders bevorzugt sind die Drapierstempel als Werkzeugsegmente des Oberwerkzeugs ausgebildet. Dabei ist bevorzugt für jeden Drapierstempel ein Verlagerungswinkel unabhängig von jedem anderen Drapierstempel einstellbar.An embodiment of the device is preferred, which is characterized in that one of the tool parts, namely the upper tool or the lower tool, is segmented, so that this tool part has a plurality of locally differently formed Drapierstempeln, which are preferably sequentially and independently displaced. In this way, the forming can be carried out locally controlled, wherein the material feed is controlled locally by the sequential displacement of the various Drapierstempel. Particularly preferably, the draping punches are designed as tool segments of the upper tool. In this case, a displacement angle is preferably adjustable independently of each other Drapierstempel for each Drapierstempel.

Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Trennelement blechförmig ausgebildet ist. Es kann auf diese Weise einfach und bauraumsparend, insbesondere ohne aufzutragen, zwischen den Faserlagen positioniert werden. Bevorzugt ist das Trennelement als metallisches Blech ausgebildet.An embodiment of the method is also preferred, which is characterized in that the separating element is sheet-shaped. It can be positioned in this way simple and space-saving, especially without applying, between the fiber layers. Preferably, the separating element is designed as a metallic sheet.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist vorgesehen, dass das Trennelement eine zentrale Aussparung für einen Durchtritt des Oberwerkzeugs und/oder des Unterwerkzeugs aufweist. Während der Umformung wird/werden also das Oberwerkzeug und/oder das Unterwerkzeug durch die Aussparung hindurchverlagert, wobei die Faserlagen im Bereich der zentralen Aussparung umgeformt werden. Die zentrale Aussparung definiert somit einen Umformbereich, in dem die Faserlagen umgeformt werden. Außerhalb des Umformbereichs sind die einzelnen Faserlagen durch das wenigstens eine Trennelement voneinander getrennt.In a preferred embodiment of the device it is provided that the separating element has a central recess for a passage of the upper tool and / or the lower tool. During the reshaping, the upper tool and / or the lower tool is / are thus displaced through the recess, wherein the fiber layers are reshaped in the region of the central recess. The central recess thus defines a forming area in which the fiber layers are reshaped. Outside the forming area, the individual fiber layers are separated from one another by the at least one separating element.

Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass um die zentrale Aussparung herum segmentartig separat ansteuerbare Piezo-Aktoren angeordnet sind. Dabei werden durch die Anordnung der Piezo-Aktoren quasi Niederhaltesegmente auf dem Trennelement ausgebildet, wobei diese Segmente durch die Piezo-Aktoren separat gebogen werden können, um den Materialeinzug in dem Umformbereich lokal zu steuern, insbesondere um eine Einzugsrichtung vorzugeben.An exemplary embodiment of the device is also preferred, which is characterized in that segment-like, separately controllable piezoactuators are arranged around the central recess. Quasi hold-down segments are formed on the separator by the arrangement of the piezo actuators, said segments can be bent separately by the piezo actuators to locally control the material feeder in the forming area, in particular to specify a feed direction.

Bevorzugt weist das Trennelement Einschnitte zwischen den Piezo-Aktoren auf, welche die Segmente voneinander separieren und quasi Niederhaltezungen ausbilden, die lokal durch Ansteuern der Piezo-Aktoren verformbar, insbesondere biegbar sind.Preferably, the separating element on incisions between the piezo actuators, which separate the segments from each other and quasi form hold-down tongues, which are locally deformable by driving the piezo actuators, in particular bendable.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung weist eine Schneideinrichtung auf, mithilfe derer lokal Schnitte in wenigstens eine Faserlage einbringbar sind, um die Faserlagen beim Umformen lokal entlasten, insbesondere von Spannungen befreien zu können. Dies kann als weiterer Freiheitgrad zur Vermeidung von Formgebungsfehlern genutzt werden.A preferred embodiment of the device has a cutting device, by means of which local cuts can be introduced into at least one fiber layer in order to relieve the fiber layers locally during forming, in particular to be able to relieve stresses. This can be used as a further degree of freedom to avoid shaping errors.

Schließlich wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass ein Steuergerät vorgesehen ist, das mit den Piezo-Aktoren zu deren Ansteuerung wirkverbunden ist. Bevorzugt ist das Steuergerät auch mit den Piezo-Aktoren derart verbunden, dass diese als Sensoren zur Erfassung von Formgebungsfehlern beim Umformen verwendbar sind. Dabei sind mittels der als Sensoren wirkenden Piezo-Aktoren insbesondere Normalspannungen detektierbar, aus denen Informationen über entstehende Formgebungsfehler erhalten werden können. Das Steuergerät ist in diesem Fall vorzugsweise ausgebildet als geschlossenes Regelsystem zur Regelung des Materialeinzugs mithilfe des über die Piezo-Aktoren detektierten Spannungseintrags.Finally, an embodiment of the device is preferred, which is characterized in that a control device is provided, which is operatively connected to the piezo actuators to their control. Preferably, the control unit is also connected to the piezo actuators in such a way that they can be used as sensors for detecting shaping errors during forming. In this case, by means of acting as sensors piezo actuators in particular Normal voltages detectable from which information about resulting molding errors can be obtained. In this case, the control unit is preferably designed as a closed control system for controlling the material intake by means of the voltage input detected via the piezoactuators.

Das Steuergerät ist außerdem vorzugsweise als Funktionsgenerator ausgebildet oder weist einen Funktionsgenerator auf, wobei es eingerichtet ist zur hochfrequent schwingenden Anregung der Piezo-Aktoren. Diese Anregung ist vorzugsweise der eigentlichen, der Beeinflussung des Materialeinzugs dienenden Ansteuerung der Piezo-Aktoren überlagerbar. Durch die hochfrequente Anregung der Piezo-Aktoren und damit auch des Trennelements kann eine Reibung zwischen den durch das Trennelement separierten Faserlagen noch weiter reduziert werden.The control unit is also preferably designed as a function generator or has a function generator, wherein it is set up for the high-frequency oscillating excitation of the piezo actuators. This excitation is preferably the actual, the influencing of the material intake serving control of the piezo actuators superimposed. Due to the high-frequency excitation of the piezo actuators and thus also of the separating element, a friction between the fiber layers separated by the separating element can be further reduced.

Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und der Vorrichtung andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Vorrichtung, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung. Die Vorrichtung zeichnet sich insbesondere vorzugsweise durch wenigstens ein Merkmal aus, das durch wenigstens einen Verfahrensschritt des Verfahrens bedingt ist. Verfahrensschritte die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Vorrichtung beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Verfahrensschritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Das Verfahren zeichnet sich vorzugsweise durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal der Vorrichtung bedingt ist.The description of the method on the one hand and the device on the other hand are to be understood as complementary to each other. Features of the device that have been explained explicitly or implicitly in connection with the method are preferably individually or combined with one another Features of a preferred embodiment of the device. In particular, the device is preferably characterized by at least one feature that is caused by at least one method step of the method. Method steps which have been described explicitly or implicitly in connection with the apparatus are preferably individually or combined with one another method steps of a preferred embodiment of the method. The method is preferably characterized by at least one method step, which is caused by at least one feature of the device.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. Showing:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Umformen von mindestens zwei Faserlagen zu einem Vorformling, und 1 a schematic representation of an embodiment of an apparatus for forming at least two fiber layers into a preform, and

2 eine schematische Darstellung eines Trennelements der Vorrichtung gemäß 1. 2 a schematic representation of a separating element of the device according to 1 ,

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Vorformlings aus mindestens zwei Faserlagen, wobei hier eine erste Faserlage 3 und eine zweite Faserlage 5 dargestellt sind. Die Vorrichtung 1 weist ein Oberwerkzeug 7 sowie ein Unterwerkzeug 9 auf, die hier in einer Offenstellung dargestellt sind. Das Oberwerkzeug 7 und das Unterwerkzeug 9 sind relativ zueinander in eine Schließstellung verlagerbar, wodurch bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel das Oberwerkzeug 7 in eine Ausnehmung des Unterwerkzeugs 9 eingreift, wodurch eine Kavität für die Umformung der Faserlagen 3, 5 geschlossen wird. Dabei werden die Faserlagen 3, 5 bereichsweise in die Kavität eingezogen und in dieser drapiert beziehungsweise umgeformt. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a device 1 for producing a preform from at least two fiber layers, in which case a first fiber layer 3 and a second fiber layer 5 are shown. The device 1 has an upper tool 7 and a lower tool 9 on, which are shown here in an open position. The upper tool 7 and the lower tool 9 are displaceable relative to each other in a closed position, whereby in the embodiment shown here, the upper tool 7 in a recess of the lower tool 9 engages, creating a cavity for the deformation of the fiber layers 3 . 5 is closed. This will be the fiber layers 3 . 5 partially pulled into the cavity and draped or reshaped in this.

Zwischen den Faserlagen 3, 5 ist hier ein erstes Trennelement 11 angeordnet, das als Metallblech ausgebildete ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist oberhalb der zweiten Faserlage 5 ein zweites Trennelement 13 angeordnet, wobei es möglich ist, dass über dem zweiten Trennelement 13 eine weitere, hier nicht dargestellte Faserlage angeordnet wird. Alternativ ist es möglich, dass genau so viele Trennelemente 11, 13 wie Faserlagen 3, 5 vorgesehen sind. Dabei liegt bevorzugt eine unterste Faserlage, hier die erste Faserlage 3, unmittelbar auf dem Unterwerkzeug 9 auf, wobei eine oberste Faserlage, hier die erste Faserlage 5 durch ein als Deckelement wirkendes Trennelement abgedeckt wird. Es ist auch möglich, dass unter dem Faserlagenstapel, hier also unter der ersten Faserlage 3, ein Trennelement als Bodenelement angeordnet ist.Between the fiber layers 3 . 5 Here is a first separator 11 arranged, which is designed as a metal sheet. In the illustrated embodiment is above the second fiber layer 5 a second separating element 13 it being possible for it to be above the second separating element 13 another, not shown fiber layer is arranged. Alternatively, it is possible that as many separators 11 . 13 like fiber layers 3 . 5 are provided. In this case, preferably a lowermost fiber layer, here the first fiber layer 3 , directly on the lower tool 9 on, with a top fiber layer, here the first fiber layer 5 is covered by acting as a cover element separating element. It is also possible that under the fiber layer stack, here below the first fiber layer 3 , a separating element is arranged as a bottom element.

Die Trennelemente 11, 13 weisen jeweils eine zentrale Aussparung 15 auf, die eingerichtet ist für einen Durchgriff des Oberwerkzeugs 7. Somit definiert die zentrale Aussparung 15 einen radial innerhalb derselben angeordneten Umformbereich, indem die Faserlagen 3, 5 beim Schließen der Werkzeugkavität umgeformt werden.The separating elements 11 . 13 each have a central recess 15 on, which is set up for a penetration of the upper tool 7 , Thus defines the central recess 15 a radially arranged therein within the forming area by the fiber layers 3 . 5 be formed when closing the mold cavity.

Um die zentrale Aussparung 15 herum sind segmentartig Piezo-Aktoren 17 angeordnet, von denen der besseren Übersichtlichkeit wegen hier nur einer mit dem Bezugszeichen 17 gekennzeichnet ist. Aufgrund ihrer segmentartigen Anordnung bilden die Piezo-Aktoren 17 Niederhaltesegmente aus. Dabei sind sie separat ansteuerbar, sodass die Trennelemente 11, 13 lokal im Bereich von angesteuerten Piezo-Aktoren 17 biegbar sind, wodurch wiederum Haltekräfte auf die Faserlagen 3, 5 ausgeübt werden können. Dadurch ist ein Materialeinzug in die Werkzeugkavität lokal durch entsprechende Ansteuerung der Piezo-Aktoren 17 steuerbar.Around the central recess 15 around are segmented piezo actuators 17 arranged, of which the sake of clarity here only one with the reference numeral 17 is marked. Due to their segment-like arrangement form the piezo actuators 17 Hold-down segments off. They are separately controllable, so that the separating elements 11 . 13 locally in the area of controlled piezo actuators 17 are bendable, which in turn holding forces on the fiber layers 3 . 5 can be exercised. As a result, a material feed into the mold cavity locally by appropriate control of the piezo actuators 17 controllable.

Vorzugsweise die Vorrichtung 1 ein Steuergerät 19 auf, das mit den Piezo-Aktoren 17 wirkverbunden ist, was hier schematisch nur für einen Piezo-Aktor 17 dargestellt ist. Dabei ist das Steuergerät 19 eingerichtet zur lokalen und separaten Ansteuerung der Piezo-Aktoren 17 und damit zur Steuerung des Materialeinzugs der Faserlagen 3, 5 in die Werkezugkavität. Bevorzugt ist das Steuergerät 19 außerdem eingerichtet zur Verwendung der Piezo-Aktoren 17 als Sensoren, sodass in dem Steuergerät 19 eine Regelung des Materialeinzugs über den Spannungseintrag in die insoweit als Sensoren dienenden Piezo-Aktoren 17 verwirklicht werden kann.Preferably the device 1 a control unit 19 on, with the piezo actuators 17 is operatively connected, which here schematically only for a piezo actuator 17 is shown. Here is the control unit 19 Set up for local and separate control of the piezo actuators 17 and thus for controlling the material intake of the fiber layers 3 . 5 into the works train cavity. The control device is preferred 19 also set up to use the piezo actuators 17 as sensors, so in the controller 19 a regulation of the material intake via the voltage input in the extent used as sensors piezo actuators 17 can be realized.

Weiterhin weist das Steuergerät 19 vorzugsweise wenigstens einen Funktionsgenerator auf, der eingerichtet ist zur hochfrequent schwingenden Anregung der Piezo-Aktoren 17, wobei diese Anregung insbesondere der eigentlichen Ansteuerung der Piezo-Aktoren 17 zum Zwecke des gesteuerten Materialeinzugs überlagerbar ist.Furthermore, the control unit 19 Preferably, at least one function generator, which is set up for high-frequency oscillating excitation of the piezo actuators 17 , this excitation in particular the actual control of the piezo actuators 17 for the purpose of controlled material intake is superimposed.

Mithilfe der Trennelemente 11, 13 ist eine Reibung zwischen benachbarten Faserlagen 3, 5 während der Umformung reduzierbar, wobei die Reibung durch hochfrequente Anregung der Piezo-Aktoren 17 noch herabgesetzt werden kann. Zugleich ist der Einzug der Faserlagen 3, 5 mithilfe einer durch die Piezo-Aktoren 17 verwirklichten Niederhalteeinrichtung 21 steuerbar beziehungsweise kontrollierbar, sodass Formgebungsfehler beim Umformen durch gesteuerten Materialeinzug und lokal variable Materialspannungen innerhalb der Faserlagen 3, 5 vermieden werden können.Using the dividers 11 . 13 is a friction between adjacent fiber layers 3 . 5 can be reduced during forming, whereby the friction due to high-frequency excitation of the piezo actuators 17 can still be reduced. At the same time is the collection of fiber layers 3 . 5 using a through the piezo actuators 17 realized hold-down device 21 controllable or controllable, so that molding errors during forming by controlled material intake and locally variable material stresses within the fiber layers 3 . 5 can be avoided.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Trennelements, beispielsweise des ersten Trennelements 11 der Vorrichtung 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insoweit auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Die Trennelemente 11, 13 sind vorzugsweise identisch ausgebildet. Daher gilt alles, was in Zusammenhang mit 2 für das erste Trennelement 11 ausgeführt wird, vorzugsweise genauso auch für das zweite Trennelement 13. Die zentrale Aussparung 15 ist hier bevorzugt kreisförmig ausgebildet, wobei die Piezo-Aktoren 17 hier kreisförmig – insbesondere in gleichen Winkelabständen – um die zentrale Aussparung 15 herum angeordnet sind. Selbstverständlich sind andere Formen für die zentrale Aussparung 15 und entsprechend auch andere, insbesondere auch unregelmäßige, Anordnungen der Piezo-Aktoren 17 möglich, wobei diese Ausgestaltungen insbesondere an einen konkreten Anwendungsfall beziehungsweise eine konkrete Umformaufgabe angepasst werden können. 2 shows a schematic representation of a separating element, for example, the first separating element 11 the device 1 , Identical and functionally identical elements are provided with the same reference numerals, so that reference is made to the preceding description. The separating elements 11 . 13 are preferably identical. Therefore, everything related to 2 for the first separator 11 is executed, preferably also for the second separating element 13 , The central recess 15 is here preferably circular, wherein the piezo actuators 17 here circular - in particular at equal angular intervals - around the central recess 15 are arranged around. Of course, other forms are for the central recess 15 and accordingly also other, in particular also irregular, arrangements of the piezo actuators 17 possible, wherein these embodiments can be adapted in particular to a specific application or a specific forming task.

Es zeigt sich, dass das Trennelement 11 bevorzugt Einschnitte 23 aufweist, von denen der besseren Übersichtlichkeit wegen hier nur einer mit dem Bezugszeichen 23 gekennzeichnet ist. Auf diese Weise werden quasi Niederhaltezungen 25 ausgebildet, die durch Ansteuern der Piezo-Aktoren 17 gebogen werden können, wodurch lokal Niederhaltekräfte in die Faserlagen 3, 5 einleitbar sind.It turns out that the separating element 11 preferably cuts 23 of which, for the sake of clarity, here only one with the reference numeral 23 is marked. In this way, quasi-hold down tongues 25 formed by driving the piezo actuators 17 can be bent, causing local hold down forces in the fiber layers 3 . 5 can be introduced.

Durch die Anordnung der Piezo-Aktoren 17 und insbesondere auch durch die Einschnitte 23 werden Niederhaltesegmente ausgebildet, von denen zur Verdeutlichung hier eines durch strichlierte Linien L abgegrenzt und mit dem Bezugszeichen 27 gekennzeichnet ist. Insbesondere diese Niederhaltesegmente 27 ermöglichen einen definierten, lokal gesteuerten Materialeinzug in die Werkzeugkavität.Due to the arrangement of the piezo actuators 17 and especially through the cuts 23 Niederhaltesegmente be formed, of which for clarity here delimited by dotted lines L and the reference numeral 27 is marked. In particular, these hold-down segments 27 enable a defined, locally controlled material feed into the mold cavity.

Das beschriebene Verfahren eignet sich sowohl zum Umformen von Faserlagen zu einem Vorformling als auch zum Umformen von vorimprägnierten Halbzeugen zu Faserverbundstrukturen. Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des Verfahrens und der Vorrichtung 1 in besonders effizienter Weise Formgebungsfehler beim Herstellen mehrlagiger Vorformlinge vermeidbar sind.The method described is suitable both for forming fiber layers into a preform and for converting preimpregnated semi-finished products into fiber composite structures. Overall, it turns out that by using the method and the device 1 in a particularly efficient manner shaping errors in the manufacture of multilayer preforms are avoidable.

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings aus mindestens zwei Faserlagen (3, 5), mit folgenden Schritten: Anordnen eines Trennelements (11, 13) zwischen einer ersten Faserlage (3) und einer zweiten Faserlage (5), und Umformen der Faserlagen (3, 5) zu dem Vorformling.Process for producing a preform from at least two fiber layers ( 3 . 5 ), with the following steps: arranging a separating element ( 11 . 13 ) between a first fiber layer ( 3 ) and a second fiber layer ( 5 ), and forming the fiber layers ( 3 . 5 ) to the preform. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einzug der Faserlagen (3, 5) beim Umformen mithilfe einer Niederhalteeinrichtung (21) gesteuert wird, wobei die Niederhalteeinrichtung (21) eine Mehrzahl von Aktoren aufweist, wobei die einzelnen Aktoren separat angesteuert werden.A method according to claim 1, characterized in that a collection of the fiber layers ( 3 . 5 ) during forming by means of a hold-down device ( 21 ), wherein the hold-down device ( 21 ) has a plurality of actuators, wherein the individual actuators are driven separately. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Aktoren Piezo-Aktoren (17) verwendet werden, die auf dem Trennelement (11, 13) in segmentierter Anordnung angeordnet sind, wobei das Trennelement (11, 13) bereichsweise durch Ansteuerung der Piezo-Aktoren (17) gebogen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that as actuators piezo actuators ( 17 ) are used on the separating element ( 11 . 13 ) are arranged in a segmented arrangement, wherein the separating element ( 11 . 13 ) in areas by controlling the piezo actuators ( 17 ) is bent. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezo-Aktoren (17) als Sensoren zur Erfassung von Formgebungsfehlern beim Umformen verwendet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the piezo actuators ( 17 ) can be used as sensors for detecting forming errors during forming. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezo-Aktoren (17) hochfrequent schwingend angesteuert werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the piezo actuators ( 17 ) are driven high frequency swinging. Vorrichtung (1) zum Umformen von mindestens zwei Faserlagen (3, 5) zu einem Vorformling, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Oberwerkzeug (7) und einem Unterwerkzeug (9), die gemeinsam eine Kavität zum Umformen der Faserlagen (3, 5) einschließen, und mit wenigstens einem Trennelement (11, 13), das eingerichtet ist zur Anordnung zwischen den Faserlagen (3, 5) während der Umformung.Contraption ( 1 ) for forming at least two fiber layers ( 3 . 5 ) to a preform, in particular for carrying out a method according to one of claims 1 to 5, with an upper tool ( 7 ) and a lower tool ( 9 ), which together form a cavity for reshaping the fiber layers ( 3 . 5 ), and with at least one separating element ( 11 . 13 ), which is arranged for arrangement between the fiber layers ( 3 . 5 ) during forming. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (11, 13) blechförmig, vorzugsweise als metallisches Blech ausgebildet ist.Contraption ( 1 ) according to claim 6, characterized in that the separating element ( 11 . 13 ) sheet-shaped, preferably formed as a metallic sheet. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (11, 13) eine zentrale Aussparung (15) für einen Durchgriff des Oberwerkzeugs (7) und/oder des Unterwerkzeugs (9) aufweist.Contraption ( 1 ) according to one of claims 6 and 7, characterized in that the separating element ( 11 . 13 ) a central recess ( 15 ) for a penetration of the upper tool ( 7 ) and / or the lower tool ( 9 ) having. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass um die zentrale Aussparung (15) herum segmentartig separat ansteuerbare Piezo-Aktoren (17) angeordnet sind.Contraption ( 1 ) according to one of claims 6 to 8, characterized in that around the central recess ( 15 ) Segment-like separately controllable piezo actuators ( 17 ) are arranged. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch ein Steuergerät (19), das mit den Piezo-Aktoren (17) zu deren Ansteuerung und bevorzugt zu deren Verwendung als Sensoren zur Erfassung von Formgebungsfehlern beim Umformen wirkverbunden ist.Contraption ( 1 ) according to one of claims 6 to 9, characterized by a control device ( 19 ), with the piezo actuators ( 17 ) is operatively connected to the control and preferably to their use as sensors for detecting deformation errors during forming.
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