DE102014018801A1

DE102014018801A1 - Method and device for producing a fiber preform

Info

Publication number: DE102014018801A1
Application number: DE102014018801.9A
Authority: DE
Inventors: Felipe Finkenwerder
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-06-23
Anticipated expiration: 2034-12-20
Also published as: DE102014018801B4

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines fixierten Faservorformlings wird ein Faserbündel auf einen Kern aufgebracht und/oder in eine Form eingebracht. Das Faserbündel (8) wird unmittelbar vor und/oder während und/oder unmittelbar nach dem Aufbringen oder Einbringen auf den Kern (12) oder in die Form mit einem elektrischen Strom durchflossen und mit eine vorbestimmten Kraft komprimiert, um über thermische Erwärmung in Verbindung mit einem Kunststoff eine Konditionierung bzw. eine Fixierung des Faservorformlings (10) zu bewirken.In a method for producing a fixed fiber preform, a fiber bundle is applied to a core and / or introduced into a mold. The fiber bundle (8) is immediately before and / or during and / or immediately after application or introduction to the core (12) or into the mold with an electric current and compressed with a predetermined force to thermal heating in conjunction with a conditioning or fixing of the fiber preform (10) to cause a plastic.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung und Fixierung eines Faservorformlings. Unter Faservorformling wird ein Faserpaket verstanden, das bereits die Form eines Bauteils hat bzw. deren Fasern entsprechend ausgeformt ist. Der Faservorformling wird im Folgenden auch als Preform bezeichnet.The present invention relates to an apparatus and a method for producing and fixing a fiber preform. Fiber preform is understood to mean a fiber packet which already has the form of a component or whose fibers are shaped accordingly. The fiber preform is also referred to below as preform.

Heutige Bauteile aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen werden häufig aus vorimprägnierten Halbzeugen, sog. Prepregs, oder aus trockenen/bebinderten Faserhalbzeugen hergestellt, die anschließend mit Harz imprägniert werden. Werden trockene/bebinderten Faserhalbzeuge verwendet, so wird aus diesen Faserhalbzeugen zumeist zunächst ein Faservorformling bzw. Preform hergestellt, also ein ggf. trockenes Faserpaket, das bereits die spätere Form des Bauteils vorwegnimmt. Auch imprägnierte Faserpakete können hierfür verwendet werden. In diesem Sinne werden die Faserhalbzeuge bzw. die textilen Vorprodukte, beispielsweise Gewebe oder Gelege, konfektioniert und anschliessend durch Umorientierung und Umformung (Drapieren) des Fasergebildes in die gewünschte Form (Preform) gebracht. Ein Gewebe ist ein beispielsweise auf einer Webmaschine hergestelltes Flächengebilde aus zwei vorzugsweise orthogonalen Fadensystemen (Schuss und Kette); ein Gelege besteht aus mehreren Faserlagen, die in verschiedenen Richtungen aufeinander abgelegt und beispielsweise mit dünnen Haltefäden miteinander verbunden sind. Die Fixierung von Preforms kann mit Hilfe eines Bindersystems geschehen. Bei den verwendeten Bindersystemen handelt es sich zumeist um Duromere oder thermoplastische Substanzen, die beispielsweise pulverförmig und in verhältnismäßig geringer Menge, beispielsweise im Bereich von 2 bis 5 Gewichtsprozent, auf das Halbzeug aufgebracht werden und unter Temperatureinfluss bzw. durch Temperaturerhöhung aktiviert werden. Neben einer Festlegung der Faserorientierung können die Bindersysteme dazu verwendet werden, die Preforms in einem kompaktierten Zustand zu fixieren. Die Preform-Fixierung bewirkt somit eine eher punktuelle oder flächige (abhängig vom Fertigungsverfahren), lockere Fixierung des Faserverbundes bzw. seiner Form, also quasi eine Vorab-Fixierung. Ein so fixierter Preform kann dann vor der weiteren Verarbeitung beispielsweise gestapelt und zwischengelagert werden. Der endgültige Faser-Kunststoff-Verbund bzw. das endgültige Bauteil wird dann durch Tränken des fixierten Preforms mit einer vorbestimmten Menge einer Matrix (beispielsweise bezogen auf das Bauteil zwischen 25 und 85 Volumenprozent) und durch anschließendes Aushärten- bzw. Erstarrenlassen des Matrixanteils hergestellt.Today's components made of carbon fiber reinforced plastics are often produced from pre-impregnated semi-finished products, so-called prepregs, or from dry / binder semi-finished fiber products, which are then impregnated with resin. If dry / binded semifinished fiber products are used, a fiber preform or preform is usually first produced from these semifinished fiber products, that is to say an optionally dry fiber package which already anticipates the later form of the component. Also impregnated fiber packages can be used for this purpose. In this sense, the semi-finished fiber products or the textile precursors, such as fabric or scrim, assembled and then brought by reorientation and reshaping (draping) of the fiber structure in the desired shape (preform). A fabric is a fabric made, for example, on a weaving machine of two preferably orthogonal thread systems (weft and warp); a scrim consists of several fiber layers, which are deposited in different directions on each other and, for example, connected to each other with thin holding threads. The fixation of preforms can be done with the help of a binder system. The binder systems used are usually thermosets or thermoplastic substances which are applied, for example, in powder form and in a relatively small amount, for example in the range from 2 to 5 percent by weight, to the semifinished product and activated under the influence of temperature or by increasing the temperature. In addition to defining the fiber orientation, the binder systems can be used to fix the preforms in a compacted state. The preform fixing thus causes a more punctual or flat (depending on the manufacturing process), loose fixation of the fiber composite or its shape, so to speak, a pre-fixation. Such a fixed preform can then be stacked and stored for example before further processing. The final fiber-plastic composite or final component is then made by impregnating the fixed preform with a predetermined amount of a matrix (for example, based on the component between 25 and 85 volume percent) and then allowing the matrix portion to set.

Bei den Verfahren zur Preform-Fixierung nach dem Stand der Technik geschieht die Aktivierung des Binders in der Regel durch Erwärmung des Preforms beispielsweise mit Hilfe einer Laserdiode, eines Infrarotstrahlers oder Heissluft (z. B. im Umluftofen oder mit einem Heissluftfön). Ein wesentlicher Nachteil dieser Verfahren des Standes der Technik ist, dass sie dadurch den Preform entweder hauptsächlich auf die Materialoberfläche zu stark erwärmen, der Energieübertrag bzw. -verbrauch sehr hoch ist oder dass sie das Preform-Werkzeug, im Folgenden auch als Kern oder Form bezeichnet, miterwärmen, sodass dieses einer längere Erwärmungsphase für eine homogene Temperaturverteilung erfordert. Aus diesem Grund sind die Zykluszeiten bei der Preformherstellung nach dem Stand der Technik relativ lang. Meistens weisen die bekannten Fixierverfahren einen flächigen und inhomogenen Wärmebildungbereich auf, hohen Energieverbrauch sowie thermische Verluste bei der Wärmeübertragung. Außerdem fallen dabei der benötigte große Bauraum, die hohen Investitionskosten sowie der hohe Konstruktionsaufwand nachteilig aus. Solche Faktoren führen insbesonders zu eingeschränkten Integrationsmöglichkeiten in automatisierte Fertigungsprozesse. Die Aufbringung der Kompressionskraft muss dabei separat und aus Konfigurationsgründen in Reihe zum Erwärmungsbereich erfolgen. Freiräume zur Ausbildung von unerwünschten Temperaturgradienten entstehen daraus. Die Qualität des textilen Vorformlings kann in Echtzeit während des Herstellprozesses nur mit erhöhtem Aufwand optisch überwacht werden.In the methods for preform fixing according to the prior art, the activation of the binder is usually done by heating the preform, for example by means of a laser diode, an infrared radiator or hot air (eg in a convection oven or with a hot air dryer). A major disadvantage of these prior art methods is that they either overheat the preform mainly on the material surface too much, the energy transfer or consumption is very high or that they called the preform tool, hereinafter also referred to as core or mold , so that it requires a longer heating phase for a homogeneous temperature distribution. For this reason, the cycle times in the prior art preform production are relatively long. In most cases, the known fixing method on a flat and inhomogeneous heat generation area, high energy consumption and thermal losses in the heat transfer. In addition, the required large installation space, the high investment costs and the high construction costs are disadvantageous. Such factors lead in particular to limited integration possibilities in automated manufacturing processes. The application of the compression force must be done separately and for configuration reasons in series to the heating area. Free spaces for the formation of undesirable temperature gradients arise from this. The quality of the textile preform can be visually monitored in real time during the manufacturing process only with increased effort.

Aus DE 103 53 070 A1 ist bekannt, einen elektrischen Strom an einen Faservorformling anzulegen, um unter Ausnutzung der begrenzten elektrischen Leitfähigkeit von Kohlenstofffasern eine Erwärmung zu erzielen, die zu einer Fixierung eines Faservorformlings dient.Out DE 103 53 070 A1 It is known to apply an electric current to a fiber preform in order to achieve heating by utilizing the limited electrical conductivity of carbon fibers, which serves to fix a fiber preform.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit dessen bzw. deren Hilfe die Aktivierung des Binders im Faservorformling in einer deutlich verkürzten Zeitspanne erfolgen kann und somit die Taktfrequenz des Preformprozesses deutlich erhöht werden kann. Die Erwärmungsmethode erfolgt dabei reduzierten Wärmeeinflusszonen und mit einer vorbestimmten Kraftaufbringung.The object of the present invention is to provide a method and a device, with the help of which the activation of the binder in the fiber preform can take place in a significantly shortened period of time and thus the clock frequency of the preforming process can be significantly increased. The heating method is carried out reduced heat affected zones and with a predetermined force application.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Patentanspruch 1 und dem entsprechenden Verfahren gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is achieved by the method according to claim 1 and the corresponding method. Advantageous developments of the device according to the invention and of the method according to the invention are described in the respective dependent claims.

In einem Verfahren zur Herstellung eines fixierten Faservorformlings, wird ein Faserbündel auf einen Kern aufgebracht und/oder in eine Form eingebracht. Das Faserbündel wird unmittelbar vor und/oder während und/oder unmittelbar nach dem Aufbringen oder Einbringen auf den Kern oder in die Form mit einem elektrischen Strom abschnittsweise durchflossen, um über thermische Erwärmung in Verbindung mit einem Kunststoff, insbesondere einem Binder, eine Fixierung des Faservorformlings zu bewirken. Dieser Verfahrensablauf nutzt den Verfahrensschritt des Ablegens eines jeweiligen Abschnitts des Faserbündels, um exakt diesen Abschnitt aufzuheizen, um so Kunststoff zu aktivieren, dass er das Faserbündel in seiner Form fixiert. Dieser Kunststoff kann ein Thermoplast sein, der aufgeschmolzen wird und nach dem Erkalten formsteif ist. Der Thermoplast als ein Pulver oder Vlies zugeführt werden. Auch kann als Binder ein Duroplast verwendet werden, der durch die thermische Aktivierung irreversibel aushärtet. Da jeweils nur ein kleiner Anteil des Vorformlings erwärmt und aushärtet wird, ist ein schnelles Aufheizen mit einem geringen Einsatz von Energie möglich. Zusätzlich ist dieser Arbeitsschritt praktisch zeitgleich mit dem Erstellen der Geometrie des Faservorformlings möglich. Es ist mit dem Verfahren insbesondere eine Wickelung, ein Gewebe mit Schuß- und Kettfasern oder bspw. ein Gelege herstellbar.In a method for producing a fixed fiber preform, a fiber bundle is applied to a core and / or introduced into a mold. The fiber bundle is immediately before and / or during and / or immediately after Application or introduction to the core or into the mold with an electrical current flows through sections, in order to bring about thermal heating in conjunction with a plastic, in particular a binder, a fixation of the fiber preform. This process utilizes the step of depositing a respective portion of the fiber bundle to heat precisely that portion so as to activate plastic to fix the fiber bundle in its shape. This plastic can be a thermoplastic, which is melted and dimensionally stable after cooling. The thermoplastic can be supplied as a powder or non-woven. Also can be used as a binder, a thermoset, which cures irreversibly by the thermal activation. Since only a small portion of the preform is heated and cured, a rapid heating with a low use of energy is possible. In addition, this step is practically possible at the same time as creating the geometry of the fiber preform. It is with the method in particular a winding, a fabric with weft and warp fibers or, for example, a clutch produced.

Die Vorrichtung bzw. das entsprechende Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf:

– Das direkte Aufheizen des Preforms führt zu einem sehr schnellen Aufheizen desselben innerhalb von wenigen Sekunden.
– Eine Erwärmung des Preform-Werkzeugs findet kaum statt.
– Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, wo Werkzeugkomponenten zusammen mit dem Preform erwärmt werden und vor dem nächsten Zyklus wieder heruntergekühlt werden müssen, sind mit der vorgestellten Methodik kurze Taktzeiten des Preform-Prozesses möglich. Es können also höhere Preform-Stückzahlen pro Zeiteinheit hergestellt werden.

The device or the corresponding method has a number of advantages:

- The direct heating of the preform leads to a very rapid heating of the same within a few seconds.
- Heating of the preform tool hardly takes place.
- In contrast to conventional methods, where tool components are heated together with the preform and have to be cooled down again before the next cycle, the presented methodology allows short cycle times of the preform process. It can therefore be produced higher preform quantities per unit time.

Bevorzugt weist eine Fixiervorrichtung Elektroden auf und über die Elektroden wird Strom auf das Faserbündel aufgebracht. Entsprechend fließt der Strom durch die leitfähigen Fasern. Dadurch wird die Wärme unmittelbar in den (Kohlenstoff-)Fasern erzeugt, was für die Fixierung ideal ist.A fixing device preferably has electrodes and current is applied to the fiber bundle via the electrodes. Accordingly, the current flows through the conductive fibers. As a result, the heat is generated directly in the (carbon) fibers, which is ideal for fixation.

Insbesondere drückt die Fixiervorrichtung das Faserbündel unmittelbar nach dem Einleiten des Stroms und/oder während dem Einleiten des Stroms und/oder vor dem Einleiten des Stroms mit einer definierten Kraft gegen den Kern und/oder die Form. Der Verfahrensschritt des Andrückens ist dafür wesentlich, dass eine sicheren Anbindung zwischen Faserstrang und Substrat sowie ein gezielten Faservolumengehalt erzielt wird. Da dieser Schritt mit dem Fixieren kombiniert wird, ergibt sich ein effizienter Verfahrensablauf. Der Fall, dass unmittelbar nach oder vor dem Einleiten des Stroms der Andruck geschieht, ist bspw. dann gegeben, wenn es eine beide Vorgänge auch teilweise zeitgleich geschehen. Insbesondere ist auch die genannte Unmittelbarkeit gegeben, wenn der zeitliche Abstand zwischen dem Einleiten des Stroms und dem Andrücken des Faserbündels weniger als 1 Sekunde ist, da innerhalb dieser Dauer eine Aushärtung des Kunststoffs nicht geschieht bzw. abgeschlossen ist.In particular, the fixing device presses the fiber bundle against the core and / or the mold immediately after the introduction of the current and / or during the introduction of the current and / or before the introduction of the current with a defined force. The method step of pressing is essential for achieving a secure connection between fiber strand and substrate as well as a targeted fiber volume content. Since this step is combined with the fixing, results in an efficient procedure. The case that happens immediately after or before the introduction of the pressure of the pressure, for example, is given if there is a two processes also sometimes done at the same time. In particular, the aforementioned immediacy is given if the time interval between the introduction of the current and the pressing of the fiber bundle is less than 1 second, since within this period, a curing of the plastic does not occur or is completed.

Es kann der fixierte Faservorformling in einem nachfolgenden Verfahrensschritt über Zuführung von Kunststoff zu einem Faserverbundkunststoffbauteil weiterverarbeitet werden. Werden Prepregs dabei verarbeitet, härten sie dadurch direkt in ihren endgültigen Zustand aus und erfordert keinem weiteren Verarbeitungsschritt. Die fixierten trockenen Preforms können zur Herstellung des endgültigen Bauteils anschließend mit einer vorbestimmten Menge einer Matrix, in der Regel handelt es sich hierbei bezogen auf das endgültige Bauteil um 25 bis 85 Volumenprozent, getränkt werden und dann zum Aushärten gebracht werden.In a subsequent method step, the fixed fiber preform can be processed further by supplying plastic to a fiber composite plastic component. If prepregs are processed, they harden directly into their final state and require no further processing step. The fixed dry preforms may then be impregnated with a predetermined amount of a matrix, generally 25 to 85 percent by volume, based on the final component, for the production of the final component, and then set for curing.

Bei dem Fixierverfahren wird insbesondere eine Bindersubstanz zugeführt, die bevorzugt ein thermoplastischer Copolyamid enthält oder daraus besteht. Auch kann die Bindersubstanz ein Epoxidharz, vorzugsweise auf Bisphenol-A-Basis enthalten oder daraus bestehen. Die Fasern können mit dem Binder umhüllt sein. In dem Verfahren können auch imprägnierten Fasern, also insbesondere mit einem aushärtbaren duromeren Harz getränkte oder benetzte Fasern einer Fixiervorrichtung zugeführt werden, und die Fixiervorrichtung härtet das aushärtbare Harz zumindest teilweise aus.In the fixing method, in particular, a binder substance is supplied, which preferably contains or consists of a thermoplastic copolyamide. The binder substance can also contain or consist of an epoxy resin, preferably based on bisphenol A. The fibers may be wrapped with the binder. In the method impregnated fibers, ie in particular impregnated or wetted with a curable thermosetting resin fibers can be fed to a fixing device, and the fixing device hardens the curable resin at least partially.

Bevorzugt kann eine elektrische Messgröße, wie etwa eine Spannung oder ein Strom gemessen werden und abhängig von dieser Messgröße kann beurteilt werden, ob das Verfahren ordnungsgemäß durchgeführt wird. Alternativ zu Spannung oder Strom kann auch eine Kapazität messbar sein. Abhängig vom Messergebnis kann die Ausführung des Verfahrens beendet oder eine entsprechende Warnung ausgegeben werden. Auch können so Brüche im Fasermaterial festgestellt werden.Preferably, an electrical measurement variable, such as a voltage or a current can be measured, and it can be judged depending on this measurement variable whether the method is carried out correctly. As an alternative to voltage or current, a capacitance can also be measured. Depending on the measurement result, the execution of the method can be terminated or a corresponding warning issued. Also, fractures in the fiber material can be detected.

Eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faservorformlings umfasst einen Kern und/oder eine Form, der oder die zur Formgebung des Faservorformling verwendbar ist, und eine Positionierungsvorrichtung zur Positionierung einer Fixiervorrichtung relativ zu dem Kern und/oder der Form. Mit zumindest zwei Elektroden ist Stroms auf eine elektrisch leitfähige Faser oder ein Faserbündel bringbar. Da die genannte Positionierung relativ ist, kann bei entsprechenden Ausführungsformen wahlweise der Kern und/oder die Form oder die Fixiervorrichtung ortfest angeordnet sein.An apparatus for producing a fiber preform comprises a core and / or a mold, which is usable for shaping the fiber preform, and a positioning device for positioning a fixing device relative to the core and / or the mold. With at least two electrodes, current can be brought to an electrically conductive fiber or a fiber bundle. Since the said positioning is relative, in appropriate embodiments optionally the core and / or the mold or the fixing device can be arranged stationary.

Insbesondere können die Elektroden und eine Gleitfläche zur Aufbringung eines Drucks auf das Faserbündel einstückig und steif an der Fixiervorrichtung angeordnet sind. Die Gleitfläche kann auch eine Gleitrolle umfassen, die drehbar gelagert an der Fixiervorrichtung befestigt ist. In particular, the electrodes and a sliding surface for applying a pressure to the fiber bundle can be arranged integrally and rigidly on the fixing device. The sliding surface may also comprise a sliding roller, which is mounted rotatably mounted on the fixing device.

Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand von schematischen Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:In the following, a preferred embodiment of the invention is explained in more detail with reference to schematic representations. Show it:

1 eine Wickelvorrichtung zur Aufbringung eines Faserbündels auf einen Kern, 1 a winding device for applying a fiber bundle to a core,

2 eine Detailansicht der Wickelvorrichtung gemäß 1 mit einer Fixiervorrichtung, 2 a detailed view of the winding device according to 1 with a fixing device,

3 eine Ansicht der Unterseite der Fixiervorrichtung, 3 a view of the underside of the fixing device,

4 eine perspektivische Ansicht der Fixiervorrichtuing, 4 a perspective view of the Fixiervorrichtuing

5 eine Seitenansicht der Fixiervorrichtung, 5 a side view of the fixing device,

6 einen Längsschnitt in der y-z-Ebene durch die Fixiervorrichtung, 6 a longitudinal section in the yz plane through the fixing device,

7 eine alternative Ausführungsform der Fixiervorrichtung und 7 an alternative embodiment of the fixing device and

8 eine Ausgestaltung der Fixiervorrichtung mit einer gesonderten Andruckrolle oder -walze. 8th an embodiment of the fixing device with a separate pinch roller or roller.

1 zeigt schematisch den Aufbau einer Wickelmaschine. Dabei treibt eine Antriebsvorrichtung 14 eine Antriebswelle 15 an, die ihrerseits mit einem Kern 12 verbunden ist, so dass der Kern 12 um seine Längsachse drehbar ist. Von einer nicht gezeigten Vorratstrommel wird eine Endlosfaser, insbesondere ein Kohlenstofffaserstrang der Wickelmaschine bereitgestellt. Der Kohlenstofffaserstrang ist insbesondere ein Faserbündel 8 mit einer Vielzahl einzelner Fasern. Ferner ist die Kraft F_Faser gezeigt, die aufgebracht wird, um ein gradliniges Aufrollen des Faserbündels 8 auf den Kern 12 sicherzustellen. Mit der Geschwindigkeit v_Faser wird das Faserbündel der Verarbeitung zugeführt. 1 schematically shows the structure of a winding machine. It drives a drive device 14 a drive shaft 15 which, in turn, has a core 12 connected, so the core 12 is rotatable about its longitudinal axis. From a storage drum, not shown, an endless fiber, in particular a carbon fiber strand of the winding machine is provided. The carbon fiber strand is in particular a fiber bundle 8th with a variety of individual fibers. Further shown is the force F _fiber applied to a straight line roll up of the fiber bundle 8th to the core 12 sure. With the speed v _fiber , the fiber bundle is fed to the processing.

2 zeigt das Detail der Fixiervorrichtung gemäß 1 in einer gedrehten Ansicht, wobei in beiden Figuren das identische Koordinatensystem verwendet wird. Es ist gezeigt, dass das Faserbündel 8 zugeführt wird und zunächst noch einen Abstand zu dem Kern 12 hat. Die Rotation des Kerns in der Verbindung mit einem Druck der Kraft F radial auf den Kern 12 bewirkt, dass das Faserbündel 8 sich direkt und spaltfrei an den Kern 12 anlegt. Über die Druckkraftaufbringung kann die sichere Anbindung zwischen Faser und Substrat sowie ein hoher Faservolumengehalt erreicht werden. Ein hoher Faservolumengehalt gibt dem fertigen Bauteil eine hohe Tragfähigkeit. Dies gilt insbesondere, wenn mehrere Faserbündel in der späteren Belastungsrichtung und übereinander gewickelt werden. Der Abstand der Faserfilamente wird durch die Anpresskraft F reduziert. Aufgrund der Drehung des Kerns 12 bewegt sich die Fixiervorrichtung mit der Geschwindigkeit v relativ zu der entsprechenden Oberfläche des Kerns 12. Die Fixierungsvorrichtung kann, um Faserstange in den bearbeitenden Orientierungswinkel zu folgen, ebenso um ihre vertikale Achse schwenkbar gelagert werden. 2 shows the detail of the fixing device according to 1 in a rotated view, wherein in both figures the identical coordinate system is used. It is shown that the fiber bundle 8th is supplied and first still a distance to the core 12 Has. The rotation of the core in the connection with a pressure of force F radially on the core 12 causes the fiber bundle 8th directly and without gaps to the core 12 invests. The application of compressive force enables the secure connection between fiber and substrate and a high fiber volume content to be achieved. A high fiber volume content gives the finished component a high load capacity. This is especially true when several fiber bundles are wound in the later loading direction and on top of each other. The distance of the fiber filaments is reduced by the contact force F. Due to the rotation of the core 12 the fixing device moves at the speed v relative to the corresponding surface of the core 12 , The fixation device may also be pivotally mounted about its vertical axis to follow fiber rod into the machining orientation angle.

2 zeigt ferner zwei Elektroden 24 der Fixiervorrichtung 20, die mit dem Symbolen + und – gekennzeichnet sind. Der Aufbau der Fixiervorrichtung 20 ist in den 3 bis 6 gezeigt. Die Unterseite der Fixiervorrichtung 20 (siehe 3) weist die beiden beabstandeten Elektroden 24 auf, die über eine nicht gezeigte Verkabelung mit einer Spannung beaufschlagt werden können. Der Abstand der Elektroden beträgt in x-Richtung 5 mm und die Breite in y-Richtung 20 mm. Gerade wenn das Faserbündel 8 gespreizt wird, kann eine große Breite hilfreich sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen liegt der Abstand der Elektroden zwischen 2 mm und 2 cm. Die Breite kann bevorzugt zwischen 5 und 30 mm liegen. Die Elektroden 24 sind an einem Grundkörper der Fixiervorrichtung 20 befestigt, der rohrförmig ist. Diese Rohrform bewirkt das die Außengeometrie der Fixiervorrichtung 20 gerundet ist, so dass sich für das Faserbündel eine glatte Gleitfläche ergibt, über die es gleiten kann, um so in die gewünschte Lage auf dem Kern 12 geführt zu werden. In dem freien Inneren der Rohrform können Sensoren, wie z. B. ein Thermosensor angeordnet sein, der die Temperatur misst, um so ggf. die Spannung auf den Elektroden nachregeln zu können. An der Seite der Fixiervorrichtung, die den Elektroden beabstandet ist, ist zunächst ein Kraftübertrager 36 angeordnet. Dieser kann ein Hydraulik- oder Pneumatikzylinder sein, um so eine gewünschte Andruckkraft F der Fixiervorrichtung an das Faserbündel 8 und somit auch an den Kern 12 zu bewirken. Zudem sind zwei Führungsstäbe 38 gezeigt, die dafür sorgen, dass die Fixiervorrichtung sich nicht um die eigene Achse, also die Längsachse des Kraftübertrager 36 drehen kann. Durch eine nicht dargestellte Einstellvorrichtung wird dafür gesorgt, dass die benötigte Winkelausrichtung der Fixiervorrichtung 20 gegenüber dem Kern 12 und dem Faserbündel 8 einstellbar ist. 2 also shows two electrodes 24 the fixing device 20 , which are marked with the symbols + and -. The structure of the fixing device 20 is in the 3 to 6 shown. The underside of the fixing device 20 (please refer 3 ) has the two spaced electrodes 24 on, which can be acted upon by a wiring, not shown, with a voltage. The distance between the electrodes is 5 mm in the x-direction and the width in the y-direction is 20 mm. Especially if the fiber bundle 8th Spreading a large width can be helpful. In preferred embodiments, the spacing of the electrodes is between 2 mm and 2 cm. The width may preferably be between 5 and 30 mm. The electrodes 24 are on a main body of the fixing device 20 attached, which is tubular. This tube shape causes the outer geometry of the fixing device 20 is rounded so that the fiber bundle is a smooth sliding surface over which it can slide, so as to the desired position on the core 12 to be led. In the free interior of the tube shape sensors such. B. a thermal sensor may be arranged, which measures the temperature, so as to readjust the voltage on the electrodes if necessary. On the side of the fixing device which is spaced apart from the electrodes, there is first a force transmitter 36 arranged. This can be a hydraulic or pneumatic cylinder, so as to achieve a desired pressure force F of the fixing device on the fiber bundle 8th and therefore also to the core 12 to effect. There are also two guide rods 38 shown, which ensure that the fixing device is not about its own axis, ie the longitudinal axis of the power transformer 36 can turn. By an adjusting device, not shown, it is ensured that the required angular orientation of the fixing device 20 opposite the core 12 and the fiber bundle 8th is adjustable.

Die Fixierung wird wie folgt durchgeführt. Zunächst wird der in 1 beschriebene Aufbau bereitgestellt. Nachfolgend wird das Faserbündel 8 zu dem Kern 12 geführt und mit der Fixiervorrichtung in seiner Lage ausgerichtet und gegen den Kern 12 gedrückt. Die Eigendrehung des Kerns 12 bewirkt, dass das Faserbündel in seiner Lage verbleibt. Zudem wird über die Elektroden 24 eine elektrische Spannung in das Faserbündel 8 eingeleitet. Das Faserbündel ist bevorzugt aus Kohlenstofffasern. Kohlenstofffasern sind bekanntermaßen elektrisch leitfähig und haben einen Widerstand von 1,6 10^–5 Ohm m, oder anders ausgedrückt von 16 Ohm, mm²/m, wobei sich die Millimeterangabe auf den Querschnitt und die Meterangabe auf die gemessene Messstrecke bezieht. Aus diesen Widerstandswerten ergeben sich abhängig von der Geometrie und Abstand der Elektroden die benötigte Spannung und der benötigte Strom.The fixation is performed as follows. First, the in 1 provided structure described. The following is the fiber bundle 8th to the core 12 guided and aligned with the fixing device in position and against the core 12 pressed. The self-rotation of the core 12 causes that the fiber bundle remains in its position. In addition, via the electrodes 24 an electrical voltage in the fiber bundle 8th initiated. The fiber bundle is preferably made of carbon fibers. Carbon fibers are known to be electrically conductive and have a resistance of 1.6 10 ^-5 ohm m, or 16 ohms, mm ² / m in other words, where the millimeter refers to the cross-section and the meter refers to the measured path. These resistance values result in the required voltage and the required current, depending on the geometry and distance of the electrodes.

Die Faserbündel können beispielsweise imprägnierte Fasern sein. Imprägnierte Fasern sind Fasern, die mit einem aushärtbaren duromeren Harz, wie z. B. Epoxidharz imprägniert worden sind. Das Aushärten des Harzes ist über eine thermische Initialisierung möglich. Von den Elektroden 24 überträgt sich der Strom auf das Faserbündel 8 und erwärmt es lokal, so dass die Aushärtereaktion gestartet wird. Währenddessen wird das Faserbündel 8 an seiner gewünschten Lage abgelegt. Wenn bereits eine Lage der Fasern auf dem Kern 12 aufgewickelt ist, so verbinden und verkleben die einzelnen Faserbündel und bilden nach dem Aushärten eine erstarrte feste Struktur, die bereits als fertiges Bauteil gekennzeichnet wird und kein weiterer Verarbeitungsschritt benötigt.The fiber bundles may be, for example, impregnated fibers. Impregnated fibers are fibers which are filled with a curable thermosetting resin, such. B. epoxy resin have been impregnated. The curing of the resin is possible via a thermal initialization. From the electrodes 24 the current transfers to the fiber bundle 8th and heats it locally, so that the curing reaction is started. Meanwhile, the fiber bundle 8th stored at its desired location. If already a layer of fibers on the core 12 is wound, then connect and glue the individual fiber bundles and form a solidified solid structure after curing, which is already characterized as a finished component and requires no further processing step.

Alternativ können die Faserbündel trockene/bebinderte Fasern sein. Dies sind Fasern, die wahlweise mit einem trockenen, bzw. pulverförmigen Binder beschichtet sein können, oder die nicht beschichtet sind. Der Binder kann ein fester, thermoplast Copolyamid oder ein flüssiges Epoxidharz auf Bisphenol-A-Basis sein. Der auf den Fasern vorhandene, bzw. in dem Faserbündel eingebettete Binder ist thermisch aktivierbar und kann über den bereits beschriebenen Stromfluss aktiviert werden. Alternativ kann bei unbeschichteten Fasern ein Binder kurz vor der elektrischen Erwärmung des Faserbündels auf das Faserbündel 8 oder auf den Kern 12 zugeführt werden. Auch halbtrockene Fasern können entsprechend zum Einsatz kommen.Alternatively, the fiber bundles may be dry / necked fibers. These are fibers that may optionally be coated with a dry or powdered binder or that are not coated. The binder may be a solid thermoplastic copolyamide or a bisphenol A-based liquid epoxy resin. The binder present on the fibers or embedded in the fiber bundle can be activated thermally and can be activated via the already described current flow. Alternatively, with uncoated fibers, a binder may be on the fiber bundle shortly before the electrical heating of the fiber bundle 8th or to the core 12 be supplied. Even semi-dry fibers can be used accordingly.

Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform wird die Fixierung, also die Erhitzung praktisch gleichzeitig mit dem Ablegen des Faserbündels 8 auf dem Kern durchgeführt. Alternativ dazu ist in 7 eine Ausführungsform der Fixiervorrichtung 20 gezeigt, die zwei Elektroden 24, (mit + und – gekennzeichnet) aufweist und die über einen nicht gezeigten elektrisch isolierenden Träger miteinander verbunden sind. Hier ist ein Fall gezeigt, dass das Fixieren unmittelbar vor dem Ablegen durchgeführt wird. Das heißt, die Wärme wird unmittelbar vor dem Ablegen eingeleitet und aufgrund der verzögerten Aushärtung des Binders oder Kunststoffs kann im Anschluss die Faser noch in ihre gewünschte Lage gebracht werden. Alternativ dazu kann das Fixieren auch unmittelbar nach dem Ablegen des Faserbündels auf dem Kern durchgeführt werden. (nicht dargestellt). Vorteilhaft für die vorliegende Erfindung ist es, dass ein direkter zeitlicher und/oder räumlicher Bezug zu dem Ablegen des jeweiligen Faserbündels in die Form (bzw. auf den Kern 12) mit dem Fixieren stattfindet. Zu diesem Zeitpunkt ist die Lage des Faserbündels exakt durch die Führungen in der Lage definiert. So genügt es ein relativ geringes Volumen zu erhitzen. Dies ist ein gut kontrollierbarer Prozess, der ohne eine zusätzlichen und zeit-/energieaufwändigen Zusatzbearbeitungsschritt durchgeführt werden kann, da er unmittelbar in das Ablegen des Faserbündels integriert werden kann.At the in 2 the embodiment shown, the fixation, ie the heating is practically simultaneously with the deposition of the fiber bundle 8th performed on the core. Alternatively, in 7 an embodiment of the fixing device 20 shown the two electrodes 24 , (marked with + and -) and which are connected to each other via an electrically insulating support, not shown. Here, a case is shown that fixing is performed immediately before dropping. That is, the heat is introduced immediately before depositing and due to the delayed curing of the binder or plastic, the fiber can still be brought in their desired position. Alternatively, the fixing may also be performed immediately after the fiber bundle has been deposited on the core. (not shown). It is advantageous for the present invention that a direct temporal and / or spatial reference to the placement of the respective fiber bundle in the mold (or on the core 12 ) takes place with the fixing. At this time, the position of the fiber bundle is defined exactly by the guides in the position. So it is sufficient to heat a relatively small volume. This is a well-controlled process that can be performed without an additional and time-consuming / energy-consuming additional processing step, as it can be integrated directly into the laying of the fiber bundle.

Es ist für die Erfindung kein Kern notwendig, auf den aufgewickelt wird. Alternativ können die Fasern auch in eine Form eingelegt werden.It is necessary for the invention, no core is wound on. Alternatively, the fibers can also be placed in a mold.

Es kann optional der über die Elektroden 24 gemessene Strom gemessen werden. Auch kann der Spannungsabfall der Elektroden oder die sich dort aufbauende Kapazität gemessen werden. Aufgrund von einer oder mehrerer dieser Messwerte kann zunächst bestimmt werden, ob eine ausreichende thermische Aktivierung stattgefunden hat. Auch bietet sich so ein Messwert für den Zustand des Faserbündels. So können z. B. Faserbrüche erkannt werden.It can optionally be over the electrodes 24 Measured current can be measured. Also, the voltage drop of the electrodes or the capacity built up there can be measured. On the basis of one or more of these measured values, it can first be determined whether sufficient thermal activation has taken place. Also provides such a reading for the state of the fiber bundle. So z. B. fiber breaks are detected.

Zu den Stärken/Vorteilen der Erfindung zählen die reduzierten Wärmeverluste (zur Umgebung), die hohe Wärmebildungsgeschwindigkeit, die lokale Wärmegenerierung, die in-situ Erfassung des qualitativen Zustands verarbeiteter Faserbündel-Halbzeuge, den extrem kompakte Vorrichtungsbauraum bei Zusammenfassung von Wärmebildung- und Kompressionsbereich sowie die einfachen und kostengünstige Investition/Konstruktion; Wartung zur Umsetzung des Systems. Weiterhin lässt sich das Vorrichtungsprinzip flexibel anpassen, sodass verschiedene Gestaltungsfreiheiten die praktische Anwendung an verschiedenen Prozessen erlaubt.Strengths / advantages of the invention include reduced heat losses (to the environment), high heat build-up speed, local heat generation, in-situ detection of the qualitative condition of processed fiber bundle semi-finished products, extremely compact device construction space combining heat build-up and compression area, and simple and cost-effective investment / construction; Maintenance for the implementation of the system. Furthermore, the device principle can be adapted flexibly, so that various freedom of design allows practical application to different processes.

Die vorstehend beschriebene Anwendung ist für Fertigungsprozesse mit Endlosfasern, wie z. B. die Flecht-, Wickel- und Aufspreiztechnik, Automated Fiber Placement (AFP), Dry Fiber Placement (DFP) äußerst interessant. Dabei wird insbesondere von dem Bauraum und der Ausführung eine des Preformingschrittes profitiert, aufgrund der Komplexität der Bauteilgeometrien als auch des eigenen Verarbeitungsweges der einzelnen Faserbündel. Der Aufbau der beschriebenen Vorrichtung ermöglicht es in Verbindung mit Druckluftzylinder, verschiedene Druckkräfte einzustellen. Das Preformen (auch Vorformen genannt) von vordefinierten Strecken wird durch den Einbau der Komponenten an einen eigenen Antrieb oder durch den Vorschub des zu bearbeitenden Bauteils ermöglicht, solange eine sichere elektrische Stromversorgung zur Verfügung steht. Insofern ist die Anzahl der erforderlichen Vorformlingkomponenten prozess- und bauteilabhängig, da sie gezielt für einzelnen oder mehrere Faserstränge eingesetzt werden. Für Fertigungsprozesse, bei denen mehrlagigen Faser-Vorformlingen und keine einzelnen Faserbündeln erwärmt und komprimiert werden sollen, kann die Bauweise der Vorformlingkomponenten nach Bedarf in Form und Größe angepasst werden ohne das eigentlichen Funktionsprinzip zu beeinträchtigen (vorausgesetzt ein ausreichender zwischenlagigen Kontakt zwischen Faserstränge über die Wandstärke der Preform). Ist der Preformingschritt für z. B. einen Drapierprozess erwünscht, sind die Elektroden abschnittsweise an dem Formworkzeug gezielt zu positionieren. Es wird eine flächige Erwärmung des Halbzeugs angestrebt. Die Art der anschließend aufzubringenden Kompressionskraft ist vom ausgewählten Drapierprozess abhängig. Die Zielsetzung dabei liegt auf Integration der Elektropreforming-Methode in Prozessketten hauptsächlich zur Reduzierung vor Zykluszeiten/Prozessschritte, durch beschleunigte Wärmeübertragungsvorgänge, sowie zur Verbesserung der Vorformlingsqualität.The application described above is for manufacturing processes with continuous fibers, such. For example, braiding, wrapping and spreading technology, Automated Fiber Placement (AFP) and Dry Fiber Placement (DFP) are extremely interesting. In this case, one of the space and the execution of the preforming step benefits in particular, due to the complexity of the component geometries and the own processing path of the individual fiber bundles. The construction of the device described makes it possible, in conjunction with compressed air cylinders, to set different pressure forces. Preforming (also called preforming) of predefined sections is made possible by the installation of the components on a separate drive or by the feed of the component to be machined, as long as a safe electrical Power supply is available. In this respect, the number of preforming components required depends on the process and component, since they are used specifically for single or multiple fiber strands. For manufacturing processes in which multi-layered fiber preforms and not individual fiber bundles are to be heated and compressed, the design of the preform components can be adapted in shape and size as required without impairing the actual functional principle (provided sufficient inter-layer contact between fiber strands over the wall thickness of the preform). Is the preforming step for z. B. a Drapierprozess desired, the electrodes are to be selectively positioned in sections on the shape of the tool. It is the aim of a planar heating of the semifinished product. The type of compression force to be applied subsequently depends on the selected draping process. The objective is to integrate the electropreforming method into process chains, mainly to reduce cycle times / process steps, accelerate heat transfer processes, and improve preform quality.

In der Ausführungsform gemäß 8 ist gezeigt, dass der Vorgang der Kraftausübung auf das Faserbündel 8 getrennt sein kann von den Elektroden 24. In diesem Sinne ist gezeigt, dass die Walze 40 mit einer Kraft F_W auf den Formkörper bzw. Kern 12 gedrückt wird. Zusätzlich befinden sich die Elektroden 24 an einem Träger, der die Elektroden mit einer Elektrodenkraft (nicht bezeichnet) gegen das Faserbündel 8 drückt. Die Elektrodenkraft kann kleiner als die Walzenkraft F_W sein, damit das Faserbündel 8 durch die Elektroden nicht beschädigt wird. In diesem Sinne ist hier eine Ausführungsform gezeigt, bei der das Faserbündel 8 unmittelbar vor und während und unmittelbar nach dem Aufbringen oder Einbringen auf den Kern 12 mit einem elektrischen Strom durchflossen wird. Über eine federnde Aufhängung (nicht gezeigt) von den Elektroden 24 zu der Walze 40 kann bewirkt werden, dass die Walzenkraft F_W und Elektrodenkraft in einem gewünschten Verhältnis zueinander stehen.In the embodiment according to 8th It is shown that the process of applying force to the fiber bundle 8th can be separated from the electrodes 24 , In this sense, it is shown that the roller 40 with a force F _W on the molding or core 12 is pressed. In addition, there are the electrodes 24 on a support that supports the electrodes with an electrode force (not labeled) against the fiber bundle 8th suppressed. The electrode force may be smaller than the roller force F _W , thus the fiber bundle 8th is not damaged by the electrodes. In this sense, an embodiment is shown here in which the fiber bundle 8th immediately before and during and immediately after application or application to the core 12 with an electric current flowing through it. Via a resilient suspension (not shown) from the electrodes 24 to the roller 40 can be caused that the roll force F _W and electrode force are in a desired relationship to each other.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

88th: Faserbündelfiber bundles
1010: FaservorformlingFiber preform
1212: Kerncore
1414: Antriebsvorrichtungdriving device
1515: Antriebswelledrive shaft
2020: Fixiervorrichtungfixing
2424: Elektrodenelectrodes
3030: Positionierungsvorrichtung,Positioning device
3636: KraftübertragerPower transformer
3838: Führungguide
4040: Walzeroller
FF: Anpresskraftcontact force
vv: Vorschubgeschwindigkeitfeed rate

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10353070 A1 [0004]

Claims

Method for producing a fixed fiber preform ( 10 ), wherein a fiber bundle ( 8th ) on a core ( 12 ) is applied and / or introduced into a mold, and the fiber bundle ( 8th ) immediately before and / or during and / or immediately after application or application to the core ( 12 ) or in the form is traversed by an electric current in order to fix the fiber preform by thermal heating in conjunction with a plastic ( 10 ) to effect.

Method according to claim 1, characterized in that a fixing device ( 20 ) Electrodes ( 24 ) and via the electrodes ( 24 ) Current to the fiber bundle ( 8th ) is applied.

Method according to claim 2, wherein the fixing device ( 20 ) the fiber bundle ( 8th ) immediately after the introduction of the current and / or during the introduction of the current and / or before the introduction of the current with a defined force (F) against the core ( 12 ) and / or the shape presses.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the fixed fiber preform ( 10 ) is further processed in a subsequent process step by supplying plastic to a plastic component.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a binder substance is supplied, in particular a thermoplastic copolyamide, such as preferably z. B. contains a copolyamide adhesive sheet or consists thereof and / or that the binder substance contains or consists of an epoxy resin based on bisphenol-A-based.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that impregnated fibers, ie in particular impregnated with a hardenable resin or wetted fibers are fed to a fixing device, and the fixing device hardens the curable resin at least partially.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that an electrical measurement variable, such as a voltage or a current is measured and is judged depending on this measurement, whether the method is performed properly.

Apparatus for producing a fiber preform ( 10 ) comprising a core ( 12 ) and / or a shape that is suitable for shaping the fiber preform ( 10 ), and a positioning device ( 30 ) for positioning a fixing device ( 20 ) relative to the core ( 12 ) and / or the mold, wherein with at least two electrodes ( 24 ) for applying electrical current to an electrically conductive fiber or a fiber bundle ( 8th ) can be brought.

Device according to claim 8, characterized in that the electrodes ( 24 ) and a sliding surface for applying a pressure to the fiber bundle in one piece and rigid on the fixing device ( 20 In particular, the force can be applied via a rigidly sliding or always rolling cylinder.